ES2317494T3 - Electrodos para celdas electroliticas. - Google Patents
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Abstract
Electrodos para procesos electroquímicos productores de gas en un electrolizador equipado con una membrana de intercambio iónico, que contienen una multiplicidad de elementos laminares horizontales tridimensionales, los cuales tienen una parte de superficie en contacto directo con la membrana de intercambio iónico, y dichos elementos laminares poseen al menos una ranura que se extiende hacia la parte de superficie que se encuentra en contacto directo con la membrana, y dicha ranura provista con un orificio caracterizado porque dicho orificio, uno como mínimo, se encuentra en dicha parte de superficie en contacto directo con la membrana de intercambio iónico.
Description
Electrodos para celdas electrolíticas.
\global\parskip0.930000\baselineskip
La presente invención está referida a un
electrodo utilizado en procesos electromecánicos para la producción
de gases tales como el cloro, a partir de soluciones acuosas de un
halogenuro alcalino, que en el ensamblaje se colocan en forma
paralela y opuesta a una membrana de intercambio iónico que consiste
en una multitud de elementos laminares horizontales. Los elementos
laminares conforman una estructura de forma tridimensional, estando
parte de la superficie en contacto directo con la membrana, y
también están provistos de ranuras y orificios, en donde la mayoría
de los orificios se colocan en las ranuras, y la superficie total de
dichos orificios o parte de la misma se ubica en las ranuras, o se
extiende dentro de esa superficie. Preferentemente, los orificios
se colocan en el área de contacto del elemento laminar relevante con
la membrana.
Los procesos electromecánicos productores de gas
y los correspondientes electrodos utilizados en aparatos
electrolíticos son conocidos dentro de este campo. Dichos electrodos
se exponen por ejemplo en DE 198 16 334. La patente antes
mencionada describe un electrolizador que genera gases halógenos a
partir de soluciones acuosas de un halogenuro alcalino. Debido a
que el gas producido en el electrolito afecta negativamente el
comportamiento del flujo en el área de la membrana/electrodo, la DE
198 16 334 sugiere la instalación de elementos individuales tipo
laminar, tal y como se conocen, inclinados al plano horizontal. De
esta manera se establece el flujo lateral en la celda, ya que las
burbujas de gas que se juntan debajo de los elementos laminares
individuales se elevan a través de las aberturas.
Sin embargo, DE 198 16 334 no sugiere una
solución al problema de que una cierta cantidad de gas queda
atrapada debajo de los elementos de tipo laminar, por lo que se
obstruye una fracción considerable de la superficie de la membrana.
La circulación de fluidos se dificulta en el área obstruida, en
donde la producción de gas no puede llevarse a cabo. Además, el
estancamiento del gas disminuye la conductividad local de la
membrana, y produce un incremento en la densidad de la corriente en
las zonas restantes, lo que a su vez causa un incremento en el
voltaje de la celda y consumo de energía.
Para eliminar este efecto obstructor, la EP 0095
039 expone elementos laminares que poseen entradas transversales.
En la DE 44 15 146, sin embargo, se establece que las mencionadas
entradas no son suficientes para evitar el efecto obstructor. Por
lo tanto, la DE 44 15 146 expone elementos laminares que poseen
calibres o aberturas descendentes para mejorar el flujo de descarga
de gas.
La US-A-5114547
expone un electrodo y un método para su utilización en electrólisis
de membrana de soluciones alcalinas y de cloruro para producir
cloro. El electrodo se compone de un diseño conocido como diseño de
persianas venecianas dispuestas con una inclinación. Las láminas
constan de un diseño en relieve y canales de circulación verticales
formados por ranuras (2) con orificios 3 en la parte de la
superficie que está en contacto directo con la membrana, lo cual
permite una eliminación más eficiente de los gases generados a
través de estos canales.
Sin embargo, este método no resuelve el problema
de la fracción de gas residual atrapada en correspondencia con las
áreas de contacto lo que dificulta el flujo de los electrolitos.
Por lo tanto, uno de los objetivos de la
presente invención es proporcionar un electrodo que supere dicha
deficiencia, para así evitar o minimizar la obstrucción.
Éste y otros objetivos de la presente invención,
que serán explicados en la siguiente descripción, se logran a
través de un electrodo conforme a la reivindicación adjunta 1. El
electrodo conforme a la invención para uso en electrolizadores de
procesos electroquímicos productores de gas se coloca en forma
paralela y opuesta a una membrana de intercambio iónico en el
ensamblaje y consiste en una multiplicidad de elementos laminares
horizontales, estructurados y tridimensionales.
Parte de la superficie de los elementos
laminares está en contacto directo con la membrana, y dichos
elementos poseen al menos una ranura, la cual se extiende hacia la
parte de la superficie del elemento laminar en contacto directo con
la membrana, y esa ranura tiene en su receso al menos un orificio.
Preferentemente, los elementos laminares están provistos de una
multiplicidad de ranuras y una multiplicidad de orificios,
encontrándose la mayor parte de los orificios en las ranuras, de
manera que al menos parte de la superficie del orificio se
encuentre en las ranuras o se extienda hacia las mismas.
Los orificios están distribuidos en el área de
contacto del elemento laminar respectivo con la membrana.
Preferentemente, las ranuras que tienen orificios están dispuestas
en el lado que está frente a la membrana, y se encuentran libres de
obstáculos para el flujo. Debido a que la corriente eléctrica toma
el recorrido de menor resistencia, el electrodo tiene la ventaja
esencial de que, por un lado, la región sujeta a la densidad de
corriente más alta, es decir, el área de contacto, cuenta con un
escape ideal para la corriente descendente de fluidos a través de
las ranuras; y, por otro lado, el gas mucho más voluminoso asciende
por las ranuras o por los orificios hacia la parte trasera del
electrodo.
Además, se descubrió que colocar los orificios
en las ranuras es una solución ideal ya que aún el más pequeño de
los espacios entre la membrana y el electrodo se puede establecer en
el área de contacto sin que los orificios se cierren por la
superposición con la membrana, lo que implicaría una obstrucción
total o parcial de la alimentación de fluidos.
\global\parskip1.000000\baselineskip
También fue posible determinar que dicho
posicionamiento de los orificios es óptimo ya que el área completa
de superficie interna del orificio actúa como una superficie de
electrodo activo, por la cercanía con la membrana. Si se selecciona
un diámetro de un orificio más pequeño que el grosor de la lámina,
todos los orificios contribuyen efectivamente a la ampliación de la
superficie de electrodos completa.
En un modo de realización preferente de la
invención, se colocan dos o más orificios en una ranura en el área
de contacto con la membrana.
En un modo de realización especial de la
invención, los elementos laminares tienen la forma de una hoz que
consta de dos flancos unidos por un área de transición arqueada. La
sección arqueada apunta hacia la membrana y ambos flancos se
inclinan hacia la membrana en un ángulo de 10 grados.
En un modo de realización preferente de la
invención, los elementos laminares individuales tienen la forma de
un perfil C plano a partir de una sección levemente convexa
inicialmente, la cual, cuando está instalada, es paralela a la
membrana. En el momento de la instalación, los dos o más flancos se
inclinan hacia la membrana al menos 10 grados. Una o varias
porciones de transición con cualquier perfil son colocadas entre la
parte levemente convexa y los flancos. De forma ventajosa, las
áreas de transición están conformadas con bordes redondeados.
Las áreas de la superficie de los elementos
laminares de acuerdo a la invención se caracterizan por el parámetro
FV1, que es el radio entre la superficie de contacto y el área de
superficie activa libre, según la fórmula
FV1 = (F2 + F3)
/ (F1 + F4 +
F5)
en
donde:
F1 es la superficie de la ranura en la parte
F2,
F2 es el área de contacto tipo tira con la
membrana,
F3 es el área de transición desde el área de
contacto tipo tira hasta la pared de la ranura,
F4 es el área de superficie de la pared del
orificio y
F5 es el área de superficie de las paredes de
los orificios en la parte F2.
\vskip1.000000\baselineskip
En un modo de realización preferente de la
invención, FV1 es menor que 0.5, preferentemente menor que 0.15. El
espesor de la lámina en la región de los orificios es superior al
30% del diámetro hidráulico de los orificios. El diámetro
hidráulico se define como el radio entre el área de superficie
cuádruple y el perímetro de la sección de cruce de flujo libre, la
cual en el caso de orificios circulares es equivalente al diámetro
geométrico. En un modo de realización preferente de la invención,
el espesor de la lámina de las entradas no excede el 50% del
diámetro hidráulico antes mencionado.
Los orificios del electrodo, de acuerdo con la
invención, pueden tener cualquier clase de diseño, por ejemplo,
pueden presentar la ventaja de ser moldeados como ranuras delgadas,
con un ancho de menos de 1,5 mm.
Un modo de realización preferente del electrodo
de la invención establece que la profundidad de la ranura tenga un
límite, para así lograr que las paredes y bases de las ranuras
funcionen como superficies de electrodos activos mejor preparadas
para la reacción, y al mismo tiempo evitar que la resistencia del
fluido sea muy elevada, siendo dicha profundidad inferior a 1 mm o
más preferentemente inferior a 0,5 mm, o aún más preferentemente,
no superior a
0,3 mm.
0,3 mm.
Además, en un modo de realización preferente, el
radio FV2 entre la superficie total del área de contacto, y la
superficie total del área que no está en contacto con la membrana
debe ser inferior a 1, o preferentemente inferior a 0,5, o aún más
preferentemente, no superior a 0,2. FV2 se determina de la siguiente
manera:
FV2 = F6 / (F1
+
F2)
en donde F1 y F2 son los valores
definidos arriba, que representan la superficie proyectada del área
de contacto y F6 representa el área de superficie del flanco del
elemento laminar que se enfrenta directamente a la membrana,
estando la superficie de dicho flanco inclinada y sin entrar en
contacto con la
membrana.
Según otro aspecto, esta invención está dirigida
a un proceso electrolítico para la producción de un gas halógeno a
partir de soluciones acuosas de un halogenuro alcalino. Dicho
proceso se lleva a cabo a través de los electrodos de la invención,
o a través de electrolizadores que utilizan dichos electrodos.
\newpage
En un modo de realización preferente, el proceso
electrolítico mencionado anteriormente para la producción de gas
halógeno hace uso de electrolizadores con el diseño filtro prensa de
tipo celda única, que incorpora el electrodo de la invención como
componente esencial.
La presente invención se describe a continuación
con la ayuda de dibujos adjuntos que se proveen como ejemplo y no
deben interpretarse como una limitación del alcance del mismo, en
donde la figura 1a es una vista en perspectiva del electrodo de la
invención, la figura 1b es un detalle del mismo, las figuras 2a y 2b
muestran el elemento laminar en detalle, la figura 3 muestra un
elemento laminar con un perfil tipo C plano, la figura 4 es una
vista lateral del elemento laminar de la figura 3.
La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva del
electrodo de la presente invención representada como tres elementos
laminares paralelos (1) provistos de ranuras (2) y superficies tipo
tira (3) en el medio. En este ejemplo en particular, hay un
orificio (4) es colocado en cada ranura (2) que atraviesa el
elemento laminar (1) desde la parte frontal, la cual corresponde a
la superficie visible, hasta la parte trasera.
Como se representa detalladamente en la figura
1b, los elementos laminares (1) consisten en dos elementos flancos,
un flanco superior (5) y un flanco inferior (6), unidos a través de
un área de transición arqueada o codo (7). Los orificios (4) se
colocan exactamente en el área de transición (7) la cual, en el
momento de la instalación del electrodo, se coloca en el centro del
área de contacto (8) con la membrana (9). En este modo de
realización, el área de contacto (8) coincide casi por completo con
el área de transición (7) y está formada por áreas de superficie
(F1) a (F3), en donde (F2) representa el área de contacto tipo tira
con la membrana, (F1) representa el área de superficie de la ranura
en la parte (F2), y (F3) representa el área de transición desde la
superficie de contacto de tipo tira hasta la pared de la
ranura.
En la vista de la sección transversal de la
figura 2a relativa al mismo modo de realización, la membrana (9)
sigue el contorno del elemento laminar (1) sobre la pared de la
ranura (10). El ángulo de curvatura (12) define la posición y el
ancho del espacio entre la membrana (9) y el elemento laminar (1) y
se ubica entre el área de contacto (8) y el área que no mantiene
contacto con la membrana (11). La curvatura del ángulo (12) ha sido
elegida en el ejemplo anterior de manera tal que los radios menores
de las circunferencias de los orificios elípticamente extendidas
culminen en el mencionado espacio entre la membrana (9) y el
elemento laminar (1). Este diseño tiene la gran ventaja de contar
con un volumen ampliado para las descargas de gas complicadas y la
alimentación de fluidos hacia la región angosta de las ranuras. El
área de transición (7), en la cual la membrana (9) se separa del
elemento laminar, se indica con un círculo de puntos.
La figura 2b describe el mismo elemento laminar
(1) en el momento de la instalación y durante la operación. El
contra-electrodo (13) se encuentra enfrentado al
lado opuesto de la membrana (9) y ambos electrodos se cubren de
salmuera o cáustico (no se muestra) y de burbujas de gas (14).
Además, la figura 2b muestra el montaje utilizado para la
producción cloro-alcalina en la cual el ánodo, que
en este caso es el elemento laminar (1) en contacto directo con la
membrana, se ubica frente al cátodo, que en este caso es el
contra-electrodo (13). Como se ilustra en la figura
2b, se deja un espacio entre la membrana (9) y el cátodo (13) porque
el cáustico que actúa como catolito posee una conductividad
relativamente buena. En este ejemplo, el
contra-electrodo (13) está compuesto por una malla
de metal expandido.
La Fig. 3 muestra un elemento laminar (1) de un
perfil tipo C plano. Las ranuras (2) son lo suficientemente anchas
como para evitar que los orificios (4) causen algún tipo de
debilitamiento de las paredes (10) de las ranuras. El ancho de las
superficies tipo tira (3) es aproximadamente sólo 1/3 del ancho de
las ranuras (2). Además, los flancos arqueados hacia atrás (5) y
(6) son muy cortos y el área de contacto que comprende las áreas de
superficie (F1) a (F3) es mucho mayor. El radio del área de
superficie FV2 antes definido es inferior a 0,2, en el caso del
ejemplo ilustrado. La ventaja esencial de este modo de realización
es la disposición de un área activa paralela a la membrana (9)
entre las dos áreas de transición (7), lo que garantiza una
condición ideal para la reacción electroquímica. Se suministra
cáustico o salmuera en la ranura (2) a través de los orificios (4).
Dicho cáustico o salmuera son arrastrados por las burbujas
ascendentes del gas.
La figura 4 muestra el modo de realización
arriba mencionado. Como se representa en la figura 4, la parte del
elemento laminar que no se encuentra frente a la membrana 9 está
revestida contra las burbujas de gas (14) ascendentes a través de
un flanco inferior (6) de manera tal que las burbujas de gas
formadas en los orificios (4) se alejen y el cáustico o salmuera
puedan ser arrastrados hacia la ranura (2). El área de transición
(7), en la cual la membrana (9) se separa del elemento laminar, se
indica con un círculo de puntos.
Los elementos laminares con perfil de hoz de la
invención permiten una ampliación del área de superficie de
electrodos activos de aproximadamente 3,14 mm^{2} por orificio,
para un orificio con un diámetro de 2 mm y un espesor de lámina de
de 1 mm de acuerdo con la ranura. Por lo tanto, en el caso de celdas
electrolíticas estándar equipadas con el electrodo de esta
invención, se obtiene un incremento de 0,11 m^{2} del área de
superficie activa mediante aproximadamente 105.000 orificios
individuales. El voltaje de celda de un electrodo de 2,7 m^{2} de
acuerdo con la invención, caracterizado por un perfil de tipo hoz,
fue calculado en una celda de prueba. Se detectó una considerable
disminución del voltaje de más de 50 mV a una densidad de corriente
de 6 kA/ m^{2}, comparada con un electrodo de diseño anterior de
equivalentes dimensiones externas.
Claims (14)
1. Electrodos para procesos electroquímicos
productores de gas en un electrolizador equipado con una membrana
de intercambio iónico, que contienen una multiplicidad de elementos
laminares horizontales tridimensionales, los cuales tienen una
parte de superficie en contacto directo con la membrana de
intercambio iónico, y dichos elementos laminares poseen al menos
una ranura que se extiende hacia la parte de superficie que se
encuentra en contacto directo con la membrana, y dicha ranura
provista con un orificio caracterizado porque dicho orificio,
uno como mínimo, se encuentra en dicha parte de superficie en
contacto directo con la membrana de intercambio iónico.
2. Electrodo según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichas ranuras están dispuestas en el
lado del electrodo que está frente a la membrana de intercambio
iónico y se encuentran libres de obstáculos para el flujo.
3. Electrodo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho
orificio, uno como mínimo, es una multiplicidad de orificios.
4. Electrodo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
elementos laminares individuales tienen la forma de una hoz que
comprende dos flancos unidos por un área de transición, y dicha
área de transición está arqueada hacia la membrana y dichos flancos
están inclinados al menos 10 grados hacia la membrana.
5. Electrodo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los elementos
laminares individuales tienen un perfil C plano formado por una
sección levemente convexa inicialmente y comprenden como mínimo un
flanco inclinado al menos 10 grados hacia la membrana y al menos un
área de transición dispuesta entre la mencionada sección levemente
convexa y dicho elemento, uno como mínimo, ya mencionado.
6. Electrodo según las reivindicaciones 4 o 5,
caracterizado porque el área de superficie de contacto al
radio de la superficie del electrodo activo libre,
(F2 + F3) / (F1
+ F4 +
F5)
en
donde
F1 es el área de superficie de la ranura en la
parte F2,
F2 es el área de contacto tipo tira con la
membrana,
F3 es el área de transición desde el área de
contacto tipo tira hasta la pared de la ranura,
F4 es el área de superficie de la pared del
orificio, y
F5 es el área de superficie de las paredes de
las ranuras en la parte F2,
es inferior a 0,5.
7. Electrodo según la reivindicación 6,
caracterizado porque dicha superficie de contacto con el
radio de la superficie del electrodo activo libre es inferior a
0,15.
8. Electrodo según la reivindicación 6 ó 7,
caracterizado porque el espesor de la ranura que corresponde
con el orificio es superior al 40% del diámetro hidráulico del
orificio.
9. Electrodo acorde a la reivindicación 6,
caracterizado porque la profundidad de la ranura es inferior
a 1 mm.
10. Electrodo según la reivindicación 9,
caracterizado porque la profundidad de la ranura no es mayor
de 0,3 mm.
11. Electrodo según una de las reivindicaciones
anteriores 1 a 10, caracterizado porque el radio
F6 / (F1 +
F2)
en
donde
F1 es la superficie de la ranura en la parte
F2,
F2 es el área de contacto tipo tira con la
membrana,
F6 el área de superficie del flanco del elemento
laminar directamente enfrentado a la membrana,
es inferior a 1.
12. Electrodo según la reivindicación 11,
caracterizado porque dicho radio F6 / (F1 + F2) es inferior
a 0,2.
13. Electrolizador, opcionalmente del tipo de
construcción de celda única o del tipo de construcción de filtro
prensa para la producción de gas halógeno a partir de soluciones
acuosas de un halogenuro alcalino, caracterizado porque
comprende al menos un electrodo de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores.
14. Proceso electrolítico para la producción de
gas halógeno caracterizado por la provisión al electrolizador
de la reivindicación 13 de una solución acuosa de un halogenuro
alcalino, y por la aplicación de una corriente eléctrica externa al
mismo.
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