182493. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és elektrolizáló cella elemi halogén előállítására halogéndionokat tartalmazó vizes oldatokból
3 182493 4 A találmány tárgya eljárás és elektrolizáló cella elemi halogének előállítására halogenidionokat tartalmazó vizes oldatok elektrolizálása útján. A találmány szerinti elektrolizáló cella oxigénnel depolarizált katóddal van ellátva. Eddig is ismeretesek voltak klór előállítására szolgáló olyan elektrolizáló cellák, amelyek el voltak látva iontranszportot lehetővé tevő membránokkal. Ezek a membránok tehát biztosítják az anód és a katód között az iontranszportot, ugyanakkor meggátolják a katolitot és az anolitot tartalmazó kamrák, azaz az anódtér és a katódtér közötti folyadéktranszportot. Az ilyen cellákban végzett klór-előállításhoz azonban nagy cellafeszültségre és jelentős energiafelhasználásra van szükség. Kifejlesztettünk tehát egyrészt egy olyan eljárást és elektrolizáló cellát, amellyel, illetve amelyben egy halogénhidrogén vizes oldatát, például hidrogén-klorid vizes oldatát, azaz vizes sósavoldatot elektrolizálunk, amikor a cella anódján egy elemi halogén, például klór fejlődik. Az alkalmazott cella egy kationcserélő membránt és katalitikus elektródokat tartalmaz, az utóbbiak pedig közvetlen kapcsolatban vannak az iontranszportot biztosító membrán felületével. Elektródként rendszerint egy fluorszénhidrogénnel, például politetrafluoretilénnel kötött grafitelektródokat alkalmazunk, amelyek platinacsoportba tartozó fémek termikusán stabilizált redukált oxidjaival, például ruténiumvagy iridium-oxiddal vannak aktiválva, szelepfémek, például titán vagy tantál szemcsés oxidjaival kombinációban. Ezek a katalitikus anódok és katódok tapasztalataink szerint különösen ellenállóképesek egyrészt a korrozív, hidrogén-klorid tartalmú elektrolittal, másrészt az anódon fejlődő klórgázzal szemben. A találmány szerinti eljárás lényegesen kedvezőbb a gyakorlatban eddig alkalmazott eljárásoknál, hiszen például lehetővé teszi a cellafeszültség 0,5—1 V nagyságrendű csökkentését. A találmány tárgya továbbá olyan eljárás és elektrolizáló cella, amellyel, illetve amelyben egy vizes alkálifém-halogenid oldatot, például vizes nátrium-klorid-oldatot elektrolizálunk, olyan anódot és katódot alkalmazva, amelyek közvetlenül érintkeznek egy ioncserélő membrán ellentétes oldalaival. Ezt a közvetlen kapcsolatot előnyösen úgy biztosítjuk, hogy az elektródokat a membrán felületéhez rögzítjük. Az elektródok és a membrán közötti közvetlen kapcsolat, valamint az elektródokban alkalmazott rendkívül hatékony elektrokatalizátor együttes hatásának eredményeképpen vizes alkálifém-halogenid-oldatok igen hatékonyan elektrolizálhatók olyan cellafeszültségeken, amelyek az eddig a gyakorlatban alkalmazott eljárásokénál 0,5—0,7 V-tal alacsonyabbak. A fentiekben említett, halogenidionokat tartalmazó vizes oldatokból klór vagy más elemi halogén felszabadítására szolgáló eljárások végrehajtása során a kátédon hidrogéngáz fejlődik. A vizes hidrogén-klorid-oldatok, azaz sósavoldatok elektrolizálása során a hidrogénionok az anódtól a membránon át a kátédhoz vándorolnak és ott hidrogéngázzá redukálódnak. A nátrium-klorid-oldatok elektrolizálása során a víz hidroxilionokat és a katódon hidrogéngázt képezve redukálódik. Felismertük, hogy a cellafeszültség lényegesen tovább csökkenthető, mégpedig 0,6—0,7 V-tal, ha megszűntetjük a katódon a hidrogéngáz fejlődését. Miként ezt a későbbiekben még részletesen ki fogjuk fejteni, a hidrogéngáz fejlődésének megszűnését a katód oxigénes depolarizálásával érjük el. Az utóbbi hatására a katódon gázhalmazállapotú hidrogén helyett savas közegben víz képződik. Tekintettel arra, hogy a vízképződéshez vezető 02/H+ reakció jóval anódosabb, mint a H+/H2 kisülési reakció, a cellafeszültség lényegesen, 0,5 V-tal vagy még ennél is nagyobb értékkel csökken. Ezt az eredményt azáltal érjük el, hogy a katalitikus elektródok legalább egyikét közvetlenül a membránhoz kapcsoljuk. A találmány értelmében tehát halogéneket, így például klórt vagy brómot halogénhidrogének vizes oldatai, például vizes sósavoldat vagy pedig vizes alkálifém-halogenid-oldatok, például vizes nátrium-klorid-oldat elektrolizálása útján, az elektrolizáló cella anódján állítunk elő, olyan elektrolizáló cellát használva, amelyben a katódfolyadékot (röviden katolitot) és az anódfolyadékot (röviden anolitot) tartalmazó kamra között ioncserélő membrán van. Vékony pórusos gázáteresztő katalitikus elektródok kapcsolódnak közvetlenül az ioncserélő membránhoz úgy, hogy az elektródok közül legalább az egyik az ioncserélő membránhoz közvetlenül rögzítve van. A katódot rajta oxigéntartalmú gázáramot átvezetve de polarizáljuk, így a hidrogéngáz fejlődését meggátoljuk. Következésképpen a halogenidelektrolízishez szükséges cellafeszültséget lényegesen csökkentjük. A katódot hidrofób anyagból, így például politetrafluoretilénből („Teflon” márkanéven ismert) vagy politetrafluoretilént tartalmazó pórusos anyagból álló réteggel vonjuk be. Ez a réteg meggátolja egy olyan vízréteg kialakulását, amelynek hatására az oxigén nem tudna a katalitikus helyekre eljutni. A hidrofób rétegben sok, egymással kapcsolatban nem álló pórus van; ezek a pórusok a vízréteget vagy vízfilmet megtörik és a katódhoz vezetett gázáramban levő oxigént a katódhoz jutni hagyják, miáltal a katód depolarizálódik és a hidrogéngáz fejlődése nem vagy csak csökkentett mértékben megy végbe. A katalitikus elektródok olyan katalitikus anyagot tartalmaznak, amely legalább egy platinacsoportbeli fém olyan redukált oxidját tartalmazza, amely redukálás után oxigéngáz jelenlétében végzett hevítés útján stabilizálva lett. Egy előnyös kiviteli alak szerint az elektródok egy fluorszénhidrogén, például politetrafluoretilén szemcséit tartalmazzák, amelyek a platinacsoportbeli fém redukált és termikusán stabilizált oxidjával szoros kapcsolatban vannak. Az alkalmazható platinacsoportbeli fémekre példaképpen a platinát, palládiumot, irídiumot, rádiumot, ruténiumot és az ozmiumot említhetjük. Elemi klór előállítása céljából a platinacsoportbeli fémek redukált oxidjai közül a ruténium vagy az iridium redukált oxidja az előnyös. Az elektrokatalizátor lehet egyetlen platinacsoportbeli fém redukált oxidja, például redukált ruténium-oxid, iridium-oxid vagy platinaoxid. Vizsgálataink szerint azonban a platinacsoportbeli fémek redukált oxid-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
