[发明专利]用于膜式电解池的改进型电极

说明书

本发明涉及一种对于形成气体产物的电化学工艺特别适用的改进型电极。该电极用一复合结构制成，复合结构具有一“活动百叶窗”型的板，用以保证必须的刚性和提供改进的局部流体动力特性，并具有一被覆电催化层的、相同“活动百叶窗”型外形的网。该网用点焊固定于板上以取得两者外形的基本重合。

离子交换膜电解法是当前由盐水，亦即由氯化钠浓缩水溶液工业生产氯和苛性苏打的较佳方法，尽管还可以为其他工业应用创造有前途的机会，如由碱金属氢氧化物的电解来生产氢和氧。然而，鉴于氯-碱电解当前的显著优势，下面的叙述将涉及这一工艺，但本发明并不限于此。氯-碱电解法的特点在于长期平稳工作，条件是对某些技术面作适当努力。其中两个技术面为电极与离子交换膜之间的可逆相互作用和电极的工作寿命。

就第一个技术面来说，必须考虑到电解液紊流易于造成精密的离子交换膜颤动。为避免这样一个易于造成(离子交换)膜破裂的问题，构成一工业电解池的每一单元的两个隔舱一般具有一压差，该压差实际上使膜贴住一电极，在膜式氯-碱电解中通常为阳极。利用适当的弹性装置也可以使另一电极与膜相贴，从而提高膜自身的机械稳定性(该技术称为“零缝隙”)。另一方面，如上所述，另一电极可以与通过压差压在第一电极上的膜隔开(称为“有限缝隙”或“窄缝隙”法)。

在任何情况下膜与至少一个电极相接触，电极的几何结构特别重要。不同的电极几何结构的工艺是已知的，从所谓多孔金属网到切成平行条带的板，这里的条带配以用作气体分流装置的加边外形(见欧洲专利出版物0102099号)，以及用适当工具切割金属板而得到的“活动百叶窗式”电极(见欧洲专利出版物0189535号)。

要取得膜的最佳性能，重要的是尽可能减小无孔金属制成的电极部分，因为氯化钠盐水的扩散在膜与该金属之间的缝隙内减慢，结果使缝隙内的溶液逐渐稀释。盐水的稀释导致膜局部隆起。另一劣化机制来自膜与金属缝隙内氯气袋(chlorine pockets)的滞流。该种滞流招致膜内形成氯化钠晶体，其结构成为常变的，因而损害其性能(参见ModernChlor-Alkali technology，Vol.4，Elsevier Applied Science，1990，pp.109-123)。损害膜的这些现象较易用多孔金属网电极加以控制，通过适当选配不同参数，如孔道间距和其长度以及扩展度，可以大大改变网孔尺寸和无孔金属部分的尺寸。对于其他几何形状，尤其是对于“活动百叶窗”电极，情况要严峻得多。另一方面，该种电极在电解产物的气体与液体混合物的局部流体动力特性方面则有显著的优点(见欧洲专利出版物0189535号)。事实上，在“活动百叶窗”电极情况下，膜与电极实心金属部分之间有较大接触面，因此如上文所述，有高损坏风险，在工业电解池中工作电流密度越高越危险。

为解决膜损坏问题，提出了不同解决方法，如把要与电极接触的膜表面弄粗糙，这种粗糙处理可通过表面的局部腐蚀来实现，例如通过等离子体束或是涂一层阻止气泡粘附的亲水粉。另外，电极表面可按鱼刺形图形刻出孔和沟来进行粗糙处理，由激光设备加以实施(见美国专利5,114,547)。

关于第二方面，即电极的工作寿命，这决定于电极的结构，电极为具有上述几何形状并敷有电催化层的一金属基片。例如，当电极用作阳极时(正极性)，基片为钛，敷层是厚度为数微米的铂族金属氧化物。电极用作阴极时(负极性)，基片为镍或碳钢，单独或组合涂敷催化剂镍、铂族金属或其氧化物的薄膜(数微米)。电催化层的寿命取决于工作条件，特别是温度、电流密度、电解液浓度和有无能妨碍电催化活性的毒剂存在(“毒化作用”)。无论如何，在一定工作时间后必须更新电极(下文中称再活化)。最简单的方法是把装有电极的装置运交制造厂商，由其从构架上卸下的电极，换上新电极。这种运作显然是费时(运送和机械作业)和费钱的(包括金属基片在内电极的全部更换)。另一可行方法是(通常用点焊法)将一新电极固定于报废电极的表面上。为此使用具有适当网孔尺寸尤其是厚度小的薄网(见欧洲专利出版物0044035号)。这一方法的主要不适宜之处在于改变了膜与电极接触面的局部几何形状，从而在很大程度上改变了电解液与生成气体的混合物的流体动力特性。把活化的薄网加于“活动百叶窗”型或类似几何形状的废电极上时，这种不恰当更加突出。

因此，显然现有工艺技术提出的解决办法(例如使膜或电极表面粗糙)只是降低了膜与电极接触宽度的影响，却显著增加了生产成本(例如使用激光设备)，或是解决了一个问题(采用薄活化网再活化废电极)而引起另外的不便(气体与电解液混合物的局部流体动力特性差)。