FI67729B - KATOD FOER FRAMSTAELLNING AV ELEKTROLYTISKT VAETE - Google Patents
KATOD FOER FRAMSTAELLNING AV ELEKTROLYTISKT VAETE Download PDFInfo
- Publication number
- FI67729B FI67729B FI803998A FI803998A FI67729B FI 67729 B FI67729 B FI 67729B FI 803998 A FI803998 A FI 803998A FI 803998 A FI803998 A FI 803998A FI 67729 B FI67729 B FI 67729B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- cathode
- alkali metal
- cathode according
- thermally
- hematite
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y02E60/366—
Description
1 677291 67729
Katodi elektrolyyttisen vedyn valmistamiseksi Tämän keksinnön kohteena on vedyn elektrolyyttiseen tuottamiseen tarkoitettu katodi.The present invention relates to a cathode for the electrolytic production of hydrogen.
Elektrolyysimenetelmissä pyritään yleensä 5 saamaan elektrodeilla tapahtuvien elektrokemiallisten reaktioiden potentiaalit mahdollisimman pieniksi.Electrolysis methods generally aim to minimize the potential of electrochemical reactions at the electrodes.
Näin on laita erityisesti niissä elektrolyysimenetelmissä, joissa tuotetaan kaasumaista vetyä katodilla, kuten esimerkiksi veden, kloorivetyhapon 10 vesiliuosten sekä natrium- ja kaliumkloridin vesi-liuosten elektrolyyseissä.This is especially the case in electrolysis processes which produce gaseous hydrogen at the cathode, such as in the electrolysis of water, aqueous hydrochloric acid solutions and aqueous solutions of sodium and potassium chloride.
Natrium- ja kaliumkloridin vesiliuosten elektrolyysissä tähän asti tavallisimmin käytetyt katodit koostuvat yleensä pehmeästä hiiliteräksestä 15 valmistetusta levystä tai verkosta.Näillä tunnetuilla katodeilla on etunaan niiden helppokäyttöisyys ja halpa hinta.The cathodes most commonly used in the electrolysis of aqueous solutions of sodium and potassium chloride to date generally consist of a sheet or mesh made of mild carbon steel. These known cathodes have the advantage of being easy to use and inexpensive.
Vedyn vapautumisen ylijännite on kuitenkin näillä tunnetuilla teräskatodeilla suhteellisen 20 korkea, mikä nostaa elektrolyysimenetelmien kustannuksia epäsuotavalla tavalla.However, the hydrogen overvoltage is relatively high with these known steel cathodes, which increases the cost of electrolysis processes in an undesirable manner.
Näillä tunnetuille teräskatodeilla ilmenevien haittojen korjaamiseksi on saksalaisessa, 10 toukokuuta 1976 Hodogaya Chemical Co Ltd-yhtiön nimissä 25 jätetyssä patenttihakemuksessa no 2620589 esitetty katodit, jotka käsittävät titaanista, tantaalista, zirkoniumista, niobiumista tai niiden seoksista valmistetun alustan ja ruteniumin, rodiumin, palladiumin, osmiumin, iridiumin tai platinan oksideista val-30 mistetun aktiivisen päällysteen. Tämä aktiivinen päällyste, jonka tarkoituksena on pienentää vedyn vapautumisen ylijännitettä, voidaan valmistaa 2 67729 lisäämällä katodin alustalle jonkin ruteniumin, rodiumin, palladiumin, osmiumin tai iridiumin suolan liuosta, ja kuumentamalla liuos sitten niin, että suola muuttuu oksidiksi. Vaihtoehtoisesti tämän 5 tunnetun katodin aktiivinen päällyste voidaan lisäksi päällystää alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ryhmien II ja VI jonkun metallin oksidista muodostetulla kerroksella, jolloin mainitun kerroksen varsinaisena tarkoituksena on estää hypokloriitti-10 ionien pelkistyminen käytettäessä katodia alkalimetalli-kloridien liuosten elektrolyysissä.To remedy the disadvantages of these known steel cathodes, German Patent Application No. 2620589 filed May 10, 1976 in the name of Hodogaya Chemical Co Ltd discloses cathodes comprising a substrate made of titanium, tantalum, zirconium, niobium or mixtures thereof, rhodium, ruthenium, an active coating made of iridium or platinum oxides. This active coating, which is intended to reduce the overvoltage of hydrogen release, can be prepared by adding a solution of a salt of ruthenium, rhodium, palladium, osmium or iridium to the cathode substrate, and then heating the solution so that the salt is converted to an oxide. Alternatively, the active coating of this known cathode can be further coated with a layer formed of an oxide of a metal of groups II and VI of the Periodic Table of the Elements, said layer being intended to prevent reduction of hypochlorite-10 ions when using the cathode in electrolysis of alkali metal chloride solutions.
11. heinäkuuta 1978 julkaistussa ja Diamond Shamrock Corporation -yhtiölle myönnetyssä yhdysvaltalaisessa patentissa 4 100 049 on esitetty elektro-15 lyysikennoissa käytettäviksi tarkoitetut katodit, jotka käsittävät metallialustan ja tämän pinnalla olevan aktiivisen päällysteen, joka on muodostettu palladiumoksidin ja zirkoniumoksidin seoksesta.U.S. Patent 4,100,049, issued July 11, 1978 to Diamond Shamrock Corporation, discloses cathodes for use in electrolytic cells comprising a metal substrate and an active coating thereon formed from a mixture of palladium oxide and zirconia.
Katodin kustannusten pienentämiseksi ehdotetaan vaihtoehtoisesti korvattavaksi 50 % palladiumoksidin 20 painosta koboltti- tai nikkelioksidilla.To reduce the cost of the cathode, it is proposed to alternatively replace 50% by weight of palladium oxide with cobalt or nickel oxide.
Vaikka vedyn vapautumisen ylijännite onkin jossain määrin pienempi, näillä tunnetuilla katodeilla on silti haittana korkea hinta, joka johtuu niiden rakenteelle välttämättömästä jalometallista.Although the hydrogen release overvoltage is somewhat lower, these known cathodes still have the disadvantage of a high cost due to the precious metal necessary for their structure.
25 16. maaliskuuta 1978 Tokuyama Soda K.K. -yhti öiden nimissä jätetyssä saksalaisessa patenttihakemuksessa 2811472 esitetään muun ohella vedyn elektrolyyttiseen valmistukseen tarkoitetut katodit, joissa raudasta tai nikkelistä tai näiden metallien seok-30 sesta valmistetulla alustalla on alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ryhmän VIII metallista valmistettu aktiivinen päällyste, joka on saatu elektrolyyttisesti saostamalla tai hajottamalla termisesti inertissä tai pelkistävässä kaasukehässä mainitun 3 67729 metallin termisesti hajoitettavissa oleva yhdiste.25 March 16, 1978 Tokuyama Soda K.K. German patent application 2811472, filed in the name of the companies, discloses, inter alia, cathodes for the electrolytic production of hydrogen, in which a support made of iron or nickel or an alloy of these metals has an active coating of Group VIII metal of the Periodic Table of the Elements obtained by electrolytic precipitation or or a thermally decomposable compound of said 3 67729 metal in a reducing atmosphere.
Näillä tunnetuilla katodeilla on haittana niiden hankala ja kallis valmistaminen, etenkin siinä tapauksessa, että aktiivinen päällyste on 5 muodostettu termistä tietä. Itse asiassa termisesti hajoavan yhdisteen terminen hajoittaminen vaatii erittäin korkeita, yleensä 800°C ylittäviä lämpötiloja, jotta aktiivinen metalli vapautuisi metallitilaan. Tästä on seurauksena suuri energian 10 kulutus ja riski, että katodi deformoituu lämmön aiheuttamien jännitysten vaikutuksesta.These known cathodes have the disadvantage of being cumbersome and expensive to manufacture, especially in the case where the active coating is formed by a thermal path. In fact, the thermal decomposition of a thermally decomposable compound requires very high temperatures, usually above 800 ° C, for the active metal to be released into the metal space. This results in high energy consumption and the risk that the cathode will be deformed by thermal stresses.
Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut tunnettujen katodien puutteet tarjoamalla katodi,jossa ei ole lainkaan jalometal-15 leja, jonka valmistus on helppoa ja kustannuksiltaan kohtuullista ja jolla vedyn vapautumisen ylijännite on siitä huolimatta pieni.The object of the present invention is to obviate the above-mentioned drawbacks of the known cathodes by providing a cathode which has no noble metals at all, which is easy to manufacture and affordable, and which nevertheless has a low hydrogen release overvoltage.
Keksinnön kohteena on siis vedyn elektrolyyttiseen tuottamiseen tarkoitettu katodi, joka 20 käsittää termisesti hajoava yhdisteen termisellä hajoittamisella saadusta metallioksidista koostuvan aktiivisen alueen? keksinnön mukaisesti aktiivinen alue koostuu pääasiallisesti metallioksidista, joka on saatu hajottamalla termisesti koboltin, rau-25 dan mangaanin ja nikkelin joukosta valitun metallin termisesti hajoava yhdiste.The invention therefore relates to a cathode for the electrolytic production of hydrogen, which comprises an active region consisting of a thermally decomposable metal oxide obtained by thermal decomposition of a compound? according to the invention, the active region consists essentially of a metal oxide obtained by thermal decomposition of a thermally decomposable compound selected from cobalt, iron manganese and nickel.
Määritelmän mukaisesti katodin aktiivisen alueen metallioksidilla tarkoitetaan samalla kertaa koboltin, raudan, mangaanin tai nikkelin monometalli-30 oksidia, näiden metallioksidien kiinteää liuosta tai jotain määriteltyä oksidiyhdistettä.By definition, a metal oxide in the active region of a cathode means at the same time a monometallic oxide of cobalt, iron, manganese or nickel, a solid solution of these metal oxides or a defined oxide compound.
4 677294 67729
Keksinnön piiriin kuuluvia määriteltyjä yhdisteitä ovat esimerkiksi spinellirakenteiset yhdisteet, joilla on yleinen kaava M 0^, jossa M mer kitsee kaksiarvoista rautaa, ja/tai kobolttia ja/tai 5 magnaania ja/tai nikkeliä ja ivr merkitsee yhtä tai useampaa näistä kolmiarvoisena (Structural Inorganic Chemistry - A.F. Wells - Oxford University Press - 1962 -sivut 487-490; Crystal Structure of Minerals - Bragg & Claringbull-Bell and Sons Ltd - 1965 - sivut 102-106).Defined compounds within the scope of the invention are, for example, spinel-structured compounds of the general formula M 0 ^, in which M denotes divalent iron, and / or cobalt and / or 5 magnesium and / or nickel, and ivr denotes one or more of these as trivalent (Structural Inorganic Chemistry - AF Wells - Oxford University Press - 1962 pages 487-490; Crystal Structure of Minerals - Bragg & Claringbull-Bell and Sons Ltd - 1965 - pages 102-106).
10 Magnetiitillä, jolla on yleinen kaava Fe30^(FeIIFe2 ΙΙ3:04> , päästään erityisen kiinnostaviin tuloksiin.10 Magnetite of the general formula Fe 3 O 3 (FeIIFe 2 ΙΙ 3: 04>) gives particularly interesting results.
Keksinnön erään suositeltavan suoritusmuodon mukaisesti katodin aktiivisen alueen metallioksidi koostuu hematiitistä, joka on kolmiarvoisen raudan ^ oksidi ja jolla on yleinen kaava Fe2C>2. Tämä keksinnön suoritusmuoto soveltuu erityisen hyvin niihin tapauksiin, joissa katodia käytetään alkalimetalli-hydroksidin vesiliuosten kuten natriumkloridiliuosten elektrolyysillä, läpäisevällä selektiivisellä kalvolla 20 varustetussa kennossa valmistettujen natriumhydroksidi-liuosten ja läpäisevällä väliseinällä varustetuissa kennoissa valmistettujen emäksisten natriumsuolaliu-osten läsnä ollessa.According to a preferred embodiment of the invention, the metal oxide of the active region of the cathode consists of hematite, which is a trivalent iron oxide and has the general formula Fe 2 O 2. This embodiment of the invention is particularly well suited to cases where the cathode is used by electrolysis of aqueous alkali metal hydroxide solutions such as sodium chloride solutions, sodium hydroxide solutions prepared in a cell with a permeable selective membrane 20 and basic sodium products prepared in cells with a permeable septum.
Selektiivisellä läpäisevällä kalvolla tarkoitetaan 25 ohutta, ei huokoista, anodit katodeista erottavaa ioneja vaihtavasta materiaalista valmistettua erotinta. Suolaliuosten elektrolyysikennoihin soveltuvia selektiivisiä läpäiseviä kalvoja ovat esimerkiksi SO~-ryh-miä sisältävä kationikalvot, jotka on saatu kopolyme-30 roimalla tetrafluorietyleeni. ja sulfonoitu perfluori- vinyylieetteri ja näitä ovat esimerkiksi NAFION-nimiset tunnetut kalvot, joita myy E.I. du Pont de Nemours & Co.By selective permeable membrane is meant a separator made of a thin, non-porous, ion-exchanging material separating the anodes from the cathodes. Selective permeable membranes suitable for saline electrolysis cells include, for example, cationic membranes containing SO 2 groups obtained by copolymerization of tetrafluoroethylene. and sulfonated perfluorovinyl ether and these are, for example, the known films NAFION sold by E.I. du Pont de Nemours & Co.
Väliseinällä tarkoitetaan elektrolyytin läpäisevää inertistä materiaalista valmistettua anodit katodeista 35 erottavaa seinämää. Tällaisia tunnettuja väliseiniä 5 67729 ovat esimerkiksi asbestiseinämät, jollaisia on kuvattu Stuertin yhdysvaltalaisissa patentissa 1 855 497, 7.toukokuuta 1928 ja hakijan nimissä olevassa belgialaisessa patentissa 773 918 14. lokakuuta 1971, 5 sekä polytetrafluorietyleenistä valmistetut huokoiset levyt, jollaisia on kuvattu Imperial Chemical Industries Limited -yhtiön nimissä olevissa belgialaisissa patenteissa 794 889, 2. helmikuuta 1973, 817 675, 817 676 ja 817 677, 15. heinäkuuta 1974.By partition is meant an electrolyte-permeable wall of an anode cathode 35 made of an inert material. Such known partitions 5 67729 include, for example, asbestos walls as described in Stuert's U.S. Patent 1,855,497 of 7 May 1928 and Belgian Patent 773,918 of 14 October 1971 in the applicant's name, 5 and polytetrafluoroethylene porous sheets such as those described by Imperial Chemical Industries Belgian Patents 794,889, issued February 2, 1973, 817,675, 817,676 and 817,677, July 15, 1974.
10 Keksinnön mukaisessa katodissa termisesti hajoavat yhdisteet voivat olla mitä tahansa yhdisteitä, jotka valvotussa kaasukehässä kuumennettaessa vapauttavat rauta-, koboltti-, mangaai- tai nikkelioksidin tai vähintään kahden mainitun oksidin 15 seoksen, kiinteän liuoksen tai määritellyn yhdisteen.In the cathode of the invention, the thermally decomposable compounds may be any compounds which, when heated in a controlled atmosphere, release iron, cobalt, manganese or nickel oxide or a mixture of at least two of said oxides, a solid solution or a defined compound.
Ne voivat olla esimerkiksi nitraatteja, sulfaatteja, fosfaatteja, karboksyylihappojen suoloja kuten formi-aatteja, asetaatteja, propionaatteja, oksalaatteja jne., Termisesti hajoavia yhdisteitä voidaan käyttää 20 kiinteässä muodossa, esimerkiksi jauheina, tai nestemäisessä muodossa, esimerkiksi sulina suoloina, suspensioina tai liuoksina.They may be, for example, nitrates, sulfates, phosphates, salts of carboxylic acids such as formates, acetates, propionates, oxalates, etc. Thermally decomposable compounds may be used in solid form, for example as powders, or in liquid form, for example as molten salts, suspensions or solutions.
Terminen käsittely sisältää määritelmän mukaisesti termisesti hajoavan yhdisteen kuumentamisen 25 riittävän korkeaan lämpötilaan valvotussa kaasukehässä, jotta yhdiste hajoaa ja metallioksidi kiteytyy katodin aktiivisen alueen pintaan.Thermal treatment, by definition, involves heating a thermally decomposable compound to a temperature high enough in a controlled atmosphere for the compound to decompose and the metal oxide to crystallize on the surface of the active region of the cathode.
Termisen käsittelyn lämpötila riippuu useista parametreista, joista mainittakoon muodostettavan 30 metallioksidin luonne, termisesti hajoavan yhdisteen luonne, sen olotila (kiinteä tai nestemäinen), käsittelyssä käytettävän kaasukehän luonne ja siinä vallitseva paine. Sopiva lämpötila on yleensä 50-700°C, mieluimmin alle 400°C. 100°C:een ja 300°C:een väliset lämpö-35 tilat on havaittu erityisen soveliaiksi.The temperature of the heat treatment depends on several parameters, including the nature of the metal oxide to be formed, the nature of the thermally decomposable compound, its state (solid or liquid), the nature of the atmosphere used in the treatment and the pressure therein. A suitable temperature is generally 50-700 ° C, preferably less than 400 ° C. Temperatures between 100 ° C and 300 ° C have been found to be particularly suitable.
6 677296 67729
Vaikkakin terminen hajoittaminen voidaan joissakin erityisolosuhteissa (etenkin silloin, kun valittu termisesti hajoava yhdiste on nitraatti tai oksalaatti) suorittaa inertissä kaasukehässä (βεις merkiksi typpi- tai argonkaasukehässä), keksinnön mukaisesti on yleensä suositeltavaa suorittaa terminen hajoittaminen hapettavassa kaasukehässä, esimerkiksi ilman läsnä ollessa.Although thermal decomposition can be performed in an inert atmosphere (especially nitrogen or argon) under certain special conditions (especially when the selected thermally decomposable compound is a nitrate or oxalate), it is generally preferred to perform thermal decomposition in an oxidizing atmosphere, for example in the presence of air.
Keksinnön mukaisen katodin aktiivinen alue 10 voi sisältää vaihtoehtoisesti edellä määritellyn koboltin, raudan, magaanin ja/tai nikkelin metalli- oksidin lisäksi hyvin vähäisiä määriä vieraita aineita, kunhan nämä eivät vain vaikuta metallioksidin ominaisuuksiin nimenomaan vedyn vapautumisen yli-^5 jännitteen suhteen.Alternatively, in addition to the cobalt, iron, magnesium and / or nickel metal oxide as defined above, the active region 10 of the cathode according to the invention may contain very small amounts of foreign matter, as long as these do not affect the metal oxide properties specifically with respect to hydrogen release voltage.
Keksinnön mukaisessa katodissa aktiivinen alue voi olla koko katodin laajuinen.In the cathode according to the invention, the active region can be cathode-wide.
Erään keksinnön suositeltavan suoritusmuodon mukaan katodi koostuu useista osista ja käsittää 2q sähköä johtavasta materiaalista valmistetun alustan, jonka pinnalla on aktiivinen alue on.According to a preferred embodiment of the invention, the cathode consists of several parts and comprises a substrate made of 2q of electrically conductive material, the surface of which has an active region.
Tässä nimenomaisessa keksinnön suoritusmuodossa alustan materiaali on yleensä valittu siten, että se kestää niitä sähkökemiallisia olosuhteita, 2^ joissa katodi on tarkoitettu käytettäväksi.In this particular embodiment of the invention, the substrate material is generally selected to withstand the electrochemical conditions in which the cathode is intended to be used.
Siinä erityistapauksessa, että katodi on tarkoitettu käytettäväksi alkalimetallikloridin vesiliuosten elektrolyysikennoissa, on edullisinta valita alustan materiaaliksi koboltti, kromi, rauta, 30 nikkeli, mangaani tai näiden metallien seos.In the particular case that the cathode is intended for use in electrolytic cells of aqueous alkali metal chloride solutions, it is most preferable to select cobalt, chromium, iron, nickel, manganese or a mixture of these metals as the substrate material.
Rauta- ja teräsalustat sopivat erityisen hyvin.Iron and steel platforms are particularly well suited.
Alustan pinnassa olevan aktiivisen alueen metallioksidikerroksen on oltava riittävän paksu, jotta se kestää vetykaasun hankauksen ja pinnan 7 67729 kanssa elektrolyysin aikana kosketuksiin joutuvien elektrolyyttien aiheuttamaa kulutusta. Yleensä on toivottavaa, että alustan pinnassa olevan aktiivisen alueen metallioksidin paksuus olisi vähintään 5 0,5 mikronia, mieluimmin vähintään 5 mikronia. Erin omaisia tuloksia saadaan yleensä vähintään 10 mikronin paksuuksilla ja etenkin silloin kun mainittu paksuus on 50-250 mikronia.The metal oxide layer in the active surface of the substrate must be thick enough to withstand the abrasion of hydrogen gas and the wear caused by electrolytes in contact with the surface during electrolysis. In general, it is desirable that the thickness of the metal oxide in the active region on the surface of the substrate be at least 5 to 0.5 microns, preferably at least 5 microns. Excellent results are generally obtained with thicknesses of at least 10 microns and especially when said thickness is 50-250 microns.
Keksinnön tämän suositeltavan suoritusmuodon 10 mukaisen katodin valmistamiseksi tarvitsee vain lisätä termisesti hajoava yhdiste alustan pintaan ja kuumentaa se sitten valvotussa kaasukehässä, jotta se hajoaa ja metallioksidi kiteytyy in situ alustan pintaan.To make the cathode of this preferred embodiment 10 of the invention, it is only necessary to add a thermally decomposable compound to the surface of the substrate and then heat it in a controlled atmosphere to decompose and crystallize the metal oxide in situ on the surface of the substrate.
Tätä tarkoitusta varten on toivottavaa, että termi-15 sesto hakoavat yhdiste lisätään nestemäisessä muodossa, mieluimmin liuoksena alustan pintaan. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää mitä tahansa sopivaa peitos-tusmenetelmää, kuten esimerkiksi alustan upottamista termisesti hajoavaa ainetta sisältävään kylpyyn, alustan 20 sivelemistä mainitulla, nestemäisellä yhdisteellä tai tämän vhdisteen sumuttamista alustalle.For this purpose, it is desirable that the term-15 Sesto chipping compound be added in liquid form, preferably as a solution to the surface of the substrate. For this purpose, any suitable coating method can be used, such as immersing the substrate in a bath containing a thermally decomposable substance, brushing the substrate 20 with said liquid compound, or spraying this compound onto the substrate.
Erään keksinnön suositeltavan suoritusmuodon mukaisesti metallioksidi saadaan termisesti hajoittamalla termisesti hajoava yhdiste siten, että se on 25 liuotettu tai suspentoitu ensin liukoista alkalimetalli-suolaa sisältävään kylpyyn.According to a preferred embodiment of the invention, the metal oxide is obtained by thermally decomposing the thermally decomposable compound so that it is first dissolved or suspended in a bath containing a soluble alkali metal salt.
On itse asiassa todettu, että kaikkien muiden tekijöiden ollessa samanlaiset liukoisen alkalimetalli-suolan läsnäolo termisesti hajoavan yhdisteen sisältävässä kylvyssä parantaa keksinnön mukaisen katodin 30 suorituskykyä, etenkin pienentämällä suotuisasti vedyn vapautumisen ylijännitettä ja lisäämällä sen tehollista toiminta-aikaa.In fact, it has been found that while all other factors are similar, the presence of a soluble alkali metal salt in a bath containing a thermally decomposable compound improves the performance of the cathode 30 of the invention, particularly by favorably reducing the hydrogen release overvoltage and increasing its effective operating time.
Tässä keksinnön suositeltavassa suoritusmuodossa liukoisen alkalimetallisuolan valinta riippuu 35 kylvyn luonteesta,. Yleensä mikäli käytetään vettä sisältävää kylpyä, päästään parhaisiin tuloksiin 8 67729 alkalimetallihalogeenideilla tai -nitraateilla ja näistä natriumkloridi on joka tapauksessa suositeltavin.In this preferred embodiment of the invention, the choice of soluble alkali metal salt depends on the nature of the bath. In general, if a bath containing water is used, the best results are obtained with 8 67729 alkali metal halides or nitrates, of which sodium chloride is in any case the most preferred.
Käytettävän liukoisen alkalimetallisuolan 5 vähimmäismäärä riippuu suolan luonteesta, kylvyn luonteesta ja te^mi = es+-i hajoavan yhdisteen luonteesta.The minimum amount of soluble alkali metal salt to be used depends on the nature of the salt, the nature of the bath and the nature of the decomposing compound te ^ mi = es + -i.
Se voidaan määrittää kussakin erityistapauksessa kokeellisesti laboratoriossa. Käytettäessä natriun-kloridia vettä sisältävässä kylvyssä saadaan parhaat 10 tulokset, kun pitoisuudet ovat vähintään yhtä kuin 0,2 moolia yhtä litraa kylpyä kohden ja suositeltavampia ovat 0,5 moolia/litra ja sitä suuremmat pitoisuudet .It can be determined experimentally in the laboratory in each specific case. When sodium chloride is used in a bath containing water, the best results are obtained at concentrations of at least 0.2 moles per liter per bath, with concentrations of 0.5 moles / liter and above being more preferred.
Liukoisen alkalimetallisuolan käytettävissä 15 oleva enimmäismäärä on yhtä kuin sen kyllästymispitoi-suus kylvyssä.The maximum amount of soluble alkali metal salt available is equal to its saturation concentration in the bath.
Keksinnön mukaisen katodin muoto ei ole kriittinen. Se voi olla esimerkiksi tasomainen, kaareva tai aaltomainen levy, joka on mahdollisesti rei'itetty, 20 tai suora tai spiraalimainen lanka tai sitten reititetty verkko.The shape of the cathode according to the invention is not critical. It can be, for example, a planar, curved or corrugated plate, possibly a perforated, 20 or straight or helical wire, or a routed network.
Keksinnön mukainen koodi soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi läpäisevällä väliseinällä varustetuissa ja selektiivisellä läpäisevällä kalvolla varuste-25 tuissa natriumkloridiliuosten elektrolyysin tarkoitetuissa kennoissa, jollaisia on kuvattu esimerkiksi ranskalaisissa patenteissa 2 164 623 , 12.joulukuuta 1972, 2 223 083, 28 maaliskuuta 1973, 2 230 411, 27. maaliskuuta 1974, 2 248 335, 14. loka- 30 kuuta 1974 ja ranskalaisessa patenttihakemuksessa 77.11 370,12. huhtikuuta 1977, jotka kaikki ovat hakijan nimissä.The code according to the invention is particularly well suited for use in cells for the electrolysis of sodium chloride solutions with a permeable septum and a selective permeable membrane, as described, for example, in French Patents 2,164,623, December 12, 1972, 2,223,083, 28 March 1973, 2,231 March 27, 1974, 2,248,335, October 14, 1974, and French Patent Application 77.11 370.12. April 1977, all in the name of the applicant.
Keksinnön mukainen katodi sopii hyvin käytettäväksi niin ikään veden elektrolyysiin tarkoite-35 tuissa kennoissa ja alkalimetallihypokloriitin tai 9 67729 -kloraatin tuottamiseen tarkoitetuissa kennoissa, jollaisia on kuvattu ranskalaisissa patenteissa 2 023 877, 19. marraskuuta 1969 ja 2 147 063, 17. heinäkuuta 1072, jotka ovat molemmat hakijan 5 nimissä.The cathode according to the invention is also well suited for use in cells for the electrolysis of water and in cells for the production of alkali metal hypochlorite or 966772 chlorate, such as those described in French Patents 2,023,877, 19 November 1969 and 2,147,063, 17 July 1072, which are both in the name of applicant 5.
Keksinnön luonne selviää tarkemmin seu-raavista sovellutusesimerkeistä, jotka on annettu pelkästään keksintöä valaisevassa tarkoituksessa.The nature of the invention will become more apparent from the following application examples, which are given for the purpose of illustrating the invention only.
Kussakin seuraavista esimerkeistä suoritet-10 tiin elektrolyysi vettä sisältävälle suolaliuokselle, joka sisälsi 225 g natriumkloridia kilogrammaa kohden, pystysuorilla, asbestiväliseinän toosistaan eroitta-milla elektrodeilla varustetussa laboratoriokäyttöön tarkoitetussa kennossa.In each of the following examples, electrolysis was performed on an aqueous saline solution containing 225 g of sodium chloride per kilogram in a laboratory cell equipped with vertical electrodes separable from the asbestos septum.
15 Muodoltaan sylinterimäinen kenno käsitti anodin, joka oli valmistettu renkaan muotoisesta, pystysuorien rakojen puhkomasta, 50 painoprosenttia ruteniumdiok-sidia ja 50 painoprosenttia titaanidioksidia sisältävällä aktiivisella kideseosmateriaalilla päällyste-20 tystä titaanilevystä.The cylindrical cell comprised an anode made of a ring-shaped perforated plate coated with an active crystal alloy material containing 50% by weight of ruthenium dioxide and 50% by weight of titanium dioxide.
Katodi koostui verkosta valmistetusta renkaan muotoisesta metallirakennelmasta, joka oli muodoltaan identtinen kussakin esimerkissä, mutta joka koostumukseltaan vaihteli esimerkistä toiseen.The cathode consisted of a ring-shaped metal structure made of mesh, identical in shape in each example, but varying in composition from one example to another.
25 Kennon kummankin elektrodin kokonaispinta 3 oli 113 cm , ja anodin ja katodin välimatka oli asetettu 5 mm:ksi.The total surface area 3 of each electrode of the cell was 113 cm, and the distance between the anode and the cathode was set to 5 mm.
Väliseinä kiinnitetään katodin anodin vastaiselle sivulle, käyttäen sen valmistamisessa emäksi-30 seen suolaliuokseen suspentoitua asbestia ja kuumentamalla 16 tunniksi 90°C:een soveltaen hakijan nimissä olevassa luxemburgilaisessa patenttihakemuksessa 77.996.19, elokuuta 1977 kuvattua tekniikkaa.The septum is attached to the anode side of the cathode using asbestos suspended in alkaline saline and heated to 90 ° C for 16 hours using the technique described in Luxembourg Patent Application 77.996.19, August 1977.
Saadun asbestikalvon neliömassa oli 1,3 kg katodin 35 neliömetriä kohden.The resulting asbestos film had a basis weight of 1.3 kg per 35 square meters of cathode.
10 6772910 67729
Kussakin esimerkissä suoritettiin edellä mainitun suolaliuoksen elektrolyysi kennossa 85°C:ssa virran tiheyden ollessa 2 kA anodin neliömetriä kohden ja anodikammioon johdetaan suolaliuoksen virtaus-2 nopeus säädettiin sellaiseksi että katodikammiosta poistuvan emäksinen suolaliuos sisälsi noin 100 g natriumhydroksidia ja 140 g natriumkloridia kilogrammaa kohden. Katodin potentiaali mitattiin jaksoittain Lugginin kapillaarimittausmenetelmällä käyttäen 10 referenssielektrodina kyllsätettyä kalomelielektrodia (ECS) (Modern Electrochemistry, Bockris and Reddy, Pleunum Press, 1970, voi 2, sivut 890 ja 891).In each example, the above brine was electrolysed in a cell at 85 ° C with a current density of 2 kA per square meter of anode and the brine flow rate was introduced into the anode chamber so that the basic brine leaving the cathode chamber contained about 100 g of sodium hydroxide and 140 g of sodium hydroxide. The cathode potential was periodically measured by the Luggin capillary measurement method using 10 saturated electromalium electrodes (ECS) as reference electrodes (Modern Electrochemistry, Bockris and Reddy, Pleunum Press, 1970, Vol. 2, pages 890 and 891).
Esimerkki 1Example 1
Katodi koostui pehmeästä hiiliteräksestä valmis-15 tetusta verkosta, joka oli päällystetty keksinnön mukaisella aktiivisella hematiittikerroksella. Katodin valmistamiseksi verkko puhdistettiin ensin formaldehydillä passivoidulla kloorivetyhapolla, Sen jälkeen sen pintaan sumutettiin vesiliuosta, joka sisälsi litraa 20 kohden 200 g ammonium-ferritrioksalaattia, jolla on yleinen kaava (NH^) ^ Fe^C2°4^3 3H20' m;*-nkä jälkeen se kuumennettiin uunissa 15 minuutiksi 225°C:seen ilman läsnä ollessa ammonium-ferritrioksalaatin hajoitta-miseksi ja ensimmäisen hematiittikerroksen kiteyttä-25 miseksi verkon pintaan.The cathode consisted of a mesh made of mild carbon steel coated with an active hematite layer according to the invention. To prepare the cathode, the mesh was first cleaned with formaldehyde-passivated hydrochloric acid. Then, an aqueous solution containing 200 g of ammonium ferric trioxalate of the general formula (NH 4) ^ Fe 2 C 2 O 4 • 3 3 H 2 O · m is sprayed on its surface. it was then heated in an oven to 225 ° C for 15 minutes in the presence of air to decompose ammonium ferric trioxalate and crystallize the first layer of hematite to the surface of the network.
Ammonium-ferritriooksalaattiliuoksella sumutta-minen ja kuumennus hapettavassa kaasukehässä toistettiin kymmenen kertaa kymmenen päällekkäisen hema-tiittikidekerroksen saamiseksi verkon pintaan.Kymme-30 nennen hematiittikerroksen muodostamisen jälkeen katodia pidettiin 225°C:ssa tunnin ajan ilman läsnä ollessa, minkä jälkeen sen annettiin jäähtyä ilmassa noin 20°C:seen.Spraying with an ammonium ferric trioxalate solution and heating in an oxidizing atmosphere was repeated ten times to obtain ten overlapping layers of hematite crystals on the surface of the network. After forming the 30th hematite layer, the cathode was kept at 225 ° C for 1 hour in the presence of air and then allowed to cool. ° C.
11 67729 Näin saadulla keksinnön mukaisella katodilla suoritettiin sitten yllä kuvattu elektrolyysikoe.The cathode of the present invention thus obtained was then subjected to the electrolysis test described above.
Kokeen tulokset on esitetty alla olevassa taulukossa I.The results of the experiment are shown in Table I below.
55
Taulukko ITable I
Elektrolyysin kesto Katodipotentiaali (vuorokausia) (V) 10 10 -1,27 60 -1,28 90 -1,32Electrolysis duration Cathode potential (days) (V) 10 10 -1.27 60 -1.28 90 -1.32
Esimerkki 2Example 2
Esimerkin 1 koe toistettiin käyttäen aktiivisen alueen muodostamiseen vettä sisältävää kylpyä^jossa oli 214 g ammoniumferritrioksalaattia ja 29 g natrium-kloridia litraa kohden.The experiment of Example 1 was repeated using an aqueous bath containing 214 g of ammonium ferric trioxalate and 29 g of sodium chloride per liter to form the active region.
Verkko puhdistettiin esimerkissä 1 kuvatulla 2Q tavalla ja kuumennettiin sitten 250°C:seen ja peitettiin välittömästi ensimmäisellä kylpyliuoskerroksella upottamalla se kylpyyn. Sitten verkko kuumennettiin 15 minuutiksi uunissa 250°C:seen ilman läsnä ollessa ammonium-ferritrioksalaatin hajottamiseksi ja ensim-25 mäisen hematiittikerroksen kiteyttämiseksi sen pintaan.The mesh was cleaned as described in Example 1 and then heated to 250 ° C and immediately covered with a first layer of bath solution by immersion in the bath. The net was then heated for 15 minutes in an oven to 250 ° C in the presence of air to decompose the ammonium ferrite trioxalate and crystallize the first layer of hematite on its surface.
Kylpyyn upottaminen ja 250°C:seen kuumentaminen hapettavassa kaasukehässä toistettiin kymmenen kertaa kymmenen päällekkäisen hematiittikerroksen saamiseksi verkon pintaan. Kymmenennen kerroksen muodostamisen 30 jälkeen katodia pidettiin 250°C:ssa kaksi tuntia ilman läsnä ollessa, minkä jälkeen sen annettiin jäähtyä ilmassa noin 20°C:seen.Immersion in a bath and heating to 250 ° C in an oxidizing atmosphere was repeated ten times to obtain ten overlapping layers of hematite on the surface of the mesh. After the formation of the tenth layer, the cathode was kept at 250 ° C for two hours in the presence of air, after which it was allowed to cool in air to about 20 ° C.
Näin valmistetulla katodilla suoritetun elektrolyysikokeen tulokset on esitetty taulukossa II.The results of the electrolysis test performed with the cathode thus prepared are shown in Table II.
12 6772912 67729
Taulukko IITable II
Elektrolyysin kesto Katodipotentiaali (vuorokausia) (V) 5 10 -1,27 60 -1,27 90 -1,27 115 -1,27Electrolysis duration Cathode potential (days) (V) 5 10 -1.27 60 -1.27 90 -1.27 115 -1.27
Esimerkki 3 10 Valmistettiin katodi soveltaen esimerkissä 2 kuvattua menetelmää, mutta käyttäen tällä kertaa kylpyä, joka sisälsi 200 g ammonium-ferritrioksalaattia ja 100 g natriumkloridia litraa kohden.Example 3 A cathode was prepared using the procedure described in Example 2, but this time using a bath containing 200 g of ammonium ferric trioxalate and 100 g of sodium chloride per liter.
Kun elektrolyysiä oli jatkettu 2 kuukautta 15 yllä kuvatuissa olosuhteissa, katodipotentiaali oli yhtä kuin -1,26 V kyllästettyyn kalomeelielektrodiin verrattuna.After 2 months of electrolysis under the conditions described above, the cathode potential was equal to -1.26 V compared to the saturated calomel electrode.
Esimerkki 4Example 4
Esimerkin 1 koe toistettiin uudemman kerran 20 käyttäen päällystyskylpynä liuosta, joka sisälsi 120 g ferrinitraattia 1 litrassa butanolia.The experiment of Example 1 was repeated 20 more times, using as a coating bath a solution containing 120 g of ferrin nitrate in 1 liter of butanol.
Esimerkissä 1 kuvatulla tavalla ennalta puhdistettu pehmeästä hiiliteräksestä valmistettu verkko kuumennettiin 250°C:seen ja upotettiin sitten pääl-25 lystyskylpyyn liuoskerroksen muodostamiseksi sen pintaan.A pre-cleaned mild carbon steel mesh as described in Example 1 was heated to 250 ° C and then immersed in a top bath to form a solution layer on its surface.
Terminen käsittely oli identtinen esimerkin 2 käsittelyn kanssa, paitsi että kunkin kerroksen kuu-mennusvaihe uunissa 250°C:ssa kesti 10 minuuttia.The heat treatment was identical to the treatment of Example 2, except that the heating step of each layer in an oven at 250 ° C lasted 10 minutes.
30 Lisäksi kun kymmenes rautaoksidikerros oli muodostettu katodin pintaan, tätä pidettiin 16 tuntia 350°C:ssa ja annettiin sitten jäähtyä ilmassa noin 20°C:seen.In addition, after the tenth iron oxide layer was formed on the cathode surface, this was kept at 350 ° C for 16 hours and then allowed to cool in air to about 20 ° C.
i3 67729i3 67729
Kun elektrolyysiä oli jatkettu kuukauden ajan edellä kuvatuissa koeolosuhteissa, katodin potentiaali oli yhtä kuin -1,28 V verrattuna kyllästettyyn kalo-meelielektrodiin.After the electrolysis was continued for one month under the experimental conditions described above, the cathode potential was equal to -1.28 V compared to the saturated Kalo sense electrode.
5 Esimerkki 5 Tässä kokeessa muodostettiin pehmeästä hiili-teräksestä valmistetun verkon pintaan aktiivinen kobolttioksidikerros.Example 5 In this experiment, an active layer of cobalt oxide was formed on the surface of a matt carbon-steel mesh.
Tätä tarkoitusta varten esimerkissä 1 kuva- 10 tulla tavalla puhdistettu pehmeästä hiiliteräksestä valmistettu verkko upotettiin vettä sisältävään kylpyyn, jossa oli litraa kohden 291 g kobolttinitraatin heksa-hydraattia, jolla on yleinen kaava Co(NO^)2·6*^0' 3a 255 g natriumnitraattia.For this purpose, a mild carbon steel mesh purified as described in Example 1 was immersed in a water bath containing 291 g per liter of cobalt nitrate hexahydrate of the general formula Co (NO 2) 2 · 6 * ^ 0 '3a 255 g sodium nitrate.
15 Ensimmäisen kylpyyn upottamisen jälkeen verkko kuumennettiin uunissa 15 minuutiksi 250°C:seen ilman läsnä ollessa kobolttinitraatin hajottamiseksi ja koboltti-oksidikerroksen muodostamiseksi.After the first immersion in the bath, the net was heated in an oven for 15 minutes at 250 ° C in the presence of air to decompose the cobalt nitrate and form a cobalt oxide layer.
Upotuskäsittely ja kuumennus 250°C:seen toistettiin 20 viisi kertaa, jotta verkon pintaan saatiin viisi päällekkäistä kobolttioksidikerrosta. Viidennen kerroksen muo-distamisen jälkeen katodia pidettiin 250°C:ssa tunnin ajan ja annettiin sen sitten jäähtyä ilmassa huoneen lämpötilaan.The immersion treatment and heating to 250 ° C was repeated five times to obtain five overlapping layers of cobalt oxide on the surface of the mesh. After forming the fifth layer, the cathode was kept at 250 ° C for one hour and then allowed to cool in air to room temperature.
25 Kun elektrolyysiä oli jatkettu 30 vuorokautta edellä kuvatuissa olosuhteissa, katodipotentiaali oli yhtä kuin -1,31 V verrattuna kyllästettyyn kalomeeli-elektrodiin.After electrolysis was continued for 30 days under the conditions described above, the cathode potential was equal to -1.31 V compared to the saturated calomel electrode.
Esimerkki 6 30 Vertailun vuoksi käytettiin ennen tätä kek sintöä tunnettua katodia, joka oli koostui esimerkissä 1-5 käytetyn kanssa identtisestä pehmeästä hiiliteräksestä valmistetusta verkosta, joka oli ainoastaan puhdistettu käsittelemällä formaldehydillä passivoidulla i4 67729 kloorivetyhapolla ja asetettu sitten sellaisenaan kokeessa käytettyyn elektrolyysikennoon.Example 6 For comparison, a cathode known before this invention was used, which consisted of a mild carbon steel mesh identical to that used in Examples 1-5, which was only purified by treatment with formaldehyde-passivated i4 67729 hydrochloric acid and then placed as such in the electrolytic cell used in the experiment.
Elektrolyysin alussa katodin potentiaali nousi -1,41 V:iin mitattuna vertaamalla kyllästettyyn kalo-5 melilektrodiin; 70 vuorokauden kokeen jälkeen katodin potentiaali oli yhtä kuin -1,45 V verrattuna kyllästettyyn kalomelielektrodiin.At the beginning of the electrolysis, the cathode potential increased to -1.41 V as measured by comparison with the saturated Kalo-5 melode electrode; After 70 days of experiment, the cathode potential was equal to -1.45 V compared to the saturated calomel electrode.
Verrattaessa keksinnön mukaisten esimerkkien 1-5 elektrolyysien tuloksia keksintöä edeltävän tavan mukai-10 sen esimerkin 6 elektrolyysin tulokseen käy välittömästi ilmi keksinnön tuoma edistys, mitä tulee katodin potentiaalin suuruuteen ja tästä seurauksena elektrolyysiken-nojen energiahyötysuhteeseen.Comparing the results of the electrolysis of Examples 1-5 according to the invention with the result of the electrolysis of Example 6 according to the pre-invention, the progress of the invention in terms of the magnitude of the cathode potential and consequently the energy efficiency of the electrolysis cells is immediately apparent.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI803998A FI67729C (en) | 1980-12-22 | 1980-12-22 | KATOD FOER FRAMSTAELLNING AV ELEKTROLYTISKT VAETE |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI803998A FI67729C (en) | 1980-12-22 | 1980-12-22 | KATOD FOER FRAMSTAELLNING AV ELEKTROLYTISKT VAETE |
FI803998 | 1980-12-22 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI803998L FI803998L (en) | 1982-06-23 |
FI67729B true FI67729B (en) | 1985-01-31 |
FI67729C FI67729C (en) | 1985-05-10 |
Family
ID=8514001
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI803998A FI67729C (en) | 1980-12-22 | 1980-12-22 | KATOD FOER FRAMSTAELLNING AV ELEKTROLYTISKT VAETE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FI (1) | FI67729C (en) |
-
1980
- 1980-12-22 FI FI803998A patent/FI67729C/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI803998L (en) | 1982-06-23 |
FI67729C (en) | 1985-05-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4394231A (en) | Cathode for the electrolytic production of hydrogen | |
CA1225066A (en) | Electrode with surface film of oxide of valve metal incorporating platinum group metal or oxide | |
RU97100560A (en) | METHOD FOR ELECTROLYSIS OF AQUEOUS SOLUTIONS OF HYDROCHLORIDE ACID | |
US7247229B2 (en) | Coatings for the inhibition of undesirable oxidation in an electrochemical cell | |
US6312571B1 (en) | Activated cathode and process for preparation thereof | |
US4224121A (en) | Production of halogens by electrolysis of alkali metal halides in an electrolysis cell having catalytic electrodes bonded to the surface of a solid polymer electrolyte membrane | |
CA1059943A (en) | Electrolytically forming peroxosulfuric acid to oxidize organic material in sulfuric acid | |
EP0559400A2 (en) | Sodium hydroxide production from electrolytic cell with ceramic membrane | |
EP0218706B1 (en) | Electrodes for use in electrochemical processes and method for preparing the same | |
DE3116032C2 (en) | Process for producing a cathode which can be used in the electrolytic generation of hydrogen and the use thereof | |
RU2018543C1 (en) | Cathode for preparing hydrogen | |
US4248679A (en) | Electrolysis of alkali metal chloride in a cell having a nickel-molybdenum cathode | |
US4530742A (en) | Electrode and method of preparing same | |
US4243497A (en) | Process for the electrolytic production of hydrogen in an alkaline | |
US3974058A (en) | Ruthenium coated cathodes | |
US4555317A (en) | Cathode for the electrolytic production of hydrogen and its use | |
US5019224A (en) | Electrolytic process | |
US7211177B2 (en) | Electrode for electrolysis in acidic media | |
JPH02197590A (en) | Redox reaction method and electrolytic bath for it | |
FI75872C (en) | Electrode for use in an electrochemical cell and its preparation | |
EP0804636A1 (en) | Cathode for use in electrolytic cell | |
US4144146A (en) | Continuous manufacture of sodium dithionite solutions by cathodic reduction | |
US4589959A (en) | Process for electrolytic treatment of metal by liquid power feeding | |
US5164062A (en) | Electrocatalytic cathodes and method of preparation | |
US5679225A (en) | Electrode for an electrochemical process and use of the said electrode |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM | Patent lapsed |
Owner name: SOLVAY & CIE |