184798. lajstromszámú szabadalom • Elektrolizáló cella halogenidek vizes oldatának elektrolízisére
1 184 798 2 A találmány tárgya elektrolizáló cella, amellyel klórt vagy más halogént tudunk elektrolízis útján halogenidek vizes oldatából, például sósavból és/vagy alkálifém kloridból vagy más halogenidből elektrolízis útján előállítani. A klórt régóta olyan elektrolizáló cellában állították elő, amelyeknek anódja és katódja között egy elektromosan szigetelő, de ionáteresztő membrán vagy diafragma van elhelyezve. E cellákban azonban a diafragma az anolit kamrán át keringtetett alkálifém-kloridot vagy más halogenid egy részét átengedi, és így az a katolitbe folyik. Amikor alkálifém-klorid oldatot elektrolizálnak,aklór az anód oldalon, az alkálifém vegyületek pedig, amely adott esetben alkálifém-karbonát vagy bikarbónát vagy többnyire alkáUfém-hidroxid, a katód oldalán képződik. Ez az alkálikus oldat alkálifém4doridot is tartalmaz, amelyet egy következő művelet során el kell különíteni. Ez az említett oldat viszonylag híg, és adott esetben 12-15 súlyszázalék alkáli anyagot tartalmaz. Minthogy a kereskedelmi forgalomban lévő nátrium-hidroxid koncentrációja körülbelül 50 súlyszázalék, vagy ennél is több, a híg oldat víztartalmát el kell párologtatni, hogy az említett koncentrációértékeket megkaphassuk. Az utóbbi időkben kutatásokat folytattak ioncserélő gyanták vagy polimerek ionáteresztő diafragmakénti alkalmazására vékony réteg vagy membrán alakjában. Általában ezek nem porózusak, és ily módon az anolitnak a katódtérbe való átfolyását meggátolják. Feltételezték, hogy az ilyen membrán kisméretű perforációt is tartalmaz, amelyen át kevés anolit átfolyhat, azonban hangsúlyozzuk, hogy a műveleteket többségében perforálatlan membránokkal végezték. Azon polimerek, amelyek fenti célra alkalmazhatók, fluorozott szénhidrogén polimereket tartalmaztak (így például telítetlen fluor-szénhidrogént). Alkalmaztak például ioncserélő csoportokkal rendelkező trifluoretilén vagy tetrafluor-etilén monomert tartalmazó polimer vagy kopolimer anyagokat. Az ioncserélő csoportok általában kationcserélő csoportok, így szulfonsav, szulfonamid, karbonsav, foszforsav és hasonló típusú csoportok, amelyek fluort hordozó szénlánchoz kötődnek. Ezek a polimerek anioncserélő csoportokat is tartalmazhatnak. Általában képletük a következőképpen írható fel: Ilii III -C-C-C-C- vagy -C-C-CI I I C C-OH I I so2h o Dyen típusú membránokat a Du Pont Company „Naflon” védjegy alatt, valamint az Asahi Glass Co. japán cég „Flamion” védjegy alatt hozott forgalomba. Dyen megoldásokat ismertetnek az 1 184 321 számú brit, a 3 282 875 számú amerikai egyesült áUamokbeli és a 4 075 405 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírások. Minthogy ezen diafragmák ionáteresztők, de az an öli - tot nem engedik át, ezért igen kevés vagy egyáltalában semennyi klorid ion sem vándorol át az ilyen anyagból készült diafragmán, ezért az ily módon előállított alkáli lúg igen kevés vagy semennyi klorid iont sem tartalmaz. Ezen túlmenően lehetőség van nagyobb koncentrációjú alkálifém-hidroxid előállítására, amelyben az előállított katolit 15-45 súlyszázalék vagy ennél is több NaOH-t tartalmaz. Az ilyen eljárást többek között a 4 111 779 és a 4 100 050 számú amerikai egyesült áUamokbeli szabadalmi leírások tárgyalják, de ismeretesek egyéb ezen megoldásra vonatkozó szabadalmi iratok is. Az ilyen ioncserélő membránt már más célokra is felhasználták. Dyen példaként említjük a víz elektrolízisét. Már történt javaslat olyan ioncserélő diafragmával elválasztott anód és katód alkalmazásával elektrolizáló cellára, amelyben az anód vagy a katód vagy mindkettő elektrokémiai hatásoknak eUenáUó vékony porózus villamos vezető anyagú, amely a diafragma felületébe van beágyazva, vagy valamely más alkalmas módon ahhoz van kötve. Fenti megoldáshoz hasonló elektród-membrán szerelvényeket régóta alkalmazzák a tüzelőanyag cellákban, amely cellákat „szilárd polimer elektrolit” celláknak neveznek. Ezeket a ceUákat gázhalmazállapotú üzemanyagok előállítására alkalmazták, és csak az utóbbi időben sikerült klórnak hidroklórsav vagy alkálifém-klorid elektrolízise útján történő előállítására használni. A klór előállítására szilárd polimer elektrolitú ceUákban a szokásosan vékony villamos vezető elektrokatalitikus anyagból álló elektródok az ioncserélő membránra kötőanyaggal vannak rögzítve. Az említett kötőanyag fluorozott polimerből, például poütetrafluoretilénból (PTFE) készül. A 3 297 484 számú amerikai egyesült áUamokbeli szabadalmi leírásból megismerhető gázáteresztő elektródok úgy vannak kialakítva, hogy a viUamosvezető és az elektrokatalitikus por össze van keverve a politetrafluoretilén vizes diszperziójával. így olyan gyurmaszerű keveréket hoznak létre, amely 2—20 g port tartalmaz egy gramm politetrafluoretilénre számítva. Ezt a szükségeseién hígítható keveréket szórják a hordozó fémlemezre, majd ezután szárítják és alumíniumfóliával fedik be és olyan magas hőmérsékleten sajtolják, amely biztosítja, hogy a politetrafluoretilén részecskék vékony koherens réteggé szinterelődjenek. Az alumíniumfólia lúgos maratással történő eltávolítása után a kialakított elektródot a membrán felületére viszik, majd azt olyan hőmérsékleten préselik a membránra, hogy a politetrafluoretilénből alkotott mátrix a membránra szinterelődjön. Gyors lehűtés után a hordozó fémlemezt eltávolítják és az elektród a membránhoz kötve marad. Minthogy a ceUa elektródjai az anód és katód teret elválasztó membrán két eUenkező oldalára vannak rögzítve és nem egy fémszerkezet választja el őket egymástól, rájöttek arra, hogy az elektródokhoz az áramot a leghatásosabban az elektródok felületén nagyszámú egyenletesen elosztott érintkezési ponton át lehet vezetni olyan szerkezetű áramvezető útján, amelyek kiemelkedő részekkel vagy bordákkal rendelkeznek. Ezek a kiemelkedések vagy bordák az összeszerelt ceUában egyenletesen elosztott villamos érintkezést biztosítanak az elektróddal. A membrán, amely a két eUenkező oldalú felületén megkötött elektródokkal rendelkezik, két áramvezető struktúra vagy koUektor (például anód és katód) közé préselendő. A tüzelőanyag cellákkal szemben, ahol a reagens anyagok gázhalmazáUapotúak, az áramsűrűség kicsi és gyakorlatilag nincs mellékreakció, ha szilárd elektroUtú cellákban oldatokat akarnak elektrolizálni — jelen esetben nátriumklorid-oldatról van szó — több probléma jelentkezik. Nátriumkloridot elektroUzáló celláknál a cellák különböző részein az alábbi reakciók mennek végbe; 5 10 15 20 25 30 35 4C 45 50 55 60 65 2
