本發(fā)明涉及二氧化氯(ClO₂)的生產(chǎn)并且特別地涉及用于生產(chǎn)二氧化氯的催化工藝以及合適的電極元件。

發(fā)明背景

歷史上，通過水溶液中的金屬氯酸鹽(例如氯酸鈉(NaClO₃))和相對強的酸(例如硫酸、磷酸或氫氯酸)之間的反應(yīng)商業(yè)制備ClO₂。

通常，用于產(chǎn)生ClO₂的工藝利用含堿性氯酸鹽的原料(經(jīng)常是NaClO₃)，其還包括堿金屬的鹵化物鹽或其他還原劑。典型地通過以任何眾所周知的手段電解氯化鈉鹽水產(chǎn)生用于這樣的ClO₂生產(chǎn)工藝的氯酸鈉原料。當(dāng)使用氯化物作為還原劑時，將鹽水和氯酸鹽的混合物直接加料至一個或多個反應(yīng)器，其中原料接觸所需要的酸并且反應(yīng)形成ClO₂。由于所需要的高酸度量，例如5-10N酸，加上對于還原劑的需求，沒有實踐由NaClO₃小規(guī)模生產(chǎn)ClO₂。例如在US4501824,US426263,US4381290和US4362707中報道了憑借氯酸鈉在強酸中電化學(xué)或催化還原的ClO₂產(chǎn)生工藝的實例。這些現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)允許省去對于單獨的還原劑的需求，然而在工藝中仍然需要酸的化學(xué)供應(yīng)。

發(fā)明概述

在所附的權(quán)利要求中闡述本發(fā)明的各個方面。

在一個方面，本發(fā)明涉及電極元件，包含：閥金屬基材；施加至所述基材的第一催化劑組分，所述第一催化劑組分適合于在陽極極化下由水溶液析出氧；第二催化劑組分，其適合于在酸性環(huán)境中由氯酸鹽溶液產(chǎn)生二氧化氯；所述第一和第二催化劑組分彼此電絕緣。

由于上面的布置，氧的陽極析出與因而引起的質(zhì)子產(chǎn)生導(dǎo)致了在第二催化劑組分的表面處溶液局部pH的降低。換言之，在不需要任何外部酸添加的情況下，電化學(xué)陽極反應(yīng)產(chǎn)生適合于實施氯酸鹽至二氧化氯的催化還原的酸濃度。然后本發(fā)明的電極元件適合于僅由水和氯酸鹽溶液開始產(chǎn)生二氧化氯，因此避免強無機酸例如硫酸的處置。

關(guān)于電極元件，在此預(yù)期包含布置在單個的獨立件中的兩種有區(qū)別的催化劑組分的整體電極，該兩種催化劑組分或由合適的絕緣間隔體隔開，或密切接觸但是彼此電絕緣。

在一個實施方案中，電極元件的第二催化劑組分負載在陶瓷載體上。該陶瓷載體，例如能夠為分立的陶瓷介質(zhì)形式，例如蒸餾支架。

在另一個實施方案中，電極元件的第二催化劑組分負載在金屬性載體上。

能夠任選地使此第二催化劑組分極化至較低的電勢以增強二氧化氯的生產(chǎn)。

在一個實施方案中，電極元件的第二催化劑組分連接至電源。

在一個實施方案中，電極元件的第一催化劑組分包含貴金屬氧化物。

在一個實施方案中，在根據(jù)本發(fā)明的電極元件中，該第二催化劑組分是選自由氧化釕、氧化銥、氧化鈀、氧化銠和氧化鉑組成的組的貴金屬氧化物的混合物。任選地，該第二催化劑組分還包含閥金屬氧化物。

在一個實施方案中，電極元件的第二催化劑組分是陶瓷的或金屬性的片材或網(wǎng)狀物的形式，或多孔材料的形式。

在另一個方面，本發(fā)明涉及電解池，其包含至少一個如上面述描述的電極元件。

在一個實施方案中，該電解池配備有電極元件，其設(shè)置為第二催化劑組分和施加至基材的插入的第一催化劑組分的排列，該第一和第二催化劑組分相互地絕緣。

在又一個方面，本發(fā)明涉及用于在催化劑組分上產(chǎn)生二氧化氯的工藝，其包含以下步驟：

-提供包含至少一個陰極和至少一個如權(quán)利要求1中描述的電極元件作為陽極的電化學(xué)電池；

-用含氯酸鹽溶液的含水原料供應(yīng)所述電池；

-通過使電流在陰極和陽極之間通過來電解所述原料從而在所述第一催化劑組分的表面上形成氧和酸度并且將酸度供應(yīng)至所述第二催化劑層的表面的周圍；

-分離(strip)和回收在催化層上產(chǎn)生的二氧化氯。

優(yōu)選地，在40℃至90℃的溫度下電解該溶液。

包括下列實施例來證明本發(fā)明的特別的實施方案，在要求保護的數(shù)值范圍內(nèi)已經(jīng)大量驗證了其可行性。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該領(lǐng)會，在以下實施例中公開的組成和技術(shù)代表由本發(fā)明人探索的在本發(fā)明的實踐中良好作用的組成和技術(shù)；然而，鑒于本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該領(lǐng)會在所公開的具體實施方案中能夠做出許多改變，并且仍然獲得類似的或相似的結(jié)果，而不脫離本發(fā)明的范圍。

實施例

制備包含0.5厘米直徑涂覆鈦棒作為陽極的電化學(xué)電池。陽極的涂層由10g/m²的2：1摩爾比的銥和鉭的混合氧化物組成。使充當(dāng)用于第二催化劑元件的載體的涂覆的鈦膨脹網(wǎng)纏繞該棒，且在其間布置間隔體以提供電絕緣。鈦網(wǎng)的涂層由10g/m²的1：2摩爾比的RuO₂/RhO₂組成。供應(yīng)2M NaClO₃溶液作為電解質(zhì)原料。在61℃的溫度下和在50mA/cm²的陽極電流密度下進行反應(yīng)。

試驗運行持續(xù)5小時。每一小時提取樣品并且在UV/VIS分光光度計(Hach DR 5000)中表征。圖顯示作為時間的函數(shù)的二氧化氯濃度的增加。

之前的說明不應(yīng)當(dāng)意圖為限制本發(fā)明，在沒有脫離其范圍的情況下其可以根據(jù)不同的實施方案使用，并且本發(fā)明的范圍的程度僅由所附的權(quán)利要求限定。

貫穿本申請的說明書和權(quán)利要求書，術(shù)語“包含”及其變型例如“包括”和“包含有”不意圖排除其他元件、組分或額外的工藝步驟的存在。

此申請文件中包括文獻、法案、材料、裝置、制品及類似物的討論僅僅是出于為本發(fā)明提供上下文的目的。不表明或代表這些內(nèi)容的任何或全部形成部分的現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)或是在此申請的每個權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日之前與本發(fā)明相關(guān)的領(lǐng)域內(nèi)的公知常識。