ITMI992358A1 - Cassone di estremita' di un elettrodializzatore elettrodializzatore che comprende tale cassone di estremita' e procedimento di elettrodialis - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione riguarda elettrodializzatori .

Essa, più in particolare, riguarda i cassoni che sono situati in corrispondenza delle estremità degli elettrodializzatori e che contengono elettrodi.

Gli elettrodializzatori sono installazioni elettrochimiche, formate da un impilamento di membrane selettivamente permeabili agli ioni e da telai separatori situati tra due cassoni di estremità contenenti elettrodi. I cassoni di estremità comprendono normalmente una camera e, in questa, un elettrodo verticale ed una membrana selettivamente permeabile agli ioni, disposta verticalmente, rispetto all'elettrodo. La rappresentazione schematica di un elettrodializzatore è riportata in Techniques de l'ingénieur 3-1988, pag. J2840-13, Fig. 18. Durante il funzionamento dell'elettrodializzatore, gli elettrodi sono collegati ai morsetti di una sorgente di corrente continua e si introducono elettroliti nei compartimenti definiti tra le membrane, e anche nei due cassoni di estremità, in modo da generare reazioni elettrochimiche negli elettroliti'.

Le reazioni elettrochimiche che sì producono nei cassoni di estremità, in generale, provocano la formazione di un gas sugli elettrodi, per esempio ossigeno e idrogeno, nel caso di elettroliti acquosi. E' importante assicurare una regolare eliminazione di questo gas, e ciò usualmente viene ottenuto facendo circolare l'elettrolita in ciclo tra il cassone di estremità e una camera di degassaggio (EP-A-0081092, pg. 8, righe da 11 a 16). Parimenti è stato proposto di utilizzare lamiere metalliche traforate per gli elettrodi e di realizzare una camera dietro la lamiera, per la circolazione dell'elettrolita e del gas [EP-A-0724904 (SOLVAY)].

Durante il funzionamento degli elettrodializzatori, usualmente, si osserva che la densità della corrente elettrica si ripartisce in modo eterogeneo nelle membrane, in modo che essa è più elevata nella parte inferiore delle membrane e va decrescendo dal basso verso l'alto di queste. Questo fenomeno riguarda soprattutto le membrane che sono le più vicine ai cassoni di estremità, in particolare la membrana che è contigua a quella di un cassone di estremità. Questo fenomeno influisce negativamente sul funzionamento degli elettrodializzatori.

La presente invenzione ha lo scopo di rimediare a questo inconveniente degli elettrodializzatori noti, mettendo a disposizione un cassone di estremità di concezione nuova, che, tutte le altre caratteristiche essendo uguali, peraltro, fa migliorare notevolmente l'omogeneità della densità della corrente elettrica negli elettrodializzatori.

Di conseguenza, l'invenzione riguarda un cassone di estremità di un elettrodializzatore che comprende un elettrodo verticale ed una membrane selettivamente permeabile agli ioni, disposta verticalmente, davanti all'elettrodo, il cassone essendo caratterizzato dalla presenza di un canale verticale, che separa l'elettrodo dalla membrana.

L'elettrodo del cassone secondo l'invenzione deve essere costituito da un materiale conduttore dell'elettricità e compatibile con la reazione dell'elettrodo desiderata. La sua struttura non è critica. Essa comprende vantaggiosamente una lamiera metallica. La lamiera metallica può essere costituita, per esempio, da una lamiera piena, da una lamiera traforata, da un foglio di metallo dispiegato, da una lastra a griglia oppure da una rete. L'elettrodo è sostanzialmente verticale.

Con il termine membrana selettivamente permeabile agli ioni si intende indicare un foglio sottile sostanzialmente impermeabile agli elettroliti acquosi, ma permeabile a certi ioni. La membrana selettivamente permeabile agli ioni può essere una membrana selettivamente permeabile agli anioni oppure una membrana selettivamente permeabile ai cationi.

Nel cassone secondo la presente invenzione, l'elettrodo e la membrana sono normalmente situati in una camera delimitata da un opportuno telaio la cui forma e la cui struttura non sono critiche ai fini della presente invenzione. Informazioni relative al telaio sono reperibili in particolare in Techniques de l'ingénieur 3-1988, pag. J2840 - 13, Fig. 18 e in EP-A-0724904 (SOLVAY).

Secondo la presente invenzione, l'elettrodo e la membrana sono separati da un canale verticale. Il canale si estende sulla totalità dell'altezza dell'elettrodo e della membrana e, vantaggiosamente, sostanzialmente su tutta la lunghezza dell'elettrodo e della membrana. Il canale è destinato a consentire una circolazione ascendente dell'elettrolita e del gas generato sull'elettrodo durante il normale funzionamento dell'elettrodializzatore. La larghezza del canale (la sua dimensione trasversale rispetto alla membrane e all'elettrodo) deve essere sufficiente affinchè la circolazione dell'elettrolita e del gas precedentemente citata avvenga senza ostacoli. La larghezza ottimale dipende da diversi parametri, in particolare dalle dimensioni dell'elettrodo (principalmente dalla sua altezza), dalla densità della corrente elettrica e dell'elettrolita utilizzato nel cassone. Pertanto, essa deve venire determinata in ciascun caso particolare effettuando un lavoro in laboratorio di tipo rutinario. In pratica, quando l'elettrodo è una lamiera, si raccomanda che la larghezza del canale sia superiore a 0,002 volte l'altezza della lamiera, il rapporto tra la larghezza del canale e l'altezza della lamiera essendo compreso preferibilmente tra 1:200 e 1:50.

Nel cassone secondo la presente invenzione, si può usare qualsiasi mezzo opportuno per formare il canale. Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il canale è delimitato tra l'elettrodo ed una lastra verticale traforata, che supporta la membrana e che è mantenuta distanziata dall'elettrodo per mezzo di distanziatori. In questa forma di realizzazione della presente invenzione, i distanziatori devono essere concepiti in modo da non ostacolare la circolazione ascendente dell'elettrolita e del gas nel canale, durante il funzionamento del cassone. Per questo scopo, essi possono comprendere per esempio lamelle verticali che sono fissate per mezzo dei loro orli all'elettrodo ed alla lastra.

Nella forma di realizzazione della presente invenzione, che viene qui descritta, è opportuno evitare che la lastra provochi uno sviluppo di gas nel corso dell'utilizzo del cassone in un elettrodializzatore . Questo obiettivo viene raggiunto adottando diversi metodi. Secondo un primo metodo, si realizza la lastra di materiale inerte non conduttore dell'elettricità. Secondo un secondo metodo, si realizza la lastra di materiale conduttore dell'elettricità, la cui sovratensione all'atto dello sviluppo del gas prodotto sull'elettrodo, è superiore a quella dell'elettrodo. Secondo un terzo metodo, che è preferito, la lastra viene realizzata in materiale conduttore dell'elettricità e l'elemento di inserimento che la collega all'elettrodo è di materiale non conduttore dell'elettricità.

La presente invenzione riguarda anche un elettrodializzatore che comprende, in modo di per sè noto, una alternanza di membrane verticali selettivamente permeabili agli ioni e di separatori, tra due cassoni di estremità almeno uno dei quali è conforme alla presente invenzione.

Nell'elettrodializzatore secondo la presente invenzione, le membrane selettivamente permeabili agli ioni, che sono situate tra i due cassoni, possono comprendere membrane selettivamente permeabili agli anioni, membrane selettivamente permeabili ai cationi e membrane bipolari.

Nell'elettrodializzatore secondo la presente invenzione, le membrane selettivamente permeabili agli ioni e i separatori che sono interposti tra esse, definiscono compartimenti di elettrodialisi che sono in comunicazione con tubi di immissione e con tubi di scarico degli elettroliti. In pratica, per formare questi compartimenti, i separatori sono telai applicati sulla zona periferica delle membrane. Il numero di compartimenti di elettrodialisi non è critico. Esso, normalmente è superiore a dieci e usualmente può arrivare a parecchie centinaia, tra i due cassoni di estremità.

L'elettrodializzatore secondo la presente invenzione trova diverse applicazioni che sono ben note nelle tecniche dell'elettrodialisi. Esso è particolarmente adatto a procedimenti di elettrolisi nei quali si realizza, nell'elettrodializzatore, una densità di corrente elettrica che è inferiore a 3 kA/m<2 >e che, preferibilmente, non supera 2,5 kA/m<2>.

Pertanto, la presente invenzione riguarda anche un procedimento di elettrodialisi secondo il quale si impiega un elettrodializzatore conforme alla presente invenzione, e, in detto elettrodializzatore, si realizza una densità di corrente elettrica inferiore a 3 kA/m<2>. Nel procedimento secondo la presente invenzione, preferibilmente si sceglie una densità di corrente che non supera 2,5 kA/m<2>, i valori da 0,1 a 2,0 kA/m2 essendo particolarmente vantaggiosi, quelli da 0,5 a 1,5 kA/m<2 >essendo preferiti.

Nel procedimento secondo la presente invenzione, la densità di corrente elettrica viene espressa riferita alla superficie di una faccia della membrana del cassone di estremità dell'elettrodializzatore. Nel caso in cui le membrane dei due cassoni di estremità non abbiano la medesima superficie, la densità di corrente viene espressa riferita alla membrana che ha la superficie più piccola.

Il procedimento secondo la presente invenzione viene impiegato in modo particolarmente vantaggioso per l'elettrodialisi di soluzioni acquose e di sali di sodio, come cloruro di sodio, carbonato di sodio, fosfato di sodio oppure solfato di sodio. Esso è particolarmente adatto per la produzione di soluzioni acquose di idrossido di sodio mediante elettrodialisi di soluzioni acquose di cloruro di sodio oppure di carbonato di sodio.

Particolarità e dettagli della presente invenzione compariranno nel corso della descrizione che segue dei disegni allegati.

La figura 1 è una vista esplosa, in sezione longitudinale, verticale, di una forma di realizzazione particolare dell'elettrodializzatore secondo la presente invenzione.

La figura 2 è una vista analoga alla figura 1, di un cassone di estremità dell'elettrodializzatore della figura 1.

In queste figure, uguali notazioni di riferimento indicano elementi identici.

L'elettrodializzatore rappresentato nella figura 1 comprende, in modo di per sè noto, membrane selettivamente permeabili agli ioni 1, 2, 3, disposte verticalmente e alternate da separatori verticali 4, tra due cassoni di estremità. Ciascun cassone di estremità è indicato, nel suo insieme, dalla notazione di riferimento 5. I separatori 4 sono telai sottili che delimitano compartimenti di elettrodialisi 7 tra le membrane 1, 2 e 3.

La figura 2 mostra, in più grande scala di riproduzione, un cassone di estremità 5. Secondo la presente invenzione, il cassone di estremità 5 comprende un piano verticale rettangolare 6, un elettrodo 7, un telaio 8, una lastra verticale 9 in metallo dispiegato ed una membrana 10 selettivamente permeabile rispetto agli ioni (per esempio una membrane selettivamente permeabile ai cationi). Per ciò che riguarda il telaio 8, la lastra 6 presenta un bordo periferico sporgente 11. La lastra 6 e il suo bordo 11 delimitano una cavità verticale nella quale è situato l'elettrodo 7. Questa cavità comprende una lamiera metallica verticale, disposta sostanzialmente in allineamento con la faccia libera del bordo 11. La lamiera 7 è saldata a longheroni metallici verticali 12, che sono anch'essi saldati a barre cilindriche orizzontali 13, che attraversano il piano 6. Le barre 13 sono destinate a venire collegate ad una sorgente di corrente continua, non rappresentata.

Il telaio verticale 8 è applicato sul bordo 11 del piano 6 e porta la lastra di metallo traforata 9. La lastra 9 è più piccola rispetto al telaio 8 e si trova dietro un bordo periferico in aggetto 14. Tenoni cilindrici 15 la cui lunghezza è sostanzialmente uguale allo spessore del telaio 8, sono fissati alla lastra 9. I tenoni 15 sono di un materiale non conduttore dell'elettricità, per esempio, sono di politetrafluoroetilene . Essi servono a mantenere la lastra 9 distanziata dalla lamiera 7. La loro lunghezza è sostanzialmente uguale allo spessore del telaio 8, diminuito dello spessore della lastra 9. Essa, per esempio, può essere di circa 10 irai. La membrana 10 viene applicata sulla lastra 9 e, in corrispondenza della sua periferia, sul bordo 14 del telaio 8. Un canale verticale 19 viene così realizzato nel cassone 5 tra l'elettrodo 7 e la membrana 10.

Il piano 6, il telaio 8, i telai 4 e le membrane 10, 1, 2 e 3 sono perforati da fori trasversali 16 (non visibili sulle membrane), allineati in modo da formare tubi per la circolazione degli elettroliti durante il funzionamento dell'elettrodializzatore.

Nel cassone di estremità 5, il piano 6 e il suo bordo 11, il telaio 8 e la membrana 10 delimitano, tra loro, una camera di elettrolisi contenente l'elettrodo 7. L'elettrodo 7 è un anodo in uno dei cassoni 5 ed un catodo nell'altro cassone. Tubi 17 e 18, realizzati nel piano 6, servono alla immissione di un elettrolita nella camera di elettrolisi e allo scarico dei prodotti dell'elettrolisi.

Durante il funzionamento dell'elettrodializzatore delle figure 1 e 2, si fanno circolare elettroliti nei compartimenti delimitati tra le membrane 1, 2, 3,.... mediante i tubi 16. Si collegano le barre 13 degli elettrodi 7 ai morsetti di una sorgente di corrente continua e si introduce un elettrolita (per esempio una soluzione acquosa di idrossido di sodio) nei due cassoni di estremità 5, tramite i tubi 17. L'elettrolita viene decomposto a contatto degli elettrodi 7, con liberazione di un gas (in generale ossigeno all'anodo e idrogeno al catodo). Il gas sale nel canale 19 trascinando con sè l'elettrolita decomposto e sfugge, insieme all'elettrolita, attraverso il tubo 18.

In una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa dell'elettrodializzatore rappresentato nelle figure, la membrana 1 è una membrana bipolare, la membrana 2 è una membrana selettivamente permeabile ai cationi e la membrana 3 è una membrana selettivamente permeabile agli anioni. Questo insieme di tre membrane costituisce una unità o cella di elettrodialisi elementare e si ripete in parecchi esemplari (per esempio un centinaio di esemplari) tra i due cassoni 5. L'elettrodializzatore secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione viene applicato per la produzione di una soluzione acquosa di idrossido di sodio partendo da una soluzione acquosa

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Cassone di estremità di un elettrodializzatore, che comprende un elettrodo verticale ed una membrana selettivamente permeabile agli ioni, disposta verticalmente, davanti all'elettrodo, caratterizzato dal fatto che un canale verticale separa l'elettrodo dalla membrana.
2. 2) Cassone secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'elettrodo comprende una lamiera verticale e caratterizzato dal fatto che il canale è delimitato tra detta lamiera e una lastra verticale, traforata, che supporta la membrana e che è elettricamente isolata dalla lamiera.
3. 3) Cassone secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che il canale presenta una larghezza superiore a 0,002 volte l'altezza della lamiera.
4. 4) Cassone secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra la larghezza del canale e l'altezza della lamiera è compreso tra 1:200 e 1:50.
5. 5) Cassone secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che la membrana è selettivamente permeabile ai cationi.
6. 6) Elettrodializzatore che comprende un'alternanza di membrane verticali, selettivamente permeabili agli ioni e di separatori, tra due cassoni di estremità caratterizzato dal fatto che almeno uno dei cassoni di estremità è conforme ad una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5.
7. 7) Elettrodializzatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di contenere una membrana bipolare.
8. 8) Procedimento di elettrodialisi, caratterizzato dal fatto che si impiega un elettrodializzatore conforme alla rivendicazione 6 oppure 7 e, nell'elettrodializzatore, si adotta una densità di corrente inferiore a 3 kA/m<2>.
9. 9) Procedimento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la densità di corrente è compresa tra 0,1 a 2,0 kA/m<2>.
10. 10) Procedimento secondo la rivendicazione 8 oppure 9, caratterizzato dal fatto di venire applicato alla elettrodialisi di una soluzione acquosa di cloruro di sodio.