[发明专利]用于反应器的双极电解槽

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于反应器的双极电解槽。

背景技术

掺硼金刚石（BDD）凭借其化学惰性和宽电位窗而用于电化学产生氧化制品。另外，金刚石因其卓越的导热性和硬度而著称。已经在例如EP0659691和US5399247中描述了固体并且带涂层的掺硼金刚电极石在电化学系统中的应用。这些专利描述了在电化电解槽中使用导电金刚石电极。

众所周知，电化学反应表面的面积确定了氧化制品的生产率（mol/s）。

在WO2008/029258中，双极电解槽被描述为具有这样的优点，即，中间电极同时起到阳极和阴极的作用，从而与标准构造中一次操作相比，所述电极的工作面积有效地扩大一倍。

通过化学气相沉积（CVD）制成的掺硼金刚石通常以每小时若干或几十微米的相对较低的速率生长。制造处理需要与待涂敷的面积成比例的资金支出和电力消耗。因此，较之更薄的层，生产较厚的层成比例地较为昂贵。更重要的是，每单位体积的金刚石的成本基本集中在一下限，而与制造规模无关。

因此，对于成本效益较高的掺硼金刚石电极电化电解槽而言，要求相对于电解槽的体积最大化其工作表面面积。

金属电极上的通常几十微米厚的掺硼金刚石薄涂层看起来满足这种要求。此外，金属电极还提供了抵抗变型和断裂的结构。也可以认为高导电性金属衬底上的掺硼金刚石涂层的电阻将低于相等厚度的独立金刚石层的电阻。然而，尽管拥有这些优势，由于在涂层中存在破坏气密密封的缺陷，金属衬底易于受到氧化制品的腐蚀。基于以下原因，更厚的层不能成为解决方案：

1.仍然不能保证消除缺陷，尤其在角部/边缘部处；

2.增大的应力/失配（mismatch）应力增大了涂层分层或者应力性断裂的可能性；

3.生产更厚的层（两侧）的额外支出。

因此，自由侧（free-side）掺硼金刚石电极是涂层电极的更为坚固耐用的替代方案，原因在于，它们不易于氧化失效。独立（free-standing）掺硼金刚石电极的一个重要缺陷是它们相对欠佳的抗断裂性。尽管高质量的掺硼金刚石能够具有通常超过300MP的强度，但是它是对不良机械负荷相对敏感的脆性材料。

在WO2008/029258中描述的双极电解槽中，中心电极在边缘部处由挠性材料支撑。这样，从源自机械负荷的应力计算的角度来看，电极可视为被简单的支撑。在由均质材料构成并且承受不均匀负荷的简单支撑的盘中的最大拉伸应力σ_max产生在盘的中心，并且能够由以下方程计算得出：

σ_max=3wR²（3+v）/8t²   方程1

其中，w是以帕为单位的负荷，R是以m为单位的盘的半径，v是泊松比，t是以m为单位的盘的厚度。所述方程表明对于给定负荷，层中的应力与无支撑跨度的平方成正比，并且与厚度的平方成反比。概略地，这意味着如果电极的跨度增大一倍，则电极的厚度必须也增大一倍，以保持恒定应力。因为以下因素此解决方案较为复杂。

1.金刚石在生长表面上的断裂应力随着层厚度的增大而减小。这是由于金刚石的强度由特征瑕疵的大小所控制；在这种情况下，为晶粒大小。因为生长面上的晶粒大小大致与厚度成比例增加，因此，破坏应力对应地下降；

2.金刚石的断裂应力围绕统计平均值分布。威布尔模数术语（Weibull modulus term）描述了断裂应力的这种分布：更高的威布尔模数限定了更紧密的断裂应力分布。然而，断裂应力取决于区域，并且更大的电极从统计上更可能包含将在低应力水平下发生断裂的区域。

这两个因素所导致的后果是，更大直径的独立层将需要厚度不相称地增大，以保持机械强固性，从而导致额外的成本。

有效电化电解槽的设计中的另一个关键因素是最优化电极之间的间隔。减小电极间距能够具有提高电解槽功率效率的优势。这是因为更小的间距在电解槽操作期间减小了电解液的电阻率并且对应地降低了欧姆损耗。在WO2008/029258中，电解槽构造成与每个电极相联的一系列板或层中。尽管这种设计具有模块化构造的优点，但是对电极间隔仍存在实际限制，原因在于每块板必须包括用于电解液的供给槽、用于电极自身的支撑结构和某些形式的密封材料。最佳地，这种构造方法允许电极间隔减小，而不受诸如最小实际板厚度的因素的影响。

最后，有利的是具有最高的成本效益，电化电解槽（electrochemical cell）应当构造简单，并且能够以较低的成本制造。

问题总结如下：