本发明涉及二氧化氯(ClO2)的生产并且特别地涉及用于生产二氧化氯的催化工艺以及合适的电极元件。
发明背景
历史上，通过水溶液中的金属氯酸盐(例如氯酸钠(NaClO3))和相对强的酸(例如硫酸、磷酸或氢氯酸)之间的反应商业制备ClO2。
通常，用于产生ClO2的工艺利用含碱性氯酸盐的原料(经常是NaClO3)，其还包括碱金属的卤化物盐或其他还原剂。典型地通过以任何众所周知的手段电解氯化钠盐水产生用于这样的ClO2生产工艺的氯酸钠原料。当使用氯化物作为还原剂时，将盐水和氯酸盐的混合物直接加料至一个或多个反应器，其中原料接触所需要的酸并且反应形成ClO2。由于所需要的高酸度量，例如5-10N酸，加上对于还原剂的需求，没有实践由NaClO3小规模生产ClO2。例如在US4501824,US426263,US4381290和US4362707中报道了凭借氯酸钠在强酸中电化学或催化还原的ClO2产生工艺的实例。这些现有技术的教导允许省去对于单独的还原剂的需求，然而在工艺中仍然需要酸的化学供应。
发明概述
在所附的权利要求中阐述本发明的各个方面。
在一个方面，本发明涉及电极元件，包含：阀金属基材；施加至所述基材的第一催化剂组分，所述第一催化剂组分适合于在阳极极化下由水溶液析出氧；第二催化剂组分，其适合于在酸性环境中由氯酸盐溶液产生二氧化氯；所述第一和第二催化剂组分彼此电绝缘。
由于上面的布置，氧的阳极析出与因而引起的质子产生导致了在第二催化剂组分的表面处溶液局部pH的降低。换言之，在不需要任何外部酸添加的情况下，电化学阳极反应产生适合于实施氯酸盐至二氧化氯的催化还原的酸浓度。然后本发明的电极元件适合于仅由水和氯酸盐溶液开始产生二氧化氯，因此避免强无机酸例如硫酸的处置。
关于电极元件，在此预期包含布置在单个的独立件中的两种有区别的催化剂组分的整体电极，该两种催化剂组分或由合适的绝缘间隔体隔开，或密切接触但是彼此电绝缘。
在一个实施方案中，电极元件的第二催化剂组分负载在陶瓷载体上。该陶瓷载体，例如能够为分立的陶瓷介质形式，例如蒸馏支架。
在另一个实施方案中，电极元件的第二催化剂组分负载在金属性载体上。
能够任选地使此第二催化剂组分极化至较低的电势以增强二氧化氯的生产。
在一个实施方案中，电极元件的第二催化剂组分连接至电源。
在一个实施方案中，电极元件的第一催化剂组分包含贵金属氧化物。
在一个实施方案中，在根据本发明的电极元件中，该第二催化剂组分是选自由氧化钌、氧化铱、氧化钯、氧化铑和氧化铂组成的组的贵金属氧化物的混合物。任选地，该第二催化剂组分还包含阀金属氧化物。
在一个实施方案中，电极元件的第二催化剂组分是陶瓷的或金属性的片材或网状物的形式，或多孔材料的形式。
在另一个方面，本发明涉及电解池，其包含至少一个如上面述描述的电极元件。
在一个实施方案中，该电解池配备有电极元件，其设置为第二催化剂组分和施加至基材的插入的第一催化剂组分的排列，该第一和第二催化剂组分相互地绝缘。
在又一个方面，本发明涉及用于在催化剂组分上产生二氧化氯的工艺，其包含以下步骤：
-提供包含至少一个阴极和至少一个如权利要求1中描述的电极元件作为阳极的电化学电池；
-用含氯酸盐溶液的含水原料供应所述电池；
-通过使电流在阴极和阳极之间通过来电解所述原料从而在所述第一催化剂组分的表面上形成氧和酸度并且将酸度供应至所述第二催化剂层的表面的周围；
-分离(strip)和回收在催化层上产生的二氧化氯。
优选地，在40℃至90℃的温度下电解该溶液。
包括下列实施例来证明本发明的特别的实施方案，在要求保护的数值范围内已经大量验证了其可行性。本领域技术人员应该领会，在以下实施例中公开的组成和技术代表由本发明人探索的在本发明的实践中良好作用的组成和技术；然而，鉴于本公开，本领域技术人员应该领会在所公开的具体实施方案中能够做出许多改变，并且仍然获得类似的或相似的结果，而不脱离本发明的范围。
实施例
制备包含0.5厘米直径涂覆钛棒作为阳极的电化学电池。阳极的涂层由10g/m2的2：1摩尔比的铱和钽的混合氧化物组成。使充当用于第二催化剂元件的载体的涂覆的钛膨胀网缠绕该棒，且在其间布置间隔体以提供电绝缘。钛网的涂层由10g/m2的1：2摩尔比的RuO2/RhO2组成。供应2M NaClO3溶液作为电解质原料。在61℃的温度下和在50mA/cm2的阳极电流密度下进行反应。
试验运行持续5小时。每一小时提取样品并且在UV/VIS分光光度计(Hach DR 5000)中表征。图显示作为时间的函数的二氧化氯浓度的增加。
之前的说明不应当意图为限制本发明，在没有脱离其范围的情况下其可以根据不同的实施方案使用，并且本发明的范围的程度仅由所附的权利要求限定。
贯穿本申请的说明书和权利要求书，术语“包含”及其变型例如“包括”和“包含有”不意图排除其他元件、组分或额外的工艺步骤的存在。
此申请文件中包括文献、法案、材料、装置、制品及类似物的讨论仅仅是出于为本发明提供上下文的目的。不表明或代表这些内容的任何或全部形成部分的现有技术基础或是在此申请的每个权利要求的优先权日之前与本发明相关的领域内的公知常识。