FI112382B - Menetelmä kalvokennon käyttämiseksi - Google Patents

Description

11238?

Menetelmä kalvokennon käyttämiseksi Förfarande för att använda en membrancell 5

Esillä oleva keksintö liittyy sähkökemiallisen kennon käyttämiseen.

US-patenteissamme n:ot 5,198,087 ja 5,122,240 kuvataan vesipitoisen happamoidun 10 kloraatti-ioneja sisältävän liuoksen tuottaminen käytettäväksi klooridioksidia tuottavassa prosessissa. Prosessiin liittyy vesipitoisen alkalimetallisuolaliuoksen sähkökemiallinen happamointi, joka edullisesti käsittää natriumkloraattia ja natriumsulfaattia samalla kun alkalimetalli-ioneja poistetaan vesiliuoksesta.

15 Prosessi suoritetaan edullisesti elektrolyyttisessä solussa, joka käsittää kationinvaihto-kalvon, joka jakaa kennon anodiosastoon ja katodiosastoon. Vesipitoinen alkalimetaa-lisuolaliuos syötetään anodiosastoon ja alkalimetalli-ioneja poistetaan tästä osastosta katodiosastoon kationinvaihtokalvon läpi. Anodiosastossa sähkökemiallisesti tuotetut vety-ionit saavat aikaan vesipitoisen alkalimetalliliuoksen happamoinnin.

20

Eräs käyttöön liittyvä vaikeus, joka on tullut vastaan tässä menetelmässä, on suhteellisen korkea kennon jännite tyypillisissä käyttäolosuhteissa, joissa käytetään anolyyttiä, joka käsittää noin 1 M natriumseskvisulfaattia ja 2 M natriumkloraattia, .·· katalyyttiä, joka koostuu noin 5 %:sta NaOHrsta, ja kennon käyttölämpötilaa noin : 25 50 °C. Tämän ilmiön tutkimus osoitti, että kennon ylimääräjännite johtuu paljolti :v: kalvon vastustuksen vähenemisestä.

• * · • · :: Tutkimus, joka suoritettiin USA:n patentti- ja tavaramerkkivirastossa tästä keksinnös tä johti suuren määrän erilaisten patenttien löytämiseen, jotka liittyvät elektrolyysi- t * » i V 30 prosessiin ja niitä olivat seuraavat: * » * • · · 4,191,619 4,613,416 3,917,521 ·:*·: 4,085,016 3,884,777 4,595,469 2 112382 4,773,975 4,806,215 4,849,073 4,968,394 4,990,228 4,996,098 WO 91/18830 5 Kuitenkin, kuten ilmenee seuraavassa kuvatusta keksinnön kuvauksesta, mikään näistä tekniikan tason julkaisuista ei ehdota tai sisällä esillä olevaa keksintöä.

Tämän keksinnön mukaisesti, ionivaihtokalvolla jaettua kennon anodiosastoa ja katodiosastoa käytetään niin, että pidetään merkittävää lämpötilaeroa anodiosaston ja 10 katodiosaston välillä, niin että katalyytti pidetään korkeammassa lämpötilassa. Toimimalla sellaisessa lämpötilaerossa, kennoon asetettu kennon jännite sähkökemiallisen happamoinnin saavuttamiseksi vähenee.

Keksinnöstä on erityistä käyttöä edellä mainitun US-patentin n:o 5,198,087 mukai-15 sessa sähkökemiallisessa happamointimenetelmässä, mutta sitä voidaan yleisesti soveltaa mihin vain elektrolyyttiseen prosessiin, jossa käytetään kalvolla jaettua kennoa, kun tarvitaan pienempää jännitettä.

Kun kennoa käytetään natriumkloraatti- ja natriumsulfaatin vesiliuoksen happamoimi-20 seksi, useita rajoittavia toimenpiteitä voidaan suorittaa kalvon vastustuksen vähenemisen välttämiseksi. Kloori/alkalikennoissa toimitaan tunnetusti lämpötilassa noin • . 90 °C sekä anolyyttiä että katalyyttiä ajatellen ja käyttämällä noin 30 %:sta NaOH:ta ♦ katalyyttinä. Ei ole kuitenkaan käytännöllistä nostaa anolyytin lämpötilaa yli noin :.i.: 60 °C, koska DSA-02® -anodien stabiilisuus huononee ajan mittaan samalla kun : 25 korkeampi lipeäpitoisuus katalyytissä voi olla ei-hyväksyttävää johtuen natriumklo- i V raatti- ja natriumsulfaattivesiliuoksen kovuudesta, joka johtuu klooridioksidi- '·' ’ generaattorista, ja sen vaikutuksesta kalvoon.

I · · » · » * Olemme yllättäen havainneet, että kun kennon katolyyttilämpötila merkittävästi » » · *. 30 ylittää anolyytin lämpötilan, se huomattavasti vähentää kennon jännitystarvetta. Esillä :. *: olevassa keksinnössä katalyytin lämpötila ylittää anolyytin lämpötilan ainakin * ' 10 °C:lla. Saavutetaan merkittävä parannus kennon jännitystarpeeseen siitä huolimat- ♦ # · 3 11238? ta, että anodissa on lämpötilarajoitukset. Lisää parannusta voidaan saavuttaa käyttämällä korkeampaa natriumhydroksidikonsentraatiota katodiosastossa.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa, anolyytin lämpötila on vähemmän kuin noin 5 60 °C, edullisesti noin 40 - noin 55 °C, kun taas katolyytin lämpötila ylittää anolyytin lämpötilan ainakin noin 10 °C:lla, ja voi nousta niinkin korkealle kuin noin 95 °C. Natriumhydroksidin konsentraatio katolyyttiosastossa saattaa vaihdella noin 20 paino-%·.iin asti, edullisesti noin 5 - noin 15 paino-%.

10 On yllättävää, että kalvon vastusta ja siten kennon yleistä jännitystä voidaan vähentää niin paljon esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä. Yleisesti ottaen voidaan saavuttaa ainakin noin 5 %:n vähennys, jolloin ainoastaan pieni osa vähenemisestä johtuu itse katolyytin vastuksen vähenemisestä korkeamman lämpötilan tuloksena.

15 Tämä vaikutus, joka johtaa merkittävään kennon jännityksen vähenemiseen, on hyvin yllättävä, eikä sitä voida yksinkertaisesti selittää elektrolyysin korkeammalla lämpötilalla, joka vaikuttaa kalvon lämpötilaan. Jos niin olisi, silloin myös anolyytin lämpötilan nostosta 80 °C:een, samalla kun katodin lämpötila pidetään lämpötilassa 60 °C, olisi hyötyä kennon jännityksen pienenemiseen. Sellaista vaikutusta ei 20 kuitenkaan olla kokeellisesti havaittu. Tosiasiassa kennon jännityksen väheneminen havaittiin ainoastaan, kun katolyytin lämpötilaa nostettiin suhteessa anolyytin ' . lämpötilaan.

Tyypillisessä selluloosatehtaassa, joka tuottaa klooridioksidia, kuten on kuvattu US- I 1 « : 25 patentissa n:o 5,198,087, voidaan saavuttaa noin 30 000 dollarin vuosittaisia • · · • ·1 energiasäästöjä. Koska kuumia ja kylmiä virtoja yleisesti ottaen on saatavilla sellu- '·1 loosatehtaassa, mitään energiakustannuksia ei tulisi lämmön saamisesta ja lämmön jakelemista halutun lämpötilaeron ylläpitämiseksi.

• · · < · • » t » * 1 1 > » » 30 Eräs käytännön ratkaisu lämpötilagradientin ylläpitämiseksi on se, että anodia ja/tai anolyyttiä voidaan tarvittaessa jäähdyttää. Vaihtoehtoisesti molempien elektrolyyttien virtausnopeuksia voidaan asianmukaisesti säätää tähän tarkoitukseen.

11238? 4

Keksintöä kuvataan lisää seuraavan esimerkin avulla:

Esimerkki: 5 Kationivaihtokalvolla jaettu kennoa, jossa elektrodien välinen väli on 0,3 cm, käytettiin käyttämällä 2N NaOH -katalyyttiä ja anolyyttiä, joka käsitti vesiliuosta, joka sisälsi 1 M natriumseskvisulfaattia ja 2 M natriumkloraattia. Kalvo oli "NAFI-ON" 417. NAFION on tavaramerkki perfluorisulfonihappokalvolle. Kokeet suoritettiin, yksi sekä anolyytiliä että katalyytillä lämpötilassa 60 °C ja toinen anolyytiliä 10 lämpötilassa 55 °C ja katalyytillä lämpötilassa 80 °C.

Jälkimmäisissä olosuhteissa kennon jännitys oli 3,76 V, virran tiheys 3 kA/M2, joka tarkoittaa, että jännitys pieneni 400 mV, tiedon perustuen vertailuun kokeeseen, jota käytettiin lämpötilassa 60 °C. Samantapainen tulos saatiin, kun NAFION 430 -kalvo 15 korvattiin NAFION 470 -kalvolla, jännityksen ollessa mitatta 3,74 V:ksi.

Tämän selityksen yhteenvetona toteamme, että esillä oleva keksintö saa aikaan menetelmän membraanilla jaetun elektrolyyttisen kennon jännitystarpeen vähentämiseksi käyttämällä kennoa katalyytillä, jonka lämpötila on ainakin noin 10 °C 20 korkeampi kuin anolyytin. Muunnelmat ovat mahdollisia keksinnön puitteissa.

9 « · * t » · » * · > · 9 * · · * 9 I» 9

I

• · * · · k · » % » * a t a a f t 9 9 f » a » · » • a k » · * • · i • » k k · a » t · • k a a k a • k a a a I * a k a a a

Claims (7)

11238?

1. Menetelmä elektrolyyttisen kennon käyttämiseksi, jossa anodi- ja katodiosastot on erotettu ionivaihtokalvolla, tunnettu siitä, että mainitun kennon käyttöjännitys- 5 tä vähennetään pitämällä katolyytti mainitussa katodiosastossa lämpötilassa, joka on ainakin 10 °C korkeampi kuin anolyytin, joka on mainitussa anodiosastossa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että anolyytin lämpötila on noin 40° - noin 55 °C. 10

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun katalyytin lämpötila nousee lämpötilaan noin 90 °C.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 mainittu anolyytti käsittää natriumsuolan vesiliuoksen, natrium-ioneja siirretään anodiosastosta katodiosastoon, anolyytti happamoidaan elektrolyysireaktiolla mainitussa kennossa ja katolyytti alkalisoidaan elektrolyysireaktioilla mainitussa kennossa.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu 20 vesipitoinen natriumsuolaliuos on natriumkloraatin j a natriumseskvisulfaatin vesiliuos ja mainittua katalyyttiä pidetään natriumhydroksidin konsentraatiossa vähemmän kuin noin 20 paino-%. « * * ·

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun i * ♦ : 25 natriumhydroksidin konsentraatio on noin 5 - noin 15 paino- %. I · ♦ » » · • » I

» » **’ 7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittua katalyyttiä ylläpidetään lämpötilassa, joka on ainakin 20 °C korkeampi » · * kuin anolyytin. * » * ' 30 • t i »» • » * · * * I · · * » * 112382