ES2215771T3 - Cajon de extremidad para un electrodializador, electrodializador que comprende tal cajon de extremidad y procedimiento de electrodialisis. - Google Patents

Abstract

Un cajón de extremidad para un electrodializador, que comprende un electrodo vertical (7) y una membrana (10) selectivamente permeable a los iones, dispuesta verticalmente, frente al electrodo, caracterizado porque un pasillo vertical (19) separa el electrodo de la membrana.

Description

Cajón de extremidad para un electrodializador, electrodializador que comprende tal cajón de extremidad y procedimiento de electrodiálisis.

El invento se refiere a los electrodializadores.

Se refiere más particularmente a los cajones que están dispuestos en las extremidades de los electrodializadores y comprenden electrodos.

Los electrodializadores son instalaciones electroquímicas formadas por un apilamiento de membranas selectivamente permeables a los iones y marcos separadores entre dos cajones de extremidades que contienen electrodos. Los cajones de extremidades comprenden normalmente un recinto y, en éste, un electrodo vertical y una membrana selectivamente permeable a los iones, dispuesta verticalmente con relación al electrodo. La representación esquemática de un electrodializador figura en las Técnicas del Ingeniero 3-1988, página J2840 - 13. Fig. 18. Durante la explotación del electrodializador los electrodos son conectados a los bornes de una fuente de corriente continua y se introducen electrólitos en los compartimientos definidos entre las membranas, así como en los dos cajones de extremidades, de manera que engendren reacciones electroquímicas en el seno de los electrólitos.

Las reacciones electroquímicas que se producen en los cajones de extremidades engendran generalmente un gas sobre los electrodos, por ejemplo oxígeno e hidrógeno en el caso de electrólitos acuosos. Es importante asegurar una evacuación regular de estos gases lo que habitualmente se obtiene haciendo circular el electrólito en bucle entre el cajón de extremidad y una cámara de desgasificación (EP-A-00B1092, página 8, líneas 11 a 16). Se ha propuesto igualmente utilizar chapas metálicas perforadas para los electrodos y prever una cámara detrás de la chapa, para la circulación del electrólito y del gas [EP-A-0724904 (SOLVAY)].

Durante el funcionamiento de los electrodializadores se observa habitualmente que la densidad de la corriente eléctrica se reparte de manera heterogénea en las membranas de tal manera que es más elevada en la parte inferior de las membranas y va decreciendo desde abajo hacia arriba de éstas. Este fenómeno se refiere sobre todo a las membranas que están más próximas de los cajones de extremidades, especialmente a la membrana que está contigua a la de un cajón de extremidad. Perturba el funcionamiento de los electrodializadores.

El invento pretende remediar este inconveniente de los electrodializadores conocidos proporcionando un cajón de extremidad de nueva concepción que, a igualdad de todas las demás cosas por otra parte mejora en gran medida la homogeneidad de la densidad de la corriente eléctrica en los electrodializadores.

En consecuencia, el invento se refiere a un cajón de extremidad para un electrodializador que comprende un electrodo vertical y una membrana selectivamente permeable a los iones, dispuesta verticalmente, frente al electrodo, caracterizándose el cajón por la presencia de un corredor o pasillo vertical que separa el electrodo de la membrana.

El electrodo del cajón según el invento debe ser de un material conductor de la electricidad y compatible con la reacción de electrodo buscada. Su estructura no es crítica. Comprende ventajosamente una chapa metálica. La chapa metálica puede por ejemplo comprender una chapa maciza, una chapa perforada, una lámina de metal desplegada, una placa calada o un tamiz o rejilla. El electrodo es sensiblemente vertical.

Se entiende la designación de membranas selectivamente permeables a los iones, una lámina delgada, sensiblemente impermeable a los electrólitos acuosos, pero permeable a ciertos iones. La membrana selectivamente permeable a los iones puede ser una membrana selectivamente permeable a los aniones o una membrana selectivamente permeable a los cationes.

En el cajón según el invento, el electrodo y la membrana están normalmente dispuestos en un recinto, delimitado por un bastidor apropiado cuya forma y estructura no son críticas para el invento. Informaciones relativas al bastidor son particularmente accesibles en Técnicas del ingeniero 3-1998 página J2840-13. Fig. 1B y en EP-A-0724904 (SOLVAY).

De acuerdo con el invento el electrodo y la membrana están separados por un corredor vertical. El corredor se extiende sobre la totalidad de la altura del electrodo y de la membrana y de modo ventajoso sensiblemente sobre la totalidad de la longitud del electrodo y de la membrana. El corredor está destinado a permitir una circulación ascendente del electrólito y del gas generado sobre el electrodo durante el funcionamiento normal del electrodializador. La longitud del corredor (su dimensión transversalmente a la membrana y al electrodo) deber ser suficiente para que la circulación ya citada del electrólito y del gas se realice sensiblemente sin obstáculos. La anchura óptima depende de diversos parámetros, en particular de las dimensiones del electrodo (principalmente su altura), de la densidad de la corriente eléctrica y del electrólito utilizado en el cajón. Debe a partir de entonces ser determinada en cada caso particular por un trabajo de rutina en el laboratorio. En la práctica, cuando el electrodo es una chapa se recomienda que la anchura del corredor sea superior a 0,002 veces la altura de la chapa, estando comprendida la relación entre la anchura del corredor y la altura de la chapa de preferencia entre 1:200 y 1:50.

En el cajón según el invento, puede utilizarse cualquier medio apropiado para formar el corredor. Según una forma de realización preferida del invento, el corredor está delimitado entre el electrodo y una placa vertical perforada, que soporta la membrana y que es mantenida separada del electrodo por riostras. En esta forma de realización del invento, las riostras deben estar concebidas de modo que no obstaculicen la circulación ascendente del electrólito y del gas en el corredor durante la explotación del cajón. A este efecto, pueden por ejemplo comprender laminillas verticales, que están fijadas por sus cantos al electrodo y a la placa.

En la forma de realización del invento, que acaba de ser descrita, conviene evitar que la placa sea el asiento de una liberación de gas durante la utilización del cajón en un electrodializador. Este objetivo es alcanzado por diversos medios. Según un primer medio, se realiza la placa de un material inerte, no conductor de electricidad. Según un segundo medio, se realiza la placa de un material conductor de la electricidad, cuya sobretensión a la liberación del gas producida en el electrodo, es superior a la del electrodo. Según un tercer medio, que es preferido, la placa está realizada de un material conductor de la electricidad y la pieza intermedia que la une al electrodo es de un material no conductor de la electricidad.

El invento se refiere igualmente a un electrodializador, que comprende, de manera conocida en sí, una alternancia de membranas verticales, selectivamente permeables a los iones y de separadores, entre dos cajones de extremidades de los que al menos uno está de acuerdo con el invento.

En el electrodializador según el invento, las membranas selectivamente permeables a los iones, que están situadas entre los dos cajones, pueden comprender membranas selectivamente permeables a los aniones, membranas selectivamente permeables a los cationes y membranas bipolares.

En el electrodializador según el invento, las membranas selectivamente permeables a los iones y los separadores que están interpuestos entre ellas, definen compartimientos de electrodiálisis que están en comunicación con conductos de admisión y conductos de evacuación de electrólitos. En la práctica, para formar estos compartimientos, los separadores son marcos aplicados sobre la zona periférica de las membranas. El número de compartimientos de electrodiálisis no es crítico. Es normalmente superior a diez y puede habitualmente elevarse a varios centenares, entre los dos cajones de extremidades.

El electrodializador según el invento encuentra diversas aplicaciones que son bien conocidas en las técnicas de electrodiálisis. Está especialmente adaptado a los procesos de electrodiálisis que emplean en el electrodializador, una densidad de corriente eléctrica que es inferior a 3 kA/m^{2} y que, de preferencia no excede de 2,5 kA/m^{2}.

El invento es por lo tanto igualmente relativo a un proceso de electrodiálisis según el cual se emplea un electrodializador conforme al invento, y se realiza en dicho electrodializador una densidad de corriente eléctrica inferior a 3 kA/m^{2}. En el procedimiento según el invento, se selecciona de preferencia una densidad de corriente que no excede de 2,5 kA/m^{2}, siendo especialmente ventajosos los valores de 0,1 a 2,0 kA/m^{2}, siendo preferidos los de 0,5 a 1,5 kA/m^{2}.

En el procedimiento según el invento, la densidad de corriente eléctrica es expresada con relación a la superficie de una cara de la membrana del cajón de extremidad del electrodializador. En el caso en que las membranas de dos cajones de extremidad no tienen la misma superficie, la densidad de corriente es expresada con relación a la membrana que tiene la menor superficie.

El procedimiento según el invento encuentra una utilización especialmente ventajosa para la electrodiálisis de soluciones acuosas de sales de sodio tales como cloruro de sodio, carbonato de sodio, fosfato de sodio o sulfato de sodio. Está especialmente destinado a la fabricación de soluciones acuosas de hidróxido de sodio por electrodiálisis de soluciones acuosas de cloruro de sodio o de carbonato de sodio.

Particularidades y detalles del invento van a aparecer en el curso de la descripción siguiente de los dibujos adjuntos.

La fig. 1 es una vista en corte, en sección longitudinal, vertical, de una forma de realización particular del electrodializador según el invento; la fig. 2 es una vista análoga a la fig. 1, de un cajón de extremidad del electrodializador de la fig. 1.

En estas figuras, las mismas notaciones de referencia designan elementos idénticos.

El electrodializador representado en la fig. 1 comprende, de manera conocida en sí, membranas selectivamente permeables a los iones 1, 2, 3, dispuestas verticalmente y alternando con separadores verticales 4, entre dos cajones de extremidades. Cada cajón de extremidad está designado en su conjunto por la notación de referencia 5. Los separadores 4 son marcos delgados que delimitan compartimientos de electrodiálisis 7 entre las membranas 1, 2 y 3.

La fig. 2 muestra a mayor escala un cajón de extremidad 5. Conforme al invento, el cajón de extremidad 5 comprende un plano vertical rectangular 6, un electrodo 7, un marco 8, una placa vertical 9 de metal desplegado y una membrana 10 selectivamente permeable a los iones (por ejemplo una membrana selectivamente permeable a los cationes). Enfrente del marco 8, la placa 6 presenta un reborde periférico en saliente 11. El plano 6 y su reborde 11 delimitan una cavidad vertical en la que está alojado el electrodo 7. Éste comprende una chapa metálica vertical, dispuesta sensiblemente en la alineación de la cara libre del reborde 11. La chapa 7 está soldada a largueros metálicos verticales 12, que están a su vez soldados a barras cilíndricas horizontales 13, que atraviesan el plano 6. Las barras 13 están destinadas a ser conectadas a una fuente de corriente continua, no representada.

El marco vertical 8 es aplicado sobre el reborde 11 del plano 6 y lleva la placa de metal desplegado 9. La placa 9 es más pequeña que el marco 8 y se encuentra retirada con relación a un reborde periférico en saliente 14. Unas espigas cilíndricas 15 cuya longitud es sensiblemente igual al espesor del marco 8, están fijadas a la placa 9. Las espigas 15 son de un material no conductor de la electricidad, por ejemplo de politetrafluoroetileno. Sirven para mantener la placa 9 separada de la chapa 7. Su longitud es sensiblemente igual al espesor del marco 8, disminuido en el espesor de la placa 9. Es por ejemplo de aproximadamente 10 mm. La membrana 10 es aplicada sobre la placa 9 y, en su periferia, sobre el reborde 14 del marco 8. Un corredor vertical 19 está así previsto en el cajón 5, entre el electrodo 7 y la membrana 10.

El plano 6, el marco 8, los marcos 4 y las membranas 10, 1, 2 y 3 están perforados con aberturas transversales 16 (no visibles sobre las membranas), alineadas de manera que formen conductos para la circulación de los electrólitos durante la explotación del electrodializador.

En el cajón de extremidad 5, el plano 6 y su reborde 11, el marco 8 y la membrana 10 delimitan entre ellos una cámara de electrólisis que contiene el electrodo 7. El electrodo 7 es un ánodo en uno de los cajones 5 y un cátodo en el otro cajón. Conductos 17 y 18, previstos en el plano 6, sirven para la admisión de un electrodo en la cámara de electrólisis y para la evacuación de los productos de electrólisis.

Durante la explotación del electrodializador de las figs. 1 y 2, se hacen circular electrólitos en los compartimientos delimitados entre las membranas 1, 2, 3,... por medio de los conductos 16. Se unen las barras 13 de los electrodos 7 a los bornes de una fuente de corriente continua y se introduce un electrólito (por ejemplo una solución acuosa de hidróxido de sodio) en los dos cajones de extremidades 5, por medio de los conductos 17. El electrólito es descompuesto en contacto con los electrodos 7, con liberación de un gas (generalmente de oxígeno en el ánodo y de hidrógeno en el cátodo). El gas sube por el corredor 19 arrastrando con él el electrólito descompuesto y se escapa con él por el conducto 18.

En una forma de realización especialmente ventajosa del electrodializador representado en las figuras, la membrana 1 es una membrana bipolar, la membrana 2 es una membrana selectivamente permeable a los cationes y la membrana 3 es una membrana selectivamente permeable a los aniones. Este conjunto de tres membranas constituyen un motivo o celda de electrodiálisis elemental y se repite en varios ejemplares (por ejemplo una centena de ejemplares) entre los dos cajones 5. El electrodializador según esta forma de realización del invento encuentra una aplicación para la fabricación de una solución acuosa de hidróxido de sodio partiendo de una solución acuosa de cloruro de sodio.

Claims (10)

1. Un cajón de extremidad para un electrodializador, que comprende un electrodo vertical (7) y una membrana (10) selectivamente permeable a los iones, dispuesta verticalmente, frente al electrodo, caracterizado porque un pasillo vertical (19) separa el electrodo de la membrana.

2. Un cajón según la reivindicación 1ª, caracterizado porque el electrodo comprende una chapa vertical (7) y porque el corredor (19) está delimitado entre dicha chapa (7) y una placa vertical (9), perforada, que soporta la membrana (10) y que está eléctricamente aislada de la chapa (7).

3. Un cajón según las reivindicaciones 1ª o 2ª, caracterizado porque el corredor (19) presenta una anchura superior a 0,002 veces la altura de la chapa (7).

4. Un cajón según la reivindicación 3ª, caracterizado porque la relación entre la anchura del corredor (19) y la altura de la chapa (7) está comprendida entre 1:200 y 1:50.

5. Un cajón según una cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 5ª, caracterizado porque la membrana (10) es selectivamente permeable a los cationes.

6. Un electrodializador que comprende una alternancia de membranas verticales, selectivamente permeables a los iones y de separadores, entre dos cajones de extremidades, caracterizado porque al menos uno de los cajones de extremidades es conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 5ª.

7. Un electrodializador según la reivindicación 6ª, caracterizado porque comprende una membrana bipolar.

8. Un procedimiento de electrodiálisis, caracterizado porque se utiliza un electrodializador según la reivindicación 6ª o 7ª y se emplea, en el electrodializador, una densidad de corriente inferior a 3 kA/m^{2}.

9. Un procedimiento según la reivindicación 8ª, caracterizado porque la densidad de corriente es de 0,1 a 2,0 kA/m^{2}.

10. Un procedimiento según la reivindicación 8ª o 9ª, caracterizado porque es aplicado a la electrodiálisis de una solución acuosa de cloruro de sodio.