用於電解槽的陰極的製作方法

2023-12-10 08:45:22 1

專利名稱：用於電解槽的陰極的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於電解槽的陰極，尤其適用於隔膜氯鹼電解槽。
背景技術：
通過電解鹼金屬氯化物溶液(尤其是氯化鈉鹽水)生產氯，到目 前為止仍然是相關工業最重要的電化學方法。眾所周知，不同類型的 電解槽被用作這一目的，其中一種類型提供使用由半透多孔隔膜組成 的隔離件，該隔離件現在是由親和了無機添加劑的聚合物材料製成。
隔膜氯鹼電解槽的功能描述在烏爾曼的化學工藝學百科全書
(5。Ed.，巻A6， 424頁-437頁，VCH )中給出，而電解槽內部結構的 實施例在US5066378的附圖中進行了詳細說明。
現有技術的隔膜電解槽通常包括幾排夾層的陰極和陽極，陰極由 設置了孔的傳導性表面限定，例如網狀物或沖孔的片材，形狀做成扁 平的長方形稜柱(相對於所謂的"陰極指狀物"幾何形狀)並焊接於周 圍的室，在這裡設置了用於供給和排出工藝流體的連接件。隔膜通過 真空過濾其成分的水懸浮液沉澱在陰極的傳導性表面上。夾層在陰極 指狀物的陽極可能與陰極指狀物接觸或隔開幾毫米；但是，必要的是 防止指狀物受到彎曲以免由於磨擦而損傷隔膜。此外，在工作期間， 電流必須儘可能均勻地傳導至整個陰極表面不均勻分布實際上會導 致電解槽電壓增加並導致苛性鈉生產效率降低，同時增加了氯中的氧 含量。其滿足了給予陰極足夠剛性和電導率的要求。
這個問題通過給陰極配備縱向波紋碳素鋼或銅質內板得以解決， 例如在US4138295和WO 00/06798中外部傳導性表面被固定於(優 選焊接)波紋板的頂點，解決了電流的均勻分布和剛性問題；然而， 縱向皺摺被證明對氫氣泡的自由運動造成了妨礙，氫氣泡不能豎直上升並最終導致沿著指狀物的上母線堆積，隨後通過相關的出口離開周 圍的室。縱向波紋板收集在每個皺摺下的氫氣並使氫氣沿著皺摺縱向
流動直到通過周圍的室上的適當的口排出由於這種流動難於平衡， 使得處於每個皺摺下的氫氣量能變化，不同程度地封閉面對隔膜的區 域，這導致電流分布不理想。US 4049495也描述了波紋內板，但是在 這個情況中皺摺是豎直設置的這樣氫氣能夠在指狀物的頂部自由地 收集，但是流向周圍的室的氫氣被皺摺的頂部阻礙。而且豎直皺摺的 剛性效果被證明是不能令人滿意的。
更先進的解決方案在WO 2004/007803和WO 2006/120002中提 出，在此完整地併入並披露了使用被插入陰極內部體積中的板，其具 有不連續的突起例如隆起、蓋或磚，突起設置為便於氫氣產物既縱向 地也豎直地自由循環，除了給予這種結構最佳的剛性外，同時得到了 具有良好地分布的電阻路徑的電連接。
然而在剛剛引用的兩個文獻中提出的解決方案在下面兩個方面仍 不能令人滿意
-第一方面，對於處於最常見的加工電流密度(2.5至3kA/m2)
的大尺寸的陰極優選使用由高傳導性材料(例如銅)製成的內板，以 便相當大程度地提高電流分布。另一方面，使這種結構具有充分的剛 性的需要要求銅板有這樣高的厚度以至於成本方面不理想。因此，優 選用更好的力學特性材料和/或較低的成本製造內板，例如碳鋼或各種 鐵或鎳基材料。但是鐵或鎳的電傳導率對於大尺寸電解槽來說不是最 佳的。
-第二方面，在引用的文獻中提出的內板的幾何形狀保證了氫氣 的良好循環，但是在陰極內沒有充分地混合電解液。陰極內部體積實 際上被加工電解液和苛性產品組成的液體混合物部分地填滿，液體混 合物的水平面通常超出了陰極高度的一半。在這種相當濃的情況下， 易於形成濃度和溫度梯度，僅僅通過自然對流部分地抵消，並且容易 降低電流效率，增加能量消耗和氯產品中的氧含量。
因此，希望釆用克服現有技術的缺陷(尤其在電流分布和混合內
5部體積內的電解液方面)的用於電解槽的陰極。
另一方面，希望採用克服現有技術的缺陷(在能量消耗或氯產品 的質量方面)的隔膜電解槽。

發明內容
本發明的各個方面在附屬權利要求中闡明。
在一個實施例中，陰極具有扁平長方形並具有用有孔的傳導性表 面(陰極的表面)限定的內部體積，傳導性表面的主面塗覆有化學惰
性多孔隔膜；內部體積包含至少兩個部件，即上部件和下部件，便於 電流和流體分布，每個部件都包括由第一傳導材料製成的板，例如碳 鋼，在兩個面上設置有多個不連續的突起或隆起，與陰極表面的兩個 主面電接觸，並且由第二傳導材料製成的底腳，例如銅，只固定於陰 極表面的一個面。兩個部件組裝起來以便使上部件的底腳設置在底部 並固定於陰極表面的一個面，而下部件的底腳設置在頂部並固定於陰 極表面的相對面，這樣設置以便至少部分地面對上部件的底腳。在一 個實施例中，下部件的底腳還設置有許多允許流體通過的槽狀突起。 在一個實施例中，上部件的底腳也設置有槽狀突起。這可以提供根據 相同設計製造的兩個部件的優點，其簡化了結構。在一個實施例中， 底腳的縱向邊緣具有鈍角形狀；這個特徵能夠改善流體的通過，對加 工電解液提供牽引。在一個實施例中，三個或更多個分配部件可以同 樣設置，例如中間的部件設置有一個下部底腳和一個上部底腳，按照 相同的基本原理。
在一個實施例中，包括分配部件的兩個部分，即板和底腳，藉助 於穿過在兩部分上的匹配孔的焊接彼此固定。該特徵通過將一種材料 擠入另一種材料(例如銅進入鋼)能夠便於進行焊接，尤其當必須實 現銅底腳與鋼板的麻煩連接時。為了這一目的設置的孔還可以用作用 於在陰極內再循環電解液的額外的部件。
板的不連續突起，在下面稱作隆起，允許氫氣自由循環，例如根 據WO 2004/007803的教導其形狀沒有其他限制，並且可以設計成
6例如球形的、橢圓的、椎體的、稜柱的或圓柱的蓋狀物，並通過用模 具的板的變形或通過焊接或其他將不連續部件固定於板方式而獲得。 隆起還可以包括拉長的主要的凸起，其短邊開放於流體通道而其表面
配備了一系列次要的突起，如WO 2006/120002中所披露的。
所述的分配部件將鋼板的機械特性和銅底腳的電特性結合；後者 可以是相對減小的尺寸而且仍然能夠沿陰極表面以最佳方式傳送電 流。部分地彼此相對的銅底腳的相互設置和開槽的突起能夠通過創造 多條用於降低脫氣液體的路徑將電解液的混合增加到令人驚訝的程 度，如附圖所示。


圖1示出根據一個實施例的陰極。
圖2示出圖1的陰極的部件，包括配備了不連續的突起的板。 圖3示出圖1的陰極的部件，包括與圖2的板配合的底腳，適於
形成根據一個實施例的分布部件。
圖4示出將圖2的板與圖3的底腳連接的實施例。 圖5示出根據一個實施例的兩個分配部件的設置。 圖6示出圖1的陰極的橫截面的細節，包括如圖5設置的兩個分
配部件。
具體實施例方式
圖1示出陰極(100)的實施例，陰極(100)通過扁平的矩形形 狀的有孔的傳導性表面(200)限定，傳導性表面(200)可選地用鋼 或鎳製成，隨後在其上附著隔膜。在陰極內部體積設置了下部件(300) 和上部件(301)，用於分配流體和電流。下部件(300)通過將設置有 隆起的板(400)與底腳(500)連接而得到，板(400)可選地用碳鋼 製成，底腳(500)可選地用銅製成。同樣，上部件(301)通過將設 置有隆起的板(401)與底腳(501)連接而得到。在一個實施例中， 為了簡化結構，下部件(300)和上部件(301)這兩者是相同的；在這種情況下，板(400)和(401)以及底腳(500)和(501)彼此也相同。
圖2示出下部件(300 )的板(400 )的實施例，板(400 )通過平 面板材的變形獲得，以便形成在相對的面上突出的一系列球面蓋狀隆 起(410)。板(400)沿著下側還設置有一系列孔(420)，孑L ( 420) 可用於與相關底腳(500)連接，如圖l所示。
圖3示出下部件(300 )的底腳(500 )的實施例，底腳(500 )由 板條獲得，可選地用銅製成。 一系列突起(510)穿過板條的短側，當 安裝電解槽時，一系列突起(510)豎直地設置並限定了一系列用於流 體(特別是脫氣的電解液)通過的槽，該流體沿著槽向下流。底腳(500 ) 還設置有一系列孔(520),可用於與相關的板(400)連接，如圖1， 2所示。在一個實施例中，如圖1所示，上部件(301)的底腳(501) 可以相同的方式製造。
圖4示出下部件(300)的細節，用圖說明設置有隆起的板(400) 與底腳(500 )的連接。已在前面的圖中示出的部件用相同的附圖標號 表示。能夠注意到在本實施例中，板(400)的孔(420)怎樣設置成 排，以便準確地與底腳(500 )上類似的成排的孔(520 )配合在這 些孔中可採用焊接將底腳(500)固定於板(400)上，可選地，通過 將底腳(500 )的材料部分地擠入板(400)的相關的孔(420)中。除 了通過突起(510)限定的槽，將孔(420 )和孔(520 )連接之後剩餘 的空隙可用於電解液的內循環。 圖5示出根據一個實施例的兩個分配部件的設置下部件的底腳 (500)設置在相應的板(400)的頂部，而上部件的底腳(501)設置 在相應的板(401 )的底部。此外，兩個分配部件的底腳(500 )和(501 ) 平行放置並部分地彼此面對，以便形成電解液的再循環路徑，這在圖 6中更好地證實。
圖6示出陰極(100)的細節的橫截面能夠注意到，在圖中， 板(400 )和(401 )接觸陰極表面(200 )的兩個面，同時兩個底腳(500 ) 和(501)接觸相對的面。在工作過程中底腳(500)和(501)兩者都處於液面以下，底腳(500)和(501)的部分重疊限定了便於電解液 對流運動的區域，該對流運動具有富氫的電解液的向上的分量和幾乎 全部脫氣的電解液的向下的分量。電解液流的向上的分量超過上分配 部件的底腳(501)的邊緣(531)，該邊緣用鈍角形狀在附圖中示出； 鈍角邊緣能夠起到牽引電解液流動的作用，電解液沿向上的運動行進， 還能利用設置在底腳(501)的表面上存在的可選的槽。電解液流的向 下的分量，利用圖4中示出的由突起(510)限定的槽以及連接孔(420) 和(520)之後剩餘的間隙，以基本容易的方式穿過陰極(100)的內 部體積，如箭頭所指示。 實施例
安裝適於被供給有300g/l氯化鈉鹽水並以2.5kA/nf的電流密度工 作的工業尺寸的兩個隔膜氯鹼電解槽。電解槽包括陰極主體，陰極主 體包括由碳鋼沖成的板材製成的指狀物，增加了氧化鋯顆粒的多孔的 聚合物隔膜設置在指狀物上。 一個電解槽設置有內部板，內部板根據 WO 2004/007803的教導設置有球面蓋狀隆起，而另 一個電解槽設置 有根據附圖所示的實施例的兩個分配部件；通過將設置有球面蓋狀隆 起的碳鋼板和銅底腳連接得到每塊板。分配部件的兩個部件有6毫米 厚。
在被認為用於穩定諸如隔膜的各部件所必須的運行經過幾周之 後，檢測到與苛性鈉產品和氯產品中的氧含量相關的槽電壓、感應電 流效率，結果如下
-根據WO 2004/007803的電解槽平均電壓3.3V，感應電流效 率95%,氯中的氧含量2.2%
-根據本發明的電解槽平均電壓3.2V，感應電流效率97%，氯 中的氧含量2.0%
先前的描述不用於限制本發明，可在不背離其範圍的情況下根據 不同的實施例使用，並且其範圍通過所附權利要求無歧義地限定。
貫穿本申請的說明和權利要求，術語"包括 comprise)"及其變 化(例如，"comprising"和"comprises")不用於排除其他部件或添加劑。
文獻、作用、材料、裝置、物品等等的討論包含在本說明書中僅 僅用於為本發明提供背景的目的。這不是暗示或說明在本申請的每個 權利要求的優先權日之前，這些內容中的任一個或全部構成現有技術 的一部分或者是本發明相關的領域的公知常識。
權利要求
1.用於電解槽的陰極，該陰極具有由有孔的傳導性表面限定的內部體積，該傳導性表面包括適於用化學惰性多孔隔膜塗覆的兩個主面，所述內部體積包括用於分配流體和電流的至少一個上部件和至少一個下部件，所述分配部件的每一個包括由第一傳導材料製成的一塊板和由第二傳導材料製成的一個底腳，在所述板的兩個面上設置與所述傳導性表面的兩個所述主面電接觸的多個隆起，所述上部件的所述底腳設置在底部上並與所述傳導性表面的一個主面電接觸，所述下部件的所述底腳設置在頂部，與所述傳導性表面的相對的主面電接觸並設置有用來限定用於流體通道的槽的多個突起，所述上部件和所述下部件的所述底腳至少部分地彼此面對。
2. 根據權利要求1所述的陰極，其中，所述上部件的所述底腳設 置有用來限定用於流體通道的槽的多個突起。
3. 根據權利要求1或2所述的陰極，其中，所述上分配部件和所 述下分配部件的所述底腳的縱向邊緣有鈍角形狀。
4. 根據前述任一項權利要求所述的陰極，其中，通過與在流體通 道所用的孔相對應地獲得的 一 系列焊接，所述下部件的所述底腳至少 固定於設置有隆起的所述板。
5. 根據前述任一項權利要求所述的陰極，其中，所述第一傳導性 材料在鐵、鎳、以及二者的合金中選擇，而所述第二傳導性材料是銅。
6. 根據前述任一項權利要求所述的陰極，其中，所述隆起是球形 的、橢圓形的、圓柱形的、稜柱形的、或錐體形的蓋狀物。
7. 根據權利要求1至5中任何一項所述的陰極，其中，所述隆起 包括主要的拉長的突起，突起的短側向流體通道開放，而突起的表面 設置有一系列次要的突起。
8. 用於氯鹼電解的電解槽，包括至少一個前述權利要求的陰極。
9. 氯鹼電解的方法，包括供給鹼金屬氯化物溶液到根據權利要 求8的電解槽陽極室，施加電流，並釋方文氫氣流以及所述至少一個陰極的內部體積中產生的苛性產品和廢鹼金屬氯化物的溶液。
10. 根據權利要求9的方法，其中，所述氫氣流在所述多個陰極 指狀物的內部體積內自由向上運動，而所述苛性產品和廢鹼金屬氯化 物的溶液在所述至少一個陰極的內部體積內受到對流運動，所述對流 運動在所述下部件的所述底腳的所述槽內具有向下的分量。
11. 基本如參考實例和附圖在上文中描述的用於電解槽的陰極。
全文摘要
本發明涉及用於隔膜氯鹼電解槽的陰極，其由傳導性的有孔表面限定，並具有容納兩個並置的部件的內部體積，目的在於改進流體和電流分布。
文檔編號C25B11/00GK101688319SQ200880022546
公開日2010年3月31日 申請日期2008年6月27日 優先權日2007年6月28日
發明者D·奧爾達尼, L·雅格佩蒂, S·佩拉吉內 申請人:德諾拉工業有限公司