FI116299B - Elektrodi, elektrolyysikenno sekä menetelmät elektrodin valmistamiseksi ja vesipitoisen liuoksen elektrolysoimiseksi - Google Patents

Description

116299

Elektrodi, elektrolyysikenno sekä menetelmät elektrodin valmistamiseksi ja vesipitoisen liuoksen elektrolysoimiseksi Tämä keksintö koskee elektrolyysikennoa ja siihen tarkoitettua 5 elektrodia, sekä menetelmiä näiden yhteydessä.

Elektrolyyttejä, esimerkiksi alkalimetallikloridien, erityisesti natrium-kloridin, vesiliuoksia elektrolysoidaan valtavia määriä kaikkialla maailmassa sellaisten tuotteiden kuin kloorin ja vesipitoisen alkalimetallihydroksidiliuoksen valmistamiseksi. Elektrolyysi voidaan toteuttaa elektrolyysikennossa, joka 10 käsittää useita anodeja ja katodeja ja jossa kukin anodi on erotettu viereisestä katodista erottimella, joka jakaa elektrolyysikennon useiksi anodi- ja katoditi-loiksi.

Elektrolyysikenno voi olla diafragma- tai membraanityyppiä. Diafrag-matyyppisessä kennossa rinnakkaisten anodien ja katodien väliin sijoitetut 15 erottimet ovat mikrohuokoisia, ja käytössä vesipitoinen elektrolyytti kulkee diafragmojen läpi kennon anoditiloista katoditiloihin. Membraanityyppisessä kennossa erottimet ovat nestettä olennaisesti läpäisemättömiä ja käytössä ionilajikkeet kulkevat kennon anoditilojen ja katoditilojen välissä olevien mem-braanien poikki.

, 20 Kun difragmatyyppisessä elektrolyysikennossa elektrolysoidaan esi- merkiksi vesipitoista alkalimetallikloridiliuosta, liuos syötetään kennon anoditiloi-hin, elektrolyysissä syntyvä kloori poistetaan kennon anoditiloista, alkalime-tallikloridiliuos kulkee diafragmojen läpi ja elektrolyysissä syntynyt alkalime-·.*·· tallihydroksidi poistetaan katoditiloista alkalimetallikloridia ja alkalimetalli- 25 hydroksidia sisältävän vesipitoisen liuoksen muodossa. Kun membraa- :T; nityyppisessä elektrolyysikennossa elektrolysoidaan vesipitoista alkalimetal likloridiliuosta, liuos syötetään kennon anoditiloihin, elektrolyysissä syntyvä kloori ja köyhtynyt alkalimetallikloridiliuos poistetaan anoditiloista, alkalimetalli-ionit tulevat kuljetetuiksi membraanien poikki kennon katoditiloihin, joihin voidaan ' 30 syöttää vettä tai laimeaa alkalimetallihydroksidiliuosta, ja vety ja alkalimetal- ’· lihydroksidiliuos, jota syntyy alkalimetalli-ionien reagoidessa veden kanssa, .,: poistetaan kennon katoditiloista.

Elektrolyysi voidaan toteuttaa suodatuspuristintyyppisessä elektrolyysikennossa, joka voi käsittää suuren määrä vuorottelevia anodeja ja katodeja, 35 esimerkiksi 50 anodia vuorotellen 50 katodin kanssa; kenno voi tosin käsittää 2 116299 vieläkin useampia anodeja ja katodeja, esimerkiksi korkeintaan 150 vuorot-televaa anodia ja katodia.

Elektrolyysikenno voidaan varustaa tulopuolen kokoojaosalla, jonka kautta elektrolyytti, esimerkiksi vesipitoinen alkalimetalliliuos, voidaan syöttää 5 kennon anoditiloihin, ja menopuolen kokoojaosalla, jonka kautta elektrolyysituot-teita voidaan poistaa niistä. Elektrolyysikenno voidaan varustaa myös menopuolen kokoojaosalla, jonka kautta elektrolyysituotteita voidaan poistaa kennon katoditiloista, ja mahdollisesti, esimerkiksi membraanityyppisen kennon ollessa kyseessä, tulopuolen kokoojaosalla, jonka kautta niihin voidaan syöttää 10 nestettä, esimerkiksi vettä tai muuta nestettä.

Elektrolyysikenno voidaan varustaa välineillä nesteiden kierrättämiseksi kennon anodi- ja/tai katoditiloihin. Esimerkiksi membraanityyppisessä elektrolyysikennossa, jossa elektrolysoidaan vesipitoista alkalimetallikloridiliu-osta ja liuos syötetään kennon anoditiloihin tulopuolen kokoojaosan kautta ja 15 klooria ja köyhtynyttä vesipitoista alkalimetallikloridiliuosta poistetaan niistä menopuolen kokoojaosan kautta, elektrolyysikenno voidaan varustaa välineillä köyhtyneen vesipitoisen alkalimetallikloridiliuoksen poistamiseksi anoditiloista ja köyhtyneen liuoksen tai sen osan kierrättämiseksi takaisin kennon anoditiloihin käytettäväksi uudelleen niissä. Ennen kierrätyksen toteuttamista voidaan . 20 kaasumainen kloori erottaa köyhtyneestä alkalimetallikioridiliuoksesta ja : $ · ·; köyhtynyt liuos voidaan sekoittaa alkalimetallikloridin tai tuoreen, väkevämmän vesipitoisen alkalimetallikloridiliuoksen kanssa ennen liuoksen kierrättämistä anoditiloihin.

* ·

Vesipitoisen alkalimetallikloridiliuoksen kierrättäminen mahdollistaa ·.· I 25 liuoksen käyttämisen uudelleen ja takaa, että voidaan toteuttaa alkalimetalliklori- din korkea konversio, ilman että konversio yhdessä kulussa anoditilojen läpi on niin korkea, että tuloksena on hyväksyttävää jyrkempiä konsentraatiogradient- ; teja kennon anoditiloissa olevassa liuoksessa ja kennon eri anoditiloissa olevien * * > » , · , liuosten välillä ja niistä seurauksena olevaa virtahyötysuhteen menetystä. Koska • 30 kennosta poistettava liuos on korkeassa lämpötilassa, voi tuore liuos lisäksi olla suhteellisen matalassa lämpötilassa. Itse asiassa saattaa olla tarpeetonta kuu-..: mentaa tuoretta liuosta.

; ; Elektrolyysikenno voidaan varustaa samankaltaisilla välineillä, joilla , voidaan poistaa vesipitoista alkalimetallikloridiliuosta katoditiloista ja kierrättää 35 liuos tai osa siitä takaisin katoditioloihin.

3 116299

Elektrolyysikenno voidaan varustaa kierrätysvälineillä, joilla kierrätetään liuoksia kennon anodi- tai katoditiloissa sen sijaan, että ne poistettaisiin tiloista ja kierrätettäisiin takaisin niihin. Tällaiset sisäiset kierrätysvälineet ovat erityisen käyttökelpoisia auttamaan konsentraatiogradienttien eliminoinnissa 5 kennon anodi- ja katoditiloista, mikä puolestaan parantaa virtahyötysuhdetta, jolla elektrolyysi toteutuu.

Liuoksen poistaminen anodi- tai katoditiloista ja kierrättäminen takaisin näihin tiloihin voidaan toteuttaa sopivalla elektrolyysikennon ulkopuolelle sijoitetulla putkistolla. Kennon anodi- tai katoditilojen menopuolen kokoojaosa 10 voidaan esimerkiksi kytkeä haaroitettuun ulosmenoputkeen ja osa tiloista poistettavasta köyhtyneestä liuoksesta voidaan johtaa haaroitetun putken kautta sisääntuloputkeen, joka puolestaan kytketään kennon anodi- tai katoditilojen tulopuolen kokoojaosaan ja jonka kautta voidaan myös syöttää tuoretta liuosta kennon tiloihin. Osa elektrolyysikennon anodi- tai katoditiloista poistetusta 15 liuoksesta voidaan poistaa kennosta haaroitetun putken kautta.

Elektrolyysikennoa, jossa on kennon ulkopuolelle sijoitettu putkisto ja joka kautta voidaan kierrättää liuoksia, kuvataan US-patenttijulkaisussa 3 856 651. Kierrätysjärjestelmän tehokkuus perustuu kaasun nostovaikutuk-seen, ja kyseisessä patenttijulkaisussa kuvataan kaksinapaista kennoa, jonka 20 päälle on sijoitettu säiliö, johon vesipitoinen klooria sisältävä natriumkloridiliuos **_ johdetaan kennon anoditiloista. Kloori erotetaan säiliössä olevasta liuoksesta, ja *; liuos poistetaan säiliöstä ja sekoitetaan tuoreen, väkevämmän natrium- kloridiliuoksen kanssa ja palautetaan kennon anoditiloihin ulkopuolelle sijoitetun *· " putken kautta.

i.: : 25 Liuoksen kierrätys voidaan toteuttaa myös elektrolyysikennon kennon

* * I

•V : anodi- tai katoditilojen sisällä. Tällainen kierrätys voidaan toteuttaa kennon tiloihin sijoitetuilla laskuputkilla, esimerkiksi kennon elektroditilassa olevien : kahden elektrodilevyn väliin sijoitetulla laskuputkella. Myös tällaisen kierrätyksen tehokkuus perustuu kaasun nostovaikutukseen.

I I t 30 Sisäisellä kierrätyksellä varustettua elektrolyysikennoa kuvataan US- patenttijulkaisussa 4557 816. Kyseisessä patenttijulkaisussa kuvataan putkea, joka helpottaa elektrolyytin virtaamista alaspäin ja joka on sijoitettu elektrodin takana olevaan tilaan ja käsittää vaakasuoran osan, jossa on alempi aukko ; lähellä tuoreen elektrolyytin sisääntuloa, ja pystysuoran osan, joka on yhtey- 35 dessä vaakasuoran osan kanssa ja jossa on ylempi aukko lähellä köyhtyneen 4 116299 elektrolyytin ulosmenoa.

Tämä keksintö koskee liuoksen kierrättämistä elektrolyysikennon anodi- tai katoditiloissa, jotta voidaan helpottaa liuoksen sisäisten konsentraatio-gradienttien eliminointia ja toteuttaa elektrolyysi parannetulla virtahyötysuhteella.

5 Keksintö koskee erityisesti kierrätysvälineitä, jotka ovat rakenteeltaan hyvin yksinkertaisia, helppoja asentaa elektrolyysikennoon ja erityisen sopivia käytettäviksi suodatuspuristintyyppisessä elektrolyysikennossa, jossa anodi- tai katoditilat ovat yleensä kapeita ja johon on vaikeaa tai vähintäänkin hankalaa asentaa kierrätysvälineitä, joka käsittää putkia tai putkiston. Tämä keksintö 10 tarjoaa sen lisäedun, että elektrodin käsittävässä kennossa voidaan käyttää happamaksi tehtyä kylläistä natriumkloridiliuosta.

Tämän keksinnön mukaisesti tarjotaan käyttöön elektrodi, jolle on tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisissä patenttivaatimuksissa 1 ja 1b.

Keksintö tarjoaa käyttöön myös elektrolyysikennon, jolle on tunnus-15 omaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksessa 9. Erotin voi olla nestettä läpäisemätön ioninvaihtomembraani tai nestettä läpäisevä diafragma.

Keksintö tarjoaa käyttöön myös menetelmän elektrodin valmistamiseksi, menetelmän alkalimetallikloridiliuoksen elektrolysoimiseksi ja menetelmän elektrodin kokoamiseksi.

. 20 Tämän keksinnön mukaisella elektrodilla saavutetaan elektro- I » · *; lyysikennoon asennettuna liuoksen kierrätys kennon elektroditilassa kaasun ' nostovaikutuksen avulla. Kun kaasua vapautuu ensimmäisen levyn aktiivisella « k · ···: elektrodipinnalla, kaasu kohoaa siten ensimmäisen levyn ja sulkulevyn välisessä \ i tilassa elektroditilan yläosaan ja kuljettaa mukanaan liuosta. Liuos laskeutuu • * · 25 sitten sulkulevyn ja toisen levyn välisessä tilassa elektroditilan pohjalle ja v ·' saatetaan sen jälkeen kohoamaan uudelleen elektrodin aktiivisella pinnalla vapautuneen kaasun nostovaikutuksen kautta.

• Tämän keksinnön mukainen elektrodi on rakenteeltaan yksinkertai- • * · » .··*, nen; itse asiassa voidaan muuntaa olemassa olevaa elektrodia vain sijoittamalla .,· 30 elektrodiin yksi tai useampi sulkulevy, joka voi olla suhteellisen ohut, ja se ; “ soveltuu erityisesti käytettäväksi suodatuspuristintyyppisessä elektrolyysiken- nossa olevien elektrodien yhteydessä, jollaisessa kennossa elektrodit ja • elektroditilat voivat olla suhteellisen kapeita. Kierrätysväline ei selvästikään . ·1'. perustu elektrodin sisällä olevien putkien tai johtojen käyttöön.

35 Sulkulevy voi olla kosketuksessa aktiivisen elektrodipinnan sisältävän 5 116299 ensimmäisen levyn kanssa sillä edellytyksellä, että sulkulevy on irti ainakin osasta ensimmäisen levyn aktiivista elektrodipintaa, jolloin tämä etäisyys muodostaa tilan, jonka kautta kaasu ja sen mukana kulkeva neste voivat kohota toiminnassa olevassa elektrolyysikennossa.

5 Ensimmäisessä levyssä voi siten olla aktiivinen elektrodipinta toisella pinnalla, ja sulkulevy voi olla kosketuksessa ensimmäisen levyn vastakkaisen pinnan kanssa, jolla ei aktiivista elektrodipintaa.

Elektrodi voi käsittää ensimmäisen levyn, jolla on aktiivinen elektrodi-pinta, ja toisen levyn, joka on kytketty sähköisesti ensimmäiseen levyyn, mutta 10 jolla ei ole aktiivista elektrodipintaa. Tässä suoritusmuodossa voidaan sijoittaa yksi sulkulevy ensimmäisen ja toisen levyn väliin ja irti ensimmäisen levyn aktiivisesta elektrodipinnasta ja toisen levyn vastapäisestä pinnasta.

Elektrodi voi vaihtoehtoisesti käsittää kaksi levyä, jotka on kytketty sähköisesti toisiinsa ja ovat irti toisistaan ja joista kummallakin on aktiivinen 15 elektrodipinta. Aktiiviset elektrodipinnat suuntautuvat mielellään ulospäin. Tässä suoritusmuodossa voidaan sijoittaa kaksi sulkulevyä aktiivisia elektrodipintoja sisältävien levyjen väliin ja irti mainituista pinnoista, ja sulkulevyt voivat myös olla irti toisistaan. Kun tämä viimeksi mainittu elektrodi asennetaan elektrolyysiken-noon, aktiivisilla elektrodipinnoilla vapautuva kaasu kohoaa ja kuljettaa 20 mukanaan liuosta elektrodithan yläosaan, ja liuos laskeutuu sitten näiden Ί kahden sulkulevyn välissä olevan tilan kautta elektroditilan pohjalle, josta se saatetaan kohoamaan uudelleen.

Eri levyt ovat elektrodissa irti toisistaan. Mitä tahansa irtipitovälinettä • a •V·: voidaan käyttää eri levyjen tarvittavan välin saavuttamiseksi. Voidaan esimer- · 25 kiksi sijoittaa sopivan muotoisia välikappaleita eri levyjen väliin. Edellä kuvatussa v ·' elektrodisuoritusmuodossa, joka käsittää kaksi toisistaan irti olevaa sulkulevyä, voidaan etäisyys saavuttaa toisella tai kummallakin levyllä olevien ulkonemien : kautta, jotka ovat irti toisistaan ja kosketuksessa toisen levyn pinnan kanssa.

Nämä ulkonemat eivät välttämättä ole pelkästään kosketuksessa vastapäisen 30 levyn kanssa, vaan ne voidaan kiinnittää vastapäiseen levyyn millä tahansa : “ kätevällä keinolla, joka riippuu levyjen rakennemateriaalin luonteesta.

‘: Elektrodissa olevat eri levyt, ts. ensimmäinen ja toinen levy ja yksi tai : : : useampi sulkulevy, ovat yleensä suurin piirtein yhdensuuntaisia keskenään ja ’ , yleensä suurin piirtein tasomaisia tai ainakin tasossa olevia.

35 Jotta haluttu liuoksen kierrätys voi tapahtua, kun elektrodi asenne- 6 116299 taan toimivaan elektrolyysikennoon, sulkulevy tai -levyt täytyy sijoittaa elektrodiin siten, että elektrodiin muodostuu sulkulevyn yläreunan yläpuolelle ja sulkulevyn alareunan alapuolelle tila, jonka kautta liuos pääsee kulkemaan liuoksen kierrätyksen aikana. Sulkulevyn tai -levyjen korkeus voi olla esimerkiksi 5 vähintään 50 % tai jopa vähintään 90 % elektrodin tai ainakin sen elektrodin osan korkeudesta, johon sulkulevy sijoitetaan.

Sulkulevy voi ulottua suurin piirtein kokonaan elektrodin poikki, vaikkakaan tilanne ei välttämättä ole tällainen. Sulkulevyn pituus voi olla esimerkiksi vähintään 10%, edullisesti vähintään 50%, aktiivisen elektrodipinnan 10 sisältävän ensimmäisen levyn pituudesta. Sulkulevyn paksuus voi vaihdella, ja se riippuu elektrodin ensimmäisen ja toisen levyn välisestä etäisyydestä. Sulkulevyn paksuus voi olla esimerkiksi vähintään 10 % elektrodin ensimmäisen ja toisen levyn välisestä etäisyydestä. Elektrodisuoritusmuodossa, joka käsittää kaksi toisiinsa sähköisesti kytkettyä ja toisistaan irti olevaa levyä, joista 15 kummallakin on aktiivinen elektrodipinta, ja kaksi mainittujen aktiivisen elektrodipinnan sisältävien levyjen väliin sijoitettua sulkulevyä, voi sulkulevyjen paksuus olla yhteensä esimerkiksi vähintään 10% aktiivisen elektrodipinnan sisältävien levyjen välisestä etäisyydestä.

Sulkulevy voi olla rakenteeltaan suurin piirtein kiinteä, niin että se . 20 estää liuoksen virtauksen elektrodin poikki. Se voi kuitenkin olla rakenteeltaan sellainen, että liuoksen jonkinasteinen poikittaisvirtaus on mahdollista.

Sulkulevyn rakennemateriaali riippuu kennossa elektrolysoitavasta ···* liuoksesta. Sulkulevyn tulisi tietenkin kestää elektrolysoitavan liuoksen ja elektrolyysituotteiden kemiallinen vaikutus. Sulkulevy voi olla metallimateriaalia ,j * 25 tai orgaanista muovimateriaalia. Kun elektrodi on esimerkiksi määrä asentaa elektrolyysikennoon, jossa on määrä elektrolysoida vesipitoista alkalimetalli- kloridiliuosta kloorin ja vesipitoisen alkalimetallihydroksiliuoksen tuottamiseksi, käytettäväksi soveltuu sulkulevy, joka on valmistettu fluoripitoisesta orgaanisesta » · polymeerimateriaalista, esimerkiksi polytetrafluorieteenistä, tetrafluorieteeni-30 heksafluoripropeenikopolymeeristä tai fluoratusta eteeni-propeenikopolymee-* ristä. Muita soveltuvia rakennemateriaaleja on helppo valita, kun tunnetaan elektrolysoitavan liuoksen luonne. Sulkulevy voidaan valmistaa esimerkiksi kalvon muodostavasta metallista tai lejeeringistä, esimerkiksi titaanista tai sen • , lejeeringistä, ja sillä voi olla elektrolyysireaktion suhteen katalyyttisesti aktiivi- 35 sesta materiaalista, esimerkiksi platinaryhmän metallista tai sen oksidista, 7 116299 koostuva päällyste.

Itse elektrodilla, ts. elektrodilla sulkulevyn poissa ollessa, voi olla monia erilaisia rakenteita. Ensimmäinen levy, jolla on aktiivinen elektrodipinta, voi olla esimerkiksi verkon muodossa, joka voi olla kudottu tai kutomaton, tai se 5 voi olla useiden pitkänomaisten kappaleiden, esimerkiksi liuskojen, muodossa, jotka ovat irti toisistaan ja samassa tasossa ja yleensä yhdensuuntaisia. Pitkänomaiset kappaleet voidaan kiinnittää päistään tukikappaleeseen, esimerkiksi kehyksen muodossa olevaan tukikappaleeseen.

Elektrodin yksi tai useampi ensimmäinen levy voi olla upotettu, ts. ne 10 voivat olla tukikappaleen tason kanssa suurin piirtein samansuuntaisessa mutta eri kohdassa olevassa tasossa.

Elektrodin rakennemateriaalin luonne riippuu siitä, onko sitä määrä käyttää anodina vai katodina, ja elektrolysoitavan liuoksen luonteesta. Kun elektrolysoitava liuos on esimerkiksi vesipitoinen alkalimetallikloridiliuos, on 15 sopiva materiaali anodina käytettäväksi kalvon muodostava metalli tai lejeerinki, esimerkiksi titaani, tantaali, zirkonium, niobium tai hafnium. Sopiva materiaali katodina käytettäväksi on teräs tai nikkeli.

Elektrodin aktiivinen elektrodipinta voidaan varustaa sopivalla elektrolyysireaktion suhteen katalyyttisesti aktiivisella päällysteellä ainakin 20 osassa ensimmäisen levyn pinnasta.

t

Soveltuviin elektrolyysireaktion suhteen katalyyttisesti aktiivisiin päällysteisiin, joita voidaan levittää anodien ja/tai katodien pintoihin, kuuluu *;·anodien ollessa kyseessä platinaryhmän metallin oksidi, edullisesti seoksena *· *: kalvon muodostavan metallin oksidin kanssa, erityisesti kiinteän liuoksen : 25 muodossa oleva seos, ja katodien ollessa kyseessä platinaryhmän metalli, v ; Mainitunlaiset päällysteet ja niiden levitysmenetelmät ovat alalla tunnettuja, eikä niitä tarvitse kuvata tarkemmin.

: Elektrolyysikenno voi olla yksi- tai kaksinapainen kenno. Yksinapai- » « * > sessa kennossa voidaan sijoittaa erotin kunkin anodin ja sen vieressä olevan 30 katodin väliin. Elektrolyysikenno voi olla kaksinapainen kenno, joka käsittää : useita elektrodeja, joissa on anodipuoli ja katodipuoli. Kaksinapaisessa kennossa voidaan sijoittaa erotin elektrodin anodipuolen ja viereisen elektrodin • · : katodipuolen väliin.

. Elektrolyysikenno voi käsittää tulopuolen kokoojaosan, jonka kautta 35 voidaan syöttää liuosta elektrolyysikennon anoditilaan tai -tiloihin, ja menopuo- 8 116299

Ien kokoojaosan, jonka kautta voidaan poistaa elektrolyysituotteita elektro-lyysikennon anoditilasta tai -tiloista, sekä tulopuolen kokoojaosan, jonka kautta voidaan syöttää liuosta elektrolyysikennon katoditilaan tai -tiloihin, ja menopuolen kokoojaosan, jonka kautta voidaan poistaa elektrolyysituotteita elektro-5 lyysikennon katoditilasta tai -tiloista.

Kokoojaosat voidaan varustaa elektrodilevyissä, esimerkiksi niiden kehysmäisessä osassa, olevilla aukoilla, jotka yhdessä elektrolyysikennon tiivisteisiin vastaavasti sijoitettujen aukkojen kanssa muodostavat pitkittäisiä tiloja, jota toimivat kokoojaosina, kuten kuvataan esimerkiksi EP-julkaisussa 80 287.

10 Elektrolyysikenno on edullisesti suodatuspuristintyyppiä ja tämän tyyppisen elektrolyysikennon yksi edullinen muoto käsittää useita anodeja ja katodeja ja sähköä johtamattomasta materiaalista koostuvia tiivisteitä.

Kun elektrolyysikennossa oleva erotin on nestettä läpäisevä dia-fragma, se voidaan valmistaa huokoisesta orgaanisesta polymeerimateriaalista.

15 Edullisia orgaanisia polymeerimateriaaleja ovat fluoripitoiset polymeerit, koska tällaisilla materiaaleilla on yleisesti ottaen stabiili luonne korrodoivassa ympäristössä, jollainen vallitsee esimerkiksi kloorialkalielektrolyysikennoissa. Soveltuviin fluoripitoisiin polymeerimateriaaleihin kuuluvat esimerkiksi polyklooritri-fluorieteeni, fluorattu eteeni-propeenikopolymeeri ja polyheksafluoripropeeni.

20 Yksi edullinen fluoripitoinen polymeerimateriaali on polytetrafluorieteeni suuren » stabiiliutensa ansiosta korrodoivissa kloorialkalielektrolyysikenniympäristöissä.

Mainitunlaiset nestettä läpäisevät difragmamateriaalit ovat alalla tun- •;,:t nettuja.

• « * '· Edullisia erottimia käytettäviksi ioninvaihtomembraaneina, joilla on i.i : 25 kyky välittää ionilajikkeita elektrolyysikennon anodi- ja katoditilojen välillä, ovat v : kationeja selektiivisesti läpäisevät kalvot. Mainitunlaiset ioninvaihtomateriaalit ovat alalla tunnettuja, ja ne voivat olla fluoripitoisia polymeerimateriaaleja, i edullisesti perfluoripolymeerimateriaaleja, jotka sisältävät anionisia ryhmiä, : ’": esimerkiksi karboksyyli-, sulfoni- tai fosfori(V)ryhmiä.

30 Keksintöä valaistaan tarkemmin viitaten liitteenä oleviin piirustuksiin, *,[’ jotka valaisevat vain esimerkinomaisesti tämän keksinnön tiettyjä puolia.

Piirustuksissa : · ’: Kuvio 1 on sivukuva keksinnön mukaisesta elektrodista;

Kuvio 2 on kuvion 1 linjaa A - A pitkin piirretty pienennetty poikki- 35 leikkauskuva; 9 116299

Kuvio 3 esittää osaa keksinnön mukaisesta elektrodista ylhäältäpäin katsottuna;

Kuvio 4 on isometrinen kuva tiivisteestä käytettäväksi elektrolyysiken-nossa, joka sisältää keksinnön mukaisen elektrodin; 5 Kuvio 5 on osiin hajotettua rakennetta esittävä isometrinen kuva osasta elektrolyysikennoa. Tässä kuvassa ei, yksinkertaisuuden vuoksi, esitetä elektrodissa paikallaan olevia sulkulevyjä.

Viitaten kuvioihin 1 - 3, elektrodi 1 käsittää kehysosan 2, joka rajaa keskiaukkoa 3, jonka yli kulkee useita pystysuoraan sijoitettuja lehtiä 4, jotka on 10 kiinnitetty kehyksen 2 ylä- ja alaosaan ja ovat yhdensuuntaisia kehyksen 2 tason kanssa ja eri kohdassa kuin se. Lehtiä on sijoitettu kehyksen 2 kummallekin puolelle. Lehdet on sijoitettu siten, että kehyksen 2 toisella puolella oleva lehti 4 on sijoitettu vastapäätä kehyksen 2 toisella puolella olevien vierekkäisten lehtien 5 välistä rakoa.

15 Elektrodissa 1 on ulkonema 6, jolle voidaan kiinnittää sopiva sähköi nen kytkentä. Kun elektrodia 1 on määrä käyttää anodina, ulkonema 6 sijoitetaan tyypillisesti kehyksen 2 alareunaan, ja kun elektrodia 1 on määrä käyttää katodina, ulkonema 6 sijoitetaan tyypillisesti kehyksen vastakkaiseen yläreunaan. Kehys 2 käsittää parin aukkoja 7 ja 8 sijoitettuina keskiaukon 3 20 toiselle puolelle ja parin aukkoja 9 ja 10 sijoitettuina keskiaukon 3 vastakkaiselle puolelle. Kun elektrodi asennetaan elektrolyysikennoon, nämä aukot muodosta-vat osan kennon pituussuuntaisista tiloista, joiden kautta voidaan syöttää liuoksia, esimerkiksi elektrolyyttiä, kennon anodi-ja katoditiloihin ja joiden kautta ·'*: voidaan poistaa elektrolyysituotteita kennon anodi-ja katodliiloista. Elektrodime- i 25 talli valitaan sen mukaan, onko elektrodia määrä käyttää anodina vai katodina, v ·' ja elektrolyysikennossa käytettäväksi aiotun elektrolyytin luonteen mukaan.

Vesipitoisen alkalimetallikloridiliuoksen elektrolyysin ollessa kyseessä anodina : ; *: käytettävä elektrodi valmistetaan tarkoituksenmukaisesti titaanista ja katodina käytettävä elektrodi nikkelistä.

30 Elektrodin lehdillä 4 ja 5 on tyypillisesti kupera puoli 11 ja kovera puoli :it” 12, ja käytettäessä elektrodia anodina, lehtien kuperalla puolella 11 on ’···’ tarkoituksenmukaisesti elektrolyysireaktion suhteen katalyyttisesti aktiivisesta : materiaalista koostuva päällyste.

Elektrodi 1 käsittää myös kaksi levyä 13 ja 14 sijoitettuina elektrodin 35 keskiaukkoon 3 ja elektrodin lehtien 4, 5 väliin. Levyt 13 ja 14 ovat keskenään 10 116299 yhdensuuntaisia, ja ne pidetään irti toisistaan toisella levyllä 13 olevien ulkone-mien 15 avulla, jotka ovat kosketuksessa ja kiinnitettyinä toisen levyn 14 pintaan. Levyt 13 ja 14 ulottuvat leveyssuunnassa suurin piirtein elektrodin 1 koko keskiaukon 3 yli. Levyt 13 ja 14 sijoitetaan kuitenkin siten, että levyjen 5 yläreunan ja kehyksen 2 yläosan ja myös levyjen alareunan ja kehyksen 2 alaosan väliin jää tilaa. Levyt 13 ja 14 ovat kosketuksessa lehtien 4 ja vastaavasti 5 koverien takapuolten kanssa, ja levyt ovat siten irti elektrodin lehtien aktiivisesta (kuperasta) elektrodipinnasta.

Kuvioiden 1-3 esittämässä suoritusmuodossa lehdet 4 muodostavat 10 yhdessä keksinnön mukaisen elektrodin ensimmäisen levyn, levy 14 muodostaa toisen levyn ja levy 13 sulkulevyn, joka on irti ensimmäisen levyn aktiivisesta elektrodista ja toisen levyn vastapäisestä pinnasta. Vaihtoehtoisesti lehdet 5 muodostavat yhdessä keksinnön mukaisen elektrodin ensimmäisen levyn, levy 13 muodostaa toisen levyn ja levy 14 sulkulevyn, joka on irti ensimmäisen levyn 15 aktiivisesta elektrodipinnasta ja toisen levyn vastapäisestä pinnasta.

Yhdessä erityisesimerkissä levyt 13 ja 14 on valmistettu fluoratusta eteeni-propeenikopolymeeristä, kun elektrodia on ollut määrä käyttää vesipitoisen alkalimetallikloridiliuoksen elektrolysointiin tarkoitetussa kennossa.

Viitaten kuvioon 4, tiiviste 16 käsittää kehyksen 17, joka rajaa 20 keskiaukkoa 18. Kehys 17 käsittää parin aukkoja 19 ja 20 sijoitettuina keskiau-kon 18 toiselle puolelle ja parin aukkoja 21 ja 22 sijoitettuina keskiaukon 18 > > t vastakkaiselle puolelle. Kun tiiviste asennetaan elektrolyysikennoon, nämä < * · •;-:t aukot muodostavat osan kennon pituussuuntaisista tiloista, joiden kautta voidaan syöttää liuoksia, esimerkiksi elektrolyyttiä, kennon anodi-ja katoditiloihin · 25 ja joiden kautta voidaan poistaa elektrolyysituotteita kennon anodi- ja katoditiloista. Aukoilla 19 ja 22 on myös ulkonevat kehysosat 23 ja 24, jotka on sijoitettu aukkojen ympärille ja kohoavat tiivisteen tasosta ja jotka on tehty I sopiviksi istumaan metallielektrodin aukkoihin 7 ja vastaavasti 10 koottaessa I t I · .*·*. osat elektrolyysikennoksi. Ulkonevat kehysosat 23 ja 24 muodostavat elektro- 30 lyysikennossa tarvittavan sähköeristeen kennon pituussuuntaisten tilojen välille, : ” jotka muodostuvat osittain elektrodissa olevista aukoista 7, 8, 9 ja 10. Ulkonevat kehysosat 23 ja 24 ovat samaa rakennetta tiivisteen 16 kanssa ja ne voidaan • valmistaa esimerkiksi muovaamalla sopivaa sähköä eristävää kestomuovi- “ . materiaalia. Kun elektrolyysikenno käsittää kuviossa 4 valaistua tyyppiä olevia 35 tiivisteitä, se käsittää myös samanlaisia tiivisteitä, joissa ulkonevat kehysosat 23 11 116299 ja 24 on sijoitettu tiivisteen aukkojen 21 ja 20 ympärille.

Kuvio 5 esittää osaa keksinnön mukaisesta elektrolyysikennosta ja käsittää katodin 25, tiivisteen 26, kationinvaihtokalvon 27, tiivisteen 28, anodin 29, tiivisteen 30, kationinvaihtokalvon 31 ja tiivisteen 32. Katodi 25 käsittää 5 useita pystysuorassa olevia lehtiä 33, joita on sijoitettu katodin kummallekin puolella, neljä aukkoa 34, 35, 36 ja 36 ja sähkökytkentään soveltuvan ulkoneman 38. (Sulkulevyt on jätetty yksinkertaisuuden vuoksi pois elektrodista.) Tiiviste 26 käsittää keskiaukon 39 ja neljä aukkoa 40, 41 ja 42 (yksi aukko ei näy kuviossa) ja kaksi ulkonevaa kehysosaa 43 ja 44, jotka kohoavat tiivisteen 10 pinnan tasosta. Tiiviste 28 on tasomainen tiiviste ja käsittää keskiaukon 45, neljä aukkoa 46, 47 ja 48 (yksi aukko ei näy kuviossa) ja myös kaksi tiivisteen seinämissä olevaa kanavaa 49 ja 50, jotka muodostavat yhteyskanavat keskiaukon 45 ja aukkojen 46 ja vastaavasti 48 välille. Anodi 29 on rakenteeltaan samanlainen kuin katodi 25, paitsi että sähkökytkentään tarkoitettu 15 ulkonema on sijoitettu anodin alareunalle eikä näy kuviossa. Tiiviste 30 on rakenteeltaan samanlainen kuin tiiviste 26, paitsi että ulkoneva kehysosa 51 ja kuviossa näkymätön ulkoneva kehysosa, jotka kohoavat tiivisteen pinnan tasosta, on sijoitettu tiivisteessä 30 olevien aukon 52 ja kuviossa näkymättömän aukon ympärille, jotka ovat eri kohdassa kuin tiivisteessä 26 olevat aukot, joiden 20 ympärille on sijoitettu kehysosat. Tiiviste 32 on rakenteeltaan samanlainen kuin * kuin tiiviste 28, paitsi että tiivisteessä 32 tiivisteen seinämissä oleva kanava 53 ’*·;* ja kuviossa näkymätön kanava muodostavat yhteyskanavat tiivisteessä olevasta keskiaukosta 54 aukkoon 55 ja kuviossa näkymättömään aukkoon, jotka ovat eri i kohdassa kuin tiivisteessä 28 olevat aukot, jotka ovat yhteydessä tiivisteessä 28 i 25 olevan keskiaukon 45 kanssa.

v : Elektrolyysikennossa tiivisteet 28 ja 30 ja anodi 29 muodostavat yhdessä kennon anoditilan, ja tätä anoditilaa rajaavat kationinvaihtokalvot 27 ja i 31. Vastaavasti katodi 25, tiiviste 26 ja katodin 26 viereen sijoitettu tiivisteen 32 : “ ’. tyyppiä oleva tiiviste (ei näy kuviossa) muodostavat kennon katoditilat, ja myös 30 katoditilaa rajaa kaksi kationinvaihtokalvoa. Kootussa kennossa kationinvaih- “ tokalvoja pitävät paikallaan tiivisteet, jotka on sijoitettu kunkin kalvon molemmille puolille. Selkeyden vuoksi kuvion 5 esittämässä suoritusmuodossa eivät näy kennon päätylevyt, jotka tietenkin muodostavat osan kennosta, eivätkä välineet, esimerkiksi pultit, joita käytetään kiinnittämään elektrodit ja tiivisteet yhteen 35 vuotamattomaksi kokoonpanoksi. Kenno käsittää useita edellä kuvatun kaltaisia 12 116299 anodeja ja katodeja. Kenno käsittää myös kokoojaosia (eivät näy kuviossa), joista voidaan syöttää elektrolyyttiä kennon pituussuuntaiseen tilaan, jonka yhtenä osana on katodissa 25 oleva aukko 37. Kenno käsittää vastaavasti myös kokoojaosia (eivät näy kuviossa), joista voidaan syöttää nestettä, esimerkiksi 5 vettä, kennon pituussuuntaiseen tilaan, jonka yhtenä osana on katodissa 25 oleva aukko 36, ja sieltä tiivisteen 32 seinämässä olevan kanavan (ei näy kuviossa) kautta kennon katoditilaan, ja joihin voidaan johtaa elektrolyysituotteita kennon katoditiloista tiivisteen 32 seinämässä olevan kanavan 53 ja kennon pituussuuntaisen tilan kautta, jonka yhtenä osana on katodissa 25 oleva aukko 10 35.

Elektrolyysikennon toimiessa syötetään elektrolyyttiä kennon anodi-tiloihin ja nestettä kennon katoditiloihin ja poistetaan elektrolyysituotteita kennon anodi-ja katoditiloista.

Kukin anodi ja katodi käsittää parin toisistaan irto olevia sulkulevyjä, 15 joita valaistaan kuvioiden 1 ja 3 yhteydessä, ja elektrolyysikennon toimiessa elektrolyytti saatetaan kohoamaan kaasun nostovaikutuksen avulla sulkulevyjen 13 ja lehtien 4 aktiivisen elektrodipinnan välisessä tilassa ja sulkulevyn 14 ja lehtien 5 aktiivisen elektrodipinnan välisessä tilassa. Elektrolyytti kulkee sitten alaspäin elektroditilan yläosasta sulkulevyjen 13 ja 14 välisessä tilassa. Elektro-20 ditiloissa tapahtuu siten elektrolyytin jatkuva kierto, joka johtaa elektrolyytin hyvin “ ·; tehokkaaseen sekoittumiseen.

Keksintöä valaistaan tarkemmin seuraavin esimerkein.

Esimerkki 1 :.’*i Vesipitoista natriumkloridiliuosta (200 g/l) elektrolysoitiin kuvioiden 1 - • · :,· > 25 5 yhteydessä kuvatun kaltaisessa elektrolyysikennossa, jossa anodi 29 oli :T: varustettu Huoratusta eteeni-propeenikopolymeeristä valmistetuilla sulkulevyillä 13 ja 14, kationinvaihtokalvot 27 ja 31 olivat perfluorisulfonihappotyyppiä ja • anodin 29 lehdet oli päällystetty Ru02:n ja TiC>2:n kiinteällä liuoksella.

Il· »

Elektrolyytin lämpötila oli 87 °C, ja elektrolyysi toteutettiin anodivirrantiheydellä 30 3 kA/m2.

Elektrolyysissä syntyi vesipitoista 32-painoprosenttista natrium-;: hydroksidiliuosta virtahyötysuhteella 94,5 %.

• Vertailukokeessa elektrolyysi toteutettiin elektrolyysikennossa, jotka ei ollut varustettu sulkulevyillä 13 ja 14. Vesipitoista 32-painoprosenttista nat- 35 riumhydroksidiliuosta syntyi virtahyötysuhteella 94,5 %.

13 116299

Esimerkki 2

Toistettiin muuten esimerkin 1 mukainen menettely, mutta katodi 25 samoin kuin anodi 29 oli varustettu sulkulevyillä 13 ja 14.

Elektrolyysissä syntyi vesipitoista 32-painoprosenttista natrium-5 hydroksidiliuosta virtahyötysuhteella 95,5 %.

< M « • ! · • 1 » * 1 » • 1 * » 1 t i i

Claims (28)

116299 Patentti vaati m u kset

1. Elektrodi, tunnettu siitä, että se käsittää ensimmäisen levyn (4), jolla on aktiivinen elektrodipinta tämän ensimmäisellä puolella (11), toisen 5 levyn (14), joka on vastapäätä ensimmäistä levyä (4) ja tästä irti ja vähintään yhden sulkulevyn (13), joka on a) laitettu ensimmäisen (4) ja toisen (14) levyn väliin; b) irti ensimmäisen levyn (4) aktiivisesta elektrodipinnasta (11) ja toisen levyn (14) vastapäisestä pinnasta; ja 10 c) kosketuksessa ensimmäisen levyn (4) vastakkaisen pinnan (12) kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että ensimmäinen levy käsittää useita pystysuuntaisesti sijoitettuja lehtiä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrodi, tunnettu 15 siitä, että ensimmäinen ja toinen levy on sähköisesti kytketty toisiinsa ja toisistaan irti, molempien omatessa ulospäin suuntautuneen aktiivisen elektrodipinnan, ja että kaksi sulkulevyä on laitettu mainittujen ensimmäisten levyjen väliin ja ovat irti mainituista pinnoista ja toisistaan.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että 20 vähintään yksi sulkulevyistä on varustettu toisistaan irti olevilla ulkonemilla, i 3 · *'; jotka koskettavat tosien sulkulevyn pintaa. c

· '·'*' 5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että sulkulevy(t) on valmistettu fluoripitoisesta orgaanisesta » I fluoripolymeerimateriaalista. ,: ’: 25

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että aktiivinen elektrodipinta on varustettu elektrokatalyyttisesti aktiivisella päällysteellä.

: 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että elektrodin ollessa anodi sillä oleva elektrokatalyyttisesti aktiivinen päällyste on 30 platinaryhmän metallin oksidin ja kalvon muodostavan metallin seos.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että ‘ » ,: elektrodin ollessa katodi sillä oleva elektrokatalyyttisesti aktiivinen päällyste on platinaryhmän metalli.

9. Elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että se käsittää vähintään 35 yhden anodin ja vähintään yhden katodin ja kunkin anodin ja viereisen katodin 116299 väliin sijoitetun erottimen siten jakaen kennon erillisiksi anodi- ja katoditiloiksi, tai useiksi tällaisiksi tiloiksi, ja että anodi tai katodi tai kumpikin käsittävät patenttivaatimusten 1 - 8 mukaisen elektrodin.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen elektrolyysikenno, tun-5 n e 11 u siitä, että se on suodatuspuristintyyppisen elektrolyysikennon muodossa.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että se käsittää useita anodeja ja katodeja ja sähköä johtamattomasta materiaalista koostuvia tiivisteitä.

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen elektrolyysikenno, tun nettu siitä, että kun erotin on nestettä läpäisevä diafragma, se on valmistettu fluoripitoisesta polymeeristä.

13. Patenttivaatimuksen 9 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että kun erotin on ioninvaihtokalvo, se on valmistettu ionisia 15 ryhmiä sisältävästä perfluoripolymeerimateriaalista.

14. Menetelmä patenttivaatimuksen 1 mukaisen elektrodin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheen, jossa sijoitetaan yksi tai useampia sulkulevyjä olemassa olevaan elektrodiin.

15. Menetelmä vesipitoisen alkalimetallikloridiliuoksen elektro-20 lysoimiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheen, jossa \* elektrolysoidaan mainittua vesipitoista liuosta patenttivaatimuksen 9 mukai- :f sessa elektrolyysikennossa.

• ·: 16. Elektrodi, tunnettu siitä, että se käsittää parin toisistaan irti olevia ulompia levyjä, joilla on aktiivinen elektrodipinta ja parin irti olevia i 25 sulkulevyjä sijoitettuna ulompien levyjen välille siten, että jokainen sulkulevy on v : vasten vastaavaa ulompaa levyä ja on irti sisäänpäin vastaavan ulomman levyn aktiivisesta elektrodipinnasta, jokaisen ulomman levyn käsittäessä sarjan • pitkänomaisia elimiä, jotka ovat sivusuunnassa irti toisistaan muodostaakseen . yhdessä viereisen sulkulevyn kanssa kanavat elektrodin jokaiseen pintaan.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, : ’ että pitkänomaiset elimet näiden pinnoissa koskettavat viereistä sulkulevyä.

‘‘ 18. Patenttivaatimuksen 16 tai 17 mukainen elektrodi, tunnettu • siitä, että pitkänomaiset elimet ovat kiinnitetyt päistään kehyksen muodossa ." . olevaan tukielimeen.

19. Jonkin patenttivaatimuksen 16-18 mukainen elektrodi, tun- 116299 n ettu siitä, että pitkänomaiset elimet käsittävät pystysuuntaisesti sijoitettuja lehtiä.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että pitkänomaiset elimet omaavat kuperat ulkopinnat ja koverat sisäpinnat.

21. Jonkin patenttivaatimuksen 16-20 mukainen elektrodi, tun nettu siitä, että sulkulevyt on kiinnitetty toisiinsa irti toisistaan.

22. Jonkin patenttivaatimuksen 16-21 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että sulkulevyt on irti toisistaan ulkonemien avulla.

23. Patenttivaatimuksen 22 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, 10 että ulkonemat on varustettu yhdelle tai molemmille levyille.

24. Jonkin patenttivaatimuksen 16-23 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että sulkulevyn on valmistettu fluoripitoisesta orgaanisesta polymeerimateriaalista.

25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, 15 että sulkulevyt on valmistettu polytetrafluorieteenistä, tetrafluorieteeni-heksa- fluoripropyylin yhteispolymeeristä tai fluorasoidusta eteeni-propyylin yhteis-polymeeristä.

26. Jonkin patenttivaatimuksen 16-23 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että sulkulevyt on muodostettu titaanista tai tämän seoksesta, 20 valinnaisesti elektrolyyttisesti aktiivisen päällysteen kanssa.

27. Menetelmä patenttivaatimuksen 16 mukaisen elektrodin kokoa- • · miseksi, tunnettu siitä, että menetelmässä sulkulevy pari sijoitetaan « > · ·1·: olemassa olevaan elektrodiin, joka käsittää parin toisistaan irti olevia ulompia V·: levyjä, joilla on aktiivinen elektrodi pinta ja joka käsittää sarjan pitkänomaisia • I · 25 elimiä, jotka ovat sivusuunnassa irti toisistaan, jolloin sulkulevyt asennetaan v : siten, että jokainen sulkulevy on vasten vastaavaa ulompaa levyä ja on irti sisäänpäin vastaavan ulomman levyn aktiivisesta elektrodipinnasta, jolloin : jokainen sulkulevy yhdessä vastaavan sarjan pitkänomaisien elimien kanssa I I 1 » ."'. muodostaa kanavia elektrodin jokaiseen pintaan. ,,· 30

28. Patenttivaatimuksen 27 mukainen menetelmä, tunnettu » I ' siitä, että sulkulevyt sijoitetaan siten, että ne koskettavat viereisen pit- •...: känomaisten elinten sarjan sisäpintoja. I 1 ( • < 116299