专利名称：气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽的制作方法
技术领域：
本发明涉及盐类水溶液的电解，具体地说就是提供了一种用于食盐水溶液制取氯酸盐、氯酸盐水溶液制取高氯酸盐，食盐水溶液制取氯气与烧碱等电解过程的电解槽。
所谓盐水溶液电解系指电解质为盐类水溶液的电解过程，诸如由食盐水溶液制取氯酸盐，氯酸盐水溶液制取高氯酸盐，食盐水溶液制取氯气与烧碱等。现行的盐水溶液电解均是在以二氧化铅或钙钛(DSA)为阳极，以铁、钢或铜等金属为阴极的无隔膜或有隔膜的电解槽中进行的。其阴极过程皆为水的放电生成碱与氢气
ΦH2O/H2＝-0.828伏现行技术主要存在如下缺点(1)电耗比较高，即使采用RuOx/Ti阳极和带外反应器的高效电解槽，生产每吨NaClO3的直流电耗高达5000-6000度。
(2)在某些场合所析出的氢得不到利用而白白放空排掉，造成能源重大损失。
美国专利PCT/US83/01218曾报导过一项将气体扩散型阴极用于食盐水溶液的电解以制取氯气与烧碱的技术，主要特点是将阴极的析氢过程改换为耗氧过程
ΦO2/OH＝-0.401伏从而降低了能耗，也不存在氢的浪费问题。为了解决气体与液体的分离问题，该专利采用分层气室的技术，不同层次的气室控制不同的压力，以对应该层次电解液的静压头，该方法不但制备技术复杂，而且电解过程中在多个单池组合上气体的分配问题也不易控制。
本发明的目的在于提供一种电解槽，能广泛地用于盐类水溶液的电解，并且能耗低，同时制备技术简单且易于控制，即气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽。
本发明的主要内容是把以空气或氧气等气体作退极化剂的气体扩散型阴极用于盐类水溶液电解槽，将其阳极的析氢过程改换为耗氧过程，从而节省电能。该电解槽为由多个单池的电槽组合而成的单极或复极平板压滤机式盐水溶液电解槽，单池电解槽由细孔层、间隔片、工作气室与DSA、Pt或PbO2等阳极及多孔气体扩散型阴极组装而成。细孔层用有机材料如聚矾、有机玻璃、增强聚丙烯或无机材料如钛酸钾、氧化硅或陶瓷、石棉等绝缘材料制备，孔径应在800～1000
之间，孔隙率在65-85%，细孔层的厚度以0.5～2.0mm为宜，孔眼必须致密而均匀。间隔片为一种硬支撑结构，带有液体通道，其液体通道的截面不小于液体进出该间隔片的通道截面，需用耐介质腐蚀的材料制作，要求工作过程中不变形，可选用无机材料如陶瓷类金属氧化物，或选用有机材料如聚矾、增强丙烯或增强F46等。在食盐水电解制取氯气与烧碱的离子膜电解槽中，可以选用金属材料，如钛、镍或铁镀镍等制做间隔片。工作气室是由用异电性能良好的材料制备的带有气体通道的导电支撑体构成的，可以用金属材料如钛、镍或铁镀镍，也可以用非金属材料如石墨、碳素体等。在本发明中，细孔层是用来分隔以空气或以氧气为退极化剂的平板型压滤机式盐水溶液电解槽的气室与液室的，以解决气体与液体的相互渗透，确保电催化剂三相界面稳定工作。间隔片则是使细孔层与多孔气体扩散型阴极紧密结合，稳定工作的硬支撑技术，间隔片的硬支撑结构需同导电工作气室结构相匹配。下面结合附图详述实施例。
附
图1为一种无隔膜的复极结构电槽示意图;
附图2为一种有隔膜的复极结构电槽示意图;
附图3为一种片状结构间隔片示意图;
附图4为一种网状结构间隔片示意图。
(a)为侧面剖视图(b)为主视图。
图中1、细孔层;2、气体扩散型阴极;3、导电气室支撑结构;4、间隔片硬支撑结构;5、液室;6、气室;7、阳极;8、多孔导电板;9、支撑条;10、阴离子交换膜;11、界板;12、盐水液流孔道;13、碱腔液流孔道。
实施例1食盐水溶液电解制取氯酸钠按附图1组装出电极面积为500cm2的由20个单池组合而成的复极压滤机式电解槽。细孔层1选用有机玻璃制作，孔径为800
，孔隙率为85%，厚度为2.0mm。间隔片4采用附图3的设计，选用聚矾模压成型。构成工作气室的异电支撑结构3所用材料为钛，阳极为RuOx/Ti。用空气作退极化剂，电性能如表1。
表1连续运行的以空气作退极化剂的复极压机式氯酸盐电解槽的电性能运行条件i＝100mA/cm2;Tcell＝58±2℃;
TR＝60±1℃;PAir＝0.05MPa;P盐水＝0.02MPa;
电流浓度＝25A/L;PH＝7.0～6.10
可见本发明用于食盐水溶液电解制取氯酸钠与现行技术相比具有如下三个显著的优点(1)能耗低现行氯酸盐工业，其电流电耗均在5000-6000kw-hr/t·NaClO3，本发明的直流电耗仅为3700±100KW-hr/t·NaClO3。
(2)无污染现行电槽均以Na2Cr2O7为添加剂，抑制阴极副反应，在处理循环液时，六价铬的流失造成水质的污染，同时析出的氢气中含有氯气，也会造成大气污染。本发明不使用任何添加剂，亦无氢的析出，电槽全密封，对环境无污染。
(3)运行安全现行电槽因析出氢气，氢中含有氧与氯等，形成氧-氢、氯-氢混合气体均为爆炸隐患。本发明因改换了电极反应，无氢气析出，从而根除了爆炸隐患，确保电槽的运行安全。
实施例2氯酸钠水溶液电解制取高氯酸钠与实施例1相同按图1组装出电解槽，细孔层1用钛酸钾制作，孔径为1000A，孔隙率65%，厚度为0.6mm。间隔片4采用附图4的设计，用增强F46注塑成型。导电支撑结构3用镍制作，阳极为PbO2/Ti，电槽性能见表2。
表2以空气作退极化剂的复极压滤机式高氯酸盐电解槽的性能运行条件i＝200mA/cm2;Tcell＝55℃;＝3g/L;[NaClO3]＝650-700g/L;PH＝7.0
可见本发明用于氯酸钠水溶液电解制取高氯酸钠与现行技术相比具有如下优点(1)电耗低，目前先进槽型的直流电耗为2500～3000KW-hr/t·NaClO4，本发明的直流电耗仅有1550±100KW-hr/t·NaClO4。
(2)生产强度即时空产率大大提高。本发明的时空产率为先进槽型的数倍。
(3)本发明电槽为全密封式，使臭氧对大气环境的污染降至最少，并可在电槽总出口处增设臭氧分解催化剂，彻底根除臭氧对环境的污染。
实施例3食盐水溶液电解制取氯气与烧碱按图2组装出有隔膜的复极结构电槽，细孔层1、间隔片4及阳极7与实施例1相同，离子膜10为市售的日本德山曹达的羧酸阳离子膜。以多孔导电板8及支撑条9构成的工作气室用钛制备，电性能如表3。
表3以氧作退极化剂的氯碱电槽性能运行条件Tcell＝86±1℃;P盐水＝0.02MPa[NaCl]＝250-300g/L;PH＝3;P碱＝0.02MPa[NaOH]＝25%wt;Po2＝0.05MPa电流强度(A)电流密度槽电压电流效率直流电耗(mA/cm)(V)(%)(KW-H/t.NaOH)16.01141.90195134122.01572.10095148128.202012.287951613
本发明用于食盐水溶液电解制取氯气与烧碱与现行进技术相比有如下优点(1)结构更加简单。目前用气体电极生产氯碱的电槽采用的是按电槽高度分层控制气体压力的方法来维持气体与液体的分离，结构复杂，尤其对多个单池组合为复极成单极组合电槽时，其结构难度颇大。本发明以细孔层分隔电槽的气室与液室，并采用间隔片施以硬支撑，以P液室＞P液室的方法极有效而简便地控制气液分离问题。
(2)能耗低。由于本发明改换了阴极反应，使直流电耗大幅度降低，达到世界先进水平1.600kw·hr/t·NaoH。
补正书附页文件名称页行补正前补正后说明书17…钙钛……镣钛…16～17…损失。…损失。
美国专利…采用氢氧燃料电池的多孔气体扩散型氧阴极代替上述盐水溶解的电解槽析氢阴极,以空气或氧为退极化剂,以耗氧过程:
1/2O2+H2O+2e→2OH-φ°O2/OH-=0.401代替析氢过程,消除副产物氢气并使槽电压下降0.8～1.0伏,从而实实现大幅度节能。这一原理已为国内外大量实验所证实。但若付诸工业实施,关键要解决电槽结构问题。
美国专利…17…一项将气体……一项将带有防水层的气体…18…主要特点是将阴极的删除……。为了解决气体与液体的分分离问题…23…电解槽,能广泛地用…用空气或氧气作退极化剂的电解于盐类水溶液的电解,槽能广泛地用于盐类水溶液的电解并且能耗低,同时制备并且能耗低,同时电解槽的制备技技术简单且易于控制…术简单,电解过程易于控制。…7…将其阳极……将其阴极…11…聚矾……聚砜…11…增强聚丙烯……聚丙烯…17…聚矾……聚砜…
补正书附页文件名称页行补正前补正后说明书219…异电……导电…314…有机玻璃……无机材料石棉…15…2.0mm……1.0mm…15…附图3的……附图3与图4两种相结合的开状…15…聚矾模压……有机玻璃机加工…16…异电……导电…41…压机……压滤机…7…CEe……CEe…13注:CEg根据析出气体测得的电流效率;
CEe根据化学分析测得的电流效率;
Wg根据气体电流效率测得的直流电耗;
Wc根据化学分析电流效率测得的直流电耗。
53…电流、……直流…13…钛酸钾……石棉…15…镍……铁镀镍…17…以空气……以氧气…19…3g……2g…19…650-700……700-850…19…7.0…8-1021…1550…180064…1550……180075…复极成……复极或…7P液室>……P气室>…权利书19…聚矾……聚砜…9…增强、聚丙烯……聚丙烯…17…聚矾……聚砜…摘要4…间隙片……间隔片…
权利要求
1.一种由多个单池的电槽组合而成的单极或复极平板压滤机式盐水溶液电解槽，其特征是阴极为以空气或氧气等气体作退极化剂的气体扩散型阴极。
2.按权利要求1所述的平板压滤机式盐水溶液电解槽，其特征在于单池电解槽是由细孔层，间隔片、工作气室与DSA、Pt或PbO2等阳极及多孔气体扩散型阴极组装而成的。
3.一种用于权利要求1、2所述平板压滤机式盐水溶液电解槽的细孔层，用以分隔电解槽的气室与液室，其特征在于细孔层以有机材料如聚矾、有机玻璃、增强聚丙烯或无机材料如钛酸钾、氧化硅或陶瓷、石棉等绝缘体材料制备，孔径应在800～1000
之间，孔隙率在65～85%，细孔层的厚度以0.5～2.0mm为宜，孔眼必须致密而均匀。
4.一种用于权利要求1、2所述电解槽的间隔片，是一种使细孔层与多孔气扩散型阴极紧密结合，稳定工作的硬支撑结构，其特征在于间隔片带有液体通道，其液体通道的截面不小于液体进出该间隔片的通道截面，所用材料为耐介质腐蚀的材料。
5.按权利要求4所述间隔片，其特征在于所述的耐介质腐蚀材料可用无机材料如陶瓷类金属氧化物，或选用有机材料如聚矾、增强聚丙烯或增强F46等。
6.按权利要求4所述间隔片，其特征在于在食盐水电解制取氯气与烧碱的离子膜电解槽中，可以选用金属材料，如钛、镍或铁镀镍等制做间隔片。
7.一种用于权利要求1、2所述电解槽的工作气室，其特征在于工作气室由以金属如钛、镍或铁镀镍或非金属材料如石墨、碳素体等导电性能良好的材料制备的带有气体通道的导电支撑体构成。
全文摘要
本发明涉及盐类水溶液的电解，具体地说就是提供了一种用于食盐水溶液制取氯酸盐，氯酸盐水溶液制取高氯酸盐，食盐水溶液制取氯气与烧碱等电解过程的电解槽，其特点是使用了以氧气或空气作退极化剂的气体扩散型阴极，并采用了细孔层分隔气液室及间隙片的硬支撑技术，从而盐类水溶液的电解能耗大幅度降低，并且电极的制备技术简单，电解过程易于控制。
文档编号C25B9/00GK1076226SQ92106088
公开日1993年9月15日 申请日期1992年3月11日 优先权日1992年3月11日
发明者衣宝廉 申请人:中国科学院大连化学物理研究所