Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов



Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов
Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов
Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов
Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов

 

C25B9/08 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2614450:

Комоликов Константин Юрьевич (RU)

Изобретение относится к электрохимической модульной ячейке для обработки растворов электролитов, содержащей герметичный корпус, в котором расположены цилиндрические, вертикально установленные, коаксиально расположенные по отношению друг к другу противоэлектроды, отделенные друг от друга посредством коаксиальной им микропористой диафрагмы. Ячейка характеризуется тем, что посредством двух коаксиально расположенных диафрагм отделены друг от друга три электрода, имеющие полярность, при которой средний электрод является противоэлектродом по отношению к наружному и внутреннему электродам, при этом наружный электрод является корпусом ячейки. Использование изобретения позволяет повысить эффективность использования площади цилиндрических поверхностей коаксиально расположенных электродов, что позволяет повысить производительность с единицы объема реактора, повысить надежность и компактность ячейки, упростить возможность объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью. 3 ил.

 

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки растворов электролитов, и может быть использовано в процессах, связанных с электрохимическим регулированием кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности воды и/или водных растворов, а также в процессах получения различных химических продуктов, в частности в процессе получения хлора при электролизе водного раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов. Полученный хлор может быть использован в технологических процессах, в процессах очистки и обеззараживания воды.

В прикладной электрохимии используются электролизеры различных конструкций как для обработки воды и/или водных растворов, так и для электролитического получения различных продуктов, в частности проточные электролизеры с плоскими электродами или электролизеры с коаксиально расположенными цилиндрическими электродами и диафрагмой между ними.

Наиболее перспективными являются модульные электролизеры, обеспечивающие достижение требуемой производительности путем соединения необходимого числа электрохимических модульных ячеек, что позволяет сократить затраты на проектирование и производство электролизеров фиксированной производительности, унифицировать детали и узлы, сократить время монтажа и ремонта таких электролизеров. Для модульных электролизеров наиболее существенным является конструкция электрохимической ячейки, которая и определяет все достоинства и недостатки модульного электролизера.

Так, известна, например, электрохимическая модульная ячейка [1], содержащая основной электрод, установленный вертикально, цилиндрический противоэлектрод, также установленный вертикально, керамическую диафрагму, размещенную коаксиально основному электроду и разделяющую межэлектродное пространство на герметичные анодную и катодную камеры, а также нижнее и верхнее герметизирующие приспособления для подачи обрабатываемых жидкостей в катодную и анодную камеры и приспособления для отвода жидкостей и газов из анодной и катодной камер.

Известна также электрохимическая модульная ячейка для обработки водных растворов [2]. Ячейка содержит вертикальные коаксиальные цилиндрические внутренний полый и внешний электроды, нижнюю и верхнюю диэлектрические втулки, по оси которых выполнены отверстия, а на поверхность втулок выведены соответственно входной и выходной каналы, сообщающиеся с камерой внешнего электрода. В ячейке выполнена диафрагма из керамики на основе оксида циркония, коаксиально установленная между электродами и разделяющая межэлектродное пространство на электродные камеры. Внутренний полый электрод выполнен с перфорационными отверстиями. Входной и выходной патрубки камеры внутреннего электрода выполнены из электропроводного материала и снабжены закрепленными на них приспособлениями для крепления и герметизации диафрагмы.

Известна установка для получения продуктов анодного окисления раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов [3]. Установка содержит, как минимум, один электрохимический реактор, выполненный из 2-16 электрохимических ячеек, каждая из которых содержит коаксиально установленные внутренний цилиндрический полый анод и внешний цилиндрический катод и размещенную между ними диафрагму, выполненную из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия. Катод и анод установлены в нижнем и верхнем узлах крепления с образованием гидравлически замкнутых анодной и катодной камер с входом в нижнем узле крепления и выходом в верхнем, при этом вход и выход анодной камеры сообщаются с полостью анода. Анод выполнен с перфорационными отверстиями. Анод и катод установлены с межэлектродным расстоянием (МЭР) 8-10 мм, при этом d=1,5-2,3 МЭР, D=3,0-4,3 МЭР, Ld=25-40 МЭР, δ=0,15-0,35 МЭР и Sk≥Sa, где d - внешний диаметр анода, D - внутренний диаметр катода, Ld - длина катода, δ - толщина боковых стенок диафрагмы, Sk - площадь поперечного сечения катодной камеры, Sa - площадь поперечного сечения анодной камеры.

К недостаткам вышеописанных модульных ячеек относится не эффективное использование поверхности электрода, на котором получают основной продукт, низкий коэффициент отдачи с объема рабочего пространства и, как следствие, заниженная производительность. Чем меньше производительность ячейки, тем большее количество ячеек требуется для создания объединенного реактора определенной производительности. Чем больше соединений, тем меньше надежность работы реактора, дополнительно возникают трудности с обеспечением равномерного распределения потока раствора электролита в электродные камеры ячеек реактора. Эксплуатация установок с такими ячейками требует повышенных расходов энергии.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов [4]. Данная ячейка содержит герметичный корпус с верхней и нижней крышками, цилиндрические, вертикально установленные, коаксиально расположенные по отношению друг к другу наружный и внутренний полый электроды и расположенную между электродами микропористую диафрагму, разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, образующую с внутренним электродом герметичную камеру. При этом электроды и диафрагма помещены в герметичный диэлектрический корпус, а наружный электрод образует с диафрагмой негерметичную камеру. Это решение, содержащее пару противоэлектродов, позволяет повысить производительность и надежность работы ячейки, а также обеспечивает равномерное распределение раствора электролита при объединении ячеек в реактор большей производительности. Однако в паре противоэлектродов электролиз проходит лишь между обращенными друг к другу цилиндрическими поверхностями электродов, притом, что обратные им поверхности в электролизе не участвуют. Поэтому использование в проточных ячейках только пары противоэлектродов ограничивает возможность дальнейшего повышения производительности ячейки.

Задача изобретения заключается в повышении производительности работы электрохимической модульной ячейки для обработки растворов электролитов.

Для этого электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов, как и ячейка по прототипу, содержит герметичный корпус, в котором расположены цилиндрические, вертикально установленные, коаксиально расположенные по отношению друг к другу противоэлектроды, отделенные друг от друга посредством коаксиальной им микропористой диафрагмы. Ячейка отличается тем, что посредством двух коаксиально расположенных диафрагм отделены друг от друга три электрода, имеющие полярность, при которой средний электрод является противоэлектродом по отношению к наружному и внутреннему электродам, при этом наружный электрод является корпусом ячейки.

В заявленной конструкции ячейки с тремя электродами, отделенными друг от друга посредством двух коаксиальных микропористых диафрагм, образуются две пары противоэлектродов: одна электродная пара образуется между внутренней поверхностью наружного электрода и наружной поверхностью среднего электрода, вторая электродная пара образуется между внутренней поверхностью среднего электрода и наружной поверхностью внутреннего электрода. Две диафрагмы, расположенные между тремя электродами, образуют с ними четыре электродные камеры. Таким образом, в одном корпусе размещаются две двухкамерные подъячейки, увеличивая производительность заявленной ячейки в два раза. Поскольку количество выделяемого продукта при электролизе по закону Фарадея прямо пропорционально величине тока, протекающего через электроды [5], то за счет использования внешней поверхности среднего электрода его рабочая площадь возрастет не менее чем в два раза, а значит, будут соблюдены условия для сохранения допустимой плотности тока на электродах. Полярность среднего электрода определяется функциональным назначением ячейки. При получении анодных электролизных газов средний электрод предпочтительно является анодом. Использование наружного электрода в качестве корпуса ячейки значительно упрощает конструкцию при увеличении производительности не менее чем в два раза при сохранении тех же геометрических размеров.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении эффективности использования площади цилиндрических поверхностей коаксиально расположенных электродов, позволяющем повысить производительность с единицы объема реактора, в повышении надежности и компактности ячейки, упрощении возможности объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид ячейки в разрезе; на фиг. 2 - сечение А-А; на фиг. 3 - вид снизу.

Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов содержит герметичный, выполненный из электропроводного материала наружный электрод 1, который является корпусом ячейки. Корпус ячейки имеет патрубки 2 и 3, верхнюю крышку 4, выполненную из диэлектрического материала, с выходным патрубком 5 для отвода продуктов электролиза, нижнюю крышку 6, выполненную из диэлектрического материала, с входным патрубком 7 для подачи обрабатываемого раствора электролита. Внутри корпуса расположены коаксиально наружному электроду цилиндрические внутренний полый электрод 8, закрепленный патрубком 9 с помощью гаек 10 на верхней крышке 4 и патрубком 11 с помощью гаек 12 на нижней крышке 6, а также средний электрод 13, закрепленный с помощью токоподводов 14 и 15 на нижней крышке 6. Между электродами 8 и 13 коаксиально размещена микропористая диафрагма 16, герметично закрепленная с помощью уплотнительных колец 17 в крышках 4 и 6, образующая с электродом 8 герметичную камеру 18. Между электродами 1 и 13 коаксиально размещена микропористая диафрагма 19, герметично закрепленная в крышках 4 и 6, образующая с наружным электродом 1 герметичную камеру 20. Средний электрод 13 выполнен таким образом, что его верхняя и нижняя части не имеют герметичного контакта с крышками 4 и 6. За счет этого камеры 21, 22, образуемые между средним электродом и диафрагмами, являются негерметичными.

Патрубки 9 и 11, закрепленные в крышках 4 и 6, служат для закрепления внутреннего электрода, подачи и отвода обрабатываемого раствора в герметичную камеру 18 и могут быть соединены с электродом 8 резьбовым и/или сварным соединением. Электрод 8 имеет перфорационные отверстия 23 для подачи и отвода обрабатываемого раствора электролита в камеру внутреннего электрода, поступающего через патрубки 9 и 11.

В частном случае наружный электрод 1 может не иметь патрубков, тогда подача и отвод обрабатываемого раствора в герметичную камеру 20 осуществляются через патрубки, которые устанавливаются в крышках 4 и 6.

В частном случае электрод 8 может не иметь перфорационных отверстий, тогда подача и отвод обрабатываемого раствора в герметичную камеру 18 осуществляется через дополнительные патрубки, которые устанавливаются в крышках 4 и 6, а через патрубки 9 и 11 может подаваться и отводиться охлаждающий агент.

Работа ячейки иллюстрируется примером получения газообразных продуктов электролиза, когда наружный электрод 1 и внутренний электрод 8 являются катодами, а средний электрод 13 - анодом.

Ячейка работает следующим образом. Через входные патрубки 3 и 11 обрабатываемый раствор электролита поступает внутрь герметичных камер 18 и 20. Через патрубок 11 раствор поступает в полость катода 8. Через нижние перфорационные отверстия 23 раствор поступает в пространство между диафрагмой 16 и наружной поверхностью катода 8 и заполняет герметичную камеру 18. Через верхние перфорационные отверстия 23 раствор выводится во внутреннюю полость катода 8 и через патрубок 9 удаляется из ячейки. Заполнение катодной камеры 20 происходит через патрубок 3, а удаление продуктов обработки - через патрубок 2. Циркуляция раствора электролита в герметичных камерах 18, 20 организуется через внешний циркуляционный контур. Через патрубок 7 заполняются анодные камеры 21 и 22. Патрубок 5 служит для удаления газообразных продуктов электролиза. Необходимый уровень раствора в анодных камерах 21, 22 поддерживается за счет внешних подающих устройств.

После подачи напряжения к электродам на наружной и внутренней поверхности анода 13 начинается выделение электролизных газов, которые поднимаются вверх и выводятся через патрубок 5. Одновременно из анодных камер через диафрагмы в катодные камеры идет электромиграционный перенос катионов. При работе ячейки в проточном режиме обработанный раствор с продуктами электролиза будет удаляться через патрубок 5. При работе в режиме получения газообразных продуктов через патрубок 5 удаляется только электролизный газ.

Для расчета производительности ячейки по сравнению с прототипом были использованы геометрические параметры прототипа при условии, что средний электрод является анодом и производительность рассчитывалась по анодным продуктам.

В прототипе анод был изготовлен из титановой трубы марки ВТ1-0, имеющей наружный диаметр 64 мм, а внутренний диаметр - 60 мм. Высота анода равнялась 240 мм. Внутренний электрод был изготовлен из трубы марки 12Х18Н10Т, наружный диаметр катода был равен 38 мм, высота катода равнялась 240 мм. Межэлектродное расстояние составило 11 мм. Таким образом, рабочая площадь анода составляет 3,14×6×24=452 см2, при допустимой плотности тока 0,3 А/см2, максимально допустимый ток составит 0,3×452=135,6 А. Если тот же анод использовать в предлагаемом решении, то его рабочая площадь дополнится за счет использования наружной поверхности и составит (3,14×64x24=482 см2+452)=934 см2, а максимально допустимый ток 0,3×934=280 А.

Заявленная конструкция позволяет повысить производительность электрохимической ячейки по заданным продуктам, повысить надежность электрохимической ячейки при производстве агрессивных газообразных электролизных, например, хлорсодержащих продуктов, упростить возможность объединения электрохимических ячеек в реактор с большей производительностью, а также расширить функциональные возможности ячейки получением целевых продуктов в виде смеси газов или в виде раствора.

Источники информации

1. US 5635040, C02F 1/461, опубл. 03.06.97;

2. RU 2176989, C02F 1/461, опубл. 20.12.2001;

3. RU 2270885, С25В 1/46, опубл. 27.02.2006;

4. RU 2581054, С25В 9/08, опубл. 10.04.2016;

5. Антропов Л.И. "Теоретическая электрохимия". М.: Высшая школа, 1984.

Электрохимическая модульная ячейка для обработки растворов электролитов, содержащая герметичный корпус, в котором расположены цилиндрические, вертикально установленные, коаксиально расположенные по отношению друг к другу противоэлектроды, отделенные друг от друга посредством коаксиальной им микропористой диафрагмы, отличающаяся тем, что посредством двух коаксиально расположенных диафрагм отделены друг от друга три электрода, имеющие полярность, при которой средний электрод является противоэлектродом по отношению к наружному и внутреннему электродам, при этом наружный электрод является корпусом ячейки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области углехимии, к технологии извлечения углеводородов из каменного угля и может быть использовано при производстве электродов для электролизного алюминиевого производства.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Устройство для получения гидроксида алюминия содержит емкость для электролита.

Изобретение относится к электролизеру, содержащему корпус, в котором установлены титановый катод, выполненный из нескольких перфорированных пластин, вместе образующих круговой цилиндр с вертикальными проемами между смежными пластинами, нерастворимый анод в виде изогнутых пластин, вместе образующих круговой цилиндр, расположенный коаксиально по отношению к титановому катоду, а также пористая керамическая цилиндрическая диафрагма из корунда или стабилизированного диоксида циркония диаметром 350-500 мм, разделяющая катодное и анодное пространства.

Изобретение относится к электролизеру с неподвижными электродами для электрохимической очистки сточных вод и получения нескольких неорганических перекисных соединений, содержащему коаксиально установленные катод и анод цилиндрической формы, разделенные ионоселективной мембраной.

Изобретение относится к очистителю, который разделяет газы, полученные в электролитическом генераторе из загрязнителей электролита, а также электролитическому генератору, содержащему такой очиститель, и способу газоочистки.

Настоящее изобретение относится к ячейке для расщепления воды, имеющей по меньшей мере один электрод, содержащий пористую мембрану, причем пористая мембрана является по меньшей мере частично гидрофобной, и газ, получаемый по меньшей мере на одном электроде, диффундирует из ячейки через пористую мембрану.

Изобретение относится к способу получения нитрата церия (IV) электрохимическим окислением нитрата церия (III) в анодной камере электролизера, содержащей раствор с начальной концентрацией ионов церия (III) 100-130 г/л и начальной концентрацией свободной азотной кислоты в анолите и в католите 8-12 г/л, при плотности тока на платинированном ниобиевом аноде 1-3 А/дм2.

Изобретение относится к способу эксплуатации бифункциональной электрохимической системы, содержащей анодную и катодную электродные камеры с четырехходовыми клапанами на входе и выходе из электродных камер, резервуар-сепаратор с водой, соединенный с анодной и катодной камерами и с контейнерами хранения водорода и кислорода, насосы, включающему очистку от газов анодной и катодной электродных камер при смене режимов работы, отличающемуся тем, что систему снабжают дополнительными насосами и дополнительным резервуаром-сепаратором с водой, сообщающимся с источником поступления воды и имеющим выходы для подсоединения трубопроводов к входам анодной и катодной камер бифункциональной электрохимической системы, осуществляют очистку электродных камер путем закачивания в них воды из дополнительного резервуара и вытеснения оставшихся газов из анодной и катодной камер в контейнеры для хранения водорода и кислорода.

Изобретение относится к электролизной ванне для получения кислой воды. Ванна содержит: корпус 100, оснащенный двумя наполнительными камерами 110а и 110b, разделенными одной ионообменной мембраной 111, при этом каждая из наполнительных камер 110а и 110b снабжена впускными отверстиями 112а и 113а для воды и выпускными отверстиями 112b и 113b для воды, сформированными в камере; первую группу 200 электродов, установленную в наполнительной камере 110а; вторую группу 300 электродов, установленную рядом с ионообменной мембраной 111 в наполнительной камере 110b и имеющую полярность, противоположную первой группе 200 электродов; и третью группу 300' электродов с такой же полярностью, что и вторая группа 300 электродов, установленную в наполнительной камере 110b на заданном расстоянии от второй группы электродов 300.

Изобретение может быть использовано в производстве гетерогенных катализаторов, обладающих высокоразвитой поверхностью, и электродов в литий-ионных батареях. Электрохимический способ получения наноразмерных структур оксида титана (IV) включает анодное окисление титанового электрода в ионной жидкости с добавлением воды или пропиленгликоля в атмосфере воздуха.

Изобретение относится к способу получения перфтор-3-метоксипропионилфторида, который является исходным продуктом получения перфтор-3-метоксипропилвинилового эфира (мономера М-60МП), обеспечивающего его сополимерам - фторкаучукам повышенную морозостойкость за счет снижения их температуры стеклования. Способ заключается в электрохимическом фторировании метил-3-метокситетрафторпропионата в жидком безводном фториде водорода, при этом в качестве электролитической добавки используют триаллиламин в количестве от 1,0 до 10,0 масс. % от общей массы электролита. Предлагаемый способ позволяет получить целевой продукт с выходом по току 60-65%. 1 табл., 3 пр.

Изобретение относится к способу получения высокодисперсной алюмоциркониевой оксидной системы. Способ включает анодное растворение металлического алюминия в растворе хлорида натрия с концентрацией 29±0,5 г/л в коаксиальном электролизере с отличающимися на два и более порядка площадями электродов при анодной плотности тока 20-160 А/м2 в присутствии ионов циркония в количестве, обеспечивающем содержание оксида циркония в образующемся осадке от 5 до 20 мас.%, выдерживание полученного осадка в маточном растворе в течение не менее 48 часов, фильтрацию и сушку осадка. Заявляемый способ позволяет получать высокодисперсные алюмоциркониевые оксидные системы со средним размером частиц 20-50 нм, которые могут применяться для получения керамики особого назначения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр., 1 табл.
Наверх