FI73009C - Installation av ionbytarmembran i en elektrolyscell. - Google Patents

Description

73009

Ioninvaihtokalvon asennus elektrolyysikennoon Tämä keksintö koskee menetelmää ioninvaihtokalvon asentamiseksi elektrolyysikennoon.

5 Tunnetaan elektrolyysikennoja, jotka sisältävät lukuisia anodeja ja katodeja ja joissa kutakin anodia erottaa viereisestä katodista ionivaihtokalvo, joka jakaa elektrolyysikennon suureen määrään anodi- ja katoditiloja. Sellaisen kennon anoditilat on varustettu keinoin elektro-10 lyytin syöttämiseksi kennoon, edullisesti yhteisestä alkulähteestä, sekä keinoin elektrolyysituotteiden poistamiseksi kennosta. Vastaavasti kennon katoditilat on varustettu keinoin elektrolyysituotteiden poistamiseksi kennosta ja mahdollisesti keinoin veden tai muun nesteen syöttämi-15 seksi kennoon. Elektrolyysikennot voivat olla tyypiltään yksi- tai kaksinapaisia.

Esimerkiksi suodatuspuristintyyppiset elektrolyysikennot voivat sisältää suuren määrän vuorottelevia anodeja ja katodeja, esimerkiksi viisikymmentä anodia si-20 jaitsemassa vuorottaisesti viidenkymmenen katodin kanssa, vaikka kenno saattaa sisältää useampiakin anodeja ja katodeja, esimerkiksi jopa sataviisikymmentä vuorottaisesti sijaitsevaa anodia ja katodia.

Sellaisessa elektrolyysikennossa kalvot ovat 25 jokseenkin nestettä läpäisemättömiä, ja elektrolyysin aikana ionit, esimerkiksi hydratoidut ionit, kulkevat kennon anodi-ja katoditilan välillä olevan kalvon läpi. Siten elektro-lysoitaessa alkalimetallikloridin vesiliuosta kennossa, joka on varustettu kationinvaihtokalvoilla, liuos syöte-30 tään kennon anoditiloihin ja elektrolyysissä syntyvä kloori sekä käytetty alkalimetallikloridiliuos poistetaan anoditi-loista, alkalimetalli-ionit siirtyvät kalvojen läpi kennon katoditiloihin, joihin voidaan syöttää vettä tai laimeata alkalimetallihydroksidiliuosta, ja alkalimetalli-ionien ja 35 hydroksyyli-ionien välisessä reaktiossa syntyvät vety ja 2 73009 alkalimetallihydroksidiliuos poistetaan kennon katoditi-loista.

Kuvatun tyyppisiä elektrolyysikennoja voidaan käyttää erityisesti tuotettaessa klooria ja natrium-5 hydroksidia elektrolysoimalla natriumkloridin vesiliuosta.

Sellaisen elektrolyysikennon ollessa kysymyksessä kalvo kiinnitetään kennoon esimerkiksi puristamalla se tiivisteiden väliin. On toivottavaa, että kalvo asennetaan kennoon kireälle ja että kalvo pysyy kutakuinkin 10 kireänä täytettäessä kenno elektrolyytillä sekä kennon ollessa toiminnassa. Jos kalvo kuitenkin asennetaan elektro-lyysikennoon kuivana ja kiinnitetään siihen kireälle, havaitaan, että käytössä elektrolyytin koskettaessa kennossa olevaa kalvoa kalvo turpoaa ja laajenee sekä löys-15 tyy ja saattaa jopa tulla ryppyiseksi. Seurauksena saattaa olla kaasun epätasainen vapautuminen ja kennon jännitteen kohoaminen. Tämä on erityisen haitallista silloin, kun kenno on tarkoitettu toimimaan anodi-katodi-välin ollessa pieni tai nolla.

20 Tämän ongelman, joka aiheutuu kalvon turpoamisesta käytössä, pienentämiseksi on ehdotettu kalvon esipaisutta-mista ennen sen asentamista elektrolyysikennoon esimerkiksi upottamalla kalvo veteen, natriumkloridin vesiliuokseen tai natriumhydroksidin vesiliuokseen. Ihanteellista olisi esipai-25 suttaa kalvo suunnilleen samassa määrin, kuin kuiva kalvo turpoaa joutuessaan kosketuksiin elektrolyytin kanssa elek-trolyysikennossa.

US-patenttijulkaisussa 4 000 057 kuvataan kalvon esipaisuttamista ennen sen asentamista elektrolyysikennoon 30 menetelmän käsittäessä kalvon käsittelemisen nestemäisellä aineella, jossa kalvon laajenemista ajan funktiona kuvaava käyrä kulkee jokseenkin vaakasuorana vähintään neljän tunnin ajan nesteellä käsittelemisen jälkeen. Soveltuvia nesteitä ovat esimerkiksi etyleeniglykolin, glyserolin ja suuri-35 molekyylisten rasva-alkoholien vesiliuokset.

3 73009

Vaikka edellä mainitut menetelmät auttavatkin sen ongelman ratkaisemisessa, joka aiheutuu kalvon turpoamisesta sen joutuessa kosketuksiin elektrolyytin kanssa elektro-lyysikennossa, niillä itsellään on merkittäviä haitta-5 puolia. Niinpä esipaisutetut kalvot ovat märkiä ja pysyvät märkinä elektrolyysikennoon asentamisen ajan, ja siitä syystä niitä on vaikea käsitellä. Käsittelyssä saattavat erityiset varotoimenpiteet olla tarpeen esimerkiksi silloin, kun kalvo on esipaisutettu käsittelemällä syövyttävällä 10 nesteellä, esimerkiksi natriumhydroksidiliuoksella. Saattaa myös olla vaikeata kiinnittää märkä kalvo elektrolyysikennoon siten, että se ei vuoda,esimerkiksi tiivisteparin väliin.

Tämä keksintö koskee menetelmää ioninvaihtokalvon asentamiseksi elektrolyysikennoon, jossa menetelmässä ei 15 esiinny edellä mainittuja haittoja.

Tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä ioninvaihtokalvon, joka on valmistettu orgaanisesta polymeeristä, joka sisältää vaihtuvia ryhmiä tai niiden johdannaisia, jotka voidaan muuttaa vaihtuviksi ryhmiksi, asentamiseksi elek-20 trolyysikennoon ioninvaihtokalvoa laajennetaan, ja laajennettu kalvo kiinnitetään elektrolyysikennoon tai sen osaan, joka menetelmä on tunnettu siitä, että kalvoa laajennetaan venyttämällä, jotta saadaan lisättyä kalvon pinta-alaa painoyksikköä kohden.

25 Keksinnön mukaisessa menetelmässä levyn tai kalvon muodossa olevaa ioninvaihtomembraania laajennetaan venyttämällä membraanin pinta-ala-paino-suhteen kohottamiseksi.

Tämän kalvon laajentaminen ei edellytä nesteen käyttöä kalvon paisuttamiseksi ja siten laajentamiseksi.

30 Itse asiassa laajentaminen venyttämällä suoritetaan yleensä ja edullisesti kuivaa kalvoa käyttäen, jolloin vältetään nesteen käyttöön liittyvät huomattavat haitat. Lisäksi laajentamista ei suoriteta pelkästään puristamalla kalvoa korotetussa paineessa ja lämpötilassa.

35 Kalvon venyttäminen tulisi suorittaa varovaisesti, 4 73009 jotta kalvo ei repeydy. Korotetun lämpötilan käyttäminen kalvon venytyksen aikana auttaa suuresti välttämään kalvon repeytymistä.

Tämän keksinnön toinen ilmenemismuoto on menetelmä 5 ioninvaihtokalvon asentamiseksi elektrolyysikennoon, joka menetelmä käsittää ioninvaihtokalvon kuumentamisen kalvon venyttämisen korotetussa lämpötilassa sekä laajentuneen venytetyn kalvon kiinnittämisen elektrolyysikennoon tai sen osaan.

10 Lisäksi on edullista venyttää kalvoa korotetussa lämpötilassa ja jäähdyttää se matalampaan lämpötilaanko, ympäristön lämpötilaan tai lähelle sitä, pitäen kalvo samalla laajentuneessa venytetyssä tilassa sekä sen jälkeen kiinnittää laajentunut venytetty kalvo elektrolyysi-15 kennoon tai sen osaan.

Venyttäminen voidaan tehdä esimerkiksi antamalla kalvon kulkea eri kehänopeudella pyörivien telojen ympäri ja välistä, ja laajentunut venytetty kalvo voidaan jäähdyttää alempaan lämpötilaan. Vaihtoehtoisesti kalvoa voi-20 daan venyttää kohdistamalla venytysvoima kalvon vastakkaisiin reunoihin, ja laajentunut venytetty kalvo voidaan jäähdyttää alempaan lämpötilaan. Kalvon venytys voidaan suorittaa venytyskehystä tai -konetta käyttäen.

Kalvoa voidaan venyttää yhteen tai kahteen suuntaan. 25 Kaksisuuntainen venytys voi tapahtua kahteen suuntaan samanaikaisesti tai peräkkäin.

Venytettäessä kalvoa yhteen suuntaan kalvon vastakkaisiin reunoihin voidaan kiinnittää jotakin suhteellisen jäykkää materiaalia olevat nauhat, jotta estetään kalvon 30 kutistuminen poikittaissuunnassa kalvon venytyssuuntaan nähden.

Silloin, kun kalvoa venytetään esimerkiksi korotetussa lämpötilassa, ja erityisesti silloin, kun kalvo ve-nytyksen jälkeen jäähdytetään alempaan lämpötilaan, esimer-35 kiksi ympäristön lämpötilaan tai lähelle sitä, pitäen kalvo samalla laajentuneessa venytetyssä tilassa, ainakin osa venyttämällä aikaansaadusta laajenemisesta "lukkiutuu" 5 73009 kalvoon. Kun laajentunut yenytetty kalvo asennetaan elektrolyysikennoon ja kiinnitetään siihen ja kun kalvo joutuu kosketuksiin elektrolyytin kanssa, erityisesti korotetussa lämpötilassa, esimerkiksi alkalimetallikloridin 5 vesiliuoksen kanssa jopa 95°C:n lämpötilassa, kloori-alkali-kennossa, kalvoon "lukkiutunut" laajentuma vapautuu kokonaan tai osittain, ja kalvo pyrkii kutistumaan kohden alkuperäistä tilaansa, vaikka kalvo tietysti pysyy kiinni kiinni elektrolyysikennossa. Tätä kutistumispyrkimystä 10 vastaan vaikuttaa kalvon laajeneminen, joka aiheutuu turpoamisesta kalvon joutuessa kosketuksiin elektrolyytin kanssa, sillä seurauksella, että elektrolyysikennoon asennettu kalvo pysyy kireänä eikä tule ryppyiseksi käytössä.

On edullista, että venyttämällä aikaansaadun laa-15 jenemisen määrä olisi suunnilleen sama tai suurempi kuin laajeneminen, joka aiheutuu kalvon turpoamisesta sen joutuessa kosketuksiin elektrolyytin kanssa elektrolyysikennossa, jotta kalvo pysyy kennossa kireänä joutuessaan kosketuksiin elektrolyytin kanssa. Jonkin verran hyötyä voidaan kuiten-2Q kin saavuttaa, vaikka venyttämällä aikaansaadun laajenemisen määrä onkin jonkin verran pienempi kuin laajeneminen, joka aiheutuu kalvon turpoamisesta sen joutuessa kosketuksiin elektrolyytin kanssa. Sopiva venyttämällä aikaansaatava laajenemismäärä voidaan määrittää yksinkertaisella kokeella.

25 yleensä venyttämällä aikaansaadun kalvon laaje nemisen tulisi lisätä kalvon pinta-alaa painoyksikköä kohden vähintään 2%, edullisesti vähintään 5%. Venyttämällä voidaan saada aikaan suuri kalvon laajentuminen, esimerkiksi vähintään 50%:n tai 100%:n tai jopa kymmenkertainen tai si-30 täkin suurempi lisäys kalvon pinta-alassa painoyksikköä kohden. Kun venytysmäärä on huomattava, saavutetaan lisäetuja, Niinpä, kun venyttämällä on saatu aikaan kalvon suuri laajeneminen, kalvon käytöstä elektrolyysikennossa on seurauksena alempi käyttöjännite, josta seuraa säästöjä energia-35 kustannuksissa. Lisäksi elektrolyysituotteet voidaan valmistaa 6 73009 korkeammalla virtahyötysuhteella.

Jotta suurin osa yenyttäroällä aikaansaadusta kalvon laajenemisesta saadaan "lukituksi" kalvoon, kalvo voidaan jäähdyttää korotetusta lämpötilasta alempaan lämpö-5 tilaan pitäen se sinä aikana laajentuneessa venytetyssä tilassa. Kun sellaista kalvoa käytetään elektrolyysiken-nossa, kalvon kutistuminen sen joutuessa kosketuksiin elektrolyytin kanssa korotetussa lämpötilassa saattaa kuitenkin olla paljon suurempaa kuin elektrolyytin vaiku-10 tuksesta tapahtuvan kalvon turpoamisen aiheuttama laajeneminen, ja kalvo saattaa pyrkiä repeytymään. Se, esiintyykö repeytymispyrkimystä vai ei, riippuu luonnollisesti venytyksen aiheuttamasta kalvon laajenemisen määrästä.

Silloin, kun venyttämällä aikaansaatu kalvon 15 laajenemisen määrä on huomattava, on edullista esimerkiksi sellaisen kalvon aikaansaamiseksi, jonka pinta-ala paino-yksikköä kohden on lisääntynyt paljon ja jota voidaan käyttää elektrolyysikennossa jännitteen ollessa huomattavasti alennettu, karkaista laajent nut venytetty kalvo 20 kuumentamalla sitä korotetussa lämpötilassa ja jäähdyttämällä se sen jälkeen alempaan lämpötilaan. Tällä tavalla kalvoon voidaan "lukita" riittävä laajentuma, jotta kalvo pysyy kireänä ja rypistymättömänä sinä aikana, kun sitä käytetään elektrolyysikennossa, ja jotta voidaan myös 25 välttää kalvon mahdollinen pyrkimys repeytyä käytön aikana.

Membraani, jota laajennetaan venyttämällä, on yleensä kalvon muodossa, ja sen paksuus voi olla esimerkiksi 0,2-2 mm.

Vaikka venyttämällä voidaan saada aikaan erittäin 30 ohuita kalvoja, laajentuneen venytetyn kalvon ei tulisi olla niin ohut, että se on hyvin altis vaurioitumaan käytettäessä sitä elektrolyysikennossa. Yleensä laajentuneen venytetyn kalvon paksuus on vähintään 0,02 mm, edullisesti vähintään 0,1 mm.

35 Koro tettulämpötila, jossa kalvon venytys suorite taan, riippuu kalvon luonteesta. Yleensä se kuitenkin on 7 73009 korkeampi kuin 40°C, edullisesti korkeampi kuin 55°C.

Soveltuva lämpötila käytettäväksi kunkin nimenomaisen kalvon venytyksessä voidaan määrittää yksinkertaisella kokeella. Lämpötilan ei tulisi olla niin korkea, että 5 kalvon orgaaninen polymeeri sulaa tai hajoaa merkittävästi. Yleensä korotettu lämpötila, jossa venytys suoritetaan, ei ylitä 150°C:a.

Karkaistaessa laajentunutta venytettyä kalvoa karkaisulämpötila voi olla sama tai suunnilleen sama 10 kuin se korotettu lämpötila, jossa kalvoa venytetään.

Karkaisulämpötila voi olla korkeampi kuin venytyslämpö-tila. Laajentuneen venytetyn kalvon karkaisun kestoaika määrää kalvon laajenemisen määrän, joka "lukkiutuu" kalvoon, kun se jäähdytetään alempaan lämpötilaan; mitä 15 pitempi tämä karkaisuaika on, sitä pienempi määrä laajentumasta pysyy "lukkiutuneena" kalvoihin. Yleensä karkaisuaika on vähintään 1 minuutti, mutta ei yleensä ylitä 5 tuntia.

Alempi lämpötila, johon kalvo jäähdytetään, on 20 lämpötila, jossa kalvo ei palaudu nopeasti, kun mahdollinen rajoittava voima poistetaan. Tarkoituksenmukaisinta on jäähdyttää kalvo ympäristön lämpötilaan tai lähelle sitä.

Eräässä toisessa edullisessa ilmenemismuodossa, joka on käyttökelpoinen silloin, kun kalvoa on venyttä-25 mällä laajennettava huomattavasti, kalvoa venytetään korotetussa lämpötilassa, kalvo jäähdytetään alempaan lämpötilaan, esimerkiksi ympäristön lämpötilaan tai lähelle sitä, pitäen kalvo samalla laajentuneessa venytetyssä tilassa, ja laajentamisvaihe venyttämällä korotetussa lämpötilassa 30 ja jäähdytysvaihe toistetaan ainakin kerran. Näin voidaan saavuttaa haluttu kalvon laajenemismäärä suorittamalla venytys useissa erissä, ja on olemassa pienempi mahdollisuus, että kalvo vaurioituu, esimerkiksi repeytyy, veney-tyksen aikana.

35 Ioninvaihtokalvo on edullisesti kationinvaihtokalvo.

73009 joka sisältää happamia ryhmiä tai niiden johdannaisia, jotka voidaan muuttaa happamiksi ryhmiksi. Jotta saavutetaan kestävyys monissa elektrolyysikennoissa, erityisesti kloori-alkali-kennoissa, esiintyviä syövyt-5 täviä olosuhteita vastaan, kalvona on edullisesti fluoripolymeeri, ja vielä edullisemmin perfluoripolymeeri, joka sisältää kyseisiä happamia ryhmiä tai niiden johdannaisia .

Soveltuvia happamia ryhmiä ovat sulfonihappo-, 10 karboksyylihappo- tai fosforihapporyhmät. Kalvo voi sisältää kahta tai useampaa erilaista hapanta ryhmää. Soveltuvia happamien ryhmien johdannaisia ovat kyseisten ryhmien muodostamat suolat, esimerkiksi metallisuolat, erityisesti alkalimetallisuolat. Soveltuvia johdannaisia 15 ovat erityisesti sellaiset, jotka voidaan muuttaa happa- raiksi ryhmiksi hydrolysoimalla ,esimerkiksi happohalo-genidiryhmät, esimerkiksi -SC^F ja -COF, nitriiliryhmät -CN, happoamidiryhmät -CONI^, joissa R on H tai alkvyli, sekä happoesteriryhmät, esimerkiksi -COOR, jossa R on 20 alkyyliryhmä.

Soveltuvia kationinvaihtokalvoja ovat esimerkiksi GB-patenttijulkaisuissa 1 184 321, 1 402 920, 1 406 673, 1 455 070, 1 497 748, 1 497 749, 1 518 387 ja 1 531 068 esitetyt kalvot.

25 On edullista käyttää kalvoja, jotka sisältävät happamien ryhmien johdannaisia, jotka voidaan muuttaa vaihtuviksi ryhmiksi hydrolysoimalla, koska sellaisia ryhmiä sisältävät kalvot ovat yleensä helpommin venytettävissä. Esimerkiksi silloin, kun kalvona on fluoripoly-30 meeri, joka sisältää vaihtuvina ryhminä karboksyylihappo-ryhmiä, on edullista venyttää kalvoa sellaisessa muodossa, jossa karboksyyliryhmät on esteröity, esimerkiksi metyyli-esterimuodossa.

Kalvon sisältäessä ryhmiä, jotka voidaan muuttaa 35 vaihtuviksi ryhmiksi hydrolysoimalla, hydrolyysi voidaan 9 73009 suorittaa esimerkiksi käsittelemällä kalyoa alkali-metallihydroksidin vesiliuoksella, esimerkiksi natrium-hydroksidin vesiliuoksella. Koska kalvo saattaa pyrkiä turpoamaan hydrolysoitaessa, on edullista suorittaa 5 mainittu hydrolyysi sen jälkeen, kun laajentunut venytetty kalvo on kiinnitetty elektrolyysikennoon tai sen osaan.

Kalvoa voidaan vahvistaa esimerkiksi fluori-polymeeriverkolla, vaikkakaan sellaiset vahvistetut 10 kalvot eivät ole edullisia, koska vahvistavan verkon venyttäminen saattaa olla vaikeata. Kalvo voi olla laminaatin muodossa, tai se voidaan päällystää elektrodi-materiaaleilla tai muilla materiaaleilla.

Laajentunut venytetty ioninvaihtokalvo kiinni-15 tetään elektrolyysikennoon tai sen osaan. Kun kalvoa on laajennettu venyttämällä korotetussa lämpötilassa, se voidaan kiinnittää elektrolyysikennoon tai sen osaan samalla, kun se on korotetussa lämpötilassa. Koska laajentunut venytetty kalvo pyrkii kuitenkin jäähtymään 20 ympäristön lämpötilaa kohden ja näin ollen kutistumaan tämän kiinnitystoimenpiteen aikana, on edullista "lukita" laajentuma kalvoon ennen kalvon kiinnittämistä elektrolyysikennoon tai sen osaan. Siten on edullista laajentaa ioninvaihtokalvoa venyttämällä korotetussa lämpötilassa 25 ja pitää kalvo laajentuneessa venytetyssä tilassa samalla, kun kalvo jäähdytetään alempaan lämpötilaan, edullisesti ympäristön lämpötilaan, jossa lämpötilassa kalvo säilyttää huomattavan osan laajentuneesta venytetystä tilastaan, kun rajoittava voima poistetaan.

30 Laajentunut venytetty kalvo voidaan kiinnittää elektrolyysikennoon tai sen osaan millä tahansa sopivalla keinolla. Esimerkiksi kalvo voidaan puristaa kiinni elektro-lyysikennossa olevan tiivisteparin väliin tai kiinnittää kehykseen, joka sen jälkeen asennetaan elektrolyysikennoon, 10 73009 tai kalvo yoidaan kiinnittää elektrodiin.

Tämän keksinnön mukainen menetelmä soveltuu erityisesti ioninvaihtokalvolle, joka on asennettava suoda-tuspuristintyyppiseen elektrolyysikennoon. Suodatuspu-5 ristintyyppiset elektrolyysikennot voivat sisältää suuren määrän vuorottaisesti sijaitsevia anodeja ja katodeja, ja kunkin anodin ja sen viereisen katodin väliin on asetettu ioninvaihtokalvo. Sellaiset kennot voivat sisältää esimerkiksi viisikymmentä anodia, jotka sijaitsevat vuorot-10 taisesti viidenkymmenen katodin kanssa, vaikka kenno saattaa sisältää jopa useampiakin anodeja ja katodeja, esimerkiksi jopa sataviisikymmentä vuorottelevaa anodia ja katodia.

Elektrolyysikennon elektrodit valmistetaan yleensä 15 jostakin metallista tai metalliseoksesta. Metallin tai metalliseoksen laatu riippuu siitä, onko elektrodia tarkoitus käyttää anodina vai katodina, sekä kennossa elektro-lysoitavan elektrolyytin luonteesta.

Kun elektrolysoidaan alkalimetallikloridin vesi-20 liuosta ja kun elektrodia on tarkoitus käyttää anodina, elektrodi on tarkoituksenmukaista valmistaa kalvon muodostavasta metallista tai sellaisten seoksesta, esimerkiksi zirkoniumista, niobiumista, volframista tai tan-taalista, mutta edullista valmistaa titaanista, ja anodin 25 pinta on tarkoituksenmukaista päällystää sähköä johtavalla, sähkökatalyyttisesti aktiivisella aineella. Päällyste voi sisältää yhtä tai useampaa platinaryhmän metallia, so. platinaa, rodiumia, iridiumia, ruteniumia, osmiumia tai palladiumia, ja/tai yhden tai useamman em. metallin oksidia. 30 Platinaryhmän metallia tai sellaisen oksidia sisältävä päällyste voi olla seos, jossa on yhtä tai useampaa epä-jalon metallin oksidia, erityisesti yhtä tai useampaa kalvon muodostavaa metallioksidia, esimerkiksi titaanidioksidia.

35 Sähköä johtavat, sähkökatalyyttisesti aktiiviset 11 73009 aineet, joita käytetään elektrolyysikennoissa anodien päällysteinä elektrolysoitaessa alkalimetallikloridin vesiliuosta, sekä sellaisten päällysteiden muodostamis-menetelmät ovat alalla tunnettuja.

5 Kun elektrolysoidaan alkalimetallikloridin vesi- liuosta ja kun elektrodia on tarkoitus käyttää katodina, on tarkoituksenmukaista valmistaa elektrodi raudasta tai teräksestä tai muusta sopivasta metallista, esimerkiksi nikkelistä. Katodi voidaan päällystää aineella, 10 joka soveltuu elektrolyysin vety-ylijännitteen alentamiseen.

Elektrolyysikennossa voidaan käyttää mitä tahansa soveltuvaa elektrodirakennetta. Elektrodi voi esimerkiksi käsittää useita pitkänomaisia kappaleita, esimerkiksi 15 tankoja tai liuskoja, tai se voi käsittää reikäisen pinnan, esimerkiksi rei'itetyn levyn, verkon tai metalliverkon.

Keksintöä valaistaan seuraavin esimerkein.

Esimerkki 1

Leikattiin suorakulmainen kappale, kooltaan 35 cm 20 x 30 xm, 280^um, paksusta kationinvaihtokalvolevystä, joka oli valmistettu tetrafluorietyleenin ja perfluori-vinyylieetterin kopolymeerista; kalvon ioninvaihtokapasi-teetti oli 1,3 milliekvivalenttia/gramma.

Liuskat joustavaa PVC-nauhaa kiinnitettiin kap-25 paleen molempiin 35 cm pitkiin reunoihin, ja alumiini-liuskat kiinnitettiin kappaleen molemiin 30 cm pitkiin reunoihin. Sitten kappale laitettiin Bruckner Karo 11-ori-entointilaitteeseen, ja kappaleen lämpötila nostettiin 67°C:een orientointilaitteeseen liittyvässä uunissa.

30 Alumiiniliuskoja vedettiin kauemmas toisistaan nopeudella 1/min, kunnes kappaleeseen kiinnitettyjen alumiiniliuskojen välimatka oli kasvanut 1,5-kertaiseksi, joustavien PVC-liuskojen auttaessa estämään kappaleen kaventumista. Orientointilaitteeseen kiinnitetty kappale 35 poistettiin sitten uunista ja jäähdytettiin ympäristön 12 73009 Lämpötilaan ilmavirrassa.

Yllä mainitut toimenpiteet, kappaleen venytys lämpötilassa 67°C ja sen jäähdytys ympäristön lämpötilaan, toistettiin kahdesti, jolloin ensimmäisessä uusintakäsit-5 telyssä alumiiniliuskojen etäisyys kasvoi 2,5-kertaiseksi alkuperäiseen nähden ja toisessa 4,2-kertaiseksi alkuperäiseen nähden.

Tuloksena oleva kationeja vaihtava kalvo poistettiin sitten orientointilaitteesta. Kalvo palautui hieman 10 kappaleen alkuperäisiä mittoja kohden. Kalvon paksuus oli tämän pienen palautumisen jälkeen 80^um.

Yllä kuvatulla tavalla valmistettu kationinvaihto-kalvo kiinnitettiin huolellisesti ja tiukasti EPDM-kumi-tiivisteparin väliin ja asennettiin elektrolyysikennoon, 15 joka oli varustettu nikkeliverkkokatodilla, jonka halkaisija oli 7,5 cm, ja titaaniverkkoanodilla, jonka halkaisija oli 7,5 cm ja joka oli päällystetty Ru02:n ja TiC^m seoksella (painosuhteessa 35 Ru02:65 TiC>2) .

Kennon anoditilaan syötettiin 310 g/l:n väkevyistä 20 NaCl:n vesiliuosta, jonka pH oli 8,0 kennon katoditilaan syötettiin vettä, ja kennossa elektrolysoitiin NaClra lämpötilassa 90°C NaCltn pitoisuuden anoditilassa ollessa 200 g/1 elektrolyysin aikana.

Klooria ja laimentunutta NaCl-liuosta poistettiin 25 anoditilasta, ja vettä ja NaOH:n vesiliuosta (35 p-%) poistettiin katoditilasta.

2

Elektrolyysi tehtiin virrantiheydellä 1 kA/m ja kennojännitteellä 3,01 V.

Kaikkiaan 20 päivää kestäneen elektrolyysin jälkeen kenno avattiin ja kationinvaihtokalvo tutkittiin. Kalvon 30 havaittiin olevan kireä ja rypytön.

Vertailun vuoksi toistettiin yllä mainittu elektrolyysi muuten samalla tavalla, mutta asentamalla elektrolyysikennoon 280yUm paksu kationinvaihtomembraanilevy,so. venyttämätön membraani.

2 35 Virrantiheydellä 1 kA/m jännite oli 3,1 V, ja ken- 13 73009 nosta poistetun membraanin havaittiin oleyan ryppyinen ja löysä.

Esimerkki 2

Esimerkin 1 mukainen elektrolyysi toistettiin 2 5 virrantiheydellä 2 kA/m . Tässä tapauksessa jännite oli 3,24 V ja kuten esimerkissä 1, kalvon havaittiin olevan kireä ja rypytön, kun se poistettiin kennosta.

yertailun vuoksi toistettiin yllä mainittu elektrolyysi siten, että asennettiin kennoon 280^um paksu kationin- 10 vaihtomembraanilevy, so. venyttämätön membraani.

2

Virrantiheydellä 2 kA/m oli jännite 3,4 V, ja kennosta poistetun membraanin havaittiin olevan ryppyinen ja löysä.

Esimerkki 3 15 Esimerkin 1 mukainen elektrolyysi toistettiin 2 virrantiheydellä 3 kA/m . Tässä tapauksessa jännite oli 3,52 V ja, samoin kuin esimerkissä 1, kennosta poistetun kalvon havaittiin olevan kireä ja rypytön.

Vertailun vuoksi yllä mainittu elektrolyysi tois-20 tettiin siten, että elektrolyysikennoon asennettiin 280^um paksu kationinvaihtomembraanilevy, so. venyttämätön membraani .

2

Virrantiheydellä 3 kA/m oli jännite 3,7 V, ja kennosta poistetun membraanin havaittiin olevan ryppyinen 25 ja löysä.

Esimerkki 4 11,5 cm x 11,5 cm kokoinen pala kationinvaihto-kalvoa, joka oli valmistettu tetrafluorietyleenin ja per-fluoriyinyylieetterin kopolymeeristä, joka sisälsi sulfoni-30 happoryhmiä kaliumsuolan muodossa, teipattiin reunoistaan PVC-nauhalla ja siten teipattu kalvo kiinnitettiin kiris-tyskehykseen. Kalvo lämmitettiin 180°C:een ja sitä venytettiin yhteen suuntaan nopeudella 0,85 m/min, kunnes kalvo oli venynyt kaksinkertaiseksi pituudeltaan. Sitten kalvo 35 jäähdytettiin ympäristön lämpötilaan ja poistettiin kiristys-kehyksestä.

14 73009

Kalvo asennettiin esimerkin 1 .mukaisen elektrolyysi- kennoon ja elektrolysoitiin esimerkin 1 mukaisesti, so.

NaCl:n vesiliuosta elektrolysoitiin virrantiheydellä 2 2 kA/m . Syntyi NaOH-liuosta, jonka pitoisuus oli 25 p-%, 5 yirtahyötysuhteen ollessa 50 %. Kennojännite oli 2,95 V.

Kun elektrolyysikenno avattiin, kalvon havaittiin olevan kireä ja rypytön.

Vertailun vuoksi toistettiin elektrolyysi käyttäen yllä mainittua, mutta venyttämätöntä kalvoa. Kennojännite 10 oli 3,1 V ja NaOH:ia syntyi virtahyötysuhteella 57 %.

Kun kenno avattiin, havaittiin kalvon olevan ryppyinen ja löysä.

Esimerkki 5

Esimerkin 4 mukainen venytys toistettiin sillä 15 muutoksella, että käytetty kalvo oli tetrafluorietyleenin ja periluorivinyylieetterin kopolymeeriä, joka sisälsi karboksyylihappometyyliesteriryhmiä, ja lämpötila, johon kalvo kuumennettiin venytyksen aikana, oli 80°C.

Kalvo asennettiin esimerkin 1 mukaiseen elektro- 20 lyysikennoon, hydrolysoitiin käsittelemällä NaOH-liuoksella, ja elektrolysointi tehtiin esimerkin 3 mukaisesti, so.

NaCl;n vesiliuosta elektrolysoitiin virrantiheydellä 2 3 kA/m . Syntyi NaOH-liuosta, jonka pitoisuus oli 35-%, virtahyötysuhteella 94 %. Kennojännite oli 3,32 V.

25 Kun elektrolyysikenno avattiin, kalvon havaittiin olevan kireä ja rypytön.

Vertailun vuoksi toistettiin elektrolyysi käyttäen yllä kuvattua, mutta venyttämätöntä kalvoa. Kennojännite oli 3,4 V, ja NaOH:ia syntyi virtahyötysuhteella 94 %.

30 Kun kenno avattiin, kalvon havaittiin olevan ryp pyinen ja löysä.

Esimerkki 6

Pala ioninvaihtokalvoa, joka oli tetrafluorietyleenin ja perfluorivinyylieetterin kopolymeeriä, joka 35 sisälsi karboksyylihappometyyliesteriryhmiä, siis esi- 15 73009 merkin 5 mukaista kalvoa, kuumennettiin lämpötilaan 67°C ja venytettiin yhteen suuntaan kiristyskehyksessä esimerkin 4 mukaisesti, paitsi että vetonopeus oli 1 m/min ja kalvo venytettiin 4,3-kertaiseksi, so. se venytettiin pituu-5 teen 430 % alkuperäisestä venytyksen suuntaan mitattuna.

Kun venytys oli tehty, kalvo jäähdytettiin nopeasti ympäristön lämpötilaan ilmavirrassa ja poistettiin kehyksestä.

Kun kalvo oli seissyt 15 min, sen havaittiin kutistuneen 15 % venytyksen suunnassa, niin että tässä suun-10 nassa mitattuna sen pituus oli 365 % alkuperäisestä.

Elektrolyysi tehtiin esimerkin 1 mukaisesti käyttäen yllä kuvattua kalvoa. 20 päivää kestäneen elektrolyysin jälkeen kalvon havaittiin olevan kireä ja rypytön. Esimerkit 7-9 15 Esimerkin 6 mukainen menettely toistettiin kol melle eri kalvonäytteelle sillä erotuksella, että ennen jäähdytystä ja kiristyskehyksestä poistamista näytteet karkaistiin venytyksen jälkeen pitämällä niitä lämpötilassa 67°C 1 min (esimerkiksi 7), 2 min (esimerkki 8) ja 20 3 min (esimerkki 9), vastaavasti.

Kun kalvot olivat seisseet 15 min kehyksestä poistamisen jälkeen, niiden havaittiin kutistuneen veny-tyssuunnassa 11 % (esimerkki 7), 10 % (esimerkki 8) ja 9 % (esimerkki 9), vastaavasti, siten kalvojen pituudet oli-25 vat tässä suunnassa mitattuina 383 % (esimerkki 7), 387 % (esimerkki 8) ja 391 % (esimerkki 9) alkuperäisestä.

Eleketrolyysi tehtiin esimerkin 1 mukaisesti käyttäen kutakin edellä mainittua kalvoa. 20 päivää kestäneen elektrolyysin jälkeen kunkin kalvon havaittiin olevan 30 kireä ja rypytön.

Claims (11)

73009

1. Menetelmä ioninvaihtokalvon, joka on valmistettu orgaanisesta polymeeristä, joka sisältää vaihtuvia 5 ryhmiä tai niiden johdannaisia, jotka voidaan muuttaa vaihtuviksi ryhmiksi, asentamiseksi elektrolyysikennoon, jossa menetelmässä ioninvaihtokalvoa laajennetaan ja laajennettu kalvo kiinnitetään elektrolyysikennoon tai sen osaan, tunnettu siitä, että kalvoa laajennetaan venyttä-10 mällä, jotta saadaan lisätyksi kalvon pinta-alaa paino-yksikköä kohden.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalvoa laajennetaan venyttämällä korotetussa lämpötilassa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelemä, tunnettu siitä, että kalvoa laajennetaan venyttämällä korotetussa lämpötilassa, laajentunut venytetty kalvo jäähdytetään alempaan lämpötilaan pitäen samalla kalvo laajentuneessa venytetyssä tilassa, ja kalvo kiinni-20 tetään sen jälkeen elektrolyysikennoon tai sen osaan.

4. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalvoa venytetään yhteen suuntaan.

5. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3 mu-25 kainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalvoa venytetään kahteen suuntaan.

6. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että venyttämällä aikaansaatu kalvon laajenemismäärä on sama tai 30 suurempi kuin kalvon laajeneminen, joka aiheutuu kalvon joutumisesta kosketuksiin elektrolyytin kanssa.

7. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalvon venytys aiheuttaa vähintään 5%:n lisäyksen kalvon pinta- 35 alassa painoyksikköä kohden.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, 73009 tunnettu siitä, että kalvon venytys aiheuttaa yä-hintään 100%:n lisäyksen kalvon pinta-alassa painoyksikköä kohden.

9. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 2-8 mukainen 5 menetelmä, tunnettu siitä, että kalvoa laajennetaan yenyttämällä vähintään 55°C:n lämpötilassa.

10. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 2-9 mukainen jpenetelmä, tunnettu siitä, että laajentunut venytetty kalvo karkaistaan kuumentamalla korotetussa lämpö- 10 tilassa.

11. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalvoa laajennetaan venyttämällä korotetussa lämpötilassa ja kalvo jäähdytetään alempaan lämpötilaan pitäen samalla kalvo 15 laajentuneessa venytetyssä tilassa, ja siitä, että sekä laajennusvaihe venyttämällä että jäähdytysvaihe toistetaan ainakin kerran. 73009