ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ
ELECTRODE FOR ELECTROLYTIC CELL

[0001] Изобретение относится к электроду для электрохимических процессов получения таких газов, как хлор, из водных растворов галогенидов щелочных металлов, который в собранном состоянии расположен параллельно и напротив ионообменной мембраны и состоит из множества горизонтальных ламельных элементов. Ламельные элементы структурированы и имеют трехмерную форму, часть их поверхности находится в непосредственном контакте с мембраной, и снабжены желобками и отверстиями, причем большинство отверстий расположено в желобках, а вся площадь поверхности таких отверстий или их часть приходится на желобки или простирается в них. Предпочтительно, отверстия расположены в области контакта соответствующего ламельного элемента с мембраной.
[0002] Электрохимические процессы получения газа и соответствующие электроды, используемые в электролитических приборах, известны в данной области техники; такие электроды раскрыты, например, в DE 19816334. В вышеуказанном патенте описан электролизер для получения газообразных галогенов из водных растворов галогенидов щелочных металлов. Так как получаемый газ в электролите негативно влияет на поведение потока в зоне мембрана/электрод, в DE 19816334 предложена установка отдельных элементов типа жалюзи, наклоненных по отношению к горизонтальной плоскости. Таким образом, в ячейке устанавливается боковой поток, поскольку пузырьки газа, собирающиеся под отдельными ламельными элементами, устремляются вверх через проемы.
[0003] Однако в DE 19816334 не предлагается, как преодолеть проблему, связанную с тем, что некоторое количество газа оказывается захваченным под элементами типа жалюзи, вследствие чего экранируется значительная доля площади поверхности мембраны. В экранированной области циркуляция текучей среды затрудняется, поэтому в ней не может происходить получение газа. Более того, застой газа ослабляет локальную проводимость мембраны, приводя к повышению плотности тока в оставшихся зонах, что в свою очередь приводит к повышенным напряжению ячейки и потреблению энергии.
[0004] Для устранения этого эффекта экранирования в EP 0095039 раскрываются ламельные элементы, снабженные поперечными выемками. Однако в DE 4415146 указано, что упомянутых выемок недостаточно для предотвращения экранирования. Соответственно в DE 4415146 раскрываются ламельные элементы, снабженные каналами или отверстиями, направленными вниз, вследствие чего газовыпускной поток усиливается.
[0005] Однако данный способ не решает проблемы, состоящей в том, что часть остаточного газа захватывается в местах областей контакта и препятствует протеканию электролита.
[0006] Поэтому одной из задач настоящего изобретения является обеспечение электрода, преодолевающего указанный недостаток, предотвращающего или минимизирующего явления экранирования.
[0007] Эта и другие задачи настоящего изобретения, которые станут ясными из следующего описания, решаются с помощью электрода согласно пункту 1 прилагаемой формулы изобретения. Электрод согласно изобретению для использования в электролизерах для электрохимических процессов получения газа в установленном состоянии расположен параллельно ионообменной мембране и напротив нее и состоит из множества структурированных и имеющих трехмерную форму горизонтальных ламельных элементов.
[0008] Часть поверхности ламельных элементов находится в непосредственном контакте с мембраной, и упомянутые элементы снабжены по меньшей мере одним желобком, простирающимся в часть поверхности ламельного элемента, находящуюся в непосредственном контакте с мембраной, причем упомянутый по меньшей мере один желобок снабжен в свою очередь по меньшей мере одним отверстием. Предпочтительно, ламельные элементы снабжены множеством желобков и множеством отверстий, причем большая часть отверстий расположена в желобках, так что по меньшей мере часть поверхности отверстий приходится на желобки или простирается в них.
[0009] В особо предпочтительном варианте воплощения отверстия размещены в области контакта соответствующего ламельного элемента с мембраной. Еще более предпочтительно, снабженные отверстиями желобки расположены на стороне, обращенной к мембране, и не имеют препятствий для потока. Поскольку электрический ток протекает по пути с наименьшим сопротивлением, такой электрод имеет существенное преимущество, состоящее в том, что, с одной стороны, область, подвергаемая воздействию наибольшей плотности тока, т.е. область контакта, снабжается идеальным стоком для нисходящего потока текучей среды через желобок, а с другой стороны, гораздо более объемный получаемый газ переносится вверх через желобок или через отверстия к задней стороне электрода.
[0010] Более того, было обнаружено, что размещение отверстий в желобках является идеальным решением, поскольку в области контакта можно установить наименьший зазор между мембраной и электродом, не закрывая отверстия при совмещении с мембраной, с частичной или полной преградой для подачи текучей среды.
[0011] Также стало возможным выявить, что такое положение отверстий является оптимальным, поскольку полностью вся площадь внутренней поверхности отверстия действует как активная поверхность электрода вследствие близкого соседства с мембраной. Если выбран диаметр отверстия, меньший, чем толщина листа, то фактически все отверстия вносят вклад в увеличение общей активной поверхности электрода.
[0012] В особо предпочтительном варианте воплощения изобретения в желобке в области контакта с мембраной размещены два или более отверстий.
[0013] В частном варианте воплощения изобретения ламельные элементы выполнены в форме серпа, состоящего из двух боковин, связанных аркообразной переходной областью. Аркообразная секция обращена вершиной к мембране, а обе боковины наклонены по отношению к мембране под углом 10 градусов.
[0014] В предпочтительном варианте воплощения изобретения отдельные ламельные элементы выполнены в форме плоского С-образного профиля из изначально слегка выпуклой секции, который в установленном состоянии параллелен мембране. После установки эти две или более части-боковины наклонены по отношению к мембране на по меньшей мере 10 градусов. Между слегка выпуклой частью и частями-боковинами расположены одна или несколько переходных областей с любым профилем. Переходные области преимущественно формуются в виде скругленных кромок.
[0015] Площади поверхностей ламельного элемента в соответствии с изобретением характеризуются параметром FV1, который представляет собой отношение между поверхностью контакта и свободной активной поверхностью, согласно формуле
FV1=(F2+F3)/(F1+F4+F5),
где F1 - площадь поверхности желобка, находящейся в области контакта электрода с мембраной,
F2 - площадь лентообразной области контакта электрода с мембраной,
F3 - площадь переходной области от лентообразной области контакта электрода с мембраной до стенки желобка,
F4 - площадь поверхности стенки отверстия,
F5 - площадь поверхности стенок желобка, находящейся в области контакта электрода с мембраной.
[0016] В предпочтительном варианте воплощения изобретения FV1 составляет менее 0,5, более предпочтительно, менее 0,15. Толщина листа в области отверстий составляет более 30% от гидравлического диаметра отверстий. Гидравлический диаметр определяют как отношение между учетверенной площадью поверхности и периметром поперечного сечения свободного течения, что в случае отверстий круглого сечения эквивалентно геометрическому диаметру. В особо предпочтительном варианте воплощения толщина листа в области углублений не превышает 50% от вышеупомянутого гидравлического диаметра.
[0017] Отверстия электрода в соответствии с изобретением могут иметь форму любого вида, например, они преимущественно могут быть выполнены в форме тонких щелей с шириной менее 1,5 мм.
[0018] Предпочтительный вариант воплощения электрода по данному изобретению предусматривает, что глубина желобка ограничена для того, чтобы получить стенки и основания желобка в качестве активных поверхностей электрода, более подходящие для реакции, при этом поддерживая гидродинамическое сопротивление не очень высоким, причем упомянутая глубина составляет менее 1 мм или, более предпочтительно, менее 0,5 мм, или, еще более предпочтительно, не более 0,3 мм.
[0019] Более того, в предпочтительном варианте воплощения отношение FV2 между полной поверхностью области, не вступающей в контакт с мембраной, и полной поверхностью области контакта задано равным менее 1 или, более предпочтительно, менее 0,5, а еще более предпочтительно, менее 0,2. FV2 определяют следующим образом:
FV2=F6/(F1+F2),
где F1 и F2 являются вышеуказанными величинами, характеризующими проектируемую поверхность области контакта, а F6 обозначает площадь поверхности боковины ламельного элемента, непосредственно обращенной к мембране, причем упомянутая поверхность боковины отклонена назад и не вступает в контакт с мембраной.
[0020] Согласно другому аспекту изобретение направлено на электролитический процесс получения газообразного галогена из водных растворов галогенидов щелочных металлов, причем упомянутый процесс осуществляют посредством электродов по изобретению или посредством электролизеров, в которых использованы такие электроды.
[0021] В предпочтительном варианте воплощения в вышеупомянутом электролитическом процессе получения газообразного галогена применяются электролизеры одноячеечного типа или фильтр-прессной конструкции, включающие в себя электрод по изобретению в качестве существенного конструктивного элемента.
[0022] Изобретение далее описано с помощью прилагаемых чертежей, которые приведены в качестве примера и не должны рассматриваться в качестве ограничения его объема, на которых Фиг.1а представляет собой вид в перспективе электрода по изобретению, Фиг.1b представляет собой его подробное изображение, на Фиг.2а и 2b подробно показан ламельный элемент, на Фиг.3 показан ламельный элемент с плоским С-образным профилем. Фиг.4 представляет собой вид сбоку ламельного элемента по Фиг.3.
[0023] На Фиг.1а показан вид в перспективе электрода по изобретению, представленного в виде трех параллельных ламельных элементов 1, снабженных желобками 2 и лентообразными поверхностями 3 между ними. В данном конкретном примере в каждом втором желобке 2 расположено отверстие 4, пересекающее ламельный элемент 1 от передней стороны, соответствующей видимой поверхности, до задней стороны.
[0024] Как подробно представлено на Фиг.1b, ламельные элементы 1 состоят из двух элементов-боковин, верхней боковины 5 и нижней боковины 6, связанных посредством аркообразной переходной области или колена 7. Отверстия 4 размещены точно в переходной области 7, которая при установке электрода размещается в центре области 8 контакта с мембраной 9. В данном варианте воплощения область 8 контакта почти совпадает с переходной областью 7 и образована областями поверхности с площадями F1-F3, где F1 обозначает площадь поверхности желобка, находящейся в лентообразной области контакта электрода с мембраной, F2 - площадь лентообразной области контакта электрода с мембраной, а F3 - площадь переходной области от лентообразной поверхности контакта электрода с мембраной до стенки желобка.
[0025] На виде в поперечном сечении на Фиг.2а, относящейся к тому же варианту воплощения, мембрана 9 следует за контуром ламельного элемента 1 над стенкой 10 желобка. Угол 12 кривизны задает местоположение и ширину области зазора между мембраной 9 и ламельным элементом 1, и она расположена между областью 8 контакта и областью 11, где контакт с мембраной отсутствует. В вышеуказанном примере угол 12 кривизны был выбран таким образом, что наименьшие радиусы эллиптически вытянутых контуров отверстий оканчиваются в вышеупомянутой области зазора между мембраной 9 и ламельным элементом 1. Данная конструкция имеет основное преимущество в том, что имеется увеличенный объем для усложненного выпуска газа и подачи жидкости в область узкого желобка. Переходная область 7, в которой мембрана 9 отделяется от ламельного элемента, обозначена с помощью пунктирной окружности.
[0026] Фиг.2b изображает тот же ламельный элемент 1 после его установки и в ходе эксплуатации. Противоэлектрод 13 установлен напротив противоположной стороны мембраны 9, и оба электрода затоплены рассолом или каустиком (не показан) и пузырьками 14 газа. Более того, на Фиг.2b показан узел, используемый для хлоро-щелочного производства, где анод, который в данном случае представляет собой ламельный элемент 1 в непосредственном контакте с мембраной, находится напротив катода, который в данном случае представляет собой противоэлектрод 13. Как проиллюстрировано на Фиг.2b, между мембраной 9 и катодом 13 поддерживают зазор, поскольку каустик, действующий как католит, имеет относительно хорошую проводимость. В данном примере Противоэлектрод 13 выполнен из сетки из тянутого металла.
[0027] На Фиг.3 показан ламельный элемент 1 с плоским С-образным профилем. Желобки 2 являются достаточно широкими, так что отверстия 4 не вызывают никакого ослабления стенки 10 желобка. Ширина лентообразных поверхностей 3 составляет приблизительно только 1/3 от ширины желобков 2. Кроме того, направленные назад аркообразные боковины 5 и 6 являются очень короткими, а область контакта, включающая в себя области поверхности с площадями F1-F3, во много раз больше. Указанное выше отношение FV2 площадей поверхности в случае иллюстрируемого примера составляет менее 0,2. Существенное преимущество данного варианта воплощения состоит в том, что активная область, параллельная мембране 9, расположена между двумя переходными областями 7, гарантируя идеальные условия для электрохимической реакции. Желобок 2 снабжается через отверстия 4 каустиком или рассолом, втягиваемым поднимающимися пузырьками газа.
[0028] На Фиг.4 показан вышеупомянутый вариант воплощения. Как представлено на Фиг.4, часть ламельного элемента, не обращенная к мембране 9, защищена от поднимающихся пузырьков 14 газа посредством нижней боковины 6, так что пузырьки газа, образованные в отверстиях 4, отводятся, и каустик или рассол может быть втянут в желобок 2. Переходная область 7, в которой мембрана 9 отделяется от ламельного элемента, обозначена с помощью пунктирной окружности.
2
2
2
2
[0029] Ламельные элементы с серповидным профилем по изобретению обеспечивают увеличение площади активной поверхности электрода в приблизительно 3,14 мм на отверстие, для отверстия диаметром 2 мм и листа толщиной 1 мм, в совмещении с желобком. Следовательно, в случае стандартной электролитической ячейки, оборудованной электродами по изобретению, получено увеличение на 0,11 м площади активной поверхности посредством приблизительно 105000 отдельных отверстий. В испытательной ячейке с электродом площадью 2,7 м согласно изобретению, характеризующимся серповидным профилем, было измерено напряжение ячейки. При плотности тока 6 кА/м было выявлено значительное понижение напряжения более чем на 50 мВ по сравнению с электродом согласно уровню техники с эквивалентными наружными размерами.