RU2071995C1

RU2071995C1 - Method of fabricating electrode for electrolytic production of hydrogen peroxide

Info

Publication number: RU2071995C1
Application number: RU9393008157A
Authority: RU
Inventors: Е.П. Гришина; А.Г. Захаров; Е.П. Корягин
Original assignee: Институт химии неводных растворов РАН
Priority date: 1993-02-11
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 1997-01-20

Abstract

FIELD: hydrogen peroxide production. SUBSTANCE: invention may find use everywhere where relatively dilute (up to 10%) hydrogen peroxide solutions are employed. To produce this by electrochemical method, electrode is fabricated by applying an active mass consisting of a carbon material (65-90 wt %), a fluoroplastic (10-35 wt %), and acetone onto a porous carrier with an internal gas-supply channel. Such electrode ensures yield in respect to hydrogen peroxide in alkali solutions up to 85-87%. EFFECT: increased yield. 3 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Предполагаемое изобретение относится к области электролитического получения перекисных соединений. Оно может быть использовано в любом производстве, где применяются относительно разбавленные растворы пероксида водорода в текстильной, целлюлозно-бумажной промышленности и др. The alleged invention relates to the field of electrolytic production of peroxide compounds. It can be used in any production where relatively dilute solutions of hydrogen peroxide are used in the textile, pulp and paper industry, etc.

Известен способ изготовления электрода для электролитического получения пероксида водорода путем катодного восстановления кислорода [1] Активную массу в этом случае изготавливают следующим образом. Смешивают водную суспензию углеродного материала с тефлоновой дисперсией (≈ 5 мас.), отфильтровывают, промывают и высушивают осадок, который затем распыляют и прессуют под давлением в пластину толщиной 0,6 0,8 мм. С одной стороны пластины прикрепляется никелевая сетка (токоподвод), с другой пористая тефлоновая фольга. Электрод закрепляется с помощью специального держателя, выполняющего одновременно функцию газовой камеры, в которую подается кислород. К недостаткам данной конструкции следует отнести низкую механическую прочность углеродсодержащей части электрода, сложную систему герметизации газовой камеры, большой расход дорогостоящего металла никеля. A known method of manufacturing an electrode for the electrolytic production of hydrogen peroxide by cathodic oxygen reduction [1] The active mass in this case is made as follows. The aqueous suspension of the carbon material is mixed with Teflon dispersion (≈ 5 wt.), The precipitate is filtered off, washed and dried, which is then sprayed and pressed under pressure into a 0.6-0.8 mm thick plate. A nickel mesh (current lead) is attached on one side of the plate, and porous Teflon foil on the other. The electrode is fixed using a special holder that simultaneously serves as a gas chamber into which oxygen is supplied. The disadvantages of this design include the low mechanical strength of the carbon-containing part of the electrode, a complex gas chamber sealing system, and the high consumption of expensive nickel metal.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления электрода для производства пероксида водорода [2] Указанный способ заключается в следующем. Активированный уголь отжигают в вакууме при температуре 1000 1250^oC в течение 2 4 часов, охлаждение проводят также в вакууме. Затем из активированного угля (2 10 г), гидрофобного вещества парафина (0,1 -1 г) и связующей добавки каучука (0,2 1 г) готовят смесь, в которую добавляют органический растворитель ксилол или толуол. Полученную таким образом пасту наносят на сетку, изготовленную из высоколегированной стали или никеля, и высушивают на воздухе. Изготовленная описанным способом рабочая часть электрода является элементом устройства, изображенного на рис. 1. Такой электрод обеспечивает выход по току пероксида водорода при плотности тока 10 А/дм² и температуре 14^oC 81,5%
К недостаткам способа следует отнести энергоемкость изготовления и сложность состава активной массы, использование в конструкции дорогостоящего никеля и высоколегированной стали, необходимость электрической изоляции газовой камеры от рабочей части электрода, сложность герметизации газовой камеры, а также особенности конструкции, не позволяющие существенно повышать скорость накопления пероксида водорода в электролизере.The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of manufacturing an electrode for the production of hydrogen peroxide [2] This method consists in the following. Activated carbon is annealed in vacuum at a temperature of 1000 1250 ^o C for 2 to 4 hours, cooling is also carried out in vacuum. Then, from activated carbon (2 10 g), a hydrophobic substance of paraffin (0.1 -1 g) and a rubber binder (0.2 1 g), a mixture is prepared in which an organic solvent, xylene or toluene, is added. The paste thus obtained is applied to a grid made of high alloy steel or nickel and dried in air. The working part of the electrode made in the described way is an element of the device shown in Fig. 1. Such an electrode provides a current output of hydrogen peroxide at a current density of 10 A / dm ² and a temperature of 14 ^o C of 81.5%
The disadvantages of the method include the energy consumption of manufacturing and the complexity of the composition of the active mass, the use of expensive nickel and high alloy steel in the design, the need for electrical isolation of the gas chamber from the working part of the electrode, the difficulty of sealing the gas chamber, and design features that do not significantly increase the rate of hydrogen peroxide accumulation in the cell.

Результатом использования предполагаемого изобретения является исключение дорогостоящих металлов (никеля, высоколегированной стали) из конструкции электрода, упрощение способа изготовления при сохранении уровня эффективности работы электрода. Это достигается тем, что в способе изготовления электрода для электролитического получения пероксида водорода, включающем приготовление активной массы путем смешивания углеродного и гидрофобного материалов в присутствии органического растворителя и нанесение полученной пасты на твердый носитель, соединяемый с газовой камерой, активную массу готовят, смешивая углеродный материал и фторопласт в присутствии ацетона при соотношении компонентов: углеродный материал 65 90 мас. фторопласт 10 35 мас. и наносят ее на твердый пористый носитель, имеющий внутренний канал для подачи газа (рис. 2). The result of using the proposed invention is the exclusion of expensive metals (nickel, high alloy steel) from the electrode structure, simplification of the manufacturing method while maintaining the level of efficiency of the electrode. This is achieved by the fact that in the method of manufacturing the electrode for the electrolytic production of hydrogen peroxide, which includes preparing the active mass by mixing carbon and hydrophobic materials in the presence of an organic solvent and applying the resulting paste to a solid carrier connected to the gas chamber, the active mass is prepared by mixing the carbon material and fluoroplastic in the presence of acetone in the ratio of components: carbon material 65 90 wt. ftoroplast 10 35 wt. and apply it to a solid porous carrier having an internal channel for supplying gas (Fig. 2).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что фторопласт используют одновременно в качестве гидрофобного и связующего вещества, а приготовление активной массы проводят, смешивая углеродный материал и фторопласт в присутствии ацетона. Активную массу наносят на твердый пористый носитель (керамический, алюминиевый и др.), имеющий внутренний канал для подачи газа и выполняющий роль газовой камеры. A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method differs from the known one in that the fluoroplastic is used simultaneously as a hydrophobic and binder, and the preparation of the active mass is carried out by mixing carbon material and fluoroplastic in the presence of acetone. The active mass is applied to a solid porous carrier (ceramic, aluminum, etc.) having an internal channel for supplying gas and acting as a gas chamber.

Таким образом, заявляемый способ изготовления электрода для электролитического получения пероксида водорода соответствует критерию "Новизна". Thus, the claimed method of manufacturing an electrode for the electrolytic production of hydrogen peroxide meets the criterion of "Novelty."

Для осуществления заявляемого технического решения использовали технический углерод П 803 (ГОСТ 7885-86) с удельной поверхностью 14 м²/г и фторопласт-42 марки "B", ацетон марки "ч". В качестве пористого носителя использовали трубки, изготовленные из керамики и алюминиевого порошка в заводских условиях.To implement the claimed technical solution used carbon black P 803 (GOST 7885-86) with a specific surface area of 14 m ² / g and fluoroplast-42 grade "B", grade "h" acetone. As a porous support used tubes made of ceramics and aluminum powder in the factory.

Пример 1. В 50 мл ацетона растворяют 0,9 г фторопласта, в полученный раствор вводят 2,7 г технического углерода, тщательно перемешивают, наносят полученную углеродсодержащую пасту на пористый керамический (корундовый) носитель, имеющий внутренний канал для подачи газа. Растворитель удаляют путем его испарения при комнатной температуре на воздухе. Полученная паста содержит 25 мас. фторопласта и 75 мас. технического углерода (в сухом веществе). Example 1. 0.9 g of fluoroplastic is dissolved in 50 ml of acetone, 2.7 g of carbon black is introduced into the resulting solution, mixed thoroughly, and the resulting carbon-containing paste is applied to a porous ceramic (corundum) carrier having an internal gas supply channel. The solvent is removed by evaporation at room temperature in air. The resulting paste contains 25 wt. fluoroplastic and 75 wt. carbon black (in dry matter).

Пример 2. В 50 мл ацетона растворяют 1,25 г фторопласта, в полученный раствор вводят 2,35 г технического углерода, тщательно перемешивают и наносят полученную массу на пористый носитель из алюминия, имеющий внутренний канал для подачи газа. Растворитель удаляют путем его испарения при комнатной температуре на воздухе. Полученная паста содержит 35 мас. фторопласта и 65 мас. технического углерода (в сухом веществе). Example 2. 1.25 g of fluoroplastic is dissolved in 50 ml of acetone, 2.35 g of carbon black is introduced into the resulting solution, mixed thoroughly and the resulting mass is applied onto a porous aluminum carrier having an internal gas supply channel. The solvent is removed by evaporation at room temperature in air. The resulting paste contains 35 wt. fluoroplastic and 65 wt. carbon black (in dry matter).

Активную массу с другим соотношением углеродного и гидрофобного материалов готовили аналогично, данные приведены в таблице. The active mass with a different ratio of carbon and hydrophobic materials was prepared similarly, the data are shown in the table.

Изготовленные в соответствии с рис. 2 и примерами 1 5 электроды испытывали в электролизере диафрагменного типа с целью определения эффективности его работы. В качестве основного критерия эффективности использовали величину выхода по току пероксида водорода. Выход по току пероксида водорода параметр, который очень чувствителен к воздействию различных факторов природе и концентрации электролита, его температуре, а также к природе материала электрода. Manufactured in accordance with fig. 2 and examples 1 to 5, the electrodes were tested in a diaphragm type electrolyzer in order to determine its efficiency. The current efficiency of hydrogen peroxide was used as the main efficiency criterion. The current efficiency of hydrogen peroxide is a parameter that is very sensitive to the influence of various factors on the nature and concentration of the electrolyte, its temperature, and also on the nature of the electrode material.

Для получения сопоставимых с прототипом данных электролитическое получение пероксида водорода путем катодного восстановления кислорода проводили в 4 н. растворе гидроксида калия при температуре 14^oC и плотности тока 10 А/дм². Результаты испытаний приведены в таблице.To obtain data comparable with the prototype, the electrolytic production of hydrogen peroxide by cathodic reduction of oxygen was carried out in 4 N. potassium hydroxide solution at a temperature of 14 ^o C and a current density of 10 A / DM ² . The test results are shown in the table.

Из представленных в таблице данных видно, что во всем заявляемом интервале состава активной массы выход по току пероксида водорода сопоставим с величиной выхода по току, полученной для прототипа, или несколько выше. За пределами заявляемого интервала наблюдается либо значительное повышение энергоемкости процесса вследствие существенного повышения сопротивления электрода при слишком высоком содержании диэлектрика (фторопласта) в его составе (пример 4). При недостаточном содержании связующего механическая прочность активного слоя неудовлетворительна, в процессе работы электрода происходит разрушение поверхностного слоя (пример 5). From the data presented in the table it can be seen that in the entire claimed range of active mass composition, the current efficiency of hydrogen peroxide is comparable to the current efficiency obtained for the prototype, or slightly higher. Outside the claimed range, there is either a significant increase in the energy intensity of the process due to a significant increase in the resistance of the electrode with a too high content of dielectric (fluoroplastic) in its composition (example 4). If the binder content is insufficient, the mechanical strength of the active layer is unsatisfactory; during the operation of the electrode, the surface layer is destroyed (Example 5).

Очевидно, что электрод, изготовленный по заявляемому способу, обеспечивает достаточно высокие значения выхода по току пероксида водорода. При этом в нем не используется дорогостоящий металл никель или высоколегированная сталь, минимальна сложность изготовления электрода. It is obvious that the electrode manufactured by the present method provides a sufficiently high current output of hydrogen peroxide. Moreover, it does not use expensive metal nickel or high alloy steel, the minimum complexity of manufacturing the electrode.

К преимуществам заявляемого способа изготовления электрода для электролитического получения пероксида водорода путем катодного восстановления кислорода следует отнести также низкие энергозатраты при изготовлении электрода, высокую адгезию активной массы к основе-носителю, невысокие требования к основе-носителю и возможность изготовления электрода любых требуемых габаритов и форм. The advantages of the proposed method of manufacturing an electrode for the electrolytic production of hydrogen peroxide by cathodic reduction of oxygen should also include low energy consumption in the manufacture of the electrode, high adhesion of the active mass to the carrier base, low requirements for the carrier base and the possibility of manufacturing an electrode of any required dimensions and shapes.

Claims

1. A method of manufacturing an electrode for the electrolytic production of hydrogen peroxide, comprising preparing an active mass by mixing carbon and hydrophobic materials in the presence of an organic solvent and applying the resulting mass to a solid carrier with a gas chamber, followed by drying in air, characterized in that carbon is used as a carbon material carbon black, as a hydrophobic material fluoroplastic, and as an organic solvent acetone, before mixing fluoroplastic st was dissolved in acetone and the resulting solution was added the carbon black, the resulting paste is applied on a carrier made porous with an internal channel for feeding a gas used as a gas chamber.

2. The method according to claim 1, characterized in that the carbon black and fluoroplastic are mixed in the ratio (65-90) :( 10-35) wt. on dry matter.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that ceramic or aluminum tubes made of powder are used as a porous carrier.