Электрод для электрохимических процессов и способ его изготовления

 

А.п, Томилов. Ю.И. Розин, С.M. Иакарочкина, А.ф, Иазанко,,В Л Кубасов, В.Б.Буссе-йачукас, Ф.И.Львович, В.ф. Купович, A,È. Андреева, H.À. Д " Б.А. 111тутман, .В.И. Файкин, E.À, Коханова, Н.А, Бу -Ю.Д Паншин (72) Авторы изобретения (7)) Заявитель (54) ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИИИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электродам для:электрохимических процес" " сов и технологии их изготовления,конкретно к электроду, скрепленному с ионообменной мембраной, выполняющей одновременно функцию ионообменной мембраны и катода или анода, например в электосинтезе органических соединений.

Известен электрод .для электрохимических процессов, содержащии токопро30 водящую титановую основу (сплошной лист титана) с нанесенным на нее про-, межуточным пористым подслоем из порошка пассивирующегося металла,на который нанесено активное покрытие.По1$ ристый подслой изготавливают из металлическоно порошка различного гра" нулометрического состава, который наносят на металлическую основу прес20 сованием с последующим спеканиеи при

800"1000 С и вакууме (1-5) 10 мм рт.ст. Известный электрод используют

s качестве анода. Он характеризуется эффективным закреплением активного покрытия и развитой рабочей поверхностью j13

Пористый подслой может быть нанесен на титановую основу известного электрода газопламенным или электродуговым распылением пассивирующегося.металла 1,2.1.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является электрод, содержащий пористое активное покрытие, нанесенную на пористую токопроводящую основу, и механически скрепленный с ионообменной "мембраной, нанесенной на поверхность пористой основы.

Известный электрод изготавливают следующим образом.

Ионообменную мембрану, например типа "Нафион", механически закрепляют на поверхности токопроводящей ос" новы из пассивирующегося металла, а на токопроводящую основу наносят пористое активное покрытие. Крепление

89971 мембраны на токопроводящей основе осуществляют предварительным натяжением f3).

Недостатком известного электрода является повышенный расход электроэнергии, связанный с тем, что даже при непосредственном контактировании электрода и ионообменной мембраной межэлектродное расстояние не может быть меньше толщины самой мембраны. Так например, при электролизе раствора 3й хлорида натрия с использованием известного электрода при плотности тока 0,3 A/cì, концентра2 ции щелочи в католите 153 напряжение на ячейке составляет 4,0 В (активное покрытие электрода - смесь окислов рутения в титане), Цель изобретения — снижение расхода электроэнергии.

Указанная цель достигается тем, что в электроде для электрохимических процессов, содержащем пористую токопроводящую основу и ионообмен! о !

3 ности токопроводящей основы, противоположной рабочей поверхности электрода, поры токопроводящей основы заполнены ионообменным материалом.

Предлагаемый электрод для электро- Ю механических процессов может быть изготовлен путем закрепления мембраны на поверхности пористой токопроводящей основы, причем ионообменный материал в виде пленки накладывают на поверхность основы и вводят в поры под давлением 0,05-50 кгс/см при

z температуре, на 5-50 С превышающей температуру размягчения ионообменного материала.

Предлагаемый электрод для электрохимических процессов может быть из— готовлен путем закрепления мембраны на поверхности пористой токопроводящей основы, причем иЬнообменный материал вводят в виде суспензии в поры токопроводящей основы под давлением 0,05-1 кгс/см с последующей сушкой и нагревом до температуры,на

5-50 С превышающей температуру размягчения ионообменного материала.

При различных вариантах мембрана электрода может быть выполнена из катионообменного или .анионообменного материала, а рабочая поверхность снабжена пористым активным покрытием из материала, катализирующего катодный или анодный процесс. ную мембрану, закрепленную на поверх-

Давление 0,05-50 кгс/см обеспечивает введение ионообменного материала в поры токопроводящей основы.

При более высоком давлении пористая основа разрушается. Температуру поддерживают в пределах на 5-50 С выше температуры размягчения ионообменного материала, что предотвращает возможность деструкции полимера и переход вещества в жидкое состояние, при котором ионообменное вещество может пропитать пористую основу на полную ее толщину и за счет этого экранизировать активное покрытие электрода.

В случае, если электрод будет служить катодом, то пористую токопроводящую основу выполняют из материала, катализирующего катодный процесс, например железа, и с одной стороны основы вводят в поры суспензию ионообменного материала, а затем проводят термообработку при температуре, превышающей на 5-50"С температуру размягчения ионообменного материала.

При возможной экранизации рабочей поверхности электрода ее механически защищают от наплывов ионообменного материала.

В случае, если электрод будет служить анодом, то пористую основу выполняют из пассивирующегося металла, например титана, на эту основу заранее наносят с одной стороны активный слой, затем с противоположной сторо- ны накладывают лист ионообменного материала по объему, соответствующему объему свободных пор титановой основы, и вальцуют на обогреваемых о вальцах при температуре, на 5-50 С выше температуры размягчения ионообменного материала, и давлении 0,0550 кгс/см . При такой обработке ионообменный материал в точности заполнит все поры токопроводящей основы элек-. трода и не экранирует активный слой.

В случае, если электрод будет служить анодам или катодам, то активный слой может быть нанесен без термообработки при высокой температуре (не превышающей температуру перехода ионообменного материала в жидкое состояние), например гальваническим способом, то для такого электрода пригодны оба метода введения в поры основы ионообменного материала - как метод горячего вальцевания, так и метод профильтровывания суспензии

5 899719 4 ионообменного материала через порис- насосом, с помощью которого ссущесттую основу с последующей термообра- вляют интенсивную циркуляцию к ?oëèта (линейная скорость йе менее 0,2 м/с), Для изготовления пористой токопро- в катодную камеру электролизера заводящей основы, например из титана, у гружают 120 r (2,6 моль) свежепереиспользуют порошок титана с размером гнанного акрилонитрила, стабилизирозерен 30-80 мкм и прессуют в пресс- ванного 0,5 г паронитрозодиметиланиформе при комнатной температуре под лина, 250 мл 83-ного водного растводавлением 30-50 кгс/см . В зависимос- ра фосфата калия и 10 мл 53-ного вод" ти от давления прессования могут !О ного раствора тетраэтиламмония. Анобыть получены заготовки с пористос- литом служит 103-ная серная кислота. тью 30-503. После прессования заго- Электролиз ведут током 8 А в течетовку спекают в атмосфере инертного ние 2,5 ч, поддерживая температуру газа при 700-1000 С в течение 5- 20-25 С. В катодную камеру периоди10 ч. На полученную заготовку нано- 15 чески добавляют концентрированный сят активное пористое покрытие с од- раствор едкого калия.с таким расченои стороны одним из известных спо- том,чтобы поддерживать рН в гределах собов, например, из растворов терми- 8,0-9,0.Напряжение на электролизере чески разлагаемых соединений титана, 3,6 В. По окончании электролиза рутения, кобальта, марганца и др. с 20 из католита отбирают органичеспоследующей термообработкой, или га- кий слой, который разгоняют под зотермическими мето ами. На одами. На другую нормальным давлением на водяной бане сторону основы накладывают лист ионо- и отгоняют при этом непрореагировав обменного материала и вальцуют в обо-- шую часть акрилонитрила и пропионитгреваемых вальцах под давлением 2 — 25 рила, а затем под вакуумом 10 мл.рт.ст.

50 кгс/см при температуре, превыша- отбирают фракцию, кипящую при 1 6ющей на 5-50 С температуру размягче- 158 C представляющую собой адипония ионообменного материала. р ала .нитрил. Выход продукта по току равен

Практическое осуществление спосоУщ вление спосо- 70ф. В аналогичных условиях при проба изготовления предлагаемого элек- Зо ведении процесса с использованием трода для электрохимических процес"р ц обычного фильтрпрессного электролиоов и использование этого элект о а е этого электрода зера с .ионообменной мембраной напря- в различных процессах иллюст и ют юстрируют жение на электролизере составляет следующие примеры. 4,8 В.

П р и и е р 1. Используют электро лизер фильтрпрессного типа. Анодная Пример 2. Опыт ведут в том и катодная камеры разделены пластиной же электролизере описанном в npul из пористого титана(пористость 40 ),в мере 1, но поры титановой пластины порах которой запрессована катионооб- заполняют анионообменной смолой ИАменная смола ИФ-4СК.Для приготовления 4в 40, а в качестве активного слоя нанотакой пластины на пористый лист титана сят покрытие из двуокиси рутения. Католщиной 1,5 мм накладывают пленку тодом служит пластина из листового указанного ионообменного материала слоя. В катодное пространство элеки вальцуют на обогреваемых вальцах тролизера загружают 132 г хлорпропиоа при температуре, на 50 С превышающей <> нитрила и 250 мл 1,153-ного водного температуру размягчения ионообменно- раствора едкого натра. Анолитам слу2. го материала, и давлении 50 кгс/см . жит 354-ная соляная кислота. ЭлектроПри этом ионообменный материал вхо- лиз ведут током в 10А (катодная дит в поры титановой пластины. Про- плотность тока 0,04 A/ñè ) в течетивоположную сторону пластины покры ние 7 ч. Температуру поддерживают о вают активным слоем двуокиси свинца 20-25 С. В процессе электролиза на по известной методике. Приготовлен- аноде выделяется хлор с выходом по ную пластину располагают в электро- току 983. Напряжение на электролизелизере так, чтобы слой двуокиси свин- ре 3,5 В. По окончании электролиза ца находился в анодной камере, в ка- от католита отделяют тяжелое светло$5 тоднои камере размещена графитовая желтое масло, которое растворяют в пластина, которая служит катодом.Ка- 100 мл хлороформа. При этом отделяют тодная камера соединена со стеклян- 17 г гекса (0-цианэтилдиолова) в виным холодильником и центробежным де бесцветных пластинчатых кристаллов

16

Формула изобретения ом служит 104-ный водный 1. Электрод для электрохииических аша. Электролиз ведут то- процессов, содержащий пористую токотечение 1 ч 10 мин при 26 проводящую основу и ионообменную жение на электролизере меибрану, закрепленную на поверхносатоде выделяется водород ти основы, противоположной рабочей току 99/. ° По окончании элек- поверхности электрода, о т л и ч Лнолита отделяют тяжелое а шийся теи, что, с целью сниое перегоняют под нориаль- 23 жения расхода электроэнергии, поры ем. Отбирают фракция, кипя- токопроводящей основы заполнены ионо. але 150"151 C..Получают 7,3 r обменныи материалои. с n = 1,5980.Выход под то- 2. Способ изготовления электрода ле активирования пористо- по и. 1 путем закрепления мембраны о катода платиной, гальва- Se на поверхности пористой токопроводяжденной„ напряжение на щей основы, отличающийся ре в аналогичных условиях тем, что ионообменный материал в висоставляет 3,15 В. де пленки накладывают на поверхность ичных условиях с исполь- основы и вводят в поры под давлением льтропрессного электроли- gg 0,05-50 кгс/си при теипературе, на обменной мембраной напря- 5-50 С превышающей температуру разектролизере 4,8 В. мягчения ионообменного материала. е р 4. Опыт ведут в элек- 3. Способ изготовления электрода ильтропрессного типа, по и. 1 путем закрепления мембраны атодные камеры которого <в на поверхности пористой токопроводяластиной из пористого ти- щей основы, о т л и ч а ю щ и и с я тость 403) с запрессован- тем, что ионообменный иатериал в викатионообиенной смолой де суспензии вводят в поры токопровоприготовления такой плас- дящей основы под давлениеи 0,05титана с одной стороны 1 кгс/см с последующей сушкой и наензию указанного ионооб- гревои до температуры, íà 5-50 С ериала в керосине под дав- превышающей температуру разиягчения

-I,0 кгс/си, затем пласти- ионообменного иатериала. и 80-90 С, после чего на- Источники информации, температуры превышающей

56 принятые во внимание при экспертизе температуру размягчения 1. Заявка ФРГ И 2035212, 12 h, 2, го материала. Йротивопо- 1970. ону покрывают активным 2. Авторское свидетельство СССР уокиси рутения. Катодом - no заявке И 2000416/23-26, тина из листового олова. кл. С 25 В 11/03, 1974. сс ведут в условиях элек- 3. Заявка Франции N 2251637, И примеру 2. В процессе кл. С 25 В 13/08, 1975 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 12095/38 Тираж 686 Подписное

Филиал ППП Патент", r. уягород, ул. Проектная, а с температурой плавления 103

110,5 С. В аналогичных условиях с использованием злектролизера с ионообменной мембраной напряжение на электролизере составляет 5,0 В, Пример 3. Опыт ведут в том же злектролизере, описанном в прииере 2, но в качестве разделительной перегородки используют пластину из пористого железа, поры которого заполняют катионообменной смолой ИК40. Рабочая камера снабжена системой циркуляции (анодная/. Анодом служит графитовая пластина. В анодное пространство загружают 30 мл аце- И тона, 75 г броиистого калия, 18 г поташа и 225 мл дистиллированной воды. Католит раствор пот ком 6,3 А в

30 С, Напря

3,3 B. На к с выходом по тролиза из а масло,котор ным давлени щую в интерв бромоформа ку b54.. Пос

:го железног нически оса электролизе электролиза

В аналог зованием фи зера с иона жение на эл

П р и м тролизере ф анодные и к разделены и тана (порис ной в ней

Иф-чСК. Для тины в поры вводят сусп менного мат лением 0,05 ну сушат пр гревают до на 25-30 С ионообменно ложную стор слоем из дв служит плас

Далее проце тролиза по электролиза выделяется хлор на аноде с выходом по току 97ь, напряжение на электролизере 3,6 В.

Предлагаемый электрод для электрохииических процессов обеспечивает снижение расхода электроэнергии на

20-30ь.

Использование предлагаемого электрода для электрохимических процессов в технологии электрохимических производств обеспечит получение зкономического эффекта до 500 тыс. Руб. в год.