CN86107225A - 双极式电解装置及其单元电解槽 - Google Patents

Abstract

一种双极式电解装置单元电解槽包括一个阳极侧盘状构件、一个阴极侧盘状构件和若干条形构架。两盘状构件各有一个带钩构架、构架壁和间壁，两盘状构件彼此背靠背配置。一种双极式电解装置，上述所说的多个单元电解槽即顺序配置在此电解装置中。

Description

本发明是关于电解装置及其单元电解槽的结构。更详细地说，本发明是关于一种易装拆电解装置的结构。本电解装置的单元不仅适用于电解碱金属氯化物以生产氯和碱金属氧化物，而且也适用于其它电解作业，例如，水的电解。

迄今为止，电解碱金属氯化物的水溶液，特别是电解氯化钠的水溶液，都推荐采用应用离子交换膜的电解装置。

就双极式电解装置而论，有人提出过采用下列形式的装置：例如，一种毗邻单元电解槽的间壁用爆炸焊接法焊接使毗邻单元电解槽彼此在电气上联接的电解装置（见，例如，4，111，779号美国专利），一种毗邻单元电解槽的电气联接是在电解槽之间插入弹力导电连接带的电解装置（见，例如，4，108，752号美国专利），一种单元电解槽由塑料制成、毗邻单元电解槽用螺栓和螺母进行电气联接的电解装置（见，例如，2，551，234号德国专利申请书），一种毗邻单元电解槽之间的电气联接采用超声波焊接等方法焊成的钛铜不锈钢接合的电解装置（日本公开专利90079/79号申请书）等。

尽管在离子交换膜法电解氯化钠的电解装置方面迄今已做了各种改进，但上述现有技术的电解装置仍然不能令人满意，这主要是因为现有电解装置的装配复杂，制造工艺困难，电解液易从焊缝漏出，不然，就是造价高。

因此，本发明的目的是提供一种电解装置，特别是一种双极离子交换膜式碱金属氯化物电解装置，这种电解装置易装易拆，焊缝少，电解液不易漏泄，装置各部件易于加工，而且造价不高。

本发明的另一个目的是提供上述电解装置易装易拆、焊缝少的单元电解槽。

本发明的上述和其它目的及优点从下列说明中即可一目了然。

图1是已装配好的一个单元电解槽的正视图（本发明的一个最佳实施例），该电解槽包括构成电解装置的阳极室和阴极室。

图2是从图1A-A′线截取的剖面图。

图3是构成单元电解槽阳极室和阴极室的盘状构件的结构图。

图4是单元电解槽中用的带钩凸缘详图。

图5（a）和5（b）分别为本发明各最佳实施例中盘状构件的制作示意图。

图6是单元电解槽一个条形构架的透视图。

图7是本发明一个最佳实施例由单元电解槽构成的双极电解装置的装配图。

附图和本说明书中的各编号系指下列部件：

1……条形构架，2……盘状构件，3……导电肋条，4……电极，5……孔，6……接触部分，7……带钩凸缘，8……构架壁，9……间壁，10……电极室，11……加强肋，12……进口管嘴，13……出口管嘴，14……拐角部分，15……阳离子交换膜，16和17……衬垫，18……阳极室，19……阴极室，20……侧杆，21……连接部分，22……端子板，23……爆炸焊接板（不予描述），24……构成电解装置的双极式单元电解槽，25……条形构架上的管嘴孔，26……构架壁上的管嘴孔，27……端部半电解槽单元，28……构架间隔（图中未画出），29……沟槽，30……钩形部分，31……固定头，32……后头，33……活动头。

我们发现，要达到上述目的，最好采用由下列各部分构成的单元电解槽：一个阳极侧盘状构件和一个阴极侧盘状构件，该两个盘状构件各包括一个带钩凸缘、构架壁，两盘状构件背靠背配置，插在各构件中的带钩凸缘与构架壁之间的各条形构架。本发明即在此发现的基础上实施的。

因此，本发明的一个实施例的双极式离子交换隔膜电解装置包括：

多个双极单元电解槽，各电解槽由下列部分构成：一个阳极侧盘状构件和一个阴极侧盘状构件，该两个盘状构件各包括一个带钩凸缘、构架壁，两盘状构件背靠背配置;插在各构件中的带钩凸缘与构架壁之间的条形构架;通过导电肋条各焊接到间壁上的一个阳极和一个阴极;还有设在阳极侧构件和另一个与所说阳极毗邻的单元电解槽的阴极构件之间的阳离子交换膜，因而使两构件电极较少的一侧彼此面对面相向。

两个设在电解装置两端各有一个阳极和一个阴极的半个电解槽单元，和

两个分别附在电解装置两端半个电解槽单元上的电气端子板，

所说的多个单元电解槽系顺序配置。

正如电解业的行家们所熟悉的那样，水的电解是无需采用离子交换膜的。

双极单元电解槽是上述双极式电解装置的主要部件，各电解槽由下列部分构成：一个阳极侧盘状构件和一个阴极侧盘状构件，各盘状构件都包括一个带钩凸缘、构架壁，两盘状构件背靠背配置;条形构架，各个都插进各构件中带钩凸缘与构架壁之间的沟槽中，上下条形水平构架的两端部分各有两个孔。此单元电解槽的特点是易于装配。盘状构件由一个板构成比由多个板构成好，这不仅在加工方面是如此，而且由于焊接部分少了，电解液漏泄的可能性大大减少。此外，如上所述，装配单元电解槽只要把两盘状构件背靠背设置，再把条形构架插入各带钩凸缘和毗邻的构架壁之间即可。在这方面，装配工作也非常容易。

插入条形构架时，可取的做法是把比单元电解槽高度短一个条形构架水平厚度的条形构架竖向插入，然后把长度等于电解槽宽度的条形构架水平插入，或者把比单元电解槽宽度和高度分别短一个构架厚度的条形构架顺次插入，使其形成二维格架的样式。从单元电解槽的强度和装配的角度看，最好采用后一方装配方法。

构成单元电解槽的其它器件或装置与现有技术单元电解槽的类似。对这些其它器件或装置，这里也许无需再加以叙述了。任何熟悉电解业的人士无需再详细了解单元电解槽的结构即可立即进行装配。即，离子交换膜、衬垫等都可采用一般类型。

可用本发明的装置进行电解的碱金属氯化物包括，例如，氯化钠、氯化钾和氯化锂。其中，氯化钠是工业上最重要的氯化物。当然，本装置也可用以电解水。

下面以氯化钠的电解为例介绍本发明的内容。不用说，本发明并不限于此实例。

本发明电解装置单元电解槽的装配和拆卸都非常简单，装配时只要把一对有一个阳极和一个阴极的盘状构件分别背靠背地设置，再把条形构架插入各构件的带钩凸缘和构架壁之间即可。此外，各盘状构件可由一个板构成，因而可大大减少构件焊接部分的数目，从而使加工过程和电解液漏泄所引起的应变尽可能减小，电解槽的造价可以做得极低。

现在参看附图来说明本发明电解装置的一些最佳实施例。但本发明的电解装置并不局限于附图中所示的那些。

图1是本发明最佳实施例中一个电解装置的正视图;图2是从图1A-A′线截取的剖面图;图3是本发明一个盘状构件最佳实施例的结构图;图4是带钩凸缘详图;图5表示盘状构件（作为一个实施例）的制作情况;图6是条形构架的透视图;图7是双极式电解装置作为一个最佳实施例的装配示意图。图中同一个编号的意义相同：1：条形构架，2：盘形构件，3：导电肋条，4：电极。

导电肋条3焊接到盘状构件上，电极4焊接到肋条3的另一侧。如图4所示，盘状构件2由带钩凸缘7、构架壁8和间壁9构成。构架壁8和间壁9所包围的空间即为阳极室或阴极室。阳极室和阴极室都以衬垫密封。衬垫的合适材料有乙丙橡胶，聚四氟乙烯等。阳极室或阴极室各衬垫最好与密封件同宽。阳极室和阴极室衬垫的厚度通常为1.0至3.0毫米。

各条形构架1插入由各带钩凸缘7和背靠背组合在一起的毗邻构架壁8形成的空间28（图中未画出）。在各条形构架1上有一个沟槽将各带钩凸缘的末端与条形构架连起来。各带钩凸缘7钩形部分30可以具有这样的长度，使得凸缘固定到各条形构架上的沟槽29时不会脱出，也可使其具有弯曲作业所需的长度。该长度为2至20毫米，最好为5至10毫米。

构架壁8在电流方向的长度相当于阳极或阴极室的厚度，通常为10至100毫米。

间壁高度相当于阳极室高度，也相当于阴极室高度，通常为50至200厘米。间壁的横向宽度也相当于阳极室和阴极室的横向宽度，通常为20至400厘米。盘状构件2可取这样的厚度，使得其材料板可以弯曲，构件能承受内部压力，且各导电肋条可焊接到构件上，即，厚度最好约1至3毫米。

导电肋条3焊接到盘状构件2上，各导电肋条上有五个孔，电解液和电解产物即由这些孔通过。导电肋条的厚度考虑到构架壁8的长度、密封衬垫16和17的厚度和各电极4的厚度，应这样进行选择，使得离子交换膜和各电极之间的间隙等于零或几乎等于零。

若需要进一步加强电极室，可把加强肋合乎要求地固定到各电极室的中间部分。阴极室加强肋的材料与阴极侧盘状构件的相同，即，铁、镍、不锈钢或这些金属的合金。阳极室加强肋的材料也与阳极侧构件的相同，即，铁或钛合金。这种加强措施宜这样做：将与导电肋条同形状的两个板在多个平面会交点处焊在一起。这种加强部分最好与构架壁及条形构架密切接触。和导电肋条类似，加强肋上也有电解液和电解产品流通用的若干个孔。

至于电极4，可采用多孔金属材料，在形状上没有任何限制。这种金属薄板包括，例如，呈多孔平板形式的拉制金属网和金属薄板、组合棒材或金属丝网。

至于条形构架1，每个单元电解槽需用两个水平构架和两个垂直构架。各水平条形构架有一个管嘴孔25。各带钩凸缘7的钩形部分30装进沟槽29中。各上下条形构架1的长度相当于间壁9横向宽度和半个带钩凸缘7密封面宽度的和。各垂直条形构架1的长度相当于间壁9高度与半个带钩凸缘7密封面宽度的和。

各条形构架1横截面的形状与各带钩凸缘7及毗邻构架壁8所形成空间的截面一样。条形构架1的表面最好用橡皮垫、环氧树脂涂层之类加以保护，目的是对该表面起绝缘或防腐蚀作用。

盘状构件2和导电肋条3的材料可以是任一在电解条件下能起防腐作用的金属或合金。例如，阳极侧盘状构件可采用钛和钛合金，阴极侧盘状构件可采用铁、镍、不锈钢和这些金属的合金。

阳极材料可以是任何一般电解碱金属氯化物水溶液所使用的材料。即，阳极的制作是将诸如钛、锆、钽、铌等基层材料或这些金属的合金进行加工，再将成形后的基层材料涂以主要由铂族金属氧化物（例如，氧化钌）组成的作为阳极反应性强的材料。至于阴极，可采用铁、镍或这些金属的合金的型材，或再涂以诸如阮内镍、罗旦（Rhodan）镍或氧化镍等作为阴极反应性能的材料。

至于条形构架1，没有任何限制，可以采用铁、不锈钢之类的金属，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯之类的塑料，但为使电解装置具有一定的强度，最好还是采用金属。这些构架可以是实心的，也可以是空心的，但从构架强度的角度考虑，最好还是采用实心的。

盘状构件2可按，例如，下列方法制作：如图5（a）所示，将事先在四个角弯好的板加以切割，使其形成盘状构件，带钩凸缘7和构架壁8则是将该板沿虚线和实线折弯形成的，如图5（a）所示。因此只需要在四个角进行焊接。这样，和现有技术的情况相比，需要焊接的部分减少了，剩余应变也减少了，因而改进了各制作方法。这是本发明的效果之一。

此外，导电肋条固定电极的部位和带钩凸缘密封面，根据现有技术，由于焊接等工序在装配好之后仍有应变，故需要进行机械加工，而根据本发明，则可以不留下大量应变而精密加工出来，因为，如上所述，加工过程非常简单，因而无需进行任何机械加工，而且造价底。这是本发明的另一个效果。

本发明单元电解槽是这样进行装配的：将制作好的阳极和阴极室用的盘状构件背靠背地配置。此两构件可在，例如，交接面6处焊接在一起，也可以不连接。但最好还是接在一起。这样可以降低该部分的电阻。这可用直接超声波焊接或点焊来完成，中间介入爆炸焊接的钛铁板。

然后将条形构架1插入带钩凸缘7和构架壁8之间形成的空间，顺次接到上、右、下和左构架上，使构件竖起来。这之后，将电解液进口管嘴12和电解液出口管嘴13分别插入盘状构架的上侧管嘴孔25和下侧管嘴孔25，再把进口管嘴和穿过下构架壁8钻出的孔26之间的间隙以及出口管嘴和穿过上构架壁8钻出的孔之间的间隙都封好。

本发明所用的阳离子交换膜在种类上没有任何限制。任何电解碱金属氯化物水溶液通常用的薄膜都可以用。

适合作为阳离子交换膜的树脂包括，例如，磺酸型树脂、羧酸型树脂和羧酸-磺酸混合型树脂。其中尤其以羧酸-磺酸混合型树脂为最理想，因为这种树脂能大量转移碱金属离子。采用混合型树脂时，阳离子交换膜最好设置在阳极和阴极之间，使阳极面对阳离子交换膜有磺酸基的一侧，阴极面对该交换膜有羧酸基的另一侧。至于阳离子交换膜的树脂基料，从抗氯性能的角度考虑，应采用碳氟化物树脂为宜。为提高交换膜的强度，可用布、网状材料等作为增强材料。

下面以实例说明本发明，但并不因此限制本发明的范围。

实例

图7是已装配好的双极式电解装置，该装置包括五个单元电解槽和构成单元电解槽的两个端部半电解槽组件27，其中半个电解槽单元只包括一个阳极室，另外的半个电解槽单元只包括一个阴极室，各半电解槽单元都用侧杆20装设电气端子板22，还有固定头31、后头32和活动头33。

各单元电解槽宽2400毫米，高1200毫米，厚54.5毫米，具有若干带钩凸缘，各凸缘的密封面宽21毫米，加强肋11高26毫米，中间部分厚5毫米。各加强肋11具有10个直径8毫米的孔供电解液和电解产物通过。阳极室的盘状构件和其中的导电肋条由钛制成，阴极室的盘状构件和其中的导电肋条由不锈钢制成。

阳极室和阴极室的盘状构件分别为1.0毫米厚和1.5毫米厚，系用压弯法成形的。两构件用点焊焊接在一起，两构件之间插入爆炸焊接钛铁板。条形构架1各插入各带钩凸缘7和毗邻的构架壁8之间形成的空间中。这些构架1逐个插入，装配成二维格架式的结构。各构件的拐角用螺栓固定。导电肋条3每隔12厘米间距焊在盘状构件内侧，使阳极室和阴极室中的导电肋条在相同的相对位置上固定。阳极的各导电肋条高26毫米，宽5毫米，阴极的导电肋条高28毫米，宽5毫米。各导电肋条中有10个直径8毫米的孔5，供电解液和电解产物通过。

阳极的制作是在1毫米厚的钛板上以2.5毫米的间距曲折地钻上若干直径1.5毫米的孔，再将钛板涂以由钌、铱、钛和锆组成的含酸固溶体。

阴极的制作是在1毫米厚的不锈钢板上以2.5毫米的间距曲折地钻上若干直径1.5毫米的孔，再将该不锈钢板涂以氧化镍。

电气端子板22由4毫米厚的铜板制成。阳极室的衬垫16用1.5毫米厚的乙丙橡胶制成，阴极室的衬垫17也用2.5毫米厚的乙丙橡胶制成。各衬垫的形状和一个画框相似，其宽度与带钩凸缘7的密封面相同。

阳离子交换膜按下法制备：在不同的条件下将四氟乙烯与全氯-4，7-二羟基-5-甲基-8-壬烯磺酰氟进行共聚，得出当量为1300的聚合物（聚合物1）和当量为1130的聚合物（聚合物2）。

将这些聚合物加热制成由一层厚35微米的聚合物1和一层厚100微米聚合物2的两层层压件。用真空层压法将特氟隆（商名）纺织品镶在聚合物2一侧的层压件上。将此层压件进行皂化，再对得出的磺酸型阳离子交换膜有聚合物1的一面进行还原处理，使磺酸基转化成羧酸基。

图7中的电解装置系装配成阳离子交换膜含羧酸基的那一层面对阴极。

然后按下法电解氯化钠：将含310克/升的氯化钠水溶液以这样的流率加入各阳极室中，使出口处氯化钠的浓度为175克/升。另一方面，将氢氧化钠稀水溶液以这样的流率加入阴极室中，使出口处氢氧化钠的浓度按重量计为30%。至于其它电解条件，电解液温度为90℃，电流密度为40安/平方分米。结果，电流效率为96.0%，电解槽电压为18.6伏。

Claims (7)

1、一种双极式电解装置，其特征在于，该电解装置包括：

多个双极单元电解槽，各电解槽由下列部分构成：一个阳极侧盘状构件，一个阴极侧盘状构件，若干条形构架，一个阳极和一个阴极；阳极侧盘状构件和阴极侧盘状构件各包括一个带钩凸缘、构架壁和间壁，且两盘状构件背靠背配置；条形构架插在各构件的带钩凸缘和构架壁之间；阳极和阴极各通过导电肋条焊接到间壁上；

所说的多个单元电解槽系顺序配置。

2、权利要求1的双极式电解装置，其特征在于，各盘状构件的构架壁系由一个板制成的。

3、权利要求1的双极式电解装置，其特征在于，阳极侧和阴极侧的盘状构件彼此焊接起来。

4、权利要求1的双极式电解装置，其特征在于，该电解装置还包括一个设在阳极侧构件和毗邻所说阳极另一个单元电解槽的阴极侧构件之间因而两构件电极较少的各侧彼此面对面的阳离子交换膜。

5、一种双极式电解装置的单元电解槽，其特征在于，该单元电解槽包括：一个阳极侧盘状构件，一个阴极侧盘状构件，若干条形构架;阳极盘状构件和阴极盘状构件各包括一个带钩构架、构架壁和间壁，两盘状构件彼此背靠背配置;条形构架插入各构件的带钩凸缘和构架壁之间。

6、权利要求5的电解装置单元电解槽，其特征在于，各盘状构件的构架壁系由一个板制成。

7、权利要求5的电解装置单元电解槽，其特征在于，阳极侧和阴极侧的盘状构件彼此焊接起来。

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