專利名稱：一種無(wú)污染法電解合成l－半胱氨酸鹽酸鹽和乙醛酸等的電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬有機(jī)電解工業(yè)領(lǐng)域。
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)L-半胱氨酸鹽酸鹽的電解槽，采用的是鹽酸作陽(yáng)極液，陽(yáng)極采用石墨材料，生產(chǎn)過(guò)程中放出氯氣，污染環(huán)境與腐蝕設(shè)備。由于電解液從電解室側(cè)面輸入，受電解室厚度的限制，進(jìn)出口口徑都很小，造成電解液流量很小，從而傳質(zhì)差，電解時(shí)的操作電流就受到限制，故產(chǎn)量較小，電流效率較低。國(guó)外在食鹽電解工業(yè)中也有類似的結(jié)構(gòu)的電解槽，但其槽子僅適用于自循環(huán)或流量較小體系，并無(wú)本槽所提示的用于支撐離子膜多孔板和用于增加流速的折流條。文獻(xiàn)檢索表明，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)此種結(jié)構(gòu)的電解槽用于上述有機(jī)電解合成的專利報(bào)道。
本發(fā)明涉及到一種可用于無(wú)污染法生產(chǎn)L-半胱氨酸鹽酸鹽的電解槽，具體地說(shuō)它是一種背面輸入式具有板框?yàn)V機(jī)型結(jié)構(gòu)，并采用改性金屬陽(yáng)極的工業(yè)化電解槽。可用于陽(yáng)極液為硫酸溶液的電解體系。此體系在生產(chǎn)過(guò)程中只放出不產(chǎn)生污染的氧氣，從而在大的強(qiáng)制循環(huán)流量，大的電流密度，較高的L-胱氨酸濃度條件下，電解還原生產(chǎn)L-半胱氨酸。
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于L-半胱氨酸鹽酸鹽電解及乙醛酸的合成，且適于工業(yè)化生產(chǎn)的電解槽。此種電解槽也具有一種通用性，能適于多種有機(jī)化合物的電解合成(如葡萄糖的電解氧化、草酸的電解還原等以及其它有機(jī)物的電解過(guò)程)，并對(duì)有隔膜或無(wú)隔膜電解過(guò)程有較好的通用性。
本發(fā)明電解槽結(jié)構(gòu)型式為板框壓濾機(jī)型，摒棄了目前應(yīng)用較多的單元槽側(cè)面輸入的型式，而采用背面輸入的型式；同時(shí)，將電解槽分為陽(yáng)極單元和陰極單元，從而能十分便利地將陽(yáng)極單元和陰極單元組合，如板框壓濾機(jī)那樣組成一個(gè)電解槽組，不僅使電解槽占地面積大幅減小，也使電解操作更集中，裝卸更簡(jiǎn)便，且不發(fā)生泄漏。
附

圖1為電解槽外形及電極液流向示意圖，附圖2，有隔膜普通型電解槽的內(nèi)部組裝圖，附圖3，普通型陽(yáng)極單元及陰極單元，附圖4，節(jié)能型陽(yáng)極單元，附圖1-4中，各數(shù)字表示1、1′外夾板，2內(nèi)夾板，4陰極板，4′陽(yáng)極板，5節(jié)能型無(wú)多孔板槽框，6普通型有多孔板槽框型式Ⅰ,6′普通型有多孔板槽框型式Ⅱ,7陰極液集液孔道，7′陽(yáng)極液集液孔道，8陽(yáng)極液分流孔道，8′陰極液分流孔道，9支撐折流條，10有多孔板電解室，10′無(wú)多孔板電解室，11分流槽溝，11′集液槽溝，13陽(yáng)極液入口，13′陽(yáng)極液出口，14墊片，15離子交換膜，16陰極液進(jìn)口，16′陰極液出口。
電解槽結(jié)構(gòu)如下述陽(yáng)極單元兩種方式，一種為中間為槽框(5)，墊上墊片，外面用陽(yáng)極板(4′)夾住，即為節(jié)能型，其特點(diǎn)是陽(yáng)極板能最大限度的靠近離子膜，降低槽壓；另一種為陽(yáng)極板(4′)置于中間，墊上墊片，外面用槽框(6,6′)夾住，即為普通型，它較適合于陰、陽(yáng)極液導(dǎo)電性較好的情況。
陰極單元中間為陰極板(4)，墊上墊片，兩邊用槽框(6,6′)夾住。
陰、陽(yáng)極單元的組合十分簡(jiǎn)單，對(duì)有隔膜的電解槽，用有墊片夾住的離子膜隔離陰、陽(yáng)極單元，即組合完成，即為陽(yáng)極單元-離子交換膜-陰極單元-離子交換膜-陽(yáng)極單元……-陽(yáng)極單元，外面再用夾板緊緊夾住，即組成一個(gè)離子膜電解槽組。對(duì)于無(wú)隔膜電解槽來(lái)說(shuō)，則更加簡(jiǎn)單，用一塊陽(yáng)極板和一塊陰極板夾住一塊節(jié)能型框架(5)，即陽(yáng)極板-節(jié)能型框架-陰極板-節(jié)能型框架……-陽(yáng)極板，同樣，最外面用夾板緊緊夾住，即組成一個(gè)無(wú)隔膜電解槽。
本發(fā)明電解槽采用電解液的背面輸入輸出方式。此種方式能最大限度增加槽內(nèi)電解液流量，使電解液在電極上流速增大，不僅能使電解液的湍動(dòng)更大，改善傳質(zhì)情況，減少在電極上的極化，而且使被電解原料物能有更多機(jī)會(huì)與電極進(jìn)行有效碰撞，從而提高電流效率，減少副反應(yīng)發(fā)生。
電解液輸入、輸出如下所述對(duì)有隔膜電解槽陽(yáng)極液用泵從陽(yáng)極循環(huán)槽中抽出，打入外夾板(1′)入口，進(jìn)入電解槽陽(yáng)極液分流孔道(8)，經(jīng)槽框(6,6′)入口處進(jìn)入陽(yáng)極室，經(jīng)折流通道從槽框(6,6′)出口處進(jìn)入陽(yáng)極液集液孔道(7′)，再由集液孔道經(jīng)外夾板(1′)出口處流回陽(yáng)極循環(huán)槽中。
陰極液由泵從陰極循環(huán)槽中抽出，經(jīng)由外夾板(1)入口打入電解槽內(nèi)陰極分流孔道(8′)，經(jīng)槽框(6,6′)入口進(jìn)入陰極室，流經(jīng)折流通道從槽框(6,6′)出口處離開陰極室進(jìn)入陰極液集液孔道(7)，最后經(jīng)外夾板(1)出口流回陰極液循環(huán)槽。
對(duì)無(wú)隔膜電解槽由于此種電解槽無(wú)須隔膜，則只需有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，即用泵由循環(huán)槽內(nèi)抽出電解液，從外夾板(1)入口處進(jìn)入槽內(nèi)分流孔道(8′)，經(jīng)槽框(5)入口處進(jìn)入電解室，再經(jīng)折流通道從槽框(5)出口進(jìn)入集液孔道(7)，最后經(jīng)外夾板(1)出口回到循環(huán)槽。
本發(fā)明電解槽的槽框結(jié)構(gòu)使大循環(huán)流量得以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)描述如下槽框的外形為長(zhǎng)方形，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式分為兩種，一種為有多孔板槽框(6,6′)，另一種則為無(wú)多孔板槽框(5)。槽框的上部有兩個(gè)方形孔道(7′,7)，分別為陽(yáng)極液、陰極液的集液孔道；下部也有兩個(gè)方形孔道(8,8′)，分別為陽(yáng)極液、陰極液的分流孔道。槽框中部為方形凹槽構(gòu)成電解室；對(duì)有多孔板的槽框，其電解室的一側(cè)(即靠膜的一側(cè))為多孔的(10)，它主要對(duì)膜起支撐作用，同時(shí)也為離子遷移提供通道，電解室靠電極的一側(cè)為中空的，內(nèi)有折流條(9)；折流條一方面對(duì)多孔的一側(cè)起支撐作用，另一方面也起導(dǎo)流作用，使電解液在電解室內(nèi)流動(dòng)更快。集液孔道，分流孔道(8,8′,7,7′)與電解室的溝通是通過(guò)孔道與電解室間的槽溝(11,11′)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；槽溝開的位置有兩種，一種是左下分流孔道與電解室和右上集液孔道與電解室間開槽溝，另一種是右下分流孔道與電解室間和左上集液孔道與電解室間開槽溝。這樣就可以將陰、陽(yáng)極液分開而不致互竄，同時(shí)，由于槽溝可以開得較寬，就為電解液提供了一個(gè)暢通的通道，為大流量循環(huán)提供了可靠的保證。
對(duì)無(wú)多孔板的槽框，其中部電解室(10′)為通透的長(zhǎng)方形，有折流條(9)導(dǎo)流，其槽溝(11,11′)與有多孔板的槽框一樣開。它用在節(jié)能型陽(yáng)極單元或無(wú)隔膜電解槽中。
電極(4,4′)的外形是在槽框長(zhǎng)方形側(cè)面加一塊導(dǎo)電板，同樣，其上下部各有兩個(gè)集液孔道和分流孔道。陽(yáng)極板(4′)的中部有一個(gè)與槽框電解室同樣大小的網(wǎng)狀電極，它是陽(yáng)極電解的發(fā)生處；陰極(4)中部則為平板。
電解槽的密封由加彈性墊片(14)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在槽框與電極之間，槽框與膜之間，電極與內(nèi)夾板間，內(nèi)夾板與外夾板之間，墊上與槽框形狀相同的墊片，夾緊外夾板，使墊片與電極、槽框、膜、內(nèi)外夾板貼合達(dá)到密封的目的。墊片的型式有兩種，第一種，上、下各有兩個(gè)集液孔道和分流孔道，中部為中空的，它既使集液、分流孔道暢道，陽(yáng)、陰極液不互串，同時(shí)也保證陽(yáng)、陰極液不外漏；第二種則只有兩個(gè)孔道，即左下和右上，位置位于槽框相應(yīng)集液、分流孔道的中間，圓形，為陽(yáng)(或陰)極液進(jìn)出電解槽提供通道和密封。
電解槽的內(nèi)外夾板的作用主要是用來(lái)平整地夾緊槽框和電極，使墊片有效地密封電解槽，使之成為一個(gè)整體，并提供大流量通道。
內(nèi)夾板(2,2′)的形狀、大小、結(jié)構(gòu)與第二利墊片一樣，外形為長(zhǎng)方形，在左下和右上各有一個(gè)圓形孔道(13,13′)。
外夾板(1,1′)的外形與內(nèi)夾板相似，為長(zhǎng)方形，但其尺寸較大，因其需用螺栓拉住才能夾緊電解槽，故需留有螺栓孔，此孔在槽框周邊以外，不致影響組裝電解槽。外夾板上有兩個(gè)管口(16,16′)，一個(gè)在左下，一個(gè)在右上，其位置大小與第二種墊片一樣，其構(gòu)成為外夾板內(nèi)側(cè)在左下、右上各開一個(gè)圓形凹槽，凹槽中間開孔，另有二個(gè)帶法蘭的管，法蘭盤的厚度與圓形凹槽深度一致，直徑與凹槽直徑一致，法蘭上直管的外徑與凹槽中間的孔內(nèi)徑一致，將此管從外夾板凹槽的一側(cè)套入，伸向外夾板外側(cè)，此管口即為電解液(陽(yáng)極液或陰極液)的進(jìn)出口。在外夾板的外側(cè)需用槽鋼加強(qiáng)，以保證外夾板平整。
電解液由于有強(qiáng)腐蝕性，其槽框、電極、墊片、離子交換膜的耐腐蝕性能須很強(qiáng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，我們采用了聚丙烯、聚氯乙烯的板材，在銑床上整體銑出槽框，再用鉆床在槽框中部凹槽處打出多孔。墊片采用了彈性好，耐腐蝕性能極佳的三元乙丙橡膠或氯丁橡膠。電極則分別采用改性金屬陽(yáng)極和鉛陰極。離子交換膜則采用國(guó)產(chǎn)的磺酸型全氟離子交換膜。
實(shí)施例1．電解生產(chǎn)L-半胱氨酸鹽酸鹽，陰極液為L(zhǎng)-胱氨酸鹽溶液150～200g/l，陽(yáng)極液為0.1～1.8NH2SO4溶液，電極距離0.6～2.0cm，通電面積(單膜)22.8dm2，電流密度5～10A/dm2，槽電壓3.2～4.0V，強(qiáng)制循環(huán)，槽內(nèi)陽(yáng)、陰極液流速＞0.5m/s，溫度40～45℃，陽(yáng)極板為改性金屬陽(yáng)極，陰極為2#鉛板，國(guó)產(chǎn)磺酸型全氟離子交換膜。電解電流效率95％,L-半胱氨酸鹽酸鹽收率1.37～1.39。處理量11.6kg(胱氨酸)/單膜日，單槽(16張膜)處理能力50噸/年(胱氨酸)，單耗0.58度/kg。
實(shí)施例2．電解還原草酸生產(chǎn)乙醛酸，陰極液為109g/l草酸溶液，陽(yáng)極液0.9NH2SO4溶液，電極距離0.7cm，通電面積22.8dm2(單膜)，電流密度7.6A/dm2，槽電壓3.6～4.0V，強(qiáng)制循環(huán)，槽內(nèi)電極液流速＞0.5m/s，陽(yáng)極為改性金屬陽(yáng)極，陰極為2#鉛板，國(guó)產(chǎn)磺酸型全氟離子交換膜，電解過(guò)程中始終保持草酸濃度109g/l，電解溫度18～20，電解電流效率60％，乙醛酸化學(xué)收率90％。
實(shí)施例3．無(wú)隔膜電解生產(chǎn)葡萄糖酸鈉，電解液2M葡萄+0.2M NaBr溶液，通電面積22.8dm2，強(qiáng)制循環(huán)，槽內(nèi)電解液線速度＞0.5m/s，電流密度5A/dm2，槽電壓4V，電極距離1cm，槽內(nèi)溫度45℃，控制電解液pH7，陽(yáng)極為改性金屬陽(yáng)極，陰極為2#鉛板，則產(chǎn)品收率85％，電流效率80％。
權(quán)利要求
1．一種用于陽(yáng)極液為硫酸體系的不產(chǎn)生污染的電解合成L-半胱氨酸鹽酸鹽的工業(yè)化電解槽，其特征在于采用背面輸入式強(qiáng)制循環(huán)板框結(jié)構(gòu)電解槽。陽(yáng)極采用能耐氧氣的改性金屬陽(yáng)極，陰極為鉛板，陽(yáng)極液為0.1～1.8N的H2SO4，陰極液為150～200g/l的L-胱氨酸鹽酸鹽，陰、陽(yáng)極距離0.6～2.0cm，隔膜為磺酸型全氟離子交換膜，操作電流5-10A/dm2，槽壓3.2-4.0V，溫度40～45℃，溶液在電極表面流速＞0.5m/s。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解槽及條件，其特征在于有兩種陽(yáng)極室組合方式一種為節(jié)能式電極與槽框的組合電極(4′)-槽框(5)-電極(4′)，此方式下電極距離0.6cm，槽壓3.0～3.2V。一種為普通式電極與槽框的組合槽框(6)-電極(4′)-槽框(6′)，此方式下電極距離2cm，槽壓3.5～4.0V。
3．根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的電解槽，其特征在于膜的一側(cè)或兩側(cè)采用多孔板作支撐，內(nèi)設(shè)折流條以增加溶液流速。
4．根據(jù)權(quán)利要求1和2、3所述的電解槽，其特征在于電解室與分流、集液孔道的聯(lián)通采用槽溝(11,11′)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述的電解槽，其特征在于可用于其它有膜或無(wú)膜有機(jī)電解過(guò)程，如葡萄糖電解氧化和草酸的電解還原生產(chǎn)葡萄糖酸及其鹽和乙醛酸，以及其它有機(jī)物的電解過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明屬有機(jī)電解工業(yè)領(lǐng)域。本電解槽采用工業(yè)硫酸作為陽(yáng)極液,陰極生產(chǎn)L－半胱氨酸鹽酸鹽、乙醛酸或葡萄糖酸及其鹽類,此時(shí)陽(yáng)極將放出氧氣,整個(gè)電解過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生污染與腐蝕性氯氣,給環(huán)境和設(shè)備帶來(lái)極大好處。在電解L－胱氨酸時(shí),單臺(tái)電解槽生產(chǎn)能力為50噸/年,槽電壓3.2—4.0V,電流效率>95%,產(chǎn)品得率1.37～1.39;在生產(chǎn)乙醛酸時(shí),槽電壓3.6—4.0V,電流效率60%,乙醛酸收率90%,本電解槽還可用于其它有機(jī)電解過(guò)程。整臺(tái)電解槽主要由改性金屬陽(yáng)極、背面輸入式多孔板折流條框架,陰極鉛板,全氟離子交換膜、夾板等等組成。
文檔編號(hào)C25B3/00GK1232091SQ9811350
公開日1999年10月20日 申請(qǐng)日期1998年4月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月13日
發(fā)明者侯炎學(xué), 黃華, 郭榮偉 申請(qǐng)人:華中師范大學(xué)