Электрод для электролитической ячейки
Изобретение относится к электроду для электрохимических процессов получения газа в электролизере, к электролизеру, содержащему данный электрод, а также к электролитическому процессу получения газообразного галогена в данном электролизере. Сущность изобретения заключается в том, что электрод содержит множество горизонтальных ламельных элементов трехмерной формы, имеющих часть поверхности, находящуюся в непосредственном контакте с ионообменной мембраной, и упомянутый по меньшей мере один желобок снабжен по меньшей мере одним отверстием. При этом упомянутое по меньшей мере одно отверстие расположено в упомянутой части поверхности, находящейся в непосредственном контакте с ионообменной мембраной. Технический результат заключается в предотвращении захвата газов-продуктов в области контакта электрода с мембраной, а также в минимизации экранирования электрода. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.
[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.
[0029] Ламельные элементы с серповидным профилем по изобретению обеспечивают увеличение площади активной поверхности электрода в приблизительно 3,14 мм2 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 м2 площади активной поверхности посредством приблизительно 105000 отдельных отверстий. В испытательной ячейке с электродом площадью 2,7 м2 согласно изобретению, характеризующимся серповидным профилем, было измерено напряжение ячейки. При плотности тока 6 кА/м2 было выявлено значительное понижение напряжения более чем на 50 мВ по сравнению с электродом согласно уровню техники с эквивалентными наружными размерами.
1. Электрод для электрохимических процессов получения газа в электролизере, оборудованном ионообменной мембраной, содержащий множество горизонтальных ламельных элементов трехмерной формы, имеющих часть поверхности, находящуюся в непосредственном контакте с ионообменной мембраной, причем упомянутые ламельные элементы снабжены по меньшей мере одним желобком, простирающимся в часть поверхности, находящуюся в непосредственном контакте с ионообменной мембраной, и упомянутый по меньшей мере один желобок снабжен по меньшей мере одним отверстием, отличающийся тем, что упомянутое по меньшей мере одно отверстие расположено в упомянутой части поверхности, находящейся в непосредственном контакте с ионообменной мембраной.
2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что упомянутый по меньшей мере один желобок расположен на стороне электрода, обращенной к ионообменной мембране, и не имеет препятствий для потока.
3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что упомянутый по меньшей мере один желобок содержит множество отверстий.
4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что отдельные ламельные элементы имеют форму серпа, содержащего два элемента-боковины, связанные переходной областью, причем упомянутая переходная область выполнена аркообразной с вершиной к мембране, а упомянутые элементы-боковины наклонены на по меньшей мере 10° по отношению к мембране.
5. Электрод по п.1, отличающийся тем, что отдельные ламельные элементы имеют форму плоского С-образного профиля, образованного из изначально слегка выпуклой секции и содержащего по меньшей мере один элемент-боковину, наклоненный на по меньшей мере 10° по отношению к мембране, и по меньшей мере одну переходную область, расположенную между упомянутой слегка выпуклой секцией и упомянутым по меньшей мере одним элементом-боковиной.
6. Электрод по п.4, отличающийся тем, что отношение поверхности контакта электрода с мембраной к свободной активной поверхности электрода (F2+F3)/(F1+F4+F5) составляет менее 0,5,
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 к стенке желобка,
F4 - площадь поверхности стенки отверстия, и
F5 - площадь поверхности стенок желобка, находящейся в области контакта электрода с мембраной.
7. Электрод по п.5, отличающийся тем, что отношение поверхности контакта электрода с мембраной к свободной активной поверхности электрода (F2+F3)/(F1+F4+F5) составляет менее 0,5,
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 к стенке желобка,
F4 - площадь поверхности стенки отверстия, и
F5 - площадь поверхности стенок желобка, находящейся в области контакта электрода с мембраной.
8. Электрод по п.6, отличающийся тем, что упомянутое отношение поверхности контакта электрода с мембраной к свободной активной поверхности электрода составляет менее 0,15.
9. Электрод по п.7, отличающийся тем, что упомянутое отношение поверхности контакта электрода с мембраной к свободной активной поверхности электрода составляет менее 0,15.
10. Электрод по п.6, отличающийся тем, что толщина желобка в совмещении с отверстием составляет более 40% от гидравлического диаметра отверстия.
11. Электрод по п.7, отличающийся тем, что толщина желобка в совмещении с отверстием составляет более 40% от гидравлического диаметра отверстия.
12. Электрод по п.8, отличающийся тем, что толщина желобка в совмещении с отверстием составляет более 40% от гидравлического диаметра отверстия.
13. Электрод по п.9, отличающийся тем, что толщина желобка в совмещении с отверстием составляет более 40% от гидравлического диаметра отверстия.
14. Электрод по п.6, отличающийся тем, что глубина желобка составляет менее 1 мм.
15. Электрод по п.7, отличающийся тем, что глубина желобка составляет менее 1 мм.
16. Электрод по п.14, отличающийся тем, что глубина желобка составляет не более 0,3 мм.
17. Электрод по п.15, отличающийся тем, что глубина желобка составляет не более 0,3 мм.
18. Электрод по любому из пп.1-17, отличающийся тем, что отношение F6/(F1+F2) составляет менее 1,
где F1 - площадь поверхности желобка, находящейся в области контакта электрода с мембраной,
F2 - площадь лентообразной области контакта электрода с мембраной,
F6 - площадь поверхности боковины ламельного элемента, непосредственно обращенной к мембране.
19. Электрод по п.18, отличающийся тем, что упомянутое отношение F6/(F1+F2) составляет менее 0,2.
20. Электролизер, необязательно имеющий конструкцию одноячеечного типа или конструкцию фильтр-прессного типа, для получения газообразного галогена из водных растворов галогенидов щелочных металлов, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один электрод по любому из предыдущих пунктов.
21. Электролитический процесс получения газообразного галогена, отличающийся снабжением электролизера по п.20 водным раствором галогенида щелочного металла и подачей к нему внешнего электрического тока.
