Brevet FR2504942A1 — publié le 19821105

- La présente invention concerne un appareil d'électrolyse du type comportant, disposéesdans une enceinte de forme généralement parallé- lépipédique en matériau isolant, des électrodes terminales mnonoolaires pour l'amenée de courant et une pluralité d'électrodes bipolaires, un tel appareil étant utilisable notamment pour l'électrolyse de solutions salines, avec obtention d'hypochlorite cde sodium, puissant agent oxydant, utilisable pour la désinfection d'eaux de toute nature. De nombreux appareils d'électrolyse utilisant divers types d'assemblage d'électrodes bipolaires ont déjà été décrits et sont industriel- lement utilisés pour la réalisation de réactions électro-chimniques diverses à partir d'électrolytes purs. Ces électrolyseurs sont, toutefois, mal adaptés et présentent de multiples et graves inconvénients lorsque l'électrolyte est constituée par des solutions naturelles non purifiées: cas, notamment, de l'eau de rer, d'eau saumâtre ou de saumure non purifiée, par électrolyse desquelles on désire obtenir une solution diluée d'hypochlorite de sodium. Dans ces appareils connus, traitant des électrolytes non purifiées, les électrodes s'usent plus ou moins rapidement et de façon inégale Il est alors nécessaire de détecter les électrodes défaillantes et de procéder à leur remplacement Or, la conception de ces appareils connus est telle que le changement d'une électrode nécessite leur démon- tage total. La présente invention, non seulement évite un démontage quel- conque, mais encore permet un changement rapide et aisé des électrodes. Grâce à cette facilité de remplacement des électrodes, l'invention se préte à l'utilisation d'électrodes plus consomnables que d'autres, donc plus économiques. En outre, l'invention autorise une surveillance continue des conditions de fonctionnement de l'appareil. L'appareil d'électrolyse à électrodes bipolaires notamment pour l'électrolyse de solutions salines, constitué par une enceinte parallé- lépipédique en matériau isolant, comportant des électrodes terminales monopolaires pour l'amenée de courant et une pluralité d'électrodes bipo- laires amovibles, est caractérisé en ce que ces électrodes sont disposées de façon amovible, dans des compartiments munis de moyens destinés à réunir les électrodes et ouvrant sur l'une des faces de l'enceinte, de façon à permettre l'extraction aisée des électrodes. 2 - Suivant une forme de réalisation de l'invention, les moyens destinés à recevoir les électrodes consistent en une pluralité de créneaux en matériau isolant entre lesquels sont introduites les électrodes. Ces créneaux sont pratiqués a la base et au soanet, voire au milieu des comartiments; ils >peuvent éqalement être prévus sur les couver- cles qui, normalement, obturent ces conpartiments. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, ces compartiments se présentent sous la forme de boîtiers, montés sur l'enceinte à la façon de tiroirs. Les divers caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description, qui va suivre, de formes possibles de réalisa- ticn de l'invention -Il est bien précisé qu'il s'agit uniquement d'exemples et que toutes autres formes, proportions et dispositions pourraient être adoptées, sans sortir du cadre de l'invention. Au cours de cette description, on se réfère aux dessins ci- joints sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un appareil suivant l'invention, montrant particulièrement un compartiment autonome de l'appa- reil, les figures 2 et 3 sont des vues analogues à la figure 1, d'un appareil suivant l'invention dans sa forme de réalisation o les com- partiments autonomes sont constitués par des boitiers-tiroirs, et la figure 4 est une vue en perspective d'un de ces boitiers tiroirs. Quelle que soit sa forme de réalisation, l'appareil est cons- titué par une enceinte parallélépipédique verticale 1 de section rectangu- laire Cette enceinte comporte une chambre inférieure 2 d'amenée d'électro- lyte, par la canalisation 3, une chambre supérieure 4 de départ, par la canalisation 5 de sortie de la solution d'hypochlorite de sodium produite vers un dispositif pour l'élimination des gaz, principalement de l'hydrogène, formés au cours de l'électrolyse et se trouvant en sursaturation dans cette solution Ce dispositif (non représenté) est un séparateur gaz-liquide par strippage à l'air; il est avantageusement muni d'un pulvérisateur abat- mousse. Les électrodes terminales monopolaires telles que 6 sont fixées sur les parois latérales de l'appareil Les amenées de courant vers ces électrodes terminales traversent les parois latérales de l'appareil pour rejoindre les barres d'amenée de courant 7 disposées sur les faces latérales 3 3- de l'appareil. Conformément à l'invention, les électrodes bipolai- res, telles que 8, équipant l'appareil sont contenues dans des compartiments 9 dont la paroi avant est constituée par un couvercle 10, amovible de façon à permettre un accès direct aux électrodes bipolaires ainsi qu'aux électrodes terminales. -Ces compartiments, sont munis de créneaux 11 en matériau isolant destinés à supporter les électrodes bipolaires en les maintenant équidistantes les unes des autres et à leur permettre d'être tirées hors des compartiments par la façade. L'électrolyte circule de bas en haut de l'appareil, entre les électrodes. Les créneaux supportant les électrodes sont disposés à la base et au sommet des bottiers à l'avant et à l'arrière de ceux-ci; et éventuellement en leur milieu Les dents des cré- neaux maintiennent les électrodes bipolaires équidistantes, de préférence à des distances de 2,5 à 5 mm. La paroi avant des compartiments, constituée par le couvercle 10 est avantageusement en un matériau transparent non conducteur de courant, PVC par exemple. Dans un électrolyseur à électrodes bipolaires, il y a tout intérêt à maintenir, entre deux électrodes successives, des intervalles égaux et aussi réduits que possible Ce but est atteint par la mise en place sur les électrodes bipolaires de plusieurs taquets (non représentés) en matériau isolant, et répartis de façon à ne pas gêner l'insertion des électrodes (par exemple les électrodes de nombre impair avec taquets, les autres sans taquets) Ces taquets ont par ailleurs l'avan- tage d'empêcher la déformation des électrodes bipolaires et de provoquer un écoulement à régime turbulent de l'électro- lyte entre deux électrodes. Grce aux dispositions suivant l'invention le remplacement d'une électrode défaillante est des plus aisé Puisqu'il suffit d'ôter le -4 - couvercle 10 du compartiment dans lequel se trouve l'électrode défaillante et de tirer cette électrode hors du O ompartiment par sa façade ouverte, l'amovibilité des électrodes étant assurée par leur simple insertion dans les fentes séparant les créneaux 11. L'un des plus importants intérêtsde l'appareil suivant l'in- vention consiste essentiellement en la simplicité de changement des élec- trodes, en cas de besoin et en l'accessibilité de ces électrodes par la façade de l'appareil, oe qui permet de limiter la hauteur des équipements. La défection d'une électrode est facile à détecter par le contrôle électrique de chaque compartiment. Suivant une forme de réalisation, particulièrement intéressan- te, de l'invention représentée aux figures 2 à 4, les électrodes bipolaires 8 équipant l'appareil sont contenues dans des coxpartiments réalisés sous la forme de bottiers 12 représentés en détail fig 4 Ces bottiers ont leurs faces avant 12 a et arrière 12 b munies de rainures 13 ouvertes à leur partie supérieure, et limitées, à leur partie inférieure, par un talon 14 que présentent les faces considérées du boîtier. Ces bottiers sont montés à tiroir sur l'enceinte, par exemple par coulisseoent sur des glissières (non représentées) ménagées sur les faces internes des parois latérales de l'enceinte Ils peuvent être facile- ment saisis et manoeuvrés par leur couvercle 16. Les ouvertures des campartiments recevant les boîtiers-tiroirs 12 sont hermétiquement ferméespar ces couvercles 16, de préférence en un matériau, ou en une matière transparente. Les amenées de courant 7 vers les électrodes terminales de chaque boitiertiroir sont regroupées, comme le montre la figure 3, sur la face arrière de l'enceinte 1. La liaison électrique entre l'électrode monopolaire terminale de chaque boîtier-tiroir et la barre 7 correspondante d'amenée de courant s'effectue, comme le montre la figure 3 à l'aide d'un shunt, tel que 17, relié à l'armoire de contrôle et permettant la surveillance continue du bon fonctionnement de chaque conpartiment -en l'espèce de chaque boitier- tiroir 12- Cette disposition constitue un avantage important, car elle permet de détecter rapidement toute défaillance éventuelle, ce qui facilite grandement l'exploitation de l'installation. Chaque boitier-tiroir 12 étant du point de vue électrolytique autonome, peut être remplacé intégralement L'appareil est extensible suivant les besoins, par superposition ou juxtaposition d'une pluralité de boîtiers, la tension aux bornes de chaque boîtier étant identique En cas -5 - de panne sur une électrode, on peut soit changer cette électrode, soit changer le boîtier complet, soit le retirer et fonctionner sur les autres bottiers Le nombre d'électrodes bipolaires de rechange peut donc être réduit En outre, l'appareil offre une remarquable souplesse d'exploita- tion car il peut, sans inconvénient, fonctionner mnême au cas de la mise hors service d'un ou plusieurs compartiments. La défection d'une électrode est, dans ce cas également, facile à détecter, par le contrôle électrique de chaque boîtier 12. Des électrodes de toute nature peuvent être utilisées, et oeci dans un même ccmpartinent ou boîtier En outre, l'appareil offre la possibilité d'ajuster à volonté la concentration de la solution produite par l'électrolyse en faisant varier le débit d'alimentation en électrolyte à intensité constante ou en faisant varier la densité de courant à débit d'électrolyte constant Pour une même puissance par appareil, on opère à tension globale plus élevée et à une densité de courant moindre que dans les appareils connus, ce qui réduit le prix du transformateur redresseur utilisé. Lorsqu'une cellule d'électrolyse est équipée d'électrodes bipolaires, fonctionnant en cathode sur une face et en anode sur l'autre, on constate que la consarnation spécifique en courant, exprimée en k Wh/kg du produit obtenu, est supérieure à celle d'une cellule équipée d'électro- des monopolaires On constate en outre une usure relativement rapide de telles électrodes Il en est ainsi en particulier des électrodes bipolaires en Titane. Ces inconvénients sont évités conforment à l'invention, en revêtant de platine la partie centrale de la face anode, entourée d'une bordure d'une largeur de 15 à 20 mm en titane oxydé, la face cathode de l'électrode étant recouverte d'une bordure de même dimension, en un matériau isolant tel que polyamide, polyuréthane, polytétrafluoréthylène, etc, sous la forme d'une couche, d'épaisseur allant de 25 à 100. On a obtenu, avec une telle électrode suivant l'invention, une amélioration importante de la consconation spécifique mesurée en kh/kg de produit et une prolongation importante de la durée de l'électrode. On a donné ci-après quelques exemples chiffrés nmntrant l'intérêt que présente l'appareil suivant l'invention: On a utilisé un appareil suivant l'invention pour l'obtention d'une solution d'hypochlorite de sodium à partir d'une eau de mer prélevée dans un bassin plus ou moins pollué et dont les caractéristiques, qui ont donc varié au cours des essais, étaient les suivantes: 6 2504942 Concentration en Na:7,9 à 10 g/l " en Ca:0,38 à 0,42 g/l en Mg:1,1 à 1,24 g/l en Cl:17,4 à 18,9 g/1 " en SO 4:2,25 à 2,85 q/1 -p H: 7,6 à 8,1 L'appareil cèportait deux canpartiroents se présentant sous la forme de bottiers-tiroirs, fonctionnant hydrauliquement en série et électriquenent en parallèle, munis d'électrodes bipolaires en Titane de 320 mn de côté et 1 mm d'épaisseur, platinées sur une face. La face cathode de chaque électrode était en Titane et la face anode platinée jusqu'au bord La surface active unitaire était de 1 020 cm 2 Dans l'exemple 1, la distance moyenne entre électrodes était de 2,5 mm et dans l'exemple 2, la distance a été portée à 5 mm. Les résultats obtenus sont donnés sur le tableau suivant Exenples 3 et 4 Le même réacteur que ci-dessus a opéré dans les m Nmes conditions mais en utilisant des électrodes bipolaires,conformes à l'in- vention, dont la face cathode était en Titane et les quatre bords étaient recouverts d'un film de polytétrafluoréthylène d'environ 509/ sur une lar- geur de 15 mm Le côté anode a été platiné sur toute la oartie centrale, laissant une bordure de 15 mm de largeur non platinée sur le pourtour. Cette partie non platinée, donc en Titane, a été oxydée La surface active cathode et la surface platinée anode était chacune de 840 cm Le tableau donne les résultats obtenus dans l'exemple 3, avec un espacement de 2,5 mnn entre électrodes, et l'exemple 4 avec 5 mm entre électrodes. Exaemple 1 Exoerle 2 Densité de courant (A/cm 2) k Wh/kg kw/kg (éq chlore) (éqchlore) 0,05 > 8 7 0,1 6,2 6,3 0,15 6,0 6,9 0,20 6,0 > 8 7 - Exemple 3 Exemple 4 Densité de courant (A/cm 2) k Wh/kg k Wh/kg (éq chlore) (éq chlore) 0,05 5,3 5,2 0,1 4,8 4,9 0,15 4,7 5,3 0,20 4,7 6,1 Exemple 5 Les mnmes expériences ont été conduites en utilisant un seul tiroir au lieu de deux On a obtenu les nmmes consommations spéci- fiques qu'avec un tiroir, les concentrations des solutions obtenues étant la moitié, aux erreurs de roesure près, comparées à celles obtenues avec deux tiroirs en série hydraulique. En comparant les résultats précédents, on remarque une nette amélioration de la consommation spécifique lorsqu'on utilise des électrodes suivant l'invention. 8 - REVEDICATICONS 1 Appareil d'électrolyse à électrodes bipolaires notamnent pour l'électrolyse de solutions salines, constitué par une enceinte parallé- lépipédique en matériau isolant, comportant des électrodes terminales mono- polaires pour l'amenée de courant et une pluralité d'électrodes bipolaires amovibles, caractérisé en ce que ces électrodes sont disposées de façon amovible, dans des copartiments ( 9) munis de moyens destinés à réunir les électrodes et ouvrant sur l'une des faces de l'enceinte, de façon à permettre 1 'extraction aisée des électrodes. 2 Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les coepartiments ( 9) sont munis d'une pluralité de créneaux ( 11) en matériau isolant destinés à supporter les électrodes bipolaires en les maintenant équidistantes et parallèles aux parois latérales de l'enceinte. 3 Appareil suivant la revendication 1, caractérisé,en ce que les coepartiments se présentent sous la forme de boîtiers ( 12) montés dans l'enceinte à la façon de tiroirs, les parois avant( 12 a'et arrière( 12 b) de ces boltiers-tiroirs étant munis de rainures ( 13), ouvertes à leur extrémité supérieure, fermées à leur extrémité inférieure, destinées à recevoir et supporter les électrodes bipolaires, ( 8) tout en permettant leur extraction facile. 4 Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les boitiers-tiroirs sont montés à coulissement sur des glissières, prévues sur la surface interne des parois latérales de l'enceìnte. Appareil suivant l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que la liaison électrique entre les cathodes ter- minales de chaque boitier-tiroir ( 12) et la barre correspondante ( 7) d'ame- née de courant s'effectue à l'aide d'un shunt ( 17) relié à l'armoire de contrôle et permettant la surveillance continue du bon fonctionnement de chaque compartiment, ou boîtier-tiroir. 6 Appareil suivant l'une quelconque des revendications pré- cédentes caractérisé en ce que les électrodes bipolaires sont constituées par un corps en Titane dont la face anode est revêtue de platine sur sa partie centrale et présente à sa périphérie une bordure en Titane oxydé et dont la face cathode présente une bordure, de largeur identique à la bordure de la face anode en un matériau isolant, tel que polyamide, polyu- réthane, polyéthylene ou époxydes.