Brevet FR2516945A1 — publié le 19830527

La présente invention concerne une cellule électroly- tique pour procédé utilisant une membrane échangeuse d'ions. Plus particulièrement, l'invention concerne une cellule électrolytique convenant à la production d'un halogène et d'un hydroxyde de métal alcalin par électrolyse d'une solution aqueuse d'halogénures de métaux alcalins. A ce jour, dans l'électrolyse d'une saumure, on a utilisé, au lieu du procédé au mercure, un procédé à diaphragme utilisant une cellule électrolytique coiprennt un compartiment anodique et i O ul compartiment cathodique séparés l'oc J de l'autre par un diaphragme poreux neutre fait d'amiante ou similaires Cependant, ce procédé à diaphragme a pour inconwiiat qu N e pent pas obtenir un hydroxyde de métal alcalin rics pur On a donc rmis an point un procédé utilisant une ir eirale echangeuse d'ions pour produire des hydroxydes de métaux alcalins très puwzr. L'invention a pour objet: une celiule électrolytique convenant à l'emploi dans le procdé i menabrae i changeuse d'n que l'on peut produire par transîorm-l:icn d'une celluie électrolytique précédemment utilisée dans le procédé ài diaphragme, et une cellule ileetroiytiqne que i'on peut monter par emploi de l'appareillage utilisé dans la cellule électrolytique pour ie procédé à diaphragme et qui ne présente pas de risque de fuite de liquide et peraet la production d'un hydroxyde de métal alcalin très concentré avec Maintien l u e faible valeur de la tension de la cellule. L'invention co,-icerne dotnc une cellule électrolytique pour le procédé à membrane échanrgeuse d'ions qui comprend: (a) un corps principal de cellule électrolytique; (b) plusieurs cathodes poreuses et tubulaires disposées à l'intérieur du corps principal de la cellule électrolytique; (c) une plaque de fond de cellule électrolytique compor- tant plusieurs ouvertures; (d) plusieurs barres conductrices de l'électricité munies d'une bride à leur portion inférieure, qui sont insérées chacune à travers l'ouverture de la plaque de fond de la cellule électroly- tique à l'intérieur du corps principal de la cellule électrolytique et assujetties à la plaque de fond de la cellule électrolytique par la bride; (e) plusieurs anodes poreuses qui sont raccordées chacune à la barre conductrice de l'électricité et placées verticalement en vis-à-vis de la cathode et qui sont disposées isolément ou combinées entre elles entre les cathodes; (f) plusieurs moules en forme de sac dont au moins la portion en vis-à-vis des anodes et des cathodes est formée d'une membrane échangeuse de cations, et qui comportent chacun sur leur fond une ouverture à travers laquelle la barre conductrice d'élec- tricité peut passer et qui sont ouverts à leur sommet (g) une plaque de séparation qui est placée à la partie supérieure du corps principal de la cellule électrolytique et qui a plusieurs ouvertures en des positions correspondant aux ouvertures supérieures des moules en forme de sac, (h) plusieurs couvercles recouvrant chacun l'ouverture d'un moule en forme de sac, o le moule en forme de sac reçoit une ou plusieurs anodes le fond de moule en forme de sac est assujetti à la plaque de fond de la cellule électrolytique avec la barre conductrice d'élec- tricité traversant l'ouverture du fond du moule en forme de sac par la bride de façon qu'un compartiment anodique soit déli- mité à l'intérieur du moule en forme de sac; et le bord supérieur ouvert du moule en forme de sac est assujetti à l'ouverture de la plaque de séparation par le couvercle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale fragmentaire d'un mode de réalisation de la cellule électrolytique selon l'invention; 16945 la figure 2 est une perspective partiellement découpée d'une portion anodique; la figure 3 est une perspective de la cellule électro- lytique; les figures 4 à 6 représentent chacune une perspective d'un moule en forme de sac utilisé dans l'invention; et la figure 7 est une vue partiellement agrandie de la partie supérieure de la cellule électrolytique illustrant un procédé pour assujettir le couvercle à la partie supérieure des comparti- ments anodiques. L'invention va maintenant être décrite de façon-détaillée en regard des figures annexées. Dans un corps principal 1 de cellule électrolytique, plusieurs cathodes tubulaires creuses 2 sont disposées de façon à s'étendre d'une paroi latérale interne du corps principal 1 de la cellule électrolytique à la paroi latérale interne opposée Une plaque de fond 3 de la cellule électrolytique est constituée d'une plaque 4 d'alimentation en électricité et d'une feuille anti-corro- sion 5 disposée sur la plaque 4 et elle comporte plusieurs ouver- tures 7 Chacune des ouvertures est placée en un emplacement juste intermédiaire entre deux cathodes 2 adjacentes et une barre 6 conductrice de l'électricité peut les traverser La barre conduc- trice de l'électricité 6 traverse une ouverture 7 de la plaque de fond 3 de la cellule électrolytique pour pénétrer à l'intérieur du corps principal 1 de la cellule électrolytique et comporte une bride 8 à sa partie inférieure Cette barre conductrice de l'élec- tricité est assujettie à la plaque de fond 3 de la cellule électro- lytique par la bride 8 au moyen d'un écrou de serrage 9 Une anode poreuse 10 est raccordée à la barre 6 conductrice de l'électricité en sa portion supérieure et est montée verticalement en vis-à-vis de la cathode 2 en un emplacement intermédiaire entre deux cathodes 3 adjacentes. Un moule 11 est formé par une membrane échangeuse de cations, au moins dans les portions en vis-à-vis de l'anode et de la cathode, et a la forme d'un sac si bien qu'il peut recevoir une ou plusieurs anodes 10 et le sommet du moule 11 en forme de sac est ouvert Le moule Il en forme de sac comporte, en un emplacement correspondant à l'ouverture 7 de la plaque de fond 3 de la cellule électrolytique, une ouverture à travers laquelle la barre 6 conduc- trice de l'électricité peut pénétrer Le moule Il en forme de sac reçoit une ou plusieurs anodes 10 en contact étroit avec les portions délimitées par la membrane échangeuse de cations du moule Il en forme de sac, et est assujetti à la plaque de fond 3 de la cellule électrolytique avec la barre conductrice de l'élec- tricité 6 qui traverse l'ouverture du fond du moule 11 en forme de sac par la bride 8 De la sorte, un compartiment anodique 12 est délimité dans le moule en forme de sac 11. Au sommet du corps principal 1 de la cellule électroly- tique se trouve une plaque de séparation 13 ayant une ouverture en un emplacement correspondant à l'ouverture supérieure du moule 11 en forme de sac, et une feuille 14, faite d'une matière élastique telle que le caoutchouc, est interposée entre la séparation 13 et l'ouverture supérieure du moule en forme de sac Un couvercle supérieur 15 du compartiment anodique est disposé à la portion supérieure de chaque compartiment anodique 12 pour recouvrir l'ouver- ture supérieure du moule 11 en forme de sac, et l'ouverture supé- rieure du moule en forme de sac Il est assujettie au couvercle à chaque ouverture de la plaque de séparation 13 Une feuille 16, faite d'une matière élastique telle que le caoutchouc, est inter- posée entre le couvercle supérieur 15 du compartiement anodique et l'ouverture supérieure du moule Il en forme de sac Cette feuille 16 sert à protéger le moule 11 en forme de sac et agit également comme une matière de garnissage. Le moule 11 en forme de sac et l'anode 10 sont de préfé- rence mis en contact mutuel aussi étroitement que possible et on préfère employer une anode dont la structure est telle qu'elle permette l'allongement de l'anode dans la direction de la cathode. Un exemple d'anodes pouvant s'allonger dans la direction de la cathode est décrit par exemple dans le brevet japonais publié no 35 031/75 (correspondant au brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 674 676) Si cela est nécessaire, un élément d'écartement 17 est placé entre le moule 11 en forme de sac et la cathode 2 On préfère maintenir la largeur de l'espace délimité entre le moule 11 en forme de sac et la cathode 2 par l'interposition de l'élément d'écartement dans la gamme d'environ 1 à 3 mm Pour éviter que le moule 11 en forme de sac ne soit cassé à la portion inférieure de l'anode par la pression exercée du côté cathodique vers le côté anodique au cours de l'électrolyse, il est souhaitable de disposer un châssis protecteur 18 pour enfermer la portion inférieure de l'anode Le châssis protecteur 18 est fait d'une matière résistant à la corrosion telle qu'une résine fluorée et sa forme n'a pas d'importance tant qu'il enferme la portion inférieure de l'anode et maintient la forme du moule en forme de sac. Comme le montre la figure 3, il existe un manifold 19 pour apporter un anolyte Le manifold 19 a plusieurs canalisations 20 de petit diamètre pour apporter un anolyte, ces canalysations de petit diamètre se prolongeant jusqu'à chaque couvercle supérieur du compartiment anodique et l'anolyte étant introduit à travers chacune de ces canalisations 20 de petit diamètre dans chaque compartiment anodique Pour ajuster le débit de l'anolyte, la cana- lisation 20 de petit diamètre a une forme en spirale ou est munie d'un débitmètre à diaphragme Le couvercle supérieur 15 du compar- timent anodique est muni d'une canalisation d'évacuation de petit diamètre 21 sur un de ses côtés si bien que le liquide et le gaz du compartiment anodique peuvent s'échapper par la canalisation d'évacuation de petit diamètre 21 Il existe également un manifold 22 auquel sont raccordées plusieurs canalisation d'évacuation de petit diamètre 21 Le liquide et le gaz évacués du compartiment anodique sont introduits dans le manifold 22 o ils sont séparés l'un de l'autre et le liquide est évacué par une sortie 23 et le gaz par une sortie 24. Un compartiment cathodique 25 est délimité à l'extérieur du moule 1 h en forme de sac dans le corps principal 1 de la cellule électrolytique et un alcali dilué ou de l'eau est introduit par une canalisation 26 d'alimentation en catholyte dans le compartiment cathodique Le liquide et le gaz du compartiment cathodique sortant au sommet du corps principal 1 de la cellule électrolytique sont évacués respectivement par les sorties 27 et 28. 16945 Le moule Il en forme de sac que l'on utilise ici est conçu de façon qu'au moins les portions en vis-à-vis de l'anode et de la cathode soient faites d'une membrane échangeuse de cations. L'invention comprend divers modes de réalisation, y compris un - mode de réalisation comme illustré par la figure 4 o la totalité du moule est faite d'une membrane 29 échangeuse de cations; un mode de réalisation comme illustré par la figure 5 o le fond d'un moule, qui est assujetti à la plaque de fond de la cellule électro- lytique, et la portion supérieure du moule, qui est maintenue en place entre la plaque de séparation 13 et le couvercle supérieur 15 de l'anode, sont faits d'une matière 30 résistant à la corrosion, par exemple une résine fluorée, et les portions centrales en vis-à- vis de l'anode et de la cathode sont faites d'une membrane 29 échan- geuse de cations; et un mode de réalisation comme illustré par la figure 6 o seulement les portions en vis-à-vis de l'anode et de la cathode sont formées d'une membrane 29 échangeuse de cations et le châssis est fait d'une matière résistant à la corrosion L'inven- tion n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus et il suffit que le moule en forme de sac soit fait d'une membrane échangeuse de cations au moins dans les portions en vis-à-vis de la cathode et de l'anode Les autres portions peuvent être faites d'une matière résistant à la corrosion et peuvent être conçues avec diverses formes selon la structure de chaque électrode Lorsqu'on utilise une membrane échangeuse de cations et une matière résistant à la corrosion pour former un moule en forme de sac, on les unit entre elles par exemple par soudage à chaud Lorsque la totalité du moule est formée d'une membrane échangeuse de cations, les portions venant en contact avec la portion terminale inférieure de l'anode sont facilement endommagées et par conséquent le châssis protecteur 18 précédemment décrit devient important pour protéger le moulé. La figure 7 est une vue partiellement agrandie de la portion supérieure d'unecellule électrolytique illustrant un procédé d'assujettissement du couvercle 15 du compartiment anodique Comme le montre la figure 7, chaque couvercle supérieur 15 de compartiment anodique est assujetti à un élément 31 de fixation du couvercle par un boulon de serrage 32 et les deux extrémités de l'élément 31 de fixation du couvercle sont assujetties à des saillies 33 disposées de chaque côté du corps principal 1 de la cellule électrolytique au moyen d'un boulon. La cellule électrolytique de l'invention a une structure appropriée à la transformation d'une cellule électrolytique utili- sée dans le procédé à diaphragme en une cellule électrolytique convenant au procédé à membrane échangeuse d'ions Dans la cellule électrolytique habituelle utilisée dans le procédé à diaphragme o on emploie un diaphragme neutre constitué d'amiante, une cathode tubulaire poreuse et creuse recouvre le diaphragme d'amiante pour former un compartiment cathodique et une anode portée par une barre conductrice de l'électricité est disposée entre les cathodes recou- vertes du diaphragme Selon l'invention, on peut produire une cellule électrolytique ayant une excellente structure pour l'emploi dans le procédé à membrane échangeuse d'ions en utilisant des pièces de la cellule électrolytique pour le procédé à diaphragme telles que le corps principal de la cellule électrolytique, le couvercle, les cathodes et les anodes. Dans la cellule électrolytique de l'invention, une anode est entourée d'un moule en forme de sac dans lequel au moins les portions en vis-à-vis de l'anode et de la cathode sont faites d'une membrane échangeuse de cations; le fond du moule en forme de sac est assujetti à une plaque de fond de la cellule électrolytique par une bride d'une barre conductrice de l'électricité; et l'extré- mité supérieure ouverte du moule est assujettie par un couvercle supérieur de compartiment anodique à une ouverture d'une plaque de séparation disposée à la portion supérieure du corps principal de la cellule électrolytique Donc, la membrane échangeuse de cations- peut être maintenue en place à l'état fermé sans relâchement et l'anode peut être mise en contact étroit avec la membrane échangeuse de cations grâce à l'emploi d'une anode ayant une structure qui permet à la surface à action anodique de s'étendre dans la direction de la cathode, si bien que la structure de l'invention est excellente pour le procédé à membrane échangeuse d'ions. En formant les portions supérieure et inférieure du moule en forme de sac avec une matière résistant à la corrosion, on peut empêcher que la membrane échangeuse de cations ne soit endom- magée par les parties aiguës de la portion terminale de l'anode, etde plus, on peut protéger le moule en forme de sac en entourant la portion terminale inférieure de l'anode d'un châssis protecteur. Dans la structure de la présente cellule électrolytique, il n'y a pas de risque d'explosion dû au mélange du gaz du côté anodique et du gaz du côté cathodique, même si une -fuite de gaz se produit entre la plaque de séparation de la portion supérieure du corps principal de la cellule électrolytique et l'extrémité ouverte du moule en forme de sac, ou entre le couvercle supérieur du compar- timent anodique et l'extrémité ouverte du moule en forme de sac, car l'extérieur communique avec l'air. Bien entendu, diverses modifications peuvent être appor- tées par l'homme de l'art aux dispositifs, ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 16945 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Cellule électrolytique pour le procédé à membrane échangeuse d'ions caractérisée en ce qu'elle comprend: (a) un corps principal ( 1) de la cellule électrolytique (b) plusieurs cathodes tubulaires poreuses ( 2) disposées à l'intérieur du corps principal de la cellule électrolytique; (c) une plaque de fond ( 3) de la cellule électrolytique comportant plusieurs ouvertures ( 7); (d) plusieurs barres conductrices de l'électricité ( 6) munies d'une bride à leur portion inférieure, qui sont insérées chacune à travers l'ouverture de la plaque de fond de la cellule électrolytique dans l'intérieur du corps principal de la cellule électrolytique et assujetties à la plaque de fond de la cellule électrolytique par leur bride; (e) plusieurs anodes poreuses ( 10) qui sont raccordées chacune à la barre conductrice d'électricité ( 6) et placées verti- calement en vis-à-vis de la cathode 2 et qui sont disposées isolé- ment ou en combinaison entre elles entre les cathodes ( 2) Cf) plusieurs moules en forme de sac ( 11), dont au moins les portions en vis-à-vis des anodes et des cathodes sont formées d'une membrane échangeuse de cations et qui sont munis chacun sur leur fond d'une ouverture à travers laquelle la barre conductrice de l'électricité peut passer et qui sont ouverts à leur sommet; (g) une plaque de séparation ( 13) qui est disposée à la partie supérieure du corps-principal de la cellule électrolytique et qui a plusieurs ouvertures en des positions correspondant aux ouvertures supérieures des moules en forme de sac ( 11); et (h) plusieurs couvercles ( 15) recouvrant chacun une ouverture du moule en forme de sac ( 11), o le moule en forme de sac ( 11) reçoit une ou plusieurs anodes ( 10) le fond du moule en forme de sac est assujetti à la plaque de fond ( 3) de la cellule électrolytique avec la barre conductrice d'électricité ( 6) traversant l'ouverture du fond du moule en forme 16945 de sac ( 11), par la bride ( 8); si bien qu'un compartiement-anodique est délimité à l'intérieur du moule en forme de sac; et le bord supérieur ouvert du moule en forme de sac est assujetti à l'ouverture de la plaque de séparation par le couvercle. 2 Cellule électrolytique selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comprend de plus un manifold ( 19) pour apporter un anolyte et une canalisation de petit diamètre ( 20) pour apporter un anolyte, s'étendant du manifold à chaque couvercle supérieur ( 15) du compartiment anodique. 3 Cellule électrolytique selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comprend de plus une canalisation d'évacuation de petit diamètre ( 21) à travers laquelle le liquide et le gaz du compartiment anodique s'échappent dans la portion latérale du couvercle supérieur du compartiment anodique, et un manifold ( 22) auquel chaque canalisation d'évacuation de petit diamètre est raccordée. 4 Cellule électrolytique selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comprend de plus un élément ( 31) fixant le couvercle auquel chaque couvercle supérieur ( 15) du compartiment anodique est assujetti et qui est lui-même assujetti au corps principal de la cellule électrolytique - Cellule électrolytique selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'elle comprend de plus un châssis protecteur ( 18) pour protéger le moule en forme de sac ( 11) qui est placé à-l'inté- rieur du moule en forme de sac et qui entoure la portion terminale inférieure de l'anode.