SE465966B - Elektrod foer elektrolys, foerfarande foer dess framstaellning samt anvaendningen av elektroden - Google Patents

Description

465 966 lO 15 20 25 30 35 2 membran samt speciell elektrodgeometri och hög temperatur.

För att minska resistansen som hänför sig till den lösning som skall elektrolyseras är det önskvärt att gapet mellan anod och katod är så litet som möjligt. Det är också brukligt att arbeta med ett mindre övertryck i katodrummet eftersom natriumhydroxid leder elektrisk ström betydligt bättre än natriumklorid. Detta övertryck får till följd att det tunna membranet pressas mot anodytan. Då gaser utveck- las vid elektrolysen, som t.ex. vid elektrolys av alkalime- tallklorid, tenderar gasbubblorna att ansamlas vid gräns- ytan mellan anoden och/eller katoden och membranet. Detta resulterar i att resistansen ökar hos elektrolyten. För att underlätta avskiljning av utvecklade gasbublor har flera metoder föreslagits: Membranytan har hydrofoberats för att minimera gasblåsornas storlek som vidhäftning till membranet undvikes. Längsgående mönstring av elektrod- ytan är ochså känt. EP 159 138 t. ex. visar en elektrod med ett utförande som är avsett ge en snabb bortforsling av den bildade gasen. Elektroden prägling av elektrodytan.

Ett annat känt problem inom membrancellsframställ- ning av klor är migrationen av natriumhydroxid genom det jonselektiva membranet. Den härvid utbildade alkaliska filmen närmast anoden har en mycket ogynnsam effekt på såväl anodkatalysatorn som den bärande anodstrukturen.

Från kloralkali elektrolys enligt kvicksilverför- farandet är det känt att relativt blygsamma cirkulationsbe- främjande åtgärdet leder till Genom en optimering av elektrodgeometrin samt anbringande av tunna ledskenor i titan erhålles med hjälp av de utveck- lade klorgasbubblorna en omfattande cirkulation av saltlös- ningen i elektrodgapet. Inom klorat- och vattenelektrolys har elektrolyscell och elektroder utformats så att klorgas- bubblornas stigkraft utnyttjas till att åstadkomma processen gynnsam cirkulation av elektrolyt. samtidigt innehåller lameller men saknar avsevärda energibesparingar. en för Föreliggande uppfinning såsom den framgår av patent- en elektrod med förbättrad elektrodgeometri, snabb bortförsel kraven avser vilken medför av bildade gaser samt en 10 15 20 25 30 35 465 966 3 förbättrad cikulation av elektrolyten. Som en bieffekt erhålles en kraftig förstoring av elektrodytan. Uppfinnin- gen avser även förfarande och användning av elektroden.

Elektroden används främst för elektrolys i membranceller.

Elektroden ger emellertid en förbättrad effekt andra typer av elektrolysförfaranden. Elektrokemisk utvin- ning av metaller och elektrolytisk utvinning av gaser ur även vid utspädda lösningar, nämnas som exempel på såsom klorutvinning ur havsvatten kan användningsområden där den förbätt- rade elektrodgeometrin resulterar i förhöjd effekt.

Elektroden en elektriskt ledande metall vars yta har präglats med centralt belägna cikulationskana- ler och uppåtriktade kanaler ter. De uppåtriktade kanalerna innefattar i ett fiskbensliknande möns- kontakt med de centralt belägna cirkulationskanalerna. Dessa kan vid behov slitsar eller hål. erhålles ouppnådd cirkulation av elektrolyt i det för processen så kritiska gapet mellan membran och elektrodyta. Förutom en snabb tillförsel borttransport av alkaliska filmen, natriumhydroxid, spädes ut genom det snabba elektrolytflö- erhålles en förstorad som följd. Förutom står i förses med Med denna utformning av elektroden en för membranprocessen hittills av elektrolyt åstadkommes en effektiv bildade gaser. Det uppnås även att den som bildas p. g. a. migreringen av det. Genom präglingen av mönstret elektrodyta med sänkt elektrodspänning förbättrade prestanda, åstadkommes även en skonsammare drift av elektroden vilket leder till längre driftstid.

Den föreslagna präglingen ger en ytförstoring av i storleksordningen 2 - 3 ggr. Denna ytförstoring sänker elektrodpotentialen i olika grad beroende på processens art och ifrågavarande elektrodreaktion. Den förstorade ytan har selektiviteten hos den önskade gasbildande elektrodreaktioner. en gynnsam inverkan på elektrodreaktionen vid Detta innebär att den typ av gas som utvecklas är beroende av elektrodgeometrin. Så t ex gynnas klorutveckling ur en svag kloridlösning där andra anjoner finns närvarande i stället för utveckling av förstärks vid mera utspädda lösningar än dem som normalt Denna verkan annan typ av gas. 465 966 10 15 20 25 30 35 4 används vid kommersiell klor- och kloratframställning.

Således bidrar ytförstoringen till en minskning av bireak- tionerna vid anoden.

Det fiskbensliknande mönstret består av uppåtriktade kanaler utgående från en central cirkulationskanal. De uppåtriktade kanalerna bildar vinkel med en horisontal- linje i elektrodytans plan. Kanalerna skall emellertid inte vara lodrätt riktade, utan vinkeln mot horisontallinjen än 90°. Ett lämpligt intervall för vinkeln är mellan 10 - 70°, företrädesvis mellan 30 - 60°.

De uppåtriktade kanalerna kan ha ett triangulärt eller u- format tvärsnitt. Storleken och tätheten på de fiskbens- mönstrade kanalerna är måste vara mindre inte kritiskt utan kan väljas av fackmannen. Exempelvis kan ett djup/bredd på mellan 0,3- 1,0 mm väljas för kanalerna och ett avstånd på 0,2 - 2 mm mellan dessa. Genom de snett uppåtriktade tunna, kanalerna sker en ansamling av den bildade gasen vilken stiger upp och ersätts med oreagerad saltlösning.

Den centrala cirkulationskanalen är riktad lodrätt uppåt. Cirkulationskanalen“ kan vara försedd med ett antal slitsar eller hål, beroende på elektrodens användningsom- råde. Genom dessa står kanalen i förbindelse med fritt cirkulerande elektrolyt på elektrodens baksida. Antalet hål eller slitsar samt storleken och formen på dessa kan väljas inom vida gränser. T. ex. kan 20 - 60 % av kanalens längd utgöras av slitsar. Inte heller storleken på cirkulations kanalen är kritisk utan kan lätt väljas av fackmannen beroende på elektrodens utseende och användningsområde.

Ett lämpligt djup/bredd kan vara 0,2 - 0,8 mm.

Det fiskbensliknande mönstret enligt uppfinningen kan inpräglas vid nytillverkning av elektroder. Det kan även präglas på befintliga elektroder och därmed åstadkomma en prestandahöjning på dessa. Mönstret kan präglas på elektro- der av olika utseende och med olika användningsområden.

En vanligen förekommande typ av elektrod i membran- celler utgörs av tunna, böjda, vertikala lameller framstan- sade ur en gemensam plåt av t.ex. titan. Lamellerna förses med det fiskbensliknande mönstret och cirkulationskanaler 10 15 20 25 30 35 465 966 5 vilka förses med slitsar eller hål.

En annan i membranceller vanligen förekommande elektrod är en elektrod av jalusityp. Elektroden består av s.k. gälad plåt av t. ex. titan. Plåten innehåller utstan- sade horisontella, elektrodlameller Ovanpå dessa inpräglas det fiskbensliknande mönstret enligt parallella , gälar. uppfinningen, varvid en förbättrad effekt erhålles. Efter- horisontella och mönstrets anordnade, kommer ett antal som elektrodlamellerna är cirkulationskanaler vertikalt "fiskbensmönster" att anordnas lamell. täcks Varje kommer bredvid varandra på varje hela lamellen av mönster. från ett intilliggande mönster genom en central cirkulationskanal på Företrädesvis "fiskbensmönster" att avgränsas så sätt att de uppåtriktade kanalerna utgår ifrån och slutar i en central cirkulationskanal. Eftersom elektroden används i en membrancell förses cirkulationskanalen med hål eller slitsar.

Då mönstret anbringas på en perforerad plattelektrod eller en elektrod av sträckmetall för att membrancell behöver emellertid den centrala cirkulationska- användas i en nalen inte förses med hål eller slitsar eftersom elektro- lyten kan strömma genom den hålförsedda plattan. Även vid plattformiga elektroder kommer ett antal mönster att appliceras bredvid varandra på samma sätt som ovan.

För andra elektrolysförfaranden såsom t. ex. vid utvinning av klor ur saltvatten eller utvinning av metaller genom elektrolys, anbringas mönstret på elektroden utan hål cirkulationskanalen, eftersom hålen vid inte fyller någon funktion. En vanlig eller slitsar i sådana förfaranden typ av elektrod vid dessa förfaranden är ett antal paral- lella stavelektroder samlade till en större enhet. Varje stav förses runt om med det fiskbensliknande mönstret.

Präglingen av mönstret enligt uppfinningen kan ske på flera sätt. Mönstret kan åstadkommas genom stansning med dyna. Det är också möjligt att prägla mönstret medelst valsning i en figurvals. Då mönstret präglas på befintliga elektroder kan det vara lämpligt att dessa före präglingen genomgår betning och blästring. Elektroder försedda med 465 10 15 20 25 30 35 966 6 aktiv katalysatorbeläggning bör förses med ny sådan efter präglingen.

Slitsarna eller hålen i cirkulationskanalerna kan an- bringas med hjälp av konventionell klippning och/eller laser. Håltagning med mekaniska- eller fotokemiska metoder är andra möjliga sätt.

Elektroden tillverkas av elektriskt ledande metall eller metallegering. Vilken metall eller legering som används beror på om elektroden används som anod eller katod. Valet av material är även beroende av elektrolytens natur. Då t. ex. en natriumkloridlösning skall elektrolyse- ras och elektroden användas som anod är det lämpligt att tillverka elektroden av titan eller andra ventilmetaller såsom niob, tantal, volfram eller zirkonium, eller legerin- gar baserade på dessa. Titan eller titanlegeringar är föredragna som anodmaterial.

Det är vanligt att anoden förses med en beläggning av ett katalytiskt aktivt material. eller flera Detta kan utgöras av en av platinagruppens metaller och legeringar av dessa. Som speciellt lämpliga kan anges iridium och ruteni- um.

Då elektroden skall användas som katod och eletroly- en natriumkloridlösning kan elektroden bestå av järn eller annan alkalibeständig metall. Även katoden är vanligen belagd med en katalytiskt aktiv belägg- ning.

Elektroden kan var monopolärt eller bipolärt ar- rangerad beroende på cellens utförande.

Den elektrolytiska cellen innehåller ett stort antal anoder och katoder, vars antal beror på önskad kapacitet.

Då cellen är en membrancell är den företrädesvis terpress typ. ten är nickel, av fil- Uppfinningen beskrivs nu med hjälp av följande figurer som visar föredragna utföringsformer.

Figur l-5 visar fiskbensmönstret präglad på en elektrod bestående av utstansade, lameller.

Figur 6-8 visar fiskbensmönstret präglat på elektro- plana eller konvexa, 10 15 20 25 30 35 465 966 7 der av jalusityp där jalusierna är horisontellt anordnade.

Figur 9-10 visar fiskbensmönstret präglat på ett stavformat elektrodelement från en gallerliknande elektrod.

Figur 11-14 visar fiskbensmönstret präglad på en perforerad elektrod och en elektrod framställd av sträck- metall.

Figur 1 visar i vy framifrån en detalj av en elektrod bestående av vertikala lameller utstansade ur en plåt.

Lamellerna kan vara antingen plana eller konvexa. Varje lamell har försetts med uppåtriktade kanaler (1) och en central cirkulationskanal (2). Cirkulationskanalen (2) innehåller hål eller slitsar (3). Kanalerna (1) och (2) bildar det fiskbensliknande mönstret. Figur 2 visar en upp- i figur 1. Figur 3 visar ett snitt längs linjen A-A i 2 för en plan lamell och figur 4 visar samma snitt då lamellen är konvex.

Figur 5 visar ett snitt längs linjen B-B i figur 2. Härav framgår konturen av de uppåtriktade kanalerna. I samtliga (2) och (3) uppåtriktade och hål eller slits i förstoring av det präglade mönstret figur figurer avser beteckningarna (1), kanaler, denna. central cirkulationskanal Figur 6 visar en detalj av en elektrod av jalusityp i vy framifrån. Jalusierna eller gälarna är horisontellt anordnade och utstansade ur en plåt. Varje jalusi är vinklad vilket framgår av figurerna 7 och 8 vilka visar snitt längs linjen B-B respektive A-A i figur 6. Då jalusi- erna är horisontella medan det präglade mönstret är ver- tikalt anordnat, kommer ett antal fiskbensmönster, med tillhörande cirkulationskanaler, bredvid varandra, vilket syns tydligt i figur 6.

Figur 9 och 10 visar ett stavformat elektrodelement där varje yta på staven försetts med en central cirkula- tionskanal (2) och uppåtriktade kanaler (1). Figur 10 visar av elektrodelementet i vy framifrån och figur 9 att appliceras en detalj visar ett snitt längs A-A i figur 10.

Figur 11 visar i vy framifrån en detalj forerad plåt på vilken ett antal uppåtriktade kanaler (1) med centrala cirkulationskanaler (2) har applicerats. (4) av en per- 465 966 10 8 visar hålen i den perforerade plattan. Figur 12 anger ett snitt längs linjen A-A i figur 11. Figur 13 visar i vy framifrån en detalj av en sträckmetall vilken präglats med mönstret enligt uppfinningen och slutligen figur 14 visar ett snitt längs linjen A-A i figur 13. (1) och (2) har samma betydelse som i de hålen i sträckmetallen. Även om de föredragna utföringsformerna visar "fisk- bensmönster" med symmetriska uppåtriktade kanaler är inte uppfinningen begränsad till detta. De uppåtriktade kanaler- na kan även vara osymmetriskt anordnade i förhållande till den centrala cirkulationskanalen. andra figurerna och (4) avser

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 465 966 9 Patentkrav

1. Elektrod för elektrolys k ä n n e t e c k n a t därav, att elektroden innefattar en elektriskt ledande metall vars yta är präglad med åtminstone en central, lodrät cirkulationskanal (2) och uppåtriktade kanaler (1) i ett fiskbensliknande mönster, kanalerna (1) bildar en vinkel < 90° med en horisontallinje i elektrodytans plan och står i kontakt med den centralt belägna, lodrätt riktade, cirkulationskanalen (2).

2. Elektrod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t cirkulationskanalen (2) är försedd med varvid de uppåtriktade därav, att genomgående slitsar eller hål (3).

3. Elektrod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att de uppåtriktade kanalerna har ett triangulärt eller u-format tvärsnitt.

4. Elektrod enligt krav 1 och 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att den utgörs av en tunn, perforerad metallplatta, eller av en platta av sträckmetall.

5. Elektrod enligt krav 1 -3, k ä n n e t e c k n a t därav, att den utgöres av en tunn metallplatta innehållande vertikala eller horisontella, parallella lameller.

6. Elektrod enligt krav 1 och 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att den parallella metallstavar vilka hopfogats till en enhet.

7. Förfarande för framställning av en elektrod enligt krav 1 till 6, k ä n n e t e c k n a t elektrodens yta präglas med åtminstone en central, lodrät cirkulationskanal (2) och uppåtriktade kanaler (1) i ett fiskbensliknande mönster, varvid de uppåtriktade kanalerna (1) bildar en vinkel < 90° med en horisontallinje i elektrodytans plan och står i kontakt med den centralt belägna, lodrätt riktade, cirkulationskanalen (2).

8. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att cirkulationskanalen (2) är försedd med slitsar eller hål (3). ,

9. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att präglingen sker genom stansning med dyna. utgöres av därav, att 465 966 10

10. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att präglingen sker medelst valsning i figurvals.

11. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t därav, att cirkulationskanalernas slitsar eller hål (3) har 5 anbringats genom ett av sätten klippning och/eller laser, håltagning med mekaniska - eller fotokemiskametoder.

12. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att elektroden utgöres av en befintlig elektrod.

13. Användning av en elektrod enligt krav 1-5, för 10 elektrolys i en membrancell.

14. Användning av en elektrod enligt krav 1, 2 och 6 för elektrokemisk utvinning av metaller.

15. Användning av en elektrod enligt krav 1 för utvinning av klor i havsvatten. 15 Vf' t»