DESINTEGRADOR DE AMALGAMA DESTINADO A CUBAS CON CATODO DE MERCURIO PARA LA ELECTROLISIS DE CLORUROS ALCALINOS.

Un desintegrador de amalgama destinado a cubas electrolíticas del tipo que utilizan cátodo de mercurio que comprende un recipiente vertical provisto de un relleno catalítico interno para la descomposición con agua de la amalgama generada dentro de la cuba,

caracterizado porque el relleno comprende una multiplicidad de elementos metálicos humectables por la amalgama cuya superficie está parcialmente sin revestir y proporcionada parcialmente con un revestimiento catalítico, siendo dicho revestimiento catalítico no humectable por la amalgama

Desintegrador de amalgama destinado a cubas con cátodo de mercurio para la electrolisis de cloruros alcalinos.

Antecedentes de la invención

La producción de cloro mediante electrólisis de soluciones de cloruros alcalinos se lleva a cabo normalmente por medio de tres procedimientos diferentes, concretamente la membrana de intercambio iónico, el diafragma poroso y el cátodo de mercurio. A continuación se hará referencia, al objeto de simplificar la descripción, a la electrólisis de soluciones de cloruro sódico; no obstante, la invención puede aplicarse igualmente a la electrólisis de otros cloruros alcalinos tal como cloruro de litio o cloruro potásico. La electrólisis de soluciones de cloruro sódico del tipo en donde se emplea un cátodo de mercurio (cuyas soluciones serán referidas de aquí en adelante como salmuera), basada en una tecnología conocida desde hace tiempo, ha experimentado una mejora continua en la estructura de las cubas (Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, VCH, Vol. A6, pag. 416), cuya mejora está dirigida esencialmente a la disminución del consumo de energía eléctrica y a la supresión de emisiones de mercurio al medioambiente.

El problema de la reducción del consumo de energía fue enfocado con éxito mediante la sustitución de los ánodos de grafito originales por ánodos de titanio provistos de un revestimiento catalítico a base de óxidos de metales del grupo del platino, particularmente eficaces para el desprendimiento de cloro. Los ánodos de titanio activo se caracterizan también por una larga vida de servicio lo cual permite reducir sustancialmente la cantidad de periodos inactivos de la cuba, muy frecuentes en el caso de ánodos de grafito corroibles: dado que las interrupciones en el mantenimiento son críticas para las emisiones de mercurio, resulta aparente la ventaja obtenida desde este punto de vista. También se consiguió una reducción adicional en las fugas de mercurio mediante modificaciones en el diseño de la cuba, tal como se describe en la WO-A-2007 096338 copendiente, y mediante el uso rutinario de sal recristalizada que permite reducir al mínimo la cantidad de lodos contaminados con mercurio, purgados de la sección de purificación de salmuera, aunque a un mayor coste. Como consecuencia de estas medidas, se puede demostrar hoy día que la liberación de mercurio de una planta bien diseñada y correctamente dirigida asciende a no más de 3 g por tonelada de cloro producto, en comparación con un valor de 10 g con una antigüedad de alrededor de 10 años (Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, VCH, Vol. A6, página 424).

En las plantas actualmente en funcionamiento, la amalgama de sodio se alimenta a la porción superior de un desintegrador de amalgama configurado como un recipiente generalmente vertical que contiene un relleno de fragmentos de grafito activado con un catalizador, por ejemplo óxido de molibdeno. La amalgama que fluye descendentemente por los intersticios entre las partículas de grafito se encuentra con un flujo en contracorriente de agua desionizada alimentada a la porción inferior del desintegrador de la amalgama. La acción catalítica del grafito permite que la reacción de descomposición de la amalgama proceda a una velocidad aceptable, con formación de sosa cáustica, la cual junto con el cloro es el producto de interés comercial, de acuerdo con el siguiente esquema:

Na(Hg)_x + H₂O rightarrow NaOH + H₂

En realidad, el mecanismo implicado en la reacción global es notablemente más complejo dado que involucra a los pares de gotita de amalgama-partícula de grafito generados estadísticamente en el tiempo. Cada uno de estos pares funciona realmente como una micro-cuba corto-circuitada, en donde la gotita de amalgama y la partícula de grafito actúan respectivamente como zona anódica y zona catódica de acuerdo con las siguientes reacciones parciales, cuya combinación proporciona la reacción global anteriormente indicada:

gotita de amalgama (zona anódica): Na(Hg)_x rightarrow Na⁺ + x Hg + e

partícula de grafito (zona catódica): H₂O + e rightarrow H₂O + OH^-

Para obtener una alta velocidad de descomposición de la amalgama es necesario que la reacción parcial de desprendimiento de hidrógeno que constituye el cuello de botella de la cinética en general, sea promovida de un modo adecuado. Por este motivo, el grafito, que tiene una actividad moderada, es incorporado en adición con más materiales catalíticos, tal como óxido de molibdeno que se deposita por imbibición de una solución de molibdato amónico seguido por un tratamiento térmico adecuado. El grafito así tratado no es humectable por la amalgama: dicha característica presenta la ventaja de impedir la formación de una película superficial adherente de amalgama, que impedirá el contacto requerido con agua que constituye la primera etapa de la reacción de desprendimiento de hidrógeno. Por otro lado, esto también tiene un efecto negativo, debido a que la falta de humectabilidad entraña una alta resistencia de contacto eléctrico entre la partícula de grafito y la gotita de amalgama, lo cual obstaculiza a su vez en gran medida el flujo de electrones generados por la ionización del sodio sobre la gotita de amalgama y que deben llegar a la partícula de grafito para sostener adecuadamente el desprendimiento de hidrógeno. Según esto, queda demostrado que el grafito no puede ser un catalizador óptimo, pudiéndose aplicar también esto a otras formulaciones de tipo homogéneo, tal como la descrita en US 4.161.433 en donde se proponen catalizadores de descomposición consistentes en boruros y carburos metálicos. Desde un punto de vista ideal de hecho cualquier partícula individual de material catalítico comprendería uno o más pares de zonas microscópicas anódicas y catódicas separadas, siendo humectadas las zonas anódicas por la amalgama y no siendo humectadas las zonas catódicas y estando en contacto íntimo con el flujo de agua. Además, sería necesario reducir al mínimo la resistencia eléctrica entre los dos tipos de zonas para aportar el menor obstáculo a los electrones que fluyen desde las zonas anódicas, en donde se liberan por la ionización de sodio, hacia las zonas catódicas en donde se consumen en la reacción de desprendimiento de hidrógeno.

Además de los inconvenientes antes citados, las partículas de grafito experimentan cierta molienda bajo la acción erosiva del hidrógeno desprendido; como una primera consecuencia, el material de relleno experimenta una contracción de volumen en el transcurso del tiempo lo que, una vez que se alcanza un valor del 20% aproximadamente, conduce a una pérdida intolerable de capacidad productiva que obliga a los operarios a interrumpir la operación y proceder a la carga de catalizador nuevo.

A partir de la explicación anterior, resultará evidente que el uso de grafito activo representa una solución lejos de la satisfactoria.

La presente invención tiene por finalidad resolver los inconvenientes del estado de la técnica, al proporcionar en particular un nuevo relleno para los desintegradores de amalgama que funcionan en asociación con cubas de electrólisis de cloruros alcalinos del tipo en donde se emplea un cátodo de mercurio.

Descripción de la invención

Según un primer aspecto, la invención se refiere a un catalizador consistente en elementos metálicos humectables por la amalgama, cuya superficie está provista parcialmente de un revestimiento catalítico no humectable, a utilizar como relleno para los desintegradores de amalgama.

Los elementos de la invención son con preferencia anillos cilíndricos y la superficie relevante, provista parcialmente de un revestimiento catalítico no humectable, es la superficie externa.

El metal humectable por la amalgama puede seleccionarse convenientemente del grupo consistente en hierro, níquel, acero al carbono, acero inoxidable, pero el experto en la materia será capaz también de seleccionar otros materiales metálicos con características adecuadas; de acuerdo con una modalidad preferida de la invención, el revestimiento catalítico consiste en uno o más carburos de metales seleccionados del grupo consistente en titanio, zirconio, niobio, tántalo, tungsteno.

La aplicación del revestimiento catalítico a la superficie de los elementos metálicos se puede llevar a cabo convenientemente mediante técnicas de pulverización,...

1. Un desintegrador de amalgama destinado a cubas electrolíticas del tipo que utilizan cátodo de mercurio que comprende un recipiente vertical provisto de un relleno catalítico interno para la descomposición con agua de la amalgama generada dentro de la cuba, caracterizado porque el relleno comprende una multiplicidad de elementos metálicos humectables por la amalgama cuya superficie está parcialmente sin revestir y proporcionada parcialmente con un revestimiento catalítico, siendo dicho revestimiento catalítico no humectable por la amalgama.

2. Un desintegrador de amalgama según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho metal humectable por la amalgama se elige del grupo consistente en hierro puro, acero al carbono, níquel y cobalto.

3. Un desintegrador de amalgama según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho acero al carbono tiene un contenido en carbono por debajo de 0,1%.

4. Un desintegrador de amalgama según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho revestimiento catalítico comprende al menos un carburo metálico.

5. Un desintegrador de amalgama según la reivindicación 4, caracterizado porque dicho o dichos carburos metálicos son conductores de la electricidad.

6. Un desintegrador de amalgama según la reivindicación 4 o 5, caracterizado porque dicho o dichos carburos metálicos se eligen del grupo consistente en carburos de titanio, zirconio, niobio, tántalo, tungsteno y silicio.

7. Un desintegrador de amalgama según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha multiplicidad de elementos comprende anillos cilíndricos, semi-anillos cilíndricos o anillos Raschig.

8. Un desintegrador de amalgama según la reivindicación 7, caracterizado porque dichos anillos cilíndricos tienen una superficie interna sin revestir y una superficie externa proporcionada parcialmente con un revestimiento catalítico.

9. Un desintegrador de amalgama según la reivindicación 8, caracterizado porque dicha superficie externa comprende dos bandas laterales sin revestir.

10. Un desintegrador de amalgama según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque dichos anillos cilíndricos tienen un diámetro y una longitud del orden, independientemente, de 10 a 40 mm.

11. Procedimiento para la fabricación de dicha multiplicidad de elementos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la etapa de aplicar dicho revestimiento catalítico a una parte de la superficie de dichos elementos mediante pulverización a la llama o con plasma de polvos, al mismo tiempo que se deja sin revestir otra parte de dicha superficie.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha etapa de aplicación de dicho revestimiento catalítico por pulverización se lleva a cabo sobre la superficie externa de tubos posteriormente cortados en una multiplicidad de anillos.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha etapa de aplicación de dicho revestimiento catalítico por pulverización se lleva a cabo sobre al menos una superficie externa de una estructura compacta plana consistente en un conjunto de tubos, siendo cortada posteriormente dicha estructura plana en una multiplicidad de anillos.