CÉLULA DE ELECTRÓLISIS CON ELECTRODO DE DIFUSIÓN DE GAS QUE FUNCIONA A PRESIÓN CONTROLADA.

Célula de electrólisis con electrodo de difusión de gas que funciona a presión controlada Varios procesos industriales se llevan a cabo en células electroquímicas, tales como por ejemplo electrólisis cloroalcalina para obtener gas cloro y sosa cáustica o potasa, electrólisis del agua para obtener principalmente hidrógeno, la electrólisis de sales para obtener los correspondientes ácidos y bases, por ejemplo sosa cáustica y ácido sulfúrico a partir de sulfato de sodio, deposición de metales, principalmente cobre y zinc. El problema fisiológico que afecta a todos estos procesos es el consumo de energía, que habitualmente constituye una parte sustancial del coste de producción global. Como el coste de energía eléctrica muestra, en todas las áreas geográficas, una tendencia constante a aumentar, es clara la importancia de disminuir el consumo de energía en los procesos electroquímicos mencionados anteriormente. El consumo de energía en un proceso electroquímico depende principalmente de la tensión de la célula: por tanto pronto resulta evidente que los esfuerzos dirigidos a una mejora del diseño de la célula, con el uso de más electrodos catalíticos y con la disminución de las caídas óhmicas en la propia estructura de la célula y en los electrolitos, por ejemplo disminuyendo la separación entre electrodos. En la siguiente descripción se hará referencia al proceso de electrólisis cloroalcalina que mantiene una indudable importancia industrial, pero se entiende que todo lo tratado como el estado de la técnica anterior y la mejora del mismo según las enseñanzas de la presente invención se aplica en cualquier caso también a los demás procesos electroquímicos. En el caso de electrólisis cloroalcalina convencional, se alimenta una disolución de cloruro de sodio, con menos frecuencia de cloruro de potasio, a una célula que contiene un ánodo, en la que se desprende gas cloro, mientras que en el cátodo se desprende hidrógeno con la corriente paralela de hidróxido de sodio (sosa cáustica, hidróxido de potasio cuando se alimenta la célula con cloruro de potasio). En el tipo más avanzado de célula, la sosa cáustica cerca del cátodo se mantiene separada de la disolución de cloruro de sodio presente en la zona anódica mediante una membrana compuesta por un polímero perfluorado que contiene grupos aniónicos, por ejemplo grupos sulfónicos o carboxílicos. Dichas membranas se comercializan por diversas empresas, tales como por ejemplo DuPont/USA, Asahi Glass y Asahi Chemical/Japan. El diseño de este tipo de célula se ha estudiado exhaustivamente y puede decirse que la tecnología está hoy en día en la fase óptima en lo que se refiere al consumo de energía. Un ejemplo de esta clase de diseño se ilustra en la solicitud de patente internacional WO 98/55670. Un análisis del coste de producción de cloro y sosa cáustica obtenidos con estos tipos avanzados de células, sin embargo, indica que el impacto de consumo de energía todavía es notable. Esta consideración ha producido una serie de propuestas de mejoras adicionales, cuyo elemento común es el uso de un electrodo de gas, específicamente un cátodo alimentado con oxígeno (como tal o como aire enriquecido, o simplemente aire libre de dióxido de carbono) en lugar del cátodo de desprendimiento de hidrógeno usado en la tecnología tratada anteriormente. Una célula de electrólisis cloroalcalina que comprende un cátodo alimentado con un gas que contiene oxígeno tiene un consumo de energía que es notablemente menor desde el punto de vista fisiológico que el típico de la tecnología convencional. El motivo para este resultado es esencialmente de naturaleza termodinámica, ya que las dos células, la convencional y la que contiene el cátodo de oxígeno, se caracterizan por dos reacciones globales distintas: - Célula convencional 2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2+ H2 - Célula de cátodo de cátodo de oxígeno 2NaCl + H2O + O2 2NaOH + Cl2 En la práctica, se observa que una célula de membrana de intercambio catiónico convencional que funciona a una densidad de corriente de 4 kA/m 2 , tiene una tensión de célula de aproximadamente 3 voltios, mientras que una célula equipada con una membrana de intercambio catiónico y un cátodo de oxígeno, que funciona en las mismas condiciones, tiene una tensión de aproximadamente 2-2,2 voltios. Tal como puede observarse, el consumo de energía así logrado está en el intervalo del 30% (la falta de producción de hidrógeno, que se usa habitualmente como combustible, tiene una importancia secundaria). Sin embargo hasta la fecha no se encuentra aplicación industrial de las células de electrólisis que incorporan cátodos de oxígeno. El motivo para esta situación preside en la estructura del cátodo de oxígeno y en los requisitos impuestos por las condiciones de funcionamiento para garantizar una buena eficiencia del cátodo. El cátodo de oxígeno está compuesto sustancialmente por un soporte poroso, preferiblemente conductor, al que se ha aplicado una capa microporosa compuesta por un conjunto de partículas electrocatalíticas estabilizadas mecánicamente mediante un aglutinante resistente a las condiciones de funcionamiento. Esta capa puede comprender una película adicional que también incorpora partículas preferiblemente conductoras pero no electrocatalíticas, y un aglutinante. Seleccionando adecuadamente las 2   dimensiones de las partículas y la naturaleza química del aglutinante, puede controlarse adecuadamente la hidrofobocidad/hidrofilicidad del cátodo. La capa porosa pueden consistir en una malla, una lámina perforada de forma diversa, tela de grafito/carbono, papel de grafito/carbono o materiales sinterizados. Se describe un electrodo este tipo, con el método de producción relevante, en la patente estadounidense n.º 4.614.575. Cuando se usa un electrodo como el descrito anteriormente como cátodo de consumo de oxígeno para electrólisis cloroalcalina, en una posición paralela con respecto a la membrana catiónica, en contacto directo o a una distancia limitada de la misma, de manera indicativa de 2-3 mm, la sosa cáustica producida por la reacción de oxígeno sobre las partículas electrocatalíticas debe descargarse de alguna manera para evitar un llenado progresivo de la microporosidad de la capa. De hecho, si se produjera un llenado completo, no podría difundir el oxígeno a través de los poros para alcanzar las partículas catalíticas, en las que tiene lugar la reacción. La descarga de la sosa cáustica producida puede obtenerse esencialmente de dos maneras, o bien hacia la membrana cuando el cátodo es paralelo y está a una determinada distancia de la membrana catiónica, o bien hacia la atmósfera de oxígeno, en el lado opuesto con respecto a al que da a la membrana, en el caso en que el cátodo está en contacto con la membrana. En el primer caso, una película de líquido, de 2-3 mm de grosor como ya se mencionó, se mantiene normalmente en circulación ascendente (las células están equipadas con electrodos dispuestos verticalmente) tanto para retirar la sosa cáustica producida de la célula así como para eliminar el calor producido por la reacción, y finalmente para controlar la concentración de la sosa cáustica dentro de límites predeterminados que permiten prolongar la vida útil de la membrana de intercambio iónico: esta situación crea un gradiente de presión entre la sosa cáustica y el oxígeno en los dos lados del cátodo, que actúa realmente como pared de separación. Este gradiente puede ser positivo (presión de la sosa cáustica mayor que la oxígeno) y en este caso aumenta desde la parte superior hacia la inferior debido a la carga hidráulica. A la inversa, el gradiente puede ser negativo (presión de oxígeno mayor que la de sosa cáustica) y en este caso disminuye desde la parte superior hacia la inferior una vez más debido a la carga hidráulica de sosa cáustica. Con los materiales disponibles hoy en día y los métodos de producción conocidos, es posible obtener cátodos que pueden resistir diferencia de presión en el intervalo de 30 cm (pretendido como columna de agua). Como consecuencia, para el funcionamiento óptimo de los cátodos de oxígeno, las células adecuadas para el alojamiento de los mismos no pueden tener una altura superior a 30 cm. Con mayores alturas, el cátodo o bien se inunda por completo con el llenado total de la porosidad por sosa cáustica con diferencial positivo o bien se llena por completo de gas con una fuerte pérdida de oxígeno en la sosa cáustica en el caso de un diferencial negativo. Este hecho se drásticamente negativo en el caso de plantas de un determinado tamaño, ya que el número global de células, cada una de pequeñas dimensiones, debe ser extremadamente alto con costes adicionales notables para el equipo auxiliar (conexiones eléctricas, tuberías, bombas).... [Seguir leyendo]

1. Célula de electrólisis que contiene un electrolito líquido y al menos un electrodo de difusión de gas que tiene una superficie en contacto con dicho electrolito y la superficie opuesta conectada con al menos dos cámaras que contiene dicho gas, siendo dichas cámaras del tipo de compensación de presión, caracterizada porque cada una de dichas cámaras está dotada de, un dispositivo de descarga de dicho gas del tipo de caída de presión dinámica que puede garantizar, en el interior cada una de dichas cámaras, un valor de presión sustancialmente independiente de la velocidad de flujo de dicho gas. 2. Célula según la reivindicación 1, en la que dichas cámaras se conectan entre sí por medio de dichos dispositivos de descarga. 3. Célula según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en la que dicho al menos un dispositivo de descarga es un rotámetro. 4. Célula según la reivindicación 3, en la que las superficies internas de dicho rotámetro son hidrófobas. 5. Célula según la reivindicación 1, en la que dicho al menos un dispositivo de descarga comprende un obturador móvil conectado a un muelle de retorno. 6. Célula según una de las reivindicaciones 1 a 5, en la que la diferencia entre la carga hidráulica del electrolito y la presión de gas en el interior de dichas cámaras se mantiene dentro de un límite de 30 - 40 cm de columna de agua a lo largo de la altura de dicha célula, correspondiendo preferiblemente dicho límite a aproximadamente 30 cm de columna de agua. 7. Célula según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada además porque al menos una de dichas cámaras está dotada de al menos un dispositivo de retirada para el líquido recogido sobre la parte inferior. 8. Célula según la reivindicación 7, en la que dicho dispositivo de retirada está compuesto por un tubo que tiene un diámetro no superior a 1 mm fijado al techo de dicha al menos una cámara con el extremo superior sustancialmente en contacto con dicho techo y un extremo inferior próximo a la parte inferior de dicha al menos una cámara pero sin estar en contacto con la misma, o en la que dicho dispositivo de retirada está compuesto por un tubo que contiene un material resistente químicamente, hidrófilo y poroso, fijándose dicho tubo al techo de dicha al menos una cámara con el extremo superior sustancialmente en contacto con dicho techo y un extremo inferior cerca de la parte inferior de dicha célula pero sin estar en contacto con la misma. 9. Célula según la reivindicación 8, en la que dicho material poroso consiste en un haz de fibras prensadas, siendo dichas fibras preferiblemente óxido de zirconio. 10. Célula según la reivindicación 9, en la que dicho haz de fibras está en contacto con la parte inferior de dicha cámara. 11. Célula según la reivindicación 7, en la que dicho dispositivo de retirada está compuesto por un tubo fijado al techo de dicha al menos una cámara con el extremo superior sustancialmente en contacto con dicho techo y un extremo inferior sustancialmente separado de la parte inferior de dicha cámara, conteniendo dicho tubo un material hidrófilo, poroso y químicamente resistente, teniendo material poroso o bien una longitud suficiente para salir de dicho tubo llegando a una determinada distancia no superior a algunos milímetros desde dicha parte inferior o bien una longitud suficiente para entrar en contacto con dicha parte inferior. 12. Célula según la reivindicación 11, en la que dicho material poroso es un haz de fibras, preferiblemente un haz de fibras de óxido de zirconio. 13. Célula según la reivindicación 7, en la que dicho dispositivo de retirada está compuesto por un collar que se fija al techo de dicha al menos una cámara y soporta una barra de material cerámico poroso, siendo preferiblemente dicho material cerámico óxido de zirconio sinterizado. 14. Célula de electrólisis según las reivindicaciones anteriores, en la que dicha electrólisis es electrólisis cloroalcalina y dicho electrodo de difusión de gas es un cátodo de difusión de oxígeno o aire. 9     11   12   13   14