[发明专利]一种电解槽和电解含水氢卤酸制备卤素气体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解槽技术领域，具体涉及离子膜氢卤酸电解槽和电解含水氢卤酸制备卤素气体的方法。

背景技术

槽电压是电解槽的一个非常重要的参数，也是衡量电解工艺先进与否的重要指标，直接影响着电解槽的电耗。离子膜电解槽的槽电压主要由以下几个方面构成，用公式表示如下：

V＝V⁰+V_M+η_阳+η_阴+IR_液+IR_金

式中：V——槽电压，V；

V⁰——理论分解电压，V；

V_M——离子膜电压降，V；

η_阳——阳极过电位，V；

η_阴——阴极过电位，V；

IR_液——液体的欧姆电压降，V；

IR_金——金属的欧姆电压降，V；

影响槽电压的主要因素可分为两个方面：(1)结构性因素的影响：电解槽结构，一类导体材料的导电性能，极间距大小，离子膜的结构及性能，阳极和阴极的性能等；(2)操作性因素的影响：电流密度、阴阳极液循环量、盐水中的杂质、电解液的浓度、温度等。

电解槽的电耗与槽电压高低直接有关，根据法拉第定律可知，在电解过程中每生成1molCl₂需要的法拉第数为2F，即53.6A·h，那么每生产1t氯气需要的电耗为：

W=755×Vη]]>

其中，V为单元槽槽电压，η为电流效率。

传统伍德法(Uhde)电流密度4～4.8kA/m²，电解槽电压约1.92～2.06v，能耗为1600Kwh/吨氯气，能耗高，维修成本高，而且电解气体纯度低又易发生安全问题，已显落伍。UHDE公司又开发了ODC电解技术，在阴极电解液室引入氧气，不发生阴极H₂离析而改为产生水，这样比传统UHDE电解槽电压下降。这种ODC电解技术电流密度4kA/m²，槽电压约1.4v，电耗为1050Kwh/吨氯气。分析现有技术发现，在阴极H⁺结合电子生成氢气是电耗高的主要原因，ODC电解技术不发生阴极H₂离析，所以比传统UHDE电解工艺的电耗下降550Kwh/吨氯气。其次是传统UHDE电解工艺和ODC电解技术电流密度都不够大，如果电流密度达到5～10kA/m²，传统UHDE电解工艺和ODC电解技术都会出现电解槽无法承受的损害。但电解常识又告诉我们提高电解槽的电流密度并保持稳定运行就可以有效降低电耗。

在ODC电解技术基础上选择三维电极并向阴极液中添加多价或双价金属氧化物参与氧化还原，改良的ODC电解技术标准电位比ODC电解更高，电解槽电压进一步下降，电流密度5～10kA/m²，槽电压约0.85～1.13v，电耗仅为650-860Kwh/吨氯气，这在ODC电解制氯气基础上又节省约400kwh，在传统电解工艺的基础上节电900kwh(在10kA/m²的电流密度下生产)。平面电极或2D电极的电活化面积只是暴露在电解液中导电材料的平面，平面厚度为0，而三维电极或3D电极可做出几毫米的厚度，它的特征表现为电活化面积远大于投影面积。三维电极比平面电极具有更高的电化学活性转化为更高的电流密度和更低的电解槽电压。高表面积的多孔结构被称为3D阴极，其实表面积/投影面积大于10倍，这个特点能够使电流密度超过5kA/m²不发生阴极H₂离析。反应式如下：

阳极反应：4HCl→2Cl₂+4H⁺+4e，

阴极反应：4FeCl₃+4H⁺+4e→4FeCl₂+4HCl，

电解反应：4FeCl₃→4FeCl₂+2Cl_2，

发明内容