[发明专利]用于氯化钠电解的氧气扩散阴极

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于氯化钠电解的氧气扩散阴极，其在低单元(cell)电压下具有优异的耐久性，该阴极用于氯化钠电解。

背景技术

工业电解中的氧气扩散阴极的使用

最近已在着手研究工业电解中的氧气扩散电极的使用。例如，在用于过氧化氢的电解产品的设备中，使用用于进行氧化还原反应的疏水性阴极。此外，在用于碱产品或酸/碱回收的工艺中，通过使用气体扩散电极，进行作为阳极上的氧气产生的替代的氢气氧化反应(氢气阳极)或作为阴极上的氢气产生的替代的氧气还原反应(氧气阴极)，由此获得电能消耗的减小。据报道，当在金属回收中使用氢气阳极作为反电极时，例如，锌聚集或锌电镀，去极化是可能的。

作为工业原料重要的苛性钠(caustic soda)(氢氧化钠)和氯气主要通过氯化钠电解方法来制造。电解方法已经从其中使用汞阴极的汞方法和其中使用石棉隔膜和软铁阴极的隔膜方法，改变为其中使用离子交换膜作为隔膜和使用具有低过电压的活性阴极的离子交换膜法。在该间隔期间，制造1吨苛性钠需要的电能消耗率被减少到2,000kWh。但是，由于苛性钠制造是大的耗电工业，因此需要进一步减小电能消耗率。

在相关技术的氯化钠电解方法中，在以下方案(1)和(2)中分别示出了阳极反应和阴极反应，以及其理论的分解电压是2.19V。

2Cl^-→Cl₂+2e(1.36V)         (1)

2H₂O+2e→2OH^-+H₂(-0.83V)    (2)

当代替在阴极上进行氢气生成反应而使用氧气阴极时，发生以下方案(3)中所示的反应。结果，即使在实际有用的电流密度范围中，单元电压理论上也可以被减小1.23V，或被减小约0.8V。因此，可以预计每吨氢氧化钠的700kWh的电能消耗率的减小。

O₂+2H₂O+4e→4OH^-(0.40V)    (3)

为此，自从80年代起已研究了利用气体扩散阴极的氯化钠电解方法的实用实施方案。但是，为了实现该工艺，研制氧气阴极是必不可少的，该氧气阴极要求不仅具有高性能，而且在电解系统中具有足够的稳定性。

在Soda&Chlorine，Vol.45，85(1994)，“Domestic/overseas SituationConcerning Oxygen Cathodes for Sodium Chloride Electrolysis”中详细描述了氯化钠电解中的氧气阴极。

用于氯化钠电解的气体扩散阴极

目前最通常进行的使用氧气阴极的氯化钠电解方法的电解槽(electrolytic cell)是其中经由阴极室(腐蚀室)在阳离子交换膜的阴极侧布置氧气阴极以及从阴极后面布置的气体室提供作为原料的氧气的类型。该槽阳极室、阴极电解质室和阴极气体室的三个室构成，被称作三室型电解槽。提供给该气体室的氧气在电极内扩散，并与催化剂层中的水起反应，以形成氢氧化钠。由此，该电解方法中使用的阴极必须是所谓的气体/液体分离型的气体扩散阴极，通过该气体扩散阴极，仅仅氧气充分地渗透，以及其中氢氧化钠溶液不泄漏到气体室。其中在通过混合碳粉和PTFE获得的电极基底上支撑诸如银和铂的催化剂，并以片状形成混合物的气体扩散阴极已被提议作为满足那些需要的电极。

但是，这类电解方法涉及一些问题。在氢氧化钠和氧气共存的条件下，在高温下，用作电极材料的碳粉容易退化，由此显著地降低电极性能。此外，当液体压力的增加时防止氢氧化钠溶液泄漏到气室侧以及特别是在大尺寸电解槽中防止电极的退化是困难的。

为了解决这些问题，已经提出了一种新的电解槽。该电解槽的特点在于，氧气阴极被布置为与离子交换膜紧密接触(零气隙结构)，以及从电极的后面提供作为原料的氧气和水，而从电极后面或电极的下半部回收作为产品的氢氧化钠。当使用该电解槽时，关于氢氧化钠的上述泄漏的问题被解决，以及阴极室(腐蚀室)和气体室之间的分离没有必要。由于该电解槽由用作气体室和阴极室(腐蚀室)的单个室以及阳极室的两个室配置，它被称作双室型电解槽。

适合于使用该电解槽的电解工艺的氧气阴极所需要的性能很大程度上不同于相关技术的氧气阴极所需要的性能。由于泄漏到电极后面的氢氧化钠溶液被回收，因此该电极不必具有将腐蚀室与气体室分开的功能，以及不需要具有一体的结构，并且尺寸扩大比较容易。