Биполярный электрод для электрохимических процессов Советский патент 1984 года по МПК C25B11/03 

Изобретение относится к техноло гии электрохимических производств, в частности к конструктивным элемен там электролизеров фильтрпрессного типа, используемых, например, для пол чения хрома и щелочи путем электролиз хлоридов щелочных металлов, а также для других электролитических процес сов, где имеет место вьщеление газов. Известен биполярный электрод, включающий основной лист, заключенный в прямоугольную рану, и выносны перфорированные анод и катод, установленные параллельно основному лис ту и соединенные электрически,, при этом на выносной анод и основной лист со стороны анода нанесено непа сивирующееся покрытие lj . Недостатком такого электрода является повышенный расход электроэнергии при его эксплуатации в связ с высокой степенью газонаполнения электролита, обусловленной незначительной внутренней циркуляцией электролита в каждом из электродных пространств. Известен также биполярный электр состоящий из основного листа и выносных сетчатых электродов, расположенных на некотором расстоянии от основного листа и Параллельно ему и соединенных электрически. Выносной сетчатый анод и основной лист со стороны анода выполнены из вентильного металла с нанесенньцч на него непассивирующим покрытием, катод и сторона основного листа, обра щенная к катоду, - из коррозионностойкого материала. Между основным листом и электродами по всей их ширине установлены металлические перегородки 2j . Энергозатраты при работе известного электрода достаточно высоки, так как перегородки между основным листом и электродами лишь в небольшой степени улучшают циркуляцию электролита, снижая его газонаполне Целью изобретения является снижение энергозатрат при эксплуатации электрода за счет улучшения циркуляции электролита. Указанная цель достигается тем, что в биполярном электроде для электрохимических процессов, имеющем вертикальный основной лист, заключенный в прямоугольную раму, выносной сетчатый анод, выполненный из вентильного металла с нанесенным на него непассивирующимся покрытием, и выносной сетчатый катод, выполненный из коррозионностойкого материала, установленные параллельно основному листу и соединенные электрически, и проставки, размещенные между основным листом и выносными анодом и катодом по всей их ширине, при этом проставки и основной лист со стороны анода выполнены из вентильного металла, а со Стороны катода - из стали, проставки выполнены в виде перегородок, проходящих по большей части высоты основного листа и наклоненных поочередно в ту или иную сторону относительно плоскости, перпендикулярной плоскости электродов,с образованием вертикальных каналов, при это отношение площади электрода, заключенной между двумя перегородками, ограничивающими канал, к площади .поперечного сечения этого канала отличается от аналогичного отношения в смежном с ним канале в 1,5-8 раз. Сущность изобретения заключается в том, что перегородки, проходящие почти по всей высоте электродного пространства и имеющие ширину, равную толщине электродного пространства, наклоненные поочередно в ту или иную сторону относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, разделяют все электродное пространство на ряд вертикальных каналов и, благодаря тому, что отношение площади электрода, заключенной между перегородками, ограничивающими канал, к площади поперечного сечения этого канала, отличается от такого же отношения в смежном канале, в электролите образуются многочисленные рециркуляционные течения, эффективно перемешивающие всю массу электролита в электродном пространстве. В зависимости от площади электрода, заключенной между двумя перегородками, газонаполнение: электролита в двух смежных каналах различно, что обуславливает возникновение разнонаправленных течений, захватываювдих всю массу электролита. Высокая скорость циркуляции обеспечивает однородный состав электролита по всей поверхности электрода и, следовательно, оптимальные условия его работы, что особенно важно при р аботе с высокими плотностями тока. Использование в процессе всей площади электрода в оптимальном реж ме позволяет повысить выход продукта по току, исклк чить нежелательные реакции, вызванные кон центрационными градиентами в электролите и. в конечном счете, снизить энергозатраты в процессе электролиза , На фиг. 1 показаны два биполярные электроды с установленной между НИ14И диафрагмой, вид сверху} на фиг. 2 - фрагментбиполярного электр да J на фиг. 3 - биполярный электрод в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, вид сверху; на фиг. 4 и 5 - биполярный электрод, вид с анодной стороны. Биполярный электрод состоит из основного листа 1, выполненного биметаллическим, например из толстого листа стали 1q иди другого катодного материала толщиной примерно 7-15 мм, и тонкого листа tb титана или другого вентильного металла толщиной 1-2,5 мм. Прямоугольная рама 2 сварена из стального проката толщиной 15-30. мм. Поверхность рамы с стороны анодного пространства покрыта тонким листом 2Ъ титана или другого вентильного металла, герметично приваренного к листу 1Ь основного листа. К титановому листу 1Ь приварены трапецеидальные желоба 3 из листа титана толщиной 1,5-3 мм. Желоба про ходят вертикально почти по всей высоте анодного пространства и заканчиваются на расстоянии не менее 3 см от внутренней поверхности Желоба равномерно, с некоторьм проме жутком между ними, размещены по всей щирине анодного пространства.. Анод 4 представляет собой сетку или пористый лист титана или другого вентильного металла, покрытого слоем непассивирукнцегося материала, в качестве которых могут быть использованы окислы металлов плати.новой группы или окислы неблагородных металлов, например пеоовскиты, шпинели и др,. 9 зависимости от толщины анодного пространства А наклон боковых стено 3 .а и ЗЪ желобов 3 и расстояние В между желобами таковы, что отношение участка поверхности анода С , заключенного между краями стенок. За и ЗЬ желоба, к площади попе- . речного сечения желоба отличается от отношения участка поверхности анода Р , заключенного между стенками За и ЗЬ , к площади поперечного сечения смежного желоба в 1,5-8 раз. Например, при высоте желоба около 1 м указанные отношения в .двух cor седних желобах должны отличаться . в 3-5 раз. Аналогично анодной стороне биполярного электрода с катодной . желательно напротив соответству-, юаюх анодных -желобов 3, приварешл трапецеидальные желоба 5 толщиной 1,5-3 мм, выполненные: из стали, никеля или другого материала, стойкого к воздействию щелочи и водорода. Катод 6 представляет собой сетку или/ пористый лист из стали никеля или . другого коррозионностойкого материала.. При .сборке, электролизера между анодной сеткой биполярного электрода и катодной сеткой смежного с ним электрода устанавливают диафрагму 7, которая может предсташ1ять собой катионообменную мембрану. Усилия сжатия пакета электродо1з в электролизере иногда достаточио для ксирования желобов в электродннх пространствах без приваривания их к электродам.- . . На фиг. 3 показан вариант выполнения желобов V -образного сечения. Электрический контакт с сетчаты ш электродами обеспечивается приваркой электродных сеток к вершинам желобов. Такая конструкция предпочтительна, когда электроды 4 и б должны быть отнесены на некоторое -расстояние от диафрагмы 7 и приварены к желобам. Каналы могут быть образованы не только установкой определенного вида желобов, но и привариванием гофрированных листов или сеток к поверхности основного листа. На фиг. 4 .и 5 показаны различше варианты выполнения перегородок, наклоиеИных в ту или. другую сторону относительно плоскости, перпендикуярной плоскости электродов, как в поперечном, так и в продольном направлении. И в том и в другом случае газ, заключенный между перегородками, ограничивающими канал, вынуязден идти через проходное сечение, отличающееся от проходного сечения смеж ного с ним канала, в результате чего плотность пузырьков газа будет различной, что вызовет движение вверх электролита в канале с более высокой плотностью пузырьков газа и одновременно движение вниз электролита в соседнем канале, в резуль тате чего возникают рециркуляционные течения электролита. Предлагаемый интервал отличия отношения площади электрода, заключенной между двумя перегородками, ограничивающими канал, к по перечного сечения этого канала от аналогичного отношения с.межного с ним канала в 1,5-8 раз объясняется тем, что при значении йиже 1,5 овье ная газовая фракция в двух прилегаю щих каналах становится практически одинаковой, и исчезает движущая сил опредепякяцая 1щркуляцию электролита а при значении выше 8 циркуляция электролита настолько велика, что затруднено отделение .газовой фазы, захваченной жидкостью, особенно в нисходящих электролитических потока Бып использован электролизер с использованием предлагаемых биполяр ных электродов, имеющих следукицие геометрические размеры: толщина анодного и катодного пространства составляла 2 см, высота электрода 100 см, ширина ISO см, вертикальная, протяженность желобов 90 см, соотношение указанных отношений двух смежных каналов составляло 3:5. В электролизере, включающем два биполярных электрода, установленных между концевыми монополярными анодом и катодом и разделенных катионообменной мембраной, проводился электролиз хлорида натрия при концентрации 300 г/л, рН 3,5, и плотности тока 2500 А/м. Концентрация анолита на вьссоде из анодных пространств составляет 160 г/л, концентрация католита на выходе из катодных пространств 20Z. Иапряжёние на ячейке было 3,9 В, а||ход по току - 93%. При испытании электролизера, снаб женного биполяркьми электродами с такшт же геометрическими размерами, но без желобов, обеспечивакицих циркуляцию, при тех же параметрах проведения процесса напряжение на ячейке составило 4,V В, выход по току -88%. Таким образом, использование би полярных электродов предлагаемой конструкции, по сравнению с известными биполярными электродами позволит приблизительно на 5-6% снизить затра:ты Электроэнергии.

Фиг.2

Зле

2Ь

фиг.

ВИПОЛЯРШЛЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, имеющий вертикальный основной лист, заключённый в прямоугольную раму, выносной сетчатый анод, выполненный из вентильного металла с нанесенным на него непассивирующимся покрытием, и выносной сетчатый катод, выполненный из коррозионностойкого материала, установленные параллельно основному листу и соединенные электрически, и проставки, размещенные; между основным листом и выносными анодом и катодом по всейих ширине, при этом проставки и основной лист со стороны анода выполнены из вентильного металла, а со стороныкатода - из стали, отличающийся тем, что, с целью сни-жения энергозатрат, проставки выполнены в виде перегородок, проходящих по большей части высоты основного листа и наклоненных поочередно в . ту или иную сторону относительно плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, с образованием вер(/ тикальных каналов, при этом отношение площади электрода, заключенной между двумя перегородками, ограничивающими канал, к.площади поперечного сечения этого канала отличается от аналогичного отношения в смежном с ним канале в 1,5-8 раз.