[发明专利]预定孔隙率的隔膜以及制造其的方法和用于其的设备

说明书

技术领域

本发明涉及多孔隔离器，具体地涉及适于在隔膜式氯碱电解槽中使用的隔离器。

背景技术

若干电解工艺在通过隔离器分成两个室（阳极室和阴极室）的槽中进行，所述隔离器由适于使阳极反应产物和阴极反应产物隔离的多孔隔膜构成，除了工艺效率损失以外，这些产物的混合还能够导致危险混合物的形成。隔离器必须对容纳在槽中的流体具有化学抗性，并且具有合适的电导率以确保电流输送所需的连续性。隔膜的孔在操作期间可能由容纳在槽内部的工艺电解质溶液填充：容纳在孔内部的溶液部分确保所需的隔膜电导率。与其他类型的隔离器（例如离子交换膜）所发生的相反，多孔隔膜容许溶液的宏观通过并且由此不会完全阻止阳极产物和阴极产物的混合。混合的程度取决于隔膜的厚度和孔隙率以及工艺条件，特别是在两个室之间的压力差和电流密度。用于设有呈多孔隔膜形式的隔离器的电解槽的最工业相关领域被示出为：用于生产氯和碱的碱水电解，下面将对其具体进行参照而没有限制的意图。

过去，安装在槽中的用于这种工艺的隔膜典型地由包括石棉纤维（可选地通过添加聚合物粘合剂而稳定）的层构成。后来，对石棉使用的越来越多的限制导致了由含氟聚合物纤维构成的隔膜的发展，该隔膜通过将从水悬浮液中抽吸的纤维层沉积到阴极表面上获得，该阴极表面例如由导电物质的网或穿孔板构成。由于所采用的聚合物具有远超过石棉的比密度，因此悬浮液添加有显著增大其粘度的增稠剂，从而抵消沉降过程，但是仍不能完全抑制沉降过程。为此，悬浮液在搅拌下进行存储：尽管这在一段时间中维持可接受的均匀性方面是关键的，但是其仍然能够通过使纤维分裂成较短的块而导致纤维的退化。为了使隔膜在操作条件下易于浸没，聚合物纤维能够涂覆亲水颗粒，例如基于惰性的金属（例如锆）陶瓷氧化物；悬浮液也可能包含未键合至纤维的、但由相似的物质构成的亲水颗粒。这种隔膜的沉积通过调节穿过阴极本体的悬浮液的流速并且使真空度作为独立的变量而进行。所抽吸的悬浮液的量实际上直接对应于沉积的物质的量，使得流速的控制容许以简单的方式进行物质的逐步累积以及由此隔膜重量的逐步累积，这与孔隙率的性质一起是表征其在槽中的功能的最重要参数之一。真空度的从属变量的性质仍然与该工艺的主要缺点相关：只要悬浮液的组成保持恒定，真空度对于沉积物质的依赖关系实际上就能够在不同的沉积之间复制。但是，悬浮液的组成由于包括纤维沉淀、纤维碎裂、亲水颗粒从涂覆纤维中释放、粘度在微生物群的作用下改变在内的现象的组合而趋于以不可预见的方式改变。这些现象的后果是真空度的不可预见性，真空度例如对于在搅拌下存储较长时间的悬浮液趋于更急剧地增大：真空度在沉积物质的压缩的效果下逐渐自增强，并且能够导致形成抑制悬浮液的流动的致密层。作为悬浮液流动的过早阻塞的第一后果，除了致密性不总是与工业设备的操作条件兼容以外，所获得的沉积物可以具有远低于程序设定值且高度分散的重量。具体地，执行卤水（尤其富含可沉淀杂质）电解的设备趋于将特别致密的隔膜堵塞到不可控制的程度。另一方面，不足的致密度能够使隔膜的隔离作用完全无效：由此期望的是，具有能够获得可控且可复制的孔隙率分布且致密度总是满足电解工艺的操作条件的多孔隔离器。还期望的是，这种孔隙率分布能够例如基于工艺电解液的特征而预先确定。

发明内容

本发明的多个方面在所附权利要求中阐明。

在一个实施例中，本发明包括沉积在隔膜电解槽的阴极本体上的多孔隔离器，所述隔离器由多个聚合物纤维平面的叠置而形成，所述隔离器包括由纤维之间的主空隙的互连而形成的主孔，所述主孔具有2μm至10μm的平均尺寸而标准方差不大于平均尺寸的50%。

在一个实施例中，聚合物纤维机械粘合至陶瓷氧化物颗粒，例如挤入或嵌入纤维中的呈水合形式的氢氧化锆。聚合物纤维能够例如通过烧结工艺以及随后可选地使粘合至其上的氧化物颗粒再水化而成网状。呈水合形式的氧化物在此指包括化学键合到至少一个羟基上的金属原子（例如锆）的氧化物。这能够具有向隔离器赋予足够的亲水度的优点。

在一个实施例中，多孔隔离器还包括由第二空隙的互连而产生的第二孔，所述第二空隙由滞留在所述主空隙的内部的颗粒物质的颗粒形成；所述颗粒物质和所述第二孔具有0.5μm至5μm的平均尺寸而标准方差不大于平均尺寸的50%。

控制到这种程度的孔隙率的有效性能够具有向隔离器提供非常可复制的透过性的优点，这能够联接至合适的工艺电解质。

具体地，所获得的没有颗粒物质的隔离器适于在供给有质量差（就易于沉淀的杂质（例如0.3ppm-2ppm的钙和/或镁）而言）的卤水的设备中的操作。