[发明专利]用于膜电解槽的电极

说明书

技术领域

本发明涉及用于电化学应用的电极，特别涉及用于膜电解槽的在金属支撑物上制备的电极。

背景技术

在由离子交换膜分隔的电解槽中进行的电解工艺是最相关的工业电化学应用之一。这种应用的一些实例是碱金属氯化物盐水的电解(氯碱电解)，尤其参见用于生产氯和苛性钠的氯化钠盐水的电解以及盐酸溶液的电解。

在以下描述中，将把氯化钠电解作为在整个生产方面最具代表性的实例，但是不应当理解为本发明只限于这种应用。

在膜氯碱电解中，利用离子交换膜将电解槽的阳极室与阴极室分隔开。给电解槽的阳极室供应例如浓度为约300g/l的氯化钠盐水；在通常不超过4kA/m²的电流密度下，氯析出(evolution)发生在阳极表面，而盐水由此被消耗且出口浓度降至通常在200到220g/l之间。通过电场将钠离子输送穿过膜而到达阴极室，在那里生成重量百分比浓度通常不高于33％的碱性产物。然后在电解槽外通过蒸发来提取和浓缩碱性产物。还在阴极表面上发生氢析出。要求降低资本投资使得要设计在更高电流密度下运行的装置：事实上，较老的装置通常在3kA/m²下工作，而那些较新的结构在约5kA/m²下运行。装置设计的当前趋势是进一步使这种值增大到6kA/m²或更多。其流速随电流密度增大而增加的气泡形式的气体的析出可能导致压力波动，该压力波动对膜的机械完整性有潜在危害：为此，通常精确地控制两室的压差并将其维持在3000Pa以下，这使得电解槽操作复杂化。此外，产物气体有在膜和与之相对的电极表面之间积聚的趋势，由于电解液的更新不良而导致局部地消耗氯离子浓度并且增大了接触区域的欧姆降。盐水的稀释促进了氧的局部析出并随之带来酸化。这些不同方面(氯积聚、氧积聚、截留盐水(trapped brine)的消耗、酸化)的结合导致膜早期劣化，尤其是在特别是阳极和膜之间的空隙区域处以起泡形式发生，导致了电压的增大和电解效率的降低。类似的劣化也可能发生在膜和阴极之间的空隙区域中：在这种情况下，液体滞留导致碱性产物浓度增大，其可能达到高达40-45％的值。如此高的碱度会破坏膜的化学结构，如同对阳极侧所描述的一样，随之电压增加并伴随开始局部起泡。

为了减轻与气泡滞留相关的问题，已经提出了一些方法来改善电极表面附近的盐水循环：US 4,608,144公开了一种阳极表面，其装配有交替引导盐水供给和排出的垂直的平行通道，并且进一步装配有相互连接供给和排出通道的下面部分的水平通道。以这种方式实现强制的盐水循环，在某种程度上阻止了氯气泡的粘附。US 5,114,547公开了一种阳极，其旨在利用由与布置成人字形的倾斜的次级通道连接的垂直通道组成的结构来促进膜-阳极界面处的盐水循环，从而避免该界面处的滞留盐水消耗而带来的电阻增大。US 2006/0042935通过提供由喷砂或酸刻蚀得到的不规则的阳极表面来改善到阳极的盐水供给，而解决了相同的问题。

虽然提出的所有方法在某种程度上可能都有助于防止离子交换膜在通常的工艺条件下恶化，但是它们不能保证在为满足旨在更高电解槽生产率的当前市场需求而要求的恶劣工艺条件下的最佳机能。

因此期望有一种能够克服现有技术局限性的用于膜电解槽的电极，尤其是关于操作在例如膜寿命、更高可施加电流密度、操作电压、电解槽中所得碱性产物的浓度、盐水利用程度或最大可施加压差的参数方面具有更高性能的膜电解槽的可能性。

发明内容

所附的权利要求中陈述了本发明的各个方面。

一个实施例提供了一种在金属基底上得到的电极，其具有深度为0.005到0.02mm而槽距(pitch)(定义为相邻凹槽间的距离)为0.01到0.5mm的多个局部平行的凹槽。

局部平行的凹槽指的是多个具有打开或封闭的形状的凹槽，其至少在其部分长度上平行；局部平行凹槽的路线可以采取以直线或任意类型曲线穿过整个电极结构的大致平行走向。在一个实施例中，电极表面呈现出具有封闭形状并彼此相互交叉的局部平行凹槽。