SE445471B - Sett att alstra klor och natriumhydroxid genom elektrolys av natriumkloridlosning - Google Patents

Description

35 40 8205355-9 2 todytorna mer eller mindre markanta variationer av strömtäthe- ten över membranets yta. Som resultat härav är tidigare an- strängningar att säkerställa en korrekt strömtäthet lokalt på olika ytor av membranet icke framgångsrika.

Uppfinningens ändamål är att åstadkomma ett sätt att alstra klor och natriumhydroxid genom elektrolys av natrium- kloridlösning, varvid strömtätheten i cellen bibehàlles vä- sentligen konstant under införande av en kontrollerad mängd fuktighet i katodrummet och strömfördelningen blir självregle- rande.

I denna avsikt innebär uppfinningen ett sätt att alst- ra klor och natriumhydroklorid genom elektrolys i en cell, som har ett anodrum och ett katodrum, en porös anod, som är perme- abel både för gas och elektrolyt i anodrummet, en porös katod, som är permeabel både för gas och elektrolyt i katodrummet, ett jonbytarmembran väsentligen ogenomträngligt för hydrodyna- miskt flöde och skiljande anodrummet från katodrummet, organ för att föra natriumkloridlösning genom anodrummet, organ för att ge vatten i katodrummet, organ för att föra en elektrolys- ström genom cellen och organ för att utvinna anod- och katod- elektrolysprodukter. Detta sätt kännetecknas väsentligen av att hålla membranet pressat mellan ytorna av den porösa ano- den och den porösa katoden vilken sistnämnda är en katodiskt polariserad bädd av elektriskt ledande, katolytresistent, po- rös fyllnadsmaterial i kontakt med katodytan av membranet.

Dessa och andra ändamål och fördelar med uppfinningen framgår av den efterföljande beskrivningen.

Cellen innefattar en katodbehållare av stål eller annat ledande material, som är resistent mot korrosion av ka- tolytomgivningen och som är tillsluten vid överänden med en platta eller ett lock av titan eller annan ventilmetall, som är passiverbar under anodiska polarisationsförhållanden och som har minst en med företrädesvis en serie av rörformiga ano- “ der svetsade i hål i titantäckplattan, vilka sträcker sig över nästan hela djupet av behållaren med väggarna av de rör- formiga anoderna (med undantag av överdelen av anodväggarna nära svetsarna vid titanplattan) perforerade för att vara per- meabla för vätskor och gaser.

Anoderna är dimensionsstabila och i typfallet är de av titan eller annan anodiskt oxidfilmbildande metall belagd på LH 10 15 20 25 30 35 40 8205355-9 åtminstone en del av aktiva ytan med en elektriskt ledande, elektrokatalytisk avsättning av material resistent mot de ano- diska förhållandena och icke passiverbart, företrädesvis en avsättning av ädelmetaller såsom platina, palladium, rodium, ruteninm och iridium eller oxider eller blandade oxider av dessa. Underändarna av de rörformiga anoderna är tillslutna genom proppar av inert material, företrädesvis plastmaterial försett med koaxiella, gängade hål. De permeabla väggarna hos de rörformiga anoderna är helt täckta utanpå av membranerna för att begränsa anodrummet inuti de rörformiga anoderna.

Underänden av behållaren är tillsluten av en platta företrädesvis av inert plastmaterial och är försedd med organ för att mata saltlösning till det inre av de olika rörformiga anoderna i typfallet med hjälp av inlopp av plastmaterial, vars flänsar bildar en tätning mot bottenplattan av behålla- ren. Anolyten matas genom rörformiga förbindningsorgan inskru- vade i de gängede hålen hos tillslutningspropparna för de rör- formiga anoderna.

Behållaren är försedd med ett utlopp i överdelen för utlopp av katodgas, med en avgivningsöppning i underdelcn för avgivning av katolyten och med ett inloppsrör för âtercirkula- tion av utspädd katolyt eller vatten till katodrummet. Anoder- na, som är svetsade vid behâllarlocket, kommunicerar genom hå- len i locket med en kammare ovanför behållaren, där anodgasen skiljes från elektrolyten, undslipper från ett utlopp och ström- mar till ett gasutvinningssystem och olektrolyten återcirkule- ras till ett återmättningssystenxföre införandet i cellen.

Katoden i cellen består av en porös statisk bädd av löst ledande katodmaterial i form utav flisor, pärlor, kulor, cylindrar, Raschig-ringar, metallull eller andra partiklar, med vilka behållaren är helt fylld till en höjd svarande mot åtmins- tone höjden för_de permeabla väggarna hos de rörformiga anoder- na, som är täckta av membranerna. Fyllningen av katodmaterial är i kontakt med innerväggarna av behållaren och med ytterytor- na av membranerna på de olika rörformiga anoderna och trycker mot membranerna. Det ledande katodfyllmaterialet kan vara gra- fit, bly, järn, nickel, kobolt, vanadin, molybden, zink eller legeringar därav, föreningar mellan metaller, hydridiserings- föreningar, karbidiseringsföreningar och nitridiseringsfören- ingar av metaller eller andra material, som har god konduktivi- 10 15 20 25 35 40 8205353-9 tet och god moståndskraft mot katodförhållandena.

Material uppvisande låg väteöverpotential, såsom järn, kel och legeringar därav är särskilt lämpade för saltlös- III till Pell 1 nic n ngselektrolys. Exempelvis för reduktion av Fe i sur sulfatkatolytlösning med ett anjoniskt membran och syreut- veckling på anoden är däremot partikelmaterial med hög väte- överpotential, såsom bly och blylegeringar, att_föredraga. Ka- yllmaterialet kan även innefatta plast, keramer eller annat inert oledande material belagt med ett skikt av de nämnda elekt- riskt ledande och katodískt resistenta materialen.

Titanplattan eller locket, vid vilket de rörformiga ano- derna är svetsade, är isolerad från katodrummet genom en isola- tionspackning. Den är ansluten till den positiva klämman hos strömdistributionsnätet och katodrummet är anslutet till den negativa klämman hos distributionsnätet.

Massan av katodfyllningen är katodiskt polariserad och fungerar såsom katod och porositeten hos den statiska bädden av katodmaterialet medgiver snabb utveckling av katodgasen och bidrager till att katodiskt sk'dda innerväggarna av katodbehàl- laren.

Elektrodmellanrummet reduceras till litet mer än tjock- leken av membranerna genom den lokala avlänkningen av de elekt- rolytiska strömflödeslinjerna på de geometriskt odefinierade ytorna av katodmaterialet, representerat av partiklarna i bäd- den direkt intill ytorna av membranerna och på de geometriskt odefinierade ytorna av maskorna hos de permeabla väggarna hos de rörformiga anoderna, på vilka membranerna är pâförda.

Mellanrummet mellan katodfyllningsmaterialet och ano- derna förblir väsentligen konstant genom hela elektrolysproces- sen.

Denna konfiguration hos cellen ger utmärkt likformig- het hos strömtätheten på hela den elektrodiska arean utan plöts- liga, lokaliserade skillnader, vilka skulle tendera att förstö- ra membranerna genom uppkomsten av mekaniska och elektriska på- känningar- Pâ ritningsfigurerna visas anoderna såsom cirkulära rör i en rektangulär behållare, som är den föredragna konstruktio- nen på grund av större likformighet hos strömtatheten och läg- re kostnad.

Pâ bifogade ritning, som åskådliggör den föredragna ut- 10 15 20 25 30 35 8205353-9 föringsformen av uppfinningen, är fig. 1 en sektionsvy av en typisk utföringsform och fig. 2 är en sektionsplanvy längs lin- jen l-l i fig. 1 med delar ovanför sektionslinjen visade med streckade linjer.

Såsom visas i fig- katodisk behållare 1 av stål eller nickel eller legeringar där- 1 innefattar cellen en rektangulär av eller av annat ledande och katalytiskt motstândskraftigt ma- terial. Ett lock 2 av titan eller annan anodiskt passiverbar anodiskt oxidfilmbíldande metall är bultfäst vid behållaren 1 och tillsluter behållaren upptill. En isolationspackning 3 är anordnad mellan katodbehâllaren 1 och titanlocket 2. Rörformi- ga anoder 4 av titan är svetsade i hål i locket 2 och sträcker sig ovanför locket såsom visas. Väggarna av de rörformiga ano- derna 4 är försedda med hål eller andra perforeringar, som bör- jar på litet avstånd under locket 2 och sträcker sig till ano- dernas 4 botten. De perforerade partierna 6 av anoderna kan va- ra utformade av nätartad eller expanderad titanplât svetsad vid den ogenomträngliga översektionen 5 eller utformad sammanhäng- ande med denna. Ytan av de perforerade partierna 6 av de rörfor- miga anoderna 4 är på lämpligt sätt belagd med en elektrokata- lytisk avsättning, som är icke passiverbar och resistent mot de anodiska förhållandena, i typfallet innehållande ädelmetaller eller oxider av ädelmetaller. De rörformiga anoderna är till- slutna vid överänden genom en propp eller tillslutning 7 av titan svetsad vid underänden av varje anod 4 eller företrädes- vis såsom angives i fig. 1 av kemiskt resistent plastmaterial, t.ex. polyvinylklorid eller liknande, försett med ett koaxiellt gängat hål 7a.

Det katjoniska membranet 8, företrädesvis rörformigt, är draget över anoden 4 och fäst vid den ogenomträngliga överdelen av anoderna och vid den yttre cylindriska ytan av proppen 7 med hjälp av band av,plastmaterial 9. Denna fastsättning är särskilt lätt och ger en perfekt hydraulisk tätning mellan membranerna och de perfdrerade sektionerna av anoderna 4, som är svår att erhålla i.konventionella filterpressceller.

Det katjoniska membranet 8 är företrädesvis permeabelt för katjoner och impermeabelt för den hydrodynamiska strömning- en av vätska och gas. Lämpliga material för membranerna är fluori- diserade polymerer eller sampolymerer innehållande sulfongrupper.

Sådana material är tillräckligt flexibla och framställes i rörform KH 10 15 20 25 30 35 40 8205353-9 genom strängsprutning eller varmlimning av flata ark. Tjockle- ken av sådana membraner är av storleksordningen en tiondels mil- limeter.

Behållaren 1 vändes 1800 för att underlätta fyllning och fylles med katodmaterialet 10. Behållaren tillslutes sedan med en rektangulär platta 11 perforerad vid underdelen av varje anod 4 och företrädesvis av inert plastmaterial. En rektangulär saltlösningsfördelningslåda 12 även av inert plastmaterial är svetsad vid plattan 11 och är tillsluten genom en tillslutnings- platta 13 utrustad med en saltlösningsinloppsöppning 14. En pack- ning kan vara anordnad mellan plattan 11 och flänsbotten av den rektangulära behållaren 1. Flänsarna hos plattan 11 kan vara bultfästa vid bottenflänsen på behållaren 1 och tillslutningsplat- tan 13 kan vara bultfäst vid botten av fördelningslådan 12. Salt- lösningsfördelningsboxen är ansluten till det inre av anoderna 4 med hjälp av rörformiga förbindningsorgan 15, som är flänsförsed- da vid ena änden och inskruvade i de gängade hålen 7a hos till- slutningspropparna 7. Tätningar eller packningar 16 är anordna- de mellan flänsarna på förbindningsorganen 15 och saltlösnings- fördelningsboxen 12.

Katodrummet är fyllt med partikelmaterial till ungefär toppen av de permeabla sektionerna 6 av de rörformiga anoderna 4.

Katodbehâllaren är nära överdelen på en nivå ovanför den för den partikelartade bädden 10 försedd med ett eller flera utlopp 17 för väte och i sin undre del med åtminstone ett juster- bart svanhalsutlopp 18 för avgivning av katolyten.

Ett fördelnings- eller sprutrör 24 ovanför nivån för par- tikelmaterialet 10 sträcker sig horisontellt över 'äsentligen hela längden av behållaren 1 och är utrustat med en serie hål för att medgiva tillförsel av vatten ellerkatolyttill katod- rummet för utspädning och reglering av koncentrationen.av alka- limetallhydroxiden, som alstras i katodrummet.

Företrädesvis tillförs vatten kontinuerligt till katod- rummet genom fördelningsröret 24 för att utspäda den hydroxid som bildas på katoden och upprätthålla hydroxidkoncentrationen hos katolytavloppsmediet från cellen mellan 25 och 43 viktspro- cent.

Var och en av de rörformiga anoderna 4'är ansluten vid överdelen till en rektangulär tank 19, som sträcker sig över 10 15 25 30 LJ UI 40 8205353-9 hela överdelen av cellbehållaren 1. Elektrolytnivån för tanken 19 upprätthâlles konstant genom ett svanhalsavgivningsrör 20 för elektrolyten. Elektrolyten, som avgives från röret 20, till- föres ett återmättningssystem, innan den återíöres till cellen genom elektrolytinloppet 14.

Halogencn, som alstras på anoderna, avskiljes från elektrolyten i tanken 19 och undslipper genom utloppet 21.

Plattan eller locket 2, vid vilken de rörformiga ano- derna 4 är svetsade, är direkt ansluten till den positiva kläm- man hos det elektriska strömmatningssystemet med hjälp av för- bindningen 22 och katodbehållaren 1 är ansluten till den nega- tiva klämman med hjälp av förbindningen 23.

Pig. 2 är en sekticnsvy längs linjen l-l i fig. 1 med elementen i den i samband med fig. 1 beskrivna cellen angivna med samma hänvisningsbeteckningar. Lokaliseringen av fördel- ningsröret 24 angives genom streckade linjer ovanför nivån för partiklarna av katodmaterialet 10 i katodbehâllaren 1.

Den visade cellen innefattar sex rörformiga anoder i ett rektangulärt hölje men det inses att antalet anoder kan va- rieras i tvärriktningen, att flera rader av anoder kan användas, att formen hos cellen och anoderna kan vara en annan än den som visas.

Utsträckningen av de cylindriska ytorna hos de rörfor- miga anoderna 4 är mycket stor relativt volymen av behållaren 1, vilket medgiver höga produktionshastigheter i en kompakt cell med väsentligen likformig strömtäthet genom cellen jämfört med celler, som vanligen användes kommersiellt. vid drift matas koncentrerad saltlösning (120-310 g/l) av NaCl genom inloppet 14 till fördelningsboxen 12 och stiger genom var och en av de rörformiga anoderna 4, på vilkas elektrokatalytiskt belgada ytor klor bildas. Natriumjonerna genomgår det katjoniska mem- branet ochlkombineras med hydroxyljonerna, som avgives på ka- toden genom elektrolys av vattnet under bildande av natrium- hydroxid. Kloren stiger genom elektrolyten, som innehâlles inuti de rörformiga anoderna 4, och till tanken 19, där den skiljes från vätskan och undslipper genom utloppet 21. De stigande klor- bubblorna ger en snabb strömning uppåt av elektrolyten i rören 4.

Den urlakade saltlösningen strömmar genom konstantnivâ- utloppet 20 och återföres till återmättningssystemet, innan den äterföres till cellen genom inloppet 14.

Claims (2)

10 15 20 25 30 8205353-9 Vätet, som avgives på ytorna hos den porösa katodbäd- den intill membranet 8, stiger genom partikelbädden 10 och upp- samlas i det övre rummet i katodbehállaren, varifrån det und- slipper genom utloppet 17. Natriumhydroxidlösningen avgives genom den justerbara svanhalsen 18. Den justerbara svanhalsen 18 bibehåller nivån hos katolyten pà väsentligen samma nivå som överdelen av katodbädden 10. Katolyten kan föras genom ett átervinningssystem för natriumhydroxid beläget utanför cellen och utloppsmaterialet av utspädd natriumhydroxidlösning àterinföres till katodrummet genom fördelningsröret 24. Driftstemperaturen kan variera mellan 30 och l00°C och bibehålles företrädesvis vid ca 85°C. pH för anolyten kan va- riera mellan l och 6 och strömtätheten kan variera mellan 1000 och 5000 A/ml. P a t e n t k r a v

1. Sätt att alstra klor och natriumhydroxid genom elekt- rolys av natriumkloridlösning i en cell som har ett anodrum och ett katodrum, en porös anod, som är permeabel både för gas och elektrolyt i anodrummet, en porös katod, som är permeabel både för gas och elektrolyt i katodrummet, ett jonbytarmembran väsentligen ogenomträngligt för hydrodynamiskt flöde och skil- jande anodrummet från katodrummet, organ för att föra natrium- kloridlösning genom anodrummet, organ för att ge vatten i ka- todrummet, organ för att föra en elektrolysström genom cellen och organ för att utvinna anod- och katodelektrolysprodukter, k ä n n e t e c k n a t av att hålla membranet pressat mel- lan ytorna av den porösa anoden och den porösa katoden vil- ken sistnämnda är en katodiskt polariserad bädd av elektriskt ledande, katolytresistent, poröst fyllnadsmaterial i kontakt med katodytan av membranet.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det porösa fyllnadsmaterialet är i form av spån, kulor, bollar, cylindrar, Raschigringar eller hoptryckt metallull eller -tråd.