NO313038B1 - Endeinnfatning for en elektrodialysator, elektrodialysator utstyrt med slik innfatning og anvendelse av slikelektrodialysator - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår elektrodialysatorer. Den gjelder mer spesielt innfatninger anordnet ved endene av elektrodialysatorer.

Elektrodialysatorer er elektrokjemiske installasjoner utformet med en stabel av selektivt ion-gjennomtrengelige membraner og rammer, mellom to endeinnfatninger som inneholder elektroder. Endeinnfatningene omfatter generelt et vertikalt panel som understøtter en elektrode, og danner sammen med en perifer ramme, et hulrom ment for å inneholde en elektrolytt. Den skjematiske representa-sjon av en elektrodialysator finnes i Technique de 1'ingenieur (Engineering techniq-ues) 3-1988, side J 2840 -13, figur 18. Under drift av elektrodialysatoren koples elektrodene til terminalene på en likestrømskilde, og elektrolytten innføres i kamrene som er definert mellom membranene og rammen, så vel som inn i endeinnfatningene, for å forårsake elektrokjemiske reaksjoner i elektrolyttene.

De elektrokjemiske reaksjoner som finner sted i endeinnfatningene produserer generelt en gass på elektrodene, for eksempel oksygen og hydrogen i tilfel-let med vannholdige elektrolytter. Det er viktig å sikre regelmessig uttømming av disse gassene, og dette oppnås vanligvis ved å sirkulere elektrolytten i en sløyfe mellom endeinnfatningen og et avgassingskammer (EP-A-0,081,092, side 8, lin-jene 11 til 16).

Virkningen av gassdannelsen i endeinnfatningene av elektrodialysatorene er at det i de sistnevnte genereres et trykk, som hvis alt annet er likt, øker når den elektriske strømtetthet i elektrodialysatoren øker. Dermed begrenses produktivite-ten av industrielle elektrodialysatorer.

Målet for oppfinnelsen er å frembringe en endeinnfatning som tillater høye strømtettheter i elektrodialysatorene, men uten at dette resulterer i for høye trykk.

Oppfinnelsen angår derfor en endeinnfatning for en elektrodialysator, omfattende et vertikalt panel og en vertikal ramme som definerer mellom dem et hulrom som inneholder en elektrode og er i forbindelse med et innløpsrør og et ut-løpsrør for elektrolytt, og der elektroden omfatter en perforert vertikal metallplate som er anordnet i hulrommet, vendt mot panelet og satt tilbake fra dette for å danne et kammer mellom panelet, platen og rammen, idet kammeret er delt i vertikale kanaler av vertikale delevegger, og idet rørene åpner inn i det nevnte kammer. Endeinnfatningen kjennetegnes ved at materialet i de vertikale delevegger er valgt fra elektrisk ikke-ledende materialer og metalliske materialer som har en

høyere overspenning enn den til elektrodeplaten.

I innfatningen ifølge oppfinnelsen er panelet anordnet vertikalt og er ment å tjene som en endeplate for elektrodialysatoren.

Panelet og rammen bør lages av materialer som kan motstå det kjemiske og elektrokjemiske miljø under drift av elektrodialysatoren. Rammen kan danne en integrert del av panelet, eller kan være et separat element fra dette. Hvis rammen er et separat element fra panelet, bør forbindelsen mellom panelet og rammen være lekkasjetett i forhold til elektrolytter og gasser. Rammen og panelet er fortrinnsvis laget av et materiale som ikke er elektrisk ledende.

Den perforerte elektrodeplaten kan være en metallplate med åpninger, en gjennombruddsplate, et metallgitter eller en plate av ekspandert metall. En plate av ekspandert metall kan brukes med fordel.

Elektrodeplaten er anordnet i det nevnte hulrom i innfatningen, parallelt med panelet og satt tilbake fra dette. Et kammer blir således dannet mellom panelet og platen. Dette kammeret er delt i vertikale kanaler ved vertikale delevegger som forbinder panelet i innfatningen med elektrodeplaten. Det er minst to delevegger, for å danne minst tre vertikale kanaler i kammeret. I praksis kan kammeret være delt i et større antall vertikale kanaler. De vertikale deleveggene strekker seg bare over en del av kammerets høyde, slik at det nedre området og det nedre området av kammeret ikke er delt. Ifølge oppfinnelsen, okkuperer det nedre og det øvre området av kammeret mindre enn en tredjedel, fortrinnsvis 5 til 20 %, av kammerets totale høyde. Innløps- og utløpsrør for elektrolytt åpner inn i de to nevnte områder av kammeret. Dette kammeret er således ment å bli brukt som et elektrolysekammer når innfatningen brukes i en elektrodialysator. Tykkelsen av kammeret og bredden av de vertikale kanaler bør velges på en slik måte at man frembringer optimale hydrodynamiske forhold under normal drift av elektrodialysatoren. De optimale verdier av disse dimensjoner må derfor avhenge av forskjellige parametere, spesielt viskositeten av elektrolytten som sirkulerer i kammeret og dimensjonene av elektrodeplaten. Disse kan lett bestemmes i et praktisk til-felle. I praksis er tykkelsen av kammeret med fordel større enn 1 mm, fortrinnsvis minst 5 mm. Volumet av elektrolytt som skal brukes avhenger av tykkelsen av

kammeret, og for dette formål er det anbefalt at tykkelsen ikke overskrider

100 mm, fortrinnsvis 50 mm. Tykkelser på 10 til 30 mm er generelt passende.

Hvis elektrodeplaten er en gjennomtrengnings-plate, må orienteringen av de horisontale slisser være konstruert på en slik måte at en stigende fluidumstrøm som strømmer langs platen utenfor det ovennevnte kammer, blir avbøyet av disse slissene, passerer gjennom åpningene i elektrode-platen og entrer kammeret.

I innfatningen ifølge oppfinnelsen kan rammen og elektrodeplaten ha en sirkelrund eller flerkantet profil. En rektangelformet profil er å foretrekke.

I innfatningen ifølge oppfinnelsen kan deleveggene være laget av metall eller av et materiale som ikke er elektrisk ledende. Hvis de er laget av et elektrisk ledende materiale, kan det vise seg fordelaktig å velge dette materialet blant materialer som har et overpotensial større enn materialet i elektrodeplaten. I denne alternative utførelse av oppfinnelsen, er det overpotensial som tas i betraktning det som gjelder en elektrolyse-reaksjon som produserer en gass på elektrodeplaten under normal bruk av innfatningen i en elektrodialysator.

I innfatningen ifølge oppfinnelsen har bruken av et oppdelt elektrolysekammer det gunstige resultatet at jevnheten av elektrolytt-strømmen forbedres, og ut-tømningen av gass som genereres på elektrodeplaten, lettes.

I en fordelaktig utførelse av innfatningen ifølge oppfinnelsen, er elektrodens overflate som er lengst borte fra panelet i det vesentlige innrettet med rammen. I denne utførelsen av oppfinnelsen er elektrodeplaten ment å virke som en under-støttelse for en membran når innfatningen er montert i en elektrodialysator.

I en annen utførelse av innfatningen ifølge oppfinnelsen virker de nevnte delevegger som fordelere av elektrolysestrømmen på elektrodeplaten. For dette formål er det laget av metall, og montert, for det første på elektrodeplaten, og for det andre til elektriske strømledere som passerer gjennom panelet i innfatningen, hvor panelet er laget av et materiale som ikke leder elektrisitet.

Elektroden og deleveggene kan understøttes i kammeret i innfatningen på hvilken som helst passende måte. Ifølge en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen, omfatter denne anordningen en horisontal bjelke som er festet på tvers av deleveggene og som er tilpasset i et tilsvarende hus i panelet i innfatningen. I en gunstig variant av denne utførelsen av oppfinnelsen er bjelken laget av metall og festet til en elektrisk leder som passerer gjennom panelet i innfatningen for å forbindes med en strømkilde.

I en ytterligere utførelse av innfatningen ifølge oppfinnelsen består i det minste noen av de nevnte delevegger av laterale flenser av U-formede eller V-formede seksjoner som er festet på elektrodeplaten langs sine sentrale deler. Denne varianten av oppfinnelsen har således det spesielle trekk at de nevnte vertikale kanaler er vekselvis i forbindelse med elektrodepanelet og isolert fra dette. Hvis alle andre ting er like, vil denne variant av oppfinnelsen optimalisere sirkuler-ingen av gass og elektrolytt i kammeret, ved å produsere en vekslende rekkefølge av oppadgående strømninger av en emulsjon av gass i elektrolytten og nedadgående strømninger av avgasset elektrolytt. Denne interne sirkulasjon i kammeret er gunstig for uttømming av gass som produseres på elektroden, og gjør følgelig de kjemiske og elektrokjemiske forhold i innfatningen ensartede, og redusere trykket i den.

Oppfinnelsen angår også en elektrodialysator som omfatter, mellom to endeinnfatninger ifølge oppfinnelsen, en vekslende rekkefølge av selektivt ion-gjennomtrengelige membraner og vertikale rammer.

I elektrodialysatoren ifølge oppfinnelsen, kan ion-utvekslingsmembranene omfatte selektivt kation-gjennomtrengelige membraner, selektivt anion-gjennomtrengelige membraner og/eller bipolare membraner.

I elektrodialysatoren ifølge oppfinnelsen, definerer ion-utvekslingsmembranene og rammene som er plassert mellom dem elektrodialyse-kammeret som er i forbindelse med innløpsrørene og utløpsrørene for elektrolytter. Antallet kam-mere er ikke kritisk, og kan generelt være så høyt som flere hundre.

I en spesiell utførelse av oppfinnelsen, omfatter elektrodialysatoren en selektivt ion-gjennomtrengelig (fortrinnsvis kation-gjennomtrengelig) membran på elektrodeplaten i hver innfatning.

Elektrodialysatoren ifølge oppfinnelsen har forskjellige anvendelser som er vel kjent i teknikkene for elektrodialyse. Det har en spesielt fordelaktig anvendelse for fremstilling av vannholdige oppløsninger av natriumhydroksid som begyn-ner med en vannholdig oppløsning av natriumsalter så som natriumklorid, natrium-karbonat, natriumfosfat og natriumsulfat.

Oppfinnelsen gjelder derfor anvendelse av elektrodialysatoren ifølge oppfinnelsen, definert ovenfor, for elektrodialyse av vannholdige oppløsninger av natriumklorid.

Spesielle trekk og detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå fra den følgende be-skrivelse av tegningene, hvor: Fig. 1 er et utspilt riss i vertikalt lengdesnitt av en utførelse av elektrodialy satoren ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser en detalj av elektrodialysatoren på figur 1, i et snitt i planet ll-ll

på figur 1.

På disse figurene henviser de samme betegnelser til identiske elementer.

Den elektrodialysator som er representert på figur 1 omfatter, på en måte som i seg selv er kjent, selektivt ion-gjennomtrengelige membraner 1 og 1', anordnet vertikalt og vekslende med vertikale separatorer 2, mellom to ende-innfatninger 3 og 3'. Selektivt kation-gjennomtrengelige membraner 25 og 25' skiller ende-innfatningene 3, 3' fra separatoren 2.

Funksjonen for separatorene 2 er å avgrense elektrodialyse-kamrene 4 mellom membranene 1,1', 25 og 25'. De kan for eksempel være av den typen som er beskrevet i patentene US-A-4,233,146 og US-A-4,737,260.

I sine øvre og nede deler, har membranene 1,1', 25 og 25' og separatorene 2 åpninger 5 og 6 som danner rette ledninger for sirkulasjon av elektrolytter som er ment å mate elektrodialyse-kamrene 4. Rør 7 i separatorene 2 danner forbindelse mellom disse rørene og elektrodialyse-kamrene 4.

Membranene 1,1', 25 og 20' og separatorene 2 er stablet og komprimert mellom de to endeinnfatningene 3 og 3' ved hjelp av forbindelsesstenger (ikke vist).

Ifølge oppfinnelsen omfatter emneinnfatningene 3 og 3' et vertikalt panel 8 med en utstikkende perifer kant 9. Kanten 9 danner dermed en ramme ved peri-ferien til panelet. Denne rammen 9 har åpninger 10 i forlengelse av åpningene 5 og 6. Disse åpningene 10 er ment å forbindes med elektrolytt-samlere for å mate elektrodialyse-kamrene 4.

Det vertikale panelet 8 og den perifere rammen 9 definerer et vertikalt hulrom i hvilket en elektrode er plassert. Denne elektroden omfatter en perforert vertikal metallplate 12 anordnet slik at den vender mot panelet 8 og er adskilt fra dette for å avgrense et kammer 21 med panelet 8 og den perifere kant 9 av dette. Flaten 8 er med fordel plassert i innretning med den frie overflaten 20 av rammen 9. På denne måten virker elektrodeplaten 12 som en understøttelse for den selektivt gjennomtrengelige membran 25 (25') i elektrodialysatoren.

På den overflaten som er vendt mot panelet 8, understøtter platen 12 vertikale metallseksjoner 13, jevnt fordelt over bredden av platen 12. Seksjonene 13 er hver utformet av en vertikal strimmel som er foldet til en U-form, for å form av en renne. De er sveiset på platen 12 langs den aksielt sentrale del 14 av U-for-men, og deres laterale flenser 29 ligger an mot panelet 8, slik at kammeret 21 blir delt i en rekke vertikale kanaler 27 og 28. Elektrodeplaten 12 og dens seksjoner 13 er understøttet i innfatningen 3 (3') ved hjelp av horisontale bjelker 15 som er sveiset på deleveggene 29 og som er tilpasset i tilsvarende hus i panelet 8. Bjelk-ene 15 er sveiset på tvers til metallstenger 17 som passerer gjennom åpninger 18 i panelet 8. Stengene 17 er ment å forbindes med en likestrømskilde for å drive elektrodialysatoren.

Seksjonene 13 strekker seg over bare en del av høyden av elektrodeplaten 12, slik at den øvre del 30 og den nedre del 31 av kammeret 21 ikke er delt.

Rørene 22 og 23 som går inn i panelet 8 er i forbindelse med de udelte områder 30 og 31 av kammeret 21, via kanaler 24 og 26. De er ment å produsere sirkulasjon av elektrolytten i kammeret 21.

Driften av elektrodialysatoren som er beskrevet med henvisning til figurene 1 og 2, skal forklares med hensyn til anvendelse for elektrodialyse av en vannholdig oppløsning av natriumklorid. I denne anvendelsen er membranen 1 en selektiv kation-gjennomtrengelig membran, og membranen V er en bipolar membran. Sistnevnte er anordnet i elektrodialysatoren på en slik måte at dens selektivt ani-on-gjennomtrengelige overflate er vendt mot den selektivt kation-gjennomtrengelige membran 1. Elektrodeplatene 12 og de U-formede seksjoner 13 er for eksempel laget av nikkel.

Under drift av elektrodialysatoren er stengene 17 i innfatningen 3 forbundet med den positive terminal av en likestrømskilde, og stengene 17 i innfatningene 3' er forbundet med den negative terminal av strømkilden. Vann føres inn i kammeret 4 mellom den bipolare membran 1' og kationmembranen 1, og en vannholdig oppløsning av natriumklorid føres inn i kammeret 4 mellom den bipolare membran 1' og kationmembranen 25', og inn i kammeret 4 mellom kationmembranene 1 og

25. Vann eller en uttynnet vannoppløsning av natriumhydroksid føres dessuten inn i elektrolysekamrene 21 i ende-innfatningene 3 og 3', via rørene 23 og 25 i disse innfatningene. Under påvirkning av den elektriske strøm, gjennomgår van-net elektrolyse i de elektriske platene 12 i kanalen 28, med dannelse av oksygen i innfatningen 3 og hydrogen i innfatningen 3'. En intern elektrolytt-sirkulasjon, omfattende en nedadgående strøm av vannholdig emulsjon i kanalene 28 og en nedadgående strøm av avgasset elektrolytt i kanalen 27, blir satt opp i kamrene 21 i

innfatningene 3 og 2'. Gass som er adskilt fra elektrolytten i den øvre del av kamrene 21 blir uttømt fra disse gjennom rørene 22 via rørene 24.

Claims (9)

1. Endeinnfatning for en elektrodialysator, omfattende et vertikalt panel (8) og en vertikal ramme (9) som definerer mellom dem et hulrom som inneholder en elektrode og er i forbindelse med et innløpsrør (23, 26) og et utløpsrør (22, 24) for elektrolytt, og der elektroden omfatter en perforert vertikal metallplate (12) som er anordnet i hulrommet, vendt mot panelet (8) og satt tilbake fra dette for å danne et kammer (21) mellom panelet (8), platen (12) og rammen (9), idet kammeret (21) er delt i vertikale kanaler (27, 28) av vertikale delevegger (29), og idet rørene (22,

23, 24, 26) åpner inn i det nevnte kammer (21), karakterisert ved at materialet i de vertikale delevegger (29) er valgt fra elektrisk ikke-ledende materialer og metalliske materialer som har en høyere overspenning enn den til elektrodeplaten (12).

2. Innfatning ifølge krav 1, karakterisert ved at deleveggene (29) er laget av metall og er festet, for det første til elektrodeplaten (12), og for det andre til elektriske tilførselslednin-ger som passerer gjennom panelet (8) i innfatningen.

3. Innfatning ifølge krav 1, karakterisert ved at deleveggene (29) er festet, for det første til elektrodeplaten (12), og for det andre til minst en horisontal bjelke (15) som er festet på tvers av deleveggene (29) og som er tilpasset i et tilsvarende hus i panelet (8) i innfatningen.

4. Innfatning ifølge krav 3, karakterisert ved at deleveggene (29) og bjelken (15) er laget av metall, og ved at bjelken (15) er festet til minst en metallstang (17) som passerer gjennom panelet (8) og blir brukt som en elektrisk tilførsels-ledning.

5. Innfatning ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at i det minste noen av de nevnte delevegger (29) består av laterale flenser (29) av U-formede eller V-formede seksjoner (13) som er festet til elektrodeplaten (12) langs deres sentrale del (14).

6. Elektrodialysator, omfattende en vekslende rekkefølge av selektivt ion-gjennomtrengelige membraner (1, 1') og vertikale rammer (2), mellom to ende-innfatninger (3, 3'), karakterisert ved at ende-innfatningene (3, 3') er i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 5.

7. Elektrodialysator ifølge krav 6, karakterisert ved at den omfatter en selektivt ion-gjennomtrengelig membran (25, 25') på platen (12) i hver innfatning (3, 3').

8. Elektrodialysator ifølge krav 7, karakterisert ved at den selektivt ion-gjennomtrengelige membran (25, 25') som er plassert på platen (12) i hver innfatning (3, 3'), er en selektiv kation-gjennomtrengelig membran.

9. Anvendelse av en elektrodialysator ifølge ett av kravene 7 til 8 for elektrodialyse av vannholdige oppløsninger av natriumklorid.