SE508344C2 - Förfarande för drift av en elektrolytisk cell med jonbytarmembran - Google Patents

Description

508 344 10 15 20 25 30 35 2 2 4,773,975 4,806,2l5 4,849,073 4,968,394 4,990,228 4,996,098 WO 91/18830 Såsom kommer att framgå av nedanstående beskrivning av uppfinningen, gäller emellertid att ingen av dessa skrifter beskriver eller antyder föreliggande uppfinning.

Enligt föreliggande uppfinning drives anod- och katod-avdelningarna av en med hjälp av jonbytarmembran uppdelad cell på ett sådant sätt att en signifikant dif- ferential ifråga om temperatur existerar mellan anodav- delningen och katodavdelningen, varvid katolyten upprätt- hålles vid den högre temperaturen. Genom att man arbetar vid en sådan temperaturdifferential eller -skillnad, mins- kar den cellspänning som appliceras på cellen för åstad- kommande av elektrokemisk surgörning eller acidifiering.

Uppfinningen är speciellt tillämpbar i samband med det elektrokemiska acidifieringsförfarandet enligt ovan- nämnda US patentskrift 5,198,087 men är allmänt applicer- bar på vilken som helst elektrolytisk process i en med hjälp av membran uppdelad cell, då effektreducering er- fordras.

Vid drift av en cell för acidifiering av en vatten- baserad lösning av natriumklorat och natriumsulfat före- ligger vissa begränsningar vad beträffar de åtgärder som kan vidtas för att övervinna eller eliminera ohm-fallet över membranet. Det är känt att i klor/alkaliceller drif- ten sker vid cirka 90°C för både anolyten och katolyten och att cirka 30% Na0H användes som katolyt. Att höja anolyttemperaturen över cirka 60°C är emellertid ej prak- tiskt, eftersom långtidsstabiliteten för DSA-020-anoder försämras, under det att högre styrka för hydroxiden i katolyten kan vara oacceptabel beroende på hårdhetsnivån i den vattenbaserade lösning av natriumklorat och natrium- sulfat som kommer från klordioxidalstraren, och dess effekt på membranet. 10 15 20 25 30 35 508 344 Vi har överraskande funnit, att drift av cellen med katolyttemperaturen signifikant eller väsentligt över ano- lyttemperaturen avsevärt minskar cellspänningsbehovet. Vid föreliggande uppfinning överstiger katolyttemperaturen anolyttemperaturen med åtminstone cirka lO°C. En väsentlig förbättring av cellspänningsbehov uppnås trots de tempera- turbegränsningar som anoden ger. Ytterligare förbättring kan uppnås under användning av högre natriumhydroxidkon- centration i katodavdelningen.

Enligt en utföringform av uppfinningen är anolyttem- peraturen lägre än cirka 60°C, företrädesvis cirka 40°C till cirka 55°C, under det att katolyttemperaturen över- stiger anolyttemperaturen med åtminstone cirka lO°C och kan gå upp till cirka 95°C. Koncentrationen av natrium- hydroxid i katolytavdelningen kan variera upp till cirka 20 viktprocent, företrädesvis från cirka 5 till cirka 15 viktprocent. Det är överraskande i vilken grad eller om- fattning resistansen hos membranet, och därmed den totala cellspänningen, kan minskas eller sänkas medelst förfaran- det enligt föreliggande uppfinning, varvid allmänt sett en reduktion på åtminstone cirka 5% uppnås, under det att endast en bråkdel av minskningen kan tillskrivas en sänk- ning av resistansen hos katolyten i sig, som en följd av den förhöjda temperaturen.

Denna effekt med signifikant minskad cellspänning är mycket överraskande och kan ej förklaras enbart med att ' högre elektrolystemperatur påverkar membrantemperaturen.

Om detta vore fallet, skulle en höjning av temperaturen hos anolyten till 80°C, under det att den katodiska tem- peraturen bibehölls vid 60°C, också vara fördelaktig för reducerad cellspänning. Någon sådan effekt har emellertid inte observerats experimentellt. I realiteten observerades reducerad cellspänning enbart när temperaturen hos kato- lyten höjdes relativt anolyten.

För en typisk klordioxidframställning vid en pappers- massafabrik, såsom beskrivs i US patentskrift 5,l98,087, kan årliga effekt- eller energibesparingar på cirka 508 344 10 15 20 25 30 35 S 30 000 uppnås. Eftersom varma och kalla strömmar van- ligtvis finns tillgängliga i en pappersmassafabrik, bör det inte uppstå några energikostnader för tillförsel av värme och utsläpp av värme för upprätthållande av den öns- kade temperaturdifferentialen.

En praktisk lösning då det gäller att upprätthålla temperaturgradienten är att anoden och/eller anolyten ut- sättes för kylning, om så erfordras. Alternativt kan en justering eller reglering av flödeshastigheterna för båda elektrolyterna användas för detta ändamål.

Uppfinningen illustreras genom följande exempel: Exempel En med hjälp av katjonbytarmembran uppdelad cell med ett inbördes avstånd mellan elektroderna på 0,3 cm drevs under användning av en katolyt i form av 2N NaOH och en anolyt omfattande en vattenbaserad lösning innefattande l M natriumseskvisulfat och 2 M natriumklorat. Membranet var "NAFION“ 417. NAFION är ett varumärke för ett membran av perflurosulfonsyra. Det ena av försöken utfördes med både anolyt och katolyt vid 60°C och det andra med anolyt vid 55°C och katolyt vid 80°C.

Under de sistnämnda betingelserna var cellspänningen 3,76 V vid en strömtäthet av 3 kA/m2, vilket representerar en spänningssänkning på 400 mV jämfört med försöket där man arbetade vid 60°C. Liknande resultat erhölls när mem- " branet NAFION 430 användes istället för membranet NAFION 417, varvid spänningen registrerades till 3,74 V.

Sammanfattningvis gäller sålunda att föreliggande uppfinning avser ett förfarande för att minska spännings- behoven för en med hjälp av membran uppdelad elektrolytisk cell därigenom att man driver cellen med katolyten vid en temperatur som är åtminstone cirka l0°C högre än tempera- turen för anolyten. Modifikationer är möjliga inom ramen för föreliggande uppfinning.

Claims (7)

lO 15 20 25 30 35 S 508 344 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för drift av en elektrolytisk cell, vari anod- och katodavdelningar är separerade medelst ett jonbytarmembran, k ä n n e t e c k n a t av att man sän- ker arbetsspänningen för nämnda cell därigenom att man upprätthåller en katolyt i nämnda katodavdelning vid en temperatur som är åtminstone cirka 10°C högre än en anolyt i nämnda anodavdelning.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a t av att anolyttemperaturen är fràn cirka 40°C till cirka 55°C.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t av att katolyttemperaturen kan gå upp till cirka 90°C.

4. Förfarande enligt något av kraven l - 3, k ä n n e t e c k n a t av att anolyten innefattar en vattenbaserad natriumsaltlösning, att natriumjoner över- föres från anodavdelningen till katodavdelningen, att anolyten surgöres via elektrolysreaktionen i nämnda cell och att katolyten göres alkalisk via elektrolysreaktioner- na i nämnda cell.

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k - n a t av att den vattenbaserade natriumsaltlösningen är en vattenbaserad lösning av natriumklorat och natriumsesk- visulfat och att katolyten upprätthàlles vid en natrium- hydroxidkoncentration som är lägre än cirka 20 viktpro- cent.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k - n a t av att natriumhydroxidkoncentrationen är fràn cirka 5 till cirka 15 viktprocent.

7. Förfarande enligt något av kraven l - 6, k ä n n e t e c k n a t av att katolyten upprätthàlles vid en temperatur som är åtminstone 20°C högre än anolyten.