專利名稱：電解池以及電解方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種利用鹽水生產(chǎn)次氯酸鈉的電解池。
相關(guān)技術(shù)討論長久以來公知的是根據(jù)以下等式電解鹽水生產(chǎn)氯、氫氧化鈉、和氫
或可以選擇的是根據(jù)以下等式生產(chǎn)次氯酸鈉和氫電解時利用的方法和裝置差別很大，但它們保留一個因素恒定不變——為了獲得理想產(chǎn)量的產(chǎn)物，需要巨大的槽以及多個陽極和陰極。然而，正如授予Ruehlen的、公開了一種利用多個電解池的大型電解池存儲槽的美國專利第3721619號所描繪的，該設(shè)備龐大、昂貴，效率低。各電解池具有棒形陽極，該陽極被鋼或不銹鋼篩網(wǎng)或多孔片材的輔助陰極包圍著，另外其還被附加陰極包圍著。陽極由被第一層無孔碳和第二層多孔碳圍繞的例如銅那樣的金屬導(dǎo)體的芯部組成。
另外，還有各種其它電解池設(shè)計，已經(jīng)建議其中使用同軸布置的陽極和陰極。通過以下專利對這些裝置進(jìn)行描繪。
授予Evans的美國專利第3076754號公開了具有同軸布置的中空陽極和中空陰極的電解池，所述陽極圍繞著陰極。電解液通過電極中間，水被泵送過陰極內(nèi)部用以冷卻電解池。由于聲稱鈦或涂敷了鉑的鈦具有超耐腐蝕性，該參考文件將這些材料用于電解池電極。
授予Cooper的美國專利第3390065號公開了一種由同軸管狀電極構(gòu)成的電解池，其內(nèi)電極優(yōu)選為陽極。Cooper還披露了使用冷卻水來泵送過內(nèi)部電極。在兩電極間設(shè)置了隔板，從而將環(huán)形空間分成陽極隔室和陰極隔室。該參考文件公開了利用鈦或涂敷了貴金屬元素的鈦作為電極材料。
授予Peters等人的美國專利第3984303號公開了具有同軸設(shè)置的中空液體滲透電極的電解池，其陽極位于陰極內(nèi)。在陽極外部設(shè)置了管狀的離子滲透膜，用于將陽極電解液層同陰極電解液層分開。陰極由鐵、低碳鋼、鎳或它們的合金制成。陽極是例如鈦、鉭、鋯、鎢等那樣的閥用金屬，其具有鉑族金屬涂層或閥用金屬與鉑族金屬的混合氧化物的涂層。沒有冷卻劑泵送過陽極的中空內(nèi)部。
授予Sorenson的美國專利第4784735號公開了一種具有內(nèi)管、離子滲透膜和液體滲透陽極的電解池，所述內(nèi)管用于使被液體滲透陰極以同軸方式環(huán)繞的陰極電解液流體再循環(huán)。沒有冷卻劑泵送過電解池。為了獲得液體滲透性，例如，電極成為多孔或帶穿孔的板或鐵絲網(wǎng)形式。陽極金屬可以是鉭、鎢、鈮、鋯、鉬、或含這些金屬的合金，但其優(yōu)選是鈦。所披露的陰極材料是鐵、鎳、鉛、鉬、鈷、或含大量這些金屬的合金。
另外，正如公開了適合用作電極材料的粒子的授予Mclntyre等人的美國專利第4481303號所示，電極的各種物理形式已經(jīng)有介紹了。諸如石墨那樣的粒子構(gòu)成基底，其至少部分、優(yōu)選完全被涂層所覆蓋，所述涂層包含粘接劑和導(dǎo)電催化劑?；最w粒約小于0.3mm或約大于2.5cm，但它的優(yōu)選范圍約為0.7mm到4mm(700-4000um)。
正如從這些專利所看到的，本領(lǐng)域中的人們繼續(xù)為更高效、更廉價的電解池而努力。上述專利反映的不同電解池表明已經(jīng)采取了各種各樣的方式。
然而，還需要能夠更高效、更廉價地利用鹽水生產(chǎn)氯的電解池。
發(fā)明概述依照本發(fā)明，利用這樣一種具有圓柱形金屬電極的電解池由鹽水制造具有活性氯離子的次氯酸鈉水溶液，該電解池包括微小顆粒物質(zhì)的固定床，以此可提高電極表面積。
本發(fā)明的電解池包括中空的圓柱形金屬陰極和在陰極內(nèi)以同軸方式布置、從而在兩電極之間限定出環(huán)形通道的圓柱形金屬陽極。通道包含粒狀碳，例如，該粒狀碳的直徑約為1000微米。
本發(fā)明的電解池還包括布置在環(huán)形通道內(nèi)將該通道分成陽極腔和陰極腔的圓柱形膜。
利用本發(fā)明電解池的方法包括使溶液通過在中空圓柱形陰極與以同軸方式布置在該陰極之內(nèi)的中空圓柱形陽極之間設(shè)置的環(huán)形通道，向電解池施加電壓，以電解方式制造次氯酸鹽溶液。依照本發(fā)明可順序地采用多個電解池?？稍陔娊獬刂g以串聯(lián)方式設(shè)置熱交換器，以便控制通過電解池之間的溶液的溫度。冷卻系統(tǒng)包括外部熱交換系統(tǒng)，對于分離的電解池它是兩個，而對于不分離的電解池它是一個。
前面的大體描述和下面的詳細(xì)描述都包括本發(fā)明的例子，但就其本身來說它們不能限制所附權(quán)利要求的范圍。
附圖的簡要說明構(gòu)成該說明書一部分的附圖表示符合本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，其連同描述一起用于解釋本發(fā)明的原理，在附圖中

圖1是依照本發(fā)明一個實施例的電解池的俯視橫截面圖。
圖2是圖1電解池的側(cè)視橫截面圖。
圖3是依照本發(fā)明另一實施例的電解池的俯視橫截面圖，其表示分隔環(huán)形空間的陰離子薄膜。
圖4是圖3電解池的側(cè)視橫截面圖。
圖5是圖3和4電解池的側(cè)視透視圖。
圖6是表示圖5的電解池內(nèi)部的俯視透視圖。
圖7表示用于檢驗依照本發(fā)明的電解池的電解池檢驗實驗設(shè)備。
圖8表示依照本發(fā)明的陽極的極化曲線圖。
圖9表示依照本發(fā)明的陰極的極化曲線圖。
圖10-12表示活性氯離子濃度對流過依照本發(fā)明的電解池的電流的圖解。
圖13表示活性氯離子濃度對流過依照本發(fā)明的具有陰離子薄膜的電解池的電流的圖解。
圖14表示依照本發(fā)明與熱交換器串聯(lián)連接的圖3-6所示類型的三個電解池。
優(yōu)選實施例描述現(xiàn)在對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作出詳細(xì)參考，其例子示于附圖中。只要可能，在整個附圖中利用相同的參考數(shù)字表示相同或類似部件。
本發(fā)明提供了由鹽水制造具有活性氯的次氯酸鈉的電解池和系統(tǒng)。本發(fā)明包括這樣一個電解池其包括陽極和陰極，它們是電解池中以同軸方式布置的中空圓柱體，陽極位于陰極內(nèi)。鹽水流過陰極與陽極之間形成的環(huán)形空間，當(dāng)電解液離開環(huán)形空間時，它們進(jìn)入用于將電解液維持在恰當(dāng)溫度的外部管式熱交換器，然后進(jìn)入第二電解池的陽極區(qū)和陰極區(qū)，以此類推。當(dāng)游離氯達(dá)到恰當(dāng)濃度時，它們從陽極電解液(最終產(chǎn)物)離開系統(tǒng)，陰極電解液再循環(huán)到第一電解池，將新鹽水灌入陰極電解池。
在本發(fā)明的一個實施例中，陽極和陰極都由金屬電極和平均直徑約為0.01到1mm的微小粒狀石墨制成，于是產(chǎn)生了相當(dāng)量的開孔率，從而使電極的表面積最大化。通過使電極表面積最大化能使電解池的效率得到改善，與傳統(tǒng)電解池相比，制造同樣量的氯其需要更少能源、更少原材料和較少設(shè)備。
在本發(fā)明的另一實施例中，在陰極與陽極之間的環(huán)形空間內(nèi)設(shè)置了多孔的陰離子薄膜，用以將環(huán)形空間分成陰極腔和陽極腔。
圖1和2表示本發(fā)明的實施例，其中電解池10具有中空的圓柱形陰極11和布置在陰極內(nèi)的中空圓柱形陽極12，所述陽極和陰極限定出環(huán)形空間13作為被電解溶液的通道。圖2是電解池10的橫截面?zhèn)纫晥D，其表示位于電解池底部的入口14和位于電解池頂部的出口15，所述入口14用于將溶液導(dǎo)入環(huán)形空間13，所述出口15用于排出電解液。在本發(fā)明的另一實施例中，如圖15所示，環(huán)形空間13包括如石墨那樣的粒狀材料，用于使陽極和陰極的表面積最大化。在本發(fā)明的另一實施例中，可將多個電解池10串聯(lián)在一起，以便將離開一個電解池的電解液導(dǎo)入后面接續(xù)的電解池中。利用電解池之間設(shè)置的用于控制流動電解液溫度的熱交換器可實行對電解液的溫度控制。
在圖3、4、5和6中示出了本發(fā)明的另一實施例。電解池20包括中空的圓柱形陰極21和以同軸方式布置在該陰極內(nèi)的中空圓柱形陽極22，陽極和陰極限定出環(huán)形空間23，如上所述，該空間內(nèi)可容納著諸如石墨那樣的平均粒徑為0.1到1mm的粒狀碳。環(huán)形空間23被陽極與陰極之間布置的多孔陽極薄膜24分隔開，從而限定出陽極腔26和陰極腔25。如圖4中所示，設(shè)置了入口27和29，用于導(dǎo)入諸如鹽水的溶液，并使陰極電解液再循環(huán)使用。在電解池頂部設(shè)置了出口28和30，用于提取包括次氯酸鈉和活性氯的電解產(chǎn)物。
依照本發(fā)明所采用的陽極和陰極是多孔的金屬圓柱體，例如其由鈦構(gòu)成。優(yōu)選地，陰極是涂敷了一層鉑的鈦，陽極是涂敷了氧化釕的鈦?？蛇x擇的是，可向鈦涂敷氧化銥、氧化鈀、氧化鎳、或它們的組合。
盡管對本發(fā)明來說并不關(guān)鍵，但陰極通常為直徑約為4英寸的圓柱形，陽極的直徑為2英寸，陰離子薄膜的直徑為3英寸。
陽極與薄膜之間的環(huán)形空間輸送要轉(zhuǎn)換成含高濃度(＞28g/l)活性氯的次氯酸鈉的鹽水。在氯濃度低(＜15g/l)的情況下，不再需要薄膜24。
本發(fā)明可用于通過電解堿金屬鹽水(NaCl溶液)制造具有活性氯的次氯酸鈉。將鹽水輸入電解池20的環(huán)形區(qū)域25和26中，利用公知的泵系統(tǒng)將其泵送過電解池20。向電解池20施加電壓，在陽極22處產(chǎn)生具有活性氯的次氯酸鈉，在陰極21上產(chǎn)生氫氣和NaOH?？傠娊獬胤磻?yīng)如下
利用鹽水作為本發(fā)明電解池20的輸入，制造次氯酸離子的主反應(yīng)是陽極
陰極
溶液
對應(yīng)的損耗反應(yīng)如下陽極
陰極
溶液
圖7作為例子表示用于測定由本發(fā)明的電解池20生產(chǎn)的氯量的系統(tǒng)40。正如所示出的，由電源41為電解池20提供電能。從恒溫槽42向電解池20輸入鹽水，在環(huán)形空間23內(nèi)對其進(jìn)行處理。恒溫槽42通過閉路水冷裝置43冷卻。在一個實施例中，當(dāng)電解池20沒有陰離子薄膜時使用單個水冷裝置43。在另一實施例中，正如前面所描述的，當(dāng)在電解池20中使用陰離子薄膜時，要使用兩個水冷裝置43，一個用于陽極，一個用于陰極。還可以讓冷卻劑通過陽極內(nèi)部。電解池和鹽水的冷卻降低了電解池對通過電解池的溶液的抵抗力，從而能增加可得氯產(chǎn)量。使所得到的包括NaCl和氯的溶液在進(jìn)行化學(xué)分析前回到恒溫槽42中。通過吸氣系統(tǒng)除去氣體。當(dāng)設(shè)備安置好后，對系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，為設(shè)備的電解池輸入新鹽水。
在一個實施例中，多電解池系統(tǒng)由兩串十電解池組成，每個電解池的入口溫度為20℃，出口溫度約為23℃。
圖8-13表示利用圖7的檢驗電解池進(jìn)行檢驗獲得的樣品結(jié)果。
對該例子電解池中成組電極的電化學(xué)特性進(jìn)行檢驗，獲得圖8和9中所示的極化曲線。圖8表示陽極極化曲線，而圖9表示陰極極化曲線。
圖10-13是對流過電解池的電流量和所產(chǎn)生的活性氯量進(jìn)行比較的圖。
圖10表示利用80克/升的NaCl陽極電解液和890克/升的NaOH陰極電解液獲得的濃度。圖11表示利用80克/升的NaCl陽極電解液和120克/升的NaOH陰極電解液獲得的濃度。圖13表示利用120克/升的NaCl陽極電解液和80克/升的NaOH陰極電解液獲得的濃度。最后得到的活性氯量在利用本發(fā)明對鹽水進(jìn)行電解后一般是高于3％活性氯濃度。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，陽極管由涂敷了氧化釕的鈦制成，而陰極管由涂敷了鉑的鈦制成。
利用陰離子薄膜可提高氯產(chǎn)量，這是通過限制次氯酸鹽的陰極還原實現(xiàn)的。
在一個實施例中，系統(tǒng)利用沒有陰離子薄膜的電解池，以60升/小時的速度和活性氯離子為1.2％生產(chǎn)次氯酸鈉。在另一實施例中，系統(tǒng)利用被陰離子薄膜分隔的電解池，以20升/小時的速度生產(chǎn)活性氯離子為3％的次氯酸鈉。
圖14表示一部分本發(fā)明的示范性系統(tǒng)，其中多個電解池串聯(lián)連接，電解池之間插入了熱交換器。按照前面描述的，電解池60、70和80是電解池，其具有被陰離子薄膜分開的陽極腔和陰極腔。每個電解池都設(shè)有陽極電解液入口(分別是67、77和87)、陰極電解液入口(分別是69、79和89)、陰極電解液出口(分別是61、71和81)、和陽極電解液出口(分別是68、78和88)。鹽水從67處進(jìn)入電解池60，來自電解池70的循環(huán)陰極電解液在69處進(jìn)入。陽極電解液在68處離開電解池60，它們在進(jìn)入電解池70和77之前通過熱交換器62。按照所指出的，在電解池70和80之間也發(fā)生相同的過程順序，以此類推，直至獲得理想的陽極液，并將其從系統(tǒng)中排出。
對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可對符合本發(fā)明的電解池作出各種改進(jìn)和變化?？紤]到此處所公開的本發(fā)明的說明和實踐，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說其它實施例也是顯然的。這意味著應(yīng)認(rèn)為說明書和例子僅是示范性的，本發(fā)明的范圍和精神僅由下面的權(quán)利要求來指明。
權(quán)利要求
1.一種溶液電解池，其包括中空的圓柱形陰極；中空的圓柱形陽極，陽極布置在陰極內(nèi)，從而限定出用于電解過程中所述溶液通道的環(huán)形空間；以及將溶液導(dǎo)入環(huán)形空間的入口和提取電解產(chǎn)物的出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解池，其中所述環(huán)形空間包含粒狀碳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解池，其中所述環(huán)形空間被陽極與陰極之間布置的薄膜分隔開。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電解池，其中所述環(huán)形空間被陽極與陰極之間布置的薄膜分隔開。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解池，其中被導(dǎo)入的溶液是鹽水，電解池中的電解產(chǎn)物包括次氯酸鈉和活性氯。
6.一種電解鹽水制造次氯酸鈉和活性氯的電解池，其包括中空的圓柱形陰極；中空的圓柱形陽極，陽極同軸地布置在陰極內(nèi)，從而限定出包含顆粒碳的環(huán)形空間，該空間用于電解過程中所述鹽水的通道；封閉所述陰極和陽極的外殼；在所述環(huán)形空間內(nèi)布置在陽極與陰極之間的薄膜，其限定出陽極腔和陰極腔；以及將溶液導(dǎo)入環(huán)形空間的入口和引出包括所述次氯酸鈉和活性氯的電解產(chǎn)物的出口。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解池，其中所述陽極和陰極是多孔金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電解池，其中所述陽極和陰極是多孔金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電解池，其中所述粒狀碳是石墨。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電解池，其中所述粒狀碳是石墨。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電解池，其中所述薄膜是陰離子交換膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電解池，其中所述薄膜是陰離子交換膜。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電解池，其中每個所述陽極腔和陰極腔至少具有一個入口和出口。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電解池，其中所述粒狀碳的平均粒徑約為0.1到1mm。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電解池，其中所述粒狀碳的平均粒徑約為0.1到1mm。
16.一種電解鹽水產(chǎn)生次氯酸鈉和活性氯的系統(tǒng)，其包括多個串聯(lián)連接的電解池，每個電解池至少具有一個入口和至少一個出口，每個后繼的電解池的一個入口與前一電解池的一個出口相連，從而能在電解池間傳遞電解液；每個所述電解池還包括中空的圓柱形陰極；中空的圓柱形陽極，陽極布置在陰極內(nèi)，從而限定出環(huán)形空間成為電解過程中電解質(zhì)溶液的通道。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述環(huán)形空間被陰極與陽極之間布置的薄膜分成陽極腔和陰極腔。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述薄膜是陰離子薄膜。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中每個所述陽極腔和陰極腔至少具有一個入口和一個出口。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述環(huán)形空間包含粒狀碳。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述粒狀碳為石墨。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述粒狀碳的平均粒徑約為0.1到1mm。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述環(huán)形空間被陰極與陽極之間布置的陰離子薄膜分成陽極腔和陰極腔，陽極腔和陰極腔包含平均粒徑約為0.1到1mm的粒狀碳，每個所述腔至少具有一個入口和一個出口。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述粒狀碳是石墨。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中在電解池之間設(shè)置熱交換器來控制電解池之間傳遞的電解液的溫度。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中在電解池之間設(shè)置熱交換器來控制電解池之間傳遞的電解液的溫度。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述陰極和陽極是多孔金屬圓柱體。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述陰極和陽極是多孔金屬圓柱體。
全文摘要
提供了一種由鹽水制造具有活性氯的次氯酸鈉溶液的電解池。通常采用多個電解池，并設(shè)置對電解液進(jìn)行冷卻的設(shè)備。電解池包括圓柱形的金屬陰極和小一點的布置在所述陰極內(nèi)的圓柱形金屬陽極，由此限定出了電解液通過的環(huán)形通道。在優(yōu)選實施例中，環(huán)形通道含有諸如碳那樣的粒狀材料，用以增加表面接觸，在陽極與陽極之間設(shè)置了陰離子薄膜，用以將環(huán)形通道分成兩個腔。
文檔編號C25B11/02GK1425079SQ01808274
公開日2003年6月18日 申請日期2001年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月19日
發(fā)明者G·P·龐扎諾 申請人:阿姆基納股份公司