專利名稱：具有高能量效率的雙極性電極及其用于合成氯酸鈉的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新的雙極性電極，所述雙極性電極在其一部分上具有陰極涂層并且在其另一部分上具有陽極涂層。本發(fā)明還涉及這些新的電極用于合成氯酸鈉的用途。附圖
簡述在附圖中
-圖Ia和Ib是單極性電極的示意圖；-圖2a和2b是雙極性電極的示意圖；-圖3是鋁化鐵涂層在鋼1020上的密著力試驗的圖解；-圖4是鋁化鐵涂層在鈦上的密著力試驗的圖解；-圖5是圖解用于密著力試驗的拉桿(tractiondowels)組件的示意圖；-圖6是DSA電極的和鈦基材上Fe3_xAl1+xMyTz型涂層的氯酸鹽溶液中腐蝕試驗的圖解；-圖7是根據(jù)本發(fā)明的雙極性電極的示意圖；-圖8a、8b是根據(jù)本發(fā)明的雙極性模塊的示意圖；并且-圖9a、9b和9c是雙極性電極的照片，所述雙極性電極以這樣的方式制造這些
電極的一部分被DSA型涂層覆蓋，并且另一部分被Fe3_xAl1+xMyTz型涂層覆蓋。
背景技術(shù)：
氯酸鈉(NaClO3)當(dāng)前在紙漿和造紙工業(yè)中被用作漂白劑。其通過鈉鹽(NaCl)的電解根據(jù)以下化學(xué)反應(yīng)制備NaCl+3H20 — NaC103+3H2該工藝是非常耗能的并且每噸氯酸鈉需要5000至5500kW的電力。其中流通高持續(xù)電流的電解池通常包括尺寸穩(wěn)定陽極(DSA)和鋼或鈦的未涂布陰極。DSA陽極在電解池的現(xiàn)有技術(shù)中是熟知的，參見，例如W0 4101852、WO 4094698、US 6，071，570、US4，528，084、US 5，989，396、US 6，572，758、US 4, 233, 340 ；US 5, 419, 824 ；US 5，593，556 和US 5,672,394。這些DSA陽極典型包括鈦基材，在所述鈦基材上可能地與其它氧化物或化合物如氧化銥一起涂敷有氧化釕的涂層。依靠該催化涂層，在陽極側(cè)上的能量損失低。這反映為幾十毫伏的低陽極過電壓。然而，在陰極側(cè)并非如此。在鋼板的表面上的陰極過電壓為約900mV，而在鈦板的表面上陰極過電壓為約1200mV。因而在陰極側(cè)上的能量損失代表了該工藝中的能量損失的主要來源。這就是近年來本發(fā)明的發(fā)明人嘗試發(fā)現(xiàn)使這些電極上的過電勢降低的高性能陰極涂層的原因。也來自本發(fā)明的發(fā)明人的W0/2008/138148給出了這樣的陰極涂層的實例。其描述了涂敷在電極的表面上的Fe3_xAl1+xMyTz型合金，用于制備在能量方面性能非常好的經(jīng)涂布的電極。陰極和陽極根據(jù)不同構(gòu)造被組裝在電解池中。組裝的兩種類型是不同的。單極性電解槽和雙極性電解槽。圖I顯示了單極性電解槽的示意圖。在這樣的構(gòu)造中，每一個電極僅發(fā)揮一種功能，即陽極或陰極的功能。因此，如果希望改進這種電解槽的能量效率，則關(guān)于涂層的類型沒有歧義。對于陽極，將選擇鈦基材并且將涂敷氧化釕的涂層以制成DSA ；并且對于陰極，可以選擇鋼板并且可以涂敷Fe3_xAl1+xMyTz型涂層以制成具有高能量性能的陰極。圖2顯示雙極性電極的示意圖。在雙極性構(gòu)造中，電極或電極的模塊同時起到陽極的功能和陰極的功能。在上面的示意2a中，雙極的負性面是陰極而正性面是陽極。在下面的示意2b中，雙極性模塊的左側(cè)部分中的電極(負號)是陰極，而右側(cè)的電極(正號)是陽極。這些電極被組裝并焊接在一起以制成雙極性電極模塊。由于雙極性電極，如圖2a中所示的雙極性電極同時表現(xiàn)出陽極和陰極功能，因此，為了整體地提高工藝效率，應(yīng)當(dāng)選擇什么類型的電極？是應(yīng)當(dāng)選擇用于優(yōu)化陽極反應(yīng)開發(fā)的鈦基材上的DSA電極，還是選擇具有催化涂層以促進陰極反應(yīng)的鋼板？除這些困難以外，雙極性電極模塊，如圖2的底部所示的雙極性電極模塊表現(xiàn)出另一個問題。陽極側(cè)(模塊的右側(cè))上的電極通常是鈦基材上的DSA，而陰極側(cè)(模塊的左側(cè))上的電極是鋼板。現(xiàn)在，非常難以將鈦焊接至鋼。因此這樣的模塊存在組裝上的困難。 最后，當(dāng)不同金屬如鋼和鈦在高度腐蝕性溶液如氯酸鈉的溶液中直接接觸時，存在電偶腐蝕的另外的問題。當(dāng)工廠中生產(chǎn)停止并且切斷電流時，由電偶腐蝕所致的電流在雙極性電極模塊中以相反方向循環(huán)，并且該效果導(dǎo)致惰性較低的電極的嚴(yán)重損壞。本發(fā)明的目的是解決與雙極性電極相關(guān)的這些問題。發(fā)明概述當(dāng)本發(fā)明的發(fā)明人進行關(guān)于構(gòu)成發(fā)明W0/2008/138148的主題的Fe3_xAl1+xMyTz型具有高能量性能的陰極涂層的研究時，他們發(fā)現(xiàn)這樣的巨大的令人吃驚之處該型涂層對鈦基材的密著與對鋼基材的密著同樣的好。因此，作為第一主題，本發(fā)明提供一種具有高能量效率的雙極性電極，所述電極具有設(shè)置有陰極涂層的部分以及不同于第一部分且設(shè)置有陽極涂層的另一部分。優(yōu)選地-陽極涂層是DSA型的陽極涂層；并且-陰極涂層由具有下式的合金組成Fe3_xAl1+xMyTz其中M表示選自Ru、Ir、Pd、Pt、Rh、Os、Re、Ag和Ni中的一種或多種催化物種；T 表示來自 Mo、Co、Cr、V、Cu、Zn、Nb、W、Zr、Y、Mn、Cb、Si、B、C、O、N、P、F、S、Cl 和
Na的一種或多種元素；X是大于-I并且小于或等于+1的數(shù)；y是大于0并且小于或等于+1的數(shù)；并且z是在0至+1之間的數(shù)。其上涂敷涂層的基材可以是鋼基材或欽基材。本發(fā)明還具有以下主題一種雙極性電極模塊,所述雙極性電極模塊包含數(shù)個如上所述的那些的電極。
本發(fā)明還具有以下主題根據(jù)本發(fā)明的雙極性電極或雙極性模塊用于氯酸鈉的電合成的用途。
實施例圖3顯示根據(jù)ASTM C633的鋼1020基材上的Fe3Al型涂層的密著力試驗。斷裂在ll，922psi的應(yīng)力下發(fā)生，這非常接近用作拉桿的安裝(參見圖5的圖示)的膠的斷裂極限。因而，鋁化鐵涂層在鋼基材上的密著力是優(yōu)異的。圖4顯示對相同類型的涂層在鈦基材上的密著力的類似試驗。斷裂在10，604psi的應(yīng)力下發(fā)生，即，與之前測得的值幾乎一樣高的值。因而，該涂層在鈦基材上的密著力與在鋼基材上的密著力一樣好。因為鈦通常充當(dāng)用于DSA型涂層的基材，因此該發(fā)現(xiàn)開啟了以下可能將DSA涂層涂敷在用于陽極反應(yīng)的鈦基材的一側(cè)上，并且在另一側(cè)涂敷用于陰極反應(yīng)的Fe3_xAl1+xMyTz型涂層。換言之，該發(fā)現(xiàn)直接帶來雙極性型電極的能量優(yōu)化。
然而，也可以使用鋼基材，優(yōu)選不含Ni的鐵素體型不銹鋼。在此情況下，優(yōu)選先將Ti層通過方法如“冷噴”涂敷在一側(cè)上，之后再將DSA涂層涂敷到該同一側(cè)上并在Ti層上。與之前相同，將Fe3_xAl1+xMyTz型涂層涂敷到另一側(cè)上，但是這次涂在鋼上。在這樣的電極構(gòu)造中留下的僅有的潛在問題是由下列事實所引起的電偶腐蝕在電極的一側(cè)上存在DSA型釕的氧化物，并且在另一側(cè)上存在Fe3_xAl1+xMyTz型合金?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)可以通過以下列方式正確地選擇元素M和T以及組成x，y和z，可以調(diào)節(jié)Fe3_xAl1+xMyTz型合金的化學(xué)組成平衡關(guān)于DSA的電勢并且消除由雙極性電極構(gòu)成的電偶的電偶腐蝕。圖6顯示了在氯酸鹽溶液中在22°C相對于參比電極Ag/AgCl以掃描電勢5mV/秒對DSA電極和鈦基材上的Fe3_xAl1+xMyTz型涂層測量的“伏安”曲線。我們觀察到，陰極涂層剛好與DSA同樣耐腐蝕。腐蝕閾為大約I. 2V。因而通過對基于鋁化鐵的涂層的化學(xué)組成的適當(dāng)選擇，降低了這些不同材料之間的電偶。在不受限制的情況下，圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的雙極性電極的示意圖。對于第一電極，一個面具有陽極涂層而另一個面具有陰極涂層。在第二雙極性電極中，電極的一個末端在兩側(cè)覆蓋有陰極涂層而在另一末端覆蓋有陽極涂層。在不受限制的情況下，圖8顯示了由圖7中所示的雙極性電極組件構(gòu)成的雙極性豐旲塊的不意圖。圖9a和9b顯示了雙極性電極，如圖7中示意性表示的那些雙極性電極的照片，并且圖9c顯示了在22°C的鋁酸鹽溶液中浸潰69小時以后的根據(jù)本發(fā)明的雙極性電極的外觀。在陰極部分上觀察到點狀腐蝕的開始，但是涂層的結(jié)構(gòu)完整性仍優(yōu)異。
權(quán)利要求
1.一種具有高能量效率的雙極性電極，所述電極具有設(shè)置有陰極涂層的部分以及不同于第一部分且設(shè)置有陽極涂層的另一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性電極，其特征在于所述陽極涂層是DSA型的陽極涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的雙極性電極，其特征在于所述陰極涂層由具有下式的合金組成 Fe3_xAl1+xMyTz 其中 M表示選自Ru、Ir、Pd、Pt、Rh、Os、Re、Ag和Ni的一種或多種催化物種； T 表示 Mo、Co、Cr、V、Cu、Zn、Nb、W、Zr、Y、Mn、Cb、Si、B、C、O、N、P、F、S、Cl 和 Na 中的一種或多種元素； X是大于-I并且小于或等于+1的數(shù)； y是大于O并且小于或等于+1的數(shù)；并且 Z是在O至+1之間的數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的雙極性電極，其特征在于所述涂層被涂敷在鋼基材或鈦基材上。
5.一種雙極性電極模塊，其特征在于所述雙極性電極模塊包含數(shù)個根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項所述的電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的雙極性電極用于氯酸鈉的電合成的用途。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙極性電極模塊用于氯酸鈉的電合成的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及在電極的一部分上具有陰極涂層并且在同一電極的另一部分上具有陽極涂層的新的雙極性電極。該陽極涂層優(yōu)選是DSA涂層并且該陰極涂層是合金如Fe3-xAl1+xMyTz。本發(fā)明還涉及所述新電極用于合成氯酸鈉的用途。
文檔編號C25B11/04GK102859041SQ201080039525
公開日2013年1月2日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者羅伯特·舒爾茲, 西爾維奧·薩瓦 申請人:魁北克水電公司, 彌爾技術(shù)公司