本發(fā)明涉及用于能量有效電解的未分隔電池，并且具體地說涉及未分隔氯酸鹽電解池。

背景技術(shù)：

許多化學(xué)品在工業(yè)規(guī)模上使用電解池電解含有適合反應(yīng)物的液體并由此產(chǎn)生各種電解產(chǎn)物來制備。關(guān)于這一點(diǎn)，存在兩種基本類型的電解池，即分隔電池和未分隔電池。在兩種電池類型中，某些離子可以在電極之間行進(jìn)。然而，在分隔電池中，電池的陰極側(cè)和陽極側(cè)以一些方式分開(分隔)，以使得在電池各側(cè)上的大部分或所有反應(yīng)物和產(chǎn)物均保持分開。在另一方面，在未分隔電池中，電池的陰極側(cè)和陽極側(cè)未分開(未分隔)并且在電池各側(cè)上的反應(yīng)物和產(chǎn)物可以混合。

例如，氫氧化鈉連同氫和氯典型地通過氯堿電解來產(chǎn)生。氯堿電解過程采用分隔電解池來電解氯化鈉溶液。不同類型的分隔電池已在商業(yè)上使用并且包括汞電池、隔膜電池和膜電池類型。在汞電池中，液態(tài)汞提供了在電池中的分離。在電解過程中，在陽極生成氯氣。在汞陰極形成鈉并且該鈉溶解在液態(tài)汞中形成汞合金，該汞合金隨后轉(zhuǎn)運(yùn)到另一個(gè)隔室中，在該隔室中鈉與水反應(yīng)形成氫氧化鈉和氫。在隔膜電池中，部分液壓可滲透隔膜(典型地由石棉纖維制成)提供了在電池中的分離。氯化鈉溶液被連續(xù)引入到陽極隔室中并且通過隔膜流到陰極隔室。在電解過程中，再次在陽極生成氯，同時(shí)在陰極生成氫氧化鈉和氫。產(chǎn)物氫氧化鈉溶液從陰極隔室中連續(xù)去除。該隔膜防止氯氣與陰極隔室交叉并且溶液連續(xù)流過隔膜防止氫氧化鈉流回陽極隔室，從而防止氯氣和氫氧化鈉反應(yīng)。在一個(gè)膜電池中，離子選擇性可滲透膜提供了在電池中的分離。在電解過程中，再次在陽極生成氯并且鈉陽離子穿過該膜到達(dá)陰極側(cè)，在該陰極側(cè)中生成氫氧化鈉和氫。

在數(shù)十年間已對(duì)氯堿電解池做出許多精化和改進(jìn)。例如，US3242059披露了隔膜型電解池，其中除隔膜本身和薄陽極支撐構(gòu)件的厚度之外可以消除陽極-陰極間隙。還例如，US4279731披露了雙極性電解槽，該電解槽包括一系列隔膜類型或膜類型的分隔電解池。這些電池包括可以接近或壓靠在分隔隔膜或分隔膜上的絲網(wǎng)或網(wǎng)板型金屬(expanded metal)電極。該設(shè)計(jì)提供了電解質(zhì)的內(nèi)部再循環(huán)和遍及電極表面的均勻分布。并且另外，還提供了對(duì)每個(gè)雙極性元件中通過雙極性分離器進(jìn)行的電極電連接的改進(jìn)。

在另一個(gè)實(shí)例中，典型地通過氯酸鹽電解過程產(chǎn)生氯酸鈉，該電解過程還涉及電解氯酸鈉溶液但使用未分隔電解池。(氯酸鈉主要作為用于隨后產(chǎn)生二氧化氯的前體產(chǎn)生。由于二氧化氯相對(duì)不穩(wěn)定并且難以運(yùn)輸和儲(chǔ)存，所以通常僅在原位按需要產(chǎn)生它。)然而，氯酸鹽過程涉及一組復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)并且需要從緊控制各種運(yùn)行參數(shù)，包括pH、溫度、組成以及電解質(zhì)濃度。與在氯堿過程中一樣，在電解過程中，在陽極產(chǎn)生氯氣并且在陰極產(chǎn)生氫和羥基離子。然而，在氯酸鹽過程中，產(chǎn)生的氯立即與電池液體內(nèi)存在的羥基離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以便主要產(chǎn)生次氯酸根，該次氯酸根與溶液中存在的鈉離子結(jié)合產(chǎn)生次氯酸鈉。次氯酸根是該過程中的中間體并且隨后通過與電解質(zhì)液體中的其他物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來轉(zhuǎn)化成氯酸鹽。通常，這種轉(zhuǎn)化在高溫下運(yùn)行且位于氯酸鹽電解槽下游的化學(xué)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)。氯酸鈉電解的全面綜述可見于例如“氯酸鈉電解技術(shù)：當(dāng)前狀態(tài)(Electrolytic Sodium Chlorate Technology:Current Status)”，B.V.蒂拉克(B.V.Tilak)，ECS學(xué)報(bào)(ECS Proceedings)，第99-21卷，第8頁，氯堿技術(shù)和氯酸鹽技術(shù)：R.B.麥克馬林紀(jì)念研討會(huì)(Chlor-alkali and Chlorate Technology:R.B.Macmullin Memorial Symposium)。

在氯酸鹽電解過程中，意圖是在電池液體中的各種物質(zhì)容易彼此發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并且因此在此使用未分隔電解池。在數(shù)年間也已對(duì)此類未分隔電解池做出許多精化和改進(jìn)。具體地說，非常希望提高氯酸鹽電解槽的能量效率并因此減小生產(chǎn)所需要的能耗和運(yùn)行成本。盡管迄今為止引入在設(shè)計(jì)和電容控制中的所有進(jìn)展，但是在當(dāng)今的氯酸鹽電解槽中仍存在若干電阻損耗的來源，這些電阻損耗不令人希望地影響能量效率。

在電解槽中的各種金屬組分之間出現(xiàn)的許多電連接中，電阻損耗升高。在可能的情況下，因此希望減小電流需要行進(jìn)的路徑長度。因此，雙極性電解槽構(gòu)造可以是優(yōu)選的。另外，由于電解電阻，損耗升高，并且此電阻通常隨著陽極電極與陰極電極之間的路徑長度或間隙而增加。因此，在陽極與陰極之間可能最小的間隙似乎是優(yōu)選的。然而，在運(yùn)行期間，在陰極以作為電解電流函數(shù)的速率持續(xù)生成氫氣。這種生成的氫氣替換電池電極之間的電解質(zhì)并且增加電極之間保留的電解質(zhì)的有效電阻(稱為“氫氣堵塞”)。所生成的氫氣的體積和因此替換的電解質(zhì)的體積實(shí)質(zhì)上獨(dú)立于陽極與陰極之間的間隙。因此，對(duì)于窄間隙電池，通過減小陽極與陰極之間的間隙產(chǎn)生的電阻損耗的任何改進(jìn)至少部分地被氫氣堵塞的有害影響抵消。有時(shí)，間隙的任何進(jìn)一步減小實(shí)際上增加了電極之間在運(yùn)行時(shí)的電阻。因此需要權(quán)衡并且常規(guī)氯酸鹽電解池典型地在陽極與陰極之間具有顯著非零間隙，其中由于間隙和氫氣替換的組合影響引起的損耗已被最小化。

一直希望提高通常用于工業(yè)生產(chǎn)化學(xué)品的電解槽的能量效率。并且確切地說，希望提高用于生產(chǎn)氯酸鈉和其他相關(guān)化學(xué)品的包括未分隔電解池的電解槽的能量效率。本發(fā)明解決了該希望并且提供了如下所討論的其他優(yōu)點(diǎn)。

概述

本發(fā)明提供了用于運(yùn)行未分隔電解池以提供液體電解中的能量效率的新設(shè)計(jì)和方法.這些電池的特征在于電極之間的窄間隙和所采用的多孔設(shè)計(jì)(對(duì)于兩個(gè)電極和它們之間的絕緣分離器而言)允許所生成的氣體去除而不“堵塞”電極。

確切地說，未分隔電解池包括多孔陽極、多孔陰極和它們之間的電絕緣分離器，它們都是液體可滲透的。另外，電解池包括陽極隔室和陰極隔室，該陽極隔室的表面包括該多孔陽極和電連接至該多孔陽極的陽極載流子，該陰極隔室的表面包括該陰極電極和電連接至該多孔陰極的陰極載流子。另外，在該電池的底部存在用于該液體的一個(gè)入口，并且在該電池的頂部存在用于該液體和任何氣體產(chǎn)物的一個(gè)出口。該液體入口可以設(shè)置在該陽極隔室或該陰極隔室之一中，那么該液體出口設(shè)置于這兩個(gè)隔室的另一個(gè)中。在此，該入口隔室是指這兩個(gè)隔室中包括入口的那一個(gè)，并且該出口隔室是指這兩個(gè)隔室中包括出口的那一個(gè)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該入口隔室是該陽極隔室并且該出口隔室是該陰極隔室。

本發(fā)明的電解池特別適用于氯酸鹽電解，其中該液體中有待電解的主要組分是NaCl和水。然而，典型地，該液體再循環(huán)并且因此還可以包含一定量的電解產(chǎn)物并且還包含隨后的化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物(例如，次氯酸鈉、氯酸鈉、溶解的氯氣和氫氣)。另外，如本領(lǐng)域已知的，在該液體中還可以包含添加劑，以增強(qiáng)氯酸鹽形成(例如，重鉻酸鈉)。

在該電解池中的該多孔陽極可以常規(guī)地由具有適當(dāng)涂層的網(wǎng)板型金屬或百葉型金屬(louvered metal)制成。并且一種常規(guī)的優(yōu)選金屬用于該陽極，例如鈦。以一種類似的方式，該多孔陰極也可以由網(wǎng)板型金屬或百葉型金屬制成。并且同樣在此，一種常規(guī)的優(yōu)選金屬可以用于該陰極，例如無鎳不銹鋼或軟鋼。

在該電解池中的該電絕緣分離器可以具有不同構(gòu)造，只要它對(duì)于液體是適當(dāng)多孔的并且在這些電極之間提供適當(dāng)?shù)碾娊^緣。例如，電絕緣分離器可以是一個(gè)多孔聚合物薄片、一組聚合物紐扣狀物或僅一個(gè)適合的間隙。具體地說，用于實(shí)現(xiàn)極小間隙的一種適合的電絕緣分離器是一種多孔氟聚合物薄片?？商娲?，由陶瓷制成的類似實(shí)施例可以用作電絕緣分離器。

如所提及的，此電解池的能量效率可以提高。部分地說，這是因?yàn)榕c常規(guī)未分隔電解池中使用的間隙相比更窄的間隙可以用在這些電極之間。例如，該陽極與該陰極之間的距離可以是小于約2mm。

在一個(gè)示例性實(shí)施例中，電池組件可以被選擇來使得該分離器和該陰極中的至少一種的流阻大于該陽極的流阻。這引起穿過這些電極的壓力差增加，這對(duì)于預(yù)防氫從該陰極隔室回流到該電池的電化學(xué)活性區(qū)域可以是有益的。

在某些實(shí)施例中，該陽極載流子和/或該陰極載流子二者可以是盤形的并且包括一組形成的特征件。而且在一些實(shí)施例中，該多孔陽極和該多孔陰極可以通過適當(dāng)?shù)膸捉M導(dǎo)電指狀物來分別電連接至該陽極載流子和該陰極載流子。

本發(fā)明還包括多種電解槽，這些電解槽包括雙極性布置的多個(gè)上述電解池。在其中該陽極載流子和該陰極載流子二者均是盤形并且包括一組形成的特征件的實(shí)施例中，這些特征件可以被配置來使得在該陽極載流子中的該組特征件與相鄰陰極載流子中的該組特征件嵌套在該雙極性布置中。有利地是，這些電解池可以被制成模塊。電解槽因此可以是模塊化的并且個(gè)別電池因此可以容易按需要去除并更換。

在此類電解槽中，可以有利的是(例如，出于除去氣體的目的)將這些電解池堆疊以使得在這些電池的這些陽極和這些陰極以與垂直線成大于零的角度定向(例如，垂直于垂直線)。

本發(fā)明的電解池是用于對(duì)液體進(jìn)行未分隔電解。運(yùn)行此類電池的方法包括將該液體引導(dǎo)至該入口隔室的液體入口并且引導(dǎo)進(jìn)入該入口隔室。然后將該液體在一個(gè)方向上引導(dǎo)通過該多孔陽極、通過該電絕緣分離器并且通過該多孔陰極。根據(jù)該液體入口和該液體出口的位置，該方向可以是從陽極至陰極或者從陰極至陽極。在引導(dǎo)該液體的過程中，將電解電壓和電流施用于該陽極載流子和該陰極載流子上，從而電解該液體并且然后將該液體和氣體產(chǎn)物從該出口隔室的該液體出口引導(dǎo)出來。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該液體入口和該液體出口分別位于該陽極隔室和該陰極隔室中，并且因此該液體在該電池內(nèi)部從陽極引導(dǎo)至陰極。為了引導(dǎo)該液體適當(dāng)貫穿該電池，電解池可以不包括該陽極隔室或該陰極隔室內(nèi)的另一個(gè)入口并且不包括該陽極隔室內(nèi)的出口。然而，可替代地，該電解池可以包括在該陰極隔室內(nèi)的一個(gè)適合的排放管和/或該陽極隔室內(nèi)的一個(gè)排氣孔。另外，該陰極隔室可以有利地包括用于引導(dǎo)氣體產(chǎn)物向上朝向該氣體產(chǎn)物出口的特征件。

在用于氯酸鹽電解的一個(gè)典型實(shí)施例中，該運(yùn)行方法還包括將該液體從該陰極隔室內(nèi)的該液體出口再循環(huán)至該陽極隔室內(nèi)的該液體入口。

附圖簡要說明

圖1a示出用于現(xiàn)有技術(shù)中的雙極性氯酸鹽電解槽的電池單元的示意圖。該電池單元包括許多未分隔的單極性氯酸鹽電解池。

圖1b示出在圖1a的電解池中的初級(jí)反應(yīng)和生成的氫氣產(chǎn)物。

圖2a示出本發(fā)明的氯酸鹽電解池的示意圖。

圖2b示出在圖2a的電解池中的初級(jí)反應(yīng)和生成的氫氣產(chǎn)物。

圖3示出包括一系列圖2a的本發(fā)明的氯酸鹽電解池堆疊的雙極性電解槽的示意圖，其中電池中的這些陽極和陰極是垂直地定向的。

圖4示出圖3的雙極性電解槽的示意圖，其中電池中的這些陽極和陰極垂直于垂直線來定向。

圖5示出包括本發(fā)明的氯酸鹽電解槽的氯酸鹽產(chǎn)生系統(tǒng)的示意圖。

圖6圖示對(duì)于實(shí)例的本發(fā)明的電解池和對(duì)比電解池所獲得的極化結(jié)果。

詳細(xì)說明

除非上下文另外要求，否則貫穿本說明書和權(quán)利要求書，單詞“包括(comprise/comprising)”等以開放式的包含意義來理解。單詞“一種/個(gè)(a/an)”等被認(rèn)為是意指至少一個(gè)而不限于僅一個(gè)。

另外，預(yù)期有以下定義。在一個(gè)數(shù)值的背景下，單詞“約”被理解為意指加上或減去10％。

如先前所提及的，一個(gè)電解池可以是分隔型或未分隔型的電池。在兩種類型中，某些離子可以在電極之間行進(jìn)。然而，分隔電池是其中電池的陰極側(cè)和陽極側(cè)以一些方式分開(分隔)，以使得在電池各側(cè)上的大部分或所有反應(yīng)物和產(chǎn)物均保持分開的一種電池。未分隔電池是其中電池的陰極側(cè)和陽極側(cè)未分開(分隔)并且在電池各側(cè)上的反應(yīng)物和產(chǎn)物可以混合的一種電池。

在此，術(shù)語“電絕緣分離器”用于未分隔電解池的情況下并且是指用于在陽極電極與陰極電極之間提供電分離的各種材料、組件或裝置中的任一種。因此，它可以包括多孔薄片材料、間隔物諸如紐扣狀物、或僅電極之間的間隔(即，空間)。

術(shù)語“百葉型”用于多孔電極的情況下并且是指包括一系列成角度開口(由此賦予該電極多孔性)的電極，這些開口典型地以規(guī)則間隔隔開(例如，顯示百葉窗)。

本發(fā)明涉及用于運(yùn)行未分隔電解池以便獲得更好能量效率的改進(jìn)的設(shè)計(jì)和方法。它特別適用于氯酸鹽電解中。

在圖1a中示出用于現(xiàn)有技術(shù)中的示例性雙極性氯酸鹽電解槽的電池單元的示意圖。電池單元1包括陽極載板2和陰極載板3。多個(gè)固體陽極板4垂直于陽極載板2的一側(cè)安裝。以類似方式，多個(gè)固體陰極板5垂直于陰極載板3的一側(cè)安裝。然后這些組件如所示地配置，以使得陽極板4與陰極板5交錯(cuò)。陽極板4和陰極板5的每個(gè)相鄰對(duì)形成電解池。在每個(gè)陽極板與陰極板之間希望的間隙通過將板4、5與其相應(yīng)載板2、3適當(dāng)間隔地安裝來獲得。

雙極性電解槽通過將兩個(gè)或更多個(gè)電池單元1組合在一個(gè)連續(xù)堆疊中來制成，即來自一個(gè)電池單元的陽極載板2的平面?zhèn)雀浇又羴碜缘诙姵貑卧年帢O載板3的平面?zhèn)取?典型地，這些載板例如通過爆炸粘接焊接在一起，這是因?yàn)楫惙N金屬用于每個(gè)極性。)這種類型的雙極性布置在本領(lǐng)域中稱為多單極配置。

用于氯酸鹽電解的液體主要含有氯化鈉水溶液。然而，該液體通常再循環(huán)并且因此包含一定量的電解產(chǎn)物并且還包含隨后的化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物(例如，次氯酸鈉、氯酸鈉、氯氣和氫氣)。另外，通常還包括某些添加劑(例如，重鉻酸鈉)以增強(qiáng)氯酸鹽形成。在運(yùn)行時(shí)，此液體在許多電解池的底部(由圖1a中的箭頭6指示)供應(yīng)并且在陽極板4與陰極板5之間向上流動(dòng)。當(dāng)液體在陽極板4與陰極板5之間行進(jìn)時(shí)，電解連同某些化學(xué)反應(yīng)一起發(fā)生。在電解池的頂部(由圖1b中的箭頭7指示)去除包含電解產(chǎn)物和這些化學(xué)反應(yīng)物的收集的液體。

圖1b示出在氯酸鹽電解過程中發(fā)生的主要電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。在陽極板4處，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)1)：

1)2NaCl→Cl₂+2e^-+2Na⁺

在陰極板5處，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)2)：

2)2H₂O+2e^-→H₂↑+2OH^-

因?yàn)殡娊猱a(chǎn)物和液體未保持分開或分隔開，雖然該液體在這些電池電極之間行進(jìn)，但是由電解產(chǎn)生的氯根據(jù)化學(xué)反應(yīng)3)與該液體中的組分快速反應(yīng)：

3)2Na⁺+2OH^-+Cl₂→Na⁺Cl^-+Na⁺OCl^-+H₂O

如圖1b所示，根據(jù)反應(yīng)2)產(chǎn)生的氫氣形成氣泡8并且置換在陽極板4與陰極板5之間的液體電解質(zhì)。然后從電解池的頂部(箭頭7)去除氫8和收集的液體。在生產(chǎn)過程中的晚期階段，在化學(xué)反應(yīng)器中在高溫下將根據(jù)反應(yīng)3)產(chǎn)生的NaOCl轉(zhuǎn)化為氯酸鈉。在氯酸鹽產(chǎn)生系統(tǒng)中的總體反應(yīng)4)因此為：

4)NaCl+3H₂O→NaClO₃+3H₂↑

在一定程度上，氫氣泡8通過增加電極之間的液體電解質(zhì)的有效電阻和/或通過“氣體阻塞”來干擾電解過程(其中對(duì)陰極表面的接近被阻斷)。因此，在不經(jīng)歷大量負(fù)效應(yīng)的情況下，陽極板4與陰極板5之間的間隙由于這些效應(yīng)而不能太小。

然而，在本發(fā)明的氯酸鹽電解池中，所生成的氫氣從陽極電極與陰極電極之間快速去除并且從電解區(qū)域中去除。在電解質(zhì)電阻和氣體阻塞的任何增加顯著減小并且電極可以更緊密地在一起，從而減小在這些電極之間的液體電解質(zhì)電阻并且增加能量效率。為了進(jìn)一步減小由在這些電極之間氫氣泡的存在引起的任何負(fù)效應(yīng)，可以有利地增加穿過電解池的壓降，這進(jìn)而可以有利地防止氫返回遷移到這些電極之間的空間內(nèi)。通過選擇電池組件來使得該分離器和該陰極中的至少一種的流阻大于該陽極的流阻，此增加的壓降通?？梢员还こ袒诫娊獬刂?。如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將顯而易見的，這可以例如通過對(duì)這些不同組件中的相對(duì)孔隙特征進(jìn)行適當(dāng)修改來實(shí)現(xiàn)。

在圖2a的示意圖中示出了本發(fā)明的改進(jìn)的氯酸鹽電解池。電解池10包括由多孔且電絕緣的分離器11分開的多孔陽極14和多孔陰極15。多孔陽極14通過幾組導(dǎo)電指狀物18電連接至陽極盤12。陽極盤12用作電池的陽極載流子。以類似的方式，多孔陰極15通過幾組導(dǎo)電指狀物19和柱20電連接至陰極盤13。陰極盤13用作電池的陰極載流子。

另外，電解池10包括在頂部和底部的密封件21，這些密封件密封陽極盤12、陽極14、陰極15、以及陰極盤13。密封的陽極14和陽極盤12因此形成氯酸鹽液體的陽極隔室的表面。以類似的方式，密封的陰極15和陰極盤13因此形成氯酸鹽液體的陰極隔室的表面。在圖2a所示的實(shí)施例中，陽極隔室包括液體入口22，同時(shí)陰極隔室包括液體和氫氣出口23。(在實(shí)際實(shí)施例中，還可以使用分配器來分配入口處的液體，但在圖2a中未示出。另外，應(yīng)注意，原則上，液體入口和液體出口可以相反地位于相反隔室內(nèi)，即分別為陰極隔室和陽極隔室。雖然此布置在大部分應(yīng)用中不是最佳的，但是它預(yù)期是有功能的并且可以考慮。)陰極隔室可以任選地包含有助于引導(dǎo)氫氣產(chǎn)物向上朝向氫氣出口23的特征件(在圖2a中未示出)。出于此目的，此類特征件可以包括成形折流板和類似特征件。

在電解池10中，液體被壓迫通過多孔陽極14并且然后通過多孔陰極15，而不是像圖1b的現(xiàn)有技術(shù)電池一樣在陽極板4與陰極板5之間向上行進(jìn)。在此，液體被供應(yīng)(由箭頭16指示)至液體入口22，進(jìn)入陽極隔室，壓迫通過多孔陽極14，通過多孔分離器11，通過多孔陰極15并且進(jìn)入陰極隔室。所收集的液體和氫氣然后被引導(dǎo)從出口23出來(由箭頭17指示)。為了確保液體完全引導(dǎo)通過多孔陽極14和多孔陰極15，電解池10可以不包括在陽極隔室中的大出口并且不包括在陽極隔室或陰極隔室中的另一個(gè)入口(盡管小排放出口可以典型地被設(shè)置來在陽極隔室頂部排放收集的氫)。

陽極14和陰極15理想地是液體相當(dāng)可滲透的。然而，如先前所提及的，可以有利的是前者比后者具有更大滲透性以在電池內(nèi)引入希望的壓降。雖然各種設(shè)計(jì)選項(xiàng)是可用的，使用網(wǎng)板型金屬用于這些電極之一或二者是一個(gè)便利的選擇?？商娲夭⑶胰鐖D2b針對(duì)陽極14和陰極15更明確示出的，可以使用百葉型金屬電極。百葉型金屬可以具有多個(gè)成角度開口或槽縫，以有助于引導(dǎo)液體和所生成的氫氣向上、通過電解區(qū)域以及排出該電解區(qū)域。許多其他設(shè)計(jì)選項(xiàng)是可能的，盡管一個(gè)或兩個(gè)電極包括其中已鉆出許多孔的板、由燒結(jié)金屬纖維制成的薄片等。在氯酸鹽電解中，陽極和其他陽極硬件典型地由涂層鈦制成并且陰極和其他陰極硬件典型地由無鎳不銹鋼或一種類型的軟鋼制成。

多孔的電絕緣分離器11也理想地是液體相當(dāng)可滲透的。另外，它應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)物和產(chǎn)物相容。并且可以采用用于實(shí)現(xiàn)可靠的絕緣分離的任何裝置。例如，分離器11可以僅是電極之間的間隙。然而，為了獲得窄間隙同時(shí)仍維持這些電極之間可靠的電分離，通常希望采用一些多孔的電絕緣間隔材料。例如，許多聚合物紐扣狀物可以用于隔開陽極14和陰極15?；蛘?，在一個(gè)希望的實(shí)施例中，使用一種多孔聚合物薄片，因?yàn)榇祟惐∑梢员恢瞥上喈?dāng)薄且牢固并且允許在陽極與陰極之間有小于約2mm的距離(在常規(guī)氯酸鹽電解池中依賴于間隙的典型最小值)。許多氟聚合物可以用作分離器11的適合材料，因?yàn)樗鼈兡軌虻謸踉陔娊獠壑械母g性苛刻環(huán)境?？商娲兀承┨沾煽梢杂米鞣蛛x器11的適合材料。材料可以具有疏水性表面特性。可替代地，親水性材料可以通過減少氫脫離來進(jìn)一步提高性能。

在圖2a中，用于電解的主要載流子是陽極盤12和陰極盤13。電流通過一組導(dǎo)電指狀物18從陽極盤12分配至陽極14。并且電流通過一組導(dǎo)電指狀物19和連接柱20從陰極15引導(dǎo)至陰極盤13。而且，此陽極和陽極硬件典型地分別由涂層鈦和無鎳不銹鋼或軟鋼制成。

陽極盤12和陰極盤13可以包括幾組互補(bǔ)特征件，這些特征件已在其中形成來用于在組裝成多電池雙極性電解槽的過程中提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和定位并電連接電池的目的。在圖2a中，陽極盤12和陰極盤13包括幾組互補(bǔ)的錐形特征件，即分別是12a和13a，這些特征件在其中形成來用于此目的。(使用此類電池制成的示例性雙極性電解槽隨后在圖3和圖4出現(xiàn)。)

圖2b示出在圖2a的電解池中生成的初級(jí)反應(yīng)和氫氣產(chǎn)物。在此發(fā)生與圖1a相同的電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。然而，在此，所供應(yīng)的液體(由箭頭16指示)流過多孔陽極14、分離器11和多孔陰極15。在此運(yùn)輸過程中發(fā)生電解并且由箭頭17所指示地取出所收集的液體和氫氣產(chǎn)物24。與圖1b的電池不同，所生成的氫氣泡24通過來自陽極14與陰極15之間的區(qū)域的液體快速進(jìn)行并且進(jìn)入陰極隔室。因此基本上減少氣體堵塞。注意，所生成的氯與液體中的組分的化學(xué)反應(yīng)可以在分離器11、多孔陰極15和/或在陰極隔室內(nèi)發(fā)生。

圖2a和圖2b的氯酸鹽電解池的運(yùn)行通常類似于常規(guī)氯酸鹽電解池的運(yùn)行。例如，反應(yīng)物、濃度、溫度以及壓力可以全部相同或類似。另外，盡管如先前所提及的，可以有利的是提供穿過該電池的增加的壓降以便防止氫從陰極隔室內(nèi)回流到電池的電化學(xué)活性區(qū)域。

圖2a所示類型的電解池可以容易用于構(gòu)建具有雙極性配置的電解槽。圖3示出此雙極性電解槽的示意圖，該電解槽包括圖2a中串聯(lián)的四個(gè)氯酸鹽電解池10組。

在雙極性電解槽30中，四個(gè)氯酸鹽電解池10被堆疊來使得電池中的陽極14和陰極15垂直定向。另外，電解池10被堆疊來使得陽極盤12中的互補(bǔ)特征件12a與相鄰陰極盤13中的特征件13a嵌套并且因此確保這些電池相對(duì)于彼此良好地定位并且很好地電連接。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，電解池可以被制成模塊并且因此可以容易按需要去除和更換。

在圖3所示的實(shí)施例中，雙極性電解槽30包括一系列液體進(jìn)料集管31(對(duì)于每個(gè)電解池10而言為一個(gè))，這些集管將液體分配至單個(gè)電解池10的液體入口23。進(jìn)料集管31通過一系列液體進(jìn)料管32供應(yīng)有液體。雙極性電解槽30還包括一系列集流器/脫氣器集管33(對(duì)于每個(gè)電解池10而言也是一個(gè))，該集流器/脫氣器集管用作從來自單個(gè)電解池10的出口23收集液體和氫氣的集管。通過出口管34從電解槽30中去除包含次氯酸鹽和其他溶解的電解產(chǎn)物的收集的液體。然后通過支管35從出口管34分離出收集的氫氣。如果需要的話，電解槽30還可以包括在陰極隔室內(nèi)的一個(gè)適合的排放管和/或陽極隔室內(nèi)的一個(gè)排氣孔。

在圖4中示出了用于在本發(fā)明的雙極性電解槽中的電池的一個(gè)不同的示例性定向。在其中，雙極性電解槽40被定向來使得電池中的陽極14和陰極15垂直于垂直線來定向。確切地說，電解槽40被定向來使得陰極15為單個(gè)電解池中的以上陽極14。根據(jù)電池中所使用的組件和其他結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，此定向可以改進(jìn)氫氣副產(chǎn)物的去除。

然后可以采用圖3和圖4中示出的類型的電解槽，以在其他常規(guī)氯酸鹽產(chǎn)生系統(tǒng)中獲得提高的效率。關(guān)于這一點(diǎn)，圖5示出包括本發(fā)明的氯酸鹽電解槽的供應(yīng)商(merchant)氯酸鹽產(chǎn)生系統(tǒng)的示意圖。

供應(yīng)商氯酸鹽產(chǎn)生系統(tǒng)50是相當(dāng)復(fù)雜的并且依次包括如圖所示地相互連接的鹽和水進(jìn)料51、鹽水飽和器52、保護(hù)濾波器53、離子交換子系統(tǒng)54、鹽水管55、氯酸鹽反應(yīng)器56、液體入口管57、本發(fā)明的氯酸鹽電解槽58、所收集的液體出口管59、氯酸鹽結(jié)晶子系統(tǒng)61和管62。在鹽水飽和器52中制備用于電解的鹽水。在鹽和水進(jìn)料51處提供適合的鹽(例如，蒸發(fā)的鹽)來源和脫礦質(zhì)水供應(yīng)。由此，鹽水通過鹽水管55引導(dǎo)至保護(hù)濾波器53，然后至離子交換子系統(tǒng)54并且最終至氯酸鹽反應(yīng)器56，其中它與來自氯酸鹽電解槽58的產(chǎn)物混合以維持電解槽進(jìn)料中的鹽含量。氯酸鹽反應(yīng)器56通過液體入口管57將包含氯酸鹽和鹽水的用于電解的電解質(zhì)溶液引導(dǎo)至氯酸鹽電解槽58。并且來自氯酸鹽電解槽58的電解的氯酸鹽溶液通過收集的液體出口管59引導(dǎo)回到氯酸鹽反應(yīng)器56中。通過管60去除所產(chǎn)生的氫氣。

來自氯酸鹽反應(yīng)器56的濃產(chǎn)物氯酸鹽溶液被引導(dǎo)至氯酸鹽結(jié)晶子系統(tǒng)61，其中氯酸鹽產(chǎn)物從更濃縮的氯酸鹽溶液中結(jié)晶出來并且在62處去除。在結(jié)晶之后留下的溶液通過再循環(huán)管63再循環(huán)回到氯酸鹽反應(yīng)器56。隨時(shí)間的推移，雜質(zhì)可以在再循環(huán)管56內(nèi)累積。這些雜質(zhì)可以多種方式去除。例如，圖5中的氯酸鹽電解系統(tǒng)50包括平行連接至再循環(huán)管63的側(cè)流子系統(tǒng)64。側(cè)流子系統(tǒng)64內(nèi)的部件的配置及其運(yùn)行充分描述于WO2014/029021中。

本發(fā)明的電解槽還可以用于除如圖5所示的供應(yīng)商氯酸鹽生產(chǎn)系統(tǒng)之外的氯酸鹽生產(chǎn)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。例如，本發(fā)明的氯酸鹽電解槽可以理想地用于氯酸鹽生產(chǎn)子系統(tǒng)中，該子系統(tǒng)形成集成式二氧化氯生產(chǎn)系統(tǒng)的一部分。一種示例性的這類系統(tǒng)是凱米迪(Chemetics)集成式二氧化氯系統(tǒng)，它由三個(gè)設(shè)備區(qū)域組成，以產(chǎn)生兩種中間體產(chǎn)物氯酸鈉(NaClO3)和鹽酸(HCl)、以及最終產(chǎn)物二氧化氯(ClO2)。在這一系統(tǒng)中，氯酸鈉可以理想地通過使用本發(fā)明的電解槽電解氯酸鈉溶液來產(chǎn)生，以制備強(qiáng)氯酸鈉液體。用于此反應(yīng)的鹽是來自二氧化氯生產(chǎn)區(qū)域的一種再循環(huán)的副產(chǎn)物。氫氣與氯酸鈉共同產(chǎn)生，并且用作鹽酸生產(chǎn)的原料。鹽酸通過燃燒氯氣和氫氣來產(chǎn)生。氫氣來自氯酸鈉電解區(qū)域。補(bǔ)充的氯氣來自廠用電池限度。弱氯氣是二氧化氯生成區(qū)域的再循環(huán)副產(chǎn)物，它與此氯補(bǔ)充流組合，之后與氫氣燃燒。通過將強(qiáng)氯酸鹽液體與鹽酸組合在二氧化氯生成器中來產(chǎn)生二氧化氯氣體，連同氯氣和氯酸鈉(鹽)。在急冷水中吸收二氧化氯氣體并且然后用空氣汽提，以去除殘余氯，從而產(chǎn)生用于商業(yè)使用的高雜質(zhì)二氧化氯溶液；典型地在ECF紙漿廠漂白設(shè)備中。留在生成器中的液體含有未反應(yīng)的氯酸鈉和副產(chǎn)物鹽。這種溶液稱為弱氯酸鹽液體，它被再循環(huán)到氯酸鈉電解區(qū)域內(nèi)進(jìn)行再濃縮。未吸收的氯副產(chǎn)物(弱氯氣)被再循環(huán)來用于鹽酸生產(chǎn)?，F(xiàn)有凱米迪集成式二氧化氯系統(tǒng)更詳細(xì)地描述于例如“采用集成式二氧化氯過程進(jìn)行紙漿漂白以符合CREP法規(guī)(Adopting the Integrated Chlorine Dioxide Process for Pulp Bleaching to Comply with CREP Regulations)”；A.巴爾(A.Barr)等人，印度紙漿和造紙技術(shù)協(xié)會(huì)季刊(IPPTA,J.)，第21卷，第1期，一月-三月，2009 121-127。

本發(fā)明的方法特別適用于氯酸鹽電解中。然而，涉及未分隔電解的任何過程可以得益于本發(fā)明的設(shè)計(jì)和方法，例如次氯酸鹽生產(chǎn)、高氯酸鹽生產(chǎn)、高錳酸鉀生產(chǎn)。例如，本發(fā)明的使用可以在所采用的電解槽的設(shè)計(jì)和/或配置中提供更大靈活性。例如，常規(guī)氯酸鹽電解槽對(duì)電池高度具有實(shí)踐限制，這是由所生成的氫氣的量引起的。然而，此類限制可以不適用于本發(fā)明的電解槽，并且因此在實(shí)踐實(shí)施例中可以考慮更高的電池。

以下實(shí)例被包括來說明本發(fā)明的某些方面但是不應(yīng)被解釋為以任何方式進(jìn)行限制。

實(shí)例

實(shí)驗(yàn)室類型的氯酸鹽電解池被制造并運(yùn)行來比較本發(fā)明的電池的特征與常規(guī)電池的特征。

制造一種本發(fā)明的電解池，該電解池包括盤形陽極隔室和盤形陰極隔室。兩個(gè)隔室均由2級(jí)鈦制成并且具有約38cm寬度、23cm高度和2.2cm深度的尺寸。將包括多孔陽極、多孔陰極和它們之間的電絕緣分離器的電池組件一起夾在盤形陽極隔室與盤形陰極隔室的唇緣之間。陽極隔室和陰極隔室的唇緣分別直接接觸陽極和陰極的邊緣并且因此與其電連接，以分別用作陽極載流子和陰極載流子。分離器稍微延伸超過陽極和陰極的邊緣。通過在延伸的分離器邊緣與陽極隔室和陰極隔室的唇緣之間將適當(dāng)成形的墊片螺栓連接在一起來密封電解池。

陽極和陰極二者采用由擴(kuò)展鈦網(wǎng)制成的基底(約1mm厚，具有菱形形狀開口，其中菱形尺寸是約3mm×1.5mm，并且開口面積～50％)，從而賦予陽極和陰極電池液體可滲透性。在組裝之前，通過噴砂和酸蝕刻過程處理兩種基底，并且然后用包含混合型金屬氧化物(主要是RuO₂、IrO₂和TiO₂)的催化劑涂覆。

將擴(kuò)展PTFE網(wǎng)格用作電池分離器，因此賦予該分離器電池液體可滲透性。PTFE網(wǎng)格是約0.95mm厚并且具有菱形形狀的開口，該開口的尺寸是陽極基底和陰極基底的開口的大小的約1/2。然而，另外，為了改進(jìn)流動(dòng)和性能，從分離器中切出另外較大的開口。確切地說，從分離器表面切出九個(gè)均勻間隔開的矩形開口(大小是約32mm×83mm)。

電池組件的活動(dòng)表面(即，在電解池密封件內(nèi)的表面)具有約10cm×25cm的尺寸。電解池垂直地定向并且在陽極隔室底部具有三個(gè)液體入口并在陰極隔室頂部具有三個(gè)液體和氣體產(chǎn)物出口。這些液體入口和出口均勻地間隔開并且直徑約13mm。在各個(gè)陽極隔室和陰極隔室內(nèi)采用液體分配器，以實(shí)現(xiàn)電池液體更均勻地從電解池中來回流動(dòng)。陽極分配器和陰極分配器分別位于與液體入口和出口緊密相鄰的隔室中。兩個(gè)分配器的大小是約16mm×22mm×25cm，并且各自包括直徑約6mm的8個(gè)均勻間隔分布的孔。

以與常規(guī)氯酸鹽電解池(例如，以如圖1b所表示地運(yùn)行)類似的方式構(gòu)造一種對(duì)比電解池并且該電解池已優(yōu)化用于商業(yè)使用。在此，陽極采用已制備的包括固體鈦板(約2mm厚)的基底并且以與前述本發(fā)明的電池類似的方式用混合型氧化物催化劑涂覆。陰極是不具有催化劑涂覆的固體鋼板(約3mm厚)。通過使用在外圍的墊片來分開陽極和陰極，其中陽極與陰極之間的間隙是約2mm。對(duì)比電解池具有接近在陽極與陰極之間的間隙的底部的液體入口和在間隙頂部的液體出口。

用于測試目的的電解質(zhì)是具有450/110/5gpl濃度的NaClO₃/NaCl/Na₂Cr₂O₇組成的常規(guī)氯酸鹽溶液。在本發(fā)明的電解池中，電解質(zhì)在陽極隔室底部的液體入口內(nèi)流動(dòng)，通過其中的液體分配器，通過多孔陽極、多孔分離器和多孔陰極，并且然后通過陰極隔室內(nèi)的液體分配器流出，并且最終流出陰極隔室頂部。在對(duì)比電池中，電解質(zhì)在電池底部的液體入口內(nèi)流動(dòng)，通過陽極與陰極之間的間隙，并且然后流出電池頂部的液體出口。最初通過在電流密度3kA/m²(基于電極活動(dòng)面積)、pH 6和溫度80℃下運(yùn)行來將電池調(diào)節(jié)4.5天。之后，將電解質(zhì)的溫度升高至90℃并且在0.5至5kA/m²的電流密度范圍內(nèi)獲得針對(duì)每個(gè)電池的極化結(jié)果(即，電壓對(duì)比電流密度)。所使用的電解質(zhì)流速是約100l/h。

圖6圖示對(duì)于本發(fā)明的電解池和對(duì)比電解池所獲得的極化結(jié)果。在整個(gè)測試的電流密度范圍內(nèi)本發(fā)明的電解池的電池電壓好于常規(guī)電解池的電壓，并且例如在4kA/m²下是約低620mV。

所有以上美國專利、美國專利申請(qǐng)、外國專利、外國專利申請(qǐng)以及在本說明書中所提及的非專利出版物通過引用以其全部內(nèi)容結(jié)合在此。

雖然已示出并描述了本發(fā)明的具體元件、實(shí)施例和應(yīng)用，但是當(dāng)然應(yīng)了解的是本發(fā)明不限于此，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行修改而不背離本發(fā)明的精神和范圍，特別是根據(jù)以上教授內(nèi)容。此類修改被認(rèn)為是在所附權(quán)利要求書的權(quán)限和范圍內(nèi)。