Электролизер для получения неорганических перекисных соединений
Техническое решение относится к электрохимической технологии получения окислителей перекисного типа, в частности, в производстве персульфата аммония и разбавленных щелочных растворов перекиси водорода, а также в современных сорбционных технологиях водоочистки, водоподготовки. Сущность полезной модели состоит в том, что на внутренние стороны электропроводного корпуса электролизера, выполненного из 2-х половин нанесены каталитически активные покрытия, а на внешние стороны электропроводного корпуса элементы для подвода тока в виде полых плоских камер с шинами. Внутренняя сторона электропроводного корпуса, являющаяся катодом из Ni, подвергалась электроискровому или электроконтактному легированию для создания микрорельефа и на такую поверхность накладывался слой Ni сетка + слой углеграфитового волокнистого материала + слой Ni сетки + слой Ni стружки. На внутреннюю сторону электропроводного корпуса, являющуюся анодом из Ti припаиваются полоски Pt фольги, в том случае, если анод выполняется из Ni, на него наносятся полоски модифицированного стеклоуглерода. Озон-кислородная смесь, получаемая на аноде, может быть повернута в катодное пространство для интенсификации катодного процесса. В режиме получения на аноде О3 -O2 и подачи ее в катодное пространство электролизер может быть использован для очистки сточных вод. На катоде вместо пожаро- и взрыво-опасный Н2 образуется Н2 O2. Таким образом, в электролизере можно одновременно получать 2 продукта, либо проводить 2 процесса, один из которых интенсифицирует другой. Это приводит к повышению ресурсе- и энергоэффективности заявленного устройства.
Техническое решение относится к химическому машиностроению, в частности, к технологии электрохимических производств и к конструкции электролизеров для получения неорганических перекисных соединений - озона, персульфата аммония, перекиси водорода и получения модифицированных возобновляемых поверхностных структур углеграфитового волокнистого материала (УГВМ), стеклоуглерода (СУ-2000) и кремния.
Известен [А.с. СССР N 167492 С25В 9/00, 11/02, Аджемян Ц.Н. и др.] электролизер для промышленного получения надсерной кислоты и ее солей с платиновыми анодами в виде окантованной сетки и с охлаждаемыми пропитанными графитовыми катодами. Платиновая окантованная сетка соединена короткими платиновыми штырями с металлическими шинами, защищенными от воздействия электролита обкладками из коррозионно-стойкого материала. Для создания высокой объемной плотности тока анод электролизера помещают в узкую винипластовую раму, окна в которой закрыты прикрепленной к ней силикатированной микропористой диафрагмой плоскими параллельными полосками. В данной конструкции электролизера сливной нипель для анолита расположен несколько ниже сливного ниппеля для католита, что несколько повышает выход по току надсерной кислоты. Электродные элементы помещены в корпус, снабженный крышкой, имеющей бортовой отсос, что предотвращает выделение вредных продуктов в атмосферу. Существенным недостатком данной конструкции электролизеров является значительные эксплуатационные расходы, в частности, расход дорогостоящей валютной платины.
Известен ["Химия и технология перекиси водорода" под редакцией Г.А.Серышева, Изд-во Химия, Л. 1984 г.] промышленный электролизер с охлаждаемым титан-платиновым анодом для получения растворов надсерной кислоты и ее солей. В корпус электролизера, состоящего из винипластовой прямоугольной коробки, помещают охлаждаемый титан-платиновый анод и катод из графитовой плиты. Охлаждаемый титан-платиновый анод имеет вид плоской коробки, изготовленной из титана. Внутри которой проходят две токопроводящие шины из алюминия. Выступающая из коробки часть алюминиевых шин облицована листовым титаном и образует каналы для подачи и слива охлаждающей воды. Для улучшения условий распределения тока по поверхности анода внутри имеются алюминиевые гребенки, которые приварены к алюминиевым токоподводам и титановой коробке. Гребенки также выполняют роль направляющих охлаждающей воды. К наружным стенкам коробки приварены полоски платиновой фольги шириной 3-4 мм. Отношение площади, занятой платиной, к площади титана составляет 1:4. Титан-платиновый анод-холодильник помещен в винипластовую ячейку. Ячейка имеет верхний и нижний щтуцеры для анолита и газоотделительную воронку в верхней части. Боковые стороны ячейки закрыты силикатированными винипоровыми диафрагмами, армированными стеклосеткой. Объем анодной ячейки 4 л., объемная плотность тока 500 А/л.
Катод - графитовая плита, склеенная из четырех блоков, пропитанных формальдегидной смолой. Катод помещен в чехол из хлорвиниловой ткани, прикрепленной к винипластовому колоколу для сбора катодного газа. В верхней части колокола имеется ниппель для выхода водорода. Для фиксации хлориновой диафрагмы на поверхности графитового катода приклеены винипластовые полоски или прутки. Торцовые стороны катода облицованы винипластом и образуют боковой и нижний каналы для циркуляции электролита. Токоподвод к катоду осуществляется через медные луженые шины.
Электродный пакет из шести или семи анодных ячеек и семи или восьми катодов соответственно помещен в винипластовый корпус, имеющий каналы бортового отсоса и коллектор для сбора катодного газа. На торцевой стенке корпуса на кронштейне укреплен коллектор для подачи в аноды охлаждающей воды. На противоположной торцевой стенке имеется коллектор отработанной воды. Электролит поступает в корпус электролизера по трубке или карману, не доходящему до дна электролизера, и затем с зеркала электролита через переливную трубку подается в нижнюю часть первой анодной ячейки.
Существенные недостатки данных конструкций электролизеров состоят в сложности конструкции, высокой материалоемкости, высоких капитальных и эксплуатационных затратах, их высокой стоимости изготовления, в образовании пожаро-взрывоопасного молекулярного водорода, в получении только одного окислителя.
Наиболее близким решением к предлагаемому по технической сущности является [Патент SU 1618281 С25В 9/00, Хельмут Шмит и др.] электролизер для получения хлора, содержащий ячейки, каждая из которых состоит из электропроводного корпуса, состоящего из двух половин, соединенных с помощью рамного уплотнения, между которыми размещена мембрана, в каждой из половин корпуса размещены плоские электроды, установленные параллельно торцовым стенкам корпуса, элементы для подвода тока к ним, а также ниппели для подачи реагентов и отвода продуктов электролиза. С целью снижения расхода электроэнергии за счет создания оптимального распределения тока по поверхности электродов, элементы для подвода тока выполнены в виде набора плоских параллельных одна другой решеток, установленных между электродом и торцовой стенкой корпуса перпендикулярно их поверхности, а на внешней стороне корпуса конгруэнтно плоским решеткам размещены плоские контактные шины, причем контактные шины прилегающих ячеек установлены одна напротив другой.
Техническая задача изобретения -
- упрощение конструкции электролизера;
- увеличение объемной плотности тока;
- увеличение удельной производительности;
- снижение материалоемкости, энергоемкости и эксплуатационных затрат;
- обеспечение экологической, пожаро- и взрыво-безопасности;
- расширение ассортимента выпускаемых окислителей.
Технический результат изобретения состоит в том, что разработанная конструкция обеспечивает новые отличительные признаки, определенные формулой изобретения.
Предлагаемая конструкция электролизера с диафрагмой дана на фиг.1.- вид с боку, а на фиг.2 - вид сверху.
Как видим из фиг.1 - электролизер с диафрагмой состоит из следующих элементов: анодного комплекта устройства - 1, катодного комплекта устройства - 2, которые при сборке электролизера образуют корпус. На аноде образуются или надсерная кислота или персульфат аммония или озон в зависимости от состава анолита и материала анода. На катоде в растворах гидроксида натрия, насыщенных озон-кислородной смесью образуется перекись водорода. По периферии анодного и катодного комплектов размещены электроизоляционные герметизирующие прокладки-рамы, сжимаемые при стяжке анодного и катодного комплекта. Между герметизирующими электроизоляционными прокладками-рамами помещается или фильтрующая диафрагма или ионообменная мембрана-3.
Анодный комплект-2 представляет собой плоскую полую охлаждаемую коробку, выполненную из титанового листа толщиной 3-5 мм. или из никелевого листа толщиной 3-5 мм. К внутренней стороне - 6 точечной сваркой приваривается платиновая фольга или припаиваются полоски модифицированного стеклоуглерода, а к внешней стороне приваривается токоподвод - 7.
Катодный комплект-1 представляет собой тоже плоскую полую охлаждаемую коробку, выполненную из никелевого листа толщиной 3-5 мм. На внутренней стороне-4 которой создается электрокаталитически активное покрытие, состоящее из слоя Ni сетки+слоя углеграфитового волокнистого материала+Ni стружки+слоя Ni сетки. К внешней стороне приваривается токоподвод-5.
В предлагаемой конструкции в отличии от прототипа, где в корпусе размещены анод и катод, корпус предлагаемого электролизера состоит из 2-х половин, с нанесенными электрокатализаторам, являющихся электродами. Такое техническое решение упрощает конструкцию электролизера, увеличивает объемную плотность тока и позволяет существенно снизить напряжение на электролизере.
Токоподвод в прототипе выполнен в виде набора плоских параллельных решеток, установленных между электродом и торцевой стенкой корпуса перпендикулярно их поверхности, а контактные шины размещены на корпусе. В предлагаемой конструкции подвод тока осуществляется приваренной по периметру внешней стороны электропроводных половин корпуса электролизера полой коробкой с контактными шинами -5,7. В данном техническом решении исключается набор плоских параллельных решеток, что упрощает конструкцию, снижает материалоемкость предлагаемой конструкции. Полые коробки -1, 2 выполняют еще и функцию охлаждающей-подогревающей электролит рубашки, что также является отличительным признаком предлагаемой конструкции.
Данное конструктивное решение является отличительным признаком предлагаемой конструкции - электропроводные половины корпуса электролизера служат электродами, токоподвод осуществляется через внешнюю сторону корпуса. Все это обеспечивает минимальное падение напряжения в электродах и электролите, равномерное распределение тока по поверхности электродов, высокие объемные плотности тока, а также обеспечивает жесткость конструкции, отвод джоулева тепла. Таким образом, существенно снижаются капитальные и эксплуатационные затраты. В предлагаемой конструкции для обеспечения надежного токоподвода между никелем и углеграфитовым волокнистым материалом поверхность никеля подвергается электроискровому легированию, что обеспечивает шероховатость и уже на такую поверхность накладывался слой никелевой сетки, никелевой стружки и углеграфитового волокнистого материала. Такое техническое решение позволяет снизить потери перенапряжения на катоде т.е. снизить расход электроэнергии и является еще одним отличительным признаком предлагаемой конструкции электролизера. В разработанной конструкции форма комбинированного катода сложная.
На фиг.3 представлен разрез катода: на внутреннюю часть электропроводного корпуса, состоящего из Ni листа, толщиной 3-5 мм, после предварительного электроискрового или электроконтактного легирования, накладывался слой Ni сетки, далее накладывался слой углеграфитового волокнистого материала (УТВМ), затем снова накладывался слой Ni сетки и, наконец, слой Ni стружки. В разработанной конструкции использование вместо обычно применяемых свинцовых или графитовых катодов такого комбинированного катода Ni+УГВМ - новое техническое решение, позволяющее дополнительно на катоде получать растворы перекиси водорода взамен молекулярного водорода. Таким образом, расширить ассортимент выпускаемых неорганических перекисных соединений, снизить эксплуатационные затраты.
Еще одним отличительным признаком разработанной конструкции является размещение во всем пространстве между Ni катодом и фильтрующей диафрагмой или ионообменной мембраной засыпки из Ni стружки или проволоки, имеющей упругие свойства для поддержания при постоянном и равномерно распределенном поджатии электродных поверхностей катода к диафрагме, что снижает напряжение на электролизере за счет минимального расстояния между электродами, а также обеспечивает равномерное распределение плотности тока по всей поверхности.
Анодный и катодный комплект разделены или фильтрующей диафрагмой или катионообменной мембраной тип МФ-4СК, которые крепятся в герметизирующей раме-каркасе из поронита. Расстояние между анодом и диафрагмой, катодом и диафрагмой не более 5-7 мм, что позволяет максимально снизить омические потери в электролите. Укрепление и уплотнение анодного комплекта, диафрагмы, катодного комплекта производится при помощи изоляционных втулок и шайб из текстолита - 14 и металлических гаек. В разработанной конструкции электролизера предусмотрены ниппели: 8, 9 - вход и выход соответственно охлаждающей воды, 10 - выход анолита, 11 - выход католита, 15 - вход потока О3-O2 смеси, 12, 13- выход анодных и катодных газов, а также используется для залива соответственно анолита и католита. Газоотводящие трубы - 12, 13 имеют такой наклон, по которому в электролизер легко стекает конденсат, содержащий брызги электролита с захваченным газом. Разработана конструкция модуля электролизера на токовую нагрузку до 100 А, однако, он легко может быть масштабирован на большие токовые нагрузки.
1. Электролизер для получения растворов неорганических перекисных соединений, включающий электропроводной корпус, выполненный из 2-х половин, соединенных с помощью рамного уплотнения, в котором размещена мембрана, а в каждой из половин корпуса размещены плоские электроды, элементы для подвода тока к ним, ниппели для отвода продуктов электролиза и подачи реагентов, отличающийся тем, что на внутренние стороны электропроводного корпуса нанесены каталитически активные покрытия, а на внешние стороны электропроводного корпуса монтируют элементы для подвода тока в виде полых плоских камер с шинами.
2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что внутренняя сторона электропроводного корпуса, являющаяся катодом из Ni, подвергают электроискровому или электроконтактному легированию для создания микрорельефа.
3. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что на внутреннюю сторону электропроводного корпуса, являющегося катодом из Ni, накладывают слой Ni сетка + слой углеграфитового волокнистого материала + слой Ni сетки + слой Ni стружки.
4. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что на внутреннюю сторону электропроводного корпуса, являющуюся анодом из Ti, припаивают полоски стеклоуглерода.
5. Электролизер по п.3, отличающийся тем, что отсутствует прямая подача О3-О2 смеси в катодное пространство из анодного.
