электрод, электролизер, способ изготовления электрода и способ электролиза

Формула изобретения

1. Электрод, содержащий первую пластину, имеющую активную электродную поверхность, и вторую пластину, обращенную в сторону первой пластины и смещенную относительно нее, отличающийся тем, что электрод содержит по меньшей мере одну барьерную пластину, расположенную между первой и второй пластинами и смещенную относительно активной электродной поверхности первой пластины и относительно обращенной поверхности второй пластины.

2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что первая пластина имеет активную электродную поверхность на одной ее стороне и при этом барьерная пластина находится в контакте с противоположной поверхностью первой пластины.

3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что первая и вторая пластины электрически соединены и смещены одна относительно другой, причем каждая из них имеет обращенную наружу активную электродную поверхность, при этом между первой и второй пластинами расположены две барьерные пластины, которые смещены относительно упомянутых поверхностей и одна относительно другой.

4. Электрод по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из барьерных пластин снабжена смещенными один от другого выступами, которые контактируют с поверхностью другой барьерной пластины.

5. Электрод по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что барьерная пластина или пластины изготовлены из фторсодержащего органического полимерного материала.

6. Электрод по п.1, отличающийся тем, что на активную поверхность электрода нанесено электрокаталитически активное покрытие.

7. Электрод по п.6, отличающийся тем, что в случае применения электрода в качестве анода электрокаталитически активное покрытие состоит из смеси окиси металла платиновой группы и пленкообразующего металла.

8. Электрод по п.6, отличающийся тем, что в случае применения электрода в качестве катода электрокаталитически активное покрытие содержит металл платиновой группы.

9. Электролизер, содержащий по крайней мере один анод и один катод и разделитель, расположенный между каждым анодом и смежным катодом и разделяющий электролизер на отдельные анодную и катодную камеры либо на множество таких отделений, отличающийся тем, что анод или катод либо они оба представляют собой электрод, выполненный по п.1.

10. Электролизер по п.9, отличающийся тем, что является электролизером фильтрпрессного типа.

11. Электролизер по п.10, отличающийся тем, что содержит множество анодов и катодов, а также прокладок, выполненных из неэлектропроводного материала.

12. Электролизер по п.9, отличающийся тем, что разделитель, когда он является гидравлически проницаемой диафрагмой, изготовлен из фторсодержащего полимера.

13. Электролизер по п.9, отличающийся тем, что разделитель, когда он является ионообменной мембраной, изготовлен из перфторполимерного материала, содержащего ионные группы.

14. Способ изготовления электрода, включающий использование двух пластин, отличающийся тем, что между пластинами располагают одну или несколько барьерных пластин с образованием электрода по п.1.

15. Способ электролиза водного раствора хлорида щелочного металла, отличающийся тем, что электролиз проводят в электролизере по п.9.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электролизеру и электроду для него и в частности к электролизеру, который оснащен средством рециркуляции щелока, а также к способу изготовления электролизера и способу электролиза с использованием такого электролизера.

Из патента США N 4138295, кл. C 25 B 1/16, 1/26, 11/02, C 65 B 11/03, 1979.

Известен электрод, содержащий первую пластину, имеющую активную электродную поверхность, и вторую пластину, обращенную в сторону первой пластины и смещенную относительно нее, а также способ изготовления электрода, включающий использование двух пластин.

Кроме того, из патента США N 4138295 известен электролизер, содержащий по крайней мере один анод и один катод и разделитель, расположенный между каждым анодом и смежным катодом и разделяющий электролизер на отдельные анодную и катодную камеры либо на множество таких отделений, в также способ электролиза водного раствора хлорида щелочного металла с использованием такого электролизера.

Однако, известные средства рециркуляции не исключают градиентов концентрации в растворе в анодных и катодных отделениях электролита, а следовательно, исключают возможность проведения электролиза при повышенном КПД по току. Кроме того, конструкция известных средств рециркуляции не достаточно проста для установки в электролизере фильтрпрессного типа, в котором анодные и катодные отделения обычно узкие, и они не могут работать с подкисленным рассолом.

Технической задачей настоящего изобретения является создание электрода и способа его изготовления, а также электролизера, которые имели бы простую конструкцию, пригодную для использования в электролизере фильтрпрессного типа, в котором электроды и электродные отделения могут быть относительно узкими.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание электрода и способа его изготовления, а также электролизера, достаточно простую конструкцию для использования в электролизере фильтрпрессного типа.

Технический результат достигается за счет того, что электрод, содержащий первую пластину, имеющую активную электродную поверхность, и вторую пластину, обращенную в сторону первой пластины и смещенную относительно нее, согласно изобретению электрод содержит по меньшей мере одну барьерную пластину, расположенную между первой и второй пластинами и смещенную относительно активной электродной поверхности первой пластины и относительно обращенной поверхности второй пластины. При этом первая пластина может иметь активную электродную поверхность на одной ее стороне, а барьерная пластина может находиться в контакте с противоположной поверхностью первой пластины.

Кроме того, первая и вторая пластины могут быть электрически соединены и смещены одна относительно другой, причем каждая из них может иметь обращенную наружу активную электродную поверхность, при этом между первой и второй пластинами расположены две барьерные пластины, которые смещены относительно упомянутых поверхностей и одна относительно другой.

По меньшей мере одна из барьерных пластин может быть снабжена смещенными один от другого выступами, которые контактируют с поверхностью другой барьерной пластины, и барьерная пластина или пластины могут быть изготовлены из фторсодержащего органического полимерного материала, а на активную поверхность электрода может быть нанесено электрокаталитически активное покрытие, которое в случае применения электрода в качестве анода электрокаталитически активное покрытие может состоять из смеси окиси металла платиновой группы и пленкообразующего металла, в случае применения электрода в качестве катода электрокаталитически активное покрытие может содержать металл платиновой группы.

Технический результат достигается также за счет того, что электролизер, содержащий по крайней мере один анод и один катод и разделитель, расположенный между каждым анодом и смежным катодом и разделяющий электролизер на отдельные анодную и катодную камеры либо на множество таких отделений, согласно изобретению анод или катод либо они оба представляют собой описанный электрод, при этом электролизер может быть электролизером фильтрпрессного типа.

Электролизер может содержать множество анодов и катодов, а также прокладок, выполненных из неэлектропроводного материала. При этом разделитель, когда он является гидравлически проницаемой диафрагмой, может быть изготовлен из фторсодержащего полимера, а когда он является ионообменной мембраной, может быть изготовлен из перфторполимерного материала, содержащего ионные группы.

Технический результат достигается также за счет того, что в способе изготовления электрода, включающем использование двух пластин, согласно изобретению между пластинами располагают одну или несколько барьерных пластин с образованием описанного электрода.

Кроме того, технический результат достигается за счет того, что в способе электролиза водного раствора хлорида щелочного металла, согласно изобретению электролиз проводят в описанном электролизере.

Изобретение в дальнейшем проиллюстрировано со ссылкой на приложенные чертежи, которые показывают, только на примере, определенные аспекты настоящего изобретения.

На чертежах:

фиг. 1 - вид в вертикальной плоскости электрода, выполненного в соответствии с изобретением;

фиг. 2 - вид сбоку электрода в уменьшенном масштабе, и размере А-А на фиг. 1;

фиг. 3 - вид сверху части электрода, выполненного в соответствии с изобретением;

фиг. 4 - представляет собой прямоугольную изометрическую проекцию прокладки для электролизера, который содержит электрод, выполненный в соответствии с изобретением;

фиг. 5 - представляет собой расширенную прямоугольную изометрическую проекцию части электролизера, при этом для простоты барьерные пластины не показаны в положении, когда они установлены в электроде.

Как это показано на фиг. 1-3, электрод 1 содержит рамную часть 2, которая ограничивает центральное отверстие 3, перекрываемое множеством вертикально расположенных пластин 4, которые прикреплены к верхней и нижней частям рамы 2, проходят параллельно и смещены относительно плоскости рамы 2. Пластины расположены по обеим сторонам рамы 2. Пластины установлены таким образом, что пластина 4 на одной стороне рамы 2 расположена противоположно зазору между двумя смежными пластинами 5 на другой стороне рамы 2.

Электрод 1 имеет выступ 6, к которому может быть прикреплено соответствующее электрическое соединение, когда электрод 1 должен применяться в качестве анода, выступ 6 обычно расположен у нижней кромки рамы 2, а когда электрод 1 должен применяться в качестве катода, выступ обычно расположен у противоположной верхней кромки рамы 2. Рама 2 содержит пару отверстий 7, 8, расположенных на одной стороне от центрального отверстия 3, и пару отверстий 9, 10 на противоположной стороне от центрального отверстия 3. Когда электрод установлен в электролизере, эти отверстия образуют часть отделений, расположенных продольно электролизеру, через которые растворы, например, электролит можно загружать в анодные и катодные отделения электролизера и через которые можно удалять продукты электролизера из его анодных и катодных отделений. Металл для электрода будут выбирать в зависимости от того, будут ли электрод применять в качестве анода или катода и в зависимости от типа применяемого электролита в электролизере. В случае электролиза водного раствора хлорида щелочного металла электрод, когда его применяют в качестве анода, соответственно изготавливают из титана, а когда применяют в качестве катода, то его соответственно изготавливают из никеля.

Пластины 4 и 5 электрода обычно имеют выпуклую поверхность 11 и вогнутую поверхность 12, при этом когда его применяют в качестве анода, то выпуклая поверхность 11 пластин соответственно несет покрытие из электрокаталитически активного материала.

Электрод 1 также содержит две пластины 13, 14, расположенные в центральном отверстии 3 электрода и между пластинами 4, 5 электрода. Пластины 13, 14 расположены параллельно друг другу, при этом они разнесены друг от друга посредством выступов 15, выполненных на пластине 13, которые контактируют и соединены с поверхностью другой пластины 14. Пластины 13, 14 проходят по существу по всей ширине центрального отверстия 3 электрода 1. Однако пластины 13, 14 расположены таким образом, что между верхней частью рамы 2 образуется полость, при этом также образуется пространство между нижней частью пластин и нижней частью рамы 2. Пластины 13, 14 находятся в контакте с задними вогнутыми сторонами пластин 4, 5 соответственно, при этом пластины разнесены от активной поверхности (выпуклая) пластин электрода.

В конструкции, показанной на фиг. 1-3, пластины 4 образуют вместе первую пластину электрода, выполненную в соответствии с настоящим изобретением, пластина 14 образует вторую пластину, а пластина 13 образует барьерную пластину, смещенную относительно активного электрода первой пластины относительно лицевой поверхности второй пластины. Либо пластины 5 образуют вместе первую пластину электрода, выполненную в соответствии с настоящим изобретением, пластина 13 образует вторую пластину, а пластина 14 образует барьерную пластину, смещенную относительно активной поверхности электрода первой пластины и относительно лицевой поверхности второй пластины.

В конкретном примере исполнения пластины 13 и 14 изготовлены из фторированного сополимера этилена-пропилена, когда электрод должен применяться в электролизере для электролиза водного раствора хлорида щелочного металла.

Как показано на фиг. 4, прокладка (16) содержит раму (17), которая образует центральное отверстие (18). Рама (17) имеет пару отверстий (19, 20), расположенных на одной стороне от центрального отверстия (18), и пару отверстий (21, 22), расположенных на противоположной стороне от центрального отверстия (18). Когда прокладка установлена в электролизере, эти отверстия образуют часть отделений продольно электролизеру, через которые растворы, например, электролит можно загружать в анодные и катодные отделения электролизера и через которые можно удалять продукты электролиза из анодных и катодных отделений электролизера. Отверстия (19, 22) также имеют вертикальные рамные элементы (23, 24), расположенные вокруг отверстий и выступающие от плоскости прокладки, которые приспособлены для посадки в отверстия (7, 10) соответственно металлического электрода, когда их собирают в электролизере. Вертикальные рамные элементы (23, 24) обеспечивают требуемую электрическую изоляцию в электролизере между отделениями продольно электролизеру, образованными частично отверстиями (7, 8, 9, 10) в электроде. Вертикальные рамные элементы (23, 24) имеют единую конструкцию с прокладкой (16), и их можно изготовить, например, путем формования соответствующего электроизолирующего термопластичного полимерного материала. Когда электролизер содержит прокладки типа, показанного на фиг. 4, то он также будет содержать подобные прокладки, в которых вертикальные рамные элементы (23, 24) расположены вокруг отверстий (21, 20) прокладки.

Фиг. 5 показывает часть электролизера, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, который содержит катод (25), прокладку (26), катиообменную мембрану (27), прокладку (28), анод (29), прокладку (30) катиообменную мембрану (31) и прокладку (32). Катод (25) имеет множество вертикально расположенных пластин (33) на обеих сторонах катода, четыре отверстия (34, 35, 36, 37) и выступ (33) для электрического соединения (для простоты барьерные пластины исключены из электрода). Прокладка (26) содержит центральное отверстие (39), четыре отверстия (40, 41, 42, при этом четвертое отверстие не показано) и два вертикальных рамных элемента (43, 44), выступающих относительно плоскости поверхности прокладки. Прокладка (28) представляет собой плоскую прокладку и содержит центральное отверстие (45), четыре отверстия (46, 47, 48, при этом четвертое отверстие не показано) и также два канала (49, 50) в стенках прокладки, которые представляют собой сообщающиеся каналы между центральным отверстием (45) и отверстия (46, 48) соответственно. Анод (29) имеет одинаковую конструкцию с катодом (25) за исключением того, что выступ для электрического соединения расположен у нижней кромки анода и он не показан. Прокладка (30) имеет подобную конструкцию с прокладкой (26) за исключением того, что вертикальные рамные элементы (51, второй не показан), выступающие относительно плоскости поверхности прокладки, расположены вокруг отверстий (52, второе не показано) в прокладке (30), отличающихся по расположению от тех в прокладке (26), вокруг которых установлены рамные элементы. Прокладка (32) имеет такую же конструкцию, как и прокладка (28) за исключением того, что выполненные в стенке прокладки (32) каналы (53, второй не показан) представляют собой сообщающихся каналы между центральным отверстием (54) и отверстиями в прокладке (55, второй не показано), различающиеся по расположению от тех, которые были выполнены в прокладке (28), и которые сообщаются с центральным отверстием (45) в прокладке (28).

В электролизе прокладки (28) и (30) и анод образуют вместе анодное отделение электролизера, при этом отделение ограничено катионообменными мембранами (27, 31). Аналогично, катодные отделения электролизера образованы катодом (25), прокладкой (26) и прокладкой (не показано) типа прокладки (32), расположенной смежно с катодом (25), при этом катодное отделение также ограничено двумя катиообменными мембранами. В собранном электролизере катиообменные мембраны удерживаются на месте прокладками, расположенными на каждой стороне каждой мембраны. Для простоты на фиг. 5 не показаны на торцовые пластины для электролизера, которые конечно, составляет часть электролизера, ни средства, например, болты, предусмотренные для закрепления вместе электродов и прокладок в непроницаемой для утечки сборке. Электролизер содержит множество анодов и катодов, как было описано. Электролизер также содержит коллекторы (не показаны), из которых можно загружать электролит в отделение, расположенное продольно электролизеру, в котором отверстие (37) в катоде (25) образует его часть. Аналогично, электролизер также включает в себя коллекторы (не показаны), из которых можно загружать жидкость, например, воду в отделение продольно электролизеру, в котором отверстие (36) в катоде (25) составляет его часть, и следовательно через канал (не показан) в стенке прокладки (32) в катодное отделение электролизера, и в которое могут проходить продукты электролизера из катодных отделений электролизера через канал (53) в стенке прокладки (32) и через отделение, расположенное продольно электролизеру, отверстие (35) в катоде (25) которого образует его часть.

Во время работы электролизера электролит загружают в анодные отделения электролизера, а жидкость загружают в катодные отделения электролизера, при этом продукты электролиза удаляют из анодных и катодных отделений.

Каждый из анодов и катодов содержит пару разнесенных барьерных пластин, показанных на фиг. 1-3, и во время работы электролизера электролит вынужден подниматься вверх за счет эффекта подъема газа в полость, расположенную между барьерными пластинами 13 и активной поверхностью электрода пластин 8. Затем электролит проходит вниз из верхней части электродного отделения в полость между барьерными пластинами 13 и 14. Таким образом достигается непрерывная циркуляция электролита в электродных отделениях, в результате получают очень эффективное перемешивание электролита.

Изобретение дополнительно проиллюстрировано следующими примерами.

Пример 1.

Водный раствор хлорида натрия (200 г на литр) электролизовали в электролизере, выполненном как описано со ссылками на фиг. 1-5, в котором анод 29 снабдили барьерными пластинами13, 14 изготовленными из фторированного сополимера этилена-пропилена, при этом катиообменные мембраны 27, 31 были типа перфторсульфокислоты и в котором на пластины анода 29 нанесли твердый раствор RuO₂ и TiO₂. Электролит был при температуре 87^oC, и электролиз проводили при плотности тока на аноде 3 кА/м².

Во время электролиза получили 32% мас./мас. водного раствора гидроокиси натрия при 94,5% КПД по току.

В сравнительном испытании электролиз проводили в электролизере, не оснащенном барьерными пластинами 13 и 14. При КПД по току 93% получили 32% мас./мас. водного раствора гидроокиси натрия.

Пример 2.

Повторили способ из примера 1, за исключением того, что катод 25, а также анод 29, оснастили барьерными пластинами 13 и 14.

При КПД по току 95,5% во время электролиза получили 32% мас./мас. водного раствора гидроокиси натрия.