[发明专利]用于电解的阳极

说明书

发明背景

氯(chlorine)的产生基本上通过碱金属氯化物溶液、特别是氯化钠溶液的电解来进行，其借助于三种供选技术，这些技术基于隔膜、汞阴极或者在最先进的情形中基于离子交换膜电解装置，配备有由多孔或以不同方式穿孔的钛片材构成的阳极，该片材具有包含铂族金属和/或其氧化物(任选以混合物)的电催化涂层；这种阳极由例如Industrie De Nora以商标名而商业化。这三种技术的共同问题是需要限制氯中的摩尔氧(oxygen)含量处在低于2％且优选不高于1％的水平：氧由不可避免的水氧化次级反应产生并且阻碍大多数利用氯的过程，特别是在二氯乙烷合成中，该合成是PVC生产的第一步。根据现有技术教导，为获得低的氧含量，对阳极(其涂层是通过用贵金属前体溶液涂覆钛基材并随后通过热处理进行分解来获得)进行最终热处理，然而该热处理伴有一些能量消耗的不利后果，根据所应用的温度和持续时间据估计平均为约50-100kWh/吨产物。

此外，这些相同的阳极应用于盐酸电解，该电解日益获得关注，这是因为盐酸是所有主要的使用氯的工业过程的典型副产物：当今工厂产能的提高涉及大量酸的产生，这些酸在市场上的配销相当困难。盐酸电解导致氯的形成，氯可循环到上游从而产生基本闭合的循环，而无显著的环境影响，这在目前是从主管当局获得施工许可的决定性因素。表现涂覆贵金属的钛阳极在该范围内的应用的问题直接与盐酸的强侵蚀性有关：盐酸渗透穿过电催化涂层的缺陷，腐蚀钛-涂层界面并且引起其在相对短的时间内分离，其结果是装置关停。现有技术建议的第一个对策没有产生明显结果，所述对策包括使用由钛-钯合金制成的基材，该合金因其特殊抗腐蚀性而出名并且用于构建化学装置中的关键设备。第二个补救办法不能超过一定限度而应用，该办法包括通过提高催化涂层的厚度来改善钛基材的保护，因为观测到过厚的涂层变得极脆且因此遭受到纯机械性质的显著分离现象。到目前为止优选的解决方案提供了需要以多个覆盖单层获得的电催化涂层：如此获得的阳极表现出减少数目的缺陷，且因此特征在于较好的工作寿命。然而观测到，在延长的寿命方面的优点被较高工作电压方面的缺点抵消，从而带来约50-150kWh/吨氯的电能消耗增加。

类似问题还产生于所有那些电化学过程中，特别是电冶金过程中，其中使用涂覆贵金属的钛电极作为析氧的阳极：这些过程通常涉及使用高浓度的酸溶液、特别是硫酸，其证明对目前使用的钛基材具有侵蚀性。为了获得可接受寿命，通常应用一定措施例如上文关于盐酸情形所回顾的措施。

本发明的一个目的是提供用于工业电解处理的阳极，特别是在能量消耗和对酸性溶液的化学耐受性方面，克服现有技术的局限。

在另一方面，本发明的一个目的是提供用于工业析氯电解处理的阳极，该阳极在产物氯中的氧含量方面克服了现有技术的局限。

另一方面，本发明的一个目的是提供用于工业析氧电解处理例如电冶金学处理的阳极，该阳极在持续时间和工作槽电压方面克服了现有技术的局限。

通过下面描述将清楚这些及其它目的，该描述不意欲限制本发明，本发明的范围仅由所附权利要求限定。

发明描述

根据本发明的阳极包含具有电催化涂层的钛合金基材，所述涂层基于贵金属和/或其氧化物，所述钛合金包括在所述电催化涂层形成期间适合于被氧化的元素，这些元素优选为0.01-5重量％的浓度。

在本发明的一个优选实施方案中，本发明的阳极包含由钛合金构成的基材，所述钛合金包括一种或多种选自铝、铌、铬、锰、钼、钌、锡、钽、钒和锆的元素；在另一个实施方案中，该合金还包含一种或多种选自镍、钴、铁和铜的元素。

在本发明的一个特别优选的实施方案中，用作阳极基材的钛合金包含0.02-0.04重量％钌、0.01-0.02重量％钯、0.1-0.2重量％铬和0.35-0.55重量％镍。

不依赖于钛阳极的最终应用，通过如下工序制造具有贵金属基活性涂层的钛阳极，包括：通过喷砂和/或在酸性溶液中侵蚀而预处理钛基材，和通过在450-550℃下热分解含有最终金属和/或氧化物的适宜前体的涂料来施加基于铂族金属或其氧化物(任选以混合物)的电催化涂层。

涂层可能存在孔隙或裂纹形式的缺陷，认为这些缺陷的存在是在侵蚀性酸性溶液的存在下进行工作的特殊情形中工作寿命减少的重要原因，如在用于盐酸再转变到氯的盐酸溶液和许多电冶金学处理中使用的硫酸溶液的情形中：这些溶液可渗入缺陷内，直至到达与钛基材的界面，并且开始腐蚀过程，其在短时间内可导致涂层分离和随之的电解装置关停。