EA029024B1

EA029024B1 - Катод из нержавеющей стали с модифицированной поверхностью для электролизера

Info

Publication number: EA029024B1
Application number: EA201491931A
Authority: EA
Inventors: Пол Козак; Дэвид Саммерс; Бин Лан
Original assignee: Кеметикс Инк.
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2018-01-31
Also published as: CA2870097A1; MY168646A; AU2013252464B2; US20150090586A1; IN2014DN09171A; KR20150013130A; PH12014502355A1; NZ700607A; EP2841625A4; BR112014026603A2; AU2013252464A1; EP2841625A1; CN104271809A; WO2013159219A1; JP6189932B2; CN104271809B; EA201491931A1; US20180105943A1; JP2015522708A

Abstract

Хлорат натрия производится промышленно электролизом солевого раствора и поэтому является энергоемким процессом. Усовершенствованный катод для этого и другого промышленного процесса представляет собой нержавеющую сталь с низким содержанием никеля, поверхность которой надлежащим образом модифицирована. С помощью соответствующей степени шероховатости поверхности катод обеспечивает улучшенные перенапряжения во время электролиза, одновременно сохраняя стойкость к коррозии.

Description

изобретение относится к катодным электродам для использования в промышленном электролизе, таком как электролиз раствора солей для производства хлоратных продуктов. В частности, оно относится к катодам из нержавеющей стали с низким содержанием никеля и с модифицированной поверхностью для такого использования.

Предпосылки изобретения

Хлорат натрия производится промышленно в основном путем электролиза раствора хлористого натрия с получением хлора, гидроксида натрия и водорода. Хлор и гидроксид натрия мгновенно реагируют, образуя гипохлорит натрия, который затем преобразуется в хлорат. В общий процесс электролиза вовлечены сложные электрохимические и химические реакции, которые зависят от таких параметров, как температура, рН, состав и концентрация электролита, анодный и катодный потенциалы и анодное и катодное перенапряжения, а также конструкция оборудования и электролитической системы. Выборы параметров ячейки, таких как размеры, толщина, материалы электродов, варианты покрытия анода и отходящий газ являются важными для получения оптимальных результатов.

Выбор материала и строения катодного электрода в хлоратном электролизере особо важен в отношении эффективности электролиза и долговечности катода в жестких условиях в электролизере. Сочетания материала и конструкции выбираются так, чтобы получать во время работы наилучшую возможную комбинацию характеристик перенапряжения наряду с характеристиками стойкости к коррозии и вздутию, стоимости, технологичности и долговечности. Если применяются катоды, содержащие подложки с покрытием, необходимо принимать во внимание совместимость подложки с покрытиями. Предпочтительно любой усовершенствованный катодный электрод способен заменять их в современных конструкциях электролизера, не требуя других серьезных изменений конструкции и материала у других компонентов, таких как несущие пластины, на которых они крепятся сваркой.

Эффективность обычного хлоратного электролизера может быть улучшена путем улучшения перенапряжения, имеющегося на катоде в процессе электролиза. В соответствии с типичной разбивкой потерь, возникающих в электролизере, катодное перенапряжение отвечает приблизительно за 38% (430 мВ) общих потерь, причем другие существенные потери относятся к сопротивлению электролита, анодному перенапряжению, сопротивлению металла и "дихроматному эффекту" (который является результатом образования пленки на катоде, когда дихромат натрия применяется в качестве буфера и для подавления восстановления ионов гипохлорита и хлората на катоде).

В коммерческих монополярных и гибридных конструкциях хлоратного электролизера катоды, как правило, относятся к типу непокрытых из углеродистой стали, такой как высокосортная сталь Оотсх. С1008 и §1айтте1®. Последние катоды §1айтте1® используют отборную сталь со специальным элементным составом, чтобы предотвратить и/или сократить водородное вздутие и охрупчивание при эксплуатации. Такие катоды работают достаточно хорошо в сочетании с обычными неизнашиваемыми анодами ΌδΆ® (от англ. Όίιικηκίοηαΐΐν 5>1аЫе Аиобе) в отношении напряжения ячейки и перенапряжения в обычном диапазоне рабочих условий (т.е. при плотностях тока от 2,5 до 4,0 кА/м² и температурах от 60 до 90°С). Они также являются относительно недорогим компонентом электролизера.

Однако непокрытые электроды из углеродистой стали подвержены коррозии (ржавлению), что приводит к истончению катода, попаданию в электролит нежелательных ионов металлов и сокращению срока эксплуатации катода, даже при обычных рабочих условиях с катодной защитой. В течение установленного срока эксплуатации электролизеров, как правило, случаются выключения и перебои питания, которые ускоряют коррозию катодов. Ионы металлов в электролите откладываются на электродах и за счет загрязнения этого типа могут оказывать отрицательное влияние на характеристики одновременно и анода, и катода, давая признаки как повышенного напряжения ячейки, так и получения кислорода и приводя к более высоким эксплуатационным расходам. Катоды демонстрируют преимущественно эрозию поверхности типа питтинговой коррозии, распределенную более или менее равномерно по рабочей области. Этот тип коррозии является обычным для катодов из углеродистой стали, подвергающихся воздействию гипохлорита. Поскольку во время обслуживания и перед повторным использованием необходимо снимать отложения, катоды нужно очищать механически (например, пескоструйной обработкой) и промывать кислотой. При такой обработке обычно удаляется значительное количество материала (в основном железа), так что катоды из углеродистой стали требуют значительного припуска на коррозию, чтобы компенсировать эту потерю материала, таким образом приводя к потребности в более толстых катодах и, следовательно, к сниженной активной площади электрода на единицу объема. Кроме того, когда катоды ремонтируют и возвращают в эксплуатацию, промежутки между катодами и анодами в электролизере увеличивают порождение увеличения напряжения.

В качестве альтернативы, для использования в качестве катодов хлоратного электролизера могут рассматриваться и другие материалы. Однако в отличие от родственного промышленного процесса хлорщелочного электролиза (в котором раствор хлорида натрия подвергается электролизу с образованием продуктов - гидроксида натрия, водорода и хлора), катоды, выполненные на основе никеля или содержащие существенное количество никеля, применяться не могут. Наличие никеля приводит к увеличе- 1 029024

нию скорости разложения гипохлорита и, следовательно, сокращает выход продукта и создает более высокие уровни кислорода, чем обычно. Это представляет угрозу безопасности, поскольку кислород потенциально может объединяться с присутствующим водородом и давать небезопасные, взрывчатые смеси. Поэтому для хлоратного электролиза используются катоды, которые не содержат никеля или по меньшей мере имеют низкое содержание никеля (например, менее примерно 6 мас.%).

Определенные марки нержавеющей стали (например, ферритные, мартенситные, дуплексные и дисперсионно-твердеющие) являются марками нержавеющей стали с низким содержанием никеля и могут обеспечивать преимущества над углеродистой сталью в плане их характеристик коррозионной стойкости. Однако эти типы нержавеющих сталей, и, фактически, нержавеющие стали в целом, по меньшей мере как они обычно подготавливаются для коммерческого использования, демонстрируют значительно более высокие перенапряжения, чем углеродистая сталь, при использовании в качестве катода в хлоратном электролизе.

В качестве еще одной альтернативы в данной области техники были предложены различные покрытия с целью приготовления покрытых подложек для использования в качестве электродов в электролизерах растворов солей. Например, канадская патентная заявка СА2588906 раскрывает нанокристаллические сплавы для использования в качестве покрытий для хлоратного электролиза. Также были предложены покрытия типа КиО₂ в качестве покрытий электродов в электролизе растворов солей. Однако катоды, использующие подложки из углеродистой стали, нельзя легко покрыть обычными покрытиями из драгоценных металлов и смешанных оксидов, содержащими Ки, 1г, Τι или т.п. При нанесении обычными способами имеются проблемы сцепления и ухудшения свойств. В свою очередь, это приводит к проблемам с долговечностью покрытий, поскольку они просто отслаиваются или "отшелушиваются", когда нижележащая подложка из углеродистой стали подвергается коррозии. (В И8 7122219 были сделаны попытки устранить этот недостаток у электродов, предназначенных для хлорщелочного электролиза). Было крайне сложно получить катод из углеродистой стали с покрытием, который соответствует установленному сроку эксплуатации в 5-8 лет стандартных коммерческих анодов в хлоратных электролизерах.

Общеизвестно, что надлежащая обработка поверхности металлических подложек (например, пескоструйная), может приводить к улучшению сцепляемости с наносимыми покрытиями. Также известно (например, как раскрыто в И8 6017430), что обдувка стальной крошкой катодов, используемых в электролизе водных растворов хлоридов щелочных металлов, может снижать водородное перенапряжение на катоде путем увеличения его площади поверхности. Однако также хорошо известно, что гладкость поверхности важна для лучшей коррозионной стойкости нержавеющих сталей. Поскольку нержавеющие стали сопротивляются коррозии наилучшим образом, когда они чистые и гладкие, низкой шероховатости поверхности добивались особенно при использовании в чрезвычайно коррозионных средах, например среде в электролизере растворов солей.

Шероховатость в промышленности характеризуется различными способами. Для количественного измерения шероховатости поверхности обычно используются и определяются стандартизированными методами такие параметры шероховатости, как среднее арифметическое отклонение профиля, обозначаемое К.,, и среднее квадратическое отклонение профиля, обозначаемое К_т В дополнение, поверхности также могут характеризоваться более качественными терминами, такими как "отделка". Отделка № 4 нержавеющей стали представляет собой полированную отделку общего назначения, является более матовой, чем другие обычные отделки, и обычно используется для рабочих поверхностей или т.п., когда важными являются внешний вид и чистота (например, для оборудования, используемого в пищевой, молочной, безалкогольной и фармацевтической промышленности). Согласно ΑδΤΜ А480 К_а отделки №4 может в общем составлять до 0,64 микрометра (мкм). К_а может составлять приблизительно 80% от К_ч, так что Кд отделки № 4 будет составлять немного менее 1 мкм.

Однако, хотя и имеется корреляция между этими различными характеристиками шероховатости и другими характеристиками, такими как внешний вид и коррозионная стойкость, две поверхности могут обладать одинаковыми К_а (и/или одинаковыми К_ч) и все же иметь различный внешний вид или стойкость к коррозии, в зависимости от того, как это состояние поверхности было получено. Например, такие характеристики могут меняться в зависимости от того, является ли отделка направленной или случайной (например, была получена ленточной шлифовкой или пескоструйной обработкой соответственно), и от других факторов, таких как ориентация.

Хотя промышленный процесс хлоратного электролиза является довольно прогрессивным, все же остается желание достичь еще большей эффективности, срока эксплуатации электролизера и сокращения затрат.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение удовлетворяет эти потребности путем предоставления усовершенствованных катодов для электролиза, которые обладают обоими желаемыми характеристиками перенапряжения и коррозионной стойкости. Например, перенапряжения, подобные тем, что наблюдаются у катодов из углеродистой стали, или лучшие этих, могут быть получены наряду с коррозионной стойкостью, подобной той, что требуется от катодов, изготовленных из обычных нержавеющих сталей. Такие катоды применимы для хлоратного электролиза и могут применяться для других промышленных процессов элек- 2 029024

тролиза.

К удивлению, катоды, изготовленные из определенных не содержащих никеля или имеющих низкое содержание никеля (например, менее примерно 6 мас.%) нержавеющих сталей, позволяют добиться обоих этих характеристик, если поверхность была модифицирована или обработана так, чтобы получить определенную шероховатость поверхности. Нержавеющие стали с низким содержанием никеля, потенциально подходящие для этой цели, включают определенные ферритные, мартенситные, дуплексные и дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали. Преимущественным может быть применение нержавеющей стали, содержащей одну или более стабилизирующих легирующих добавок. Подходящие легирующие добавки включают Си, Мо, Ν, N6. δη, Τι, V и Также может быть преимущественным применение нержавеющей стали с низким содержанием углерода, например, менее примерно 0,03 мас.%, и предпочтительно менее примерно 0,005 мас.% в определенных вариантах осуществления.

В частности, нержавеющая сталь с низким содержанием никеля может быть ферритной нержавеющей сталью, такой как нержавеющая сталь сорта 430, 430Ό, 432 или 436δ, или ферритной нержавеющей сталью, содержащей легирующие добавки из Мо, δη, Τι и/или V. Ферритные сорта нержавеющей стали, как правило, содержат примеси фосфора и серы. Может быть предпочтительным, чтобы нержавеющая сталь содержала менее примерно 0,03 мас.% фосфора и менее примерно 0,003 мас.% серы. Кроме того, нержавеющая сталь с низким содержанием никеля может быть дуплексной нержавеющей сталью, такой как мало/слаболегированные сорта δ31803, δ32101, δ32205, δ32304, δ32404, δ82011 или δ82122 дуплексной нержавеющей стали.

Было обнаружено, что шероховатость поверхности Кд в диапазоне примерно от 1,0 до 5,0 мкм является подходящей в плане перенапряжения, а также может обеспечивать улучшенную коррозионную стойкость. В частности, подходящей оказывается ферритная нержавеющая сталь с Кд менее примерно 2,5 мкм.

Нержавеющая сталь с модифицированной поверхностью может использоваться непосредственно (без покрытия) в качестве катода в промышленном электролизере, таком как хлорат-натриевый, хлораткалиевый или перхлорат-натриевый электролизер. Для использования в таком варианте осуществления катод может быть приварен к несущей пластине, изготовленной из углеродистой стали или нержавеющей стали. Преимущественно, если катод приварен к несущей пластине, изготовленной из надлежащей нержавеющей стали, и остальная часть электролизера также изготовлена из надлежащей нержавеющей стали, электролизер не нуждается в использовании блока катодной защиты.

В альтернативном варианте нержавеющая сталь с модифицированной поверхностью может использоваться в качестве подложки в катоде, который содержит улучшающее электролиз покрытие, нанесенное на нее. Модификация поверхности может улучшить сцепление подходящего улучшающего электролиз покрытия. И, кроме того, хотя преимущество перенапряжения подложки с модифицированной поверхностью может не быть сразу же необходимым или заметным у нового катода с покрытием, когда покрытие в конце концов изнашивается, нижележащая подложка из нержавеющей стали с модифицированной поверхностью обнажается. В это время обнаженная подложка уже демонстрирует совместные преимущества перенапряжения и коррозионной стойкости по изобретению, и таким образом увеличивает срок эксплуатации катода по сравнению со сроком эксплуатации из действующего промышленного стандарта δίαίιπηοΐ®.

Таким образом, перенапряжение катода хлоратного электролизера во время электролиза солевого раствора может быть снижено с одновременным сохранением стойкости катода к коррозии путем придания шероховатости поверхности катода из нержавеющей стали с низким содержанием никеля до шероховатости поверхности К_ч от примерно 1,0 до 5,0 мкм. Может применяться множество способов придания шероховатости, например, пескоструйная обработка поверхности катода порошком оксида алюминия.

Краткое описание графических материалов

Фиг. 1 представляет собой графики зависимости напряжения мини-ячейки от плотности тока для нескольких репрезентативных образцов катодов из δδ430 с модифицированной поверхностью, сравнительного образца из δδ430 и обычного образца из мягкой стали.

Фиг. 2 представляет собой графики напряжения мини-ячейки при нескольких репрезентативных плотностях тока как функции шероховатости поверхности для образцов катодов из δδ430, представленных в примерах.

Фиг. 3 представляет собой графики зависимости напряжения мини-ячейки от плотности тока для различных покрытых КиО₂ образцов катодов из δδ430 с модифицированной поверхностью по сравнению с обычным образцом из мягкой стали.

Фиг. 4 представляет собой графики зависимости напряжения мини-ячейки от плотности тока для нескольких репрезентативных образцов ферритных катодов с модифицированной поверхностью по сравнению с обычным образцом из мягкой стали.

Фиг. 5 представляет собой график зависимости напряжения экспериментальной электролизной ячейки от дней работы при обычных условиях для ячейки, содержащей обычный катод из углеродистой стали, по сравнению с ячейками, содержащими катод из δδ430 и легированный ферритный катод, по- 3 029024

верхность которых была обработана в соответствии с изобретением.

Подробное описание изобретения

Если только контекст не требует иного, по всему этому описанию и формуле изобретения слова "содержат", "содержит", "включает в себя" и т.п. необходимо рассматривать в открытом, инклюзивном смысле. Единственное число следует понимать как означающее по меньшей мере один, а не ограниченное лишь одним.

В дополнение, подразумеваются следующие определения. В численном контексте слово "примерно" следует понимать как означающее плюс или минус 10%.

Нержавеющая сталь относится к стальному сплаву с минимальным содержанием 10,5% хрома по массе.

Шероховатость поверхности К_ч относится к среднему квадратическому отклонению профиля, как определено в соответствии со стандартами Л82001 или Ι8Θ1997, и они используются в примерах ниже.

И в данном документе улучшающее электролиз покрытие относится к покрытию на электроде в хлоратном электролизере, которое приводит к снижению перенапряжения во время обычной работы. Различные составы таких покрытий известны в данной области техники и, как правило, содержат композиции благородных металлов, такие как КиО₂.

В иных обычных электролизерах для промышленного производства хлората неожиданно было обнаружено, что определенные нержавеющие стали с низким содержанием никеля оказались улучшенными материалами для использования в качестве катодных электродов, если их поверхности были надлежащим образом модифицированы. Такие катоды демонстрируют желаемые характеристики перенапряжения, которые подобны или даже лучше, чем получаемые с углеродистой сталью, при этом одновременно сохраняют желаемую коррозионную стойкость, требующуюся от обычной нержавеющей стали.

Подходящие нержавеющие стали не содержат никеля или имеют содержание никеля менее примерно 6 мас.%. Этим требованиям удовлетворяют несколько классов нержавеющих сталей, включая ферритные, мартенситные, дуплексные и дисперсиоино-твердеющие нержавеющие стали. Кроме того, преимуществом может быть применение одной или более стабилизирующих легирующих добавок в нержавеющей стали. Такие подходящие легирующие добавки включают Си, Мо, Ν, N0. δη, Τι, V и А. Также может быть преимуществом применение нержавеющей стали с низким содержанием углерода или очень низким содержанием углерода, а именно менее примерно 0,03 или менее примерно 0,005 мас.% содержания углерода. (Известно, что углерод способствует водородной хрупкости, реагируя с водородом и образуя метан. Таким образом, чем больше углерода имеется в катоде выделения водорода, тем более вероятно образование метана в катодной подложке. Накопление метана на границах зерен или дефектов (таких как включения сульфидного или оксидного типа) в подложке может вызывать вспучивание и охрупчивание подложки).

В частности, могут подходить ферритные нержавеющие стали, отличающиеся тем, что главным легирующим элементом является хром (в диапазоне от примерно 10,5 до 27 мас.%), который обеспечивает стабильную ферритную структуру при всех температурах. Благодаря своему низкому содержанию углерода, ферритные нержавеющие стали обладают ограниченной прочностью, но могут иметь хорошую пластичность, и они очень мало нагартовываются. Вязкость разрушения этих сплавов достаточно низка, но она не является существенным требованием для использования в качестве катода в электролизере. Без защиты богатая Сг ферритная нержавеющая сталь в конце концов корродирует в горячем хлорированном растворе, но не настолько быстро, как углеродистая сталь. Перенапряжение выделения водорода богатой Сг нержавеющей стали выше, чем у углеродистой стали. Богатая Сг ферритная нержавеющая сталь в контакте с углеродистой сталью оказывается не корродирующей быстрее, поскольку первая не действует как протекторный анод для последней. Это важно при реализации в качестве замены или модернизации для катода из углеродистой стали в коммерческих электролизерах, поскольку катодная сторона несущей пластины в электролизере может по-прежнему быть из углеродистой стали, а, следовательно, ферритная нержавеющая сталь будет совместима с ней. СгошдагД® является примером потенциально подходящей ферритной нержавеющей стали, имеющей содержание Сг примерно 12% и демонстрирующей хорошую свариваемость. Разумеется, в качестве альтернативы могут применяться несущие пластины, которые также изготовлены из подходящего сорта нержавеющей стали, тем самым устраняя всю имеющуюся углеродистую сталь, а следовательно и какие-либо вопросы относительно использования непохожих металлов.

Испытания показали, что могут подходить ферритные сорта, включая 430, 430Ό, 432 и 436δ. И в особенности определенные нержавеющие стали ферритного типа со сверхнизким содержанием фаз внедрения (е\1га 1о\у 1п1ег81Ша1), содержащие легирующие добавки, продемонстрировали улучшение в перенапряжении электролизера. Также ожидается, что могли бы подойти и другие ферритные сорта, включая сорт 444, который содержит легирующие добавки Мо, N0 и V (в примерных количествах примерно 1,8, 1,6 и 0,06 мас.% соответственно) и сорта нержавеющей стали 434, 439, 441, 442 и 446.

Другие ферритные или мартенситные сплавы нержавеющих сталей с низким содержанием никеля могут содержать молибден, придающий им коррозионную стойкость намного большую, чем у обычной углеродистой стали, в большинстве химических сред. Имеется множество типов этих сплавов, которые

- 4 029024

содержат другие элементы, наподобие Μη, 8ί, А1, 8е, СЬ, Си, Та, N и которые могут предлагать дополнительные преимущества по электрической проводимости, поверхностной активности, обрабатываемости и/или долговечности для таких приложений.

Например, дуплексная нержавеющая сталь, также известная как ферритно-аустенитная нержавеющая сталь, в которой диапазон Сг составляет примерно 4-18 мас.%, имеет лучшие характеристики сварки, чем ферритная нержавеющая сталь. Определенные сплавы дуплексной нержавеющей стали, такие как сорта υΝ8 № 832101, 832304 и 882441 (например, соответственно, коммерческие ЙОХ 2101™, ЙОХ 2304™ или ЙОХ 2404™) наряду с 831803, 832205 и 882122, как ожидается, могут обеспечивать преимущества, включающие более высокую коррозионную стойкость, обрабатываемость (также имея лучшие характеристики сварки, чем ферритная нержавеющая сталь) и доступность на рынке в дополнение к эксплуатационным характеристикам.

Чтобы получить перенапряжения, подобные или лучшие, чем получаемые с углеродистой сталью, поверхность обычной нержавеющей стали с низким содержанием никеля необходимо сделать шероховатой, как правило, так, чтобы шероховатость ее поверхности К,, была больше примерно 1,0 мкм. Например, шероховатость поверхности К,, обычной ферритной нержавеющей стали сорта 430, предназначенной для использования в приведенных ниже примерах, при получении была менее 0,1 мкм. Ее поверхность была надлежащим образом сделана шероховатой с использованием пескоструйного метода и порошка оксида алюминия.

Для придания шероховатости поверхности нержавеющей стали может использоваться любой из разнообразных способов, известных в данной области техники. Например, наряду с пескоструйной обработкой, чтобы надлежащим образом увеличивать шероховатость поверхности, также могут использоваться альтернативные методы абразивной обработки (например, настольная обработка, ленточная обработка, цилиндровая обработка) и способы, включающие химическое травление, механическую микрообработку и микрофрезерование. Однако, как также известно в данной области техники, характеристики поверхности могут варьироваться в зависимости от конкретного используемого способа. Например, характеристики поверхности, полученные посредством пескоструйной обработки, могут разниться в зависимости от типа используемого порошка (например, оксид алюминия, бикарбонат натрия, карбид кремния, стеклянные шарики, дробленое стекло), размера частиц порошка, размера сопла, давления, расстояния, угла и т.п. А процессы типа фотохимической размерной обработки обеспечивают фрезерование и шлифование поверхности до более точной глубины и больших значений Кд.

Хотя увеличенная шероховатость поверхности нержавеющей стали с низким содержанием никеля требуется для того, чтобы получить желаемое перенапряжение, чрезмерная шероховатость может привести к неприемлемым коррозионным характеристикам. На основании примеров, приведенных ниже, значения шероховатости поверхности Кд вплоть до 5,0 мкм могут быть все еще приемлемыми. В определенных случаях значения вплоть до примерно 2,5 мкм могут быть предпочтительными. Однако может быть необходимо сохранять катодную защиту, обеспечиваемую катоду в результате обычной работы электролизера, или обеспечивать альтернативные средства защиты в случаях перебоев или отключения питания.

Катоды из нержавеющей стали с низким содержанием никеля с модифицированной поверхностью могут заменять имеющиеся обычные катоды из углеродистой стали, в то же время обеспечивая преимущества лучшей долговечности, стоимости и эксплуатационных свойств. Такие катоды могут с успехом привариваться к стандартным несущим пластинам из углеродистой стали для использования в промышленных электролизерах, в качестве замены обычных катодов из углеродистой стали. Сварка может осуществляться с помощью различных сочетаний присадочной проволоки (например, сварочного электрода), защитного газа, вспомогательной продувки и параметров сварки (включая ток, напряжение и скорость). Таким образом, не нужно реализовывать значительные конструкционные изменения электролизера ни для обновленных ячеек электролизера, ни для новых систем электролизера. Кроме того, можно встраивать катоды по изобретению в будущие конструкции (например, биполярного типа).

В альтернативном случае, если промышленный электролизер изготовлен полностью из подходящей нержавеющей стали и поэтому, например, катоды приварены к несущим пластинам, изготовленным из нержавеющей стали, электролизер может обходиться без катодной защиты, а значит, может не нуждаться в применении блока катодной защиты.

Другие преимущества изобретения включают экономию энергии, получаемую из-за более низкого катодного перенапряжения. А с лучшей коррозионной стойкостью некоторых сортов более тонкие варианты катодов могут считаться дающими на выходе больше продукта на единицу объема электролизера и/или обеспечивающими меньший размер и меньшие затраты при одинаковом уровне выхода. Также вероятно, что такие катоды с модифицированной поверхностью будут более совместимы с улучшающими электролиз покрытиями в плане сцепления и долговечности вследствие "якорного эффекта", создаваемого более грубой отделкой и избегания механизма повреждений, связанного с коррозией углеродистой стали. И даже если никакого существенного преимущества получено не было, когда покрытие изнашивается или иным образом повреждается, нижележащая подложка из нержавеющей стали с модифи- 5 029024

цированной поверхностью, как ожидается, будет продолжать обеспечивать обычную работу и проживет существенно дольше, чем обычная подложка из углеродистой стали, тем самым продлевая срок эксплуатации таких катодов с покрытием.

Следующие примеры были включены, чтобы продемонстрировать определенные особенности изобретения, но никоим образом не должны рассматриваться как ограничительные.

Примеры

Испытание мини-ячеек.

Ряд образцов катодного материала был проверен в лабораторной мини-ячейке при неизменных условиях, но в ином подобных имеющимся в коммерческом хлоратном электролизере. В конструкции мини-ячейки использовали образец катодного материала в качестве катода ячейки и использовали кондиционированный Б8А® в качестве анода ячейки. Оба электрода представляли собой плоские листы. Площадь активной тестовой поверхности составляла примерно 2 см², а промежуток между ними составлял 5,8 мм. Электролит представлял собой водный раствор Ν;·ι0Ο;,/Ν;·ιΟ/Ν;·ι₂ί'.'Γ₂Ο- в концентрациях 450/115/5 г/л. Электроды погружали в электролит при температуре испытания 80°С. В отличие от коммерческих электролизеров электролит во время проведения испытания не циркулировал, и не осуществлялась непрерывная подача солевого раствора.

Где указано, различные образцы катодного материала имели модифицированную поверхность, и их шероховатость измерялась до встраивания их в мини-ячейку. Затем добавляли свежий электролит, нагретый до температуры испытания, и выполняли поляризационное исследование, которое включало в себя линейное увеличение плотности подаваемого тока с 0,5 до 6 кА/м² при записи напряжения ячейки. Испытание затем останавливали, и образец электрода проверяли на признаки коррозии.

Шероховатость поверхности К,, определяли с использованием МПШоуо 8игйе81 81210. Взяли шесть проб на шероховатость поверхности в случайных местах на каждом образце катодного материала на базовой длине 2,5-6 дюймов и определяли для каждой пробы максимальные отклонения от средней линии. Указанное значение Кд представляло собой корень квадратный из среднего арифметического квадратов этих шести отклонений.

Испытанные образцы немодифицированного катодного материала включали

мягкую сталь 81аЬгше1® с измеренной К_ч 2,16 мкм (обозначена на фигурах и в табл. "Мягкая сталь"),

нержавеющую сталь сорта 420А (88420А) с 2Ό отделкой поверхности от поставщика и с измеренной Кд 0,26 мкм (обозначена на фигурах и в табл. "88420А-0,26 мкм"),

нержавеющую сталь сорта 430 (88430) с зеркальной отделкой поверхности от поставщика и с измеренной Кд 0,06 мкм (обозначена на фигурах и в табл. "88430-0,06 мкм").

(Примечание: оба образца нержавеющей стали имели схожее низкое содержание никеля, т.е. < 0,25 мас.%, и оба содержали некоторые количества Мп, 8, Р, 8ί, Си и Мо. Сорт 88420А имел содержания С и Сг 0,25 и 12,83 мас.%, а также имел следовое количестве А1. Сорт 88430 имел содержания С, Сг и N 0,04, 16,64 и 0,03 мас.%).

Образцы катодного материала с модифицированной поверхностью подготовили, взяв упомянутые выше образцы 88420А и 88430 и подвергнув их обработке ручным пескоструйным методом с использованием порошка оксида алюминия 120 крупности. Испытанные образцы с модифицированной поверхностью включали:

88420А, обработанный пескоструйным методом до измеренной шероховатости поверхности Кд 1,73 мкм (на фигурах и в табл. обозначен "88420-1,73 мкм"),

ряд образцов 88430, обработанных пескоструйным методом до различных шероховатостей поверхности Кд в диапазоне от 0,86 до 4,62 мкм (на фигурах и в табл. обозначены "88430-0,86 мкм" - "884304,62 мкм" в соответствии с их шероховатостью поверхности).

Кроме того, приготовили покрытые КиО₂ образцы катодного материала 88430 с модифицированной поверхностью с диапазоном удельных содержаний КиО₂. Образцы катодного материала изготовили путем первоначальной пескоструйной обработки образцов нержавеющей стали 430, как описаны выше, и затем покрытия их на месте с помощью раствора КиО₂, после чего проводили процедуру термообработки. Более конкретно, образцы обезжиривали, промывали, а затем травили 10%-ым раствором НС1 в течение 5 мин при комнатной температуре. После еще одной промывки и сушки наносили раствор КиС1₃ в органическом растворителе. Покрытые образцы высушили и затем термообработали при примерно 420°С в течение 20 мин. Для получения больших количеств по удельному содержанию использовали более одного нанесения покрытия и термообработки.

Итоги по покрытым КиО₂ образцам с модифицированной поверхностью, изготовленным и испытанным, приведены в табл. 1 ниже:

- 6 029024

Таблица 1. Покрытые КиО₂ образцы с модифицированной поверхностью

Название образца	К,(мкм)	Удельное содержание КиО₂ (г/гл²)
КиО₂#1	1,6	2,77
КиО₂ #2	1,55	4,33
КиО? #3	1,45	5,54
КиО₂ #4	1,45	6,1

Затем собрали мини-ячейки, содержащие каждый из этих образцов катодного материала, и подвергли поляризационному исследованию в диапазоне плотностей тока от 0,5 до 6 кА/м² при 80°С.

В табл. 2 сведены данные, полученные для обычного образца из мягкой стали, образца 88420А-0,26 мкм и образца 88420-1,73 мкм катода с модифицированной поверхностью. Табл. 2 показывает напряжение лабораторной мини-ячейки для каждого образца катода при различных испробованных плотностях тока. Как видно по этим данным, ячейка с немодифицированным катодом 88420А-0,26 мкм работала при значительно большем напряжении или перенапряжении ячейки, чем ячейка с обычным катодом из мягкой стали. Однако ячейка с катодом 88420-1,73 мкм с модифицированной поверхностью работали при даже несколько более низких напряжениях ячейки, чем ячейка с обычным катодом из мягкой стали. А именно, при 4 кА/м² напряжение ячейки с немодифицированным катодом 88420А-0,26 мкм было на 150 мВ выше, чем напряжение ячейки с катодом из мягкой стали, тогда как напряжение ячейки с катодом 88420-1,73 мкм с модифицированной поверхностью было на 25 мВ меньше, чем напряжение ячейки с катодом из мягкой стали.

Таблица 2. Зависимость напряжения ячейки от плотности тока для испытанных образцов 88420

Плотность тока (кА/м²)	Напряжение ячейки (В)
	Мягкая сталь	88420-0,26 мкм	88420-1,73 мкм
0,5	2,53	2,60	2,46
1,0	2,67	2,76	2,62
1,5	2,78	2,88	2,74
2,0	2,87	3,00	2,84
2,5	2,97	3,10	2,93
3,0	3,06	3,20	3,03
3,5	3,16	3,31	3,12
4,0	3,25	3,40	3,22
4,5	3,34	3,49	3,31
5,0	3,41	3,57	3,41
5,5	3,50	3,67	3,50
6,0	3,60	3,76	3,59

После испытания катодные образцы проверили. Однако было обнаружено, что оба образца 88420 подверглись существенной коррозии.

В табл. 3 сведены данные, полученные с рядом образцов 88430, обработанных пескоструйным методом до различной шероховатости поверхности, и они сравниваются со сравнительными образцами немодифицированного катода из 88430 и из мягкой стали. Показано напряжение лабораторной миниячейки для каждого катодного образца при различных испытанных плотностях тока.

Таблица 3. Зависимость напряжения ячейки от плотности тока для испытанных образцов 88430

Плотность тока (кА/'м²)	Напряжение ячейки (В)
	мягкая сталь	85430 0,06 мкм	58430 0,86 мкм	88430 1,05 мкм	88430 1,15 мкм	88430 1,70 мкм	88430 1,76 мкм	88430 1,81 мкм	58430 2,14 мкм	88430 2,25 мкм	88430 2,49 мкм	88430 2,82 мкм	88430 3,48 мкм	88430 4,62 мкм
0,5	2,53	2,73	2,61	2,57	2,53	2,45	2,47	2,45	2,46	2,51	2,49	2,52	2,56	2,50
1,0	2,67	2,91	2,78	2,72	2,68	2,60	2,60	2,60	2,62	2,65	2,63	2,66	2,71	2,65
1,5	2,78	3,02	2.92	2.85	2,80	2,71	2,7!	2,71	2,73	2,77	2,74	2,78	2,83	2,76
2,0	2,87	3,13	3,02	2,96	2,90	2,82	2,82	2,81	2,84	2,86	2,84	2,88	2,94	2,87
2,5	2,97	3,22	3,13	3,06	3,01	2,91	2,91	2,91	2,94	2,96	2,94	2,98	3,04	2,96
3,0	3,06	3,31	3,24	3,17	3,09	3,00	3,01	3,00	3,03	3,06	3,05	3,08	3,13	3,05
3,5	3,16	3,39	3,33	3,26	3,19	3,08	3,10	3,09	3,13	3,15	3,13	3,17	3,23	3,15
4,0	3,25	3,48	3,42	3,35	3,28	3,19	3,18	3,18	3,22	3,24	3,23	3,27	3,32	3,24
4,5	3,34	3,55	3,51	3,44	3,37	3,27	3,28	3,27	3,32	3,33	3,33	3,35	3,41	3,34
5,0	3,41	3,66	3,59	3,53	3,46	3,36	3,36	3,36	3,39	3,42	3,41	3,45	3,51	3,43
5,5	3,50	3,71	3,70	3,62	3,54	3,45	3,46	3,46	3,47	3,50	3,49	3,55	3,60	3,53
6,0	3,60	3,80	3,77	3,70	3,62	3,54	3,55	3,55	3,56	3,59	3,58	3,63	3,68	3,61

На фиг. 1 сравниваются графики зависимости напряжения мини-ячейки от плотности тока для нескольких репрезентативных образцов катодов 88430 с модифицированной поверхностью, сравнительного немодифицированного образца 88430-0,06 мкм и обычного образца из мягкой стали. (Линия через точки данных для образца из мягкой стали предоставляется в качестве направляющей для глаза). Как можно видеть на фиг. 1, ячейка с модифицированным катодом 88430-0,06 мкм также работала при значительно более высоком перенапряжении, чем ячейка с обычным катодом из мягкой стали. Что касается образцов 88430 с модифицированной поверхностью, перенапряжение в целом улучшалось с увеличением шероховатости поверхности вплоть до К_с| примерно 1,70 мкм. Мини-ячейки с катодами 88430, имею- 7 029024

щие шероховатость поверхности менее или примерно 1,15 мкм, имели более низкие рабочие напряжения, чем ячейка с немодифицированным катодом §8430-0,06 мкм, но не были настолько же низки, как у ячейки с обычным катодом из мягкой стали. Однако мини-ячейки с катодами §§430, имеющими шероховатость поверхности примерно 1,70 мкм или более, имели подобные или более низкие рабочие напряжения, чем у ячейки с обычным катодом из мягкой стали. Увеличение шероховатости поверхности до 1,81 мкм (на фиг. 1 не показана, но см. табл. 3), однако, как представляется, существенно не сократило далее рабочее напряжение ячейки. А именно, при 4 кА/м², напряжение ячейки с немодифицированным катодом §§430-0,06 мкм было на примерно 230 мВ выше, чем напряжение ячейки с катодом из мягкой стали, тогда как напряжение ячейки с катодом §§430-1,81 мкм было на примерно 70 мВ меньше, чем напряжение ячейки с катодом из мягкой стали.

Фиг. 2 представляет графики напряжений мини-ячеек, наблюдаемых при нескольких репрезентативных плотностях тока, как функции шероховатости поверхности образцов катодов §§430. А именно, представлены напряжения мини-ячеек при 2, 3 и 4 кА/м². Как и можно было ожидать, напряжение миниячейки возрастает с используемой плотностью тока. И изначально напряжение мини-ячейки уменьшается с шероховатостью поверхности. Однако неожиданно напряжения мини-ячеек при каждой плотности тока, как представляется, находятся на своем минимуме при шероховатости поверхности примерно 1,8 мкм.

На фиг. 3 сравниваются графики зависимости напряжения мини-ячеек от плотности тока для различных покрытых КиО₂ образцов катодов §§430 с модифицированной поверхностью по сравнению с обычным образцом из мягкой стали. Как видно на фиг. 3, каждая ячейка с покрытым КиО₂ катодом §§430 с модифицированной поверхностью работала при значительно более низком напряжении ячейки, чем ячейка с обычным катодом из мягкой стали. Однако, на основании выполненных испытаний, величина удельного содержания КиО₂ не оказывала существенного влияния на напряжение ячейки. При 4 кА/м² напряжения ячейки с покрытым КиО₂ катодом §§430 с модифицированной поверхностью были значительно ниже, чем напряжение ячейки с катодом из мягкой стали, т.е. примерно на 240-280 мВ ниже.

После всех вышеописанных испытаний образцов §§430 и покрытых КиО₂ образцов ни на каких из этих образцов не было обнаружено видимой коррозии.

Получили другой ряд образцов из ферритного катодного материала с модифицированной поверхностью и испытали их в лабораторной мини-ячейке, как описано выше, и/или исследовали на коррозию, как описано далее ниже. Образцы здесь включали следующие:

нержавеющая сталь сорта 430 с составом 0,042% С, 0,36% §ί, 0,48% Ми, 0,031% Р, 0,0015% §, 16,13% Сг, 0,15% Νί, 0,041% N по массе, остальное - Ре, имеющая измеренную Кд 2,13 мкм после пескоструйной обработки (на фиг. 4 обозначена как "§§430"),

нержавеющая сталь сорта 430Ό с составом 0,005% С, 0,1% §ί, 0,11% Ми, 0,025% Р, 0,002% §, 16,39% Сг, 0,29% Τι по массе, остальное - Ре, имеющая измеренную К_ч 2,1 мкм после пескоструйной обработки (на фиг. 4 обозначена как "§§430Ό"),

нержавеющая сталь сорта 432 с составом 0,004% С, 0,1% §ί, 0,08% Ми, 0,022% Р, 0,001% §, 17,20% Сг, 0% Νί, 0,18% Τί, 0,01% Ν, 0,48% Мо, 0,02% Си, по массе, остальное - Ре, имеющая измеренную Кд 1,89 мкм после пескоструйной обработки (обозначена как "432", но на фиг. 4 не показана),

нержавеющая сталь сорта 436§ с составом 0,005% С, 0,1% §ί, 0,09% Ми, 0,022% Р, 0,002% §, 17,2% Сг, 0,23% Τί, 0,011% N по массе, остальное - Ре, имеющая измеренную Кд 2,09 мкм после пескоструйной обработки (на фиг. 4 обозначена как "§§436§"),

нержавеющая сталь сорта ΤΌΧ2205 с составом 0,018% С, 0,38% §ί, 1,54% Ми, 0,023% Р, 0,001% §, 22,50% Сг, 5,70% Νί, 0,017% Ν, 3,10% Мо по массе, остальное - Ре, имеющая измеренную Кд 1,73 мкм после пескоструйной обработки (обозначена как 'ΈΌΧ2205", но на фиг. 4 не показана),

первый легированный сорт нержавеющей стали с составом 0,004% С, 0,12% §ί, 0,10% Ми, 0,024% Р, 0,001% §, 14,4% Сг, 0,11% §и, 0,20% Νό+Τί вместе, 0,010% Ν по массе, остальное - Ре, имеющая измеренную Κ₄ 2,35 мкм после пескоструйной обработки (на фиг. 4 обозначена как "Легированная-1"),

второй легированный сорт нержавеющей стали с составом 0,005% С, 0,07% §ί, 0,06% Ми, 0,020% Р, 0,001% §, 16,4% Сг, 0,31% §и, 0,22% Νό+Τί вместе, 0,010% Ν по массе, остальное - Ре, имеющая измеренную Κ₄ 2,14 мкм после пескоструйной обработки (на фиг. 4 обозначена как "Легированная-2").

На фиг. 4 сравниваются графики зависимости напряжения мини-ячеек от плотности тока, полученные для этих ферритных с модифицированной поверхностью и ферритных легированных с модифицированной поверхностью катодных образцов, с графиком для обычного образца из мягкой стали по фиг. 1. (Испытание для образца 432 не проводилось, и поэтому на фиг. 4 он не представлен. А для образца ΤΌΧ2205 было получено напряжение только при 4 кА/м², и поэтому он тоже не представлен на фиг. 4. Это напряжение для образца ΤΌΧ2205 составило 3,18 В). Во всех измеренных случаях результаты для образцов с модифицированной поверхностью были сравнимы с обычным образцом из мягкой стали, или лучше, чем у него.

Чтобы получить дополнительную информацию относительно коррозии, вышеупомянутые образцы, включая обычный образец из мягкой стали, также подвергли испытанию на коррозию, в котором отдельные образцы были подвергнуты воздействию коррозионно-активного, циркулирующего "гипо" электро- 8 029024

лита из полупромышленного хлоратного реактора. ("Гипо" содержал приблизительно 4 г/л раствор НС1О и №С1О, который циркулировал с расходом 60 л/ч при примерно 70°С и был получен из реактора, работающего при плотности тока 4 кА/м²). Образцы имели площадь приблизительно 80 мм х 35 мм и толщину примерно 3 мм, и они подвергались воздействию электролита в течение периода до 5 ч. Скорости коррозии затем определяли на основании потери веса образцов, происходящего от этого воздействия (записана как потеря веса на единицу площади и времени). Табл. 4 подводит итоги по некоторым из наблюдаемых скоростей коррозии.

Таблица 4. Наблюдаемые скорости коррозии.

Образец	Мягкая сталь	430	43 0ϋ	432	4368	ЬОХ2205	Легированная-1	Легированная-2
Скорость коррозии (г/м²-_ч)	31,2	30,6	37,2.	32,9	27,7	0,01	39,7	24,4

Скорости коррозии для всех испытанных образцов считались приемлемыми. (Следует отметить, что измеренная скорость коррозии для образца ΓΌΧ2205 была очень низкой. Хотя это и верно, другое испытание показало, что следует уделить внимание щелевой коррозии, поскольку она может быть гораздо более значительной).

Эти примеры говорят о том, что δδ430, δδ430Ό, δδ436 и катоды на основе легированной ферритной нержавеющей стали могут быть надлежащим образом снабжены модифицированной поверхностью с тем, чтобы обеспечивать подобные или лучшие характеристики перенапряжения по сравнению с обычным катодом из мягкой стали в хлоратном электролизере, одновременно сохраняя приемлемую стойкость к коррозии.

Испытания в опытных ячейках

Сравнительное испытание выполняли в более крупных опытных электрохимических ячейках на катоде δδ430 с модифицированной поверхностью (имеющем состав, подобный составу образца δδ430 по фиг. 4), катоде с модифицированной поверхностью типа Легированного-2 (имеющем состав, подобный составу образца Легированный-2 по фиг. 4) и на обычном катоде из мягкой стали δίαίιπηοΐ® при тех же условиях, что и наблюдаемые в коммерческом хпоратном электролизере. Опытные ячейки использовали катоды из плоского листа, которые имели 19 квадратных дюймов активной площади, одинаковые доступные на рынке аноды (ΌδΆ с покрытием КиО₂) и электролит, содержащий водный раствор хлората натрия, хлорида натрия и дихромата натрия и имеющий концентрации №СЮз/№С1/№₂Сг₂О₇ 450/110/5 г/л. Электролит протекал через ячейку со скоростью 0,8 л/А-ч и доводился до рН 6,0. Во время испытания температура находилась в диапазоне от 80 до 90°С, а плотность тока - от 2 до 4 кА/м². Записывали напряжение опытной ячейки во время испытания, а также отслеживали концентрацию кислорода в отходящих газах, выделяемых ячейкой. Кислород является нежелательным побочным продуктом в электролизе такого типа. Более высокая концентрация кислорода в отходящих газах указывает на более низкий выход по току (т.е. больше энергии потребляется на получение того же количества хлората натрия). Кроме того, более высокие концентрации кислорода создают угрозу безопасности при смешивании с также получаемым газообразным водородом (на концентрацию кислорода могут оказывать влияние многие факторы, включая материалы обоих электродов. Хотя это и не прямой признак коррозии электрода, но очень важный критерий для рассмотрения в плане выбора электродов).

Испытуемые катоды снова включали обычный сравнительный катод из мягкой стали δίαίιπηοΐ® с измеренной К_ч 2,16 мкм, катод δδ430, который был обработан пескоструйным методом до измеренной К_ч 1,54 мкм и катод из нержавеющей стали типа Легированный-2, который был обработан пескоструйным методом до измеренной К_ч 1,91 мкм.

Сначала все ячейки подготовили (кондиционировали) работой при уменьшенных температуре и плотности тока (80°С и 2 кА/м²) по сравнению с используемыми во время обычного производственного электролиза (90°С и 4 кА/м²). По прохождении 1-6 дней температуру и плотность тока увеличивали до значений 90°С и 4 кА/м², обычно используемых для производственного электролиза. Работа продолжалась при этих установленных значениях, пока стабилизировались напряжения ячеек. Во время кондиционирования напряжения ячеек поднимались в течение первых двух-трех или около того недель работы. Это нормальное явление и объясняется кондиционированием анода ΌδΆ® и поляризацией катода. На фиг. 5 сравниваются зависимости рабочих напряжений опытных ячеек от дней работы при обычных условиях после стабилизации напряжений ячеек (на фиг. 5 представлены напряжения с дня 12 и далее. Примечание: сравнительный катод из мягкой стали предварительно кондиционировали в течение до 12 дополнительных дней). Как видно из фиг. 5, ячейка с катодом δδ430 с модифицированной поверхностью имеет заметно более низкое напряжение ячейки, чем сравнительная ячейка. После 12 дней кондиционирования ячейка на основе катода δδ430 с модифицированной поверхностью работала при 3,18 В, а концентрация кислорода в отходящих газах составляла всего лишь 1,7%. Стоит отметить, что ячейка с катодом из ряда

Легированных-2 с модифицированной поверхностью имела даже более низкое напряжение ячейки,

- 9 029024

чем у катода 88430 с модифицированной поверхностью, и ее превосходящие рабочие характеристики сохранялись на протяжение более чем 85 дней работы.

Чтобы получить свидетельство коррозионной стойкости катода 88430 с модифицированной поверхностью при этих обычных рабочих условиях опытной ячейки, приблизительно 1200 мл электролита из ячейки отфильтровали через фильтровальную бумагу 934-АН О1а88 МюгойЬег. На фильтровальной бумаге не было замечено никакого изменения цвета, указывающего на коррозию в электролите после 20 дней работы опытной ячейки при обычных рабочих условиях.

Снова относительно оценки катода 88430 с модифицированной поверхностью, испытание продолжалось при обычных условиях производственного электролиза в течение в общей сложности 46 дней, во время которых имелась катодная защита. После этого опытная ячейка была подвергнута испытанию на прерывание питания. Это испытание оценивает стойкость к коррозии в случае отключения электролизера, причем в это время катодной зашиты нет. Испытание содержало отключение питания три раза на периоды по пять минут с пятиминутными периодами обычной работы между ними. И снова взяли образец электролита и отфильтровали его через фильтровальную бумагу. На этот раз свидетельства коррозии катода наблюдались. Однако, в отличие от наблюдаемого на катодах из мягкой стали, характер коррозии на катоде 88430 был локализированным (например, питтинг), а не по всей поверхности. Таким образом, имеется улучшение по сравнению с мягкой сталью, и ожидается, что покрытия поверх большей части поверхности 88430 будут не затронуты.

Свидетельство коррозионной стойкости катода Легированный-2 с модифицированной поверхностью получали подобным образом путем фильтрования электролита из его опытной ячейки и проверки на остатки и изменение цвета. И снова образцы электролита отбирали после обычных условий работы опытной ячейки, а также после испытания на прерывание питания. В этом случае опытная ячейка работала в обычном режиме в течение 137 дней, по-прежнему сохраняя заметно низкое напряжение ячейки ниже 3,21 В. Затем взяли образец электролита, а ячейку подвергли испытанию на прерывание питания, после которого взяли другой образец электролита. И снова никакого изменения цвета на фильтровальной бумаге замечено не было, что говорит об отсутствии признаков коррозии в электролите после 137 дней обычной работы опытной ячейки. И снова, признаки коррозии были заметны после прерывания питания, но снова характер коррозии катода Легированный-2 был локализированным, изменение цвета фильтровальной бумаги было слабым, и имело место улучшение по сравнению с мягкой сталью.

Этот пример демонстрирует существенно улучшенное перенапряжение для ячеек, содержащих катоды с модифицированной поверхностью из ряда 88430 и Легированные-2, а также улучшенную коррозионную стойкость.

Все вышеуказанные патенты США, патентные заявки США, иностранные патенты, иностранные патентные заявки и непатентные публикации, на которые делались ссылки в этом описании, включены в данный документ по ссылке во всей их полноте.

Хотя были представлены и описаны конкретные элементы, варианты осуществления и применения настоящего изобретения, будет понятно, разумеется, что изобретение не ограничивается ими, поскольку специалистами в данной области техники могут осуществляться модификации без отхода от сути и объема настоящего раскрытия, особенно в свете вышеописанного изложения. Например, хотя предыдущее описание и примеры были направлены на хлоратные электролизеры, изобретение вместо этого может использоваться для хлорщелочного производства, водородного электролиза, опреснения морской воды или других промышленных электрохимических применений, используемых для химического производства, требующих активного, дешевого, химически стойкого материала катодных электродов (например, преобразования двуокиси углерода в жидкие топлива и промышленные химикаты). Такие модификации необходимо рассматривать в рамках сферы и объема формулы изобретения, прилагающейся к данному документу.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Хлорат-натриевый электролизер, включающий в себя катод, содержащий электрод из нержавеющей стали, содержащий менее примерно 6 мас.% никеля и характеризующийся шероховатостью поверхности Кд от примерно 1,0 до 5,0 мкм.
2. Электролизер по п.1, в котором электрод из нержавеющей стали характеризуется шероховатостью поверхности Кд менее примерно 2,5 мкм.
3. Электролизер по п.1, в котором нержавеющая сталь представляет собой ферритную нержавеющую сталь и ферритная нержавеющая сталь необязательно содержит легирующую добавку Мо, 8η, Τι или V.
4. Электролизер по п.3, в котором нержавеющая сталь выбрана из группы, состоящей из сортов 430, 430Ό, 432 и 4368 ферритной нержавеющей стали.
5. Электролизер по п.1, в котором нержавеющая сталь содержит стабилизирующую легирующую добавку, выбранную из группы, состоящей из Си, Мо, Ν, N0, 8η, Τι, V и А.
6. Электролизер по п.1, в котором нержавеющая сталь представляет собой дуплексную нержавею- 10 029024

щую сталь.
7. Электролизер по п.6, в котором нержавеющая сталь выбрана из группы, состоящей из сортов 831803, 832101, 832205, 832304, 882441, 882011 и 882122 дуплексной нержавеющей стали.
8. Электролизер по п.1, в котором нержавеющая сталь содержит менее примерно 0,03 мас.% углерода или менее примерно 0,005 мас.% углерода.
9. Электролизер по п.1, в котором нержавеющая сталь содержит менее примерно 0,03 мас.% фосфора и менее примерно 0,003 мас.% серы.
10. Электролизер по п.1, содержащий улучшающее электролиз покрытие, нанесенное на электрод из нержавеющей стали с низким содержанием никеля.
11. Электролизер по п.1, в котором катод приварен к несущей пластине, изготовленной из углеродистой стали или нержавеющей стали, и при этом электролизер, необязательно, не содержит блока катодной защиты.
12. Способ уменьшения перенапряжения катода хлорат-натриевого электролизера во время электролиза солевого раствора с одновременным сохранением стойкости катода к коррозии, включающий придание шероховатости поверхности катода из нержавеющей стали, содержащего менее примерно 6 мас.% никеля, до шероховатости поверхности К_ч от примерно 1,0 до 5,0 мкм.
13. Способ по п.12, в котором придание шероховатости включает пескоструйную обработку поверхности катода порошком оксида алюминия.
14. Способ получения хлората натрия электролизом раствора хлорида натрия в хлорат-натриевом электролизере по любому из пп.1-11.