专利名称：用于压滤式电解装置的框架单元和压滤式单极电解装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电解生产一种气体的压滤式电解装置，并涉及形成这类电解装置结构部件的框架单元。
压滤式电解装置通常由一组垂直排列的框架单元组成，这些框架单元交替地限定出阳极电解室和阴极电解室，在这些电极室中垂直地安装着电极。在这些框架单元之间可插入具有选择性渗透性的膜或可使电解液透过的隔膜以将这些电解室分隔开。
本发明主要涉及形成这类电解装置结构的部件的框架单元，而每一个这样的框架单元有一个限定出一个电解室的垂直框架，该电解室都有一个由一对垂直的，彼此相向的，带孔金属片构成的电极;一些水平的金属杆插在该金属片间，并以合适的连接件固定在后者上。在这类框架单元中，这种金属杆和连接件被用于支撑电解室中的电极的金属片，并起到将金属片接到电源上的连接作用。该水平杆的设计必须可使电解液以及电解产物在电极的金属片之间作垂直的循环运动。为此，有人提出，使这种杆的横截面小于隔开该金属片之间的距离，并采用垂直的金属棒插在该水平杆和电极金属片之间以作为连接件。这种垂直的金属棒可以有各种各样的截面(见DE-A-2，821，984，JP-A-58-123，885)。在文献JP-A-58-123，885中提出使用弯成槽形的金属带材作此垂直的金属棒。在这些已知框架单元中，这种水平杆与垂直棒在电解室中形成了一种有损于均匀电解条件的格状组件。于电解过程中，在电极上有气体产生的情况下，这一缺点就变得特别突出，因为这种格状组件形成了一种阻碍电解室中的气体和电解液循环运动的障碍物。
本发明通过提供一种新型的框架单元而克服了上述已知框架单元的这一缺点，这种新型的框架单元有利于在电解过程中的气体和电解液的自然循环，并使电解室中的电解条件均匀化。
因而，本发明涉及一种用于压滤式电解装置的框架单元，所说的框架单元包括-一个确定出一个电解室的垂直框架，-一个在该电解室中的电极，它包括一对彼此相向排列的垂直的带孔金属片，以及-一个连至该电极上的导电装置，所说的该导电装置包括被置于该带孔金属片间的水平或倾斜的金属杆，以及将该金属杆与该带孔金属片相连的构件，按照本发明，这些连接构件包括数对U型或V型的垂直的梁，该梁对称地安装在该金属杆的两侧，并被连接着该金属杆的一些垂直的板连接起来，以便在电解室中形成一些垂直的管路。
在本发明的框架单元中，该框架可以具有能与压滤式电解装置的结构相匹配的任何外形。园形或多边形，如正方形、梯形或矩形的外形就同样地好。该框架必须由能经得起电解条件下的化学作用的材料制成。例如，取决于该框架在电解氯化钠水溶液的电解装置中是用来形成阳极电解室还是阴极电解室，它可由钛或镍制成。
构成电极的金属片可以是，例如，打有很多通孔的金属板、拉制的金属网或网格结构。
根据电极的用途选择该片状材料。例如，在欲将该电极作为产生氢气的电解水或水溶液的电解槽中的阴极的情况下，则这种电极片可用铁、钢、镍或其它任何的对电解制氢时具有活性的导电材料诸如述于专利EP-A-8，476，FR-A-2，460，343，EP-A-113，931和EP-A-131，978(Solvay & Cie)中的材料来制造。在欲将该电极作为产生氯气的电解氯化钠水溶液的电解槽中的阳极的情况下，则这种电极片最好用带有活性导电敷层的成膜导电材料来制造，所说的成膜导电材料选自钛、钽、铌、锆、钨及由它们构成的合金，所说的敷层是由选自铂、、铑、钯、锇、铱及这些材料的僵金和化合物，特别是其氧化物所构成活性导电敷层。特别适用于通过电解氯化钠水溶液产生氯气的电极，是那些其中的该活性敷层材料中包含一种氧化钌的混合物和氧化钛的混合物或述于专利BE-A-769，677，BE-A-769，678，BE-A-769，679，BE-A-776，709和BE-A-785，605(Solvay & Cie)中的化合物之一的电极。
该金属杆的厚度小于构成该电极的这两块金属片间的间隔距离。它们被水平地或倾斜地布置于该金属片之间，并通过垂直的U型梁将它们连接到该金属片上。
术语“U型或V型梁”旨在表达这样的构件，它们的截面是突起的，显示出一种沟形外型的。因此按本发明，这种梁可以具有半园形、半椭园形或半多边形的横截面。
该金属杆和梁相互配合，以在电解过程中于电源和电极片之间输送电流。在一个可供选择的形式中，它们还可相互配合以支撑框架中的电极片。另外，它们的凸形截面使之具有良好的抗弯强度，这样又可使它们被用作电极片的加强筋。这些金属杆和梁必须由能经受得住电解过程中的化学环境的导电材料制成。最好使用复合金属杆，它由包在钛或镍外壳中的，电良导体金属或合金(如铜或铝)制成的芯体构成。这种复合金属杆例如可用冶金上的复合拔制工艺制成。垂直梁，例如可用钛或镍等金属的带材制造，将这种带材对折以使它们形成所需的定义如上的U型或V型。垂直板可以用能承受机械应力及在电解装置中通常存在的热和化学特性的任何材料制成。它们可用金属或聚合物材料制造。
该U型或V型梁成对地对称布置在该金属杆两侧。每对中的两根梁由连接金属杆的垂直板连在一起，以便形成一条垂直的管路。后者的两端通向电解室，并且最好是在框架的附近与电解室相通。在本发明的框架单元中，限定于电极片间的空间，就这样地被该管路间隔出来了，从而在电解过程中使电解液在产生于电极上的气体的作用下，在管路之间向上运动，及在这些管路之中向下运动。这就导致了电解液在电解室内的一种内部循环，这种循环促进了电解条件的均匀化。因此，根据本发明，要求该管路的内部空间不应是气体释放之处。所以，管路的内部空间必须与电极绝缘;另外，该梁与该连接板的朝向管路内部的面必须用在电解装置运行时不参与电解反应的材料制成。
在本发明的框架单元的一个特定的实施方案中，该框架包含由两根水平的纵长构件连接起来的两根垂直立柱，而该水平纵长构件的设计使其形成两条内通道，该通道在其处于电解室内的彼此相向的相应的壁上开有一些孔。该内通道之一与电解液入口管相连，而另一通道则与电解产物的排出管相连。在本发明的框架单元的这一实施方案中，该水平纵长构件的通道被用于将电解液分配入电解室中，及把电解产物从其中排出。最好是下面的水平纵长构件的通道与电解液的入口管相连，上面的水平纵长构件的通道与电解产物的排出管相连。
本发明的框架单元旨在形成单极式电解装置的一个整体部件。
因此，本发明还涉及一种单级压滤式电解装置，它包含一组本发明的框架单元，这些框架单元交替地确定出阳极电解室和阴极电解室。本发明特别适用于这样一类电解装置在其中电解室被可使离子通过的隔离物隔开。该隔离物是一些插在该组顺次排列的框架单元间的片状物，而且该隔离物是由在电解装置运行期间可使离子流通过的材料制成的。它们可以是允许含水电解液通过的隔膜，也可是选择性渗透的膜。
可用于本发明的电解装置的隔膜的例子是诸如那些在专利US-A-1，855，497(Stuart)和FR-A-2，400，569，EP-A-1，644以及EP-A-18，034(Solvay & Cie)中所述石棉隔膜和诸如那些在专利FR-A-2，170，247(Imperial chemical Industries PLC)和EP-A-7，674和EP-A-37，140(Solvay & Cie)中所述的由有机聚合物制成的隔膜。
选择性渗透膜是指含有离子交换物质的无孔薄膜。对于形成这种膜的材料及离子交换物质的选择取决于被电解的电解液的性质及准备制取的产物。通常从这样的物质中选择该膜的材料它们能承受在电解过程中的电解装置中通常存在的热和化学条件，而离子交换物质可从阴离子交换物质和阳离子交换物质中选择，这取决于该电解装置准备进行什么样的电解操作。
例如，在旨在电解氯化钠水溶液以产生氯气，氢气及氢氧化钠水溶液的电解装置的情况下，适用的膜是由氟化的，最好是全氟化的，含有由磺酸、羧酸或膦酸衍生的阳离子官能团，或由这类官能团的混合物衍生的阳离子官能团的聚合物所制成的膜。这种类型的膜的例子是那些述于专利GB-A-1，497，748及GB-A-1，497，749(Asahi kasei Kogyo K.K.)GB-A-1，518，387，GB-A-1，522，877以及US-A-4，126，588(Asahi Glass Company Ltd)和GB-A-1，402，920(Diamond Shamrock Corp.)中的膜。特别适用于本发明的电解槽的膜是以那些以名称“Nafion”(Du Pont de Nemours & co)和“Flemion”(Asahi Glass Company Ltd)为人所知的膜。
本发明的电解装置特别适用于通过电解氯化钠水溶液来生产氯气和氢氧化钠水溶液。
本发明的特性及细节可通过下文的描述及参看附图而被了解得更清楚。
图1是本发明的框架单元的一种特定实施方案的，带有局部剖面的正视图;
图2是沿图1和3的Ⅱ-Ⅱ面剖开的水平剖面;
图3是沿图1和2的Ⅲ-Ⅲ面剖开的垂直剖面;
图4是图2的细节的放大视图;
图5是图1至3的框架单元中的框架沿图2和3的中心垂直面Ⅴ-Ⅴ被剖开的剖面图;
图6是图5的一个细节的一种特殊实施方案的放大;
图7示出本发明的电解装置的一种特殊实施方案的纵向垂直剖面;
在这些图中，相同的数字代表相同的另件。
在下文的叙述中，本发明被专门应用于通过电解氯化钠水溶液以生产氯气、氢气和氢氧化钠水溶液的，使用阳离子交换膜的单极压滤式电解装置。
在图1-5中所示的本发明的框架单元旨在形成一种电解装置的阳极室。它包括一个以数字1表示的垂直框架，该框架的横截面基本上是正方形的。框架1包括两根钛制垂直立柱2和3，它们被焊在同样也是钛制的两根水平纵长构件4和5上。
由框架1所限定的空间13构成了一个阳极电解室。该电解室含有一个由一对拉制的金属网的垂直片6所组成的阳极，该片分别被置于水平金属横杆7的两侧。网片6被焊在垂直梁8上，而该梁8又被焊在水平横杆7上，横杆7被焊在它们所穿过的框架立柱2和3上。它们一起被固定于旨在连接电源的汇电板24上。这样横杆7和梁8就起到了将该网片6与电源相连的连线及这些网片在该框架内的支撑器的作用。
网片6是带有一种导电敷层的钛网片，这种敷层对于氯离子的电化学氧化具有较低的超电压。这类敷层在电解技术领域中是众所周知的。横杆7由一根包在钛壳中的铜芯构成。每根垂直梁8(在图2，3和4中可看得到的)由一种被折成V型或Ω型以使其具有槽形形状的垂直的钛带材构成。这些梁轴向地沿此U型的中部(即U的底部)被固定在该网6片上，沿其边缘带10连至横杆7上(见图4)。
垂直梁8成对对称地排列于横杆7的两侧。每对中的这两根梁8被延伸于顺次排列的杆7间的垂直板11连在一起，以便在两块网片6间形成一条垂直的管路12。垂直板11是焊在梁8的边缘带10上的钛片(见图4)。那么每条管路12与构成阳极的网片6绝缘，以使其在氯化钠水溶液与网片6接触而电解时不成为氯气生成的场所。梁8的上、下两端与框架1的水平纵长构件4和5保持一定距离，以使管路12的两端与电解室相通。
框架1的水平纵长构件5和4及立柱3的设计能形成正方形或矩形截面的内通道，它们分别被用来把氯化钠水溶液引入电解室13及把电解所得的产物(氯气和稀的氯化钠水溶液)从该电解室中排出。所以，水平纵长构件4和5在它们处于电解室13中的彼此相向的壁上按均匀的间隔开有一些通孔14。下端的水平纵长构件5与使待电解的氯化钠水溶液进入通道16的管子15紧密配合。由上部水平纵长构件4所确定的通道17被用作脱气室，以便使氯气与离开电解室13的稀的氯化钠水溶液分离。通道17与在立柱3中所形成的通道18相通，通道18与排放氯气的管子19及排放稀的氯化钠水溶液的管子20紧密配合。将通道17和18隔开的堰21被用于将通道17内的溶液液面保持恒定。
当将图1-5中所示的框架单元用于一种电解装置中时，则往电解室中注入氯化钠水溶液直至其液面达到堰21的上沿。氯化钠水溶液通过管子15被连续地送入通道16，再径孔14而进入电解室13，然后在产生于阳极片6上的氯气的带动下在电解室13中向上运动。在电解室13内，垂直管路不是氯气释放之处，从而使得存在于其中的溶液的密度大于电解室13内的其余的乳状液的密度。因此在电解室13中电解液的内循环就建立起来了通过通道16进入电解室的电解液被夹带着在两块网片6间作向上运动，其一部分随氯气经通道17排出，而另一部分经管路12再循环至电解室13的底部。电解室13中的电解液的内循环促进了较好的均匀化，因此也就使得电解操作达到最佳的能量效率。
在通道17中氯气与氯化钠水溶液分离，并经管子19排出。该水溶液溢过堰21并流入垂直的通道18，然后从那里再通过管子20排出。
在上述对图1-5的描述中，本发明是被应用于电解装置阳极室的框架单元。在欲将框架单元用于电解装置的一种阴极室的情况下，框架1的立柱2和3以及水平纵长构成件4和5均系镍制，该网片6形成阴极并由镍制成(可以带具有较低质子还原超电压的导电敷层)，横杆7由镍制成或具有一根包镍的铜芯，而梁8和连板11均由镍制成。
如图4所示，在一个该框架单元的改进的实施方案中，在网片6和每个梁8的中部(即底部)9之间插有垫片22。垫片22均用导电材料制成并被焊在网片6和梁8上。它们同样也可是延伸于梁8的整个高度上的棒，也可是均开隔开的螺栓。它们的作用是在网片6与梁8间确保一定的间隔距离，以使电解液在网片与梁间流动。
本发明的框架单元的这一实施方案被打算专用于离子交换膜式的电解装置，在其中已发现需要保证该膜被存在于电解室13中的电解液有效地湿润。
图6示出本发明的框架单元的另一种实施方案，它的设计保证该离子交换膜被电解液有效地湿润。在此实施方案中，梁8的中部9处开有通孔31;与该梁的两侧翼33相连的一块垂直隔板32把管路12与垂直的通道34隔开。处于该中部9和隔板32间的那一部分侧翼可任选地开一些孔，以有利于电解室13和通道34间的流通。
如在图7中所示的本发明框架单元的又一实施方案中，在框架单元1的上部水平纵长构件4的开口14有一个自底向上逐渐缩小的斜切的边缘23。本发明的这实施方案促使气体在电解过程中自电解室13朝通道17流动。
示于图8中的电解装置是由一组垂直的框架单元相互交替的阳极25和阴极25′组成的。阳极的框架25与参照图1-7的上述的框架单元相类似。阴极框架单元25′与阳极框架单元25相类似，只是在其中用镍制构件取代了钛制构件。框架单元25′中的镍制构件与框架单元25中相应的同一种构件具有相同的编号，但加上一个撇号(，)。框架单元25和25′用阳离子交换膜26隔开，这样它们就限定出相互交替的阳极和阴极电解室。该组框架单元25和25′及离子交换膜26被固定在两块端部板27之间，该板用拉杆连接(未示出)，用密封垫28来保证不发生泄漏。阳极框架单元25的垂直连杆24(见图1)被连到与直流电源正极端相连的汇电板上，而该连杆、汇电板和电源均未在图7中示出。同样，阴极框架单元25′被连到与直流电源负极端相连的共同汇电板上。另外，阳极框架25的管子15(见图1和5)通入一根让氯化钠水溶液进入的共用总管，该总管与管子15均未在图7中示出。以此类推，阴极框架单元25′的相应管子也通入一根使水或氢氧化钠稀溶液进入的共用总管。阳极框架单元25的管子19和20分别通入共用总管29和30，总管29用来排放阴极电解室13中产生的氯气，总管30用于排放氯化钠稀溶液。类似地，阴极框架单元25′的管子19′和20′分别通入共同总管29′和30′，总管29′用于排放产生于阴极电解室13′中的氢气，而总管30′则用于排放浓的氢氧化钠溶液。
在该电解装置运行时，阳极框架单元25的电解室13中的液体静压力通常低于阴极框架单元25′的电解室13′中的液体静压力。其结果就使得离子交换膜26被推向阳极的网片6。由于垂直的梁8具有突出的截面，所以它有效地抵抗住网片6的弯曲。
反之，在电解装置以阳极室13和阴极室13′间的正的液体静压差运行时，框架组件25′的垂直梁8′就抵抗住阴极网片6′的弯曲。
权利要求
1.用于压滤式电解装置的框架单元，它包括-一个确定出电解室(13)的垂直框架(1)；-一个在该电解室中的电极，它包括一对彼此相向排列的垂直的带孔的金属片(6)；-接到该电极上的一种导电装置，它包括排列在该金属片(6)间的水平的或倾斜的金属杆(7)，以及将该金属杆连到该金属片上的构件；其特征在于，该连接构件包括数对U型或V型的，对称地列于金属杆(7)两侧，并且通过与金属杆(7)相连的垂直板(11)彼此相连，从而在电解室(13)中形成数条垂直的管路(12)的金属梁(8)。
2.根据权利要求1的框架单元，其特征是，该垂直梁(8)通过其纵长的侧翼(33，10)被焊在该金属杆(7)上，并且于其中部(9)被焊到金属片(6)上。
3.根据权利要求1或2的框架单元，其特征是，该梁(8)和该板(11)的朝向管路(12)内部的面由不参与该电解反应的材料制成。
4.根据权利要求2或3的框架单元，其特征是，在该梁(8)的中间部分(9)处开有一些通孔(31)，而连接该梁(8)的两侧翼(33)的垂直隔板(32)把垂直管路(12)与沿该梁(8)的中间部分(9)延伸的垂直通道(34)隔开。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求的框架单元，其特征在于，该框架(1)含有用两根水平纵长构件(4，5)连接的两根垂直立柱(2，3)。
6.根据权利要求5的框架单元，其特征是，该水平纵长构件(5，4)形成了内通道(16，17)，电解室(13)中的该通道的彼此相向的两个壁上开有通孔(14)，通道(16，17)与使电解液进入和离去的导管连接。
7.根据权利要求6的框架单元，其特征是，下部的水平纵长构件(5)的通道(16)与一根使电解液进入的导管相连，而上部的水平纵长构件(4)的通道(17)与中一根排放电解液的导管相连。
8.根据权利要求7的框架单元，其特征在于，用于排放电解液的导管包括框架单元(1)的一根立柱(3)的内通道(18)。
9.压滤式单极电解装置，它包括一组相互交替地限定出含有垂直排列的电极的阳极电解室(13)和阴极电解室(13′)的框架单元(25，25′)，其特征是，该电解装置中含有如权利要求1至8中任一项中的框架单元。
10.根据权利要求9的电解装置，其特征是，它含有与框架单元(25，25′)交替排列的选择性渗透的膜(26)。
全文摘要
用于压滤式电解装置的框架单元，它包含一个限定出一个电解室(13)的垂直框架(1)；一个在该电解室中的电极，它包含一对彼此相向排列的垂直金属片(16)；一些排列在该金属片(6)间的水平的或倾斜的金属杆(7)，以及一些插在该金属杆和金属片间的U型或V型的垂直金属梁(8)；该梁(8)被成对对称地排列于该金属杆(7)两侧并通过一些垂直板(11)彼此相连，从而在电解室(13)中形成数条垂直管路(12)，而所说的垂直板(11)是与该金属杆(7)相连的。
文档编号C25B9/18GK1049875SQ9010777
公开日1991年3月13日 申请日期1990年8月11日 优先权日1989年8月11日
发明者埃米尔·卡巴劳, 艾力克·保罗勒斯 申请人:索尔维公司