184798. lajstromszámú szabadalom • Elektrolizáló cella halogenidek vizes oldatának elektrolízisére
1 184 798 2 — a fő anódreakció 2 Cl" — Cl2 + 2e" — a membránon való átvitel 2 Na + H2 0 — a katódreakció 2 H20+2e" 8 — 20H +H2 — a mellék anódreakció 2 OH" — 02 + 2H20 + 4e — a fő teljes reakció 2NaCl + 2H20 —2NaOH+Cl2+H Ennek következtében az anódnál a kívánt klórfejlődés mellett némi víz-bontás is lezajlik, és oxigén is fejlődik, noha ennek mennyiségét alacsony szinten lehet tartani. Az oxigén keletkezésének csökkentésére alkalikus környezetet biztosítanak a membránnal érintkezésben lévő anód katalitikusán aktív helyei közelében. Az alkálifémhalogenid anyagok elektrolízise során alkalmazható kation-cserélő membránok az egységtől eltérő átviteli számmal rendelkeznek. Nagyon lúgos katolit esetében ez az átviteli szám bizonyos mennyiségű hidroxil-anionok átszűrődését megengedi a katolitból az anolitba. Ezen túlmenően folyékony elektrolitnak az elektródok aktív felületéhez kell jutnia és a keletkező gáznak el kell tudnia távozni, ezért az anód és a katód kamrához sokkal nagyobb keresztmetszetű szabad utaknak kell vezetniök, mint amelyeket üzemanyag celláknál alkalmaznak. Az elektródok ezzel szemben a lehető legvékonyabbak, általában 40-150 ßm vastagok, hogy a folyékony elektrolittal való anyagcsere kedvező legyen. Egyrészt ezen követelmény folytán, másrészt annak következtében, hogy az elektrokatalitikus és a villamosán vezető anyag például a platinafém oxidjai és a fémpor, amely az elektródokat, különösképpen pedig az anódot alkotja szigetelő vagy alig vezető kötőanyaggal van rögzítve, az elektródok csupán nagyobb méreteik irányában áramvezető tulajdonságúak. Ennek következtében a kollektorérintkezőket igen sűrűn kell elhelyezni egymás közelében. További követelmény, hogy az érintkezők érintkezési nyomása mindenütt egyenletes legyen, hogy ezzel a cellákon át mérhető ohmos ellenállásesés értékét csökkenteni lehessen, továbbá, hogy az elektródos aktív felületen mindenütt egyenletes áramsűrűséget lehessen biztosítani. Ezen követelmények kielégítése igen nehezen valósítható meg, különösképpen olyan cellák esetében, amelyekre jellemző a nagy elektródfelület, mint például az ipari célokra alkalmazott üzemi elektródok, amelyek klór előállítására szolgálnak. Ezeknek a celláknak kapacitása általában nagyobb, mint 100 tonna klór/nap. Ipari elektrolizáló celláknál követelmény — gazdaságossági okokból —, hogy az elektródok felülete legalább 0,5, előnyösebben azonban 1—3 m2, vagy még ennél is nagyobb legyen. Ezen felületeket egymással sorbakötik, hogy ezáltal olyan elektrolizáló berendezést hozzanak létre, amelynek néhányszor 10 bipoláris cellája van, amelyhez rögzített, hidraulikusan vagy pneumatikusan mozgatható rudakból alkotott prés-szerű elrendezés tartozik. Az ilyen nagyméretű cellák előállítása jelentős technológiai problémákat okoz az áramvezető, illetve az áramvezető kollektorok szempontjából, minthogy az érintkezők síkbani kialakítása igen Ids méretszórással oldandó meg, hogy ily módon egyenletes érintkező nyomást lehessen az elektródok teljes felületére biztosítani az összeszerelt cellákban. Ezen túlmenően az ilyen típusú cellákban alkalmazott membránnak rendkívül vékonynak kell lennie, hogy ily módon az elektrolitén mérhető ohmos ellenállásesést minimumra lehessen csökkenteni. Az említett vastagsági méret gyakran kevesebb, mint 0,2 mm és csak nagyon ritka esetben nagyobb ez a vastagsági méret 2 mm-nél. A membrán ennek következtében igen könnyen törik, főleg azokon a pontokon, ahol túl nagy nyomást alkalmaznak rá a cellák lezárása folyamán. Ilyen módon úgy az anód, mint a katód kollektorral szemben a követelmény az, hogy tökéletesen síkfelületűek legyenek és hogy teljesen párhuzamosan legyenek kialakítva. Kisméretű cellákban nagymértékben sík és párhuzamos elrendezést oly módon lehet biztosítani, hogy a kollektorokat kissé rugalmasan alakítják ki, hogy a teljes sík és párhuzamos elrendezéstől való kis eltérést tolerálni lehessen. Egy korábbi amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban szilárd elektrolitú monopoláris cellát ismertetnek nátriumklorid elektrolizálásának céljára. Ennél a megoldásnál úgy az anód, mint a katód áramok kollektorai szitákból vagy feszített lapból állnak, amelyek egy sor függőleges fémbordához vannak hegesztve és amelyek oldalirányban helyezkednek el egymás mellett. Ezáltal az ernyő bizonyos meghajlással rendelkezik, hajlani képes a cellák szerelése, illetve összeállítása során, miáltal a membrán felületére tökéletesebben tudnak egyenletes nyomás kifejteni. Egy másik korábbi amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban egy szilárd bipoláris típusú cellát ismertetnek nátriumklorid elektrolizálására, amely szerint a bipoláris szeparátorok mindkét oldalukon az elektródok környezetében helyezkednek el, egy sereg nyúlvány - nyal vagy bordával rendelkeznek. A teljesen sík és párhuzamos elrendezéstől való kis eltérések kiküszöbölésére rugalmas elemeket alkalmaznak, amelyek két vagy több nem passziválódó anyaggal bevont szelepfém szitából vagy nyújtott lemezből állnak. Ezen rugalmas elemek azanód oldali bordák közé vannak sajtolva, és az anód a membrán anódoldalához van rögzítve. Megfigyelések szerint a fent említett két szabadalmi bejelentés szerinti megoldás nagyméretű cellák alkalmazása esetén hátrányokhoz vezet. Az elsőként említett megoldásnál a szükséges egyenletes érintkező nyomás nem biztosítható, minek következtében a nagyobb nyomású érintkezések helyein az áramsűrűség eltérő értékű, minek következtében polarizációs jelenségek lépnek fel, a membrán és a katalitikus elektródák inaktiválódnak, a membrán és a katalitikus anyag a cellák szerelésekor mechanikailag károsodik. A másodikként említett szabadalmi bejelentés szerinti megoldásnál a követelmény az, hogy rendkívül nagypontosságú sík és párhuzamos elrendezésű bipoláris szeparátor felületet kell kialakítani, ami rendkívül nagy precizitású és igen költséges gépi berendezést követel a bipoláris szeparátor felületének lezárására és a bordák kialakítására. Ezen túlmenően a szerkezeti elemek igen nagymérvű meredeksége nyomás koncentrálódást hoz létre, amely összegeződik és ez a körülmény korlátozza egyetlen nyomás-szűrő egységbe alkalmazható elemek számát. A fent említett hátrányok következtében az áramelosztó szita, amint azt az elektródra szorítják, az egyes pontokon vagy egyáltalában nem érintkezik vagy igen kicsi az érintkező pontok nyomása, minek következtében ezen érintkezési pontok hatástalanokká válnak, összehasonlító mérési vizsgálatok során az áramelosztó szitát érzékeny papírhoz szorították, hogy ezáltal láthatóvá tegyék az egyenes érintkezési pontok érintkezésének jóságát. Azt találták, hogy a szita felületének 10—30, illetve 40 százaléka nem megfelelő módon érintkezett a papírral, minek következtében egymással nem érintkező 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
