Célula para electrodiálisis despolarizada de disoluciones salinas.

Célula electrolítica para electrodiálisis de disoluciones salinas delimitada por una mitad de carcasa anódica y una mitad de carcasa catódica,

que comprende:

- una cámara anódica delimitada por dicha mitad de carcasa anódica y por un ánodo de difusión de gas alimentado con un gas combustible que contiene hidrógeno;

- al menos una cámara intermedia alimentada con un electrolito de proceso que consiste en una disolución que contiene un ácido y/o una sal, estando dicha al menos una cámara intermedia delimitada por dicho ánodo de difusión de gas y por una membrana de intercambio iónico;

- una cámara catódica delimitada por dicha membrana de intercambio iónico y dicha mitad de carcasa catódica, que contiene un cátodo de difusión de gas alimentado con un gas oxidante que contiene oxígeno; estando la mitad de carcasa anódica y la mitad de carcasa catódica o bien mutuamente cortocircuitadas o bien conectadas a través de un rectificador de corriente con el polo positivo conectado a la mitad de carcasa anódica y el polo negativo conectado a la mitad de carcasa catódica.

Célula para electrodiálisis despolarizada de disoluciones salinas Campo de la invención La invención se refiere a una célula de electrodiálisis de disoluciones salinas despolarizada por medio de electrodos de difusión de gas.

Antecedentes de la invención La electrodiálisis de disoluciones salinas destinada a obtener el ácido y la base relevantes puede llevarse a cabo en células electroquímicas de tres compartimentos, con un compartimento central separado del compartimento anódico y el compartimento catódico por medio de dos membranas de intercambio iónico, respectivamente una membrana de intercambio aniónico y una membrana de intercambio catiónico. Las especies iónicas que proceden de la disociación de la sal alimentada al compartimento central migran a través de la membrana respectiva bajo el efecto del campo eléctrico, provocando la generación del ácido relevante en el compartimento anódico y de la base respectiva en el compartimento catódico. El compartimento anódico también está dotado de un ánodo, sobre cuya superficie tiene lugar el desprendimiento de oxígeno, mientras que el compartimento catódico está dotado de un cátodo sobre el que tiene lugar el desprendimiento de hidrógeno. Una de las posibles aplicaciones de esta tecnología es por ejemplo la electrodiálisis de disoluciones de sulfato de sodio con producción de ácido sulfúrico y sosa cáustica, como alternativa de la producción más común de sosa cáustica mediante electrólisis de salmuera de cloruro de sodio. Este proceso puede aplicarse por ejemplo en sitios de consumo de sustancias cáusticas que no usan cloro (que en este caso constituiría un subproducto difícil de manipular y almacenar) o siempre que sea deseable una producción de cloro y sosa cáustica independientes entre sí. No obstante, el consumo eléctrico asociado con el proceso es muy alto, debido a la tensión asociada con la reacción neta global (que corresponde a la electrólisis del agua con producción de hidrógeno y oxígeno) y a la alta caída óhmica en los diversos componentes, con referencia particular a la membrana de intercambio aniónico. El problema del consumo eléctrico excesivo se mitigó en el pasado reemplazando el ánodo que desprende oxígeno por un electrodo de difusión de gas polarizado anódicamente, alimentado con hidrógeno: de esta forma, la reacción neta global tiene una tensión reversible mucho menor, que corresponde a la diferencia de potencial entre el desprendimiento catódico de hidrógeno en entorno alcalino y el consumo anódico de hidrógeno en un entorno sustancialmente ácido. Además, este tipo de tecnología no encuentra sin embargo el éxito esperado, por una parte porque los diversos componentes de sobretensión que se añaden en el proceso conducen en cualquier caso a un notable consumo de energía, por otra parte debido a la dificultad de controlar el proceso, que se caracteriza por fluctuaciones de tensión operativa incluso a densidad de corriente reducida (por debajo de 2 kA/m2) asociadas con la dificultad para humidificar el flujo de hidrógeno alimentado al compartimento anódico de manera regular. Una humidificación de hidrógeno irregular puede conducir a un secado de la membrana relevante (con el aumento consiguiente, en ocasiones excesivo, de la tensión operativa debido al efecto óhmico) o a una inundación parcial del electrodo de difusión de gas, con el aumento consiguiente de la tensión operativa debido a la transferencia de masas inadecuada del hidrógeno suministrado. En los casos más graves de inundación, la tensión eléctrica aplicada a los polos de la célula puede conducir a la imposibilidad de soportar la reacción anódica de consumo de hidrógeno y al comienzo repentino del desprendimiento de oxígeno, con efectos destructivos para el electrodo de difusión de gas que no está diseñado específicamente para resistir la acción oxidante del oxígeno naciente. Esta situación puede conducir además a la formación de mezclas explosivas en el compartimento anódico, tal como resultará evidente para un experto en la técnica.

Por tanto, existe la necesidad de proporcionar un nuevo dispositivo para la electrodiálisis de disoluciones salinas de eficiencia energética superior y al mismo tiempo de operación más fácil y más segura.

Sumario de la invención Diversos aspectos de la invención se exponen en las reivindicaciones adjuntas.

En una realización, la presente invención se refiere a una célula electrolítica para electrodiálisis de disoluciones salinas que se compone de tres o más cámaras, concretamente una cámara anódica delimitada por una mitad de carcasa anódica externa y por un ánodo de difusión de gas alimentado con un gas combustible que contiene hidrógeno; al menos una cámara intermedia alimentada con un electrolito de proceso que consiste en una disolución que contiene un ácido y/o una sal; una cámara catódica delimitada por una membrana de intercambio iónico y una mitad de carcasa catódica, que contiene un cátodo de difusión de gas alimentado con un gas oxidante que contiene oxígeno, estando las dos mitades de carcasa externas o bien mutuamente cortocircuitadas o bien conectadas a través de un circuito eléctrico que comprende un rectificador de corriente de baja potencia. En este último caso, el

polo positivo del rectificador está conectado a la mitad de carcasa anódica y el polo negativo a la mitad de carcasa catódica. La reacción global efectuada por la célula de electrodiálisis según la invención es una recombinación de hidrógeno y oxígeno para dar agua, de manera similar a lo que ocurriría en una célula de combustible, con la diferencia de que la fuerza electromotriz de las dos reacciones, anódica y catódica, no se usa para producir energía eléctrica, sino sólo para realizar el proceso de electrodiálisis. Hasta una determinada densidad de corriente (por ejemplo hasta 2 kA/m2) un proceso de este tipo puede continuar sin suministro externo de electricidad (célula cortocircuitada) , mientras que a densidad de corriente superior se requiere un suministro de energía eléctrica, aunque a una tensión extremadamente inferior a la que requerirían las células de la técnica anterior. Los inventores observaron que con este tipo de configuración, la célula puede operarse de una forma intrínsecamente segura: las posibles ineficiencias debidas a un secado parcial de la membrana o a la inundación de los electrodos de difusión de gas conduciría de hecho en este caso a fenómenos temporales de densidad de corriente y por tanto de disminución de producción, sin posibilidad de que se produzcan fenómenos peligrosos de desprendimiento de oxígeno sobre la superficie de ánodo de difusión de gas, en ausencia (o en presencia de una cantidad moderada) de corriente eléctrica imprimida externamente a la célula. El ánodo y el cátodo de difusión de gas pueden consistir en un material conductor rígido, por ejemplo un papel carbón o malla metálica, que se hace opcionalmente hidrófobo, por ejemplo mediante la ayuda de una suspensión de polímero fluorado, relleno con una composición adecuada para favorecer la difusión de los reactivos gaseosos (por ejemplo una mezcla de negro de carbón o polvo metálico y de aglutinante de polímero fluorado) y activado sobre al menos una superficie externa mediante una composición catalítica, que contiene opcionalmente un metal noble del grupo del platino.

En una realización, la célula de electrodiálisis comprende una sola membrana de intercambio catiónico y una sola cámara intermedia delimitada por el ánodo de difusión de gas y la membrana de intercambio catiónico. Una disolución que contiene la sal que va a procesarse se alimenta opcionalmente a la parte inferior de la cámara, se enriquece con ácido generado por el ánodo de difusión de gas y se extrae de la parte superior como disolución ácida que contiene cantidades variables de sal residual. Alternativamente, la cámara contiene un percolador que consiste en un elemento plano poroso: en este caso, la disolución que contiene la sal se alimenta a la parte superior de la cámara y fluye hacia la parte inferior, de la que se retira tras enriquecerse con ácido generado por el ánodo de difusión de gas. El percolador permite homogeneizar la presión en la columna de líquido formada por el electrolito anulando prácticamente la altura piezométrica relevante, eliminando por tanto cualquier posibilidad de inundación del cuerpo interno del ánodo de difusión de gas, garantizándose de ese modo su funcionamiento más fiable. En esta realización, la disolución alcalina que constituye uno de los productos se forma en virtud de la combinación de cationes, que migran desde la cámara intermedia a través de la membrana de intercambio catiónico, y la alcalinidad generada... [Seguir leyendo]

1. Célula electrolítica para electrodiálisis de disoluciones salinas delimitada por una mitad de carcasa anódica y una mitad de carcasa catódica, que comprende:

- una cámara anódica delimitada por dicha mitad de carcasa anódica y por un ánodo de difusión de gas alimentado con un gas combustible que contiene hidrógeno;

- al menos una cámara intermedia alimentada con un electrolito de proceso que consiste en una disolución que contiene un ácido y/o una sal, estando dicha al menos una cámara intermedia delimitada por dicho ánodo de difusión de gas y por una membrana de intercambio iónico;

- una cámara catódica delimitada por dicha membrana de intercambio iónico y dicha mitad de carcasa catódica, que contiene un cátodo de difusión de gas alimentado con un gas oxidante que contiene oxígeno; estando la mitad de carcasa anódica y la mitad de carcasa catódica o bien mutuamente cortocircuitadas o bien conectadas a través de un rectificador de corriente con el polo positivo conectado a la mitad de carcasa anódica y el polo negativo conectado a la mitad de carcasa catódica.

2. Célula según la reivindicación 1, en la que dicha al menos una cámara intermedia comprende un percolador adecuado para alimentarse desde la parte superior con dicho electrolito de proceso, interpuesto entre dicho ánodo de difusión de gas y dicha membrana de intercambio iónico.

3. Célula según la reivindicación 1, que comprende dos cámaras intermedias, concretamente una primera cámara intermedia alimentada con una disolución salina y delimitada por dicha primera membrana de intercambio iónico y dicha segunda membrana de intercambio iónico y una segunda cámara intermedia alimentada con dicho electrolito de proceso que consiste en una disolución que contiene un ácido y/o una sal y delimitada por dicha segunda membrana de intercambio iónico y dicho ánodo de difusión de gas, en la que dicha primera membrana de intercambio iónico es preferiblemente una membrana catiónica y dicha segunda membrana de intercambio iónico es preferiblemente una membrana aniónica.

4. Célula según la reivindicación 3, en la que dicha segunda cámara intermedia comprende un primer percolador adecuado para alimentarse desde la parte superior con dicho electrolito de proceso que consiste en una disolución que contiene un ácido y/o una sal, estando interpuesto dicho primer percolador entre dicho ánodo de difusión de gas y dicha segunda membrana de intercambio iónico.

5. Célula según la reivindicación 3, en la que la alimentación de dicha segunda cámara intermedia está conectada a la salida de dicha primera cámara intermedia.

6. Célula según la reivindicación 3, en la que dicha primera cámara intermedia contiene un espaciador. 40

7. Célula según una de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha cámara catódica contiene la disolución alcalina generada por el cátodo de difusión de gas.

8. Célula según la reivindicación 1, que comprende tres cámaras intermedias, concretamente una primera

cámara intermedia alimentada con una disolución que contiene una base y/o una sal y delimitada por dicha membrana de intercambio iónico y por dicho cátodo de difusión de gas, una segunda cámara intermedia alimentada con dicho electrolito de proceso que consiste en una disolución que contiene un ácido y/o una sal y delimitada por una segunda membrana de intercambio iónico y por dicho ánodo de difusión de gas y una tercera cámara intermedia alimentada con una disolución salina.

9. Célula según la reivindicación 8, en la que dicha primera cámara intermedia comprende un percolador adecuado para alimentarse desde la parte superior con dicha disolución que contiene una base y/o una sal.

10. Célula según la reivindicación 8 ó 9, en la que dicha tercera cámara intermedia contiene un espaciador. 55

11. Célula según una de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha disolución que contiene un ácido y/o una sal contiene un cloruro, sulfato, carbonato o bicarbonato de álcali.

12. Célula según una de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha disolución que contiene un ácido y/o una sal contiene ácido clorhídrico o sulfúrico.

13. Célula según una de las reivindicaciones 1 a 13, en la que dicha conexión eléctrica externa es un circuito

eléctrico que comprende un rectificador de corriente que tiene el polo positivo conectado a dicha mitad de carcasa anódica y el polo negativo conectado a dicha mitad de carcasa catódica.

14. Procedimiento de electrodiálisis de una disolución salina en una célula según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende las siguientes etapas simultáneas o secuenciales:

- alimentar el electrolito de proceso en la entrada de al menos una de dichas cámaras intermedias y retirar el gas de escape relevante en la salida respectiva;

- alimentar un gas combustible que contiene hidrógeno en la entrada de la cámara anódica y retirar el gas 15 combustible empobrecido en hidrógeno en la salida respectiva;

- alimentar un gas oxidante que contiene oxígeno en la entrada de la cámara catódica y retirar el gas oxidante empobrecido en oxígeno en la salida respectiva;

- conectar eléctricamente entre sí las mitades de carcasa anódica y catódica, alimentando opcionalmente una corriente eléctrica continua a través de dicho rectificador, en el que dicho electrolito de proceso contiene preferiblemente un cloruro, sulfato, carbonato o bicarbonato de álcali.

15. Procedimiento de electrodiálisis de una disolución salina en una célula según una de las reivindicaciones 3 a 11, que comprende las siguientes etapas simultáneas o secuenciales:

- alimentar el electrolito de proceso a una o más cámaras intermedias y retirar un gas de escape que contiene álcali en la salida respectiva;

- alimentar una disolución ácida en la entrada de dicha segunda cámara intermedia y retirar un gas de escape enriquecido en ácido en la salida respectiva;

- alimentar un gas combustible que contiene hidrógeno en la entrada de la cámara anódica y retirar el gas 35 combustible empobrecido en hidrógeno en la salida respectiva;

- alimentar un gas oxidante que contiene oxígeno en la entrada de la cámara catódica y retirar el gas oxidante empobrecido en oxígeno en la salida respectiva;

-conectar eléctricamente entre sí las mitades de carcasa anódica y catódica, alimentando opcionalmente una corriente eléctrica continua a través de dicho rectificador, en el que dicho electrolito de proceso y dicha disolución ácida alimentada a dicha segunda cámara intermedia contienen preferiblemente el mismo anión, opcionalmente cloruro o sulfato. 45