MXPA02010336A - Celula electrolitica y metodo para la electrolisis. - Google Patents

Abstract

Se proporciona una celula electrolitica para producir una solucion de hipoclorito de sodio con cloro activo de agua salada. Una pluralidad de las celulas se emplean tipicamente con la condicion de enfriar el electrolito. La celula comprende un catodo metalico cilindrico con un anodo metalico cilindrico mas pequeno colocado dentro del catodo par definir un trayecto anular a traves del cual pasa el electrolito. En las modalidades preferidas, el trayecto anular puede contener material particulado tal como carbono para mejorar el contacto de superficie, y una membrana anionica puede proporcionarse entre el anodo y catodo para dividir el trayecto anular en dos camaras.

Description

CÉLULA ELECTROLÍTICA Y MÉTODO PARA LA ELECTRÓLISIS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo de la Invención Esta invención se refiere a una célula electrolítica útil para la producción de hipoclorito de sodio de agua salada.

Discusión de la Técnica Relacionada Ya se ha conocido en la materia que la electrólisis de agua salada produce cloro, hidróxido de sodio, e hidrógeno de acuerdo a la ecuación: 2NaCI + 2H2O => 2NaOH + Cl2 + H2 o, alternativamente, hipoclorito de sodio e hidrógeno de acuerdo a la ecuación: NaCI + 2 H2O => NaOCI + 2H2 Los métodos y aparatos utilizados en la realización de la electrólisis han variado ampliamente, pero ha permanecido constante un factor -la necesidad de tanques grandes y ánodos múltiples y cátodos a fin de obtener la cantidad deseada del producto. Tal equipo es voluminoso, caro, e ineficaz, sin embargo, según se representa por la Patente de E. U . No. 3, 721 ,619 para Ruehlen que describe una célula electrolítica grande que mantiene el tanque en el cual se utilizan las células múltiples. Las células individuales tienen un ánodo similar al electrodo rodeado por un cátodo auxiliar de una pantalla de acero o acero inoxidable o lámina perforada y además rodeado por un cátodo adicional. El ánodo consiste de un núcleo de un conductor de metal tal como cobre rodeado por una primer capa de carbono no poroso y una segunda capa de carbono poroso. Además, existe una amplia variedad de otros diseños de célula electrolítica que se han propuesto utilizando un ánodo y cátodo colocados coaxialmente. Algunos de estos se representan por las siguientes patentes. La Patente de E. U. No. 3,076,754 para Evans describe una célula electrolítica que tiene un ánodo vacío y cátodo vacío colocados coaxialmente, con el ánodo rodeando al cátodo. El electrolito pasa entre los electrodos y el agua se bombea a través del interior del cátodo para enfriar la célula. La referencia utiliza titanio o titanio revestido por platino para los electrodos de la célula debido a la resistencia a la erosión de forma supuesta superior de estos materiales. La Patente de E. U . No. 3,390,065 para Cooper describe una célula electrolítica que consiste de electrodos tubulares coaxiales, con el electrodo interno preferentemente siendo el ánodo. Cooper también describe el uso de agua de enfriamiento bombeada a través del electrodo interno. Un diagrama se ubica entre los dos electrodos para dividir el espacio anular en un compartimiento de ánodo y un compartimiento de cátodo. Esta referencia describe el utilizar titanio o titanio revestido por elemento noble como el material de electrodo. La Patente de E. U . No. 3,984, 303 para Peters et al. , describe una célula electrolítica que tiene electrodos permeables al l íquido vacíos colocados coaxialmente, el ánodo dentro del cátodo. Una membrana permeable al ion tubular se ubica sobre la parte externa del ánodo para separar la capa de anolito de la capa de catolito. El cátodo se forma de hierro, acero suave, níquel, o mezclas de los mismos. El ánodo es un metal de válvula tal como titanio, tantalio, zirconio, tungsteno, 'y lo similar, y tiene un revestimiento de un metal de grupo platino o de óxidos mezclados de metal de válvula y metal de grupo platino. No se bombea ningún refrigerante a través del interior vacío del ánodo. La Patente de E. U . No. 4,784,735 para Sorenson describe una célula electrolítica que tiene un tubo interno para reciclar el fluido catolítico rodeado coaxialmente por un cátodo permeable al líquido, una membrana permeable al ion, y después un ánodo permeable al líquido. El refrigerante no se bombea a través de la célula. Para obtener la permeabilidad al líquido, los electrodos constituyen, por ejemplo, lámina punzonada o perforada, o hilo metálico tejido. El metal de ánodo puede ser tantalio, tungsteno, columbio, zirconio, molibdeno, o mezclas que contienen tales metales, pero es preferentemente titanio. Los materiales de cátodo descritos son hierro, níquel, plomo, molibdeno, cobalto, o mezclas que contienen grandes cantidades de tales metales. Las variaciones de la forma física de los electrodos también se han introducido, según se muestra por la Patente de E. U. No. 4,481 , 303 para Mcintyre et al. , que describe las partículas adecuadas para utilizarse como material de electrodo. Las partículas consisten de un sustrato tal como grafito al menos parcialmente, pero preferentemente, cubierto completamente por un revestimiento, conteniendo el revestimiento un aglutinante y un catalizador conductivo. Las partículas de sustrato pueden ser más pequeñas que aproximadamente 0.3 mm o más grandes que aproximadamente 2.5 cm, pero el rango preferido es de aproximadamente 0.7mm a aproximadamente 4mm (700-4000µm). Según puede observarse de estas patentes, aquellos en la materia han continuado esforzándose para células electrolíticas menos caras, más eficaces. Las células diferentes reflejadas por las patentes anteriores muestran la amplia variedad de procedimientos que se han tomado. Sin embargo, existe la necesidad de células electrolíticas que sean capaces de producir cloro de agua salada más eficazmente y menos caro.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo a la presente invención, el hipoclorito de sodio con iones de cloro activo en solución acuosa se produce de agua salada utilizando una célula electrolítica que tiene electrodos metálicos cilindricos que pueden incluir un depósito fijo de material particulada diminuto para aumentar el área de superficie de los electrodos. La célula electrolítica de la presente invención comprende un cátodo cilindrico metálico vacío y un ánodo cilindrico metálico colocados coaxialmente dentro del cátodo para definir un trayecto anular entre los mismos. El trayecto puede contener carbono particulado teniendo, por ejemplo, un diámetro promedio de aproximadamente 1000 micrómetros. La célula electrolítica de la invención también puede incluir una membrana cilindrica colocada dentro del trayecto anular para dividirse en cámaras catódicas y anódicas. El método para utilizar una célula electrolítica de la presente invención incluye pasar una solución a través de los trayectos anulares proporcionados entre el cátodo cilindrico vacío y un ánodo cilindrico vacío colocados coaxialmente dentro del cátodo y aplicar un voltaje a la célula para producir electrolíticamente una solución de hipoclorito. Una pluralidad de células electrolíticas puede emplearse secuencialmente de acuerdo con la invención. Los intercambiadores de calor pueden colocarse en serie entre las células electrolíticas para controlar la temperatura de solución que pasa entre las células. El sistema de enfriamiento puede incluir un sistema de intercambio térmico externo, doble para la célula dividida y único para la célula no dividida. Tanto la descripción general precedente como la descripción detallada siguiente contienen ejemplos de la invención y, por sí mismas, no restringen el alcance de las reivindicaciones anexas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos acompañantes, que constituyen una parte de esta especificación, ¡lustran los sistemas y métodos consistentes con la invención y, junto con la descripción, ayudan a explicar los principios de la invención. En los dibujos: La Figura 1 es una vista transversal desde lo alto de una célula electrolítica de acuerdo con una modalidad de la invención. La Figura 2 es una sección transversal, lateral de la célula de la Figura 1 .

La Figura 3 es una sección transversal desde lo alto de una célula electrolítica de acuerdo con otra modalidad de la invención ilustrando una membrana aniónica para dividir el espacio anular. La Figura 4 es una sección transversal lateral de 1a célula de la Figura 3. La Figura 5 es una vista en perspectiva lateral de la célula de las Figuras 3 y 4. La Figura 6 es una perspectiva desde lo alto que muestran el interior de la célula de la Figura 5. La Figura 7 muestra una instalación de prueba de célula de prueba para probar la célula de acuerdo con la presente invención. La Figura 8 muestra una gráfica de la curva de polarización del ánodo de acuerdo con la presente invención. La Figura 9 muestra una gráfica de la curva de polarización del cátodo de acuerdo con la presente invención. Las Figuras 10-12 muestran gráficas de una concentración de un cloro activo contra una corriente que fluye a través de la célula electrolítica de acuerdo con la presente invención. La Figura 1 3 muestra una gráfica de una concentración de cloro activo contra una corriente que fluye a través de una célula electrolítica que tiene una membrana aniónica de acuerdo con la presente invención. La Figura 14 muestra tres células del tipo ilustrado en las Figuras 3-6, conectadas en serie con intercambiadores de calor de acuerdo con la invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Ahora se hará referencia a detalle a las modalidades preferidas presentes de la invención, los ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos acompañantes. Cuando sea posible, se utilizarán los mismos números de referencia a lo largo de todos los dibujos para referirse a las mismas partes o similares. La presente invención proporciona una célula electrolítica y sistema que producen hipoclorito de sodio con cloro activo de agua salada. La presente invención incluye una célula que comprende cátodo y un ánodo que son cilindros vacíos colocados coaxialmente en la célula electrolítica con el ánodo colocándose dentro del cátodo. El agua salada fluye a través del espacio anular formado entre el cátodo y ánodo. Cuando el electrolito deja el espacio anular, entra a un intercambiador de calor tubular externo para mantener la temperatura correcta del electrolito y después entra en la zona anódica y catódica de la segunda célula y así sucesivamente. Cuando la concentración correcta de cloro libre se alcanza, en el anolito (producto final) se deja el sistema y el catolito se recicla a la primer célula y una nueva agua salada se alimenta en la célula catódica. En una modalidad de la invención, el ánodo y cátodo se forman cada uno de electrodos metálicos y grafito particulado diminuto que tiene un diámetro promedio de aproximadamente .01 a 1 mm para crear una cantidad sustancial de porosidad abierta y maximizar de tal modo el área de superficie de los electrodos. Al maximizar el área de superficie de los electrodos, la célula electrolítica ha mejorado la eficacia, requiere menos energía, menos materia prima, y menos equipo para producir la misma cantidad de cloro como una célula convencional. En una modalidad más de la invención, se proporciona una membrana aniónica porosa en el espacio anular entre el cátodo y ánodo para dividir el espacio anular en cámaras catódicas y anódicas. Las Figuras 1 y 2 ilustran una modalidad de la presente invención en donde una célula electrolítica 10 tiene un cátodo cilindrico vacío 1 1 y un ánodo cilindrico vacío 12 colocados dentro del cátodo para definir un espacio anular 13 para el trayecto de la solución a electrolizarse. La Figura 2, que es una vista lateral transversal de la célula 10, ilustra la entrada 14 en la parte inferior de la célula para la introducción de la solución en el espacio anular 13 y la salida 15 en la parte superior de la célula para la remoción de la solución de electrolito. En una modalidad más de la invención, según se ilustra en la Figura 15, el espacio anular 13 puede contener material particulado tal como grafito para maximizar el área de superficie del ánodo y cátodo. En una modalidad más de la invención, una pluralidad de células 10 puede conectarse en serie de tal forma que el electrolito que deja una célula se introduce hacia la siguiente célula sucesora. El control de temperatura del electrolito puede realizarse con intercambiadores de calor colocados entre las células para controlar la temperatura de los electrolitos fluyentes. Una modalidad más de la invención se ilustra en las Figuras 3, 4, 5 y 6. La célula 20 comprende un cátodo cilindrico vacío 21 y un ánodo cil indrico vacío 22 colocados coaxialmente dentro del cátodo para definir un espacio anular 23 el cual, según se describe anteriormente, puede contener carbono particulado tal como grafito que tiene un tamaño de partícula promedio déla cantidad de 0.1 a 1 mm. El espacio anular 23 se divide por una membrana anódica porosa 24 colocada entre ' el ánodo y cátodo para definir una cámara anódica 26 y cámara catódica 25. Según se muestra en la Figura 4, las entradas 27 y 29 se proporcionan para la introducción de una solución tal como agua salada y catolito reciclado. Las salidas 28 y 30 se proporcionan en la parte superior de la célula para extraer los productos de electrólisis que incluyen hipoclorito de sodio y cloro activo. Los ánodos y cátodos empleados de acuerdo con la invención son cilindros metálicos porosos que, por ejemplo, pueden construirse de titanio. Preferentemente, el cátodo es titanio cubierto por una capa de platino y el ánodo es titanio cubierto con óxido de rutenio. Alternativamente, el titanio puede revestirse con óxido de iridio, óxido de paladio, óxido de níquel, o combinaciones de los mismos. A pesar de no ser crítico para la invención, típicamente, el cátodo puede ser un cilindro aproximadamente de cuatro pulgadas en diámetro, el ánodo, dos pulgadas en diámetro y la membrana aniónica, tres pulgadas en diámetro. El espacio anular entre el ánodo y la membrana, lleva agua salada para convertirse a hipoclorito de sodio que contiene cloro activo en alta concentración (>28 g/l). En el caso de baja concentración de cloro (< 1 5 g/l), la membrana 24 no es necesaria. La presente invención puede utilizarse para producir hipoclorito de sodio con cloro activo al electrolizar un agua salada de metal de álcali (solución NaCI). El agua salada entra en áreas anulares 25 y 26 de la célula electrolítica 20 y se bombea a través de la célula 20 utilizando sistemas de bombeo conocidos. Se aplica un voltaj a la célula 20 dando como resultado hipoclorito de sodio con cloro activo a crearse en el ánodo 22 e hidrógeno y NaOH a crearse en el cátodo 21 . La reacción de célula global es como sigue: 2NaCI + 2H2O => 2NaOH + Cl2 + H2 Al utilizar el agua salada como entrada a la célula 20 de la presente invención, las reacciones principales para la producción de iones hipoclorosos son: Ánodo: 2 Cl" => Cl2 + 2e Cátodo: 2H2O + 2e => 2OH + H2 Solución : Cl2 + H2O => HCIO + cr + H- HCIO => H+ + CIO- Las reacciones de pérdida correspondientes son como sigue: Ánodo: 6CIO- + 3H2O => 2CIO3 + 4Cr + 3/2 O2 + 6e 3H2O => O2 + 4H+ + 4e Cátodo: CIO- + H2O + 2e => Cl" + 2OH" Solución : 2HCIO + CIO" => CIO3" + 2CI" + 2H" 2CIO => O2 + 2CI' La Figura 7 muestra, como un ejemplo, un sistema 40 para determinar la cantidad de cloro producida por la célula 20 de la presente invención. Según se muestra, se suministra energía a la célula 20 de la fuente de energía 41 . El agua salada entra del baño termoestático 42 a la célula 20 para procesarse en los espacios anulares 23. El baño termoestático 42 se enfría por el enfriador de agua de circuito cerrado 43.

En una modalidad, un enfriador de agua único 43 se utiliza cuando la célula electrolítica 20 no tiene una membrana aniónica. En otra modalidad, dos enfriadores de agua 43 se utilizan, uno para el ánodo y otro para el cátodo, cuando se utiliza una membrana aniónica en la célula 20, según se describe de aquí en adelante. También puede pasarse el refrigerante a través del interior del ánodo. El enfriamiento de la célula y agua salada reduce la resistencia de la célula a una solución que pasa a través de la célula aumentando de tal modo la cantidad de cloro que puede obtenerse. Las soluciones resultantes, que incluyen NaCI y cloro, se regresan al baño termoestático 42 antes de enviarse para análisis químico.

Los gases se eliminan por un sistema de absorción. Cuando la instalación se cubre, el sistema fluye y la nueva agua salada entra a las células de la instalación. En una modalidad, un sistema multicelular se compone de dos series de diez células cada una teniendo una temperatura de entrada de 20°C y una temperatura de salida de aproximadamente 23°C . Las Figuras 8- 13 muestran los resultados de muestra de pruebas realizadas utilizando la célula de prueba de la Figura 7. La característica electroquímica de los electrodos empaquetados en la célula ejemplo se probo dando como resultado las curvas de polarización mostradas en las Figuras 8 y 9. La Figura 8 muestra la curva de polarización para el ánodo mientras que la Figura 9 muestra una curva de polarización para el cátodo. Las Figuras 10-13 son gráficas que comparan la cantidad de corriente que fluye a través de la célula electrolítica a la cantidad de cloro activo producido. La Figura 10 muestra la concentración que se da como resultado de utilizar un anolito de NaCI en 80 gramos/litros y un catolito de NaOH en 890 gramos/litros. La Figura 1 1 muestra la concentración de utilizar un anolito de 80 gramos/litros de NaCI y un catolito de 120 gramos/litros de NaOH . La Figura 13 muestra la concentración que utiliza un anolito de 120 gramos/litros de NaCI y un catolito de 80 gramos/litros de NaOH. Las cantidades resultantes de cloro activo generalmente ascienden a más de 3% de concentración de cloro activo después de la electrólisis de agua salada utilizando la presente invención. En una modalidad preferida de la presente invención, los tubos de ánodo se elaboran de titanio revestido por óxido de rutenio y los tubos de cátodo se elaboran de titanio revestido por platino. El uso de una membrana aniónica aumenta la cantidad de cloro que puede obtenerse al limitar la reducción catódica del hipoclorito. En una modalidad, el sistema utiliza células sin una membrana aniónica y produce hipoclorito de sodio en 60 litros/hora con 1 .2% de iones de cloro activo. En otra modalidad, el sistema utiliza células divididas de membrana aniónica y produce hipoclorito de sodio a 20 litros/hora con 3% de ¡ones de cloro activo. La Figura 14 ilustra una parte de un sistema ejemplar de la invención en donde las células múltiples se conectan en serie con intercambiadores de calor interpuestos entre las células. Las células 60, 70 y 80 son células electrolíticas según se describen de aquí en adelante, que tienen cámaras catódicas y anódicas separadas por una membrana aniónica. Cada célula se proporciona con entrada de anolito (67, 77 y 87 respectivamente) entradas de catolito (69, 79 y 89 respectivamente), salidas de catolito (61 , 71 , 81 respectivamente), y salidas de anolito (68, 78 y 88 respectivamente). El agua salada entra a la célula 60 a 67 y la cuarta célula de catolito reciclado 70 entra a 69. El anolito deja la célula 60 a 68 y pasa a través de los intercambiadores de calor 62 antes de entrar a la célula 70 y 77. Según se indica, la misma secuencia de procedimientos ocurre entre las células 70 y 80 y así sucesivamente hasta que el anolito deseado se logra y se remueve del sistema. Será aparente para aquellos expertos en la materia que diversas modificaciones y variaciones puedan hacerse a la célula electrolítica consistente con la presente invención, sin alejarse del alcance o espíritu de la invención. Otras modalidades serán aparentes para aquellos expertos en la materia de la consideración de la especificación y práctica de la invención descrita en la presente. Se pretende que la especificación y ejemplos sean considerados como ejemplares solamente, con un verdadero alcance y espíritu de la invención a indicarse por las siguientes reivindicaciones.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1 . Una célula para electrólisis de una solución que comprende: un cátodo cilindrico vacío; un ánodo cilindrico vacío, el ánodo colocado dentro del cátodo para definir un espacio anular para el trayecto de dicha solución durante la electrólisis; y una entrada para introducir la solución en el espacio anular y una salida para extraer los productos de electrólisis. 2. La célula según la reivindicación 1 , caracterizada porque dicho espacio anular contiene carbono particulado. 3. La célula según la reivindicación 1 , caracterizada porque dicho espacio anular se divide por una membrana colocada entre el ánodo y cátodo. 4. La célula según la reivindicación 2, caracterizada porque dicho espacio anular se divide por una membrana colocada entre el ánodo y cátodo. 5. La célula según la reivindicación 1 , caracterizada porque la solución introducida en la misma es agua salada y los productos de electrólisis en la célula incluyen hipoclorito de sodio y cloro activo. 6. Una célula para electrólisis de agua salada para producir hipoclorito de sodio y cloro activo, comprendiendo: un cátodo cilindrico vacío; un ánodo cilindrico vacío colocado coaxialmente dentro del cátodo para definir un espacio anular que contiene carbono particulado, para el trayecto de dicha agua salada durante la electrólisis; un alojamiento que encierra dicho cátodo y ánodo; una membrana colocada entre el ánodo y cátodo dentro de dicho espacio anular para definir una cámara anódíca y una cámara catódica; y entradas para la introducción de dicha agua salada en el espacio anular y salidas para extraer los productos de electrólisis que incluyen dicho hipoclorito de sodio y cloro activo. 7. La célula según la reivindicación 1 , caracterizada porque dicho ánodo y cátodo son metálicos porosos. 8. La célula según la reivindicación 6, caracterizada porque dicho ánodo y cátodo son metálicos porosos. 9. La célula según la reivindicación 2, caracterizada porque dicho carbono particulado es grafito. 10. La célula según la reivindicación 6, caracterizada porque dicho carbono particulado es grafito. 1 1 . La célula según la reivindicación 3, caracterizada porque dicha membrana es una membrana de intercambio aniónico. 12. La célula según la reivindicación 6, caracterizada porque dicha membrana es una membrana de intercambio aniónico. 1 3. La célula según la reivindicación 6, caracterizada porque cada una de dichas cámaras, anódica y catódica, tiene al menos una entrada y una salida. 14. La célula según la reivindicación 2, caracterizada porque dicho carbono particulado es aproximadamente 0.1 a 1 mm en tamaño de partícula promedio. 15. La célula según la reivindicación 6, caracterizada porque dicho carbono particulado es aproximadamente 0.1 a 1 mm en tamaño de partícula promedio. 16. Un sistema para la electrólisis de agua salada para producir hipoclorito de sodio y cloro activo que comprende: una pluralidad de células electrolíticas serialmente conectadas, cada célula teniendo al menos una entrada y al menos una salida, una entrada de cada célula sucesora conectándose con una salida de la célula procedente para transferir el electrolito entre las células; cada célula comprendiendo además: un cátodo cilindrico vacío; y un ánodo cilindrico vacío colocado dentro del cátodo para definir un espacio anular para el trayecto de la solución de electrolito durante la electrólisis. 17. El sistema según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho espacio anular se divide en cámaras anódicas y catódicas por una membrana colocada entre el cátodo y ánodo. 18. El sistema según la reivindicación 17, caracterizado porque dicha membrana es una membrana aniónica. 19. El sistema según la reivindicación 17, caracterizado porque cada una de dichas cámaras, anódica y catódica, tiene al menos una entrada y una salida. 20. El sistema según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho espacio anular contiene carbono particulado. 21 . El sistema según la reivindicación 20, caracterizado porque dicho carbono particulado es grafito. 22. El sistema según la reivindicación 20, caracterizado porque dicho carbono particulado es aproximadamente 0.1 ' a 1 mm en tamaño de partícula promedio. 23. El sistema según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho espacio anular se divide en cámaras anódicas y catódicas por una membrana amónica colocada entre el cátodo y ánodo, las cámaras catódicas y anódicas conteniendo carbono particulado que tiene un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 0.1 a 1 mm, y cada una de dichas cámaras teniendo al menos una entrada y una salida. 24. El sistema según la reivindicación 23, caracterizado porque dicho carbono particulado es grafito. 25. El sistema según la reivindicación 16, caracterizado porque los intercambiadores de calor se proporcionan entre las células electrolíticas para controlar la temperatura del electrolito transferido entre las células. 26. El sistema según la reivindicación 23, caracterizado porque los intercambiadores de calor se proporcionan entre las células electrolíticas para controlar la temperatura del electrolito transferido entre las células. 27. El sistema según la reivindicación 16, caracterizado porque dicho cátodo y ánodo son cilindros metálicos porosos. 28. El sistema según la reivindicación 23, caracterizado porque dicho cátodo y ánodo son cilindros metálicos porosos.