FR2775007A1 - Structure plane d'electrodes alternees d'une premiere et d'une seconde polarites et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur une structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une seconde polarités, caractérisée par le fait qu'elle comporte un support conducteur plan (2) dont au moins une face est recouverte d'une couche isolante (3) comportant des ouvertures (7) laissant libres certaines parties du support conducteur plan, ces parties constituant les électrodes (4) d'une première polarité et, déposées sur la couche isolante (3), des électrodes (5) d'une deuxième polarité, le support conducteur (2) d'une part et l'ensemble des électrodes (5) d'autre part étant chacun reliés à une borne d'une source de différence de potentiel.
Description
STRUCTURE PLANE D'ÉLECTRODES ALTERNÉES D'UNE PREMIÈRE
ET D'UNE SECONDE POLARITÉS ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION
La présente invention porte sur des structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités, sur leur procédé de fabrication et sur leur utilisation notamment pour la synthèse organique.
ET D'UNE SECONDE POLARITÉS ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION
La présente invention porte sur des structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités, sur leur procédé de fabrication et sur leur utilisation notamment pour la synthèse organique.
De très nombreux types de réacteurs d'électrochimie ont été proposés et étudiés pour diverses applications. Dans l'optimisation d'un réacteur d'électrochimie, on doit tenir compte de deux facteurs importants qui sont le transfert de masse et la perte d'énergie par effet Joule. Les conditions de transfert de masse sont facilement optimisées dans des réacteurs dans lesquels la distance entre l'anode et la cathode est importante à l'aide de système de pompe peu couteux en énergie. Cependant, afin de diminuer l'échauffement par effet Joule, en particulier lorsque l'électrolyte est un solvant organique présentant souvent une résistivité elevée, la distance interélectrode doit être aussi faible que possible.
Afin de minimiser cette distance, on a eu recours à des microélectrodes. Ces microélectrodes sont disposées de façon à former un réseau alterné d'électrodes d'une première polarité et d'électrodes d'une deuxième polarité sur un support isolant plan.
L'utilisation de ces microélectrodes en chimie analytique est maintenant courante et permet l'acquisition de données auxquelles aucune autre technique ne donne accès.
Un aspect intéressant des microélectrodes est le concept d'électrodes scus forme de microbandes interdigitées qui sont utilisées de façon courante pour les détecteurs de conductivité et pour les détecteurs ampèrométriques en chromatographie liquide. Ces microréseaux sont formés sur des supports isolants par photolithographie ou sérigraphie.
La sérigraphie offre la possibilité de préparer des électro des à faible coût et présentant une bonne définition de bordure.
Les Demandeurs, dans la demande de brevet français n" 95 14926, ont décrit l'utilisation de telles cellules d'électrolyse mettant en jeu des électrodes coplanaires pour la synthèse de l'hypochlorite de sodium à partir de l'eau de mer.
Cependant, le support isolant utilisé est un support en alumine. Or il n'est pas possible d'obtenir des supports en alumine de grande dimension. L'utilisation de ces électrodes est donc limitée.
Afin de résoudre ce problème, les Sociétés Demanderesses ont eu le mérite de trouver qu'il était possible d'utiliser des structures planes d'électrodes alternées d'une première polarité et d'une deuxième polarité comportant un support qui a également la fonction d'amenée de courant pour les électrodes de l'une des polarités.
Le support utilisé est conducteur. Ce peut être une plaque d'acier, la dimension n'est plus alors un facteur limitant. L'électrosynthèse peut donc être transposée sans difficulté à l'échelle industrielle. La très faible distance interélectrode permet d'obtenir une très bonne sélectivité, de limiter l'échauffement par effet Joule et de réaliser des électrosynthèses en milieu organique sans qu'il soit nécessaire d'ajouter des sels pour augmenter la conductivité de l'électrolytc.
Ainsi, la présente invention a pour objet une structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités, caractérisée par le fait qu'elle comporte un support conducteur plan dont au moins une face est recouverte d'une couche isolante comportant des ouvertures laissant libres certaines parties du support conducteur plan, ces parties constituant les électrodes d'une première polarité et, disposées sur la couche isolante, des électrodes d'une deuxième polarité, le support conducteur d'une part et l'ensemble des électrodes de deuxième polarité d'autre part étant chacun reliés à une borne d'une source de différence de potentiel.
Le support conducteur plan a donc une double fonction
- ses surfaces laissées libres par les ouvertures de la couche isolante constituent les électrodes d'une première polarité, et
- il amène le courant à ces électrodes.
- ses surfaces laissées libres par les ouvertures de la couche isolante constituent les électrodes d'une première polarité, et
- il amène le courant à ces électrodes.
Ces électrodes sont polarisées négativement ou positivement selon la synthèse envisagée.
Si le support conducteur est en acier, les surfaces libres constituant les électrodes seront bien évidemment les cathodes, sièges éventuellement d'un dégagement d'hydrogène.
Le matériau conducteur déposé sur la couche isolante devra donc être choisi parmi les matériaux anodiques classiques.
Afin de multiplier les synthèses organiques envisageables, conformément à un mode de réalisation avantageux de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités de l'invention, il est possible de modifier par traitement chimique ou physique les surfaces des électrodes de la première polarité et/ou les surfaces des électrodes de la deuxième polarité.
Ainsi, il sera possible de polariser positivement ou négativement aussi bien les électrodes que les contreélectrodes en fonction de leur nature chimique et des synthèses envisagées.
La modification de la surface des électrodes ou contre-électrodes par traitement physique ou chimique peut consister par exemple à recouvrir le matériau de base d'un métal par électrodéposition ou d'un matériau d'électrode éventuellement modifié chimiquement.
Le choix des matériaux éventuellement modifiés constitutifs des électrodes de l'une ou l'autre des polarités dépend de la réaction d'électrosynthèse mise en jeu.
A titre d'exemple, on peut indiquer comme matériau susceptible de constituer une cathode, un matériau choisi dans le groupe comprenant notamment le carbone, le titane, le nitrure de titane, l'acier, 1 ' acier inoxydable, le platine, le nickel et l'or. Et comme matériau susceptible de constituer une anode, on peut citer un matériau choisi dans le groupe comprenant notamment le carbone, les composés métalliques tels que le platine, l'or, les métaux valves tels que le titane, le tantale, le hafnium, le zirconium, le niobium et l'aluminium. Par métal "valve", on entend un métal qui se recouvre d'une fine couche d'oxyde protecteur lorsqu'il est oxydé (passivation) et qui ne laisse passer le courant que sous un potentiel cathodique. Lorsque l'anode est en métal valve elle est de préférence recouverte d'une couche d'oxyde électrocatalytique choisi notamment parmi
IrO2, RuO2, PtOX, SnO2, TiO2, RuO2/IrO2, IrO2/Ta205, RuO2/Ta20s, SnO2/Ta20s et leurs mélanges.
IrO2, RuO2, PtOX, SnO2, TiO2, RuO2/IrO2, IrO2/Ta205, RuO2/Ta20s, SnO2/Ta20s et leurs mélanges.
La couche isolante comporte des ouvertures donnant accès au support conducteur et définissant les électrodes de la première polarité. Cette couche isolante peut être constituée d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les matériaux céramiques et les matériaux polymères tels que le polychlorure de vinyle (PVC), le polyéthylène téréphtalate (PET), le Téflon ou le polypropylène. Le matériau céramique utilisé peut être de l'alumine ou une encre diélectrique telle que l'encre diélectrique sérigraphiable "BLUE TAPE" de la Société HERAEUS.
L'épaisseur de la couche isolante doit etre suffisante pour assurer sa fonction d'isolant électrique. En particulier, lorsqu'on utilise comme couche isolante une couche obtenue à partir d'une encre diélectrique, il est nécessaire de vérifier la porosité de la couche obtenue pour s'assurer de la parfaite isolation électrique. L'épaisseur de cette couche sera facilement déterminée par l'homme du métier.
Le matériau isolant peut également être utilisé pour recouvrir l'amenée de courant pour les électrodes de la deuxième polarité et les parties du support conducteur non recouvertes par la couche isolante, ceci afin d'éviter que ces parties conductrices participent à la réaction d'électrolyse. Cependant, on peut avantageusement utiliser à cet effet un matériau protecteur isolant moins couteux. Celui-ci est choisi parmi les matériaux isolants résistants aux conditions de la réaction d'électrosynthèse notamment au solvant, au pH et à la température. A titre d'exemple, on peut citer les vernis acryliques.
La géométrie des électrodes n est pas critique.
Cependant, pour des raisons pratiques de fabrication, on préfère des électrodes qui sont des microbandes parallèles.
La structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une seconde polarités peut être conçue de telle sorte que l'ensemble des électrodes de la première polarité et l'ensemble des électrodes de la deuxième polarité aient chacun la forme d'un peigne, les deux peignes étant imbriqués l'un dans l'autre. Ou bien, la configuration peut être celle d'une arête de poisson. L'amenée de courant pour les électrodes de la deuxième polarité est alors l'arête centrale, les électrodes de la deuxième polarité constituent alors les arêtes latérales et chaque arete latérale est disposée de façon à être juxtaposée de façon parallèle à une bande constituant une électrode de la première polarité.
Bien entendu, les électrodes de la première polarité ne sont pas reliées à l'arête centrale. Il sera plus aisé de comprendre cette configuration en se reportant ci-après aux figures et à 1 leur description. Comme déjà indiqué, ces configurations rie sont pas limitatives, d'autres configurations pouvant tout à fait être envisagées.
Quelle que soit la configuration envisagée, la distance interélectrode doit être constante. Cette distance doit etre suffisamment petite. Cette distance est inférieure à 2 mm, de préférence inférieure à 1 mm et plus préférentiellement encore comprise entre 250 et 500 um. L'utilisation d'une petite distance interélectrode contrôlée présente de nombreux avantages. Parmi ces avantages, on peut indiquer notamment la possibilité de conduire l'électrolyse même si le milieu est très peu conducteur, le bon contrôle de la tension de cellule ce qui permet une bonne sélectivité, la suppression de l'échauffement par effet Joule ce qui permet de diminuer la consommation d'énergie.
Par ailleurs, les structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités conformes à l'invention sont tout à fait appropriées pour la réalisation d'électrosynthèses mettant en jeu des réactions couplées c'est-à-dire au cours desquelles le produit de la réduction à la cathode doit réagir avec le produit de l'oxydation à l'anode, la proximité de la cathode et de l'anode favorisant cette réaction.
Dans le cadre de l'électrolyse de l'eau de mer, cette structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités est également très appropriée étant donné qu'elle permet d'inhiber la formation de dépôts calco-magnésiens adhérents résultant de la précipitation sous l'effet de l'alcalinité locale des hydroxydes avec le calcium et le magnésium présents dans l'eau de mer. En effet, au niveau des électrodes, les réactions suivantes ont lieu à l'anode
2C1 < Cl2 + 2e
2H20 < 02 + 4H + 4e à la cathode
2H20 + 2e < H2 + 20H
Du fait de la proximité de l'anode et de la cathode, une neutralisation se produit, selon une simple réaction acido-basique entre les ions hydroxyles formés à la cathode et les protons dégagés à l'anode, ce qui empêche toute formation permanente de dépôts calco-magnésiens.
2C1 < Cl2 + 2e
2H20 < 02 + 4H + 4e à la cathode
2H20 + 2e < H2 + 20H
Du fait de la proximité de l'anode et de la cathode, une neutralisation se produit, selon une simple réaction acido-basique entre les ions hydroxyles formés à la cathode et les protons dégagés à l'anode, ce qui empêche toute formation permanente de dépôts calco-magnésiens.
La distance interélectrode sera convenablement ajustée par l'homme du métier en fonction notamment de la concentration ionique de la solution de départ, de la résistivité du solvant et de la tension de cellule souhaitée.
Les électrodes de la deuxième polarité sont de préférence disposées sur la couche isolante par sérigraphie.
Cette technique offre la possibilité de produire des électrodes à faible prix et présentant une bonne définition de bordure. Des encres de carbone, d'or, d'argent et de platine sont disponibles sur le marché et pratiquement tous les composés métalliques peuvent être appliqués par sérigraphie dans la mesure où ils peuvent être broyés en particules très petites.
Bien entendu, d'autres techniques peuvent être utilisées pour déposer les électrodes de la deuxième polarité. On peut citer par exemple le procédé de plaquage autocatalytique, couramment appelé "electroless plating" ou une pulvérisation ou une évaporation sous vide.
L'ensemble des électrodes de la deuxième polarité est relié à une borne de la source de différence de potentiel par l'intermédiaire d'une amenée de courant disposée sur la couche isolante. Cette amenée de courant relie chacune des électrodes de la deuxième polarité. Elle est en n'importe quel matériau conducteur. De préférence on utilise le même matériau que celui utilisé pour les électrodes de la deuxième polarité avant leur éventuelle modification par traitement chimique ou physique. Lorsqu'un matériau commun est utilisé pour ces électrodes et leur amenée de courant, il est avantageux de les déposer simultanément, de préférence par sérigraphie.
Bien entendu, l'amenée de courant peut également être déposée par n'importe qu'elle autre technique connue.
La structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités de l'invention est utilisable avec n'importe quelle densité de courant. De préférence, elle sera utilisée avec une densité de courant supérieure à 100 A/m2, de préférence supérieure à 200 A/m2, plus préférentiellement encore à 500 A/m2.
Etant donné qu'il est possible de disposer sur chaque face du support conducteur un réseau d'électrodes de polarité opposée, la productivité de la cellule d'électrolyse mettant en jeu cette structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités peut être doublée sans augmentation de la taille de la cellule utilisée.
L'invention porte également sur le procédé de fabrication de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités. Ce procédé comprend les étapes successives consistant à
- déposer sur au moins une face d'un support conducteur plan, préalablement découpé ou usiné selon les dimensions souhaitées, une couche isolante comportant des ouvertures
- éventuellement, modifier par traitement chimique ou physique les parties du support conducteur laissées libres par les ouvertures de la couche isolante
- déposer sur la couche isolante, de préférence par sérigraphie, d'une part des électrodes disposées de façon alternée avec les ouvertures de la couche isolante et d'autre part une amenée de courant reliant toutes ces électrodes
- éventuellement modifier par traitement chimique ou physique la surface des électrodes disposées sur la couche isolante.
- déposer sur au moins une face d'un support conducteur plan, préalablement découpé ou usiné selon les dimensions souhaitées, une couche isolante comportant des ouvertures
- éventuellement, modifier par traitement chimique ou physique les parties du support conducteur laissées libres par les ouvertures de la couche isolante
- déposer sur la couche isolante, de préférence par sérigraphie, d'une part des électrodes disposées de façon alternée avec les ouvertures de la couche isolante et d'autre part une amenée de courant reliant toutes ces électrodes
- éventuellement modifier par traitement chimique ou physique la surface des électrodes disposées sur la couche isolante.
On peut à la suite de ce procédé recouvrir, par exemple par sérigraphie ou au pinceau, l'amenée de courant pour les électrodes de la deuxième polarité et la surface du support conducteur non recouverte par la couche isolante, avec une matière isolante et protectrice. De façon avantageuse, la matière isolante et protectrice est appliquée au pinceau.
Avant tout dépôt sur le support, celui-ci doit de préférence subir un prétraitement destiné à nettoyer sa surface et améliorer ainsi l'adhésion de la couche isolante.
Ce prétraitement peut consister par exemple en les étapes suivantes
- sablage,
- lavage dans un bain d'acide tel que l'acide nitrique,
- traitement dans un bain à ultrasons,
- lavage dans un bain d'acétone.
- sablage,
- lavage dans un bain d'acide tel que l'acide nitrique,
- traitement dans un bain à ultrasons,
- lavage dans un bain d'acétone.
On peut également faire subir un traitement thermique final à une température élevée, de l'ordre de 800 à 1000" C, afin d'effacer les tensions qui ont pu se développer au cours des différentes opérations mécaniques antérieures. Ce prétraitement sera facilement adapté par l'homme du métier en fonction des matériaux utilisés.
La couche isolante peut être déposée par sérigraphie d'une encre diélectrique, le masque de sérigraphie utilisé définissant les ouvertures, ou bien par application en revêtement d'un matériau céramique ou d'un matériau polymère tel que le polychlorure de vinyle, le polyéthylène téréphta
e late, le polypropylène, le Téflon , ou l'alumine et usinage ultérieur.
e late, le polypropylène, le Téflon , ou l'alumine et usinage ultérieur.
Le dépôt des électrodes de la deuxième polarité est réalisé de préférence par sérigraphie ou bien par plaquage autocatalytique (electroless plating), ou bien par pulvérisation ou évaporation sous vide. L'amenée de courant reliant ces électrodes est avantageusement déposée en même temps que ces motifs.
L'invention va être décrite ci-après à l'aide des dessins annexés sur lesquels
- la Figure 1 représente une vue de face d'une structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention,
- la Figure 2A représente une coupe selon II-II' de la Figure 1 ;
- la Figure 3A représente une coupe selon III-III' de la Figure 1
- la Figure 4A représente une coupe selon IV-IV' de la Figure 1
- la Figure 3B représente une coupe identique à celle de la Figure 3A d'un deuxième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention
- la Figure 2B représente une coupe identique à celle de la Figure 2A du deuxième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention
- la Figure 3C représente une coupe identique à celle de la Figure 3A d'un troisième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention ;
- la Figure 2C représente une coupe identique à celle de la Figure 2A du troisième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention ; et
- la Figure 4C représente une coupe identique à celle de la Figure 4A du troisième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention.
- la Figure 1 représente une vue de face d'une structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention,
- la Figure 2A représente une coupe selon II-II' de la Figure 1 ;
- la Figure 3A représente une coupe selon III-III' de la Figure 1
- la Figure 4A représente une coupe selon IV-IV' de la Figure 1
- la Figure 3B représente une coupe identique à celle de la Figure 3A d'un deuxième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention
- la Figure 2B représente une coupe identique à celle de la Figure 2A du deuxième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention
- la Figure 3C représente une coupe identique à celle de la Figure 3A d'un troisième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention ;
- la Figure 2C représente une coupe identique à celle de la Figure 2A du troisième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention ; et
- la Figure 4C représente une coupe identique à celle de la Figure 4A du troisième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention.
La structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités représentée sur ces figures ne comporte pas de couche protectrice et isolante déposée sur l'amenée de courant pour les électrodes de la deuxième polarité ni sur la surface du support conducteur non recouverte par la couche isolante.
Sur la Figure 1, on a représenté une surface plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités 1 selon l'invention. Celle-ci comprend un support plan conducteur 2 recouvert d'une couche isolante 3 sur laquelle sont disposées parallèlement et de façon alternée des électrodes 4 d'une première polarité et des électrodes 5 d'une deuxième polarité. Les électrodes 5 sont reliées à une amenée de courant centrale 6. Cette structure plane 1 d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités a donc une configuration du type arête de poisson décrit ci-dessus.
Une petite partie du support conducteur plan 2 située sur la Figure 1, en haut à gauche n'est pas recouverte par la couche isolante 3, de façon à permettre l'alimentation en courant du support conducteur 2.
La couche isolante 3 comporte des ouvertures 7 qui définissent les électrodes 4 de la première polarité. Dans ce mode de réalisation, les électrodes 5 de la deuxième polarité et l'amenée de courant 6 sont réalisées en un matériau conducteur identique comme ceci apparaît sur la
Figure 4A.
Figure 4A.
Sur les Figures 2B et 3B, on a représenté un deuxième mode de réalisation de la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités 1 selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, les surfaces du support conducteur 2 laissées libres par les ouvertures 7 de la couche isolante 3 ont été traitées chimiquement par exemple par dépôt d'une couche électrocatalytique 8. Les électrodes 4 de la première polarité sont donc des électrodes constituées du composé conducteur constitutif du support 2 sur lequel a été déposée la couche électrocatalytique 8. Les électrodes 5 de la deuxième polarité sont identiques à celles du mode de réalisation précédent. L'amenée de courant 6 est en un matériau identique à celui constituant les électrodes 5 de la deuxième polarité.
Sur les Figures 2C, 3C et 4C, on a représenté un troisième mode de réalisation de la struture plane d'électrodes alternées d'une premiere et d'une deuxième polarités 1 selon l'invention.
Dans ce mode de réalisation, les surfaces du support conducteur 2 laissées libres par les ouvertures 7 de la couche isolante 3 ont été modifiées chimiquement par dépôt d'une couche électrocatalytique 8 et les surfaces des électrodes 5 ont également été modifiées chimiquement par dépôt d'une couche électrocatalytique 9. Les couches électrocatalytiques 8 et 9 peuvent être identiques ou différentes.
Comme on le voit sur les Figures 2C et 4C, l'amenée de courant 6 n'a pas été modifiée chimiquement.
Les structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités 1 selon l'invention sont mises en oeuvre de façon très simple dans des électrolyseurs à cuve. De façon préférée, ces structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités 1 sont montées en série ou en parallèle, verticalement dans la cuve afin de faciliter leur démontage. Ce montage vertical permet également pour certains types de réaction, notamment l'électrolyse de l'eau de mer, de faciliter le décollement des dépôts susceptibles de se former.
Lorsqu'on utilise un support en acier, il est préférable afin d'éviter tout risque de corrosion de mettre les structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités sous tension avant de les mettre en contact avec l'électrolyte.
En fonction des besoins, il est possible d'augmenter le nombre de structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités dans l'électrolyseur.
Ce système permet une modulation importante.
Ces structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités peuvent être utilisées par exemple pour la purification des eaux usées, l'électrolyse de l'eau de mer pour former des hypochlorites, comme dans l'exemple donné ci-après, et pour des réactions d'électrosynthèse organique telles que la méthoxylation du furanne, la synthèse de Kolbe, et toutes les réactions dites à électrodes couplées, c'est-à-dire au cours desquelles le produit réduit à la cathode réagit avec le produit oxydé à l'anode, telles que l'époxydation du propylène. Comme indiqué auparavant, ce dernier type de réaction (dite à électrodes couplées) est favorisé par la faible distance interélectrode.
Ce type de structures planes d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités est adapté pour une électrosynthèse en milieu aqueux mais également pour une électrosynthèse en milieu organique.
Par exemple, pour l'époxydation du propylène en solution aqueuse et pour la méthoxylation du furanne dans le méthanol, on utilise une structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'invention comportant des anodes et des cathodes en platine. Pour des raisons évidentes d'économie, il est préférable d'utiliser un support conducteur, par exemple en acier, et de modifier les surfaces des électrodes de la première polarité, par le dépôt d'une couche de platine. La structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités utilisée correspond alors à celle illustrée sur les Figures 2B et 3B.
La présente invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide de l'exemple suivant.
Exemple : Electrolyse de l'eau de mer
Dans l'électrolyse de l'eau de mer, les réactions ci-dessous sont principalement mises en jeu
A l'anode :
2Cl- < Cl2 + 2e
2H2O > 2 + 4H + 4e
A la cathode
2H2O + 2e < 20H + H2 (a) Préparation de la structure plane d'électrodes alternées
d'une première et d'une deuxième polarités
La structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités est réalisée selon le mode opératoire suivant, en utilisant un support conducteur en acier (THYSSEN - Suisse - Référence 14742, XlOCrAl18). première étape : Prétraitement mécanique, chimique et ther
mique du support
Pour le prétraitement, on réalise successivement les étapes suivantes - sablage, - immersion dans une solution semi-concentrée d'acide
nitrique à 60 C pendant 10 minutes, - traitement par ultrasons dans un bain d'eau pendant lOmn, - immersion dans une solution d'acétone ou d'éthanol, - traitement thermique à 950" C pendant une heure.
Dans l'électrolyse de l'eau de mer, les réactions ci-dessous sont principalement mises en jeu
A l'anode :
2Cl- < Cl2 + 2e
2H2O > 2 + 4H + 4e
A la cathode
2H2O + 2e < 20H + H2 (a) Préparation de la structure plane d'électrodes alternées
d'une première et d'une deuxième polarités
La structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités est réalisée selon le mode opératoire suivant, en utilisant un support conducteur en acier (THYSSEN - Suisse - Référence 14742, XlOCrAl18). première étape : Prétraitement mécanique, chimique et ther
mique du support
Pour le prétraitement, on réalise successivement les étapes suivantes - sablage, - immersion dans une solution semi-concentrée d'acide
nitrique à 60 C pendant 10 minutes, - traitement par ultrasons dans un bain d'eau pendant lOmn, - immersion dans une solution d'acétone ou d'éthanol, - traitement thermique à 950" C pendant une heure.
Deuxième étape : application de la couche isolante
Après avoir positionné un masque sur le support en acier, on dépose une couche de "Blue Tape" (encre diélectrique référencée IP 222 de la Société Heraeus), on retire le masque et l'on réalise une précuisson à 1500 C pendant 10 mn, puis la température est montée à 850" C en une heure et la cuisson est réalisée à 850 C pendant 10 minutes. Une dernière couche de "Blue Tape" est appliquée de la même façon afin d'assurer une bonne isolation électrique.
Après avoir positionné un masque sur le support en acier, on dépose une couche de "Blue Tape" (encre diélectrique référencée IP 222 de la Société Heraeus), on retire le masque et l'on réalise une précuisson à 1500 C pendant 10 mn, puis la température est montée à 850" C en une heure et la cuisson est réalisée à 850 C pendant 10 minutes. Une dernière couche de "Blue Tape" est appliquée de la même façon afin d'assurer une bonne isolation électrique.
Troisième étape : dépôt des électrodes
Sur la plaque obtenue à la deuxième étape, on dispose un masque (différent du premier) de telle sorte que les ouvertures de ce masque soient en alignement avec les parties du support sur lesquelles la couche isolante a été disposée.
Sur la plaque obtenue à la deuxième étape, on dispose un masque (différent du premier) de telle sorte que les ouvertures de ce masque soient en alignement avec les parties du support sur lesquelles la couche isolante a été disposée.
On dépose alors une couche d'encre de platine référencée DC430-79 de la Société Heraeus et on retire le masque.
On place alors l'ensemble dans un four dont la température est portée à 850" C en une heure, puis on réalise une cuisson à 850" C pendant 10 minutes.
On dépose ensuite une couche d'encre d'oxyde de ruthénium référencée AR136 ou AR137 ou AR138 de la Société
Heraeus sur la couche de platine à l'aide du même masque.
Heraeus sur la couche de platine à l'aide du même masque.
Puis, l'ensemble est placé dans un four dont la température est portée à 850" C en une heure, la cuisson est alors réalisée pendant 10 minutes à 850" C.
On a donc préparé une structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités dans laquelle les cathodes sont en acier et les anodes sont en platine recouvert d'oxyde d'iridium. Les surfaces des anodes et cathodes sont identiques et représentent 19,8 cm2.
(b) Electrolyse
L'électrolyseur utilisé est une cellule à flot continu reliée à un réservoir contenant l'électrolyte. La cellule est alimentée par un générateur de courant continu.
L'électrolyseur utilisé est une cellule à flot continu reliée à un réservoir contenant l'électrolyte. La cellule est alimentée par un générateur de courant continu.
Une électrolyse à lOOmA/cm2 a été réalisée avec la structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités préparée en (a) ci-dessus et une solution synthétique d'eau de mer (0,5 M NaCl, 0,04 M MgCl2, 0,014M MgSO4, 0,009 M CaSO4) dans la cellule à flot continu (600 cm3.mn-l).
La tension mesurée entre l'anode et la cathode est de 6,6 V et le pH de l'électrolyte au départ était de 6,7 et atteint très rapidement une valeur de 8 durant l'électrolyse.
Après deux heures d'électrolyse, la concentration en ions chlorures, titrés potentiométriquement par les ions Ag+, semble se stabiliser et le taux de conversion des ions
Cl est de l'ordre de 25 %.
Cl est de l'ordre de 25 %.
Au bout de trois heures, le taux de conversion des ions Cl augmente à 28 % pour une concentration en chlore actif de 6 g C12/l, ce qui correspond à une consommation énergétique de l'ordre de 1,03 kw/mol ClO-. La concentration en chlore actif est mesurée par iodométrie.
Claims (11)
1. Structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités, caractérisée par le fait qu'elle comporte un support conducteur plan (2) dont au moins une face est recouverte d'une couche isolante (3) comportant des ouvertures (7) laissant libres certaines parties du support conducteur plan (2), ces parties constituant les électrodes (4) d'une première polarité et, déposées sur la couche isolante (3), des électrodes (5) d'une deuxième polarité, le support conducteur (2) d'une part et l'ensemble des électrodes (5) d'autre part étant chacun reliés à une borne d'une source de différence de potentiel.
2. Structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les surfaces des électrodes (4) de la première polarité et les surfaces des électrodes (5) de la deuxième polarité peuvent indépendamment être modifiées par traitement chimique ou physique, en particulier par électrodeposition d'un métal ou par sérigraphie d'un matériau d'électrode éventuellement modifié chimiquement.
3. Structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon la revendication 1 ou 2, caractéiisée par le fait que la couche isolante (3) consiste en un matériau polymère choisi dans le groupe comprenant le polychlorure de vinyle, le polyéthylène téréphtalate, le polypropylène et le Téflon ou en un matériau céramique choisi dans le groupe comprenant l'alumine et une encre diélectrique, de préférence en une encre diélectrique, et plus préférentiellement encore, en une encre diélectrique sérigraphiable.
4. Structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la distance interéiectrode est constante, cette distance étant inférieure à 2 mm, de préférence inférieure à 1 mm et plus préférentiellement encore, comprise entre 250 et 500 um.
5. Structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les matériaux éventuellement modifiés par traitement chimique ou physique constituant les électrodes (4) de la première polarité et les électrodes (5) de la deuxième polarité sont choisis indépendamment parmi les matériaux d'électrodes classiques, en fonction de l'électrolyse envisagée.
6. Structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le support conducteur (2) est en acier, que les surfaces des électrodes (4) ne sont pas modifiées et sont polarisées négativement et que les électrodes (5) de la deuxième polarité sont en matériau anodique choisi parmi le carbone, les composés métalliques tels que le platine, l'or, les métaux valves tels que le titane, le tantale, le hafnium, le zirconium, le niobium et l'aluminium, ce matériau étant de préférence modifié chimiquement par dépôt d'une couche d'oxyde électrocatalytique choisi dans le groupe comprenant notamment IrO2, RuO2, SnO2, RuO2/IrO2, IrO/Ta205, RuO2/Ta20s, SnO2/Ta2O5 et leurs mélanges.
7. Structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait qu'elle est utilisée avec une densité de courant supérieure à 100
A/m2, de préférence supérieure à 200 A/m2, et plus préférentiellement encore superieure à 500 A/m2.
8. Procédé de fabrication d'une structure plane (1) d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités telle que définie dans l'une des revendications 1 à 7, caracterisé par le fait qu'il comprend les étapes successives consistant à :
- déposer sur au moins une face d'un support conducteur plan (2), préalablement découpé ou usiné selon les dimensions souhaitées, une couche isolante (3) comportant des ouvertures (7)
- éventuellement, modifier par traitement chimique ou physique les parties du support conducteur (2) laissées libres par les ouvertures (7) de la couche isolante
- déposer sur la couche isolante (3), de préférence par sérigraphie, d'une part des électrodes (5) disposées de façon alternée avec les ouvertures (7) de la couche isolante (3) et d'autre part une amenée de courant (6) reliant toutes ces électrodes (5)
- éventuellement modifier par traitement chimique ou physique la surface des électrodes (5) disposées sur la couche isolante (3).
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la couche isolante (3) est déposée sur le support conducteur par revêtement d'un matériau polymère suivi d'un usinage afin de définir les ouvertures (7) ou par sérigraphie d'une encre diélectrique, de préférence par sérigraphie d'une encre diélectrique.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les électrodes (5) sont déposées sur la surface de la couche isolante (3) par sérigraphie, par plaquage autocatalytique (electroless plating) ou par pulver;sation ou évaporation sous vide.
11. Uti-isation d'une structure plane d'électrodes alternées d'une première et d'une deuxième polarités telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour la purification des eaux usées, l'électrolyse de l'eau de mer, les réactions d'électrosynthèse organique telles que la méthoxylation du furanne, la synthèse de Kolbe ou l'époxydation du propylène.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9801757A FR2775007B1 (fr) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Structure plane d'electrodes alternees d'une premiere et d'une seconde polarites et son procede de fabrication |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9801757A FR2775007B1 (fr) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Structure plane d'electrodes alternees d'une premiere et d'une seconde polarites et son procede de fabrication |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2775007A1 true FR2775007A1 (fr) | 1999-08-20 |
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ID=9522946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9801757A Expired - Lifetime FR2775007B1 (fr) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Structure plane d'electrodes alternees d'une premiere et d'une seconde polarites et son procede de fabrication |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2775007B1 (fr) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2098485A2 (fr) * | 2008-03-07 | 2009-09-09 | Samsung Electronics Co.,Ltd. | Module d'électrode et appareil de désionisation l'utilisant |
| US8357288B2 (en) | 2008-02-29 | 2013-01-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Deionization apparatus and method of manufacturing the same |
| WO2022189668A1 (fr) * | 2021-03-12 | 2022-09-15 | Codikoat Ltd | Revêtements antimicrobiens et/ou antiviraux |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2742450A1 (fr) * | 1995-12-15 | 1997-06-20 | Electricite De France | Procede pour la production d'hypochlorite |
-
1998
- 1998-02-13 FR FR9801757A patent/FR2775007B1/fr not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2742450A1 (fr) * | 1995-12-15 | 1997-06-20 | Electricite De France | Procede pour la production d'hypochlorite |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP2098485A3 (fr) * | 2008-03-07 | 2009-10-21 | Samsung Electronics Co.,Ltd. | Module d électrode et appareil de désionisation l'utilisant |
| US8440064B2 (en) | 2008-03-07 | 2013-05-14 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electrode module and deionization apparatus using the same |
| EP2347999A3 (fr) * | 2008-03-07 | 2013-06-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Module d électrode et appareil de désionisation l'utilisant |
| WO2022189668A1 (fr) * | 2021-03-12 | 2022-09-15 | Codikoat Ltd | Revêtements antimicrobiens et/ou antiviraux |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2775007B1 (fr) | 2000-04-28 |
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