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(guò)水溶液中的金屬氯酸鹽(例如氯酸鈉(NaClO₃))和相對(duì)強(qiáng)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?yán)煤瑝A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(guò)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(shí)，將鹽水和氯酸鹽的混合物直接加料至一個(gè)或多個(gè)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(duì)于還原劑的需求，沒(méi)有實(shí)踐由NaClO₃小規(guī)模生產(chǎn)ClO₂。例如在US4501824,US426263,US4381290和US4362707中報(bào)道了憑借氯酸鈉在強(qiáng)酸中電化學(xué)或催化還原的ClO₂產(chǎn)生工藝的實(shí)例。這些現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)允許省去對(duì)于單獨(dú)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(gè)方面。

在一個(gè)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生適合于實(shí)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(kāi)始產(chǎn)生二氧化氯，因此避免強(qiáng)無(wú)機(jī)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(gè)的獨(dú)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(kāi)，或密切接觸但是彼此電絕緣。

在一個(gè)實(shí)施方案中，電極元件的第二催化劑組分負(fù)載在陶瓷載體上。該陶瓷載體，例如能夠?yàn)榉至⒌奶沾山橘|(zhì)形式，例如蒸餾支架。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，電極元件的第二催化劑組分負(fù)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(shì)以增強(qiáng)二氧化氯的生產(chǎn)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，電極元件的第二催化劑組分連接至電源。

在一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)方面，本發(fā)明涉及電解池，其包含至少一個(gè)如上面述描述的電極元件。

在一個(gè)實(shí)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(gè)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(gè)陰極和至少一個(gè)如權(quán)利要求1中描述的電極元件作為陽(yáng)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(guò)使電流在陰極和陽(yáng)極之間通過(guò)來(lái)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?chē)?/p>

-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(shí)施例來(lái)證明本發(fā)明的特別的實(shí)施方案，在要求保護(hù)的數(shù)值范圍內(nèi)已經(jīng)大量驗(yàn)證了其可行性。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該領(lǐng)會(huì)，在以下實(shí)施例中公開(kāi)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(shí)踐中良好作用的組成和技術(shù)；然而，鑒于本公開(kāi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該領(lǐng)會(huì)在所公開(kāi)的具體實(shí)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(shí)施例

制備包含0.5厘米直徑涂覆鈦棒作為陽(yáng)極的電化學(xué)電池。陽(yáng)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(yáng)極電流密度下進(jìn)行反應(yīng)。

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

之前的說(shuō)明不應(yīng)當(dāng)意圖為限制本發(fā)明，在沒(méi)有脫離其范圍的情況下其可以根據(jù)不同的實(shí)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(qǐng)的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)，術(shù)語(yǔ)“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(qǐng)文件中包括文獻(xiàn)、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(qǐng)的每個(gè)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(shí)。