[发明专利]用于电解器的表面改性的不锈钢阴极

说明书

技术领域

本发明涉及用于工业电解，诸如生产氯酸盐产品的盐水电解中的阴极电极。具体地，本发明涉及用于此类用途的表面改性的、低镍含量的不锈钢阴极。

背景技术

氯酸钠在工业上主要是通过对氯化钠盐水进行电解以产生氯气、氢氧化钠和氢气来生产的。氯气与氢氧化钠立即反应形成次氯酸钠，然后次氯酸钠转化成氯酸盐。在整个电解过程中，涉及的复杂的电化学和化学反应取决于如下参数：电解液的温度、pH、组成和浓度，阳极和阴极的电势和过电压，以及设备和电解体系的设计。为了获得最优的结果，重要的是槽参数的选择，诸如电极尺寸、厚度、材料、阳极涂层选择以及尾气。

氯酸盐电解器中的阴极电极的材料选择和配置对于电解的效率以及阴极在该电解器中的苛刻条件下的耐久性来说是特别重要的。对材料和设计组合进行选择，从而获得可能的在运行过程中的过电压特性连同抗腐蚀性和抗起泡性、成本、可制造性、以及耐久性特性的最佳组合。如果采用包含涂层基底的阴极，则必须考虑基底与这些涂层的相容性。优选地，任何改进的阴极电极都能够替代目前电解器设计中的那些，而不需要对于其他部件(像通过焊接将它们附接到其上的载板)的其他主要设计和材料改变。

借助对电解过程中在阴极处发现的过电势的改进，也许能改善常规的氯酸盐电解器的效率。根据在电解器内导致的一种典型的损耗击穿，阴极过电势占总损耗的大约38％(430mV)，其中其他关键损耗与电解液电阻、阳极过电势、金属电阻以及“重铬酸盐效应”(这是由当采用重铬酸钠作为缓冲剂并且用于抑制次氯酸根和氯酸根离子在阴极处的还原时在阴极上成膜而引起的)有关。

在商用的单极性和混合氯酸盐电解器设计中，阴极典型地是无涂层的碳钢类型，如Domex级钢、C1008以及后一阴极使用挑选的具有特定元素组成的钢，以便避免和/或降低使用时的氢鼓泡以及氢脆。就在运行条件的正常范围(例如，从2.5kA/m²至4.0kA/m²的电流密度和从60℃至90℃的温度)内的槽电压和过电势而言，此类阴极与常规的(形稳阳极)阳极组合表现相当好。它们还是电解器的一种相对低成本的部件。

然而，即使在带有阴极保护的正常运行条件下，无涂层的碳钢电极易受腐蚀(生锈)，这导致阴极减薄，不希望的金属离子进入电解液中，并且减少阴极寿命。在电解器的预期寿命内，典型地存在停工和供电中断，这些加速了阴极的腐蚀。电解液中的金属离子沉积在电极上并且可能通过这种类型的结垢同时影响阳极和阴极性能，产生槽电势升高以及氧气生成的症兆，并且导致更高的运行成本。阴极将主要显现出在整个工作区域上或多或少地均匀分布的点蚀式表面侵蚀。这种类型的腐蚀对于暴露于次氯酸盐的碳钢阴极是典型的。由于在使用当中以及重新使用之前必须除去该垢，需要对阴极进行机械清理(例如通过喷砂)并且酸洗。典型地，显著量的材料(大部分为铁)在这种处理中被除去，使得碳钢阴极需要相当大的腐蚀裕量来补偿材料的损失，从而导致需要更厚的阴极并且因此降低了每单位体积的活性电极面积。此外，当阴极被翻新并且放回使用时，电解器中阴极与阳极之间的间隙将会增大，导致电压增大。

作为一个替代方案，可以考虑将其他材料用作氯酸盐电解器阴极。然而，不同于在相关的工业氯碱电解过程(其中，氯化钠盐水经受电解以形成氢氧化钠、氢气和氯气产物)中，不能采用基于镍或包含显著量的镍的阴极。镍的存在导致次氯酸盐的分解速率增大，并且因此降低产物收率而且产生比正常情况更高水平的氧气。这引起了安全性的担忧，因为氧气可能潜在地与所存在的氢气结合得到不安全的、爆炸性的混合物。因而，将不含镍的或者至少具有低的镍含量(例如，小于按重量计约6％)的阴极用于氯酸盐电解。

某些等级的不锈钢(例如，铁素体的、马氏体的、双相的、以及沉淀硬化的)是低镍含量等级的不锈钢，并且可以在其抗腐蚀性特性方面提供优于碳钢的优势。然而，当用作氯酸盐电解中的阴极时，这些类型的不锈钢、以及实际上一般不锈钢至少当它们典型地被制备用于商业用途时，表现出实质上比碳钢更高的过电压。