182493. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és elektrolizáló cella elemi halogén előállítására halogéndionokat tartalmazó vizes oldatokból
5 182493 6 jainak keverékei vagy ötvözetei stabilabbak. így például vizsgálataink szerint rendkívül stabil egy olyan elektród, amely redukált ruténium-oxidot és legfeljebb 25 súly% redukált iridium-oxidot, előnyösen 5—25 súly% iridium-oxidot tartalmaz. Egy előnyös összetétel értelmében legfeljebb 50 súly%nyi, különösen előnyösen 10—30 súly% mennyiségben grafit is alkalmazható. A grafitnak kiváló a vezetőképessége és ugyanakkor rajta a halogéntúlfeszültség alacsony, továbbá jóval kevésbé költséges, mint a platinacsoportbeli fémek, így alkalmazásával jóval olcsóbb, de még mindig rendkívül hatékony elektród kapható. Az elektród anyagához az elektród oxigénnel, klórral és általában durva elektrolíziskörülményekkel szembeni stabilizálása céljából egy átmeneti fém (pontosabban az angolszász szakterminológia szerint egy „valve metal” — az utóbbi definícióját lásd a 3 948 751 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban), például titán, tantál, nióbium, cirkónium, hafnium, vanádium vagy wolfrám redukált oxidjai közül egyet vagy többet adhatunk. Az átmeneti fém mennyisége legfeljebb 50 súly% lehet, a 25—50 súly%-os mennyiség előnyös. A találmány jobb megértését szolgálják a csatolt rajzokon látható ábrák. Az 1. ábra a találmány szerinti eljárás foganatosítására alkalmas cella részben kitöréses távlati képe, az érthetőség kedvéért egyirányban széthúzott ábrázolásban. A 2. ábra egy cella sematikus rajza azoknak a folyamatoknak a feltüntetésével, amelyek vizes sósa voldat elektrolizálásakor a cella különböző részein végbemennek. A 3. ábra egy cella egy további kiviteli alakjának vázlatos rajza azoknak a folyamatoknak a feltüntetésével, amelyek vizes alkálifém-klorid-oldatok elektrolizálásakor a cella különböző részein végbemennek. Az 1. ábra tehát halogének, például klór előállítására szolgáló elektrolizáló 10 cella távlati képe, az érthetőség kedvéért egyirányban széthúzott ábrázolásban. A 10 cella el van látva egy, kationokra nézve permszelektív 12 membránnal, amely a 10 cellát 27 anód- és egy 13 katódra osztja. A 13 katód iontranszportot biztosító 12 membrán felső felületével szoros kapcsolatban van, továbbá a 13 katódot egy elektromosan vezető 14 háló tartja, amely 13 katódot előnyösen elektrokatalitikus szemcsék rétege képez. Az ábrán nem ábrázolt és a 12 membrán másik oldalával szoros kapcsolatban levő 27 anód, hasonlóan lehet katalitikus hatású szemcsék rétegéből kialakítva. A 10 cellát az anódáramot vezető 15 hátlemez és a katódáramot vezető 17 hátlemez — amelyek célszerűen grafitból készülhetnek — fogja össze. A 12 membrán és a szomszédos elemek az áramgyűjtő 15 és 17 hátlemezek 18 karimájához vannak rögzítve abból a célból, hogy a 10 cellát egy helyben lehessen tartani. Az anódáramot vezető 15 hátlemez ki van mélyítve és egy 19 anódtér van kialakítva, amely 19 anódtérben az anolit kering. A 19 anódtér bordázott és a folyadékelosztó 20 csatornákkal van ellátva. Ezeken a 20 csatornákon át lehet a vizes halogenidoldatokat (például sósavoldatot, nátrium-klorid-oldatot vagy hidrogénbromid-oldatot) a 19 anódtérbe betáplálni, illetve a 19 anódtérben képződött elektrolízistermékeket eltávolítani. A katódáramot vezető 17 hátlemez hasonló, az 1. ábrán nem látható bemélyedéssel, illetve folyadékelosztó csatornákkal van ellátva. Vizes nátrium-klorid-oldat elektrolizálása során a katódtérbe vizet vezetünk a 13 katód depolarizálására szolgáló oxigéntartalmú gázárammal együtt. Vizes sósavoldat elektrolizálása esetén csak az oxigéntartalmú gázt vezetjük be a katódtérbe. Az áram egyenletes elosztása céljából az anódáramot vezető 15 hátlemez és az ioncserélő 12 membrán között egy, az anódáramot vezető 21 háló van elhelyezve. A 13 katód egyrészt egy villamosán vezető, például aranyból készült 14 hálóból, másrészt katalitikus szemcsék, például platinakorom szemcsék egy fluorszénhidrogénnel, például politetrafluoretilénn :1 kötött tömegéből áll. A 14 háló hordozza tehát a katalitikus szemcséket (amelyek a 12 membránhoz is kötődnek) és így elektronáramvezetést hoz létre az elektródon át. Erre azért van szükség, mert a 13 katódot a hidrofób anyagból készült 22 réteg borítja. Ez a hidrofób anyag lehet fluorszénhidrogén, így egy politetrafluoretilén, például a Du Pont de Nemours Co. amerikai egyesült államokbeli cég által Teflon márkanéven forgalmazott anyag. A hidrofób 22 réteg a 13 katódot vonja be, amely viszont az ioncserélő 12 membránhoz kapcsolódik. A hidrofób 22 réteg megakadályozza, hogy az elektród felületén vízréteg alakuljon ki és így az oxigén eljutása a 13 katódhoz gátolt legyen. A vizes nátrium-klorid-oldatok elektrolizálása során például a 13 katód felületét vízzel vagy híg lúgoldattal kell öblíteni, hogy a 13 katódon képződő lúg híguljon és így a 12 membránon át a 27 anódhoz nagy töménységű lúg ne migrálhasson. A 13 katódnak a lúg hígítása céljából vízzel végzett öblítésekor az elektród felületén vízréteg alakulhat ki és így az oxigénnek a 13 katódhoz jutása gátolttá válhat. Ennek eredményeképpen megszűnhet a 13 katód depolarizációja, hidrogéngáz fejlődhet és így nőhet a cellafeszültség. Vizes sósavoldatok elektrolizálása során — miként említettük — nem vezetünk be vizet a katódtérbe. A 13 katódon végbemenő Pt(Oa)H+ reakció eredményeképpen azonban víz képződik, ez a víz réteget alkothat, blokkolva a katalitikusán aktív helyeket és meggátolva az oxigén eljutását ezekhez a helyekhez. A hidrofób anyagból kialakított 22 réteg azonban meggátolja a vízfilm képződését. A hidrofób 22 réteg felületén kialakuló vízcseppek mellett a pórusos, gáz által átjárható területek még mindig hozzáférhetők és így az oxigéngáz képes a 22 rétegen és a pórusokon át az elektródba diffundálni. Tekintettel arra, hogy a hidrofób 22 réteg normál körülmények között elektromosan szigetelő, valahogy biztosítani kell, hogy elektronáram a 13 katódhoz jusson. Ezért a 22 réteg a váltakozva elhelyezett politetrafluoretilén (például Teflon) 24 sávokból és fémből kialakított a 25 sávokból, például niobiumcsíkokból van kialakítva. A 25 sávok a 22 réteg teljes hosszában vannak elhelyezve, illetve a 13 katódhoz vannak forrasztva. Ez lehetővé 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4
