RO119239B1 - Electrod şi metodă de reactivare a acestuia - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un electrod şi o metodă de reactivare a acestuia, utilizat pentru electrolizoarele cu membrană în procese electrochimice. Electrodul conform invenţiei cuprinde o folie metalică profilată cu ajutorul unui dispozitiv adecvat, pentru a obţine un profil de benzi paralele orizontal înclinate, format din benzi îndoite, pe folie fiind fixată o reţea, prevăzută cu o acoperire electrocatalitică, care are acelaşi profil de benzi paralele orizontal înclinate ca folia şi în care profilele foliei şi ale reţelei coincid. ŕ

Description

Invenția se referă la un electrod și la o metodă de reactivare a acestuia, electrod utilizat pentru electrolizare cu membrană, în procese electrochimice.

Este cunoscut procedeul de electroliză cu membrană schimbătoare de ioni, care constituie în prezent metoda preferată de obținere, pe cale industrială, a clorului și sodei caustice din saramură, adică dintr-o soluție apoasă concentrată de clorură de sodiu, deși pot fi concepute oportunități promițătoare și pentru alte aplicații industriale, cum ar fi obținerea hidrogenului și oxigenului prin electroliza soluțiilor de hidroxizi alcalini. Având în vedere importanța electrolizei clor-alcalii, prezenta descriere face referire la acest procedeu fără a avea intenția de a limita invenția la acesta. Procedeul de electroliză clor-alcalii este caracterizat printr-o operare constantă în termen lung, cu condiția respectării anumitor aspecte teoretice. Două dintre aceste aspecte sunt reprezentate de interacția reciprocă între electrozi și membranele schimbătoare de ioni, și de durata de operare a electrozilor.

în ceea ce privește primul dintre aceste aspecte, trebuie luat în considerare faptul că turbulența electroliților poate provoca cu ușurință oscilația membranei schimbătoare de ioni. Pentru a evita această problemă, care ar putea provoca ruperea membranei, cele două compartimente ale fiecărei celule elementare, care formează un electrolizor industrial, sunt caracterizate printr-o diferență de presiune care menține membrana pesată pe unul dintre electrozi, în mod normal anodul în cazul electrolizei clor-alcalii cu membrană. Celălalt electrod poate fi și el presat pe membrană cu ajutorul unor sisteme mobile adecvate, crescând în acest fel stabilitatea mecanică a membranei (această tehnologie este cunoscută ca “interval-zero”). O altă variantă este ca celălalt electrod să fie distanțat de membrană, care este împinsă spre primul electrod de presiunea diferențială, cum s-a menționat deja (tehnologie cunoscută sub denumirea de “interval-finif sau “interval-îngust”).

în toate cazurile, membrana este în contact cu cel puțin un electrod, a cărui geometrie este extrem de importantă. Se cunosc diferite geometrii ale electrodului de la așa numitul metal exapandat la plăci tăiate în benzi paralele, prevăzute cu profile ale muchilor care acționează ca mijloace de dispersare a gazului (EP 0102099), la electrozii “de tip jaluzea venețiană” (EP 189535), obținuți prin tăierea foliilor metalice cu dispozitive adecvate.

Pentru a obține performanța cea mai bună a membranei este important ca porțiuni ale electrodului confecționat din metal solid să aibă dimensiuni cât mai reduse, astfel încât difuzia saramurii de clorură de sodiu în interiorul interstițiilor dintre membrană și metal să fie micșorată și, ca urmare, lichidul din interiorul interstițiilor să fie diluat progresiv. Diluarea saramurii conduce la formarea de bule în membrană. Celălalt mecanism de deteriorare derivă de la stagnarea pungilor de clor în interiorul interstițiilor membrană/metal. Această stagnare produce formarea cristalelor de clorură de sodiu în interiorul membranei, structură care se modifică permanent afectând în acest mod performanțele (vezi Modern Chlor-Alkali Technology, voi. 4, Elsevier Applied Science, 1990, pag. 109-123), Aceste fenomene de deteriorare a membranei sunt mai ușor de controlat cu electrozi din metal expandat în care dimensiunile ochiurilor rețelei și a porțiunilor de metal solid pot fi variate în limite largi, prin adaptarea adecvată a diferiților parametri cum ar fi înclinarea dintre tăieturi și lungimea lor și a gradului de extindere. Situația este mult mai critică cu alte geometrii, în special cu electrozi de tip “jaluzea venețiană” care, pe de altă parte, oferă avantaje remarcabile în ceea ce privește dinamica curgerii locale a amestecurilor gaz-lichid a produșilor de electroliză (EP 189535). Cu electrozii de tip “jaluzea venețiană” există suprafețe mari de contact între membrană și porțiunile de metal solid ale electrozilor și de aceea există un risc mare în privința deteriorărilor menționate anterior, care este posibil cu cât este mai înaltă densitatea de curent în timpul operării în electrolizoarele industriale.

RO 119239 Β1

Pentru a surmonta problema deteriorării membranei s-au sugerat diferite soluții cum ar fi degroșarea suprafeței membranei care vine în contact cu electrodul. Degroșarea poate fi obținută printr-o corodare parțială a suprafeței, de exemplu cu fascicul de plasmă sau prin 50 aplicarea unui strat de pulbere hidrofilă care împiedică adeziunea bulelor de gaz. O altă variantă este aceea a degroșării suprafeței prin formarea de găuri și canale în formă de unghi, executate cu un echipament laser (US 5114547).

în ceea ce privește cel de-al doilea aspect, adică durata de operare a electrozilor, aceasta depinde de structura electrozilor care conțin un substrat metalic având geometriile 55 mențioinate anterior, prevăzuți cu o acoperire electrocatalitică. De exemplu, când electrozii acționează ca anozi (polaritate pozitivă), substratul este titan, și acoperirea constă din oxizi ai metalelor din grupa platinei având o grosime de câțiva microni. Când electrozii acționează ca și catozi (polaritate negativă), substratul este nichel sau oțel carbon sau oțel inoxidabil acoperit cu un film subțire (de câțiva microni) de nichel Raney, metale din grupa platinei sau 60 oxizi ai acestora, singuri sau în combinație. Durata de viață a acestor acoperiri electrocatalitice depinde de condițiile de operare, în special de temperatură, de densitatea de curent, de concentrația electrolitului și de prezența agenților de otrăvire capabili să împiedice activitatea electrocatalitică (“otrăvirea). în orice caz, după o anumită perioadă de operare electrozii trebuie reînnoiți (reactivați). Calea cea mai simplă este expedierea structurilor de care 65 sunt fixați electrozii la unitățile producătorului, unde electrozii se detașează de suport și se înlocuiesc cu electrozi noi. Evident, această operație este consumatoare de timp (expediere, operații mecanice) și costisitoare (înlocuirea totală a electrozilor incluzând substratul metalic). O altă variantă posibilă constă în fixarea, de obicei prin sudură în puncte, a unui electrod nou pe suprafața celui epuizat. Pentru acest scop se folosesc plase subțiri care au 70 dimensiuni adecvate ale ochiurilor și o grosime mică (EP 44035). Această metodă are inconvenientul major de schimbare a geometriei locale a contactului membrană-electrod, modificând într-o mare măsură dinamică curgerii amestecurilor de electrolit și gaz format. Acest inconvenient are importanță deosebită când plasa subțire, activată, este aplicată pe electrozi epuizați de tip “jaluzea venețiană” sau alte geometrii similare. 75

De aceea, este evident că soluțiile propuse în stadiul tehnicii (ex. degroșarea membranei sau a suprafeței electroului) reduc numai impactul contactului membrană-electrod mărind costurile de producție (ex. folosirea echipamentului laser) sau au rezolvat o problemă (reactivare electrozilor epuizați prin folosirea plaselor subțiri activate) ridicând însă alte inconveniente (modificarea dinamicii de curgere locală a amestecurilor gaz-electrolit). Se 80 pune problema de a se realiza un electrod nou apt să elimine complet dezavantajele stadiulu tehnicii, în special în ceea ce privește geometria suprafeței de contact dintre membrană și electrozi a geometriilor de tip “jaluzea venețiană” sau alte sisteme similare, când electrozii se epuizează după o perioadă de operare. în ceea ce privește acest ultim aspect, electrodul conform invenției are o structură care permite reactivarea la locul de utilizare fără a fi nece- 85 sară expedierea acestuia la o unitate producătoare.

O altă problemă a prezentei invenții este de a realiza o nouă structură de electrod prevăzută cu o acoperire electrocatalitică, care micșorează în mod evident problemele legate de contactul membrană-electrod și permite reactivarea ușoară a acoperirii atunci când aceasta se epuizează. 90

Problema tehnică pe care o rezovă invenția este elaborarea unui electrod cu geometrie îmbunătățită care permite reactivarea acoperirii electrolitice epuizate.

Electrodul pentru procese electrolitice, conform invenției, elimină dezavantajele menționate pin aceea că este constituit dintr-o folie metalică profilată cu ajutorul unui dispozitiv adecvat pentru a se obține un profil de benzi paralele, orizonal înclinate, format din benzi 95 curbate, în care pe folie este fixată o rețea prevăzută cu o acoperire electrolitică cu același profil de benzi paralele, orizontal înclinate ca folia și în care profilele foliei și ale rețelei coincid.

RO 119239 Β1

Metoda de reactivare a unui electrod executat dintr-o folie metalică având un profil1 de benzi paralele, orizontal înclinate, format din benzi curbe, obținute prin profilare, îndoite| un dispozitiv adecvat, folia având o acoperire electrocatalitică epuizată, elimină dezavan-I tajele menționate prin aceea că cuprinde:

- furnizarea unei acoperiri electrocatalitice unei rețele executată din același metal ca și folia;

- profilarea foliei cu un dispozitiv adecvat, pentru a obține un profil de tip benzi paralele, orizontal înclinate;

- poziționrea rețelei având un profil de benzi paralele, orizontal înclinate pe folie, astfel încât profilul rețelei și al foliei să fie coincidente;

- fixarea rețelei de folie prin sudură.

Prin aplicarea invenției se obțin următoarele avantaje:

- geometria electrodului permite reactivarea la locul de utilizare;

- soluția constructivă este simplă și permite montarea rapidă a electrozilor;

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1 ...7, care reprezintă:

- fig.1, o vedere frontală a unui electrod de tip “jaluzea venețiană”;

- fig.2, o secțiune transversală a structurii electrodului din fig. 1; electrodul este obținut dintr-o folie metalică profilată cu un dispozitiv special care, concomitent, taie fâșii în folie și le înconvoaie;

- fig.3, o structură compozită conținând electrodul din fig. 1, prevăzut cu o folie plană, activată, folosită pentru reînnoirea activității electrocatalitice a electrodului conform stadiului tehnicii.

- fig.4, reprezintă o vedere frontală a realizării preferate a prezentei invenții.

O rețea plană executată din același metal cu folia și prevăzută în prealabil cu o acoperire electrocatalitică este profilată folosind același dispozitiv pentru electrodul din fig.1. Rețeaua profilată are același profil ca electrodul, după cum se prezintă în fig.5.

- fig.6 și 7 prezintă profilele coincidente ale rețelei profilate din fig.4 și 5 aplicate pe folia din fig.1 și 2.

O realizare preferată a prezentei invenții este ilustrată în fig.4, 5, 6 și 7.

Rețeaua prevăzută cu o acoperire electrocatalitică fixată la electrodul din fig.1, cunoscut din stadiul tehnicii, asigură mai multe avantaje care vor fi prezentate în cele ce urmează. în primul rând, rețeaua, caracterizată printr-o grosime mai mică decât cea a electrodului aderă perfect la profilul foliei electrodului și poate fi fixat în mod eficient de acesta prin sudură în puncte. Soluția propusă în stadiul tehnicii și ilustrată în fig.3 este afectată negativ de anumite probleme referitoare la sudură, probabil datorită suprafeței de contact mici între folia plană și profilele curbate ale electrodului tip “jaluzea venețiană”. De aceea, procedeul de sudură cunoscut în domeniu prezintă un grad de siguranță scăzut și sunt posibile desprinderi, ceea ce are ca urmare o distribuție neuniformă a curentului. Pe lângă posibilitatea recurgerii la un procedeu de sudură mai simplu și cu un grad de siguranță mai mare realizarea preferată a prezentei invenții menține toate caracteristicile avantajoase de dinamică a curgerii ale electrodului din stadiul tehnicii din fig.1.

Un alt avantaj este acela că profilele curbate contribuie la prevenirea lipirii membranei de metal, evitând în acest fel fenomenele negative de diluare a soluției de clorură de sodiu și de includere de gaz. Acest rezultat se obține într-un mod eficient, cu cost scăzut și printr-ο soluție constructivă simplă, atunci când dimensiunile ochiurilor rețelei sunt mai mici decât lățimea benzilor electrodului de tip “jaluzea venețiană”. De preferință, rețeaua se obține prin extinderea unei folii cu o grosime adecvată. Rezultatul este că realizarea preferată a invenției însumează toate avantajele oferite de diferitele invenții din stadiul cunoscut al

RO 119239 Β1 tehnicii, adică reactivarea folosind o folie plană și eliminarea problemei de diluare în interstiții și de includere de gaz prin crearea pe suprafața electrodului a canalelor dispuse în unghi. Aceste avantaje sunt regăsite într-un singur element, ușor de produs și cu cost redus, 150 capabil să mențină caracteristicile dinamicii de curgere ale structurilor din stadiul cunoscut. Din acest motiv, realizarea preferată a prezentei invenții este utilă nu numai pentru reactivarea electrozilor epuizați, ci și pentru montarea în electrolizoarele noi.

în acest caz, procedeul de obținere cuprinde următoarele etape:

- profilarea foliei metalice pentru a obține structura și profilul din fig.1 și 2. 155

Spre deosebire de cele cunoscute în stadiul tehnicii, această structură nu este prevăzută cu o acoperire electrocatalitică.

- extinderea unei folii subțiri pentru a forma rețeaua, caracterizată prin dimensiuni adecvate ale ochiurilor rețelei și cu grosime mai mică raportată la folia profilată. Rețeaua este prevăzută cu o acoperire electrocatalitică. Rețeaua este apoi profilată cu același dispo- 160 zitiv folosit pentru profilarea foliei metalice. Se obține în acest fel o rețea profilată care se adaptează perfect la folia profilată. în acest fel, ansamblul folie-rețea poate fi sudat mai ușor și siguranța sudurii este mărită.

în concluzie, în structura compozită conform invenției, cele două componente au funcții diferite și complementare. în special, rețeaua profilată cu o grosime adecvată asigură 165 rigiditatea necesară ansamblului electrod și prin profilul său asigură cea mai bună dinamică locală de curgere.

Rețeaua are ca principală funcție să furnizeze ansamblului activitatea electrocatalitică necesară și rugozitatea suprafeței, pentru a preveni deteriorarea membranei cauzată de diluarea în interstițiile mici și de captarea de gaz, după cum s-a menționat anterior. într-o 170 realizare mai puțin preferată a prezentei invenții se folosește o folie subțire în locul rețelei, în acest caz, folia este prevăzută cu o acoperire electrocatalitică adecvată și este apoi profilată cu același dispozitiv folosit la profilarea foliei mai groase. Astfel, folia subțire, prevăzută cu o acoperire electrocatalitică, aderă perfect la profilul foliei profilate mai groase. Este evident că folosirea foliei poate fi utilă numai în cazul reactivării electrozilor epuizați. Totuși, 175 folosirea unei folii subțiri implică costuri mai mari decât în cazul rețelei subțiri și profilul ansamblului este neted. De aceea, în absența rugozității necesare se poate deteriora membrana, ceea ce se întâmplă cu electrozii din stadiul tehnicii din fig.1. Și invers, spre deosebire de rețeaua subțire, sudura foliei subțiri, profilată în prealabil așa cum s-a menționat, este ușoară și sigură. în plus, în cazul foliei subțiri se menține dinamica de curgere locală tipică 180 electrodului inițial. Cele prezentate ilustrează în mod clar trăsăturile distinctive ale prezentei invenții și ale unor realizări preferate. Cu toate acestea, sunt posibile modificări care intră, însă, tot în sfera de protecție a prezentei invenții, care este limitată numai de revendicările anexate.

Claims (16)

185 Revendicări

1. Electrod pentru procese electrochimice cu formare de produși gazoși cuprinzând o folie metalică profilată cu ajutorul unui dispozitiv adecvat, pentru a obține un profil de benzi paralele, orizontal înclinate, format din benzi îndoite, caracterizat prin aceea că pe folie 190 este fixată o rețea prevăzută cu o acoperire electrocatalitică care are același profil de benzi paralele, orizontal înclinate ca folia, și în care profilele foliei și ale rețelei sunt coincidente.

2. Electrod conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că folia metalică are o acoperire electrocatalitică epuizată.

RO 119239 Β1

3. Electrod conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că profilul rețelei de benzi paralele orizontal înclinate este profilat cu același tip de dispozitiv ca cel folosit pentru profilarea foliei.

4. Electrod conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că rețeaua are o grosime mai mică decât grosimea foliei și dimensiunile ochiurilor mai mici decât lățimea benzilor atât ale rețelei, cât și ale foliei.

5. Electrod conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că rețeaua se fixează de folie prin sudură.

6. Electrod conform revendicării 5, caracterizat prin aceea că sudura este sudură electrică în puncte.

7. Electrod conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că rețeaua este executată din metal expandat.

8. Electrod conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că este adecvat pentru folosirea drept catod, iar folia și rețeaua sunt executate din nichel, rețeaua fiind prevăzută cu o acoperire electrocatalitică pentru degajarea de hidrogen în electrolitul alcalin.

9. Electrod conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că este adecvat pentru folosirea drept anod, iar folia și rețeaua sunt executate din titan, rețeaua fiind prevăzută cu o acoperire electrocatalitică pentru degajarea de clor din soluțiile de cloruri alcaline.

10. Metodă de reactivare a unui electrod executat dintr-o folie metalică având un profil de benzi paralele, orizontal înclinate, format din benzi îndoite, obținute prin profilare cu un dispozitiv adecvat, folia având o acoperire electrocatalitică epuizată, caracterizată prin aceea că aceasta cuprinde etapele de:

- furnizarea unei acoperiri electrocatalitice unei rețele executate din același metal ca și folia;

- profilarea foliei cu un dispozitiv adecvat pentru a obține un profil de benzi paralele, orizontal înclinate;

- poziționarea rețelei având un profil de benzi paralele, orizontal înclinate pe folie, astfel încât profilul rețelei și al foliei să fie coincidente;

- fixarea rețelei de folie prin sudură.

11. Metodă conform revendicării 10, caracterizată prin aceea că sudura este o sudură electrică în puncte.

12. Metodă conform revendicării 10, caracterizată prin aceea că rețeaua are o grosime mai mică decât grosimea foliei și dimensiunile ochiurilor mai mici decât lățimea benzilor, atât ale rețelei, cât și ale foliei.

13. Metodă pentru reactivarea unui electrod executat dintr-o folie metalică având un profil de benzi paralele, orizontal înclinate, format din benzi îndoite, obținute prin profilare cu un dispozitiv adecvat, folia având o acoperire electrocatalitică epuizată, caracterizată prin aceea că aceasta cuprinde etapele de:

- furnizare a unei acoperiri electrocatalitice unei folii subțiri, plane, executată din același metal cu cel al foliei epuizate;

- profilare a foliei subțiri, plane, cu un dispozitiv adecvat, pentru a obține un profil de benzi paralele, orizontal înclinate;

- poziționarea foliei subțiri, având un profil de benzi paralele, orizontal înclinate pe folia epuizată, astfel încât profilul foliei subțiri să fie coincident cu profilul foliei epuizate;

- fixarea rețelei pe folie prin sudură;

14. Metodă conform revendicării 10, earacteriztă prin aceea că sudura este sudură electrică în puncte.

RO 119239 Β1

15. Celulă de electroliză caracterizată prin aceea că, aceasta conține cel puțin un catod conform revendicării 8.

16. Celulă de electroliză caracterizată prin aceea că aceasta conține cel puțin un anod conform revendicării 9.