PT98243B

PT98243B - Electrolisador compreendendo pelo menos duas celulas de electrolise elementares acopladas em serie electrica ao longo de uma parede vertical comum

Info

Publication number: PT98243B
Application number: PT98243A
Authority: PT
Inventors: Frederic Muret
Original assignee: Solvay
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1999-01-29
Also published as: ES2080238T3; CS217391A3; BE1004490A3; FI913392A0; US5141619A; EP0466266B1; NO912725L; NO912725D0; CA2046758A1; ATE129026T1; NZ238898A; ZA915244B; AU634666B2; EP0466266A1; BR9102938A; DE69113693D1; FI913392A; PT98243A; AU8034891A; NO304032B1

Description

ELECTROLISADQR COMPREENDENDO PELO MENOS DUAS

CÉLULAS DE ELECTROLISE ELEMENTARES ACOPLADAS EM SERIE ELECTRICA AO LONGO DE UMA PAREDE VERTICAL COMUM¹¹

A invenção refere-se a electrolisadores do tipo série, compreendendo uma sucessão de células de electrolise elementares acopladas electricamente em série.

Refere-se mais particularmente a um electrolisador no qual duas células elementares sucessivas compreendem uma parede vertical metálica comum que assegura a ligação eléctrica entre as células.

Nos electrolisadores conhecidos deste tipo a parede vertical comum das duas células comporta gerahiente, sobre uma fa ce, um ânodo de uma das células, e sobre a outra face um cátodo da outra célula. Para este efeito a parede comum é habitualmente constituída por duas placas de metais diferentes, tornadas solidárias uma com a outra, por exemplo por soldadura. No caso de electrolisadores utilizados para a electrolise da água ou de soluções aquosas, a placa que suporta o ânodo é geralmente de titâ

nio, sendo a outra placa de ferro, de aço, de níquel ou de uma liga destes metais. A presença de uma placa de titânio associada a uma placa de metal diferente pode conduzir a dificuldades na exploração do electrolisador. Estas dificuldades estão associadas â geração de hidrogénio atómico sobre o cátodo no decurso da electrólise; uma parte do hidrogénio atómico migra através das placas da parede comum e forma hidreto de titânio no seio da pia ca de titânio, o que tem por resultado tornar esta frágil. Por outro lado, há o risco de se formar hidrogénio molecular na junção das placas da parede metálica, conduzindo a tensões mecânicas internas susceptíveis de fissurar as placas ou de romper localmente a junta de soldadura que assegura a sua união.

Para remediar este inconveniente foi proposto interpôr entre a placa de titânio e a placa de ferro, de aço ou de ní quel, uma folha de um material de barreira tendo a propriedade de se opor à migração do hidrogénio atómico através da placa de titânio. Para o material de barreira propõe-se o tungsténio, o zinco, o boro, o silício, o cádmio, o carbono, o germânio e o alumínio (Patente BE-A-815 411). Se bem que evite a formação de hidreto de titânio, esta solução não evita a formação de bolsas de hidrogénio molecular na junção da placa catódica e da folha de material de barreira. Procurou-se também manter um afastamento entre as duas placas da parede vertical de modo a formar assim uma câmara vertical para a evacuação do hidrogénio depois da sua migração através da placa que suporta o cátodo (Patente US-A-4 088 551). Nestas montagens conhecidas a ligação eléctrica entre as duas placas da parede vertical comum às duas células é assegurada por meio de pinos metálicos repartidos a intervalos regulares sobre a superfície das placas. Na Patente

GB-A-2 027 053 propõe-se uma solução semelhante, estando a câmara delimitada entre as duas placas cheia com um material condutor poroso, por exemplo um material celular polimérico carregado de partículas metálicas. Nestes electrolisadores conhecidos a Π gação eléctrica entre as duas placas não é homogénea e apresenta, por outro lado, uma resistência eléctrica não desprezível, visto

que não é realizada senão sobre uma parte da superfície das placas .

A invenção soluciona os inconvenientes referidos acima, dos electrolisadores conhecidos, fornecendo o meio de realizar uma parede metálica comum às duas células de electrólise con secutivas, que concilia uma fraca resistência eléctrica e uma fu ga eficaz de um gás que migra no interior da parede.

Por consequência, a invenção refere-se a um electrolj. sador compreendendo pelo menos duas células de electrólise elementares acopladas em série eléctrica ao longo de uma parede ver tical comum que compreende duas placas metálicas verticais, dispostas face a face uma da outra, formando entre elas uma câmara vertical, suportando uma das placas um ânodo de uma das células e suportando a outra placa um cátodo da outra célula; de acordo com a invenção a câmara contém uma massa metálica cuja temperatu ra de fusão é inferior à temperatura reinante na referida câmara durante o funcionamento do electrolisador.

No electrolisador de acordo com a invenção as duas cé lulas são contíguas. Uma das placas constitui um elemento de parede de uma das duas células e suporta um ânodo desta célula, e a outra placa constitui um elemento de parede da outra célula, da qual suporta um cátodo. As placas podem constituir estes eléc trodos ou servir de suportes dos eléctrodos, como é por exemplo o caso das células descritas na Patente US-A-4 088 551. As placas são construidas num material condutor de electricidade, susceptível de resistir às condições mecânicas, térmicas e químicas reinantes normalmente nas células durante a exploração do electrolisador. Por exemplo, no caso de um electrolisador destinado à electrólise de soluções aquosas de cloreto de sódio, a placa que suporta o ânodo pode ser construída num metal capaz de formar uma película, seleccionado entre o titânio, o tântalo, o zir cónio, o nióbio e o tungsténio, e a placa que suporta o cátodo pode ser realizada num material escolhido entre o ferro, o ní3

quel, o cobalto e as ligas destes metais. Nos casos em que a pl_a ca de metal susceptível de formar uma película constitui uma par te pelo menos do ânodo, esta placa é recoberta, sobre uma parte pelo menos da sua face situada na célula, por um revestimento condutor de electricidade apresentando uma fraca sobretensão à oxidação dos iões cloreto. Este revestimento pode por exemplo ser escolhido entre os metais do grupo da platina (platina, ruté nio, ródio, paládio, irídio, ôsmio) as ligas destes metais e os seus óxidos; pode ser formado vantajosamente por cristais mistos de óxido de metal do grupo da platina e de óxido do metal que forma película, tal como foi descrito acima. Por outro lado, é recomendável revestir com uma película de níquel a face da placa de metal que forma película, que está situada no interior da câmara vertical. Esta película de níquel pode ser obtida por qualquer técnica adequada de niquelagem. Tem por função melhorar a molhagem da placa pela massa metálica fundida.

As duas placas da parede comum às duas células são dispostas face a face uma da outra, de um lado e de outro de um quadro periférico, de modo a delimitar uma câmara vertical. 0 conjunto do quadro e das placas deve ser hermético, de modo que a câmara possa reter uma massa líquida durante o funcionamento normal do electrolisador. Para este efeito pode-se utilizar um quadro de um material elástico, que se comprime entre as duas placas, ou um quadro rígido, por exemplo de metal ou de material polimérico, que se insere entre as duas placas, com interposição de juntas de estanquicidade, ou que se solda ou cola herméticamente às duas placas. Convém por outro lado dispôr de pelo menos uma abertura na zona superior da câmara para permitir o escape do hidrogénio gasoso para fora da câmara. Esta abertura pode ser praticada através do quadro.

De acordo com a invenção a câmara entre as duas placas contém uma massa metálica cujo ponto de fusão é inferior à temperatura que reina normalmente na referida câmara durante o

funcionamento normal do electrolisador. A escolha da massa metálj. ca vai depender da temperatura de funcionamento normal do electro lisador e, por consequência, do processo de electrólise utilizado. No caso de um electrolisador destinado à electrólise da água ou de soluções aquosas, escolhe-se uma massa metálica cuja temperatura de fusão seja inferior a 100^eC, por exemplo mercúrio.

Durante o funcionamento normal do electrolisador, a massa metálica assegura a transferência da corrente eléctrica através da parede comum às duas células. Por outro lado, quando é levada a uma temperatura superior â sua temperatura de fusão ela liquefaz-se; o hidrogénio que migra através da parede e atinge a câmara pode assim escapar-se desta atravessando a massa metálica líquida.

Numa forma de realização particular do electrolisador de acordo com a invenção, a massa metálica tem uma temperatura de fusão que ê superior à temperatura ambiente, por exemplo superior a 25^eC. Esta forma de realização apresenta assim a particularidade de a massa metálica ser sólida à temperatura ambiente e líquida à temperatura de funcionamento normal do electrolisador. Esta forma de realização da invenção apresenta a vantagem de facilitar a montagem e desmontagem do electrolisador. São exemplos de mas-

sas metálicas utilizáveis nesta forma de realização da invenção a liga binária eutéctica de rubídio (68,0% em peso) e de potássio (32,0% em peso) (temperatura de fusão: 33²C); a liga quaternária eutéctica de bismuto (49,5% em peso), de chumbo (17,6% em peso), de estanho (11,6% em peso) e de índio (21,3% em peso) (temperatura de fusão: 58,2⁹C); a liga ternária eutéctica de índio (51,0% em peso), de bismuto (32,5% em peso) e de estanho (16,5% em peso) (temperatura de fusão: 60,5^sC); a liga de Wood [liga quaternária de bismuto (50,0% em peso), de chumbo (25,0% em peso), de estanho (12,5% em peso) e de cádmio (12,5% em peso) (temperatura de fusão: 70²C)] ; a liga binária eutéctica de índio (67% em peso) e de bismuto (33% em peso) (temperatura de fusão: 70^sC) e a liga ternária de bismuto (51,6% em peso), de chumbo (40,2% em peso) e

de cádmio (8,2% em peso) (temperatura de fusão: 91,5⁹C). Encontram-se na literatura técnica outros exemplos de ligas metálicas utilizáveis no electrolisador de acordo com a invenção (Handbook of Chemistry and Physics, 52nd Ed., The Chemical Rubber Co.,1981, pág. F-18, Low melting point alloys).

electrolisador de acordo com a invenção está especialmente adaptado aos processos de electrólise de soluções aquosas de cloreto de sódio que utilizam temperaturas próximas de 100²C, por exemplo compreendidas entre 80 e 120⁹c. A invenção encontra de facto uma aplicação vantajosa na construção de electrolisadores destinados à produção de soluções aquosas de cloreto de sódio por electrólise de soluções aquosas de cloreto de sódio. Encontra uma outra aplicação interessante na construção de electrolisadores de diafragmas ou de membranas selectivamente permeáveis aos catiões, utilizados para a produção de cloro e de soluções aquosas de hidróxido de sódio por electrólise de soluções aquosas de cloreto de sódio.

As particularidades e pormenores da invenção vão toriar-se mais evidentes no decurso da descrição que segue dos deseihos anexos, que representam uma forma de realização particular io electrolisador de acordo com a invenção.

A figura 1 mostra em corte longitudinal vertical com remoção parcial, uma forma de realização particular do electrolisador de acordo com a invenção;

A figura 2 mostra em planta, em escala ampliada, um pormenor do electrolisador da figura 1;

A figura 3 é um corte de acordo com o plano III-III da figura 2.

Nestas figuras as mesmas notações de referência de6 signam elementos idênticos.

electrolisador representado na figura 1 está concebido para a produção de soluções aquosas de clorato de sódio por electrólise de soluções aquosas de cloreto de sódio. Compreende duas células elementares 1 justapostas entre duas células eleme_n tares de extremidade 2 e 3. As células 1 compreendem uma câmara de electrólise delimitada por uma parede lateral horizontal 5 de secção rectângular e por duas paredes de extremidade 6 que são comuns às duas células contíguas. As duas células de extremidade 2 e 3 compreendem igualmente uma parede lateral horizontal 5,uma parede de extremidade 6 interposta entre ela e a célula 1 contígua, e uma parede de extremidade 7 ligada a uma fonte de correji te contínua, não representada. Duas tubuladuras 8 e 9, em comunicação com a câmara de electrólise, são destinadas a ser ligadas, uma a um colector geral de admissão de uma solução aquosa de cloreto de sódio, e a outra a um colector geral de evacuação dos produtos de electrólise.

As figuras 2 e 3 mostram, em escala ampliada, a parede de extremidade 6 comum às duas células contíguas. A parede 6 compreende duas placas verticais metálicas 10 e 11 dispostas face a face uma da outra, de um lado e do outro de um quadro periférico 12. A placa 10 é de titânio e suporta um ânodo constituído por uma série de chapas verticais 13 soldadas transversa^ mente à placa 10. As chapas 13 são de titânio e suportam um revestimento formado por cristais mistos de óxido de ruténio e de óxido de titânio. A placa 11 é de aço e suporta um cátodo constituído por uma série de chapas verticais 14 de aço, soldadas à placa 11. 0 quadro 12 é de aço e é perfurado com uma série de aberturas 15 na sua parte superior. As placas 10 e 11 são fixadas de modo estanque ao quadro 12, de modo a formar uma câmara estanque 15. As placas 10 e 11 são por outro lado fixadas de for ma estanque às paredes laterais 5 das duas células contíguas. A fixação das placas 10 e 11 ao quadro 12 e às paredes laterais 5 pode ser realizada por soldadura. Prefere-se utilizar uma monta7 gem por pernos roscados e porcas, que apresenta a vantagem de facilitar a montagem e a desmontagem do electrolisador.

A parede da extremidade 7 da célula 2 ê uma placa de titânio, idêntica à placa 10 da parede comum 6 e, tal como ela, suporta um ânodo constituído por uma série de chapas verticais 13 de titânio que transportam um revestimento de óxido de titânio e de óxido de ruténio. A parede da extremidade 7 da célula 3 é uma placa de aço, idêntica à placa 11 da parede comum 6 e, tal como ela, suporta um cátodo constituído por chapas verticais de aço 14. A fixação das placas 7 à parede 5 das células 2 e 3 é semelhante à das placas 10 e 11.

Em cada uma das células 1, 2 e 3 as chapas de ânodos 10 alternam com as chapas de cátodos 11.

De acordo com a invenção a câmara 16 da parede comum 6 contém uma liga metálica de bismuto (50,0% em peso), de chumto (25,0% em peso), de estanho (12,5% em peso) e de cádmio (12,5% em peso) (liga de Wood) cuja temperatura de fusão é de cerca de 70^sC. A liga enche quase a totalidade da câmara 16. Deve todavia prever-se uma pequena folga 17 acima da liga para permitir a d_i latação desta durante o funcionamento do electrolisador.

Para construir a parede 6 basta montar as placas 10 e 11 no quadro 12, e vasar depois na câmara 16, através das aberturas 15, a liga previamente aquecida a uma temperatura supe rior à sua temperatura de fusão. Durante a montagem subsequente do electrolisador a liga encontra-se no estado sólido na câmara 16.

Durante o funcionamento do electrol isador representa, do nas figuras introduz-se uma solução aquosa de cloreto de sódio nas células de electrólise, pelas tubuladuras 8 e ligam-se as paredes de extremidades 7 aos bornes de uma fonte de corrente contínua, não representada. A solução de cloreto de sódio so

fre uma electrólise nas células de electrólise e recolhe-se pelas tubuladuras 9 uma solução aquosa de clorato de sódio e de hidrogénio gerado sobre as chapas 14 dos cátodos. Sob o efeito do calor desenvolvido durante a electrólise a massa metálica contida nas câmaras 16 funde. Se se difundir hidrogénio atómico através da placa 11 até à câmara 16, este borbulha através da massa metálica líquida que se encontra aí e escapa-se pelas aberturas 15. A massa metálica líquida das câmaras 16 assegura por outro lado a circulação da corrente eléctrica entre as células contíguas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

- Ρ _

Electrolisador compreendendo pelo menos duas células de electrólise elementares (1), acopladas em série eléctrica ao longo de uma parede vertical comum (6), que compreende duas pl_a cas metálicas verticais (10,11), dispostas face a face uma relsi tivamente à outra de um lado e de outro de um quadro periférico (12) de modo a delimitar uma câmara vertical (16), suportando uma das placas (10) um ânodo (13) de uma das células e suportar^ do a outra placa (11) um cátodo (14) da outra célula, caracten zado pelo facto de a câmara (16) conter uma massa metálica cuja temperatura de fusão é inferior à temperatura reinante na referida câmara (16) durante o funcionamento do electrolisador.

- 2â Electrolisador de acordo com a reivindicação 1 cara£ terizado pelo facto de serem praticadas aberturas (15) na parede superior do quadro (12).

- 3s Electrolisador de acordo com as reivindicações 1 ou 2 caracterizado pelo facto de o quadro (12) ser rígido e estar fixado às placas (10,11) por meio de uma montagem por pernos roscados e porcas.

_ 4a .

Electrolisador de acordo com qualquer das reivindica ções 1 a 3 caracterizado pelo facto de a temperatura de fusão da massa metálica estar compreendida entre 25 e 100⁹C.

- 53 Electrolisador de acordo com a reivindicação 4 cara£ terizado pelo facto de a massa metálica ser uma liga de bismuto (50,0% em peso), de chumbo (25,0% em peso), de estanho (12,5% em peso) e de cádmio (12,5% em peso).

- 53 Electrol isador de acordo com a reivindicação 4 cara_c terizado pelo facto de a massa metálica ser uma liga binária ejj téctica de índio e de bismuto.

- 73 Electrolisador de acordo com qualquer das reivindica ções 1 a 6 caracterizado pelo facto de a placa (10) que suporta o ânodo (13) ser de titânio e a placa (11) que suporta o cátodo (14) ser de um material escolhido entre o ferro, o níquel, o c£ balto e as ligas destes metais.

- 83 Electrol isador de acordo com qualquer das reivindicja ções 1 a 7 caracterizado pelo facto de o ânodo (13) e o cátodo (14) serem constituídos por chapas verticais fixadas transversalmente âs placas (10,11).

_ gâ .

Electrol isador de acordo com qualquer das reivindica, ções 1 a 8 caracterizado pelo facto de ser destinado à electró11 lise de soluções aquosas.

- 10- Electrolisador de acordo com a reivindicação 9 caracterizado pelo facto de ser destinado à produção de soluções aquosas de cloreto de sódio por electrólise de soluções aquosas de cloreto de sódio.

Foi inventor FREDERIC MURET, belga, engenheiro civil químico, residente em Chaussée de Waterloo, 1000A, B-1180 Bruxelles, Bélgica.

A requerente declara que o primeiro pedido desta patente foi apresentado na Bélgica, em 12 de Julho de 1990, sob o n§ 09000714.