TW200304502A - Process for the electrolysis of an aqueous solution of alkali metal chloride - Google Patents

Process for the electrolysis of an aqueous solution of alkali metal chloride Download PDF

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Description

200304502 五、發明說明(1) ^月係有關種驗金屬氯化物水溶液之電解方法。 藉由氣體擴散電極作為耗氧陰極,而⑽金屬氣化物溶 液(例如氣化鈉溶液)之電解來製備氣及驗金屬氯氧化物 水溶液’例如氫氧化鈉轉(町亦稱苛性蘇打溶液)的 方法為屬已去”此處之電解槽係由—種陽極半元件和陰極 半凡件所構成’彼等被—種陰極交換薄賴分隔。陰極半 元件係由-種電解質空間所構成,其藉—種氣體擴散電極 與氣體空·離。電解質”充滿驗金錢氧化物溶液。 氣體空間被充填氧、空氣或富含氧之空氣。含驗金屬氣化 物之溶液被設置在陽極半元件上。 EP-A 1 〇67 215揭^-制賴體擴散電極作為耗氧陰 ㈣電概金屬氣化物溶社方法,其金屬氫氧化二 溶液在陰極半電池之電解質空間中之流速為至少丨公分/ 秒。根據EP-A i 〇67 215,鹼金屬氫氧化物溶液之高流速 引起良好的混合且因而使電解質空間中之鹼金屬氫氧化物 浪度均勻。相較之下,在無氣體擴散電極作為耗氧陰極而 電解鹼金屬氣化物的情況中,由於在電解操作中於陰極所 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 幵/成之氣可確保鹼金屬氫氧化物溶液有適當的混合,所以 南流速是不必要的。 揭示於EP-A 1 067 215之方法的缺點在於電流率隨著 鹼金屬氫氧化物溶液之流速增加而降低。另一方面,陰極 半元件中之驗金屬氫氧化物溶液的溫度隨著降低之流速而 增加至一較大的程度。 因此’本發明之目的在於提供一種鹼金屬氣化物水溶 規格(210x297公釐) 200304502 A7 B7 五、發明說明(Ο 液的電解方法,其可簡單實施且以最低可能流速來運作, 而不會對電解槽或電解器之功能有不利的影響,特別是由 於陰極半元件之鹼金屬氫氧化物溶液之過度溫度所致者。 此目的可根據本發明,藉由申請專利範圍第丨項之特 徵予以達成。 據此,本發明係有關一種鹼金屬氣化物(特別是氣化 鈉)水溶液的電解方法,其係藉由具鹼金屬氫氧化物(特 別是氫氧化鈉)水溶液作為陰極電解質之膜處理法而成, 其中在陽極半元件中之鹼金屬氣化物溶液的溫度及/或在 陽極半元件中之鹼金屬氣化物溶液的體積流速係經設定, 使在陰極半元件入口處之鹼金屬氫氧化物溶液的溫度與由 陰極半元件之出口處的鹼金屬氫氧化物溶液的溫度之間的 差不大於15°C。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 令人驚訝地,在陰極半元件中之鹼金屬氫氧化物溶液 的溫度可成功地藉根據本發明之方法,在陽極半元件中之 鹼金屬氣化物溶液之溫度的幫助下,及若有陽極電解質迴 路(亦即驗金屬氣化物雜的迴路)存在者則在鹼金屬氣 化物溶液之體積流速的幫助下,予以調整。兩種測量方法 之一或兩種測量方法組合都允許在低於丨公分/秒之鹼金 屬A氧化物溶液的低流速下加溫即將受到阻礙之鹼金屬氮 氧化物溶液。尤其,因為在驗金屬氫氧化物溶液之導電度 方面的強梯度可能與人口和出口之_強溫度梯度有關, 所。以在驗金屬氫氧化物溶液的之人口及出口處之間,大於 15°c,較佳大於i〇°c的溫差是不理想的。 -4- 200304502 A7 B7 五、發明說明(3) -- 因此,在陰極半元件中之鹼金屬氫氧化物溶液可在電 解^程期間被冷卻,藉此方式,使得不論是在驗金屬氣化 物溶液之低流出溫度之幫助下就陽極半元件中之鹼金屬氣 化物溶液之給定體積流速和給定之流出溫度而言,抑或是 在鹼金屬氣化物溶液之較大體積流速之幫助下就鹼金屬氣 化物/谷液之給疋流入溫度和給定流出溫度而言,在陰極半 元件中之驗金屬氫氧化物溶液都不會超過所需要的溫度 差。兩種測量法亦可互相組合。鹼金屬氣化物溶液之體積 流速可藉為幫浦所循環之鹼金屬氣化物溶液的量來調整。 根據本發明方法之一優點在於鹼金屬氫氧化物溶液之 溫度毋須藉由陰極半元件中之至少1公分/秒之高流速來 調整。因為電流率隨著增加之流速而下降,特別有利於在 低於1公分/秒之低流速下作用。 另外’驗金屬氫氧化物溶液的溫度亦可藉助於被安裝 在陰極半元件上游之熱交換器來調節。惟,這在根據本發 明之方法中是不需要的且可節省可能因熱交換器之安裝所 引起之額外的設備複雜性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於根據本發明之較佳具體例中,驗金屬氣化物溶液當 由陽極半元件出來時之溫度和鹼金屬氫氧化物溶液當由陰 極半元件出來時之溫度為由80°C至100°C,較佳由85。(: 至 95〇C 〇 進一步較佳之具體例為其中在陰極半元件中之鹼金屬 氫氧化物溶液的流速低於1公分/秒。 根據本發明之方法較佳利用一種氣體擴散電極作為陰 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 200304502
極來實施。作為陽極電解質之鹼金屬氯化物溶液和作為陰 極電解質之鹼金屬氫氧化物溶液係衍生自相同之鹼金屬, 例如鈉或鉀。鹼金屬氣化物溶液較佳為一種氣化鈉溶液, 且驗金屬氫氧化物溶液較佳為一種氫氧化鈉溶液。 於陽極半元件中之鹼金屬氯化物溶液之體積流速視電 解器被操作之電流密度而定。在2.5仟安培/平方公尺 (kA/m2)之電流密度下,每元件之體積流速為由〇〇2至 〇·1立方公尺/小時。在4仟安培/平方公尺之電流密度 下,體積流速為由〇·11至0.25立方公尺/小時。 根據本發明之方法可在2至8仟安培/平方公尺範圍 之電流密度下操作。 實施例 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據以下所描述之實施例,驗金屬氣化物溶液之電解係 利用由15個電解槽所構成之電解器來實施。在個別電解 槽中所使用之陰極為氣體擴散電極,由氣體擴散電極至離 子父換膜之分隔為3毫米,而介於離子交換膜和氣體擴散 電極之間的間隙的長度為206公分。所使用之陽極為經氧 化釕錶所塗覆之鈦陽極。陽極之表面積為2·5平方公尺。 所使用之離子交換膜為來自杜邦之Nafion® NX 981。當由 陽極半元件出來之氣化鈉溶液(NaCl)之濃度為210克 /公升。在陰極半元件中之苛性蘇打溶液(Na〇H)之濃 度為介於30和33重量%之間。除非在下列實施例中指 明,否則電流密度為2.45仟安培/平方公尺,且苛性蘇 -6- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS)A4規格(210 x297公复) 200304502 A7
打溶液之體積流速為3立方/>]? / A尺/小時。後者相當於 〇·85公分/秒之介於離子交換 了㈣邗田 、膜和氟體擴散電極之間間 隙之苛性蘇打溶液速度。 實施例之結果歸納於表1、2及3。 實施例1 在上述條件下,在陽極半元件φ 1 η V. . 之氣化鈉溶液的體積流 速選擇1.0立方公尺/小時。在續 ^ . CA〇^ ^ ^ ? ^ W入處之氣化鈉溶液的溫 f且在流出處為85ti此錢極半元件之流入 二 度差為坑。將苛性騎雜送入具8〇 C溫度之陰極半元件中,復以μ。 士七 设乂 85C的溫度將其排出。電 流率經測定為96.20%。 實施例2 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在上述條件下,在陽極半元件巾之氣化鈉溶㈣體積流 速選擇U立方公尺/小時。在流人處之氣錢溶液的溫 度為50C且在流出處為86°c。因此在陽極半元件之流入 與流出之間的溫度差為36°C。將苛性蘇打溶液送入具79 C溫度之陰極半元件中,復以85〇c的溫度將其排出。電 流率經測定為96.09%。 實施例3 在上述條件下,在陽極半元件中之氯化鈉溶液的體積流 速選擇1.2立方公尺/小時。在流入處之氣化納溶液的溫 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS)A4規格(210 X 297公楚) 200304502 A7 發明說明(6) 度為51 C且在流出處為85°C。因此在陽極半元件之流入 與流出之間的溫度差為34它。將苛性蘇打溶液送入具76 t:溫度之陰極半元件中,復以83π的溫度將其排出。電 流率經測定為96.11%。 實施例4 在上述條件下,在陽極半元件中之氣化鈉溶液的體積流 速選擇1.3立方公尺/小時。在流入處之氣化納溶液的溫 度為55C且在流出處為86。(:。因此在陽極半元件之流入 與流出之間的溫度差為31°C。將苛性蘇打溶液送入具77 °C溫度之陰極半元件中,復以83〇c的溫度將其排出。電 流率經測定為95.63%。 實施例5 (比鮫f你Π 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在上述條件下’在陽極半元件巾之氣化鈉溶㈣體積流 速選擇1.3立方公尺/小時。電流率為2·5仟安培/平方 公尺。在流入處之氣化鈉溶液的溫度為85<>c且在流出處 為86C。因此在陽極半元件之流入與流出之間的溫度差 為1°C。在陰極半元件巾之苛性蘇打溶液的體積流速為 10.5立方公尺/小時,相當於2·95公分/秒之介於離子 交換膜和氣體擴散電極之間間隙之苛性蘇打溶液速度。將 苛性蘇打溶液送入具8〇°c溫度之陰極半元件中,復以86 °(:的溫度將其排出。電流率經測定為95·4%。 實施例6 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公楚) 200304502 A7 五、發明說明(7) 此例之電流率為4仟安培/平方公尺。在陽極半元件 中之氣化鈉溶液的體積流速選擇2〇8立方公尺/小時。 在流入處之氣化鈉溶液的溫度為77。〇且在流出處為⑽ c。因此在陽極半元件之流入與流出之間的溫度差為9 C。在陰極半元件中之苛性蘇打溶液的體積流速為 3立方 公尺/小時,相當於〇·85公分/秒之介於離子交換膜和 氣體擴散電極之間間隙之苛性蘇打溶液速度。將苛性蘇打 /合液送入具82C溫度之陰極半元件中,復以87〇c的溫度 :’、排出。電/瓜率經測疋為96·1%。此顯示根據本發明 之方法即使在更高之電流密度下可操作具優良電流率。 在陽極半元件中之測量值 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
200304502 A7 B7 五、發明說明(8) 表2 :在陰極半元件中之測量值 實施例 在流入處之 在流出處之 NaOH 的 NaOH的體積 NaOH的溫度 NaOH的溫度 溫度差 流速[立方公尺 [°C] [°C] [°C] /小時] 1 80 85 5 3 2 79 85 6 3 3 76 83 7 3 4 77 83 6 3 5 80 86 6 10.5 6 82 87 5 3 表3 :電流密度及電流率 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10- 實施例 電流密度 [仟安培/平方公尺] 電流率 [%] 1 2.45 96.20 2 2.45 96.09 3 2.45 96.11 4 2.45 95.63 5 2.5 95.40 6 4.0 96.10 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

  1. 200304502 AS B8 C8 -------D8 六、申請專利範圍 1· 一種鹼金屬氯化物(特別是氣化鈉)水溶液的電解方 法,其係藉由具鹼金屬氫氧化物(特別氫氧化鈉)水溶 液作為陰極電解質之膜處理法而成,其特徵在於在陽極 半元件中之驗金屬氯化物溶液的溫度及/或在陽極半元 件中之鹼金屬氯化物溶液的體積流速係經設定,使在陰 極半元件入口處之鹼金屬氫氧化物溶液的溫度與由陰極 半元件之出口處的鹼金屬氫氧化物溶液的溫度之間的差 不大於15°c。 2·根據中請專利範圍第i項之方法,其特徵在於驗金屬氣 化物溶液當由陽極半元件出來時之溫度與驗金屬氮氧化 物溶液當由陰極半元件出來時之溫度為由贼至觸 °C,較佳由85°C至95°c。 3. 根據中請專利制第丨及2項中之任—項之方法,其特 徵在於在陰極半元件中之驗金屬氫氧化物溶液的流速低 於1公分/秒。 4. 根據申請專利第丨至3财之任—項之方法,其特 徵在於所使用之陰極為一種氣體擴散電 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11- 200304502 (一))v鑛旨麵ϋ齡論 圖 (二)、本代表圖之元件代表符號簡單說明 無
    -2-1-
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