RU20513U1 - Диафрагма - Google Patents

Description

с 25В 13/00, 1/46

Полезная модель относится к области элею рохимических технологий и может быть использована в электрохимических ячейках с разделенным межэлектродным пространством, обеспечивающих обработку водных растворов и получение целевьк продуктов в анодных и/или катодных камерах ячеек, например, для получения хлора методом диафрагменного электролиза.

В прикладной электрохимии, и, в частности, в процессе получения хлора электролизом водного раствора хлорида щелочного металла для разделения межэлектродного пространства и предотвращения смешения обрабатываемых растворов и продуктов электролиза используются электролизеры специальных конструкций в которых установлены различные разделительные перегородки, такие как диафрагмы (в основном фильтрующие) или ионообменные мембраны 1.

Применение ионообменных мембран позволяет исключить побочные реакции в объеме раствора в электродных камерах, так как при переносе тока мембрана пропускает одни компоненты системы и задерживает другие. Перенос осуществляется за счет свойств материала мембраны, не закрепленными в матрице ионами - противоионами, что позволяет избежать загрязнения растворов в камерах и практически исключить потери электродных продуктов.

Недостатком ионообменных мембран является их высокая стоимость, сравнительно низкий срок службы и сложность регенерации. Кроме того свойства материала мембраны определяют конструктивные особенности ее крепления и размещения в электролизерах, что при существующих эластичных тонколистовых диафрагмах усложняет монтаж и демонтаж электролизеров. Ионообмеь и е мембраны также предъявляют повышенные требования к очистке подвергаемого электролизу раствора, что усложняет процесс и повышает затраты.

Широкое распространение в различных процессах прикладной электрохимии, в том числе и в процесса получения хлора, получили именно диафрагмы, как более дешевые и универсальные приспособления. Однако диафрагмы одинаково проницаемы для всех компонентов, они лишь препятствуют быстрому смешению

ДИАФРАГМА

католита и анолита. При использовании диафрагм перенос тока через них осуществляется при участии электролита, заполняющего поры диафрагмы. В результате такого механизма переноса тока происходит загрязнение растворов в электродной камере теми продуктами электродных реакций противоэлектродной камеры, которые принимают участие в переносе тока. Кроме того, существенное влияние на протекание процесса оказывает электроосмотический перенос жидкости через диафрагму.

Известно, что при достаточно малых размерах пор диафрагмы могут работать в электрохимическом процессе практически как ионообменные мембраны 2 . Однако характеристики диафрагмы в первую очередь зависят от материала, из которого она изготовлена.

Известны диафрагмы на основе асбеста 3.

Асбестовые диафрагмы являются дешевыми, и достаточно простыми в эксплуатации. Асбестовые диафрагмы могут применяться в виде перегородки, или (в основном) в виде покрытий осажденных на твердых перфорированных подложках (катодах).

Однако при использовании асбеста невозможно получить диафрагмы с достаточно малыми и однородными по всему телу диафрагмы порами. Недостатком асбестовых диафрагм также является сравнительно невысокий срок службы при проведении процесса электролиза агрессивных сред, который имеет место в процессе получения хлора и щелочи. Недостатком также является изменение характеристик диафрагм во времени, что требует применения специальных мер для лоддержания стабильных характеристик процесса электролиза.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату является керамическая диафрагма цилиндрической формы, используемая в установке для получения продуктов анодного окисления, в том числе и газообразных 4. Диафрагма выполнена в виде стакана из тонкого пористого керамического материала, например, неглазурованного фарфора, глины или искусственной смолы. Известная диафрагма обладает положительными свойствами керамических диафрагм, такими, например, как стабильность размеров. Однако, материалы диафрагмы, указанные в известном решении не обладают достаточной стойкостью. Кроме того, следует отметь, что широкого распространения в промышленных

электрохимических процессах керамические диафрагмы не получили и используются, в основном, в лабораторных электролизерах. Это связано со сложностями, возникающими в процессе изготовления керамических диафрагм крупных размеров, сравнимых с размерами промышленных электролизеров. Установки, использующие такие диафрагмы, обладают такими недостатками, как незначительная производительность, высокие энергозатраты.

Возможность использования керамических диафрагм в промышленных производствах появилась в связи с созданием электрохимических реакторов, собираемых по модульному принципу. Производительность реактора определяется количеством модульных элементов, которые работают в одинаковых условиях.

Техническим результатом создания полезной модели является обеспечение возможности проведения диафрагменного электрохимического процесса при получении качества получаемых продуктов, сравнимых с продуктами мембранного электролиза при одновременном снижении энергозатрат, повышении ресурса работы, расширении функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что диафрагма из пористого керамического материала цилиндрической формы выполнена из кислотощелочестойкого керамического материала на основе оксидов циркония и алюминия в виде отрезка трубы длиной 299 300,5 с наружным диаметром 27,5 ч28,5 мм, толщиной стенки 2,3 - 2,8 мм., стрелой прогиба по образующей не более 0,5 мм, с размером пор в пределах от 0,1 до 1 мкм.

Керамический материал диафрагмы может также содержать оксид иттрия при следующем соотношении компонентов: оксид алюминия - 80%,

двуокись циркония, стабилизированная 7% оксида иттрия - 20%. Диафрагма, выполненная из кислотощелочестойкой керамики на основе оксидов циркония и алюминия, обладает высокой стойкостью, прочностью и стабильностью характеристик. Кроме того диафрагма из этого материала легко регенерируется от отложений солей жесткости, которые являются основной причиной забивания пор диафрагмы при электрохимической обработке водных растворов. Указанный материал, имеющий высокую прочность, позволяет диафрагмам, имеющим

сравнительно малую толщину, выдерживать значительный перепад давления, что расширяет функциональные возможности диафрагмы.

Введение в состав компонентов материала диафрагмы иттрия при соотношении компонентов: оксиды алюминия 80%, двуокись циркония, стабилизированная 7%, оксида иттрия - не менее 20%, позволяет повысить устойчивость диафрагмы к агрессивным средам, что создает возможность, в случае необходимости, обрабатывать в электродных камерах различные по химическому составу растворы, и таким образом расширять гамму получаемых продуктов.

Диафрагма имеет кислотостойкость не менее 99,9% и щелочестойкость не менее 99,9%.

Предлагаемый интервал значений конструктивных параметров позволяет использовать диафрагмы в модульных устройствах для электрохимической обработки воды и/или водных растворов, преимущественно для получения на аноде газообразной смеси оксидантов (в основном хлора и диоксида хлора) элеетролизом водного раствора хлорида щелочного или щелочноземельного металла. В таких модульных устройствах электрохимические реакторы состоят из блоков, каждый из которых включает несколько модульных электрохимических элементов, что и обеспечивает необходимую производительность.

Использование цилиндрических диафрагм позволяет упростить и ускорить процесс монтажа и демонтажа модульных электрохимических ячеек.

Требуемая при производстве точность изготовления керамических диафрагм, т.е. соблюдение заданных отклонений от геометрически правильной поверхности диафрагмы, связана с необходимостью обеспечить равномерное распределение жидкости по поверхности электродов в диафрагменных электролизерах и одинаковую плотность тока в любой точке поперечного сечения электродной камеры. Особое значение имеет размер пор диафрагмы. Указанный интервал позволяет при диафрагменном электролизе водных растворов широкой концентрации - от нескольких мг/л до насыщенных концентрированных растворов в сочетании с давлением, подавляющем электроосмотический перенос раствора через диафрагму, добиться того, что диафрагма работает как ионообменная мембрана, что повышает чистоту получаемых продуктов при сравнительно невысоких затратах электроэнергии. При размере пор меньшем, чем 0,1 мкм

значительно увеличивается электрическое сопротивление диафрагмы и снижается ее протекаеллость, что приводит к некоторому повышению расхода энергии. При превышении размера пор свыше 1 мкм не удается инициировать работу диафрагмы в режиме ионного обмена, поскольку этот процесс возможен при создании значительного перепада давления на диафрагме. Это приводит к снижению выхода по току целевого продукта, и, значит, к повышению расхода энергии.

Предлагаемая диафрагма из пористого керамического материала на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия обладает вьюокой устойчивостью к действию кислот и щелочей, агрессивный газов, имеет высокий срок службы, легко регенерируется. Возможное введение различных добавок позволяет регулировать свойства поверхности диафрагмы и оказывать направленное воздействие на протекание электрохимического процесса.

Керамическая диафрагма не изменяет размеров и формы при перепадах давления, гидрофильна, имеет низкое электрическое и вьюокое фильтращонное сопротивление за счет большого числа мелких открытых пор.

Диафрагма представляет собой отрезок трубы длиной L, с наружным диаметром d и толщиной стенки а . Диафрагма выполнена из пористого керамического материала на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия с размером пор в заданных пределах , т.е. от 0,1 до 1 мкм.

Электрохимическая ячейка, в которой используют диафрагму, конструктивно состоит из вертикальных внешнего и внутреннего электродов, между которыми размещена трубчатая пористая керамическая диафрагма по изобретению, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную. Электроды и диафрагма закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально. Проток раствора или воды через камеры электродов осуществляется снизу вверх.

Пример. В процессе получения газообразной смеси оксидантов электролизом раствора хлорида натрия использовалась керамическая диафрагмой из керамики на основе смеси окислов алюминия, циркония и иттрия (соответственно 80 и суммарно 20 % масс) и толщиной 2,5 мм. Диафрагма была установлена в электрохимической ячейке между коаксиальными цилиндрическим (катод) и стержневым (анод)

электродами. Длина диафрагмы составляла 300 мм, а размер пор 0,8 мкм. Межэлектродное расстояние составляло 10 мм.

В анодной камере за счет газлифта циркулировал раствор хлорида натрия концентрацией 300 г/л и рН 2,5, в катодной - вода. В анодной камере поддерживали давление на 0,9 кгс/см выше, чем в катодной. После достижения установившегося режима при силе тока 30 А и напряжении 3 В измеряли производительность ячейки по оксидантам путем измерения концентрации соединений активного хлора в воде, протекающей с заданной скоростью, в которую предварительно вводили весь объем выделяющихся анодных электролизных газов. Также измеряли содержание хлорионов в католите, что позволяло судить об эффективности работы диафрагмы в качестве ионообменной перегородки. Выход оксидантов в ячейке составил 40 г/ч, что близко к теоретически возможному при данной силе тока. При этом концентрация хлорида натрия в католите составила 0,3 г/л, что доказывает факт ее работы как ионообменной перегородки.

При использовании диафрагмы по прототипу из неглазированного фарфора при тех же параметрах выход оксидантов в ячейке составил 32 г/ч при концентрации ионов хлора в католите 30 г/л. Полученные результаты свидетеьствуют о том, что диафрагма из неглазированного фарфора не обладает свойствами ионселею-ивной перегородки.

Как следует из представленных данных при использовании предложенной диафрагмы по сравнению с прототипом снижается расход энергии на проведение процесса, кроме того использование такой диафрагмы позволяет повьюить выход по току целевых продуктов, так как предложенная диафрагма работает практически как ионообменная мембрана, в то время как в случае диафрагмы по прототипу часть продуктов электродных реакций взаимно нейтрализовалась за счет переноса ионов через диафрагму в обеих направлениях.

Также использование предлагаемой диафрагмы упрощает процесс монтажа и демонтажа электрохимических ячеек, обеспечмвает вьюокую устойчивость к действию агрессивных сред и, следовательно, длительный срок службы, позволяют значительно расширить функциональные возможности электрохимической системы.

Claims (2)

1. Диафрагма из пористого керамического материала цилиндрической формы, отличающаяся тем, что она выполнена из кислотощелочестойкого керамического материала на основе оксидов циркония и алюминия в виде отрезка трубы длиной 299-300,5 с наружным диаметром 27,5-28,5 мм, толщиной стенки 2,3-2,8 мм, стрелой прогиба по образующей не более 0,5 мм, с размером пор в пределах от 0,1 до 1 мкм.

2. Диафрагма по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена из керамического материала, содержащего оксид иттрия при следующем соотношении компонентов, %:
Оксид алюминия - 80
Двуокись циркония, стабилизированная 7% оксида иттрия - 20
3. Диафрагма по пп.1-2, отличающаяся тем, что она имеет кислотостойкость не менее 99,9% и щелочестойкость не менее 99,9%.