[发明专利]用于电解槽的阴极

说明书

技术领域

本发明涉及用于电解槽的阴极，尤其适用于隔膜氯碱电解槽。

背景技术

通过电解碱金属氯化物溶液(尤其是氯化钠盐水)生产氯，到目 前为止仍然是相关工业最重要的电化学方法。众所周知，不同类型的 电解槽被用作这一目的，其中一种类型提供使用由半透多孔隔膜组成 的隔离件，该隔离件现在是由亲和了无机添加剂的聚合物材料制成。

隔膜氯碱电解槽的功能描述在乌尔曼的化学工艺学百科全书 (5°Ed.，卷A6，424页-437页，VCH)中给出，而电解槽内部结构的 实施例在US5066378的附图中进行了详细说明。

现有技术的隔膜电解槽通常包括几排夹层的阴极和阳极，阴极由 设置了孔的传导性表面限定，例如网状物或冲孔的片材，形状做成扁 平的长方形棱柱(相对于所谓的“阴极指状物”几何形状)并焊接于周 围的室，在这里设置了用于供给和排出工艺流体的连接件。隔膜通过 真空过滤其成分的水悬浮液沉淀在阴极的传导性表面上。夹层在阴极 指状物的阳极可能与阴极指状物接触或隔开几毫米；但是，必要的是 防止指状物受到弯曲以免由于磨擦而损伤隔膜。此外，在工作期间， 电流必须尽可能均匀地传导至整个阴极表面：不均匀分布实际上会导 致电解槽电压增加并导致苛性钠生产效率降低，同时增加了氯中的氧 含量。其满足了给予阴极足够刚性和电导率的要求。

这个问题通过给阴极配备纵向波纹碳素钢或铜质内板得以解决， 例如在US 4138295和WO 00/06798中：外部传导性表面被固定于(优 选焊接)波纹板的顶点，解决了电流的均匀分布和刚性问题；然而， 纵向皱折被证明对氢气泡的自由运动造成了妨碍，氢气泡不能竖直上 升并最终导致沿着指状物的上母线堆积，随后通过相关的出口离开周 围的室。纵向波纹板收集在每个皱折下的氢气并使氢气沿着皱折纵向 流动直到通过周围的室上的适当的口排出：由于这种流动难于平衡， 使得处于每个皱折下的氢气量能变化，不同程度地封闭面对隔膜的区 域，这导致电流分布不理想。US 4049495也描述了波纹内板，但是在 这个情况中皱折是竖直设置的：这样氢气能够在指状物的顶部自由地 收集，但是流向周围的室的氢气被皱折的顶部阻碍。而且竖直皱折的 刚性效果被证明是不能令人满意的。

更先进的解决方案在WO 2004/007803和WO 2006/120002中提 出，在此完整地并入并披露了使用被插入阴极内部体积中的板，其具 有不连续的突起例如隆起、盖或砖，突起设置为便于氢气产物既纵向 地也竖直地自由循环，除了给予这种结构最佳的刚性外，同时得到了 具有良好地分布的电阻路径的电连接。

然而在刚刚引用的两个文献中提出的解决方案在下面两个方面仍 不能令人满意：

-第一方面，对于处于最常见的加工电流密度(2.5至3kA/m²) 的大尺寸的阴极优选使用由高传导性材料(例如铜)制成的内板，以 便相当大程度地提高电流分布。另一方面，使这种结构具有充分的刚 性的需要要求铜板有这样高的厚度以至于成本方面不理想。因此，优 选用更好的力学特性材料和/或较低的成本制造内板，例如碳钢或各种 铁或镍基材料。但是铁或镍的电传导率对于大尺寸电解槽来说不是最 佳的。

-第二方面，在引用的文献中提出的内板的几何形状保证了氢气 的良好循环，但是在阴极内没有充分地混合电解液。阴极内部体积实 际上被加工电解液和苛性产品组成的液体混合物部分地填满，液体混 合物的水平面通常超出了阴极高度的一半。在这种相当浓的情况下， 易于形成浓度和温度梯度，仅仅通过自然对流部分地抵消，并且容易 降低电流效率，增加能量消耗和氯产品中的氧含量。

因此，希望采用克服现有技术的缺陷(尤其在电流分布和混合内 部体积内的电解液方面)的用于电解槽的阴极。

另一方面，希望采用克服现有技术的缺陷(在能量消耗或氯产品 的质量方面)的隔膜电解槽。

发明内容

本发明的各个方面在附属权利要求中阐明。