[发明专利]用于电解氯酸盐方法的选择性阴极

说明书

本发明涉及一种在单室电解池中生产碱金属氯酸盐的方法，该方法避免了在该方法中加入重铬酸钠，在该方法中通过使用在基材上具有电催化顶层的阴极降低不想要的副反应，该基材任选地还具有一个或多个中间层。电催化顶层包含锰和/或铈的氧化物。

本发明涉及一种电解氯酸盐方法，该方法采用在具有含有碱金属氯化物的电解质溶液的非分隔电解池中包含导电电极基材和电催化层的阴极。

碱金属氯酸盐，特别是氯酸钠的电解生产是熟知的。碱金属氯酸盐为一种重要的化学品，特别是在纸浆和纸张工业中作为原料用于生产广泛用于漂白的二氧化氯。它通常通过在非分隔电解池中电解碱金属氯化物生产。

使含有氯酸钠的高浓度盐水溶液经受电解和一系列电化学和化学反应导致NaClO₃的形成。根据式(1)和式(2)，在阴极，释放出氢气，而在阳极，生成氯气。

2H2O+2e^-→2OH^-+H₂ (1)

2Cl^-→Cl₂+2e^- (2)

所产生的氯气在盐水溶液中水解，生成次氯酸和氯化氢(式3)。取决于溶液的pH值，次氯酸形成次氯酸根离子(式4)。这两种中间产物次氯酸和次氯酸根离子相互反应而形成氯酸根(式5)。

Cl₂+H₂O→HOCI+HCl (3)

HOCl→ClO^-+H⁺ (4)

2HOCl+ClO- →ClO^-₃+2Cl^-+2H⁺ (5)

其他不想要的反应可能发生，其降低了电池效率且因此要求更高的能量与增加的产物产率损失。在阳极上，氧气由水或次氯酸根的氧化形成。

幸运地，这通过使用尺寸稳定的阳极最小化。然而，在阴极上发生的不想要的电化学反应为主要的问题。这些中最重要的为氯酸根和次氯酸根离子(或次氯酸)的还原。式6和7分别代表氯酸根和次氯酸根离子的两种不想要的还原：

ClO^-₃+3H₂O+6e^-→Cl-+6OH^- (6)

OCl^-+H₂O+2e^-→Cl^-+2OH^- (7)

通过向电解质中加入重铬酸纳，使不想要的反应6和7最小化。将重铬酸钠在阴极上还原以形成薄铬(III)氧化物/氢氧化物层，这导致前述益处。另一益处为阴极上的氢气释放不会受到所形成的层的阻碍。重铬酸钠的加入还缓冲在5-7的范围内的电解质pH值，催化氯酸根的形成，并降低阳极的氧气释放。

然而，重铬酸钠为一种对人体和环境均具有高毒性的化学物质。

本发明所涉及的问题为通过提供可用于氯酸盐生产的方法中的选择性阴极消除在氯酸盐生产中使用重铬酸钠的需要。

例如US5622613中已经描述了用于氯酸盐方法的经涂覆的阴极。在该专利中提及提供有防止次氯酸根离子由阴极还原的膜的阴极。该膜可包含有机阳离子交换剂、无机阳离子交换剂或可使用这些物质的混合物。该专利中的实施例公开了使用氟树脂型阳离子交换剂，其中分散有(钛、锆、铈和铁的)金属氢氧化物。