[發明專利]用于鹽溶液去極化電滲析的槽

有效

• 申請號: 201280015622.0
• 申請日: 2012-03-28
• 公開（公告）號: CN103459674B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: G·費塔
• 申請（專利權）人: 德諾拉工業有限公司
• 主分類號: C25B1/16
• 分類號: C25B1/16;C25B1/22;C25B5/00;B01D61/42
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 唐偉杰

發明領域

本發明涉及借助于氣體擴散電極去極化的鹽溶液電滲析槽。

發明背景

旨在獲得有關酸和堿的鹽溶液電滲析可以在三室電化學槽中進行，其中中央室借助兩個離子交換膜與陽極室和陰極室分開，這兩個離子交換膜對應地是陰離子交換膜和陽離子交換膜。來自于送到中央室的鹽的解離的離子種類在電場作用下穿過對應的膜遷移，使得在陽極室內產生有關酸，并且在陰極室內產生對應的堿。陽極室還配備有一個在其表面上發生氧氣析出的陽極，同時陰極室配備有一個在其上發生氫氣析出的陰極。這項技術的可能應用之一是例如伴隨硫酸和燒堿的產生的硫酸鈉溶液電滲析，作為最常見的通過氯化鈉鹽水電解來產生燒堿的替代方案。這種方法可以應用于不需要氯氣的燒堿消耗場所（在這種情況下會構成難以處理和儲存的副產物）或每當相互獨立產生氯氣和燒堿是所希望的時候。由于與總凈反應（對應于伴隨氫氣和氧氣產生的水電解）有關的電壓，并且由于在不同組件（尤其是陰離子交換膜）中的高歐姆電位降（ohmic?drop），與該過程相關的電耗仍然很高。在過去，通過將析出氧氣的陽極替換為饋送氫氣的陽極極化氣體擴散電極來減輕過度電耗問題：通過這種方式，總凈反應具有低得多的可逆電壓，這對應于在堿性環境中氫氣陰極析出與在基本上酸性的環境中的氫氣陽極消耗之間的電位差。然而這種技術也未能達到預期的成功，一方面是因為在該過程中累計的不同過電壓組件在任何情況下導致突出的能量消耗，另一方面是因為該過程難以控制，其特征在于操作電壓波動，即使在降低電流密度（2kA/m²以下）的情況下也是如此，這與以常規方式難以對饋送到陽極室的氫氣流加濕相關。不規則氫氣加濕可能導致有關膜變干，以及隨之而來的由于歐姆效應引起的操作電壓上升（有時急劇上升），或導致氣體擴散電極的部分溢流（flooding），以及隨之而來的由于氫氣供應的不適當質量傳輸引起的操作電壓上升。在溢流最嚴重的情況下，在槽極（cell?pole）處施加的電壓可以導致不可能支持消耗氫氣的陽極反應，并且導致氧氣析出突然發生，伴隨對于并非特別設計為抵抗新生態氧（nascent?oxygen）的氧化作用的氣體擴散電極的破壞效應。而且，正如對于本領域的技術人員顯而易見的，這種情況可能導致在陽極室中形成爆炸性混合物。

因此需要提供一種用于電滲析鹽溶液的新型裝置，該裝置具有更高的能效，并且同時操作更容易且更安全。

發明概述

本發明的不同方面陳述于所附權利要求書中。

在一個實施例中，本發明涉及一種用于鹽溶液電滲析的電解槽，該電解槽由三個或更多個室組成，即一個陽極室，該陽極室由一個外部陽極半殼和饋送有一種含氫燃料氣體的一個氣體擴散陽極定界；至少一個中間室，該至少一個中間室饋送有由含有酸和/或鹽的溶液組成的一種處理電解質（process?electrolyte）；一個陰極室，該陰極室由一個離子交換膜和一個陰極半殼定界，并且含有饋送有一種含氧氧化性氣體的一個氣體擴散陰極，這兩個外部半殼相互短路或通過包括一個低功率電流整流器的一個電路連接。在后一種情況下，該整流器的正極連接到陽極半殼上，而負極連接到陰極半殼上。由根據本發明的電滲析實現的總反應是氫氣與氧氣再結合而產生水，類似于在燃料電池中發生的情況，差異在于這兩個反應（陽極和陰極反應）的電動勢不用于生產電能，而僅用于完成電滲析過程。在達到一定電流密度（例如，達到2kA/m²）之前，這樣的過程可以在沒有外部電力供應（短路槽）的情況下進行，而在更高電流密度時則需要電能供應，但與現有技術的槽相比將會需要極低的電壓。諸位發明人觀察到，使用這種類型的配置，這種槽可以在本質上安全的方式下操作：在不存在（或適量存在）從外部施加到槽的電流的情況下，由于膜的部分變干或氣體擴散電極溢流而引起的可能無效率在這種情況下實際上將導致臨時電流密度以及因此產量的下降的暫時現象，而沒有在氣體擴散陽極表面上產生氧氣析出的危險現象的可能性。氣體擴散陽極和陰極可以由剛性導電材料（例如碳紙或金屬網）組成，任選地制成疏水性的（例如借助于氟化聚合物懸浮液），填充有適合有助于氣態反應物的擴散的組合物（例如碳黑或金屬粉末的混合物和氟化聚合物粘合劑的混合物）并且在至少一個外部表面上經由一種催化組合物（任選地含有鉑族貴金屬）而被活化。