Электрод и способ его получения

Электрод и способ его получения

Реферат

 

Использование: в мембранном электролизе. Сущность изобретения: предложен электрод для электролиза, состоящий из электропроводного металла, на его поверхности выдавлен по меньшей мере один центральный вертикальный циркуляционный канал и направленные вверх каналы типа "елочки", при этом направленные вверх каналы образуют угол менее 90^o с горизонтальной линией в плоскости поверхности электрода и сообщаются с расположенным по центру вертикально направленным циркуляционным каналом. В циркуляционном канале могут быть предусмотрены проникающие щели или отверстия. Электрод может использоваться для электролиза в мембранном электролизере, для электрохимического извлечения металлов или для извлечения хлора из морской воды. Электрод можно изготавливать, нанося на поверхности нужный рельеф с помощью штамповки в матрице или прокаткой в фигурном валке. 2 с. и 9 з. п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к усовершенствованному электроду, применяемому при электролизе, и, в частности, относится к электроду, конфигурация поверхности которого позволяет более эффективно удалять газообразные продукты при улучшенной циркуляции электролита. Электрод по данному изобретению в первую очередь рассчитан на выполнение в мембранных электролизерах, однако он может использоваться и в иных электролитических процессах.

При выполнении электролиза по мембранной технологии анодный отсек отделяется от катодного отсека электролизера ионоселективной мембраной. Электролиз в мембранных электролизерах применяется в самых разных областях. Наиболее часто его используют при промышленном производстве хлора.

В ходе производства хлора осуществляют электролиз хлорида щелочного металла, в первую очередь натрия. В анодный отсек электролизера подается соляной раствор, содержащий 20-25 мас. хлорида натрия. Чтобы избежать закупорки ионоселективной мембраны, соляной раствор должен подвергаться экстенсивной очистке, в которую среди других этапов входит ионный обмен до подачи раствора к электролиту. В процессе электролиза на поверхности анода образуется газообразный хлор, выводимый из электролизера через газовый выпуск, находящийся сверху электролизера. После того, как соляной раствор истощится на 10-15 мас. его подвергают рециркуляции с добавлением свежего хлорида натрия.

В катодный отсек подается вода или разбавленная гидроокись натрия. Ионы щелочного металла из анодного отсека проходят через ионоселективную мембрану к катодному отсеку, где находится раствор гидроокиси натрия с содержанием примерно 20-35 мас. гидроокиси натрия. Образующиеся во время электролиза газообразный водород и концентрированная гидроокись натрия выводятся из электролизера для последующей очистки.

Так как стоимость электроэнергии является основной статьей затрат при электролизе, то на снижение потребления энергии всегда были направлены значительные усилия. С этой целью на анодной и катодной поверхности применяют высокоэффективные катализаторы, кроме того, стали применять тонкие мембраны, электроды особой геометрической формы и высокую температуру.

Для уменьшения сопротивления электролизуемого раствора желательно, чтобы зазор между анодом и катодом был как можно меньше. Кроме того, в катодном отсеке обычно создают небольшое избыточное давление, так как гидроокись натрия намного лучше проводит электрический ток, чем хлорид натрия. Под действием избыточного давления тонкая мембрана прижимается к анодной поверхности. Когда во время электролиза хлорида щелочного металла возникают газы, то газовые пузырьки собираются на поверхности раздела между анодом и/или катодом и мембраной, в результате чего сопротивление электролита увеличивается. Было предложено несколько способов, направленных на облегчение отделения газовых пузырьков. К примеру, поверхность мембраны делали гидрофобной, чтобы предельно уменьшить размеры газовых пузырьков и одновременно предопределить адгезию к мембране. Затем предлагалась продольно структурированная поверхность электрода. Так, по патенту N 159138 известен электрод, конструкция которого рассчитана на быстрое удаление образующегося газа. У подобного электрода имеются пластинки, однако на его поверхности рельефа нет.

Другой известной проблемой, связанной с производством хлора в мембранных электролизерах, является миграция гидроксида натрия через ионоселективную мембрану. В результате около анода образуется щелочная пленка, вредно воздействующая на анодный катализатор и на несущую анодную конструкцию.

Из щелочного электролиза по ртутной методике известно, что принятие мер, способствующих умеренной циркуляции, способствует значительной экономии электроэнергии. Если оптимизировать геометрическую форму электрода и применить тонкие направляющие пленки из титана, то с помощью образующихся пузырьков газообразного хлора можно достичь экстенсивной циркуляции соляного раствора в электродном промежутке. В случае электролиза хлората и воды электролизеру и электродам придают такую форму, что плавучесть пузырьков газообразного хлора используют для осуществления циркуляции, что благоприятно сказывается на процессе.

Данное изобретение в соответствии с его изложением в патентных притязаниях относится к электроду с усовершенствованной геометрической формой, следствием чего являются быстрое удаление образующихся газов и улучшенная циркуляция электролита, тогда как вторичным эффектом является значительное увеличение площади электрода. Изобретение затрагивает способ производства площади электрода и его использование. Подобный электрод в первую очередь используется при электролизе в мембранных электролизерах, при этом существенно улучшаются удаление образующихся газов и циркуляция электролита на границе раздела между мембраной и анодом, однако его применение дает преимущества и в других электролитических процессах. В качестве примеров применения, когда усовершенствованная геометрическая форма электрода дает существенное улучшение, можно назвать электрохимическое извлечение металлов и газов из разбавленных растворов, например извлечение хлора из морской воды.

Предлагаемый электрод состоит из электропроводного металла, на поверхности которого выдавлены расположенные по центру циркуляционные каналы, а также каналы, направленные вверх и расположенные "елочкой". Направленные вверх каналы сообщаются с расположенными по центру циркуляционными каналами, в которых при необходимости можно предусмотреть щели или отверстия. Благодаря подобной конструкции электрода в промежутке между мембраной и электродной поверхностью достигается циркуляция электролита, не достижимая в известных мембранных процессах, а именно: этот промежуток критичен для хода процесса. Кроме быстрой подачи электролита, обеспечивается также эффективное удаление образовавшихся газов. Вместе с тем происходит быстрое растворение щелочной пленки, образующейся вследствие миграции гидроокиси натрия, что происходит благодаря быстрому потоку электролита.

Предлагаемый рельеф электродной поверхности обеспечивает создание микроструктуры. Подобная микроструктура связана с разнесением выдавленных каналов и их размерами, при этом тонкие мембраны, применяемые в мембранных технологиях, не подвергаются такому изгибу, что препятствует протеканию газового потока. Создание такой микроструктуры означает увеличение площади электрода, что приводит к уменьшенному электродному потенциалу. Кроме того, обеспечиваются улучшенные эксплуатационные свойства и более длительный срок службы электрода.

Предлагаемый рельеф дает увеличение площади примерно в 2-3 раза, что уменьшает электродный потенциал в такой степени, которая зависит от природы происходящего процесса и от реакции электрода. Увеличенная площадь оказывает благотворное влияние на избирательность желаемой электродной реакции. К примеру, получение хлора из слабого хлоридного раствора с содержанием других анионов увеличивается в сравнении с получением других газов. Подобный эффект усиливается при использовании растворов, более разведенных в сравнении с теми, что обычно используются при промышленном производстве хлора и хлората. Следовательно, увеличение площади способствует уменьшению вторичных реакций на аноде.

При структуре типа "елочка" от центрального циркуляционного канала отходят направленные вверх каналы. Направленные вверх каналы образуют угол с горизонтальной линией в плоскости электродной поверхности. Каналы не должны быть направлены вертикально, угол с горизонтальной линией должен быть меньше 90^о. Угол может быть в пределах 10-70^о, предпочтительно между 30 и 60^о. В поперечном сечении направленные вверх каналы могут иметь треугольную или V-образную форму. Размер и расстояние между каналами "елочки" некритичны, однако их должен выбирать опытный специалист. В зависимости от размеров и расстояния между каналами на поверхности электрода происходит образование микроструктуры. К примеру, глубину и ширину каналов можно выбирать в пределах 0,3-1,0 мм, тогда как расстояние между каналами может быть равно 0,2-2 мм. В направленных вверх узких каналах происходит накопление образующегося газа, он поднимается вверх и замещается непрореагировавшим соляным раствором.

Центральные циркуляционные каналы направлены вертикально вверх. В центральных циркуляционных каналах может быть предусмотрено несколько щелей или отверстий в зависимости от области применения электрода, по которым каналы сообщаются с электролитом, свободно циркулирующим по задней поверхности электрода. Количество отверстий или щелей, их форма и размеры могут лежать в самых широких пределах, к примеру, щели могут образовывать 20-60% длины канала. Размеры циркуляционного канала некритичны, специалист в этой области может легко их выбрать в зависимости от конструкции и области назначения электрода. Желательно, чтобы глубина и ширина лежали в пределах 0,2-0,8 мм. Расстояние между центральными циркуляционными каналами может быть равно 5-15 мм.

Структуру типа "елочка" можно выдавить во время изготовления электрода, либо отчеканить на существующих электродах, что повысит их эксплуатационные свойства. Структура может выдавливаться на электродах различной конструкции и различного назначения.

В мембранных электролизерах часто применяют электрод, состоящий из тонких, изогнутых и вертикальных пластинок, выштампованных из одного листа металла, например из титана. На таких пластинках предусматривается структура типа "елочка" и циркуляционные каналы с щелями или отверстиями.

В мембранных электролизерах также часто применяются электроды типа жалюзи, состоящие из ребристого листа металла, например титана. Такой лист штампуется с горизонтальными и параллельными электродными пластинками. В них и выдавливается структура типа "елочка", что позволяет достичь улучшенного эффекта. Поскольку электродные пластинки горизонтальные, а циркуляционные каналы расположены вертикально, то на каждой пластинке бок о бок размещается несколько "елочек". Желательно, чтобы такая структура имелась на всей пластинке. Каждая "елочка" разграничивается от смежной структурой центральным циркуляционным каналом таким образом, чтобы направленные вверх каналы выходили из одного и заканчивались в другом центральном циркуляционном канале. Поскольку подобный электрод применяется в мембранном электролизере, в циркуляционном канале предусматриваются отверстия или щели.

Если же предлагаемая структура наносится на электрод из перфорированной пластины либо на электрод из раскатанного металла, используемый в мембранных электролизерах, то в центральном циркуляционном канале не надо предусматривать отверстия или щели, поскольку электролит может течь через отверстия в пластине. В пластинообразных электродах бок о бок могут наноситься несколько структур изложенным выше образом.

В случае других электролитических методов, например при извлечении хлора из соленой воды или извлечении металлов путем электролиза, предлагаемая структура наносится на электроды так, что в циркуляционных каналах отсутствуют отверстия или щели, так как они не несут какой-либо полезной нагрузки. Согласно перечисленным методам, в них применяются параллельные стержневые электроды, объединенные в блок. Вокруг каждого стержня предусматривается структура типа "елочка".

Получить структуру согласно данному изобретению можно различными способами. К примеру, ее можно отштамповать в матрице. Структуру можно получить прокаткой по фигурному валку. Если структуру следует получить на существующих электродах, то вначале электроды следует протравить и прочистить. После выдавливания структуры на электродах с активным катализаторным покрытием следует создать новое покрытие.

Щели или отверстия в циркуляционных каналах можно создавать типовым прорезанием и/или лазером. Также возможно получение отверстий механическими или фотохимическими методами.

Электрод изготавливается из электропроводного сплава или металла. Выбор металла или сплава определяется тем, будет ли электрод использоваться как анод иди катод и, кроме того, он связан с природой используемого электролита. Если, например, электролизуется раствор хлорида натрия, а электрод используется как анод, то его желательно делать из титана или иного вентильного металла, например ниобия, тантала, вольфрама или циркония, либо из сплавов этих металлов. В качестве анодного материала предпочтителен титан или сплавы титана.

Как правило, на аноде предусматривают покрытие из каталитически активного материала, состоящего из одного или нескольких металлов из группы платины, либо сплавов этих металлов. Особо желательно применение иридия и рутения.

Если электрод должен использоваться в качестве катода, а электролитом является раствор хлорида натрия, то электрод может состоять из никеля, стали или иного металла, устойчивого к действию щелочей. На катод также обычно наносят каталитически активное покрытие.

Конструкция электрода может быть монополярной или биполярной в зависимости от конструкции электролизера.

В электролизере содержится большое число анодов и катодов, причем конкретное их количество зависит от требуемой производительности. При использовании мембранного электролизера желательно, чтобы он был фильтр-прессного типа.

На фиг. 1-5 показана структура типа "елочка", выдавленная на электроде, состоящем из отштампованных плоских или выпуклых пластинок; на фиг.6-7 показана структура типа "елочка" на электродах типа жалюзи, где подобное жалюзи расположено горизонтально; на фиг. 8, 9 показана структура типа "елочка", выдавленная на стержнеобразном электродном элементе решеткоподобного электрода; на фиг.10-13 показана структура типа "елочка", выдавленная на перфорированном электроде и электроде из раскатанного металла.

На фиг.1 показана часть электрода, состоящего из вертикальных пластинок, выштампованных из листа металла. Пластинки могут быть как плоскими, так и выпуклыми, при этом на каждой пластинке предусматриваются направленные вверх каналы 1 и центральный циркуляционный канал 2. В циркуляционном канале 2 имеются отверстия или щели 3. Каналы 1 и 2 образуют структуру типа "елочка". На фиг. 2 в более крупном масштабе показана структура, выдавленная согласно фиг.1. На фиг.3 сечение А-А на фиг.2 для плоской пластинки; на фиг.4 показан аналогичный вид для выпуклой пластинки. На фиг.5 представлено сечение Б-Б на фиг.2, откуда видны контуры направленных вверх каналов.

На фиг.6 показана часть электрода типа жалюзи. Жалюзи располагаются горизонтально и выштамповываются из листа металла. Каждое жалюзи наклонно, что видно из фиг.7, где показано сечение В-В на фиг.6. Если жалюзи расположено горизонтально, а выдавленная структура размещена вертикально, то бок о бок будет находиться несколько структур типа "елочка", что видно из фиг.6.

На фиг. 8 и 9 показан стержнеобразный электродный элемент, на котором предусмотрен центральный циркуляционный канал 2 и направленные вверх каналы 1. На фиг.9 показана часть такого электродного элемента, а на фиг.8 показано сечение Г-Г на фиг.9.

На фиг.10 показана часть перфорированного листа металла, где имеется несколько направленных вверх каналов 1 вместе с центральными циркуляционными каналами 2. Отверстия в перфорированном листе обозначены позицией 4. На фиг. 11- сечение Д-Д на фиг.10. На фиг.12 показана часть раскатанного металлического листа, где выдавлена структура по данному изобретению; на фиг.13 дано сечение Е-Е на фиг.12. Здесь обозначения 1 и 2 имеют тот же смысл, что на предыдущих чертежах, тогда как позиция 4 относится к отверстиям в раскатанном металлическом листе.

Направленные вверх каналы могут быть несимметричными относительно центрального циркуляционного канала.

Формула изобретения

1. Электрод, содержащий на поверхности основной и дополнительный каналы, отличающийся тем, что каналы выполнены в виде рельефа на поверхности, основной канал выполнен по меньшей мере в виде центрального вертикального циркуляционного канала, а дополнительные каналы выполнены направленными вверх в виде елочки под углом менее 90^o к горизонтальной линии и соединены с центральным каналом.

2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что в центральном циркуляционном канале выполнены сквозные отверстия или щели.

3. Электрод по п. 1, отличающийся тем, что направленные вверх каналы выполнены в поперечном сечении треугольной или U-образной формы.

4. Электрод по пп.1 и 3, отличающийся тем, что он выполнен в виде тонкой перфорированной металлической пластины или пластины раскатанного металла.

5. Электрод по пп.1 - 3, отличающийся тем, что он выполнен в виде соединенных между собой вертикальных или горизонтальных параллельных тонких металлических пластин.

6. Электрод по пп.1 и 3, отличающийся тем, что он выполнен в виде блока параллельных металлических стержней.

7. Способ получения электрода, включающий формирование на поверхности электрода каналов, отличающийся тем, что на поверхности электрода выдавливают рельефы по меньшей мере одного центрального вертикального циркуляционного канала и направленных вверх под углом менее 90^o к горизонтальной оси по типу елочки каналов, сообщающихся с центральным вертикальным циркуляционным каналом.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в центральном циркуляционном канале выполняют отверстия или щели.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что выдавливание осуществляют штамповкой в матрице.

10. Способ по п. 7, отличающийся тем, что выдавливание осуществляют прокаткой на фигурном валке.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что щели или отверстия в центральном циркуляционном канале изготовлены путем вырезания и/или лазерным, или механическим, или фотохимическим методами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13