用于鹽溶液去極化電滲析的槽的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鹽溶液電滲析槽，該槽用于借助于一種具有減少的或?yàn)榱愕碾娔芟牡姆椒▉懋a(chǎn)生有關(guān)酸和堿。該槽包括一個(gè)饋送有氫氣的陽極室和一個(gè)饋送有氧氣或空氣的陰極室，配備有有關(guān)氣體擴(kuò)散電極；電滲析過程的驅(qū)動(dòng)功率是由饋送到這兩個(gè)室的氫氣和氧氣的氧化與還原化學(xué)電位提供的。
【專利說明】用于鹽溶液去極化電滲析的槽
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及借助于氣體擴(kuò)散電極去極化的鹽溶液電滲析槽。
[0002]發(fā)明背景
[0003]旨在獲得有關(guān)酸和堿的鹽溶液電滲析可以在三室電化學(xué)槽中進(jìn)行，其中中央室借助兩個(gè)離子交換膜與陽極室和陰極室分開，這兩個(gè)離子交換膜對(duì)應(yīng)地是陰離子交換膜和陽離子交換膜。來自于送到中央室的鹽的解離的離子種類在電場(chǎng)作用下穿過對(duì)應(yīng)的膜遷移，使得在陽極室內(nèi)產(chǎn)生有關(guān)酸，并且在陰極室內(nèi)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的堿。陽極室還配備有一個(gè)在其表面上發(fā)生氧氣析出的陽極，同時(shí)陰極室配備有一個(gè)在其上發(fā)生氫氣析出的陰極。這項(xiàng)技術(shù)的可能應(yīng)用之一是例如伴隨硫酸和燒堿的產(chǎn)生的硫酸鈉溶液電滲析，作為最常見的通過氯化鈉鹽水電解來產(chǎn)生燒堿的替代方案。這種方法可以應(yīng)用于不需要氯氣的燒堿消耗場(chǎng)所(在這種情況下會(huì)構(gòu)成難以處理和儲(chǔ)存的副產(chǎn)物)或每當(dāng)相互獨(dú)立產(chǎn)生氯氣和燒堿是所希望的時(shí)候。由于與總凈反應(yīng)( 對(duì)應(yīng)于伴隨氫氣和氧氣產(chǎn)生的水電解)有關(guān)的電壓，并且由于在不同組件(尤其是陰離子交換膜)中的高歐姆電位降(ohmic drop)，與該過程相關(guān)的電耗仍然很高。在過去，通過將析出氧氣的陽極替換為饋送氫氣的陽極極化氣體擴(kuò)散電極來減輕過度電耗問題:通過這種方式，總凈反應(yīng)具有低得多的可逆電壓，這對(duì)應(yīng)于在堿性環(huán)境中氫氣陰極析出與在基本上酸性的環(huán)境中的氫氣陽極消耗之間的電位差。然而這種技術(shù)也未能達(dá)到預(yù)期的成功，一方面是因?yàn)樵谠撨^程中累計(jì)的不同過電壓組件在任何情況下導(dǎo)致突出的能量消耗，另一方面是因?yàn)樵撨^程難以控制，其特征在于操作電壓波動(dòng)，即使在降低電流密度(2kA/m2以下)的情況下也是如此，這與以常規(guī)方式難以對(duì)饋送到陽極室的氫氣流加濕相關(guān)。不規(guī)則氫氣加濕可能導(dǎo)致有關(guān)膜變干，以及隨之而來的由于歐姆效應(yīng)引起的操作電壓上升(有時(shí)急劇上升)，或?qū)е職怏w擴(kuò)散電極的部分溢流(flooding)，以及隨之而來的由于氫氣供應(yīng)的不適當(dāng)質(zhì)量傳輸引起的操作電壓上升。在溢流最嚴(yán)重的情況下，在槽極(cell pole)處施加的電壓可以導(dǎo)致不可能支持消耗氫氣的陽極反應(yīng)，并且導(dǎo)致氧氣析出突然發(fā)生，伴隨對(duì)于并非特別設(shè)計(jì)為抵抗新生態(tài)氧(nascent oxygen)的氧化作用的氣體擴(kuò)散電極的破壞效應(yīng)。而且，正如對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的，這種情況可能導(dǎo)致在陽極室中形成爆炸性混合物。
[0004]因此需要提供一種用于電滲析鹽溶液的新型裝置，該裝置具有更高的能效，并且同時(shí)操作更容易且更安全。
[0005]發(fā)明概述
[0006]本發(fā)明的不同方面陳述于所附權(quán)利要求書中。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種用于鹽溶液電滲析的電解槽，該電解槽由三個(gè)或更多個(gè)室組成，即一個(gè)陽極室，該陽極室由一個(gè)外部陽極半殼和饋送有一種含氫燃料氣體的一個(gè)氣體擴(kuò)散陽極定界；至少一個(gè)中間室，該至少一個(gè)中間室饋送有由含有酸和/或鹽的溶液組成的一種處理電解質(zhì)(process electrolyte);一個(gè)陰極室,該陰極室由一個(gè)離子交換膜和一個(gè)陰極半殼定界，并且含有饋送有一種含氧氧化性氣體的一個(gè)氣體擴(kuò)散陰極，這兩個(gè)外部半殼相互短路或通過包括一個(gè)低功率電流整流器的一個(gè)電路連接。在后一種情況下，該整流器的正極連接到陽極半殼上，而負(fù)極連接到陰極半殼上。由根據(jù)本發(fā)明的電滲析實(shí)現(xiàn)的總反應(yīng)是氫氣與氧氣再結(jié)合而產(chǎn)生水，類似于在燃料電池中發(fā)生的情況，差異在于這兩個(gè)反應(yīng)(陽極和陰極反應(yīng))的電動(dòng)勢(shì)不用于生產(chǎn)電能，而僅用于完成電滲析過程。在達(dá)到一定電流密度(例如，達(dá)到2kA/m2)之前，這樣的過程可以在沒有外部電力供應(yīng)(短路槽)的情況下進(jìn)行，而在更高電流密度時(shí)則需要電能供應(yīng)，但與現(xiàn)有技術(shù)的槽相比將會(huì)需要極低的電壓。諸位發(fā)明人觀察到，使用這種類型的配置，這種槽可以在本質(zhì)上安全的方式下操作:在不存在(或適量存在)從外部施加到槽的電流的情況下，由于膜的部分變干或氣體擴(kuò)散電極溢流而引起的可能無效率在這種情況下實(shí)際上將導(dǎo)致臨時(shí)電流密度以及因此產(chǎn)量的下降的暫時(shí)現(xiàn)象，而沒有在氣體擴(kuò)散陽極表面上產(chǎn)生氧氣析出的危險(xiǎn)現(xiàn)象的可能性。氣體擴(kuò)散陽極和陰極可以由剛性導(dǎo)電材料(例如碳紙或金屬網(wǎng))組成，任選地制成疏水性的(例如借助于氟化聚合物懸浮液)，填充有適合有助于氣態(tài)反應(yīng)物的擴(kuò)散的組合物(例如碳黑或金屬粉末的混合物和氟化聚合物粘合劑的混合物)并且在至少一個(gè)外部表面上經(jīng)由一種催化組合物(任選地含有鉬族貴金屬)而被活化。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，電滲析槽包括一個(gè)單一陽離子交換膜和一個(gè)由氣體擴(kuò)散陽極與陽離子交換膜定界的單一中間室。待處理的含鹽溶液任選地被饋送到該室的下部，將其用由氣體擴(kuò)散陽極所產(chǎn)生的酸進(jìn)行富集，并且作為含有可變量的殘余鹽的酸性溶液從上部抽取出來?？商娲兀撌液杏梢粋€(gè)多孔平坦元件組成的一個(gè)滲濾器:在這種情況下含有鹽的溶液被饋送到該室的上部并且流到下部，在用由氣體擴(kuò)散陽極產(chǎn)生的酸富集之后將其從下部抽取出來。滲濾器允許使在由電解質(zhì)形成的液體柱中的壓力均勻化(實(shí)際上消除有關(guān)壓頭)，因此消除氣體擴(kuò)散陽極內(nèi)體的任何溢流可能性，從而確保氣體擴(kuò)散陽極更可靠地起作用。在這個(gè)實(shí)施例中，借助于從中間室穿過陽離子交換膜遷移的陽離子與由氣體擴(kuò)散陰極產(chǎn)生的堿性的結(jié)合，然后穿過氣體擴(kuò)散陰極的結(jié)構(gòu)或者在膜與氣體擴(kuò)散陰極之間插入的親水性層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行滲濾，形成構(gòu)成產(chǎn)物之一的堿性溶液，該堿性溶液將被收集在陰極室的下部并且從其中抽取。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，除了陽極室和陰極室之外，本發(fā)明的電滲析槽還包括一個(gè)陰離子或陽離子型的單一離子交換膜和兩個(gè)不同的中間室。含有稀釋的堿或鹽或其混合物的溶液可以被饋送到第一中間室的下部，該第一中間室鄰近陰極室，并且由氣體擴(kuò)散陰極和離子交換膜定界；由氣體擴(kuò)散陰極產(chǎn)生的堿性將該溶液富集，并且在從該室的上部退出時(shí)可以因此含有可變量的鹽。可替代地，第一中間室配備有一個(gè)滲濾器:通過這種方式，電解溶液被饋送到上部，而堿富集的溶液從下部退出。第二中間室鄰近陽極室，并且由氣體擴(kuò)散陽極和離子交換膜定界，該第二中間室中饋送有由含有酸和/或鹽的溶液組成的處理電解質(zhì)，該電解質(zhì)在流向出口時(shí)由氣體擴(kuò)散陽極產(chǎn)生的酸富集；所抽取的酸性溶液可以含有可變量的鹽。同樣在這種情況下，第二中間室可以從底部饋送，或者可以配備有一個(gè)滲濾器并且從上部饋送，具有在下部的出口。[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，電滲析槽包括三個(gè)不同的中間室。第一中間室鄰近陰極室，并且由氣體擴(kuò)散陰極和第一離子交換膜定界，該第一中間室從下部饋送有或借助于一個(gè)滲濾器從上部饋送有含有堿和/或鹽的溶液，該溶液在穿過該室流動(dòng)時(shí)用由氣體擴(kuò)散陰極產(chǎn)生的堿性富集:在該室出口處取得的產(chǎn)物堿性溶液可以含有可變量的鹽。第二中間室鄰近陽極室，并且由氣體擴(kuò)散陽極和第二離子交換膜定界，該第二中間室饋送有處理電解質(zhì)，該電解質(zhì)在流向出口時(shí)用由氣體擴(kuò)散陽極產(chǎn)生的酸富集。產(chǎn)物酸性溶液可以含有可變量的鹽。第二中間室也可以從底部饋送，或者借助于一個(gè)滲濾器從頂部饋送。第三中間室安排在中央位置，并且由第一和第二離子交換膜定界，該第三中間室含有一個(gè)隔板，目的在于維持在兩個(gè)膜之間的預(yù)設(shè)距離并且確保一定程度的湍流以用于防止局部稀釋現(xiàn)象。第三中間室饋送有鹽溶液(例如從底部)，從該室的上部抽取廢棄溶液。
[0011]饋送到槽的處理電解質(zhì)可以含有堿鹽，例如鈉或鉀的硫酸鹽、氯化物、碳酸鹽或碳酸氫鹽，并且具有以下優(yōu)點(diǎn):在一側(cè)產(chǎn)生燒堿或鉀堿，并且在另一側(cè)產(chǎn)生可以容易地重復(fù)使用的礦物酸(例如鹽酸或硫酸)或者以氣態(tài)形式退出系統(tǒng)的二氧化碳。
[0012]饋送到陽極的燃料氣體可以由氫氣和二氧化碳的混合物組成，該混合物來自烴或低碳醇的蒸汽重整或部分氧化。在一個(gè)實(shí)施例中，饋送到陰極室的氧化性氣體由環(huán)境空氣組成，盡管與純氧氣相比在陰極反應(yīng)中有一定的能效減少，但環(huán)境空氣具有極其廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，饋送到陰極室的氧化性氣體由富集的空氣組成，例如借助于已知的廉價(jià)的PSA系統(tǒng)使氧氣含量達(dá)到50%的空氣，該富集的空氣具有提供與純氧氣極接近的陰極效率而費(fèi)用低得多的優(yōu)點(diǎn)。在具有可由其他方法以副產(chǎn)物形式獲得的廉價(jià)的氫氣和/或氧氣的若干化工廠中，證明了用純反應(yīng)物而不是用混合物更方便操作電滲析。
[0013]在另一方面，本發(fā)明涉及一種在上文描述的槽中進(jìn)行的鹽溶液去極化電解的方法，包括將待經(jīng)受電滲析的鹽溶液(任選地是鈉或鉀的氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽或碳酸氫鹽)饋送到中間室之一的入口，在有關(guān)出口處抽取廢液，將含氫燃料氣體饋送到陽極室入口并且將含氧氧化性氣體饋送到陰極室入口，從有關(guān)出口抽取廢料，并且將陽極和陰極半殼互相電連接。半殼連接可以是簡(jiǎn)單的短路，具有任選地插入的用于保持電流密度處于控制之下的電流表或其他過程儀表，或者它可以包括用于供應(yīng)直流電的較小功率整流器的插入；這可以具有促進(jìn)針對(duì)較小實(shí)體的能量消耗的過程電流密度調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種在配備有兩個(gè)中間室的槽中進(jìn)行鹽溶液去極化電解的方法，該方法包括將處理電解質(zhì)(任選地含有鈉或鉀的氯化物或硫酸鹽)饋送到鄰近陰極室的中間室的入口，從有關(guān)出口抽取堿富集的廢料；將酸性溶液饋送到鄰近陽極室的中間室的入口，從有關(guān)出口 抽取酸富集的廢料；將含氫燃料氣體饋送到陽極室入口并且將含氧氧化性氣體饋送到陰極室入口，從有關(guān)出口抽取廢料，并且將陽極和陰極半殼互相電連接。同樣，在這種情況下，半殼連接可以是簡(jiǎn)單的短路，具有任選地插入的用于保持電流密度處于控制之下的電流表或其他過程儀表，或者它可以包括用于供應(yīng)直流電的小功率整流器的插入。
[0015]附圖簡(jiǎn)要說明
[0016]附圖顯示了在最后緊固之前的根據(jù)本發(fā)明的電滲析槽的一個(gè)可能實(shí)施例的示意性橫截面圖，該電滲析槽是包含兩個(gè)中間室的類型。
[0017]附圖詳細(xì)說明
[0018]在附圖中顯示了電滲析槽的一個(gè)實(shí)施例，該電滲析槽由陰極半殼I和陽極半殼5定界，由四個(gè)室組成，即陰極室A、鄰近陰極室A的第一中間室B、鄰近陽極室D的第二中間室C以及陽極室D。
[0019]陰極室A由離子交換膜12和陰極半殼I定界，并且包括多個(gè)用于傳輸電流的元件(在這種情況下呈條帶2的形式)、一個(gè)有小孔的集電器(在這種情況下通過將一個(gè)較大網(wǎng)孔的網(wǎng)板3疊加到一個(gè)彈性墊4上而獲得)、一個(gè)氣體擴(kuò)散陰極10以及一個(gè)將氣體擴(kuò)散陰極10與離子交換膜12分開的親水性布11。陽極室D進(jìn)一步由陽極半殼5和氣體擴(kuò)散陽極9定界，并且包括多個(gè)用于傳輸電流的元件(在這種情況下呈條帶6的形式)以及一個(gè)有小孔的集電器(在這種情況下通過將一個(gè)較大網(wǎng)孔的網(wǎng)板7與一個(gè)較窄網(wǎng)孔的網(wǎng)板8疊加而獲得)。
[0020]第一中間室B由離子交換膜12和14定界，這些離子交換膜可以對(duì)應(yīng)地是陽離子膜和陰離子膜，其間安排有一個(gè)隔板13，該隔板可以由聚合物材料制成的三維網(wǎng)格組成。
[0021]鄰近陽極室D的第二中間室C由氣體擴(kuò)散陽極9和離子交換膜14定界，其間安排有一個(gè)滲濾器15，滲濾器15可以由聚合物材料制成的三維網(wǎng)格組成。
[0022]兩個(gè)室A和D可以由穿過一個(gè)電流表的短路互相連接。
[0023]由諸位發(fā)明人獲得的一些最顯著的結(jié)果呈現(xiàn)在以下實(shí)例中，這些結(jié)果并不旨在作為本發(fā)明范圍的限制。
[0024]實(shí)例I
[0025]根據(jù)顯示在圖中的方案組裝一個(gè)實(shí)驗(yàn)槽。該槽包括由AISI310不銹鋼制成的陰極半殼1，在其壁上固定多個(gè)條帶2:在多個(gè)條帶2上進(jìn)一步固定一個(gè)集電器3，該集電器由Imm厚的網(wǎng)板制成，該網(wǎng)板具有對(duì)角線為5和IOmm的菱形開口。條帶2和集電器3也由AISI310不銹鋼制成。該集電器與由0.3_直徑的鎳電線圈組裝件形成的一個(gè)彈性墊4接觸，該彈性墊進(jìn)一步接觸由一個(gè)氣體擴(kuò)散陰極(⑶C)10和一個(gè)多孔親水性層11組成的組裝件。⑶C由石墨化碳紙制成，碳紙通過在聚四氟乙烯懸浮液中浸泡，隨后在350°C下進(jìn)行燒結(jié)熱處理而防潮:在與碳紙接觸墊4的表面相反的表面上預(yù)先已經(jīng)涂布一種催化膜，該催化膜由PTFE粒子和支持在高比表面積碳上的鉬粒子(在Vulcan XC-72碳上的60%鉬/卡博特公司(Cabot Corporation))的混合物組成。⑶C的催化表面是20X20cm2。集電器3和墊4均用一個(gè)5 μ m厚的銀膜涂布，旨在將接觸電阻最小化。
[0026]半殼I的壁和陽離子交換膜12(Neosepta CM-2/株式會(huì)社亞斯通(Astom Corp.))定界饋送有純氧氣的一個(gè)陰極室A。在一個(gè)不同的測(cè)試中，氧氣被替換成含有60%氧氣的富集空氣。
[0027]鈦陽極半殼5裝備有鈦帶6,在鈦帶6上固定一個(gè)集電器,該集電器由Imm厚的一個(gè)第一鈦網(wǎng)板7與0.5_厚的一個(gè)第二網(wǎng)板8組成，網(wǎng)板7具有對(duì)角線為5和10_的菱形開口，網(wǎng)板8由含有0.2%鈀的鈦制成并且具有對(duì)角線為3和5mm的菱形開口。集電器保持與氣體擴(kuò)散陽極(GDA) 9接觸，該GDA由石墨化碳紙制成，碳紙通過在聚四氟乙烯懸浮液中浸泡，隨后在350°C下進(jìn)行燒結(jié)熱處理而防潮。半殼5的壁和GDA定界饋送有純氫氣的一個(gè)陽極室D。
[0028]在與碳紙的接觸板8的表面相反的表面上預(yù)先已經(jīng)涂布一種催化膜，該催化膜由PTFE粒子和支持在高比表面積碳上的鉬粒子(在Vulcan XC-72碳上的60%鉬/卡博特公司)的混合物組成。為了最小化在板8與GDA之間的接觸電阻，通過電鍍?cè)诎?上涂布一個(gè)
0.2μπι厚的鉬膜。
[0029]GDA的催化表面是20X20cm2，并且它保持與Imm厚的一個(gè)第一聚乙烯網(wǎng)15接觸，該聚乙烯網(wǎng)進(jìn)一步接觸一個(gè)陰離子交換膜14 (Neosepta AMX/株式會(huì)社亞斯通)。:網(wǎng)15的目的在于確保在GDA與膜14之間有一個(gè)預(yù)設(shè)的并且均勻的間隙，該GDA和該膜的表面定界中間室C (上述第二中間室)，該中間室C被濃度在測(cè)試期間調(diào)整到1%與5%之間的鹽酸溶液穿過(crossed)。
[0030]在一個(gè)不同的測(cè)試中，中間室C饋送有含有氯化鈉的溶液，其濃度在100與200g/I之間變化。
[0031]膜14保持與一個(gè)第二聚乙烯網(wǎng)13 (也是Imm厚)接觸，該聚乙烯網(wǎng)進(jìn)一步接觸陽離子交換膜12:由兩個(gè)膜12和14定界的中間室B (上述第一中間室)從底部向頂部被饋送氯化鈉溶液，該氯化鈉溶液的濃度在測(cè)試期間在100與200g/l之間變化。氯化鈉溶液通過一個(gè)采集容器再循環(huán)使用。在另一個(gè)測(cè)試中，氯化鈉溶液不被再循環(huán)使用，而是饋送到中間室C，在該中間室中產(chǎn)生含有鹽酸的混合物。
[0032]通過用適合的拉桿緊固半殼I和10來組裝該槽，這些半殼之間插入有元件4、10、
11、12、13、14、15以及9，連同用于防止不同流體滲漏到外部環(huán)境中所需要的有關(guān)周圍墊圈(未顯示)。在緊固這兩個(gè)半殼時(shí)，彈性墊4被壓縮，確保在組裝件的不同部件之間的足夠接觸壓力。
[0033]然后將槽室連接到有關(guān)饋送和抽取回路，尤其是:
[0034]-陰極室A，具有純氧氣或富集的空氣的饋送回路和排出的氧化性氣體的抽取回路。將用于從其抽取穿過親水性多孔層11滲濾的燒堿的排出導(dǎo)管連接到該室的下部。通過將饋送到中間室B的氯化鈉溶液的濃度在100與200g/l之間變化將燒堿濃度在10%與20%之間調(diào)整；
[0035]-中間室B，具有100_200g/l氯化鈉的饋送回路(下部)和廢棄氯化鈉的抽取回路(上部);
[0036]-中間室C，具有稀鹽酸的饋送回路(下部)和產(chǎn)物鹽酸(1%_5%)的抽取回路(上部)；
[0037]-陽極室D，具有用作反應(yīng)物的氫氣的饋送回路和排出氫氣的抽取回路。
[0038]通過控制饋送到中間室B和C的溶液的溫度將該槽恒溫調(diào)節(jié)在70°C，該槽的開路電壓是0.4V。在使半殼I與10短路之后，如由插入在電路中的一個(gè)電流表測(cè)量的，循環(huán)電流被穩(wěn)定在80A (對(duì)應(yīng)于具有純氧氣進(jìn)料的2kA/m2的電流密度)和68A (對(duì)應(yīng)于具有含有60%氧氣的富集的空氣進(jìn)料的1.1kkfm2的電流密度)，兩者均是適合用于工業(yè)應(yīng)用的值。當(dāng)饋送到中間室B的氯化鈉溶液的濃度是100g/l時(shí)，燒堿的濃度是15%-17%。產(chǎn)生鹽酸和燒堿的產(chǎn)率是大約85%。
[0039]在一個(gè)隨后的測(cè)試中，在中間室B出口處取出的氯化鈉溶液被用作中間室C的進(jìn)料。在這種情況下，在中間室C的出口處的產(chǎn)物含有1%_5%鹽酸和100-200g/l氯化鈉。
[0040]實(shí)例2
[0041]使用實(shí)例I的槽，僅將陰離子交換膜14替換成一個(gè)陽離子交換膜(NeowptaCM-2):在這種情況下在中間室C中產(chǎn)生的酸的過量部分穿過這種膜遷移到達(dá)中間室B。觀察到當(dāng)退出中間室B的氯化鈉溶液被送到中間室C的入口時(shí)，這個(gè)損失的主要部分被回收，而不是再循環(huán)使用:通過這種方式，實(shí)際上，有效損失的鹽酸量限于穿過膜12遷移的部分。這個(gè)部分變成出乎意料地小:有利的效果歸因于由氯化鈉解離形成的鈉離子的作用，它顯著降低了遷移酸量。具體地說，獲得84A的短路電流，對(duì)應(yīng)于2.lkA/m2的電流密度，以及大約80%的產(chǎn)生酸和燒堿的產(chǎn)率。
[0042]實(shí)例3[0043]通過將親水性多孔層11替換成等效于網(wǎng)13和15的0.5mm厚的聚乙烯網(wǎng)來修改實(shí)例I的槽。而且，鹽酸稀溶液被饋送到中間室C的上部，并且向下滲濾到位于下部的出口。以完全類似的方式，替代親水性多孔層11的安裝的網(wǎng)，從上部饋送稀燒堿溶液，該溶液在向下部滲濾時(shí)被富集，將其從下部抽取。當(dāng)它顯著降低施加到GDA和GDC的壓頭時(shí)，測(cè)試這種類型的饋送，從而使得構(gòu)建具有垂直高度在I米以上的工業(yè)槽變得可行。相反，實(shí)例I和2的槽結(jié)構(gòu)使GDA和GDC經(jīng)受更高的壓頭，對(duì)應(yīng)于與流動(dòng)溶液退出中間室B和C相關(guān)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)累計(jì)的凈液壓壓頭。這種情況將最大槽高度限制在大約50-70cm，否則氣體擴(kuò)散電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)被淹沒，產(chǎn)生隨之而來的性能損失。短路電流是75A，對(duì)應(yīng)于大約1.9kA/m2的電流密度。
[0044]實(shí)例4
[0045]通過消除膜14和網(wǎng)13，用由GDA9和膜12定界的一個(gè)單一中間室進(jìn)行操作將槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化之后重復(fù)實(shí)例I的測(cè)試。在這種情況下,產(chǎn)生酸和燒堿的產(chǎn)率是大約75%，對(duì)工業(yè)應(yīng)用而言仍然視為是可接受的，其條件是保留的中間室被單程饋送濃度在200g/l以上并且PH為中性的氯化鈉溶液。短路電流是92A，對(duì)應(yīng)于2.3kA/m2的電流密度。
[0046]實(shí)例5
[0047]利用硫酸鈉溶液重復(fù)實(shí)例I的測(cè)試，產(chǎn)生10%的硫酸和15%的燒堿。就產(chǎn)率和短路電流而言，所獲得的結(jié)果基本上等效于針對(duì)由氯化鈉溶液產(chǎn)生鹽酸和產(chǎn)生燒堿所描述的那些結(jié)果。
[0048]前述說明書不應(yīng)當(dāng)旨在限制本發(fā)明，可以根據(jù)不同實(shí)施例在不脫離其范圍的情況下使用本發(fā)明，并且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書意義明確地限定。
[0049]貫穿本申請(qǐng)的說明書和權(quán)利要求書，術(shù)語“包括(comprise)”與其變型(例如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”)并不旨在排除其他要素或添加物的存在。
[0050]對(duì)于文獻(xiàn)、法令 、材料、裝置、物品等等的討論僅出于為本發(fā)明提供背景的目的而被包括在本說明書中。這不表明或表示任何或所有這些內(nèi)容形成了在本申請(qǐng)的每一項(xiàng)權(quán)利要求的 優(yōu)先權(quán)日:之前的現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的一部分或是與本發(fā)明有關(guān)的領(lǐng)域中的公知常識(shí)。
【權(quán)利要求】
1.用于鹽溶液電滲析的電解槽，該電解槽由一個(gè)陽極半殼和一個(gè)陰極半殼定界，包括: -一個(gè)陽極室,該陽極室由所述陽極半殼并且由饋送有一種含氫燃料氣體的一個(gè)氣體擴(kuò)散陽極定界； -至少一個(gè)中間室，該至少一個(gè)中間室饋送有由含有酸和/或鹽的溶液組成的一種處理電解質(zhì)，所述至少一個(gè)中間室由所述氣體擴(kuò)散陽極并且由一個(gè)離子交換膜定界； -一個(gè)陰極室，該陰極室由所述離子交換膜和所述陰極半殼定界，含有饋送有一種含氧氧化性氣體的一個(gè)氣體擴(kuò)散陰極； 該陽極半殼和該陰極半殼相互短路或通過一個(gè)電流整流器連接，該電流整流器的正極連接到該陽極半殼，并且該電流整流器的負(fù)極連接到該陰極半殼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的槽，其中所述至少一個(gè)中間室包括一個(gè)滲濾器，該滲濾器適合于從其頂部被饋送所述處理電解質(zhì)，并且插入在所述氣體擴(kuò)散陽極與所述離子交換膜之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的槽，包括兩個(gè)中間室，即一個(gè)第一中間室和一個(gè)第二中間室，該第一中間室饋送有一種鹽溶液并且由所述第一離子交換膜和所述第二離子交換膜定界，該第二中間室饋送有所述由含有酸和/或鹽的溶液組成的處理電解質(zhì)并且由所述第二離子交換膜和所述氣體擴(kuò)散陽極定界。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的槽，其中所述第二中間室包括一個(gè)第一滲濾器，該第一滲濾器適合于從其頂部被饋送所述由含有酸和/或鹽的溶液組成的處理電解質(zhì)，所述第一滲濾器插入在所述氣體擴(kuò)散 陽極與所述第二離子交換膜之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的槽，其中所述第二中間室的饋送口被連接到所述第一中間室的出口。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的槽，其中所述第一中間室含有一個(gè)隔板。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的槽，其中所述陰極室含有由該氣體擴(kuò)散陰極產(chǎn)生的堿性溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的槽，包括三個(gè)中間室，即一個(gè)第一中間室、一個(gè)第二中間室以及一個(gè)第三中間室，該第一中間室饋送有一種含有堿和/或鹽的溶液并且由所述離子交換膜和所述氣體擴(kuò)散陰極定界，該第二中間室饋送有所述由含有酸和/或鹽的溶液組成的處理電解質(zhì)并且由一個(gè)第二離子交換膜和所述氣體擴(kuò)散陽極定界，該第三中間室饋送有一種鹽溶液。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的槽，其中所述第一中間室包括一個(gè)滲濾器，該滲濾器適合于從其頂部被饋送所述含有堿和/或鹽的溶液。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的槽，其中所述第三中間室含有一個(gè)隔板。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的槽，其中所述含有酸和/或鹽的溶液含有堿金屬的氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽或碳酸氫鹽。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的槽，其中所述含有酸和/或鹽的溶液含有鹽酸或硫酸。
13.根據(jù)權(quán)利要求3到12中任一項(xiàng)所述的槽，其中所述第一離子交換膜是一種陽離子膜，并且所述第二離子交換膜是一種陰離子膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一項(xiàng)所述的槽，其中所述外部電連接是包含一個(gè)電流整流器的一個(gè)電路，該電流整流器的正極連接到所述陽極半殼，并且該電流整流器的負(fù)極連接到所述陰極半殼。
15.在根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的槽中的鹽溶液電滲析的方法，包括以下同時(shí)或順序的步驟: -在至少一個(gè)所述中間室的入口處饋送該處理電解質(zhì)，并且在對(duì)應(yīng)的出口處抽取有關(guān)廢料； -在該陽極室的入口處饋送一種含氫燃料氣體，并且在對(duì)應(yīng)的出口處抽取耗盡氫的燃料氣體； -在該陰極室的入口處饋送一種含氧氧化性氣體，并且在對(duì)應(yīng)的出口處抽取耗盡氧的氧化性氣體； -將這些陽極和陰極半殼互相電連接，任選地通過所述整流器饋送直流電。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述處理電解質(zhì)含有一種堿金屬的氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽或碳酸氫鹽。
17.在根據(jù)權(quán)利要求3到11中任一項(xiàng)所述的槽中的鹽溶液電滲析的方法，包括以下同時(shí)或順序的步驟: -向一個(gè)或多個(gè)中間室饋送該處理電解質(zhì),并且在對(duì)應(yīng)的出口處抽取一種含堿廢料； -在所述第二中間室的入口處饋送一種酸溶液，并且在對(duì)應(yīng)的出口處抽取一種酸富集的廢料； -在該陽極室的入口處饋送一種含氫燃料氣體，并且在對(duì)應(yīng)的出口處抽取耗盡氫的燃料氣體； -在該陰極室的入口處饋送一種含氧氧化性氣體，并且在對(duì)應(yīng)的出口處抽取耗盡氧的氧化性氣體； -將這些陽極和陰極半殼互相電連接，任選地通過所述整流器饋送直流電。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中饋送到所述第二中間室的所述處理電解質(zhì)和所述酸溶液含有相同的陰離子，任選地是氯化物或硫酸鹽。
【文檔編號(hào)】C25B5/00GK103459674SQ201280015622
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月29日
【發(fā)明者】G·費(fèi)塔 申請(qǐng)人:德諾拉工業(yè)有限公司