窄间隙的未分隔电解池的制作方法

本发明涉及用于能量有效电解的未分隔电池，并且具体地说涉及未分隔氯酸盐电解池。

背景技术：

许多化学品在工业规模上使用电解池电解含有适合反应物的液体并由此产生各种电解产物来制备。关于这一点，存在两种基本类型的电解池，即分隔电池和未分隔电池。在两种电池类型中，某些离子可以在电极之间行进。然而，在分隔电池中，电池的阴极侧和阳极侧以一些方式分开(分隔)，以使得在电池各侧上的大部分或所有反应物和产物均保持分开。在另一方面，在未分隔电池中，电池的阴极侧和阳极侧未分开(未分隔)并且在电池各侧上的反应物和产物可以混合。

例如，氢氧化钠连同氢和氯典型地通过氯碱电解来产生。氯碱电解过程采用分隔电解池来电解氯化钠溶液。不同类型的分隔电池已在商业上使用并且包括汞电池、隔膜电池和膜电池类型。在汞电池中，液态汞提供了在电池中的分离。在电解过程中，在阳极生成氯气。在汞阴极形成钠并且该钠溶解在液态汞中形成汞合金，该汞合金随后转运到另一个隔室中，在该隔室中钠与水反应形成氢氧化钠和氢。在隔膜电池中，部分液压可渗透隔膜(典型地由石棉纤维制成)提供了在电池中的分离。氯化钠溶液被连续引入到阳极隔室中并且通过隔膜流到阴极隔室。在电解过程中，再次在阳极生成氯，同时在阴极生成氢氧化钠和氢。产物氢氧化钠溶液从阴极隔室中连续去除。该隔膜防止氯气与阴极隔室交叉并且溶液连续流过隔膜防止氢氧化钠流回阳极隔室，从而防止氯气和氢氧化钠反应。在一个膜电池中，离子选择性可渗透膜提供了在电池中的分离。在电解过程中，再次在阳极生成氯并且钠阳离子穿过该膜到达阴极侧，在该阴极侧中生成氢氧化钠和氢。

在数十年间已对氯碱电解池做出许多精化和改进。例如，US3242059披露了隔膜型电解池，其中除隔膜本身和薄阳极支撑构件的厚度之外可以消除阳极-阴极间隙。还例如，US4279731披露了双极性电解槽，该电解槽包括一系列隔膜类型或膜类型的分隔电解池。这些电池包括可以接近或压靠在分隔隔膜或分隔膜上的丝网或网板型金属(expanded metal)电极。该设计提供了电解质的内部再循环和遍及电极表面的均匀分布。并且另外，还提供了对每个双极性元件中通过双极性分离器进行的电极电连接的改进。

在另一个实例中，典型地通过氯酸盐电解过程产生氯酸钠，该电解过程还涉及电解氯酸钠溶液但使用未分隔电解池。(氯酸钠主要作为用于随后产生二氧化氯的前体产生。由于二氧化氯相对不稳定并且难以运输和储存，所以通常仅在原位按需要产生它。)然而，氯酸盐过程涉及一组复杂的电化学反应和化学反应并且需要从紧控制各种运行参数，包括pH、温度、组成以及电解质浓度。与在氯碱过程中一样，在电解过程中，在阳极产生氯气并且在阴极产生氢和羟基离子。然而，在氯酸盐过程中，产生的氯立即与电池液体内存在的羟基离子发生化学反应，以便主要产生次氯酸根，该次氯酸根与溶液中存在的钠离子结合产生次氯酸钠。次氯酸根是该过程中的中间体并且随后通过与电解质液体中的其他物质进行化学反应来转化成氯酸盐。通常，这种转化在高温下运行且位于氯酸盐电解槽下游的化学反应器中实现。氯酸钠电解的全面综述可见于例如“氯酸钠电解技术：当前状态(Electrolytic Sodium Chlorate Technology:Current Status)”，B.V.蒂拉克(B.V.Tilak)，ECS学报(ECS Proceedings)，第99-21卷，第8页，氯碱技术和氯酸盐技术：R.B.麦克马林纪念研讨会(Chlor-alkali and Chlorate Technology:R.B.Macmullin Memorial Symposium)。

在氯酸盐电解过程中，意图是在电池液体中的各种物质容易彼此发生化学反应并且因此在此使用未分隔电解池。在数年间也已对此类未分隔电解池做出许多精化和改进。具体地说，非常希望提高氯酸盐电解槽的能量效率并因此减小生产所需要的能耗和运行成本。尽管迄今为止引入在设计和电容控制中的所有进展，但是在当今的氯酸盐电解槽中仍存在若干电阻损耗的来源，这些电阻损耗不令人希望地影响能量效率。

在电解槽中的各种金属组分之间出现的许多电连接中，电阻损耗升高。在可能的情况下，因此希望减小电流需要行进的路径长度。因此，双极性电解槽构造可以是优选的。另外，由于电解电阻，损耗升高，并且此电阻通常随着阳极电极与阴极电极之间的路径长度或间隙而增加。因此，在阳极与阴极之间可能最小的间隙似乎是优选的。然而，在运行期间，在阴极以作为电解电流函数的速率持续生成氢气。这种生成的氢气替换电池电极之间的电解质并且增加电极之间保留的电解质的有效电阻(称为“氢气堵塞”)。所生成的氢气的体积和因此替换的电解质的体积实质上独立于阳极与阴极之间的间隙。因此，对于窄间隙电池，通过减小阳极与阴极之间的间隙产生的电阻损耗的任何改进至少部分地被氢气堵塞的有害影响抵消。有时，间隙的任何进一步减小实际上增加了电极之间在运行时的电阻。因此需要权衡并且常规氯酸盐电解池典型地在阳极与阴极之间具有显著非零间隙，其中由于间隙和氢气替换的组合影响引起的损耗已被最小化。

一直希望提高通常用于工业生产化学品的电解槽的能量效率。并且确切地说，希望提高用于生产氯酸钠和其他相关化学品的包括未分隔电解池的电解槽的能量效率。本发明解决了该希望并且提供了如下所讨论的其他优点。

概述

本发明提供了用于运行未分隔电解池以提供液体电解中的能量效率的新设计和方法.这些电池的特征在于电极之间的窄间隙和所采用的多孔设计(对于两个电极和它们之间的绝缘分离器而言)允许所生成的气体去除而不“堵塞”电极。

确切地说，未分隔电解池包括多孔阳极、多孔阴极和它们之间的电绝缘分离器，它们都是液体可渗透的。另外，电解池包括阳极隔室和阴极隔室，该阳极隔室的表面包括该多孔阳极和电连接至该多孔阳极的阳极载流子，该阴极隔室的表面包括该阴极电极和电连接至该多孔阴极的阴极载流子。另外，在该电池的底部存在用于该液体的一个入口，并且在该电池的顶部存在用于该液体和任何气体产物的一个出口。该液体入口可以设置在该阳极隔室或该阴极隔室之一中，那么该液体出口设置于这两个隔室的另一个中。在此，该入口隔室是指这两个隔室中包括入口的那一个，并且该出口隔室是指这两个隔室中包括出口的那一个。在一个优选实施例中，该入口隔室是该阳极隔室并且该出口隔室是该阴极隔室。

本发明的电解池特别适用于氯酸盐电解，其中该液体中有待电解的主要组分是NaCl和水。然而，典型地，该液体再循环并且因此还可以包含一定量的电解产物并且还包含随后的化学反应的产物(例如，次氯酸钠、氯酸钠、溶解的氯气和氢气)。另外，如本领域已知的，在该液体中还可以包含添加剂，以增强氯酸盐形成(例如，重铬酸钠)。

在该电解池中的该多孔阳极可以常规地由具有适当涂层的网板型金属或百叶型金属(louvered metal)制成。并且一种常规的优选金属用于该阳极，例如钛。以一种类似的方式，该多孔阴极也可以由网板型金属或百叶型金属制成。并且同样在此，一种常规的优选金属可以用于该阴极，例如无镍不锈钢或软钢。

在该电解池中的该电绝缘分离器可以具有不同构造，只要它对于液体是适当多孔的并且在这些电极之间提供适当的电绝缘。例如，电绝缘分离器可以是一个多孔聚合物薄片、一组聚合物纽扣状物或仅一个适合的间隙。具体地说，用于实现极小间隙的一种适合的电绝缘分离器是一种多孔氟聚合物薄片。可替代地，由陶瓷制成的类似实施例可以用作电绝缘分离器。

如所提及的，此电解池的能量效率可以提高。部分地说，这是因为与常规未分隔电解池中使用的间隙相比更窄的间隙可以用在这些电极之间。例如，该阳极与该阴极之间的距离可以是小于约2mm。

在一个示例性实施例中，电池组件可以被选择来使得该分离器和该阴极中的至少一种的流阻大于该阳极的流阻。这引起穿过这些电极的压力差增加，这对于预防氢从该阴极隔室回流到该电池的电化学活性区域可以是有益的。

在某些实施例中，该阳极载流子和/或该阴极载流子二者可以是盘形的并且包括一组形成的特征件。而且在一些实施例中，该多孔阳极和该多孔阴极可以通过适当的几组导电指状物来分别电连接至该阳极载流子和该阴极载流子。

本发明还包括多种电解槽，这些电解槽包括双极性布置的多个上述电解池。在其中该阳极载流子和该阴极载流子二者均是盘形并且包括一组形成的特征件的实施例中，这些特征件可以被配置来使得在该阳极载流子中的该组特征件与相邻阴极载流子中的该组特征件嵌套在该双极性布置中。有利地是，这些电解池可以被制成模块。电解槽因此可以是模块化的并且个别电池因此可以容易按需要去除并更换。

在此类电解槽中，可以有利的是(例如，出于除去气体的目的)将这些电解池堆叠以使得在这些电池的这些阳极和这些阴极以与垂直线成大于零的角度定向(例如，垂直于垂直线)。

本发明的电解池是用于对液体进行未分隔电解。运行此类电池的方法包括将该液体引导至该入口隔室的液体入口并且引导进入该入口隔室。然后将该液体在一个方向上引导通过该多孔阳极、通过该电绝缘分离器并且通过该多孔阴极。根据该液体入口和该液体出口的位置，该方向可以是从阳极至阴极或者从阴极至阳极。在引导该液体的过程中，将电解电压和电流施用于该阳极载流子和该阴极载流子上，从而电解该液体并且然后将该液体和气体产物从该出口隔室的该液体出口引导出来。在一个优选实施例中，该液体入口和该液体出口分别位于该阳极隔室和该阴极隔室中，并且因此该液体在该电池内部从阳极引导至阴极。为了引导该液体适当贯穿该电池，电解池可以不包括该阳极隔室或该阴极隔室内的另一个入口并且不包括该阳极隔室内的出口。然而，可替代地，该电解池可以包括在该阴极隔室内的一个适合的排放管和/或该阳极隔室内的一个排气孔。另外，该阴极隔室可以有利地包括用于引导气体产物向上朝向该气体产物出口的特征件。

在用于氯酸盐电解的一个典型实施例中，该运行方法还包括将该液体从该阴极隔室内的该液体出口再循环至该阳极隔室内的该液体入口。

附图简要说明

图1a示出用于现有技术中的双极性氯酸盐电解槽的电池单元的示意图。该电池单元包括许多未分隔的单极性氯酸盐电解池。

图1b示出在图1a的电解池中的初级反应和生成的氢气产物。

图2a示出本发明的氯酸盐电解池的示意图。

图2b示出在图2a的电解池中的初级反应和生成的氢气产物。

图3示出包括一系列图2a的本发明的氯酸盐电解池堆叠的双极性电解槽的示意图，其中电池中的这些阳极和阴极是垂直地定向的。

图4示出图3的双极性电解槽的示意图，其中电池中的这些阳极和阴极垂直于垂直线来定向。

图5示出包括本发明的氯酸盐电解槽的氯酸盐产生系统的示意图。

图6图示对于实例的本发明的电解池和对比电解池所获得的极化结果。

详细说明

除非上下文另外要求，否则贯穿本说明书和权利要求书，单词“包括(comprise/comprising)”等以开放式的包含意义来理解。单词“一种/个(a/an)”等被认为是意指至少一个而不限于仅一个。

另外，预期有以下定义。在一个数值的背景下，单词“约”被理解为意指加上或减去10％。

如先前所提及的，一个电解池可以是分隔型或未分隔型的电池。在两种类型中，某些离子可以在电极之间行进。然而，分隔电池是其中电池的阴极侧和阳极侧以一些方式分开(分隔)，以使得在电池各侧上的大部分或所有反应物和产物均保持分开的一种电池。未分隔电池是其中电池的阴极侧和阳极侧未分开(分隔)并且在电池各侧上的反应物和产物可以混合的一种电池。

在此，术语“电绝缘分离器”用于未分隔电解池的情况下并且是指用于在阳极电极与阴极电极之间提供电分离的各种材料、组件或装置中的任一种。因此，它可以包括多孔薄片材料、间隔物诸如纽扣状物、或仅电极之间的间隔(即，空间)。

术语“百叶型”用于多孔电极的情况下并且是指包括一系列成角度开口(由此赋予该电极多孔性)的电极，这些开口典型地以规则间隔隔开(例如，显示百叶窗)。

本发明涉及用于运行未分隔电解池以便获得更好能量效率的改进的设计和方法。它特别适用于氯酸盐电解中。

在图1a中示出用于现有技术中的示例性双极性氯酸盐电解槽的电池单元的示意图。电池单元1包括阳极载板2和阴极载板3。多个固体阳极板4垂直于阳极载板2的一侧安装。以类似方式，多个固体阴极板5垂直于阴极载板3的一侧安装。然后这些组件如所示地配置，以使得阳极板4与阴极板5交错。阳极板4和阴极板5的每个相邻对形成电解池。在每个阳极板与阴极板之间希望的间隙通过将板4、5与其相应载板2、3适当间隔地安装来获得。

双极性电解槽通过将两个或更多个电池单元1组合在一个连续堆叠中来制成，即来自一个电池单元的阳极载板2的平面侧附接至来自第二电池单元的阴极载板3的平面侧。(典型地，这些载板例如通过爆炸粘接焊接在一起，这是因为异种金属用于每个极性。)这种类型的双极性布置在本领域中称为多单极配置。

用于氯酸盐电解的液体主要含有氯化钠水溶液。然而，该液体通常再循环并且因此包含一定量的电解产物并且还包含随后的化学反应的产物(例如，次氯酸钠、氯酸钠、氯气和氢气)。另外，通常还包括某些添加剂(例如，重铬酸钠)以增强氯酸盐形成。在运行时，此液体在许多电解池的底部(由图1a中的箭头6指示)供应并且在阳极板4与阴极板5之间向上流动。当液体在阳极板4与阴极板5之间行进时，电解连同某些化学反应一起发生。在电解池的顶部(由图1b中的箭头7指示)去除包含电解产物和这些化学反应物的收集的液体。

图1b示出在氯酸盐电解过程中发生的主要电化学反应和化学反应。在阳极板4处，发生电化学反应1)：

1)2NaCl→Cl₂+2e^-+2Na⁺

在阴极板5处，发生电化学反应2)：

2)2H₂O+2e^-→H₂↑+2OH^-

因为电解产物和液体未保持分开或分隔开，虽然该液体在这些电池电极之间行进，但是由电解产生的氯根据化学反应3)与该液体中的组分快速反应：

3)2Na⁺+2OH^-+Cl₂→Na⁺Cl^-+Na⁺OCl^-+H₂O

如图1b所示，根据反应2)产生的氢气形成气泡8并且置换在阳极板4与阴极板5之间的液体电解质。然后从电解池的顶部(箭头7)去除氢8和收集的液体。在生产过程中的晚期阶段，在化学反应器中在高温下将根据反应3)产生的NaOCl转化为氯酸钠。在氯酸盐产生系统中的总体反应4)因此为：

4)NaCl+3H₂O→NaClO₃+3H₂↑

在一定程度上，氢气泡8通过增加电极之间的液体电解质的有效电阻和/或通过“气体阻塞”来干扰电解过程(其中对阴极表面的接近被阻断)。因此，在不经历大量负效应的情况下，阳极板4与阴极板5之间的间隙由于这些效应而不能太小。

然而，在本发明的氯酸盐电解池中，所生成的氢气从阳极电极与阴极电极之间快速去除并且从电解区域中去除。在电解质电阻和气体阻塞的任何增加显著减小并且电极可以更紧密地在一起，从而减小在这些电极之间的液体电解质电阻并且增加能量效率。为了进一步减小由在这些电极之间氢气泡的存在引起的任何负效应，可以有利地增加穿过电解池的压降，这进而可以有利地防止氢返回迁移到这些电极之间的空间内。通过选择电池组件来使得该分离器和该阴极中的至少一种的流阻大于该阳极的流阻，此增加的压降通常可以被工程化到电解池中。如对于本领域技术人员而言将显而易见的，这可以例如通过对这些不同组件中的相对孔隙特征进行适当修改来实现。

在图2a的示意图中示出了本发明的改进的氯酸盐电解池。电解池10包括由多孔且电绝缘的分离器11分开的多孔阳极14和多孔阴极15。多孔阳极14通过几组导电指状物18电连接至阳极盘12。阳极盘12用作电池的阳极载流子。以类似的方式，多孔阴极15通过几组导电指状物19和柱20电连接至阴极盘13。阴极盘13用作电池的阴极载流子。

另外，电解池10包括在顶部和底部的密封件21，这些密封件密封阳极盘12、阳极14、阴极15、以及阴极盘13。密封的阳极14和阳极盘12因此形成氯酸盐液体的阳极隔室的表面。以类似的方式，密封的阴极15和阴极盘13因此形成氯酸盐液体的阴极隔室的表面。在图2a所示的实施例中，阳极隔室包括液体入口22，同时阴极隔室包括液体和氢气出口23。(在实际实施例中，还可以使用分配器来分配入口处的液体，但在图2a中未示出。另外，应注意，原则上，液体入口和液体出口可以相反地位于相反隔室内，即分别为阴极隔室和阳极隔室。虽然此布置在大部分应用中不是最佳的，但是它预期是有功能的并且可以考虑。)阴极隔室可以任选地包含有助于引导氢气产物向上朝向氢气出口23的特征件(在图2a中未示出)。出于此目的，此类特征件可以包括成形折流板和类似特征件。

在电解池10中，液体被压迫通过多孔阳极14并且然后通过多孔阴极15，而不是像图1b的现有技术电池一样在阳极板4与阴极板5之间向上行进。在此，液体被供应(由箭头16指示)至液体入口22，进入阳极隔室，压迫通过多孔阳极14，通过多孔分离器11，通过多孔阴极15并且进入阴极隔室。所收集的液体和氢气然后被引导从出口23出来(由箭头17指示)。为了确保液体完全引导通过多孔阳极14和多孔阴极15，电解池10可以不包括在阳极隔室中的大出口并且不包括在阳极隔室或阴极隔室中的另一个入口(尽管小排放出口可以典型地被设置来在阳极隔室顶部排放收集的氢)。

阳极14和阴极15理想地是液体相当可渗透的。然而，如先前所提及的，可以有利的是前者比后者具有更大渗透性以在电池内引入希望的压降。虽然各种设计选项是可用的，使用网板型金属用于这些电极之一或二者是一个便利的选择。可替代地并且如图2b针对阳极14和阴极15更明确示出的，可以使用百叶型金属电极。百叶型金属可以具有多个成角度开口或槽缝，以有助于引导液体和所生成的氢气向上、通过电解区域以及排出该电解区域。许多其他设计选项是可能的，尽管一个或两个电极包括其中已钻出许多孔的板、由烧结金属纤维制成的薄片等。在氯酸盐电解中，阳极和其他阳极硬件典型地由涂层钛制成并且阴极和其他阴极硬件典型地由无镍不锈钢或一种类型的软钢制成。

多孔的电绝缘分离器11也理想地是液体相当可渗透的。另外，它应与化学反应物和产物相容。并且可以采用用于实现可靠的绝缘分离的任何装置。例如，分离器11可以仅是电极之间的间隙。然而，为了获得窄间隙同时仍维持这些电极之间可靠的电分离，通常希望采用一些多孔的电绝缘间隔材料。例如，许多聚合物纽扣状物可以用于隔开阳极14和阴极15。或者，在一个希望的实施例中，使用一种多孔聚合物薄片，因为此类薄片可以被制成相当薄且牢固并且允许在阳极与阴极之间有小于约2mm的距离(在常规氯酸盐电解池中依赖于间隙的典型最小值)。许多氟聚合物可以用作分离器11的适合材料，因为它们能够抵挡在电解槽中的腐蚀性苛刻环境。可替代地，某些陶瓷可以用作分离器11的适合材料。材料可以具有疏水性表面特性。可替代地，亲水性材料可以通过减少氢脱离来进一步提高性能。

在图2a中，用于电解的主要载流子是阳极盘12和阴极盘13。电流通过一组导电指状物18从阳极盘12分配至阳极14。并且电流通过一组导电指状物19和连接柱20从阴极15引导至阴极盘13。而且，此阳极和阳极硬件典型地分别由涂层钛和无镍不锈钢或软钢制成。

阳极盘12和阴极盘13可以包括几组互补特征件，这些特征件已在其中形成来用于在组装成多电池双极性电解槽的过程中提供结构强度和定位并电连接电池的目的。在图2a中，阳极盘12和阴极盘13包括几组互补的锥形特征件，即分别是12a和13a，这些特征件在其中形成来用于此目的。(使用此类电池制成的示例性双极性电解槽随后在图3和图4出现。)

图2b示出在图2a的电解池中生成的初级反应和氢气产物。在此发生与图1a相同的电化学反应和化学反应。然而，在此，所供应的液体(由箭头16指示)流过多孔阳极14、分离器11和多孔阴极15。在此运输过程中发生电解并且由箭头17所指示地取出所收集的液体和氢气产物24。与图1b的电池不同，所生成的氢气泡24通过来自阳极14与阴极15之间的区域的液体快速进行并且进入阴极隔室。因此基本上减少气体堵塞。注意，所生成的氯与液体中的组分的化学反应可以在分离器11、多孔阴极15和/或在阴极隔室内发生。

图2a和图2b的氯酸盐电解池的运行通常类似于常规氯酸盐电解池的运行。例如，反应物、浓度、温度以及压力可以全部相同或类似。另外，尽管如先前所提及的，可以有利的是提供穿过该电池的增加的压降以便防止氢从阴极隔室内回流到电池的电化学活性区域。

图2a所示类型的电解池可以容易用于构建具有双极性配置的电解槽。图3示出此双极性电解槽的示意图，该电解槽包括图2a中串联的四个氯酸盐电解池10组。

在双极性电解槽30中，四个氯酸盐电解池10被堆叠来使得电池中的阳极14和阴极15垂直定向。另外，电解池10被堆叠来使得阳极盘12中的互补特征件12a与相邻阴极盘13中的特征件13a嵌套并且因此确保这些电池相对于彼此良好地定位并且很好地电连接。本发明的一个优点是，电解池可以被制成模块并且因此可以容易按需要去除和更换。

在图3所示的实施例中，双极性电解槽30包括一系列液体进料集管31(对于每个电解池10而言为一个)，这些集管将液体分配至单个电解池10的液体入口23。进料集管31通过一系列液体进料管32供应有液体。双极性电解槽30还包括一系列集流器/脱气器集管33(对于每个电解池10而言也是一个)，该集流器/脱气器集管用作从来自单个电解池10的出口23收集液体和氢气的集管。通过出口管34从电解槽30中去除包含次氯酸盐和其他溶解的电解产物的收集的液体。然后通过支管35从出口管34分离出收集的氢气。如果需要的话，电解槽30还可以包括在阴极隔室内的一个适合的排放管和/或阳极隔室内的一个排气孔。

在图4中示出了用于在本发明的双极性电解槽中的电池的一个不同的示例性定向。在其中，双极性电解槽40被定向来使得电池中的阳极14和阴极15垂直于垂直线来定向。确切地说，电解槽40被定向来使得阴极15为单个电解池中的以上阳极14。根据电池中所使用的组件和其他结构细节，此定向可以改进氢气副产物的去除。

然后可以采用图3和图4中示出的类型的电解槽，以在其他常规氯酸盐产生系统中获得提高的效率。关于这一点，图5示出包括本发明的氯酸盐电解槽的供应商(merchant)氯酸盐产生系统的示意图。

供应商氯酸盐产生系统50是相当复杂的并且依次包括如图所示地相互连接的盐和水进料51、盐水饱和器52、保护滤波器53、离子交换子系统54、盐水管55、氯酸盐反应器56、液体入口管57、本发明的氯酸盐电解槽58、所收集的液体出口管59、氯酸盐结晶子系统61和管62。在盐水饱和器52中制备用于电解的盐水。在盐和水进料51处提供适合的盐(例如，蒸发的盐)来源和脱矿质水供应。由此，盐水通过盐水管55引导至保护滤波器53，然后至离子交换子系统54并且最终至氯酸盐反应器56，其中它与来自氯酸盐电解槽58的产物混合以维持电解槽进料中的盐含量。氯酸盐反应器56通过液体入口管57将包含氯酸盐和盐水的用于电解的电解质溶液引导至氯酸盐电解槽58。并且来自氯酸盐电解槽58的电解的氯酸盐溶液通过收集的液体出口管59引导回到氯酸盐反应器56中。通过管60去除所产生的氢气。

来自氯酸盐反应器56的浓产物氯酸盐溶液被引导至氯酸盐结晶子系统61，其中氯酸盐产物从更浓缩的氯酸盐溶液中结晶出来并且在62处去除。在结晶之后留下的溶液通过再循环管63再循环回到氯酸盐反应器56。随时间的推移，杂质可以在再循环管56内累积。这些杂质可以多种方式去除。例如，图5中的氯酸盐电解系统50包括平行连接至再循环管63的侧流子系统64。侧流子系统64内的部件的配置及其运行充分描述于WO2014/029021中。

本发明的电解槽还可以用于除如图5所示的供应商氯酸盐生产系统之外的氯酸盐生产系统或子系统。例如，本发明的氯酸盐电解槽可以理想地用于氯酸盐生产子系统中，该子系统形成集成式二氧化氯生产系统的一部分。一种示例性的这类系统是凯米迪(Chemetics)集成式二氧化氯系统，它由三个设备区域组成，以产生两种中间体产物氯酸钠(NaClO3)和盐酸(HCl)、以及最终产物二氧化氯(ClO2)。在这一系统中，氯酸钠可以理想地通过使用本发明的电解槽电解氯酸钠溶液来产生，以制备强氯酸钠液体。用于此反应的盐是来自二氧化氯生产区域的一种再循环的副产物。氢气与氯酸钠共同产生，并且用作盐酸生产的原料。盐酸通过燃烧氯气和氢气来产生。氢气来自氯酸钠电解区域。补充的氯气来自厂用电池限度。弱氯气是二氧化氯生成区域的再循环副产物，它与此氯补充流组合，之后与氢气燃烧。通过将强氯酸盐液体与盐酸组合在二氧化氯生成器中来产生二氧化氯气体，连同氯气和氯酸钠(盐)。在急冷水中吸收二氧化氯气体并且然后用空气汽提，以去除残余氯，从而产生用于商业使用的高杂质二氧化氯溶液；典型地在ECF纸浆厂漂白设备中。留在生成器中的液体含有未反应的氯酸钠和副产物盐。这种溶液称为弱氯酸盐液体，它被再循环到氯酸钠电解区域内进行再浓缩。未吸收的氯副产物(弱氯气)被再循环来用于盐酸生产。现有凯米迪集成式二氧化氯系统更详细地描述于例如“采用集成式二氧化氯过程进行纸浆漂白以符合CREP法规(Adopting the Integrated Chlorine Dioxide Process for Pulp Bleaching to Comply with CREP Regulations)”；A.巴尔(A.Barr)等人，印度纸浆和造纸技术协会季刊(IPPTA,J.)，第21卷，第1期，一月-三月，2009 121-127。

本发明的方法特别适用于氯酸盐电解中。然而，涉及未分隔电解的任何过程可以得益于本发明的设计和方法，例如次氯酸盐生产、高氯酸盐生产、高锰酸钾生产。例如，本发明的使用可以在所采用的电解槽的设计和/或配置中提供更大灵活性。例如，常规氯酸盐电解槽对电池高度具有实践限制，这是由所生成的氢气的量引起的。然而，此类限制可以不适用于本发明的电解槽，并且因此在实践实施例中可以考虑更高的电池。

以下实例被包括来说明本发明的某些方面但是不应被解释为以任何方式进行限制。

实例

实验室类型的氯酸盐电解池被制造并运行来比较本发明的电池的特征与常规电池的特征。

制造一种本发明的电解池，该电解池包括盘形阳极隔室和盘形阴极隔室。两个隔室均由2级钛制成并且具有约38cm宽度、23cm高度和2.2cm深度的尺寸。将包括多孔阳极、多孔阴极和它们之间的电绝缘分离器的电池组件一起夹在盘形阳极隔室与盘形阴极隔室的唇缘之间。阳极隔室和阴极隔室的唇缘分别直接接触阳极和阴极的边缘并且因此与其电连接，以分别用作阳极载流子和阴极载流子。分离器稍微延伸超过阳极和阴极的边缘。通过在延伸的分离器边缘与阳极隔室和阴极隔室的唇缘之间将适当成形的垫片螺栓连接在一起来密封电解池。

阳极和阴极二者采用由扩展钛网制成的基底(约1mm厚，具有菱形形状开口，其中菱形尺寸是约3mm×1.5mm，并且开口面积～50％)，从而赋予阳极和阴极电池液体可渗透性。在组装之前，通过喷砂和酸蚀刻过程处理两种基底，并且然后用包含混合型金属氧化物(主要是RuO₂、IrO₂和TiO₂)的催化剂涂覆。

将扩展PTFE网格用作电池分离器，因此赋予该分离器电池液体可渗透性。PTFE网格是约0.95mm厚并且具有菱形形状的开口，该开口的尺寸是阳极基底和阴极基底的开口的大小的约1/2。然而，另外，为了改进流动和性能，从分离器中切出另外较大的开口。确切地说，从分离器表面切出九个均匀间隔开的矩形开口(大小是约32mm×83mm)。

电池组件的活动表面(即，在电解池密封件内的表面)具有约10cm×25cm的尺寸。电解池垂直地定向并且在阳极隔室底部具有三个液体入口并在阴极隔室顶部具有三个液体和气体产物出口。这些液体入口和出口均匀地间隔开并且直径约13mm。在各个阳极隔室和阴极隔室内采用液体分配器，以实现电池液体更均匀地从电解池中来回流动。阳极分配器和阴极分配器分别位于与液体入口和出口紧密相邻的隔室中。两个分配器的大小是约16mm×22mm×25cm，并且各自包括直径约6mm的8个均匀间隔分布的孔。

以与常规氯酸盐电解池(例如，以如图1b所表示地运行)类似的方式构造一种对比电解池并且该电解池已优化用于商业使用。在此，阳极采用已制备的包括固体钛板(约2mm厚)的基底并且以与前述本发明的电池类似的方式用混合型氧化物催化剂涂覆。阴极是不具有催化剂涂覆的固体钢板(约3mm厚)。通过使用在外围的垫片来分开阳极和阴极，其中阳极与阴极之间的间隙是约2mm。对比电解池具有接近在阳极与阴极之间的间隙的底部的液体入口和在间隙顶部的液体出口。

用于测试目的的电解质是具有450/110/5gpl浓度的NaClO₃/NaCl/Na₂Cr₂O₇组成的常规氯酸盐溶液。在本发明的电解池中，电解质在阳极隔室底部的液体入口内流动，通过其中的液体分配器，通过多孔阳极、多孔分离器和多孔阴极，并且然后通过阴极隔室内的液体分配器流出，并且最终流出阴极隔室顶部。在对比电池中，电解质在电池底部的液体入口内流动，通过阳极与阴极之间的间隙，并且然后流出电池顶部的液体出口。最初通过在电流密度3kA/m²(基于电极活动面积)、pH 6和温度80℃下运行来将电池调节4.5天。之后，将电解质的温度升高至90℃并且在0.5至5kA/m²的电流密度范围内获得针对每个电池的极化结果(即，电压对比电流密度)。所使用的电解质流速是约100l/h。

图6图示对于本发明的电解池和对比电解池所获得的极化结果。在整个测试的电流密度范围内本发明的电解池的电池电压好于常规电解池的电压，并且例如在4kA/m²下是约低620mV。

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虽然已示出并描述了本发明的具体元件、实施例和应用，但是当然应了解的是本发明不限于此，因为本领域技术人员可以进行修改而不背离本发明的精神和范围，特别是根据以上教授内容。此类修改被认为是在所附权利要求书的权限和范围内。