Фильтрующая диафрагма для хлорного электролизера

 

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано в производстве хлора и щелочи электрохимическим способом. Фильтрующая диафрагма выполнена из двух слоев, один из которых, обращенный к катоду, содержит (масс. %): волокна из неорганического неэлектропроводного вещества - 10-40%, полимер - 4-10%, асбестовое волокно - остальное. При этом диафрагма может иметь промежуточный слой. 5 табл.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано в производстве хлора и щелочи электрохимическим способом в электролизерах с твердым катодом и диафрагмой.

Известна диафрагма (1), состоящая из асбестовых волокон (до 90%) и волокон из неорганических веществ, которые неэлектропроводны и коррозионно устойчивы, в том числе стекловолокна. Слой диафрагмы закрепляется с двух или с одной стороны мелкоячеистыми сетками для фиксации заданной толщины фильтрующей перегородки (диафрагмы), поскольку при изготовлении без сеток толщина диафрагмы будет изменяться в пределах от 2 до 6 мм. Диафрагма также может содержать полимерное вещество, в том числе волокна политетрафторэтилена.

Эта диафрагма позволяет получать хлор и щелочь с высоким содержанием целевого продукта при минимальном межэлектродном расстоянии и с повышенной плотностью тока, достигающей 20-60 А/дм². Однако при электролизе с известной диафрагмой имеет место повышенный расход электроэнергии, а содержание хлората в щелочи достигает при концентрации гидрооксида натрия 140 г/л 0,1-0,2 г/л. Кроме того, содержание хлора в хлоргазе не превышает величины 98,5 об.

Задача изобретения повышение чистоты получаемых продуктов хлора и щелочи и снижение расхода электроэнергии на проведение электролиза.

Поставленная задача решается тем, что фильтрующая диафрагма, содержащая асбестовые волокна, волокна из неорганического неэлектропроводного вещества и фторсодержащего полимера, выполнена по крайней мере из двух слоев, из которых слой, обращенный к катоду (катодный), содержит (мас.): неорганических неэлектропроводных волокон 10-40% фторсодержащего полимера 4-10% остальное асбест. Слой, обращенный к аноду (анодный), содержит (мас.): полимер 6-12% и асбест остальное. Предлагаемая диафрагма может включать промежуточный слой, который содержит (мас.): волокна из неэлектропроводного неорганического вещества 1-5% фторсодержащий полимер 4-10% асбест остальное. Соотношение масс для слоев, обращенного к аноду, промежуточного слоя и слоя, обращенного к катоду, составляет 1:( 3):(6-10) соответственно. Такая слоистая структура позволяет получать диафрагму с заданными свойствами. Так, например, при значительной интенсификации процесса электролиза необходима такая фильтрующая диафрагма, которая обеспечивала бы более высокую протекаемость слоев в сочетании с повышенной разделяющей способностью диафрагмы и снижение напряжения на нем. Прямым снижением толщины асбестовой диафрагмы достигнуть этого не удается, так как резко возрастает неоднородность фронта фильтрации электролита через пористую перегородку. Добавление неасбестовых волокон в один или несколько слоев позволяет регулировать протекаемость пористого слоя и повысить разделяющую способность фильтрующей диафрагмы с одновременным снижением напряжения на электролизере или достижением такого же напряжения, как на известной диафрагме, но с межэлектродным расстоянием 12 мм вместо 6 мм. Примеры испытаний диафрагм по предлагаемому решению представлены в таблицах 1-5, где наряду со значениями напряжения на электролизерах представлены данные по качеству электролитической щелочи и составу хлоргаза.

Пример 1.

На сетчатый катод лабораторного вертикального электролизера осаждают двухслойную диафрагму из асбестосодержащих суспензий. Суспензия для приготовления первого слоя с катодной стороны содержит (мас.): 8% фторсодержащего полимера Ф-4МБ(а) (сополимер гексафторпропилена с тетрафторэтиленом), гидрофилизированного смачивателем, 8% стекловолокна, остальное волокна асбеста. Суспензия для осаждения второго, обращенного к аноду слоя содержит (мас.): 10% полимера Ф-МБ(а) и 90% волокон асбеста. Суспензию готовят на основе электролитической щелочи состава: гидрооксид натрия 140 г/л, хлорид натрия 170 г/л, остальное вода. Осаждение первого слоя осуществляется при увеличении вакуума от 0 до 400 мм рт.ст. при осаждении второго слоя вакуум 400-450 мм рт. ст. Осаждение проводят до соотношения слоев (анодного и катодного) 1:8. Затем проводят термообработку до температуры не выше 300^oC. Диафрагму, установленную в электролизер, испытывают в растворе NaCl концентрацией 300 г/л. Состав приготовленной диафрагмы и результаты испытаний представлены в таблице 1. Испытания проводились в лабораторном электролизере при межэлектродном расстоянии 12 мм плотности тока 20 А/дм², площади анода, катода и диафрагмы 50 см².

Пример 2.

Проводят изготовление и испытание диафрагмы в соответствии с примером 1, но в опытах 2-5 (п.п. 2-5) изменяют содержание стекловолокна в интервалах 10-50% (мас.), а в опытах 6-10 концентрацию стекловолокна в катодном слое в интервалах 8-45% (мас.) при концентрации полимера 10% (мас.), в опытах 11-15 при концентрации полимера 4% (мас.). Состав катодного слоя диафрагмы и результаты испытаний приведены в таблице 1.

Пример 3.

Проводят изготовление диафрагмы, как описано в примере 1, но при содержании стекловолокна в катодном слое 10 и 30% (мас.), а содержание полимера изменяют в интервале 2-12% (мас.) (таблица 2).

Пример 4.

Проводят изготовление и испытание диафрагм по примеру 1, но при этом (п. п. 26-30) изменяют содержание полимера в анодном слое в интервале 5-12,5% (мас.). Соотношение масс анодного и катодного слоев 1:9. Катодный слой содержал 5-6% (мас.) полимера и 25-30% (мас.) стекловолокна (таблица 3).

Пример 5.

Проводят изготовление и испытание (по примеру 1) трехслойной диафрагмы, причем промежуточный слой осаждают при вакууме 400-420 мм рт.ст. а анодный - при 420-450 мм рт.ст. Раствор электролитической щелочи для приготовления пульпы промежуточного слоя такой же, как и в примере 1. Соотношение масс слоев от анода к катоду составляет 1:2:8. Катодный слой содержит 9-10% (мас.) полимера и 20% (мас.) стекловолокна, анодный слой содержит 10% (мас.) полимера.

В п.п. 31-35 промежуточный слой содержит 6% полимера, а содержание стекловолокна в нем изменяют от 0,5 до 6% (мас.). В п.п. 36-40 промежуточный слой содержит 4% (мас.) кварцевого волокна, а содержание полимера изменяют в интервале 3-12 мас. (таблица 4).

Пример 6.

Проводят изготовление трехслойной диафрагмы, как в примере 5, но изменяя соотношения масс слоев согласно таблице 5, причем катодный слой содержит (мас. ): 6-8% полимера, 20% стекловолокна, остальное асбест. Промежуточный слой содержит (мас.): 6% полимера, 4% стекловолокна, остальное асбест. Анодный слой содержит (мас.): 10% полимера в смеси с асбестом (остальное).

Пример 7.

Проводят изготовление диафрагмы по известному способу и испытывают ее одновременно в сравнительных условиях с диафрагмой по примеру 1 на лабораторных вертикальных электролизерах. При межэлектродном расстоянии на электролизерах 6 мм и плотности тока 40 А/дм² напряжение на электролизерах составило соответственно 3,75 и 3,40 В для известной и предлагаемой диафрагм; соответственно содержание хлората натрия в католите - 0,15 и 0,05 г/л (при концентрации гидрооксида натрия в католите 140 г/л).

Пример 8.

Проводят изготовление диафрагмы по известному способу и испытывают ее одновременно в сравнительных условиях с диафрагмой по примеру 1 на лабораторных вертикальных электролизерах. Диафрагма состоит из фибриллизованного волокнистого фторполимера Ф-4 взамен асбестовых волокон, в остальном состав тот же, как в примере 7.

Результаты испытаний в электролизе для известной и предлагаемой диафрагм соответственно: содержание хлората натрия в католите 0,15 и 0,05 г/л (при концентрации гидрооксида натрия в католите 140 г/л). Напряжение на электролизерах составило соответственно 3,75 и 3,35 В для известной и предлагаемой диафрагм.

Результаты, представленные в таблицах 1-5 и в примерах 7 и 8, подтверждают правомерность выбранных по предлагаемому решению интервалов концентраций компонентов и соотношений слоев, поскольку для ограниченных интервалами областей получены оптимальные структуры слоистых диафрагм, позволяющих осуществлять процесс электролиза с меньшими напряжениями и при повышенной чистоте целевых продуктов. Поскольку предлагаемая диафрагма в сопоставительных примерах 7 и 8 при межэлектродном расстоянии вдвое меньше, чем в примерах 1-6, и вдвое большей плотности тока показывает положительные результаты, то следует сделать вывод о ее преимуществе перед известной диафрагмой.

Формула изобретения

1. Фильтрующая диафрагма для хлорного электролизера, включающая асбестовые волокна, волокна из неэлектропроводных веществ и фторполимеров, отличающаяся тем, что выполнена из слоев, из которых слой, обращенный к катоду, содержит асбестовые волокна, волокна из неэлектропроводных веществ и фторполимер при следующем соотношении компонентов, мас.

Волокно из неэлектропроводного вещества 10 40 Фторполимер 4 10 Асбестовое волокно Остальное а слой, обращенный к аноду, содержит фторполимер и асбестовое волокно при следующем соотношении компонентов: Фторполимер 6 12 Асбестовое волокно Остальное 2. Диафрагма по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение масс слоев от анода составляет 1 (6 10).

3. Диафрагма по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным промежуточным слоем, который содержит волокна из неэлектропроводных веществ, асбестовые волокна и фторполимер при следующем соотношении компонентов, мас.

Волокно из неэлектропроводного вещества 1 5 Фторполимер 4 10 Асбестовое волокно Остальное
4. Диафрагма по п. 3, отличающаяся тем, что соотношение масс слоев от анода составляет 1 ( 3) (6 10).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2