專利名稱:雙極式電解裝置及其單元電解槽的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于電解裝置及其單元電解槽的結(jié)構(gòu)。更詳細地說，本發(fā)明是關(guān)于一種易裝拆電解裝置的結(jié)構(gòu)。本電解裝置的單元不僅適用于電解堿金屬氯化物以生產(chǎn)氯和堿金屬氧化物，而且也適用于其它電解作業(yè)，例如，水的電解。
迄今為止，電解堿金屬氯化物的水溶液，特別是電解氯化鈉的水溶液，都推薦采用應(yīng)用離子交換膜的電解裝置。
就雙極式電解裝置而論，有人提出過采用下列形式的裝置例如，一種毗鄰單元電解槽的間壁用爆炸焊接法焊接使毗鄰單元電解槽彼此在電氣上聯(lián)接的電解裝置(見，例如，4，111，779號美國專利)，一種毗鄰單元電解槽的電氣聯(lián)接是在電解槽之間插入彈力導(dǎo)電連接帶的電解裝置(見，例如，4，108，752號美國專利)，一種單元電解槽由塑料制成、毗鄰單元電解槽用螺栓和螺母進行電氣聯(lián)接的電解裝置(見，例如，2，551，234號德國專利申請書)，一種毗鄰單元電解槽之間的電氣聯(lián)接采用超聲波焊接等方法焊成的鈦銅不銹鋼接合的電解裝置(日本公開專利90079/79號申請書)等。
盡管在離子交換膜法電解氯化鈉的電解裝置方面迄今已做了各種改進，但上述現(xiàn)有技術(shù)的電解裝置仍然不能令人滿意，這主要是因為現(xiàn)有電解裝置的裝配復(fù)雜，制造工藝困難，電解液易從焊縫漏出，不然，就是造價高。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種電解裝置，特別是一種雙極離子交換膜式堿金屬氯化物電解裝置，這種電解裝置易裝易拆，焊縫少，電解液不易漏泄，裝置各部件易于加工，而且造價不高。
本發(fā)明的另一個目的是提供上述電解裝置易裝易拆、焊縫少的單元電解槽。
本發(fā)明的上述和其它目的及優(yōu)點從下列說明中即可一目了然。
圖1是已裝配好的一個單元電解槽的正視圖(本發(fā)明的一個最佳實施例)，該電解槽包括構(gòu)成電解裝置的陽極室和陰極室。
圖2是從圖1A-A′線截取的剖面圖。
圖3是構(gòu)成單元電解槽陽極室和陰極室的盤狀構(gòu)件的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是單元電解槽中用的帶鉤凸緣詳圖。
圖5(a)和5(b)分別為本發(fā)明各最佳實施例中盤狀構(gòu)件的制作示意圖。
圖6是單元電解槽一個條形構(gòu)架的透視圖。
圖7是本發(fā)明一個最佳實施例由單元電解槽構(gòu)成的雙極電解裝置的裝配圖。
附圖和本說明書中的各編號系指下列部件1……條形構(gòu)架，2……盤狀構(gòu)件，3……導(dǎo)電肋條，4……電極，5……孔，6……接觸部分，7……帶鉤凸緣，8……構(gòu)架壁，9……間壁，10……電極室，11……加強肋，12……進口管嘴，13……出口管嘴，14……拐角部分，15……陽離子交換膜，16和17……襯墊，18……陽極室，19……陰極室，20……側(cè)桿，21……連接部分，22……端子板，23……爆炸焊接板(不予描述)，24……構(gòu)成電解裝置的雙極式單元電解槽，25……條形構(gòu)架上的管嘴孔，26……構(gòu)架壁上的管嘴孔，27……端部半電解槽單元，28……構(gòu)架間隔(圖中未畫出)，29……溝槽，30……鉤形部分，31……固定頭，32……后頭，33……活動頭。
我們發(fā)現(xiàn)，要達到上述目的，最好采用由下列各部分構(gòu)成的單元電解槽一個陽極側(cè)盤狀構(gòu)件和一個陰極側(cè)盤狀構(gòu)件，該兩個盤狀構(gòu)件各包括一個帶鉤凸緣、構(gòu)架壁，兩盤狀構(gòu)件背靠背配置，插在各構(gòu)件中的帶鉤凸緣與構(gòu)架壁之間的各條形構(gòu)架。本發(fā)明即在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上實施的。
因此，本發(fā)明的一個實施例的雙極式離子交換隔膜電解裝置包括多個雙極單元電解槽，各電解槽由下列部分構(gòu)成一個陽極側(cè)盤狀構(gòu)件和一個陰極側(cè)盤狀構(gòu)件，該兩個盤狀構(gòu)件各包括一個帶鉤凸緣、構(gòu)架壁，兩盤狀構(gòu)件背靠背配置;插在各構(gòu)件中的帶鉤凸緣與構(gòu)架壁之間的條形構(gòu)架;通過導(dǎo)電肋條各焊接到間壁上的一個陽極和一個陰極;還有設(shè)在陽極側(cè)構(gòu)件和另一個與所說陽極毗鄰的單元電解槽的陰極構(gòu)件之間的陽離子交換膜，因而使兩構(gòu)件電極較少的一側(cè)彼此面對面相向。
兩個設(shè)在電解裝置兩端各有一個陽極和一個陰極的半個電解槽單元，和兩個分別附在電解裝置兩端半個電解槽單元上的電氣端子板，所說的多個單元電解槽系順序配置。
正如電解業(yè)的行家們所熟悉的那樣，水的電解是無需采用離子交換膜的。
雙極單元電解槽是上述雙極式電解裝置的主要部件，各電解槽由下列部分構(gòu)成一個陽極側(cè)盤狀構(gòu)件和一個陰極側(cè)盤狀構(gòu)件，各盤狀構(gòu)件都包括一個帶鉤凸緣、構(gòu)架壁，兩盤狀構(gòu)件背靠背配置;條形構(gòu)架，各個都插進各構(gòu)件中帶鉤凸緣與構(gòu)架壁之間的溝槽中，上下條形水平構(gòu)架的兩端部分各有兩個孔。此單元電解槽的特點是易于裝配。盤狀構(gòu)件由一個板構(gòu)成比由多個板構(gòu)成好，這不僅在加工方面是如此，而且由于焊接部分少了，電解液漏泄的可能性大大減少。此外，如上所述，裝配單元電解槽只要把兩盤狀構(gòu)件背靠背設(shè)置，再把條形構(gòu)架插入各帶鉤凸緣和毗鄰的構(gòu)架壁之間即可。在這方面，裝配工作也非常容易。
插入條形構(gòu)架時，可取的做法是把比單元電解槽高度短一個條形構(gòu)架水平厚度的條形構(gòu)架豎向插入，然后把長度等于電解槽寬度的條形構(gòu)架水平插入，或者把比單元電解槽寬度和高度分別短一個構(gòu)架厚度的條形構(gòu)架順次插入，使其形成二維格架的樣式。從單元電解槽的強度和裝配的角度看，最好采用后一方裝配方法。
構(gòu)成單元電解槽的其它器件或裝置與現(xiàn)有技術(shù)單元電解槽的類似。對這些其它器件或裝置，這里也許無需再加以敘述了。任何熟悉電解業(yè)的人士無需再詳細了解單元電解槽的結(jié)構(gòu)即可立即進行裝配。即，離子交換膜、襯墊等都可采用一般類型。
可用本發(fā)明的裝置進行電解的堿金屬氯化物包括，例如，氯化鈉、氯化鉀和氯化鋰。其中，氯化鈉是工業(yè)上最重要的氯化物。當(dāng)然，本裝置也可用以電解水。
下面以氯化鈉的電解為例介紹本發(fā)明的內(nèi)容。不用說，本發(fā)明并不限于此實例。
本發(fā)明電解裝置單元電解槽的裝配和拆卸都非常簡單，裝配時只要把一對有一個陽極和一個陰極的盤狀構(gòu)件分別背靠背地設(shè)置，再把條形構(gòu)架插入各構(gòu)件的帶鉤凸緣和構(gòu)架壁之間即可。此外，各盤狀構(gòu)件可由一個板構(gòu)成，因而可大大減少構(gòu)件焊接部分的數(shù)目，從而使加工過程和電解液漏泄所引起的應(yīng)變盡可能減小，電解槽的造價可以做得極低。
現(xiàn)在參看附圖來說明本發(fā)明電解裝置的一些最佳實施例。但本發(fā)明的電解裝置并不局限于附圖中所示的那些。
圖1是本發(fā)明最佳實施例中一個電解裝置的正視圖;圖2是從圖1A-A′線截取的剖面圖;圖3是本發(fā)明一個盤狀構(gòu)件最佳實施例的結(jié)構(gòu)圖;圖4是帶鉤凸緣詳圖;圖5表示盤狀構(gòu)件(作為一個實施例)的制作情況;圖6是條形構(gòu)架的透視圖;圖7是雙極式電解裝置作為一個最佳實施例的裝配示意圖。圖中同一個編號的意義相同1條形構(gòu)架，2盤形構(gòu)件，3導(dǎo)電肋條，4電極。
導(dǎo)電肋條3焊接到盤狀構(gòu)件上，電極4焊接到肋條3的另一側(cè)。如圖4所示，盤狀構(gòu)件2由帶鉤凸緣7、構(gòu)架壁8和間壁9構(gòu)成。構(gòu)架壁8和間壁9所包圍的空間即為陽極室或陰極室。陽極室和陰極室都以襯墊密封。襯墊的合適材料有乙丙橡膠，聚四氟乙烯等。陽極室或陰極室各襯墊最好與密封件同寬。陽極室和陰極室襯墊的厚度通常為1.0至3.0毫米。
各條形構(gòu)架1插入由各帶鉤凸緣7和背靠背組合在一起的毗鄰構(gòu)架壁8形成的空間28(圖中未畫出)。在各條形構(gòu)架1上有一個溝槽將各帶鉤凸緣的末端與條形構(gòu)架連起來。各帶鉤凸緣7鉤形部分30可以具有這樣的長度，使得凸緣固定到各條形構(gòu)架上的溝槽29時不會脫出，也可使其具有彎曲作業(yè)所需的長度。該長度為2至20毫米，最好為5至10毫米。
構(gòu)架壁8在電流方向的長度相當(dāng)于陽極或陰極室的厚度，通常為10至100毫米。
間壁高度相當(dāng)于陽極室高度，也相當(dāng)于陰極室高度，通常為50至200厘米。間壁的橫向?qū)挾纫蚕喈?dāng)于陽極室和陰極室的橫向?qū)挾?，通常?0至400厘米。盤狀構(gòu)件2可取這樣的厚度，使得其材料板可以彎曲，構(gòu)件能承受內(nèi)部壓力，且各導(dǎo)電肋條可焊接到構(gòu)件上，即，厚度最好約1至3毫米。
導(dǎo)電肋條3焊接到盤狀構(gòu)件2上，各導(dǎo)電肋條上有五個孔，電解液和電解產(chǎn)物即由這些孔通過。導(dǎo)電肋條的厚度考慮到構(gòu)架壁8的長度、密封襯墊16和17的厚度和各電極4的厚度，應(yīng)這樣進行選擇，使得離子交換膜和各電極之間的間隙等于零或幾乎等于零。
若需要進一步加強電極室，可把加強肋合乎要求地固定到各電極室的中間部分。陰極室加強肋的材料與陰極側(cè)盤狀構(gòu)件的相同，即，鐵、鎳、不銹鋼或這些金屬的合金。陽極室加強肋的材料也與陽極側(cè)構(gòu)件的相同，即，鐵或鈦合金。這種加強措施宜這樣做將與導(dǎo)電肋條同形狀的兩個板在多個平面會交點處焊在一起。這種加強部分最好與構(gòu)架壁及條形構(gòu)架密切接觸。和導(dǎo)電肋條類似，加強肋上也有電解液和電解產(chǎn)品流通用的若干個孔。
至于電極4，可采用多孔金屬材料，在形狀上沒有任何限制。這種金屬薄板包括，例如，呈多孔平板形式的拉制金屬網(wǎng)和金屬薄板、組合棒材或金屬絲網(wǎng)。
至于條形構(gòu)架1，每個單元電解槽需用兩個水平構(gòu)架和兩個垂直構(gòu)架。各水平條形構(gòu)架有一個管嘴孔25。各帶鉤凸緣7的鉤形部分30裝進溝槽29中。各上下條形構(gòu)架1的長度相當(dāng)于間壁9橫向?qū)挾群桶雮€帶鉤凸緣7密封面寬度的和。各垂直條形構(gòu)架1的長度相當(dāng)于間壁9高度與半個帶鉤凸緣7密封面寬度的和。
各條形構(gòu)架1橫截面的形狀與各帶鉤凸緣7及毗鄰構(gòu)架壁8所形成空間的截面一樣。條形構(gòu)架1的表面最好用橡皮墊、環(huán)氧樹脂涂層之類加以保護，目的是對該表面起絕緣或防腐蝕作用。
盤狀構(gòu)件2和導(dǎo)電肋條3的材料可以是任一在電解條件下能起防腐作用的金屬或合金。例如，陽極側(cè)盤狀構(gòu)件可采用鈦和鈦合金，陰極側(cè)盤狀構(gòu)件可采用鐵、鎳、不銹鋼和這些金屬的合金。
陽極材料可以是任何一般電解堿金屬氯化物水溶液所使用的材料。即，陽極的制作是將諸如鈦、鋯、鉭、鈮等基層材料或這些金屬的合金進行加工，再將成形后的基層材料涂以主要由鉑族金屬氧化物(例如，氧化釕)組成的作為陽極反應(yīng)性強的材料。至于陰極，可采用鐵、鎳或這些金屬的合金的型材，或再涂以諸如阮內(nèi)鎳、羅旦(Rhodan)鎳或氧化鎳等作為陰極反應(yīng)性能的材料。
至于條形構(gòu)架1，沒有任何限制，可以采用鐵、不銹鋼之類的金屬，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯之類的塑料，但為使電解裝置具有一定的強度，最好還是采用金屬。這些構(gòu)架可以是實心的，也可以是空心的，但從構(gòu)架強度的角度考慮，最好還是采用實心的。
盤狀構(gòu)件2可按，例如，下列方法制作如圖5(a)所示，將事先在四個角彎好的板加以切割，使其形成盤狀構(gòu)件，帶鉤凸緣7和構(gòu)架壁8則是將該板沿虛線和實線折彎形成的，如圖5(a)所示。因此只需要在四個角進行焊接。這樣，和現(xiàn)有技術(shù)的情況相比，需要焊接的部分減少了，剩余應(yīng)變也減少了，因而改進了各制作方法。這是本發(fā)明的效果之一。
此外，導(dǎo)電肋條固定電極的部位和帶鉤凸緣密封面，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，由于焊接等工序在裝配好之后仍有應(yīng)變，故需要進行機械加工，而根據(jù)本發(fā)明，則可以不留下大量應(yīng)變而精密加工出來，因為，如上所述，加工過程非常簡單，因而無需進行任何機械加工，而且造價底。這是本發(fā)明的另一個效果。
本發(fā)明單元電解槽是這樣進行裝配的將制作好的陽極和陰極室用的盤狀構(gòu)件背靠背地配置。此兩構(gòu)件可在，例如，交接面6處焊接在一起，也可以不連接。但最好還是接在一起。這樣可以降低該部分的電阻。這可用直接超聲波焊接或點焊來完成，中間介入爆炸焊接的鈦鐵板。
然后將條形構(gòu)架1插入帶鉤凸緣7和構(gòu)架壁8之間形成的空間，順次接到上、右、下和左構(gòu)架上，使構(gòu)件豎起來。這之后，將電解液進口管嘴12和電解液出口管嘴13分別插入盤狀構(gòu)架的上側(cè)管嘴孔25和下側(cè)管嘴孔25，再把進口管嘴和穿過下構(gòu)架壁8鉆出的孔26之間的間隙以及出口管嘴和穿過上構(gòu)架壁8鉆出的孔之間的間隙都封好。
本發(fā)明所用的陽離子交換膜在種類上沒有任何限制。任何電解堿金屬氯化物水溶液通常用的薄膜都可以用。
適合作為陽離子交換膜的樹脂包括，例如，磺酸型樹脂、羧酸型樹脂和羧酸-磺酸混合型樹脂。其中尤其以羧酸-磺酸混合型樹脂為最理想，因為這種樹脂能大量轉(zhuǎn)移堿金屬離子。采用混合型樹脂時，陽離子交換膜最好設(shè)置在陽極和陰極之間，使陽極面對陽離子交換膜有磺酸基的一側(cè)，陰極面對該交換膜有羧酸基的另一側(cè)。至于陽離子交換膜的樹脂基料，從抗氯性能的角度考慮，應(yīng)采用碳氟化物樹脂為宜。為提高交換膜的強度，可用布、網(wǎng)狀材料等作為增強材料。
下面以實例說明本發(fā)明，但并不因此限制本發(fā)明的范圍。
實例圖7是已裝配好的雙極式電解裝置，該裝置包括五個單元電解槽和構(gòu)成單元電解槽的兩個端部半電解槽組件27，其中半個電解槽單元只包括一個陽極室，另外的半個電解槽單元只包括一個陰極室，各半電解槽單元都用側(cè)桿20裝設(shè)電氣端子板22，還有固定頭31、后頭32和活動頭33。
各單元電解槽寬2400毫米，高1200毫米，厚54.5毫米，具有若干帶鉤凸緣，各凸緣的密封面寬21毫米，加強肋11高26毫米，中間部分厚5毫米。各加強肋11具有10個直徑8毫米的孔供電解液和電解產(chǎn)物通過。陽極室的盤狀構(gòu)件和其中的導(dǎo)電肋條由鈦制成，陰極室的盤狀構(gòu)件和其中的導(dǎo)電肋條由不銹鋼制成。
陽極室和陰極室的盤狀構(gòu)件分別為1.0毫米厚和1.5毫米厚，系用壓彎法成形的。兩構(gòu)件用點焊焊接在一起，兩構(gòu)件之間插入爆炸焊接鈦鐵板。條形構(gòu)架1各插入各帶鉤凸緣7和毗鄰的構(gòu)架壁8之間形成的空間中。這些構(gòu)架1逐個插入，裝配成二維格架式的結(jié)構(gòu)。各構(gòu)件的拐角用螺栓固定。導(dǎo)電肋條3每隔12厘米間距焊在盤狀構(gòu)件內(nèi)側(cè)，使陽極室和陰極室中的導(dǎo)電肋條在相同的相對位置上固定。陽極的各導(dǎo)電肋條高26毫米，寬5毫米，陰極的導(dǎo)電肋條高28毫米，寬5毫米。各導(dǎo)電肋條中有10個直徑8毫米的孔5，供電解液和電解產(chǎn)物通過。
陽極的制作是在1毫米厚的鈦板上以2.5毫米的間距曲折地鉆上若干直徑1.5毫米的孔，再將鈦板涂以由釕、銥、鈦和鋯組成的含酸固溶體。
陰極的制作是在1毫米厚的不銹鋼板上以2.5毫米的間距曲折地鉆上若干直徑1.5毫米的孔，再將該不銹鋼板涂以氧化鎳。
電氣端子板22由4毫米厚的銅板制成。陽極室的襯墊16用1.5毫米厚的乙丙橡膠制成，陰極室的襯墊17也用2.5毫米厚的乙丙橡膠制成。各襯墊的形狀和一個畫框相似，其寬度與帶鉤凸緣7的密封面相同。
陽離子交換膜按下法制備在不同的條件下將四氟乙烯與全氯-4，7-二羥基-5-甲基-8-壬烯磺酰氟進行共聚，得出當(dāng)量為1300的聚合物(聚合物1)和當(dāng)量為1130的聚合物(聚合物2)。
將這些聚合物加熱制成由一層厚35微米的聚合物1和一層厚100微米聚合物2的兩層層壓件。用真空層壓法將特氟隆(商名)紡織品鑲在聚合物2一側(cè)的層壓件上。將此層壓件進行皂化，再對得出的磺酸型陽離子交換膜有聚合物1的一面進行還原處理，使磺酸基轉(zhuǎn)化成羧酸基。
圖7中的電解裝置系裝配成陽離子交換膜含羧酸基的那一層面對陰極。
然后按下法電解氯化鈉將含310克/升的氯化鈉水溶液以這樣的流率加入各陽極室中，使出口處氯化鈉的濃度為175克/升。另一方面，將氫氧化鈉稀水溶液以這樣的流率加入陰極室中，使出口處氫氧化鈉的濃度按重量計為30%。至于其它電解條件，電解液溫度為90℃，電流密度為40安/平方分米。結(jié)果，電流效率為96.0%，電解槽電壓為18.6伏。
權(quán)利要求
1.一種雙極式電解裝置，其特征在于，該電解裝置包括多個雙極單元電解槽，各電解槽由下列部分構(gòu)成一個陽極側(cè)盤狀構(gòu)件，一個陰極側(cè)盤狀構(gòu)件，若干條形構(gòu)架，一個陽極和一個陰極；陽極側(cè)盤狀構(gòu)件和陰極側(cè)盤狀構(gòu)件各包括一個帶鉤凸緣、構(gòu)架壁和間壁，且兩盤狀構(gòu)件背靠背配置；條形構(gòu)架插在各構(gòu)件的帶鉤凸緣和構(gòu)架壁之間；陽極和陰極各通過導(dǎo)電肋條焊接到間壁上；所說的多個單元電解槽系順序配置。
2.權(quán)利要求
1的雙極式電解裝置，其特征在于，各盤狀構(gòu)件的構(gòu)架壁系由一個板制成的。
3.權(quán)利要求
1的雙極式電解裝置，其特征在于，陽極側(cè)和陰極側(cè)的盤狀構(gòu)件彼此焊接起來。
4.權(quán)利要求
1的雙極式電解裝置，其特征在于，該電解裝置還包括一個設(shè)在陽極側(cè)構(gòu)件和毗鄰所說陽極另一個單元電解槽的陰極側(cè)構(gòu)件之間因而兩構(gòu)件電極較少的各側(cè)彼此面對面的陽離子交換膜。
5.一種雙極式電解裝置的單元電解槽，其特征在于，該單元電解槽包括一個陽極側(cè)盤狀構(gòu)件，一個陰極側(cè)盤狀構(gòu)件，若干條形構(gòu)架;陽極盤狀構(gòu)件和陰極盤狀構(gòu)件各包括一個帶鉤構(gòu)架、構(gòu)架壁和間壁，兩盤狀構(gòu)件彼此背靠背配置;條形構(gòu)架插入各構(gòu)件的帶鉤凸緣和構(gòu)架壁之間。
6.權(quán)利要求
5的電解裝置單元電解槽，其特征在于，各盤狀構(gòu)件的構(gòu)架壁系由一個板制成。
7.權(quán)利要求
5的電解裝置單元電解槽，其特征在于，陽極側(cè)和陰極側(cè)的盤狀構(gòu)件彼此焊接起來。
專利摘要
一種雙極式電解裝置單元電解槽包括一個陽極側(cè)盤狀構(gòu)件、一個陰極側(cè)盤狀構(gòu)件和若干條形構(gòu)架。兩盤狀構(gòu)件各有一個帶鉤構(gòu)架、構(gòu)架壁和間壁，兩盤狀構(gòu)件彼此背靠背配置。一種雙極式電解裝置，上述所說的多個單元電解槽即順序配置在此電解裝置中。
文檔編號C25B11/02GK86107225SQ86107225
公開日1987年5月13日 申請日期1986年10月23日
發(fā)明者三吉啟二, 佐藤正敏 申請人:旭化成工業(yè)株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan