專利名稱：電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到應(yīng)用于電解方面的一種改進型電極，更確切地說，涉及的電極具有一種表面結(jié)構(gòu)，能造成更有效地去除氣體產(chǎn)物和增強電解質(zhì)循環(huán)。此外，本發(fā)明還關(guān)系到制造這種電極和使用它的方法。該電極主要是打算用在薄膜電解槽的電解法中，但它也有利于用在其它類型的生產(chǎn)方法中。
在薄膜電解法中，電解槽的陽極空間和陰極空間是由一個離子選擇薄膜分隔開的。在薄膜電解槽中進行電解的方法正在許多場合中應(yīng)用，而其中主要的工業(yè)應(yīng)用是制備商品氯氣。
在氯氣制備中，一種堿金屬氯化物水溶液，主要是氯化鈉水溶液被電解。含有20～50重量%的氯化鈉的鹽水加到該電解槽的陽極空間，為了防止堵塞該離子選擇膜，鹽水在加到該槽之前必須徹底提純，其中包括離子交換。在電解中，氯氣在陽極表面形成，并且析出的氣體通過設(shè)在槽頂上專用的氣體出口直接排到槽外。該鹽水進行循環(huán)之前，被耗去的5～10重量%，然后，補充新的氯化鈉。
水或稀釋的氫氧化鈉完全加到陰極空間。堿金屬離子通過離子選擇薄膜從陽極空間傳導(dǎo)到陰極空間，陰極空間將概有氫氧化鈉溶液，其中氫氧化鈉含量大約為20～35重量%。在電解作用中形成的氫氣和富集的氫氧化鈉被排出該電解槽，以便進一步提純。
因為在電解生產(chǎn)過程中電力費用是主要的化費，所以作了相當(dāng)大的努力來減少電能消耗。因此，在陽極和陰極表面都應(yīng)用了強力催化劑。此外，采用薄膜、特定幾何形狀的電極和高的溫度。
為了降低被電解的溶液的電阻，期望把陽極和陰極之間的間隙做得盡可能地小些。通常使陰極空間中的壓力稍微高些，因為氫氧化鈉比氯化鈉更容易傳導(dǎo)電流。由于這個稍高的壓力，該薄膜被壓向陽極面，在電解作用下，例如在堿金屬氯化物電解中發(fā)生氣體時，許多氣泡勢必聚集在陽極和/或陰極與薄膜之間的交界面處，導(dǎo)致電解質(zhì)的電阻上升。曾建議過幾種方法以便于把形成的氣泡分離走;例如，曾把薄膜表面做成流水性的，以便使氣泡的尺寸最小，同時防止粘附在膜上。此外，還知道對電極表面設(shè)置一種縱向花紋。例如，EP159，138歐洲專利公開的一種電極具有一種花紋能適當(dāng)?shù)乜焖偃コ纬傻臍馀?，這個電極包括有多層薄板，但電極表面有壓紋。
在薄膜電解槽中制備氯氣的另一已知問題是氫氧化鈉通過離子選擇膜的遷移問題。在最靠近陽極附近形成的堿性膜對陽極催化劑以及支撐陽極的結(jié)構(gòu)帶來很不利的影響。
從水銀生產(chǎn)過程的氯-堿電解法可知，更加適度地促進循環(huán)措施可極大地節(jié)能。借助于使電極的幾何圖形最佳化和應(yīng)用鈦做的薄主軌在電極間隙中靠形成的氯氣泡可使鹽水加強循環(huán)。在氯酸鹽和水的電解中，電解槽和電極采用的方式，使得利用氯氣泡的浮力產(chǎn)生對過程有利的電解質(zhì)循環(huán)。
如權(quán)利要求中所敘述的本發(fā)明涉及到的一種電極，它具有改進的電極幾何形狀，導(dǎo)致快速去除所形成的氣體，并改進電解質(zhì)循環(huán)，而其次的效果便是相當(dāng)大地擴大了電極表面，此外，本發(fā)明關(guān)系到制備該電極和使用它的方法。這種電極主要用于薄膜電解槽的電解中，這里，特別是改進形成的氣泡的排除和在薄膜和陽極間交接面之間電解質(zhì)的循環(huán)，但它對其它型式的電解過程也是有利的。電化學(xué)回收金屬和從稀溶液中電解回收氣體，例如從海水中回收氯氣，在這些應(yīng)用實例中利用改進電極的幾何形狀而增加了效果。
該電極包括一個導(dǎo)電金屬，其表面被換壓成多個定位在中央的環(huán)流溝槽和向上引導(dǎo)的溝槽，該溝槽與定位在中央的環(huán)流溝槽相溝通，必要時，它可以開縫或設(shè)洞。由于電極的這種結(jié)構(gòu)，在膜和電極表面之間的間隙中可獲得各薄膜過程中不均等的電解質(zhì)循環(huán)，該間隙對此過程是十分嚴格的。除了快速提供電解質(zhì)之外，還能有效地排除所形成的氣體。此外，由于氫氧化鈉遷移而形成的堿性膜被快速流動的電解液沖淡。
在電極表面上的壓紋，使金屬表面具有一層微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)與各紋槽的間隔有關(guān)，并和各槽的尺寸有關(guān)，這樣，在各種薄膜電解法中所用的各薄膜不會向阻礙氣流的范圍彎曲。由壓紋得到的微結(jié)構(gòu)意味著有一個較大的電極表面，從而減少電極勢能，除了改進性能外，電極的緩和運行，而延長了使用壽命。
所推薦的壓紋造成電極表面擴大到大約2～3倍，它使電極勢能減少到各不相同的程度，這取決于電解過程的性質(zhì)和產(chǎn)生的電極反應(yīng)。擴大表面有利于氣體形成的電極中所期望的電極反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生，這意味著該類型的氣體發(fā)生決定于電極的幾何形狀，例如，從含有其它陰離子的淡氯化物溶液中析出氯優(yōu)先于析出其它氣體，所用的溶液比工業(yè)生產(chǎn)氯和氯酸鹽常用的溶液稀，這時上述效果更為顯著。因此，擴大表面有助于減小陽極上的二次反應(yīng)。
魚刺形花紋由從一個中央循環(huán)溝槽向上發(fā)射的各溝槽組成，這些向上引導(dǎo)的溝槽與電極表面的平面中一條水平線形成一個角度，但這些槽不是垂直地導(dǎo)向，而與該水平線的角度不應(yīng)小于90℃，該角度的合適范圍在10～70°之間，30～60°之間較佳。這些向上引導(dǎo)的槽的斷面可以是三角形或U形，形成魚刺形花紋的這些溝槽的尺寸和緊密度不是嚴格的，可由熟悉本技術(shù)的人員選擇，只要在電極表面上的花紋大小和間隔能構(gòu)成一種微結(jié)構(gòu)即可。例如，槽的深度/寬度可選擇在0.3～1.0毫米之間，所述各槽的間隔可為0.2～2毫米，通過這些傾斜的、向上引導(dǎo)的窄槽，蓄積的氣體可順其上升，并被未反應(yīng)的鹽水置換。
該中央循環(huán)槽的導(dǎo)向是垂直向上的，中央循環(huán)槽可以設(shè)置一些縫隙或孔洞，視電極應(yīng)用的場合而定，通過縫隙或孔洞可使槽與電極后面上的自由循環(huán)的電解質(zhì)溝通?？p或洞的數(shù)目、尺寸大小以及其形狀可在寬度極限范圍內(nèi)選定，例如，各縫隙可以是槽長的20～60%對于循環(huán)槽的尺寸不苛求，容易由工作于本技術(shù)領(lǐng)域的人員根據(jù)電極應(yīng)用的場合和其外觀進行選定，深度/寬度以0.2～0.8毫米較合適，各中央循環(huán)槽的間隔可為5～15毫米。
按照本發(fā)明提供的魚刺形花紋可在電極制造過程中模壓成，或在現(xiàn)有的電極上壓制成，這樣一來就提高了電極的工作性能，在不同外觀的和不同應(yīng)用領(lǐng)域的各種電極上都可以壓上花紋。
常用于薄膜電解槽中的一個電極是由垂直的彎曲薄片構(gòu)成，它們模壓在相同形狀的金屬(例如鈦)片上，這些薄片有魚刺形花紋和帶有許多縫或洞的循環(huán)溝槽。
常用于薄膜電解槽中的另一種電極是活動百葉窗電極，它由一種金屬(例如鈦)做的所謂魚鱗形片構(gòu)成，這種金屬片被壓成水平的和并列的電極薄片，也稱作魚鱗片電極。據(jù)上述按照本發(fā)明模壓的魚刺形花紋可獲得改進的效果。因為電極薄片是水平的，以及各循環(huán)槽的花紋是豎向排列的，所以眾多的魚刺形花紋為并非地布置在每一薄片上，最好是整片都被該花紋覆蓋。每道魚刺形花紋將被一條中央循環(huán)槽與其相鄰的一道花紋分界成這種形狀，即向上引導(dǎo)的各溝槽都從一條中央循環(huán)槽處上升，并終止于該中央循環(huán)槽處。由于該電極應(yīng)用于一個薄膜電解槽中，所以循環(huán)槽上設(shè)有多個孔洞或縫隙。
但是，當(dāng)花紋被加到用于薄膜電解槽中的一個多孔板電極或多孔金屬網(wǎng)電極時，該中央循環(huán)溝槽就不必設(shè)置這些孔或縫，因為電解質(zhì)可以從板的這些孔中流通。同樣，在板狀電極上，也可以如上述方式并排地施加上一些花紋。
在另其它電解方法中，例如用電能法從鹽水中回收氯氣或回收各種金屬，在電極上施加花紋可不在循環(huán)槽中設(shè)孔或開縫，因為這種孔對這些方法無用。通常在這些方法中所用的電極是由許多平行的棒電極組成一較大的單元，每根棒的四周都設(shè)有魚刺形花紋。
本發(fā)明所提供的模壓花紋可用幾種不同的方法來實現(xiàn)。例如，可用一個模具沖壓而成，也可用一個帶花紋的輥滾壓出花紋。當(dāng)在現(xiàn)有的各種電極上模壓花紋時，這些電極在模壓操作之前應(yīng)適當(dāng)?shù)厮嵯椿虼迪?。對具有活性催化劑覆層的各種電極應(yīng)在模壓后涂上一層新覆層。
在各循環(huán)槽中的縫或孔可用常規(guī)的切割和/或激光處理來做成。另外，用機械方法或光化學(xué)方法來制孔也是可行的。
電極是由導(dǎo)電的金屬或合金制成的，金屬或合金的選擇取決于該電極準備用作陽極或用作陰極，也與電解質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。例如，用氯化鈉溶液作為電解質(zhì)，并且電極用作陽極，則該電極適于用鈦或其它的電子管金屬(例如鈮、鉭、鎢或鋯，或以這些金屬為基的合金)制成。鈦或鈦的各種合金適宜做陽極材料。
按照普通慣例，陽極上設(shè)有一層起催化作用的活性材料覆層，這種材料可由一種或多種鉑族金屬或該族金屬的合金組成，銥和釕特別合適。
當(dāng)電極用作陰極而且電解質(zhì)為氯化鈉溶液時，該電極可由鎳、鐵或其它耐堿金屬構(gòu)成，陰極通常也具有一層起催化作用的活性覆層。
根據(jù)電解槽的設(shè)計，電極可安排成多極或雙極。
電解槽中包括許多陽極和陰極，其數(shù)目決定于所期望的容量，當(dāng)電解槽為薄膜電解槽時，最好是用壓濾器型。
現(xiàn)結(jié)合下述附圖闡述本發(fā)明較佳實施例。


圖1-5說明模壓在一個電極上的魚刺形花紋，電極由模壓的平薄片或凸面薄片構(gòu)成;
圖6-7表示模壓在各魚鱗片狀電極上的魚刺形花紋，其中的魚鱗狀片是水平排列的;
圖8-9表示模壓在一種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)電極的一個棒狀電極元件上的魚刺形花紋;
圖10-13表示模壓在一個多孔電極和一個由金屬網(wǎng)作的電極上的魚刺形花紋。
圖1為前視圖，詳示出金屬板壓制成的垂直金屬薄片組成的一個電極，該薄片或是平的或是凸面的，每個薄片上設(shè)有向上引導(dǎo)的多個溝槽(1)，以及一個中央循環(huán)溝槽(2)。該循環(huán)槽(2)有一些孔或縫(3)，各溝槽(1)和(2)形成魚刺形花紋。圖2表示圖1上的壓紋的放大視圖。圖3表示沿圖2剖線A-A的一個平薄片的斷面圖，圖4表示同一斷面圖，但該薄片是凸面的。圖5表示沿圖2的剖線B-B的斷面圖，從其中可看出各向上引導(dǎo)的溝槽的輪廓。在所有的圖中，標號(1)，(2)和(3)分別指示其中的向上引導(dǎo)的溝槽、中央循環(huán)槽和孔或縫。
圖6是前視圖，詳示一個魚鱗片型電極，各魚鱗片是水平排列的，是在一金屬片上壓制出的。每個魚鱗片是斜的，從圖7可看清楚，它是沿圖6中線B-B的斷面圖。各魚鱗片為水平排列而且模壓的花紋為豎向排列，這時許多的魚刺形花紋與所屬的各循環(huán)槽將是并排地施加上的，從圖6可清楚看到。
圖8和9表示一個棒狀電極元件，它的四周設(shè)置了一道中央循環(huán)溝槽(2)和多道向上引導(dǎo)的溝槽(1)。圖9是前視圖，示出一個電極元件的細部，且圖8為沿圖9中線A-A的斷面圖。
圖10是一個前視圖，詳示出一個多孔金屬片的細部，在其上已經(jīng)施加了許多伴隨各中央循環(huán)槽(2)的向上引導(dǎo)的溝槽(1)，在該多孔板上的多個孔由標號(4)指定。圖11是沿圖10中線A-A取的一個斷面。圖12為前視圖，表示模壓有本發(fā)明的花紋的一個金屬網(wǎng)詳圖。最后，圖13是沿圖12中線A-A截取的一個斷面，標號(1)和(2)具有同其它各圖的相同意義，以及標號(4)指示金屬網(wǎng)內(nèi)的各個孔。
雖然該較佳實施例示出了具有對稱的、向上引導(dǎo)溝槽的魚刺形花紋，但本發(fā)明不受此限。該向上引導(dǎo)的各溝槽在與其中央循環(huán)溝槽的關(guān)系上也可以是非對稱的。
權(quán)利要求
1.電解用的電極，其特征為，該電極包括一種導(dǎo)電金屬，電極的表面上有至少一個垂直的中央循環(huán)槽(2)和向上引導(dǎo)的多個溝槽(1)成為魚刺形花紋，該向上引導(dǎo)的各溝槽(1)與電極表面的平面中一條水平形成一個小于90°的角度，并且與中心定位的、垂直方向的循環(huán)槽(2)相溝通。
2.如權(quán)利要求1的電極，其特征為，該循環(huán)槽(2)上設(shè)有多個穿透的縫或孔(3)。
3.如權(quán)利要求1的電極，其特征為，該向上引導(dǎo)的各溝槽的斷面呈三角或U形。
4.如權(quán)利要求1和3的電極，其特征為，它由一個多孔金屬薄板組成，或由一個金屬網(wǎng)板構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1-3的電極，其特征為，它由具有垂直的或水平的并列薄片的一個薄金屬板組成。
6.如權(quán)利要求1和3的電極，其特征為，它由裝配成一個單元的多個并列的金屬棒構(gòu)成。
7.按照權(quán)利要求1-6制造一個電極的方法，其特征為，在該電極的表面上壓上至少一道中央的垂直循環(huán)槽(2)和向上引導(dǎo)的多道溝槽(1)成為一種魚刺形花紋，該向上引導(dǎo)的各溝槽(1)與該電極表面的平面中一條水平線形成一個小于90°的角度，并且與該中央定位的、垂直向的循環(huán)槽(2)相溝通。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其特征為，在該循環(huán)槽(2)上設(shè)置多個縫或孔(3)。
9.按照權(quán)利要求7的方法，其特征為，所述的壓紋是采用一個模具壓制而成的。
10.按照權(quán)利要求7的方法，其特征為，所述的壓紋是采用一個帶花紋的輥滾壓而成的。
11.按照權(quán)利要求8的方法，其特征為，各循環(huán)槽上的多個縫或孔(3)用切割和/或激光做成，或用機械方法或光化學(xué)方法做成。
12.按照權(quán)利要求7的方法，其特征為，該電極是一個現(xiàn)有的電極。
13.按照權(quán)利要求1-15的一個電極是在一薄膜電解槽中進行電解所用的。
14.按照權(quán)利要求1、2和6的一個電極是電化學(xué)回收金屬所用的。
15.按照權(quán)利要求1的一個電極是從海水中回收氯氣所用的。
全文摘要
電解用的電極包括一個導(dǎo)電金屬，其表面壓有至少一中央豎立的循環(huán)槽(2)和向上的引導(dǎo)的槽(1)構(gòu)成魚刺形花花，各向上的引槽(1)與電極表面的平面中的水平線＜90°角，并與豎向循環(huán)槽(2)溝通。循環(huán)槽(2)可設(shè)置許多穿透縫或孔(3)。電極可用于薄膜電解槽中電解，以電化學(xué)回收金屬或從海水中回收氯氣?？捎靡荒＞咴陔姌O表面上模壓，或用一帶花紋的輥滾壓而制成帶所述壓紋的電極。
文檔編號C25B11/03GK1048732SQ90104620
公開日1991年1月23日 申請日期1990年7月13日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月14日
發(fā)明者安德斯·烏爾曼 申請人:帕馬斯坎德公司