182493. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és elektrolizáló cella elemi halogén előállítására halogéndionokat tartalmazó vizes oldatokból
9 182493 10 Ha a katód oxigénnel depolarizálva van, akkor a kátédon végbemenő reakció +1,23 V standard elektródpotenciállal az 02/H+ reakció és nem a 0,0 V standard elektródpotenciálú H+/H2 reakció. Más szavakkal, a katód depolarizálása esetén a reakció 5 sokkal anódosabb, mint a hidrogéngáz fejlődésével járó reakció. A cellafeszültség így a klórfejlődés standard elektródpotenciálja ( + 1,358 V) és az Oj/H+ reakció standard elektródpotenciálja ( + 1,23 V) közötti különbség. így tehát a katód depolari- 10 zálásával és a hidrogéngáz képződésének megakadályozásával elméletileg 1,23 V-ot [az 02/H+ reakció elektródpotenciálját] nyerünk. Tekintettel arra azonban, hogy az 02/H+ reakció még csak megközelítően sem annyira reverzibilis, mint a H+/H2 reak- 15 ció, az elektródon fellépő túlfeszültség eredményeképpen a cellafeszültség csökkenése kisebb, csak mintegy 0,5—0,6 V. Miként korábban említettük, a hidrofób 22 réteg feladata annak megakadályozása, hogy a termék- 20 ként képződött vagy a membránon át a katódtérbe jutott víz réteget képezzen a katódon és ezáltal elzárja a katódot az oxigéntől. Ha ugyanis a vízfilm képződése következtében az oxigén nem jut el a katódhoz, akkor megkezdődik rajta a hidrogéngáz 25 fejlődése és ezáltal megnő a cellafeszültség, illetve az elektrolizálási eljárás energiaszükséglete. A 3. ábrán vizes nátrium-klorid-oldatok elektrolizálása során olyan 10 cellában végbemenő reakciókat tüntetjük fel, amely el van látva egy, oxigénnel 30 depolarizált 13 katóddal. A 19 anódtérbe — amelyet itt is a kationcserélő 12 membrán választ el a katódtértől — vizes nátrium-klorid-oldatot táplálunk be. A vizes nátrium-klorid-oldatok elektrolizálásához használt 12 membrán — miként ezt a 35 későbbiekben még részletesen ki fogjuk fejteni — olyan összetett membrán, amely egyrészt a nagy víztartalmú (a membrán száraz súlyára számítva 20—35 súly%) anódoldali 30 rétegből, a kis víztartalmú (a membrán száraz súlyára számítva 5— 40 15 súly%) katódoldali 31 rétegből és a két 30 és 31 réteget elválasztó teflonszövetből készült 32 rétegből áll. Az alacsony víztartalmú katódoldali 31 réteg megnöveli a 12 membránnak azt a képességét, hogy a hidroxilionokat magától eltaszítja és így csökkenti a nátrium-hidroxid diffúzióját a 12 membránon át a 33 anódhoz. A vizes nátrium-klorid-oldatok elektrolizálásához használt katalitikus 33 anód olyan katalitikus szemcsék kötött szemcsés tömege, mint például a platinacsoportbeli fémek redukált és termikusán stabilizált oxidjainak szemcséi. A 33 anód anyaga lehet tehát például ruténium-, iridium- vagy rutániumiridium-oxid, adott esetben például titán-, nióbiumvagy tantál-oxiddal, illetve grafittal együtt. Különösen hatásosnak találtuk az említett platinacsoportbeli fémek redukált és termikusán stabilizált oxidjainak használatát. Előnyösen a 33 anód is szorosan van a 12 membránhoz rögzítve, bár ez nem feltétlenül szükséges. A 33 anód felületéhez a 34 áramkivezetés van sajtolva, illetve az utóbbi egy áramforrás pozitív pólusához van kapcsolva. A 13 katód katalitikus nemesfémszemcsék, például platinakorom szemcsés tömegéből áll, amely szemcsék gázáteresztő és hidrofób teflonszemcsékkel vannak megkötve. Az említett szemcsés tömeget az aranyból készült 14 háló tartja A 13 katód szoros kapcsolatban van a 12 membrán alacsony víztartalmú katódoldali 31 rétegével azáltal, hogy a 12 membrán felületéhez van rögzítve, illetve előnyösen a 12 membrán felületébe be van ágyazva. A vizes nátrium-klorid-oldatok elektrolizálásánál a 13 katódot a vezetőképes hidrofób 22 réteg is borítja. A 22 réteg egyrészt úgy tehető vezetővé, hogy az áramvezető nióbiumból készült 25 sávok vannak benne elhelyezve. Az áramvezető 25 sávok egy áramforrás negatív pólusához vannak kapcsolva, így a 10 cella elektródjai elektrolizáló feszültség alá vannak helyezve. Az anódtérbe betáplált nátrium-klorid-oldat a 33 anódnál elektrolízist szenved és így a 33 anód felületén — miként a 3. ábrán látható 35 buboré-Reakció Standard elektródpotenciál V, Tényleges elektródpotenciil 321 mA/cm'-nél Anód 2NaCl -► Cl, + 2Na + 2e~ a membránon át : 2Na+ X H,0 feszültségesés IR hatáséra cr/ci, + 1,358 V ~ +1,5 V 0,7 V Katód (depolarizáció nélkül) 2H,0 + 2e- -f H, + 20H" összreakció (depolarizáció nélkül) OH-/H, —0,828 V —1,1 V 2Na+Cl- + H,0 —> H, + Cl,+ 2NaOH 2,186 V ~3,30 V Katód (depolarizálással) H,0 + 1/20, + 2e- -> 20H-összreakció (depolarizálással) 0,/H+ +0,401 V TM 0,500 2Na+Cl- + H,0 + 1/2 O, -> Cl, + 2NaOH +0,957 V ~ 2,7 V 6
