182493. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és elektrolizáló cella elemi halogén előállítására halogéndionokat tartalmazó vizes oldatokból
17 182493 18 lafeszültség még mindig jelentős javulást jelent a katód depolarizálása nélkül mutatkozó cellafeszültséghez képest, és bár megnőtt, a hidrogéngáz menynyisége még mindig igen csekély. Vizes nátrium-klorid-oldat elektrolizálása céljából olyan cellát alakítunk ki, amelynek aranyból készült 14 hálóra felvitt, teflonnal kötött platinakoromból álló és felületén nem-nedvesedő teflonbevonattal ellátott 13 katódja van, továbbá az a 13 katód rögzítve van, illetve be van ágyazva egy Nafion 315 típusú réteges 12 membránba. A membrán másik oldalához teflonnal kötött, ruténium-oxidból és grafitból álló 33 anód van rögzítve. A cellába 90°C-os sóoldatot táplálunk be és az áramsűrűséget 324 mA/cm2 értékre állítjuk be a cella üzemeltetése során. Az elektrolizálási eljárás 2,7 V feszültségen 69%-os katódos áramkihasználással megy végbe, ha a katódtérbe 0,9 mólos vizes nátrium-hidroxid-oldatot és 2000 ml/perc térfogati sebességű oxigénáramot (a sztöchiometrikusan szükséges mennyiség 9,6-szerese) vezetünk be. Ugyanebben a cellában a 13 katód oxigénes depolarizálása nélkül (amikor a katódon hidrogéngáz fejlődik) a cellafeszültség 3,3 V 324 mA/cm2 értékű áramsűrűségnél és 90 °C-os sóoldat betáplálása esetén, illetve a katódos áramkihasználás 64% 0,8 mólos nátrium-hidroxid-oldat használatával. Ugyanezt a cellát ezután a fentiekben ismertetett paramétereket tartva különböző áramsűrűségeknél a katódot oxigénnel depolarizálva, illetve ilyen depolarizálás nélkül működtetjük. Az áramsűrűségek függvényében mérhető cellafeszültségeket a II. táblázatban adjuk meg. A II. táblázat adataiból látható, hogy növekvő áramsűrűséggel nő a cellafeszültség, minthogy — miként korábban már utaltunk rá — minél alacsonyabb az áramsűrűség, annál kisebb mennyiségű oxigénnek kell eljutnia a katód katalitikus helyeihez a kívánt reakció fenntartása és a hidrogéngázfejlődés visszaszorítása céljából. Ha nő az áramsűrűség, akkor több hidrogéngáz fejlődik és nő a cellafeszültség. Ugyanakkor az is nyilvánvaló, hogy az áramsűrűség széles tartományán belül a katód depolarizálása még mindig 0,6—0,7 V-tal csökkentett cellafeszültséget biztosít. 2. táblázat Áramsűrűség (mA/cm3) Cellafeszültség V-ban (depolarizált) Cellafeszültség V-ban (nem depolarizált) 54 1,64 2,44 10S 2,02 2,60 216 2,46 2,96 324 2,70 3,30 432 2,95 3,60 Elkészítünk egy, az előbbiekben leírthoz hasonló felépítésű cellát Nafion 315 membrán felületéhez rögzített, illetve abba beágyazott katóddal, amely nikkel hordozóhálós és nem-nedvesedő teflon-bevonattal ellátott, teflonnal megkötött platinakoromból álló elektród. Ez a cella abban különbözik az előzőekben leírttól, hogy az anód nincs a membrán felületéhez rögzítve. Az anód platinával plattírozott nióbiumháló, amely a membránnal szemben van elhelyezve. A cellában 324 mA/cm2 értékű áramsűrűségénél és a kiindulási sóoldat 90 °C-os hőmérsékleténél, illetve a katódot depolarizáló oxigéntartalmú gáz 2000 ml/perc (ami a sztöchiometrikusan szükséges mennyiség 9,6-szeresének felel meg) bevezetési sebességénél a cellafeszültség 3,6 V. Ugyanebben a cellában a katód depolarizálása nélkül azonos áramsürűségnél a cellafeszültség 4,3 V. A katód depolarizálása tehát a cellafeszültséget 0,7 V-tal csökkenti. A cellát ezután különböző áramsűrűségekkel, illetve a katódot depolarizálva vagy depolarizálás nélkül működtetjük. A kapott eredményeket a III. táblázatban adjuk meg. 3. táblázat Áramsűrűség (mA/cm2) Cellafeszültség V-ban (depolarizált) Cellafeszültség V-ban (nem depolarizált) 54 1,80 2,26 108 2,28 2,74 216 3,16 3,72 324 3,6 4,3 A táblázat adataiból látható, hogy vizes nátrium-klorid-oldatok elektrolizálása esetén a katód oxigénes depolarizálása az eljárás lényeges megjavítását teszi lehetővé a cellafeszültség 0,6—0,7 V-os csökkentése útján az azonos körülmények között, de a katód depolarizálása nélkül végzett elektrolizáláshoz képest. A találmány szerinti eljárás a cellafeszültség vonatkozásában még hatékonyabb, ha a katód oxigénes depolarizálásán túlmenően olyan cellában hajtjuk végre, amelyben mind a katód, mind az anód a membránnal bensőséges kapcsolatban vannak megkötés és/vagy beágyazás útján. Az előzőekben ismertetettekből szakember számára nyilvánvaló az a tény, hogy elemi halogének, így például elemi klór halogenidionokat tartalmazó vizes oldatokból, például vizes sósavoldatokból vagy nátrium-klorid-oldatokból sokkal hatékonyabban állítható elő elektrolizálás útján, ha a katódot rögzítjük, illetve előnyösen beágyazzuk egy ioncserélő membránba és ugyanakkor oxigéntartalmú gázárammal depolarizáljuk. A cellafeszültség a találmány szerinti eljárás végrehajtásakor lényegesen kedvezőbb, azaz 0,5 V-nál is nagyobb értékekkel alacsonyabb, mint az ipari gyakorlatban eddig alkalmazott celláké. Szabadalmi igénypontok 1. Eljárás elemi halogének előállítására halogenidionokat tartalmazó vizes oldatok elektrolizálása útján egy anód és egy katód között, amelyeket egy ioncserélő membrán választ el egymástól, és a katód a membránhoz kötött, elektromosan vezető katalitikus anyagot tartalmazó gázok által átjárható katód, amely részét alkotja egy egységes elektródmembrán szerkezetnek, mely eljárás során az elektrokémiailag aktív katalitikus anyaggal fizikai kapcsolatban álló, önálló elektrokonduktív áramgyűjtőn át áramot bocsátunk az oldatba, azzal j e 11 e-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 10
