CN85108000A - 电解槽的密封 - Google Patents

Abstract

压滤型双极式电解槽装置包含有第一框架、第二框架、插在框架之间分隔成阳极区与阴极区的隔离膜以及插在至少是第一或第二框架与隔离膜之间的预先压紧的密封垫。

Description

本发明涉及电解槽的密封衬垫和密封电解槽的方法。

采用隔离膜的电解槽，例如用来电解碱金属氯化物水溶液生产氯气和金属氢氧化物的电解槽，一般有两种形式：隔膜型和薄膜型。

薄膜型电解槽一般使用离于交换物质的片状膜。例如美国杜邦公司的Nafion薄膜和日本旭玻璃公司的Flemion薄膜。这些电解槽通常是平板型或压滤型，其电极结构为单极或双极。赛科等人提出的美国专利4，108，742和411，779叙述了双极体系的电解槽;肯尼提出的美国专利4，137，144及所引用的专利文献讲述了另一种设计。

在压滤型薄膜式电解槽中，一般是把薄膜放置在电解槽框架各个侧面之间夹紧或用其它方法压紧。此外，通常在一个框架和薄膜的表面之间插入密封垫片，再通过压紧框架与垫片形成流体密封（即液压密封和气压密封）以防止电解液从电解槽的一个隔间漏到另一隔间，或向外泄漏。这种压紧方法可以是手工的，也可以是机械的，即用液压机或用其它加压装置将电极的框架与垫片紧压在一起，不过希望所获得的流体密封不得损坏薄膜。

夹在薄膜与电极框架之间的密封垫片材料通常采用弹性物质，例如橡胶或弹性体。工业上双极式薄膜电解槽一般用乙烯-丙烯（EP）高聚物或乙烯-丙烯-二烯烃（EPD）高聚物作为薄膜与电极框架之间的密封垫片材料。但是，当用压力压紧框架时，上述材料就要变形和向外膨胀。在密封垫片向外变形时，与其接触的薄膜受到向外变形垫片的压力的推动而受到拉伸。当要把框架压紧形成流体密封的电解槽时，位于与电极框架相邻的垫片下方的薄膜的这种拉伸能使薄膜破损或撕裂。此外，为了实现有效的密封，弹性的密封垫片需要较高的压力，这样就增加薄膜被破损或撕裂的危险性。

薄膜的任何撕裂或破损，在电解期间都要降低电流效率，当电解槽的电解操作效率降低时，就要大大增加所用的电流。电流效率和（或）电解操作效率降低得太多，而更换破损了的薄膜时，就需要花费很大的代价关闭整个电解槽。

在电解槽中，经常采用定做的密封垫片，平板形或O形EPD密封垫片以使薄膜的损坏减至最小。但是，在解除加在密封垫片上的压力后，这些弹性密封垫片仍要基本上恢复其大小和形状。因此，弹性垫片是不能预压紧的，而薄膜必须与垫片在加压前就安置在电解槽的框架之间。当薄膜与弹性密封垫片一起受压时，薄膜被损坏的可能性也就增加了。

由于上述的这些问题，所以希望能为电解槽提供一种密封结构以及采用这种密封结构而不至于损坏电解槽薄膜的密封方法。

本发明是一种电解槽装置，它由第一框架、第二框架、插入框架之间把电解槽分隔成阳极区与阴极区的隔离膜，以及至少插入在第一或第二框架与隔离膜之间的预压紧密封垫片所组成。密封垫片可以是一种碳氟聚合物的垫片。

本发明也涉及电解槽的密封方法，该方法含有一密封垫片，插在至少在第一框架或第二框架与隔离膜之间，所述的隔离膜把由电解槽第一框架和第二框架所限定的隔间分隔成阳极区与阴极区;并由压紧密封垫片、隔离膜与第一、第二框架形成的。这种密封方法的特点是使用一种预压紧的、具有永久变形的密封垫片。

本发明进一步阐明的电解槽的密封方法，包括：

（a）在第一框架与第二框架之间插入一个片状构件，

（b）至少在第一或第二框架与片状构件之间插入一种由可永久变形材料制成的密封垫，

（c）压紧第一与第二框架、片状构件和密封垫，使密封垫永久变形，

（d）解除压力，取出片状构件，

（e）用一隔离膜替换片状构件，

（f）压紧第一和第二框架、预压紧的密封垫与隔离膜，形成液压密封和气压密封。

图1是一种电解槽装置的截面图，示出预压紧的密封垫插入在电极框架与隔离膜之间。

图2是本发明的另一体现，是另一种电解槽装置的截面图，示出预压紧的密封垫插在具有凹槽的电极框架与隔膜之间。

参看图1，可看出压滤型电解槽装置有一对相邻接的压滤型框架11和12。只是为了说明起见，现在规定第一框架11为阳极框架，第二框架12为阴极框架。一般说来，阳极框架和阴极框架是单一的框架结构，其中的阳极与阴极是连在这一结构的相反的一面上，并通过这一结构导电的。这种电解槽装置是典型的滤压型电解槽，可以是单极的或是双极的。在这里，本发明将结合双电极式压滤型电解槽进行说明。在阳极框架与阴极框架12之间插有隔离膜13和预压紧密封垫14。预压紧密封垫14可以插入在隔离膜与框架11或与框架12之间。虽然图中只示出一个预压紧密封垫14，本发明是包含了在隔离膜13的两边都使用预压紧密封垫的情况的。

“预压紧的密封垫”的意思是密封垫已经经受了由一挤压力或压紧引起的变形，此后直至最后使用以前，密封垫大体上保持在压紧时的状态或永久变形状态。“永久变形的密封垫”的意思是密封垫被压缩到所要求的厚度，在此厚度下保持压缩，厚度没有明显的变化，直到最后使用为止，也就是把它安装在电解槽框架11与12之间，或者直到进一步压缩时为止。本发明的“预先压紧”密封垫的特点与先前的密封垫技术相比有一种优点，因为采用预压紧密封垫，就可在没有隔离膜的情况下，使密封垫经受了使它变形所必需的大压力，而在这种大压力下，隔离膜是会损坏的。

再参照图1，电解槽框架11和12相应地有一侧向的外周边表面15和16。如图所示，密封垫14位于隔离膜13与阴极框架12之间;显然，也能安放在隔离膜13与阳极框架11之间。隔离膜13的尺寸总是大于电解槽框架11和12，最好是超过框架11和12的外周边，而密封垫14一般是限定在阳极框架11的侧面15之内，或如图1所示。限定在阴极框架12的侧面16之内，隔离膜13画成弯曲状，离开侧面15一个小的角度，这只是为了使侧面15显示得更清楚一些。一般说来，隔离膜与侧面15是完全接触，也就是与整个表面接触。密封垫14可以沿着阳极或阴极框架11和12的整个侧面排成一行。此外，在侧面15和16上面可以加一衬垫（图中未画出）用来保护框架结构不受周围介质腐蚀。例如，电解槽框架11的侧面15可以有一金属衬垫（如钛）或塑料衬垫（如聚四氟乙烯）与之相贴。

用于一般的电解槽中的框架11和12可以作成任意形状。例如可以是长方形，C形槽或U形槽，圆柱管形，椭圆管形，I形或H形的。包含框架11和12在内的单一电极框架的截面形状最好是I形的。

框架11和12可以用能抵抗电解液和电解产品腐蚀的任何材料制成。例如，与阳极区内的阳极电解液接触的阳极框架可以用铁、钢、不锈钢、镍、钛等金属或它们的合金制成。与阴极区内的阴极电解液接触的阴极框架可以用铁、钢、不锈钢、镍等金属或它们的合金制成。同样，塑料材料如聚丙烯、聚丁烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯以及氯菌酸基聚酯都可以用来制作阳极和阴极框架。

本发明的隔离膜13可以是液压可渗透性的或液压不可渗透性的隔离膜。较可取的是，采用惰性柔韧的具有离子交换性质的隔离膜，而这种隔离膜对电解液的流动和在电解期间产生的气体流基本上是不渗透性的。更好一些的是采用阳离子交换膜，例如由碳氟聚合物所构成的阳离子交换膜，其中含有许多侧链磺酸基或羧酸基或磺酸基和羧酸基的混合物。“磺酸基”和“羧酸基”的意义是包含一些磺酸盐或羧酸盐，它们与相应的酸基通过一些过程（例如水解）互相转化。羧酸型阳离子交换膜的例子如可以从旭玻璃公司购得的商标为Flemion的离子交换膜;具有阳离子交换性质的适用的另一个例子是氟磺酸离子交换膜，由杜邦公司销售，商标为Nafion。

本发明的密封14可以是一种全密封垫片。象框架11和12那样，密封垫片应由能抵抗电解液和电解产物腐蚀作用的材料制成。例如在氯碱工业中，密封垫片14当然必须对酸、盐水、氯和苛性碱这些在正常的操作条件下存在于电解槽中的物质保持惰性。密封垫片14也最好是不导电的，应当是在压缩后具有高的体积电阻率和好的密封性能的物质。本发明的主要特点是密封垫片14的材料是非弹性的或者是可永久变形的。密封垫片14可用碳氟聚合物材料制成，用聚四氟乙烯（PTFE）就更好。这里所用的垫片是用W.L戈尔公司出品的GORE-TEX

膨胀的多孔PTFE材料制成的。在给电解槽装置施加压紧力以前，可用粘合剂或环氧树脂等粘合剂把图1中的密封垫片14贴到框架12的侧面16上。所用的粘合剂或环氧树脂也应当对电解环境是惰性的。

本发明的另一实施方案示于图2，图2示出了薄膜23以及预压紧的第一密封垫片24，它插在侧面相应地为25和26的阳极框架21与阴极框架22之间。置于说到图2中的薄膜、预压紧的第一密封垫片以及电极框架的结构和构成材料，都与图1中所说明的一样，所不同的是在图2中示出的框架22的侧面26有一凹槽27。电解槽框架21和22的侧面25或26，或者它们两者都能包含一个或一些凹槽27，这是在本发明的范围之内的。另外，图2示出在凹槽27内装有第二密封垫片28，它或者是未经压紧的，或者是经过预压紧的。第二密封垫片28可与第一密封垫片24同一材料，也可是不同材料。虽然图1中的垫片14和图2中的垫片24和28都画成矩形截面，但是各种其它合适的形状也可以使用，以便有优良的密封效果。例如，垫片可以是圆形截面;凹槽可以都是矩形的，但是带有圆角。凹槽也可以都是半圆的，或者是三角槽截面，或者任何其它所要求的形状。任何良好的粘合剂如胶合剂或环氧树脂材料可以用在垫片28与预压紧垫片24的界面29上，藉此在向电解槽装置施加压紧力以前保持预压紧垫片24处在阴极框架22的侧面26的适当位置上。密封垫片24和28合成一片，这也在本发明的范围之内。

为要实现本发明的密封方法，可用粘合剂把未曾压紧的密封垫片贴在压滤型电解槽的阴极或阳极框架的侧面上;再把一个薄片插在阳极或阴极框架与密封垫片之间，它的厚度和柔韧性最好与将要使用在电解槽装置中的薄膜相同，这个薄片可用纸或塑料材料，用牛皮纸更好，纸的厚度范围从0.125到0.25毫米。用任一种已知的液压机或夹具将压力或负载加到电解槽装置上，将密封垫片压到合适的厚度以后，再把纸片从垫片与电极框架之间取出。这样，密封垫片受到预压紧，并得到永久变形，也就是在解除了压力以后，密封垫片仍然保持其压紧形态。

通常，为了预压紧密封垫片，所用的压力负载可达到电解槽不漏盐水所需的最终压紧载荷或达到密封垫片要求的最终厚度的10%至100%。例如，使用2750千帕斯卡到17240千帕斯卡的压力负载，密封垫片的厚度可以从2.0压到0.38毫米。把纸片从密封片与电极框架之间取走后，用薄膜替换纸片。然后，薄膜与预压紧的密封垫片在电解槽框架之间受压，以此为电解槽装置提供完全的液压密封和气压密封。因为密封垫片已经是压紧状态，由于垫片变形而施加给薄膜的压力可以忽略不计，这样，薄膜的损坏就可减至最小。

下面的实施例只是为本发明提供说明，并不是限制本发明。这些实施例叙述预压紧垫片如何用于采用薄膜的压滤型电解槽中。

实施例1

用一对0.61米长0.61米宽的膜拟平板型电解槽框架来试验GORE-TEX

材料的密封垫片。一根12.7毫米宽4.76毫米厚的GORE-TEX

带于贴在一个框架的侧面平面上。带子在其两端搭接，以提供密封。另一框架上不贴密封垫片。两个框架安置在一0.61米长0.61米宽的液压机上。一张厚约0.25毫米的牛皮纸，铺展开来超出框架的周边，插在框架之间。框架之间的密封垫片受到大约1380千帕斯卡的压力首先预压缩到大约1.6毫米厚。然后打开电解槽框架取出牛皮纸，再把324号Nafion薄膜插在密封垫片与电解槽框架之间。电解槽框架连同薄膜再次一起加压。85℃至93℃的热水经过电解槽循环运行，电解池内部压力从34千帕斯卡升到103千帕斯卡。液压机压力随着内部压力成比例地上升，借此保持密封垫片压力恒定在大约2413千帕斯卡。试验进行大约140个小时。没有观察到漏泄。然后关闭电解槽，打开检查薄膜没有被贴住，在垫片区域薄膜没有变薄。

比较例A

用一对10厘米长10厘米宽的模拟平板型电解槽框架来试验GORE-TEX

材料的未经预压紧的密封垫片。9.5毫米宽3.2毫米厚的GORE-TEX 带子贴在一个框架的侧面平面上。带子在其两端搭接以提供密封。另一框架不贴密封垫片。把324号Nafion薄膜插入框架之间，两个框架在液压机的台板之间受压。90℃的热水经过电解槽循环运行，电解槽内部压力从34千帕斯卡升到207千帕斯卡。液压力随内部压力成比例地上升，借此保持密封垫片压力在3447到4137千帕斯卡上以制止泄漏。

试验进行48个小时，然后打开电解槽框架，检查密封垫片和薄膜。观察到薄膜在密封垫片的压力作用下被拉伸展了，并且变薄。

实施例2

在一个由四个矩形的平板型电解槽框架（1.22米宽2.44米长）所组成的电解槽装置中，密封垫片安装如下：把直径为6.35毫米的GORE-TEX

绳索与位于电解槽框架阴极一侧的6.35毫米凹槽的内边贴紧。将绳索压入凹槽内使GOR-TEX

材料的顶面与框架侧面齐平。然后把一条12.7毫米宽4.76毫米厚的GORE-TEX

带子在其两端搭接以提供密封。电解槽框架的阳极一侧不放置密封垫片。

一张铺展开来超出框架的周边的厚约0.25毫米的牛皮纸，贴在每个电解槽框架的阳极一边。

将贴好密封垫片的电解槽框架连同贴好的纸片一起安装放在液压机两个平台之间的电解槽导轨上。然后，在液压缸上用8274千帕斯卡的压力（压机上是42676公斤力）把电解槽框架压在一起，这个压力相当于密封垫片上受有约3723千帕斯卡的压力。GORE-TEX带子从最初的12.7毫米宽4.76毫米厚压成15.9毫米宽1.6毫米厚的密封垫片。然后松开压力，拉开框架，取出纸片。用324号Nafion薄膜放在相邻的框架之间。其后，电解槽框架再一次被作用在液压缸上的11377千帕斯卡压力压紧。

阳极电解液和阴极电解液经过电解槽循环运行，开通电源给电解槽通电。电解槽在温度90℃、内部压力从34到138千帕斯卡下操作。液压机汽缸压力从11377到15169千帕斯卡以制止密封垫片处的泄漏。密封垫片的厚度从1.27毫米减小到0.76毫米。密封垫片的平均压力保持在3447千帕斯卡左右。

在八个月的运转期间，电解槽停下五次来调整电解槽和更换薄膜。每次停工期间，所用的密封垫片都要取出作外观检查。在密封垫片区域上的薄膜和垫片上都没有出现损坏。每次停工以后都按照上述的程序在电解槽中装上新的密封垫片。

Claims (10)

1、由第一框架、第二框架和由插在框架之间以分隔开阳极与阴极的隔离膜所组成的电解槽装置，其特征是，至少在第一或第二框架和隔离膜之间采用预先压紧的、永久变形的密封衬垫。

2、根据权利要求1所述的电解槽装置，其中的隔离膜是一薄膜，密封衬垫是由碳氟聚合物制成的。

3、根据权利要求2所述的电解槽装置，其中的碳氟聚合物是膨胀的多孔聚四氟乙烯材料。

4、根据权利要求3所述的电解槽装置，其中至少有一个框架有凹槽，凹槽内装有密封垫片。

5、一种密封电解槽的方法包括：至少在第一框架或第二框架与隔离膜之间插有密封垫片，该隔离膜将由第一和第二框架所限定的隔离分隔此阳极区和阴极区，并压紧密封垫片、隔离膜以及第一和第二框架，其特征是，采用作为密封的是使用预先压紧的、永久变形的密封垫片。

6、密封电解槽的方法包括：

（a）至少在第一和第二框架之间插入一片状构件，

（b）至少在第一或第二框架与片状构件之间插入由可永久变形的材料制成的密封垫片，

（c）压紧第一和第二框架、片状构件以及密封垫片，使密封垫片永久变形，

（d）解除压紧力，取走片状构件，

（e）用一隔离膜替换片状构件，以及

（f）压紧第一和第二框架，预先压紧的密封垫和隔离膜，直到足以形成液压密封和气压密封。

7、根据权利要求6所述的方法，其中的片状构件是由纸或合成树脂材料制成的。

8、根据权利要求6所述的方法，其中的密封垫片是永久变形到一定的厚度的，借此以提供液压和气压密封。

9、根据权利要求6所述的方法，其中的密封垫片是由碳氟聚合物制成的垫片。

10、根据权利要求9所述的方法，其中的碳氟聚合物垫片是膨胀的多孔聚四氟乙烯。

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