Способ получения кислорода Советский патент 1981 года по МПК C25B1/10 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА

Изобретение относится к области основной химической технологии, в частности к получению кислорода путем электролиза. Известен способ получения кислоро да путем электролиза раствора щелочи в дийфрагменном электролизере 1. Недостатком способа является его неэкономичность, так как для получения кислорода требуется большое элек рическое напряжение, которое необходимо прикладывать к одной ячейке электролизера и, следовательно, .боль шой удельный расход энергии на 1 м кислорода. Цель изобретения - снижение энергозатрат. Данная цель достигается получением кислорода путем электролиза раствора щелочи, помещенного в одну из камер диафрагменного электролизера, причем электролиз ведут в присутствии раствора кислоты, концентрацией 4-20 моль/л, помещенной в другую камеру диафрагменного электролизера. На чертеже представлен электролизер для получения кислорода предлагаемьпм способом. Получение кислорода ведут в электролизере, содержащем корпус 1, вы-полненный из щелочь- и кислотоустойчивого материала, например пластмассы (фторопласта) или нержавеющей стали. Внутреннее пространство разделено ионопроводящей диафрагмой 2. Одна часть устройства заполнена раствором 3 гидроокиси щелочного металла, вторая - раствором 4 азотной кислоты. В раствор 3 погружен электрод 5 из электропроводящего и устойчивого в щелочных растворах материала. В раствор 4 погружен электрод 6 из электропроводящего материала, устойчивого в азотной кислоте. Внешняя электрическая цепь устройства включает амперметр А и переменное сопро.тивление (полезная нагрузка).

Электрод 6 может быть выполнен,например, из платины, графита или стеклоуглерода, электрод.5 - из платины, никеля или стали.

Ионнопроводящая диафрагма может быть изготовлена из ионообменной смолы, например сульфированного фторуглерода.

Для кратковременной работы (несколько часов) в качестве диафрагмы может быть использован целлофан. Концентрация азотной кислоты в растворе должна-быть в пределах 4-20 моль/л, поскольку при концентрациях ниже

4 моль/л и выше 20 моль/л скорость ка годного восстановления HNOg практически неприемлима.

При работе между электродами 5 и 6, находящимися соответственно в растворах щелочи и HNO, устанавливается разность потенциалов около 0,8 В, причем электрод 6, находящийся в азотной кислоте, имеет более положительный потенциал. При замыкании электродов на внешнюю полезную нагрузку по внешней цепи протекает ток, обусловленный процессом катодного восстановления азотной кислоты на электроде 6 по суммарной реакции

i HN0 4-12e + i NO -8H20 (l) и процессом анодного выделения кислорода на электроде 5 по реакции

30241 2е (2) Таким образом, предлагаемое электрохимическое устройство совмещает в себе функции реактора для получения 1эдслорода и химического источника тока и поэтому может быть названо реактором-генератором. Конечным продуктом катодного процесса является окись азота.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Корпус устройства состоит из двух одинаковых, выполненных из фторопласта частей, меязду которыми зажимается ионопроводящая диафрагма. Каждая из частей корпуса вместе с диафрагмой образовывает пространство, заполняемое водным раствором электролита. Одно из пространств заполняется 8М раствором гидроокиси калия, второе 12М раствором азотной кислоты.

В раствор гидроокиси калия погружают никелевую пластинку с рабочей поверхностью 6 см , в раствор азотной кислоты - графитовый стержень с рабочей поверхностью 5-см . В качестве ионопроводящей диафрагмы используют в первом случае ионообменную мембрану МК-40, но втором - гидратцеллюлозную пленку №100, обычно применяемую, например, в серебряно-цин5 ковых аккумуляторах. В обоихслучаях контактирующая с электролитом часть диафрагмы имеет поверхность 6 см (с одной стороны), объем используемых электролитов - по 50 см .

0 Между никелевым и графитовым электродами катодным вольтметром измеряют разность потенциалов. Она равна 0,85 В, причем, в испытуемой электрохимической ячейке Никелевый электрод имеет отрицательный заряд, а графитовый - положительный. Величина ЭДС,равная 0,85 В согласуется с тем, что никелевый электрод имеет потенциал, близкий к кислородному электроду, а графитовый 0 к гготенциалу катодного восстановления азотной кислоты.

Действительно, стандартный потенциал кислородного электрода в щелоч- 5 ном растворе имеет значение +0,401 В относительно нормального водородного электрода, а стандартный потенциалинертного, например, платинового или графитового электрода, составляет + 1,25 В относительно того же .электрода сравнения, а разность между ними и составляет приблизительно .0,85 В.

При погружении полученного источника тока (нагрузку осуществляют при помощи потенциостата П-5827) в случае использования диафрагмы МК-40 получают следующие характеристики. Напряжение, В Ток мА 0,621

0,455

0,380

0,2104

К.З . 160 2 (поверхность обоих электродов 5 см ). Анализ полученных анодных и катодных поляризационных кривых с учетом приведенных характеристик показал, что эти характеристики ограничиваются, главным образом, омическим сопротивлением диафрагмы. Характеристики, не изменились существенно при работе устройства в течение 24 ч. В течение этого времени не наблюдалось разрушенияэлектродов и диафрагмы. 5 Таким образом, при работе предлагаемого устройства, одновременно с кислородом генерируется электрическая энергия. Расчет себестоимости кислорода, получаемого ло известному и предлага емому способам локазал, что стоимость 1 м кислорода в последнем слу чае на 44 коп. дешевле. Формула изобретения Способ получения кислорода путем электролиза раствора щелочи, помещен ного в одну из камер диафрагменного 26 электролизера, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат, электролиз ведут в присутствии раствора азотной кислоты, концентрацией 4-20 моль/л, помещенной в другую камеру диафрагменнЬго электролизера. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3652431, кл. 204-129, опублик. 1972.

о ъ

о о

о м

-о

НаОН

./ V