RU2757206C1 - Electrolyzer with reinforced membrane - Google Patents

Electrolyzer with reinforced membrane Download PDF

Info

Publication number
RU2757206C1
RU2757206C1 RU2021101437A RU2021101437A RU2757206C1 RU 2757206 C1 RU2757206 C1 RU 2757206C1 RU 2021101437 A RU2021101437 A RU 2021101437A RU 2021101437 A RU2021101437 A RU 2021101437A RU 2757206 C1 RU2757206 C1 RU 2757206C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
electrolyzer
mesh
holes
electrode
Prior art date
Application number
RU2021101437A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Борисович Ненашев
Николай Васильевич Кислых
Юрий Петрович Келлер
Original Assignee
Юрий Петрович Келлер
Алексей Борисович Ненашев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Петрович Келлер, Алексей Борисович Ненашев filed Critical Юрий Петрович Келлер
Priority to RU2021101437A priority Critical patent/RU2757206C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757206C1 publication Critical patent/RU2757206C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60Constructional parts of cells

Abstract

FIELD: electrochemistry.
SUBSTANCE: invention relates to an electrolyzer with a reinforced membrane containing a housing, a cathode and an anode chamber with an electrode in each, separated by an ion exchange membrane, having holes for supplying an electrolyte solution and holes for the exit of electrolysis products. The electrolyzer is characterized by the fact that mesh inserts with through holes are embedded between the membrane and both electrodes, located at a distance of no more than 1 mm from each side of the membrane, through holes are directed from the membrane to the electrode.
EFFECT: proposed design of the electrolyzer increases the lifetime of the ion exchange membrane in a continuous technological process, stabilizes the parameters of the electrolysis process and, due to its simplicity and high efficiency, will find wide application in the manufacture of electrolyzers of this type.
6 cl, 2 dwg

Description

2. Область техники, к которой относится изобретение.2. The technical field to which the invention relates.

Изобретение применяется в химической промышленности для получения хлора и щелочи, хлоратыов и перхлоратов, надсерной кислоты и персульфатов, перманганата калия, органических соединений, химически чистого водорода, кислорода, фтора и ряда других ценных продуктов.The invention is used in the chemical industry for the production of chlorine and alkali, chlorates and perchlorates, persulfuric acid and persulfates, potassium permanganate, organic compounds, chemically pure hydrogen, oxygen, fluorine and a number of other valuable products.

3. Уровень техники.3. State of the art.

На сегодняшний день в промышленности преимущественно используют несколько видов электролизных установок, а именно: сухие, проточные, мембранные и диафрагменные.Today, the industry mainly uses several types of electrolysis plants, namely: dry, flow, membrane and diaphragm.

Заявленное изобретение относится к мембранным электролизерам.The claimed invention relates to membrane electrolysers.

Мембранные электролизеры в большинстве случаев состоят из корпуса с анодной и катодной камерами, которые соответственно имеют электроды анод и катод, причём камеры разделены ионообменной мембраной и имеют отверстия для подачи раствора электролита и отвода продуктов электролиза. В электролизерах применяются катионообменные, анионообменные и биполярные мембраны. Membrane electrolyzers in most cases consist of a body with an anode and cathode chambers, which respectively have anode and cathode electrodes, and the chambers are separated by an ion-exchange membrane and have holes for supplying electrolyte solution and removing electrolysis products. Electrolyzers use cation-exchange, anion-exchange and bipolar membranes.

Ионообменная мембрана герметично и прочно закреплена в корпусе электролизера и не позволят произвольно, без электрического воздействия, смешивать растворы электролитов, находящихся в анодной и катодной камерах. Помимо герметичности мембрану необходимо закрепить так, чтобы не допустить её перемещения в сторону анода или катода. Для этого при установке мембраны её натягивают между стенками электролизера. При натягивании мембраны очень важно не повредить её, т.к. любое повреждение приведёт к невозможности использовать мембрану. Герметичность крепления мембраны может обеспечиваться использованием герметиков.The ion-exchange membrane is hermetically and firmly fixed in the electrolyzer body and will not allow arbitrarily, without electrical influence, to mix the electrolyte solutions located in the anode and cathode chambers. In addition to tightness, the membrane must be fixed so as not to allow it to move towards the anode or cathode. To do this, when installing the membrane, it is pulled between the walls of the electrolyzer. It is very important not to damage the diaphragm when pulling on the diaphragm. any damage will result in the inability to use the membrane. The tightness of the membrane fastening can be ensured by using sealants.

Принцип работы ионообменной мембраны основан на её основных свойствах: возможности сорбции ионов и их избирательного транспорта через мембрану. При контакте с раствором электролита мембрана набухает, т.е. впитывает окружающую жидкость и становится электрическим проводником, по иному мембрану называют твёрдым электролитом, а при воздействии электрического поля мембрана избирательно пропускает анионы или катионы. За счёт способности пропускать через себя катионы или анионы в толще мембраны происходят активные химико-физические процессы, которые разогревают мембрану изнутри. Помимо внутреннего разогрева мембрана нагревается окружающим её электролитом. The principle of operation of an ion-exchange membrane is based on its main properties: the possibility of sorption of ions and their selective transport through the membrane. Upon contact with the electrolyte solution, the membrane swells, i.e. absorbs the surrounding liquid and becomes an electrical conductor, otherwise the membrane is called a solid electrolyte, and when exposed to an electric field, the membrane selectively passes anions or cations. Due to the ability to pass cations or anions through itself, active chemical-physical processes take place in the thickness of the membrane, which heats the membrane from the inside. In addition to internal heating, the membrane is heated by the surrounding electrolyte.

Помимо указанных физико-химических реакций при электролизе мембрана работает в сложных условиях. К примеру, при получении хлора, водорода и едкого натра в анодной камере выделяется высоко агрессивный газ - хлор, а в катодной камере образуется концентрированный раствор щелочи. Процесс электролиза в данном случае сопровождается постоянным нагревом электролита и всего электролизера до 80 - 90С°, а также достаточно высокой токовой нагрузкой, приходящейся на единицу площади мембраны и составляющей от 2000 до 6000 А/кв.м. За счёт интенсивного переноса ионов в толще мембраны происходит ее дополнительный разогрев и, как следствие, постепенная деградация с последующей полной утратой ионообменных свойств. Для восстановления работы электролизера требуется замена мембраны. Регулярная замена мембран в промышленных электролизерах значительно увеличивает стоимость продукции (хлора, водорода, соляной кислоты, едкого натра, гипохлорит натрия и т.д.). In addition to the indicated physicochemical reactions during electrolysis, the membrane operates under difficult conditions. For example, when chlorine, hydrogen and caustic soda are produced, a highly aggressive gas, chlorine, is released in the anode chamber, and a concentrated alkali solution is formed in the cathode chamber. The electrolysis process in this case is accompanied by constant heating of the electrolyte and the entire electrolyzer to 80 - 90C °, as well as a sufficiently high current load per unit area of the membrane and ranging from 2000 to 6000 A / m2. Due to the intensive transfer of ions in the thickness of the membrane, its additional heating occurs and, as a result, gradual degradation, followed by a complete loss of ion-exchange properties. To restore the operation of the electrolyzer, a membrane replacement is required. Regular replacement of membranes in industrial electrolyzers significantly increases the cost of products (chlorine, hydrogen, hydrochloric acid, sodium hydroxide, sodium hypochlorite, etc.).

При нагреве мембраны до рабочей температуры 80 - 90С° и её дополнительного набухания в растворе электролита в ходе работы, происходит значительное увеличение ее линейных размеров, приводящих к образованию складок и выпуклостей. Складки и выпуклости свободно и хаотично движутся по всей поверхности мембраны под давлением интенсивных потоков выделяющихся газов, изменяя сопротивление электролита, создавая градиенты газовых потоков у поверхности мембраны, что приводит к скачкам давления газа в камерах. Данные процессы дестабилизируют работу электролизера и в некоторых случая, в частности при последующем синтезе хлороводорода, приводят к появлению газообразного хлора в хлороводороде, что недопустимо. Под воздействием этих факторов ускоряется деградация мембраны. Кроме того, при длительных знакопеременных нагрузках (повторяющиеся движения мембраны от одного электрода к другому) происходит механическое повреждение мембраны с нарушением её целостности, что приводит к её выходу из строя. В этом случае восстановить работу электролизера возможно только путём замены мембраны на новую. When the membrane is heated to an operating temperature of 80 - 90C ° and its additional swelling in the electrolyte solution during operation, a significant increase in its linear dimensions occurs, leading to the formation of folds and bulges. Folds and bulges move freely and chaotically over the entire surface of the membrane under the pressure of intense flows of evolved gases, changing the resistance of the electrolyte, creating gradients of gas flows at the membrane surface, which leads to surges in gas pressure in the chambers. These processes destabilize the operation of the electrolyzer and in some cases, in particular during the subsequent synthesis of hydrogen chloride, lead to the appearance of gaseous chlorine in hydrogen chloride, which is unacceptable. Under the influence of these factors, membrane degradation is accelerated. In addition, with prolonged alternating loads (repeated movements of the membrane from one electrode to another), mechanical damage to the membrane occurs with a violation of its integrity, which leads to its failure. In this case, it is possible to restore the operation of the electrolyzer only by replacing the membrane with a new one.

Помимо механических повреждений, приводящих к полной непригодности мембраны, могут быть повреждения, которые возможно устранить без замены мембраны на новую. К таким повреждениям можно отнести вытягивание мембраны. Устранение данного дефекта происходит путём дополнительного натягивания мембраны по всей площади. С технической точки зрения, дополнительное натягивание ионообменной мембраны, а если электролизер является многоячеистым - то множества ионообменных мембран, является сложной инженерной задачей, требующей как минимум остановки работы электролизера и его частичного разбора, что впоследствии приводит к дополнительным ресурсозатратам и временным простоям. Помимо таких недостатков при каждой дополнительно натяжке толщина мембраны уменьшается - становится тоньше, что приводит к уменьшению срока её службы. In addition to mechanical damage leading to the complete failure of the membrane, there may be damage that can be repaired without replacing the membrane with a new one. Such damage can be attributed to the stretching of the membrane. Elimination of this defect occurs by additional stretching of the membrane over the entire area. From a technical point of view, additional stretching of the ion-exchange membrane, and if the electrolyzer is multicellular, then many ion-exchange membranes, is a complex engineering task that requires at least stopping the operation of the electrolyzer and its partial disassembly, which subsequently leads to additional resource costs and temporary downtime. In addition to such disadvantages, with each additional tension, the membrane thickness decreases - it becomes thinner, which leads to a decrease in its service life.

Как известно, для увеличения устойчивости ионообменной мембраны к физическим и химическим нагрузкам изменяют химический состав мембран, их конструкцию.As is known, to increase the resistance of the ion-exchange membrane to physical and chemical stress, the chemical composition of the membranes and their design are changed.

Например, для улучшения механических характеристик мембран их армируют тканями из фторированных полимеров, неткаными волокнами, в том числе углеродными, металлической сеткой или металлической проволокой. Армирующая ткань может быть расположена как внутри мембраны, так и на одной из её поверхностей (Промышленный мембранный электролиз/А.Ф. Мазанко, Г.М. Камарьян, О.П. Ромашин - М.: Химия, 1989 [43, 240с]).For example, to improve the mechanical characteristics of membranes, they are reinforced with fabrics made of fluorinated polymers, non-woven fibers, including carbon fibers, metal mesh or metal wire. Reinforcing fabric can be located both inside the membrane and on one of its surfaces (Industrial membrane electrolysis / AF Mazanko, GM Kamaryan, OP Romashin - M .: Chemistry, 1989 [43, 240s] ).

Помимо увеличения механических характеристик мембран, важное значение имеет равномерное распределение по всей площади мембраны газовых пузырьков. Подобное распределение улучшает качество получаемых веществ, увеличивает скорость получения таких веществ и в целом увеличивает эффективность работы электролизера. In addition to increasing the mechanical characteristics of the membranes, the uniform distribution of gas bubbles over the entire membrane area is important. Such a distribution improves the quality of the substances obtained, increases the speed of obtaining such substances and, in general, increases the efficiency of the electrolyzer.

Для решения этой проблемы в американском патенте US 2020283919 A1 - 2020-09-10 (информация о патенте взята с информационного ресурса Espacenet) предложено внутреннее пространство электролизера между ионообменной мембраной и электродами разделить перемычками, проходящими в направлении высоты устройства, имеющие в верхней области множество отверстий. Одной из целей данного изобретения служит достаточное перемешивание электролита в камерах в продольном направлении. Признаками изобретения по патенту US 2020283919 A1 - 2020-09-10, совпадающими с признаками заявленного изобретения являются электролизер, содержащий анодную и катодную камеры, включающие, по меньшей мере, по одному входному и одному выходному отверстию, обеспечивающие поток электролита в камерах и имеющие электроды. К недостаткам данного изобретения можно отнести недостаточное горизонтальное перемешивание пузырьков газа, что впоследствии приведёт к неравномерному горизонтальному распределению давления, иными словами в верхней части камер давление газа может быть больше чем в нижней. Другим недостатком этого изобретения является недостаточное укрепление ионообменной мембраны. Исходя из описания, перемычки или рёбра располагаются в вертикальном направлении, т.е. с низу вверх. В горизонтальном направлении такие перемычки не устанавливаются. Отсюда получаются слабые места между перемычками, которые позволят давлению отходящих пузырьков газа продавливать мембрану между ними, придавая мембране волнистую вертикальную форму.To solve this problem, in the American patent US 2020283919 A1 - 2020-09-10 (information about the patent is taken from the information resource Espacenet) it is proposed to divide the inner space of the electrolyzer between the ion-exchange membrane and the electrodes by jumpers extending in the direction of the height of the device, having many holes in the upper region ... One of the objectives of the present invention is to sufficiently mix the electrolyte in the chambers in the longitudinal direction. The features of the invention under the patent US2020283919 A1 - 2020-09-10, coinciding with the features of the claimed invention, are an electrolyzer containing an anode and a cathode chambers, including at least one inlet and one outlet, providing an electrolyte flow in the chambers and having electrodes ... The disadvantages of this invention include insufficient horizontal mixing of gas bubbles, which will subsequently lead to an uneven horizontal distribution of pressure, in other words, in the upper part of the chambers, the gas pressure may be higher than in the lower one. Another disadvantage of this invention is the insufficient strengthening of the ion exchange membrane. Based on the description, jumpers or edges are located in the vertical direction, i.e. upwards. In the horizontal direction, such jumpers are not installed. This creates weak points between the bridges, which will allow the pressure of the outgoing gas bubbles to push the membrane between them, giving the membrane a wavy vertical shape.

Весьма интересным представляется изобретение по корейскому патенту KR20160074241 (A) - 2016-06-28 (информация о патенте взята с информационного ресурса Espacenet). В данном случае авторы ставят своей целью подавить деформацию ионообменной мембраны. Предлагается два варианта такого подавления: 1) установка между мембраной и электродами опорных выступов, которые крепятся к электродам 2) установка между электродами и мембраной блока подавления деформации мембраны, который представляет собой пористую сетку, изготовленную из синтетической смолы. Признаками патента KR20160074241 (A) - 2016-06-28, совпадающими с признаками заявленного изобретения являются: электролизер, содержащий анодную и катодную камеры, включающие, по меньшей мере, по одному входному и одному выходному отверстию, которые обеспечивают поток электролита в камерах, имеющие электроды и наличие между мембраной и электродами с обеих сторон противодеформационного устройства. К недостаткам первой части изобретения по корейскому патенту, в которой в качестве противодеформационного устройства предлагается в электроды устанавливать опорные выступы, которые устанавливаются вплотную к мембране для предотвращения её деформации, можно отнести высокие требования к точности изготовления пары «стенка со столбиками + перфорированный электрод». Если делать многоячеечный электролизер, то сложность изготовления таких электродов с опорными выступами значительно возрастает. Электроды работают только с одной стороны (той, что обращена к мембране. Другая сторона неплотно закрыта листом со столбиками. Любые покрытия (платина, золото, серебро, рутений, иридий и т.д.) - дорогие материалы и покрытие стороны электрода, обращенной к боковой стенке, будет нерациональной и бессмысленной тратой средств. Предложенное, по корейскому патенту решение допустимо для электролиза воды, где можно применить одностороннее покрытие (в этом процессе не выделяются агрессивные вещества), но для электролиза поваренной соли это точно не подойдет. Нанесение покрытий на перфорированные электроды - это сложная задача, так как при переломе поверхностей (лицевая поверхность электрода и перпендикулярно к ней поверхность от сверления) всегда образуются дефекты покрытий (истончение вплоть до нулевой толщины). Это приводит к коррозии несущего слоя электрода. Если, предположить, что электрод свободно перемещается по столбикам по стенке, то ничего не препятствует электроду притянуться к мембране вплотную и запустить паразитные процессы нагрева и деструкции мембраны. The invention under the Korean patent KR20160074241 (A) - 2016-06-28 seems to be very interesting (information about the patent is taken from the information resource Espacenet). In this case, the authors aim to suppress the deformation of the ion-exchange membrane. Two options for such suppression are proposed: 1) installation of support protrusions between the membrane and the electrodes, which are attached to the electrodes; 2) installation of a membrane deformation suppression unit between the electrodes and the membrane, which is a porous mesh made of synthetic resin. The features of the patent KR20160074241 (A) - 2016-06-28 coinciding with the features of the claimed invention are: an electrolyzer containing an anode and a cathode chambers, including at least one inlet and one outlet, which provide the flow of electrolyte in the chambers having electrodes and the presence between the membrane and the electrodes on both sides of the anti-deformation device. The disadvantages of the first part of the invention under the Korean patent, in which it is proposed to install support protrusions in the electrodes as a deformation device, which are installed close to the membrane to prevent its deformation, include high requirements for the accuracy of manufacturing a pair "wall with pillars + perforated electrode". If you make a multi-cell electrolyzer, then the complexity of the manufacture of such electrodes with support protrusions increases significantly. The electrodes work only on one side (the one that faces the membrane. The other side is not tightly covered with a sheet with pillars. Any coatings (platinum, gold, silver, ruthenium, iridium, etc.) are expensive materials and the coating of the side of the electrode facing The solution proposed by the Korean patent is acceptable for water electrolysis, where a one-sided coating can be applied (no aggressive substances are released in this process), but this is definitely not suitable for table salt electrolysis. electrodes are a difficult task, since when the surfaces are fractured (the front surface of the electrode and the surface from drilling perpendicular to it), coating defects are always formed (thinning down to zero thickness). This leads to corrosion of the supporting layer of the electrode. Assuming that the electrode is free moves along the columns along the wall, then nothing prevents the electrode from being attracted to the membrane not close and start parasitic processes of heating and destruction of the membrane.

К недостаткам второй части изобретения по корейскому патенту, в которой предлагается между мембраной с одно стороны и электродами и корпусом с реакционным пространством с другой стороны вставлять клетчатые сетки, можно отнести плотное расположение клетчатой сетки к мембране, что препятствует свободному передвижению пузырьков газа к выходному отверстию электролизера, а также уменьшает полезную площадь мембраны, так как в местах прилегания клетчатой сетки к мембране миграция ионов через мембрану снижена. Также к недостаткам изобретения по корейскому патенту можно отнести саму конструкцию электролизера, которая, за счёт наличия реакционных камер имеет 7 мест герметизации, т.к. электрод от мембраны, помимо клетчатой сетки, отделён реакционными камерами. Таким образом, места соединения мембраны с клетчатыми сетками с обеих сторон, места соединения клетчатых сеток корпусами, являющимися реакционными камерами и места соединения реакционных камер с электродами, являются слабыми местами электролизера, наиболее подверженными повреждениям при работе электролизера. The disadvantages of the second part of the invention according to the Korean patent, in which it is proposed to insert checkered grids between the membrane on one side and the electrodes and the housing with the reaction space on the other side, can be attributed to the dense arrangement of the checkered grid to the membrane, which prevents the free movement of gas bubbles to the outlet of the electrolyzer , and also reduces the useful area of the membrane, since in the places where the checkered mesh adjoins the membrane, the migration of ions through the membrane is reduced. Also, the design of the electrolyzer itself can be attributed to the disadvantages of the invention under the Korean patent, which, due to the presence of reaction chambers, has 7 sealing points, since the electrode from the membrane, in addition to the checkered mesh, is separated by reaction chambers. Thus, the junction of the membrane with the checkered grids on both sides, the junction of the checkered grids with housings that are reaction chambers and the junction of the reaction chambers with the electrodes are the weak points of the electrolyzer, most susceptible to damage during the operation of the electrolyzer.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является патент KR20160074241 (A) - 2016-06-28, выступающий прототипом.The closest analogue of the claimed invention is patent KR20160074241 (A) - 2016-06-28, which acts as a prototype.

Технической проблемой на решение которой направлено настоящее изобретение является улучшение эксплуатационных характеристик мембраны путём устранения её деформации в процессе электролиза с одновременной стабилизацией работы электролизера путём уменьшения или полного исключения скачков давления отходящих газов, равномерное распределение пузырьков отходящих газов по всей площади ионообменной мембраны.The technical problem to be solved by the present invention is to improve the performance of the membrane by eliminating its deformation during electrolysis with simultaneous stabilization of the electrolyzer by reducing or completely eliminating pressure surges in the exhaust gases, uniform distribution of exhaust gas bubbles over the entire area of the ion-exchange membrane.

4. Раскрытие сущности изобретения.4. Disclosure of the essence of the invention.

Для решения имеющейся технической проблемы авторы заявленного изобретения предлагают изготавливать и устанавливать в электролизер между электродами и ионообменной мембраной перемычки, скреплённые между собой таким образом, что они образуют сетчатый вкладыш со сквозными отверстиями, направленными от мембраны к электродам. Сетчатые вкладыши, расположена на равных расстояниях от мембраны до катода с одной стороны и от мембраны до анода с другой стороны. Сетчатый вкладыш не крепится к какому-либо электроду, мембране или корпусу электролизера. Сетчатый вкладыш изготавливается по размеру пространства образованного между одним электродом, мембраной и корпусом электролизера. Сетчатый вкладыш устанавливается в пространство между электродом, мембраной и электролизером. При таком расположении сетчатого вкладыша происходит значительное уменьшение возникающих при работе электролизера градиентов омического сопротивления растворов электролитов по площади и высоте мембраны. Причиной этого является усреднение газонаполненности электролитов (католита и анолита) сверху вниз по электролизеру и значительного ограничения возможности сдвига мембраны от среднего положения под давлением выделяющихся газов и под воздействием нагрева. Отсюда получаем значительное уменьшение сдвигов мембраны в сторону какого-либо электрода, отсутствие деформации мембраны. To solve the existing technical problem, the authors of the claimed invention propose to manufacture and install in the electrolyzer between the electrodes and the ion-exchange membrane jumpers, fastened together in such a way that they form a mesh insert with through holes directed from the membrane to the electrodes. Mesh liners are located at equal distances from the membrane to the cathode on one side and from the membrane to the anode on the other side. The mesh liner is not attached to any electrode, membrane or cell body. The mesh liner is made to fit the space formed between one electrode, the membrane and the cell body. The mesh insert is installed in the space between the electrode, membrane and electrolyzer. With this arrangement of the mesh insert, there is a significant decrease in the gradients of ohmic resistance of electrolyte solutions arising during the operation of the electrolyzer over the area and height of the membrane. The reason for this is the averaging of the gas content of electrolytes (catholyte and anolyte) from top to bottom in the electrolyzer and a significant limitation of the possibility of membrane shift from the middle position under the pressure of the evolved gases and under the influence of heating. Hence, we obtain a significant decrease in membrane shifts towards any electrode, no deformation of the membrane.

В ходе экспериментов было установлено, что сетчатый вкладыш лучше устанавливать на расстоянии от мембраны с каждой стороны. Эксперименты проводились с разными расстояниями в диапазоне от 0 до 2 мм включительно. По итогам проведённых экспериментов, было установлено, что расстояние между сетчатыми вкладышами с каждой стороны мембраны должно быть не более 1 мм от каждой стороны мембраны. Именно при расположении сетчатых вкладышей от мембраны на расстоянии в указанном диапазоне лучше отходят и перемещаются вверх к выходному отверстию пузырьки газа.Experiments have found that the mesh insert is best positioned at a distance from the membrane on each side. The experiments were carried out at different distances in the range from 0 to 2 mm, inclusive. Based on the results of the experiments, it was found that the distance between the mesh liners on each side of the membrane should be no more than 1 mm from each side of the membrane. It is precisely when the mesh inserts are located from the membrane at a distance in the specified range that gas bubbles better move away and move up to the outlet.

Однако, в зависимости от конкретных условий эксплуатации, а именно: от вида и типа электролизера, от используемых в электролизере материалах и веществах, от желаемых результатов при использовании электролизера, наличие расстояния между сетчатыми вкладышами и мембраной в 1 мм может быть слишком маленьким для оптимального отхода пузырьков газа. Но в этом случае необходимо учитывать, что увеличивая расстояние расположения сетчатого вкладыша по отношению к мембране с какой-либо стороны данной мембраны или с обеих сторон сразу теряется эффект устранения деформации мембраны и она снова становится волнистой. However, depending on the specific operating conditions, namely: on the type and type of electrolyzer, on the materials and substances used in the electrolyzer, on the desired results when using the electrolyzer, the presence of a distance of 1 mm between the mesh liners and the membrane may be too small for optimal waste. gas bubbles. But in this case, it is necessary to take into account that by increasing the distance of the mesh liner in relation to the membrane from either side of this membrane or from both sides, the effect of eliminating membrane deformation is immediately lost and it becomes wavy again.

Также в ходе экспериментов, авторами было установлено, что в некоторых случаях для надёжной фиксации мембраны требуется полное отсутствие расстояние между сетчатыми вкладышами, мембраной и электродами. Эти элементы электролизера должны быть установлены вплотную друг к другу. Для таких случаев авторы изобретения обнаружили, что если сетчатый вкладыш установить вплотную к электродам и мембране, а в части сетчатого вкладыша, обращенной к мембране сделать вертикальные углубления, направленные снизу вверх, то такие углубления, независимо от их геометрической формы служат дополнительными каналами для выхода пузырьков газа к выходным отверстиям электролизера, что в свою очередь улучшает отход пузырьков газа от мембраны и перемещение их к выходным отверстиям и равномерное распределение по все площади мембраны. Сетчатый вкладыш в этом случае может быть изготовлен из цельной пластины со сквозными отверстиями. Пластина должна быть химически инертна к раствору электролиза и не проводит электрический ток. Also during the experiments, the authors found that in some cases, for reliable fixation of the membrane, a complete absence of the distance between the mesh liners, the membrane and the electrodes is required. These elements of the cell must be installed close to each other. For such cases, the inventors found that if the mesh insert is installed close to the electrodes and the membrane, and in the part of the mesh insert facing the membrane, vertical recesses directed from bottom to top are made, then such recesses, regardless of their geometric shape, serve as additional channels for the exit of bubbles gas to the outlet openings of the electrolyzer, which in turn improves the escape of gas bubbles from the membrane and their movement to the outlet openings and uniform distribution over all areas of the membrane. In this case, the mesh insert can be made of a one-piece plate with through holes. The plate must be chemically inert to the electrolysis solution and not conductive.

Для увеличения рабочей площади электрода у сетчатого вкладыша со стороны соприкосновения с электродами можно сделать углубления как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. За счёт уменьшения площади соприкосновения сетчатого вкладыша и электрода, свободная площадь электрода увеличится. To increase the working area of the electrode at the mesh insert on the side of contact with the electrodes, you can make recesses in both the vertical and horizontal directions. By reducing the area of contact between the mesh insert and the electrode, the free area of the electrode will increase.

Авторы проводили практические эксперименты с мембранным электролизером по производству хлора, водорода и едкого натра. Поэтому здесь и далее будут приводится примеры из данного эксперимента. Однако это не означает, что техническое решение, предлагаемое авторами, не применимо для иных мембранных электролизеров. Поэтому авторы заявляют, что заявленное ими изобретение подходит для всех типов мембранных электролизеров, в которых имеется свободное, заполненное раствором электролиза пространство между электродом и мембраной. The authors carried out practical experiments with a membrane electrolyser for the production of chlorine, hydrogen and caustic soda. Therefore, hereinafter, examples from this experiment will be given. However, this does not mean that the technical solution proposed by the authors is not applicable to other membrane electrolyzers. Therefore, the authors declare that the claimed invention is suitable for all types of membrane electrolyzers, in which there is a free space filled with electrolysis solution between the electrode and the membrane.

Для получения хлора, водорода и едкого натра использовался мембранный электролизер в котором анодная и катодная камеры разделены катионообменной мембраной (типа «НАФИОН» или подобной). Анодом являлся титановым лист, покрытый окисью рутения или смесью окиси рутения и иридия, а катодом никелевая пластина. Такие электролизеры широко применяются в хлорной промышленности. Мембрана работала в сложных условиях выделения высоко агрессивного газа - хлора в анодной камере, наличия концентрированного раствора щелочи в катодной камере, постоянного нагрева электролита (и всего электролизёра) до 80 - 90 С°, а также токовой нагрузкой, приходящейся на единицу площади мембраны и составляющей 2000 - 6000 А/кв.м. В следствие интенсивного переноса ионов в толще мембраны происходил ее дополнительный разогрев и, как следствие, постепенная деградация с последующей полной утратой ионообменных свойств, что приводило к регулярной замене мембран в промышленных электролизерах. To obtain chlorine, hydrogen and caustic soda, a membrane electrolyzer was used in which the anode and cathode chambers are separated by a cation-exchange membrane (of the "NAFION" type or similar). The anode was a titanium sheet coated with ruthenium oxide or a mixture of ruthenium and iridium oxide, and the cathode was a nickel plate. Such electrolyzers are widely used in the chlorine industry. The membrane operated under difficult conditions of the release of a highly aggressive gas - chlorine in the anode chamber, the presence of a concentrated alkali solution in the cathode chamber, constant heating of the electrolyte (and the entire electrolyzer) to 80 - 90 ° C, as well as the current load per unit area of the membrane and the component 2000 - 6000 A / sq.m. As a result of the intensive transfer of ions in the thickness of the membrane, its additional heating took place and, as a consequence, gradual degradation followed by a complete loss of ion-exchange properties, which led to the regular replacement of membranes in industrial electrolysers.

При такой конструкции без сеток, фиксирующих мембрану, и токовой нагрузке на мембрану 3000±200А/кв.м. срок жизни мембраны при непрерывном процессе электролиза составляет 300±10дней. За срок жизни мембраны принимается период времени от начала эксплуатации до падения выхода по хлору на 30% от начальной величины. With this design, without grids fixing the membrane, and the current load on the membrane is 3000 ± 200A / sq.m. the life of the membrane in a continuous electrolysis process is 300 ± 10 days. The life of the membrane is taken as the period from the start of operation to the fall in chlorine output by 30% of the initial value.

После дополнительной фиксации положения мембраны относительно электродов путем размещения специальных диэлектрических сетчатых вкладышей, ограничивающих возможность движения мембраны от одного электрода к другому, было отмечено значительное уменьшение или полное исключение движения мембраны от одного электрода к другому, равномерное распределение пузырьков газа по всей площади поверхности мембраны, отсутствие скачков давления с какой-либо стороны мембраны.After additional fixation of the position of the membrane relative to the electrodes by placing special dielectric mesh liners that restrict the movement of the membrane from one electrode to another, a significant decrease or complete elimination of membrane movement from one electrode to another was noted, a uniform distribution of gas bubbles over the entire surface area of the membrane, the absence of pressure surges on either side of the diaphragm.

Поэтому фиксация мембраны с помощью сетчатых вкладышей, не препятствующих движению газов и ионов, позволила улучшить работу электролизера. Это, в частности, привело к стабилизации потоков газов. Therefore, fixing the membrane with mesh inserts that do not impede the movement of gases and ions, improved the operation of the electrolyzer. This, in particular, led to the stabilization of gas flows.

После фиксации мембраны с помощью сетчатых вкладышей, расположенных по обе стороны от неё, время срок жизни мембраны увеличился до 360 и более дней. Кроме того, произошла стабилизация потоков выделяющихся газов, что положительно сказалось на устойчивости работы горелки, в которой проходил синтез газообразного хлороводорода и на отсутствие хлора в получаемом хлороводороде.After fixing the membrane with mesh inserts located on either side of it, the membrane lifespan increased to 360 days or more. In addition, there was a stabilization of the flows of evolved gases, which had a positive effect on the stability of the burner, in which the synthesis of gaseous hydrogen chloride took place and on the absence of chlorine in the produced hydrogen chloride.

В ходе экспериментов материал для изготовления сетчатых вкладышей был выбран из ряда наиболее коррозионностойких по отношению к хлору и щелочи полимеров: политетрафторэтилен, поливинилиденфторид или полипропилен. Отсюда авторы сделали вывод, что для использования заявленного изобретения сетчатые вкладыши необходимо изготавливать из материала, химически инертного к раствору используемого электролита, а также не являющимся проводником тока в используемом растворе электролита.In the course of the experiments, the material for the manufacture of mesh liners was selected from a number of polymers that are most corrosion-resistant to chlorine and alkali: polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or polypropylene. Hence, the authors concluded that in order to use the claimed invention, the mesh liners must be made of a material that is chemically inert to the solution of the electrolyte used, as well as not being a current conductor in the used electrolyte solution.

Размер ячеек при изготовлении сетчатых вкладышей имеет значение. Но все возможные размеры таких ячеек для данного изобретения указывать нежелательно, т.к. это приведёт к необоснованному сужению объёма охраны изобретения. Но определённые принципы таких размеров установить возможно.The size of the mesh in the manufacture of mesh liners is important. But it is undesirable to indicate all possible sizes of such cells for the present invention, since this will lead to an unreasonable narrowing of the scope of protection of the invention. But it is possible to establish certain principles of such dimensions.

Поскольку применение мембранного электролиза весьма распространено в химической промышленности, то описывать все возможные варианты использования настоящего изобретения нет смысла. В ходе экспериментов авторы использовали сетчатый вкладыш с ячейками размером 40 мм на 40 мм, с толщиной или диаметром стенки 4 мм. Однако данные размеры ячеек сетки были оптимальны только в опыте, проводимом авторами. Поэтому конкретные значения размеров ячеек для иных случаев использования изобретения нужно устанавливать исходя из модели используемого мембранного электролизера. Но при этом необходимо установить баланс между достаточно плотным укреплением мембраны и наличием наибольшей свободной площади мембраны для контакта с раствором электролита и выпуска пузырьков газа. Т.к. чем больше будет закрыто площади мембраны за счёт меньших размеров ячеек, больших размеров стенок ячеек или более частого расположения ячеек, тем меньше будет производительность электролизера. И наоборот - если ячейки будут слишком большими, то производительность электролизера будет больше, но сетчатый вкладыш не сможет достаточно плотно закрепить мембрану и предотвратить деформацию. Помимо этого необходимо учитывать жёсткость мембраны, т.к. чем она выше, тем прочнее и устойчивее к деформации мембрана и тем больше возможны размеры ячейки и меньше размеры стенок ячеек. Since the use of membrane electrolysis is very widespread in the chemical industry, it makes no sense to describe all possible uses of the present invention. During the experiments, the authors used a mesh insert with cells measuring 40 mm by 40 mm, with a wall thickness or diameter of 4 mm. However, these mesh sizes were optimal only in the experiment conducted by the authors. Therefore, specific values of the cell sizes for other cases of using the invention must be established based on the model of the membrane electrolyzer used. But at the same time, it is necessary to establish a balance between a sufficiently dense strengthening of the membrane and the presence of the largest free area of the membrane for contact with the electrolyte solution and the release of gas bubbles. Because the more the membrane area is covered due to smaller cell sizes, larger cell walls or more frequent arrangement of cells, the lower the cell performance will be. And vice versa - if the cells are too large, then the capacity of the electrolyzer will be higher, but the mesh liner will not be able to secure the membrane tightly enough and prevent deformation. In addition, the stiffness of the membrane must be taken into account. the higher it is, the stronger and more resistant to deformation the membrane and the larger the possible cell dimensions and the smaller the cell walls.

Также необходимо отметить, что для изготовления сетчатого вкладыша могут быть использован пруты диэлектрического материала, в сечении которые представлять собой любую геометрическую фигуру - квадрат, круг, овал, прямоугольник, ромб и т.д. It should also be noted that for the manufacture of the mesh liner, rods of dielectric material can be used, in cross-section of which represent any geometric figure - a square, a circle, an oval, a rectangle, a rhombus, etc.

5. Фигуры5. Shapes

На фигуре 1 изображён пример структуры электролизера с двумя ячеистыми сетками, расположенными по обе стороны от ионообменной мембраны. На фигуре 2 изображён вариант готовой ячеистой сетки с указанием возможных размеров.Figure 1 depicts an example of the structure of an electrolytic cell with two mesh grids located on either side of the ion exchange membrane. Figure 2 shows a variant of the finished mesh with an indication of the possible sizes.

6. Осуществление изобретения.6. Implementation of the invention.

Электролизер состоит из полипропиленового корпуса (1), катионообменной мембраны (2), разделяющей электролизер на катодную и анодную камеры и двух электродов: титанового анода (3) с покрытием из окиси рутения (или смеси окиси рутения и иридия) и никелевого катода (4) и двух сетчатых вкладышей, расположенных по обе стороны мембраны (11) на расстоянии 0,9 мм от мембраны с каждой её стороны. В электролизер через штуцер (5) непрерывно подается электролит - насыщенный раствор хлористого натрия (концентрации не менее 25%), подкисленный соляной кислотой до pH5. Электролит приготавливается из деионизованной воды и технической соли (хлорид натрия), после чего подвергается одно- или много-стадийной очистке по стандартным методикам [соли]. Содержание ионов кальция и магния после очистки не превышает 0,15мг/л. Выход обедненного по хлориду натрия электролита происходит из верхней части анодной камеры через штуцер (6). Также сверху анодной камеры расположен выход газообразного хлора (7), выделяющегося на аноде. В катодной камере снизу подается разбавленный раствор едкого натра (8), сверху забирается более концентрированный (9). Выделяющийся на катоде водород выходит из электролизера через патрубок (10), расположенный в верхней части катодной камеры. Сетчатые вкладыши (11), фиксирующие мембрану, условно показаны не на всю толщину камеры (анодной или катодной). После фиксации мембраны с помощью сетчатых вкладышей, расположенных по обе стороны от неё, время срок жизни мембраны увеличился до 360 и более дней. Кроме того, произошла стабилизация потоков выделяющихся газов, что положительно сказалось на устойчивости работы горелки, в которой проходил синтез газообразного хлороводорода.The cell consists of a polypropylene body (1), a cation-exchange membrane (2) dividing the cell into a cathode and anode chambers, and two electrodes: a titanium anode (3) coated with ruthenium oxide (or a mixture of ruthenium and iridium oxide) and a nickel cathode (4) and two mesh inserts located on both sides of the membrane (11) at a distance of 0.9 mm from the membrane on each side. An electrolyte is continuously fed into the electrolyzer through the choke (5) - a saturated solution of sodium chloride (concentration of at least 25%), acidified with hydrochloric acid to pH5. The electrolyte is prepared from deionized water and technical salt (sodium chloride), after which it undergoes one- or multi-stage purification according to standard [salt] methods. The content of calcium and magnesium ions after cleaning does not exceed 0.15 mg / l. The outlet of the electrolyte depleted in sodium chloride comes from the upper part of the anode chamber through the fitting (6). Also on top of the anode chamber is the outlet of gaseous chlorine (7), which is released at the anode. In the cathode chamber, a dilute sodium hydroxide solution (8) is fed from below, a more concentrated solution (9) is taken from above. Hydrogen liberated at the cathode leaves the electrolyzer through a branch pipe (10) located in the upper part of the cathode chamber. Mesh liners (11) fixing the membrane are conventionally shown not for the entire thickness of the chamber (anodic or cathodic). After fixing the membrane with mesh inserts located on either side of it, the membrane lifespan increased to 360 days or more. In addition, there was a stabilization of the flows of evolved gases, which had a positive effect on the stability of the burner, in which the synthesis of gaseous hydrogen chloride took place.

На рисунке 2 отдельно показана одна из возможных конструкций сетки. Формы и размеры ячеек, а также размер стенок ячеек устанавливается индивидуально.Figure 2 separately shows one of the possible mesh designs. The shapes and sizes of the cells, as well as the size of the walls of the cells, are set individually.

Приведённый пример осуществления изобретения показывает, как его можно использовать в электролизере с одной ячейкой. Однако изобретение можно использовать в многоячеистых электролизерах, которые распространены в промышленности.The given embodiment of the invention shows how it can be used in a single cell electrolyzer. However, the invention can be used in multi-cell electrolysers that are common in the industry.

Claims (6)

1. Электролизер с укреплённой мембраной, содержащий корпус, катодную и анодную камеры с электродом в каждой, разделённые ионообменной мембраной, имеющие отверстия для подачи раствора электролита и отверстия для выхода продуктов электролиза, отличающийся тем, что между мембраной и обоими электродами вложены сетчатые вкладыши со сквозными отверстиями, расположенные на расстоянии не более 1 мм от каждой стороны мембраны, сквозные отверстия направлены от мембраны к электроду.1. An electrolyzer with a reinforced membrane, containing a housing, a cathode and anode chambers with an electrode in each, separated by an ion-exchange membrane, having holes for supplying an electrolyte solution and holes for leaving electrolysis products, characterized in that between the membrane and both electrodes, mesh inserts with through holes located at a distance of no more than 1 mm from each side of the membrane, through holes directed from the membrane to the electrode. 2. Электролизер по п.1, в котором сетчатые вкладыши установлены вплотную к электродам и мембране и имеют вертикальные углубления.2. An electrolyzer according to claim 1, in which the mesh liners are installed close to the electrodes and the membrane and have vertical recesses. 3. Электролизер по п.1, в котором в торцах сетчатых вкладышей со стороны мембраны имеются вертикальные углубления.3. An electrolyzer according to claim 1, wherein there are vertical recesses at the ends of the mesh liners on the side of the membrane. 4. Электролизер по п.1, в котором материал, из которого изготовлены сетчатые вкладыши, не является проводником тока.4. An electrolyzer according to claim 1, wherein the material from which the mesh liners are made is not a current conductor. 5. Электролизер по п.1, в котором материал, из которого изготовлены сетчатые вкладыши, химически инертен к раствору электролита.5. An electrolyzer according to claim 1, wherein the material from which the mesh liners are made is chemically inert to the electrolyte solution. 6. Электролизер по п.1, в котором сетчатые вкладыши расположены на одинаковом расстоянии между мембраной и анодом с одной стороны и между мембраной и катодом с другой стороны.6. An electrolyzer according to claim 1, wherein the mesh inserts are equidistantly spaced between the membrane and the anode on one side and between the membrane and the cathode on the other side.
RU2021101437A 2021-01-25 2021-01-25 Electrolyzer with reinforced membrane RU2757206C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021101437A RU2757206C1 (en) 2021-01-25 2021-01-25 Electrolyzer with reinforced membrane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021101437A RU2757206C1 (en) 2021-01-25 2021-01-25 Electrolyzer with reinforced membrane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757206C1 true RU2757206C1 (en) 2021-10-12

Family

ID=78286445

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021101437A RU2757206C1 (en) 2021-01-25 2021-01-25 Electrolyzer with reinforced membrane

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757206C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775983C1 (en) * 2021-12-03 2022-07-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный горный университет" Electrolyzer

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998026112A1 (en) * 1996-12-12 1998-06-18 Eltech Systems Corporation Reticulated metal article combining small pores with large apertures
WO2003042430A2 (en) * 2001-11-12 2003-05-22 Uhdenora Technologies S.R.L. Electrochemical cell with gas diffusion electrodes
RU75660U1 (en) * 2008-01-11 2008-08-20 Зао Скб "Хроматэк" ELECTROCHEMICAL DEVICE
JP2011256431A (en) * 2010-06-09 2011-12-22 Ihi Corp Apparatus for producing perchlorate

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998026112A1 (en) * 1996-12-12 1998-06-18 Eltech Systems Corporation Reticulated metal article combining small pores with large apertures
WO2003042430A2 (en) * 2001-11-12 2003-05-22 Uhdenora Technologies S.R.L. Electrochemical cell with gas diffusion electrodes
RU75660U1 (en) * 2008-01-11 2008-08-20 Зао Скб "Хроматэк" ELECTROCHEMICAL DEVICE
JP2011256431A (en) * 2010-06-09 2011-12-22 Ihi Corp Apparatus for producing perchlorate

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775983C1 (en) * 2021-12-03 2022-07-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный горный университет" Electrolyzer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5082543A (en) Filter press electrolysis cell
JP3095245B2 (en) Electrochemical chlorine dioxide generator
US3976549A (en) Electrolysis method
US3855104A (en) PROCESS AND APPARATUS FOR THE ELECTROLYSIS OF HCl CONTAINING SOLUTIONS WITH GRAPHITE ELECTRODES WHICH KEEP THE CHLORINE AND HYDROGEN GASES SEPARATE
US4108742A (en) Electrolysis
CA1117472A (en) Filter press cell
KR830002163B1 (en) Chlorine-Alkaline Electrolyzer
NO145543B (en) ELECTROLYCLE CELL FOR ELECTROLYTIC DIVISION OF Aqueous SOLUTIONS OF IONIZABLE CHEMICAL COMPOUNDS
PL125027B1 (en) Diaphragm cell
Lima et al. Energy loss in electrochemical diaphragm process of chlorine and alkali industry–A collateral effect of the undesirable generation of chlorate
KR910003643B1 (en) Electrolytic cell apparatus
US3948750A (en) Hollow bipolar electrode
JPS59100278A (en) Narrow gap gas electrode type electrolytic cell
CA1123376A (en) Electrolysis bath assembly
RU2092615C1 (en) Electrode for electrochemical processes, electrical cell, method of obtaining of chlorine and alkali, and multichamber electrolyzer
RU2757206C1 (en) Electrolyzer with reinforced membrane
WO2015108115A1 (en) Anode for ion exchange membrane electrolysis vessel, and ion exchange membrane electrolysis vessel using same
JP6543277B2 (en) Narrow gap non-split electrolytic cell
SU878202A3 (en) Method of electrolyzis of sodium chloride aqueous solution
CA1117473A (en) Electrolytic cell
JPS6342710B2 (en)
CA1314836C (en) Process for the electrolysis of alkali metal chloride solutions
CA1175780A (en) Internal downcomer for electrolytic recirculation
US4127457A (en) Method of reducing chlorate formation in a chlor-alkali electrolytic cell
US4556470A (en) Electrolytic cell with membrane and solid, horizontal cathode plate