RU20514U1 - Диафрагма - Google Patents

Description

с 25В 13/00// С 02 F1/46

Полезная модель относится к области электрохимических технологий и может быть использована в эле1сгрохимических ячейках с разделенным межэлектродным пространством, обеспечивающих обработку воды и/или водных растворов и целенаправленное изменение их свойств, а также получение электрохимически активированных растворов анолита и католита.

В прикладной электрохимии 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 (погруженные или фильтрующие) или ионообменные мембраны 1.

Применение ионообменных мембран позволяет исключить побочные реакции в растворах 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 как конструктивные особенности ее крепления и размещения в электролизерах, так и специальные требования к составу обрабатываемых растворов, что сужает функциональные возможности их использования в различных электрохимических процессах.

Широкое распространение в различных процессах прикладной электрохимии получили именно диафрагмы, как более дешевые и универсальные приспособления. Однако диафрагмы одинаково проницаемы для всех компонентов, они лишь препятствуют быстрому смешению католита и анолита. При использовании диафрагм перенос тока через них осуществляется при участии электролита.

ДИАФРАГМА

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 может оказывать элекгроосмотический 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.

Асбестовые диафрагмы являются дешевыми и достаточно простыми в эксплуатации. Асбестовые диафрагмы могут применяться в виде ткани (погруженные), или в виде покрытий осажденных на твердых перфорированных подложках, например, на перфорированных катодах (фильтрующие) 3.

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, особенно при проведении процесса электролиза агрессивных сред, например в процессах получения хлора и щелочи. Недостатком также является изменение характеристик диафрагм во времени, что требует применения специальных мер для поддержания 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 отметить, 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 209,5 - 212,5 с наружным диаметром 11,3 11,8 мм, толщиной стенки 0,4 0,8 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 воды и/или водных растворов. Указанный материал, имеющий вьюокую прочность, позволяет диафрагмам, имеющим сравнительно малую толщину, выдерживать значительный перепад давлений, что расширяет функциональные возможности диафрагмы и электрохимических систем, в которых она используется. Кроме того материал

диафрагмы является гидрофильным, что снижает вероятность налипания на поверхность диафрагмы газовых пузырьков, и, таким образом, повышает производительность процесса.

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, а также жидкостей различного назначения, которые в последнее время получают все более широкое распространение. 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 сравнительно 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, что приводит к повышению расхода энергии. При превышении размера пор свыше 1 мкм не удается подавить электроосмотический перенос, что приводит к снижению выхода по току целевого продукта, а значит, к повышению расхода энергии.

Предлагаемая диафрагма из пористого керамического материала на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия обладает высокой устойчивостью к действию кислот и щелочей, агрессивных 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 высокое фильтрационное сопротивление за счет большого числа мелких открытых пор.

Диафрагма представляет собой отрезок трубы длиной L, с наружным диаметром сГ 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, ;: 1. .,, :: 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 или, (при достаточно вьюокой скорости) - сверху вниз. Пример. В примере использовалась керамическая диафрагмой из керамики на основе смеси окислов алюминия, циркония и иттрия (соответственно 80 и суммарно 20 % масс) и толщиной 0,7 мм. Длина диафрагмы составляла 210 мм, а размер пор 0,8 мкм. Объемы электродных камер составляли 10 мл - катодной камеры и 7 мл анодной. Межэлектродное расстояние - 3 мм.

В катодную и анодную камеры снизу вверх подавали раствор хлорида натрия концентрацией 1г/л со скоростью 10 л/час. В анодной камере поддерживали

давление на 0,6 кгс/см выше, чем в катодной. После достижения установившегося режима при силе тока 5 А и напряжении 20 В отбирали пробы анолита и католита и измеряли рН и окислительно-восстановительный потенциал относительно хлорсеребрянного электрода сравнения.

При использовании диафрагмы ;;::.. т- ,v,,;i;jpH анолита составлял 2,5, рН католита 11,7, а окислительно-восстановительный потенциал соответственно +1120 мВ и-810мВ.

При использовании диафрагмы по прототипу из неглазированного фарфора при тех же параметрах рН анолита и католита составляли соответственно 3,4 и 11,1, а окислительно-восстановительный потенциал +900 и -650 мВ. При этом диафрагма из фарфора выдерживала тот же перепад давления при толщине только 1,2 мм, что привело к необходимости увеличить межэлектродное расстояние, увеличило гидравлическое сопротивление диафрагмы и существенно повысило расход энергии за счет увеличения напряжения до 35 В.

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 повысить выход по току целевых продуктов, так как 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 из камеры в камеру. При использовании предлагаемой полезной модели выявлены также такие преимущества по сравнению с прототипом, как упрощение процесса монтажа и демонтажа электрохимических ячеек, вьюокая устойчивость к действию агрессивных сред, обеспечивающая длительный срок службы и позволяющая значительно расширить их функциональные возможности.

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 209,5-212,5 с наружным диаметром 11,3-11,8 мм, толщиной стенки 0,4-0,8 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 и 2, отличающаяся тем, что она имеет кислотостойкость не менее 99,9% и щелочестойкость не менее 99,9%.