201124. lajstromszámú szabadalom • Eljárás alkáli-klorid elektrolizáló cellában alkalmazható katód előkészítésére
HU 201124 B i A találmány tárgya eljárás alkáli-klorid elektrolizáló cellában alkalmazható kis hidrogén túlfeszültségül katód előállítására. A találmány szerinti eljárást úgy végezzük, hogy a) önhordó vagy hordozóra vitt nikkel alapfémet egy bevonatképző oldatba - ami vízben oldva szervetlen nikkelsót és legalább egy platinacsoportba tartozó fém sóját 1:4 - 4:1 platinacsoportbeli fénr.Ni mólarányban, és adott esetben cirkóniumsót 1:2 — 2 :1 Zr :Ni mólarányban, valamint az alapfém felületének a maratására alkalmas vegyületet. előnyösen ásványi savat, hidrazin vagy hidroxil-amin ásványi savas sóját, továbbá 1-6 szénatomos alkoholt tartalmaz - mártjuk. b) az elektród felületén a bevonatképző oldatot megszárítjuk, majd c) oxigén, levegő vagy oxidáló atmoszféra jelenlétében 300-650 °C-on hőkezeljük, és kívánt esetben az a), b) és c) lépéseket többször egymás után megismételjük. Az így előállított elektródok elektrokémiai berendezésekben és folyamatokban, mint például vizes nátrium-klorid oldatok elektrolízisében előnyösen alkalmazhatók. Az alkáli-kloridok elektrolízisénél használható elektrolizáló cellákat három csoportba lehet sorolni: 1) higany cella. 2) diafragma cella, és 3) membrán cella. Az egyes cellák működését a szakirodalom részletesen tárgyalja. így például Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1. kötet. 799. oldal. A vizes oldatok elektrolízisében használt egyéb elektrolízis cellákban, az ún. „klorát cellákban" az elektródok, - katód és anód - között nem alkalmaznak megosztót vagy szeparátort. A higany cellában az alkálifém-só elektrolízisénél a képződő alkálifém amalgámot képez a higannyal: az amalgám vízzel reagál nátrium-hidroxid keletkezése közben a higany újra szabaddá válik. így visszavezethető és ismételten használható folyadék halmazállapotú kátédként. Más alkáli-klorid elektrolízisre vonatkozó eljárásoknál. a sóoldatot (elektrolitot) úgy elektrolizálják, hogy elektromos áramot bocsátanak át a cellán, melyben a katódot és az anódot diafragma vagy membrán választja el. Klór keletkezik az anódon. ugyanakkor nátrium-hidroxid (NaOH) és hidrogéngáz (H’) képződik a katódon. A sóiét folyamatosan adagolják a cellába, a klón. a nátrium-hidroxidot és a hidrogéngázt pedig folyamatosan elvezetik a cellából. Az elektrolit klórrá, nátrium-hidroxiddá és hidrogénné elektrolizálásához szükséges minimális feszültséget termodinamikai adatok alapján lehet kiszámítani: a mindennapi gyakorlatban az elméleti feszültség helyett magasabb feszültséget kell használni, hogy a különféle cellákra jellemző különböző belső ellenállásokat legyőzzük. A diafragma-. vagy a membrán-cellák működési hatékonyságának növelése céljából csökkenteni kell a túlfeszültséget az elektródokon, például azzal, hogy csökkentjük a diafragma vagy a membrán, vagy esetleg az elektrolizálandó sóoldat elektromos ellenállását. A találmány szerinti eljárás sóoldat elektrolíziséhez kátédként különösen alkalmas elektródra vonatkozik. A találmány szerinti katódon a túlfeszültség lényegesen kisebb, ami az energia hatékonyabb felhasználását eredményezi. Ennek rendkívül nagy a jelentősége, mivel az elektrolizált alkáli- halogenid és víz évi sok millió tonnányi mennyiségét tekintve a munkafeszültségben még olyan kis feszültségcsökkentés is, mint például 0,05 V. nagyon jelentékeny energiamegtakarítással jár együtt. Ezért az iparban igen nagyszámú azoknak az elektrolizáló módszereknek a kutatása, amelyekkel a szükséges feszültség csökkenthető. Az alkáli-klorid elektrolízis technológiájának fejlesztése során számos módszert dolgoztak ki a cellafeszültség csökkentésére. A kutatók egy része az elektrolizáló cella kialakításának módosításával kívánja a cellafeszültséget csökkenteni, míg mások az anód és a katód túlfeszültségének csökkentésére összepontosítják erőfeszítéseiket. Találmányunk új elektród-előállítási eljárásra vonatkozik. A találmány szerinti elektródra a lényegesen alacsonyabb túlfeszültség a jellemző. Ismeretes, hogy az elektród túlfeszültsége az áramsűrűség és az elektród összetételének függvénye [W. J. Moore: Physical Chemistry, 3. kiadás, Prentice Hall (1962) 406-408. oldali. Az áramsűrűség az elektród egységnyi valódi felületén áthaladó amperszámot jelenti, az összetétel alatt pedig az elektród fizikai és kémiai kialakítását értjük. Az a folyamat tehát, mely növeli az elektród felületét, adott tényleges áramsűrűség mellett, csökkenti a túlfeszültséget. Ugyancsak kívánatos olyan anyagkompozíció használata, mely jó elektrokatalizáton ez tovább csökkenti a túlfeszültséget. Ismert továbbá, hogy az elektród felületének fémmel történő bevonására plazma- vagy lángporlasztásos eljárást alkalmaznak. A 1 263 959 számú egyesült államokbeli szabadalmi leírás szerint az anódokat finom nikkelrészecskék porlasztásával lehet bevonni. Az eljárás szerint olvadt részecskéket fúvóssal ütköztetnek vas felülettel. Katódokat is be lehet vonni vezető réteggel. A katódokat a 3 992 278 számú egyesült államokbeli szabadalmi leírás szerint kobalt és zirkónium-oxid részecskék keverékével plazma- vagy lángporlasztásos technikával vonják be. Amikor ezeket az elektródokat víz vagy alkálifém-halogenid oldat elektrolízisében használják a hidrogén túlfeszültségének tartós csökkenését érik el. Különféle fémeket és fémkompozíciókat használnak plazma- vagy lángporlasztásra: így például a 3 630 770 számú egyesült államokbeli szabadalmi leírás lantán-boridot, a 3 649 355 számú wolframot vagy wolfram ötvözeteket ismertet a fenti célra. A 3 788 968 számú egyesült államokbeli szabadalmi leírás titán-karbidot vagy -nitridet és a platina-csoport legalább egy fémjét és/vagy fém-oxidját. valamint egy második pórusos oxid bevonat kialakítását ismerteti. A 3 945 907 számú egyesült államokbeli szabadalmi leírás rénium. a 3 974 058 számú egyesült államokbeli szabadalmi leírás kobalt bevonóanyagként való alkalmazását ismerteti, mely utóbbi eljárása szerint ruténiummal egy felső bevonatot is létrehoznak. A technika állásából jól ismert, hogy szelektív kioldással porózus elektródbevonatok készíthetők. Az elektródot nikkelrészecskékkel vonják be. majd a nikkelt - amint azt a 2 928 783 és a 2 969 315 számú egyesült államokbeli szabadalom leírja - szin5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
