專利名稱：一種無污染法電解合成l－半胱氨酸鹽酸鹽和乙醛酸等的電解槽的制作方法
技術領域：
本發明屬有機電解工業領域。
目前國內生產L-半胱氨酸鹽酸鹽的電解槽，采用的是鹽酸作陽極液，陽極采用石墨材料，生產過程中放出氯氣，污染環境與腐蝕設備。由于電解液從電解室側面輸入，受電解室厚度的限制，進出口口徑都很小，造成電解液流量很小，從而傳質差，電解時的操作電流就受到限制，故產量較小，電流效率較低。國外在食鹽電解工業中也有類似的結構的電解槽，但其槽子僅適用于自循環或流量較小體系，并無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。文獻檢索表明，國內外尚無此種結構的電解槽用于上述有機電解合成的專利報道。
本發明涉及到一種可用于無污染法生產L-半胱氨酸鹽酸鹽的電解槽，具體地說它是一種背面輸入式具有板框濾機型結構，并采用改性金屬陽極的工業化電解槽。可用于陽極液為硫酸溶液的電解體系。此體系在生產過程中只放出不產生污染的氧氣，從而在大的強制循環流量，大的電流密度，較高的L-胱氨酸濃度條件下，電解還原生產L-半胱氨酸。
本發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，且適于工業化生產的電解槽。此種電解槽也具有一種通用性，能適于多種有機化合物的電解合成(如葡萄糖的電解氧化、草酸的電解還原等以及其它有機物的電解過程)，并對有隔膜或無隔膜電解過程有較好的通用性。
本發明電解槽結構型式為板框壓濾機型，摒棄了目前應用較多的單元槽側面輸入的型式，而采用背面輸入的型式；同時，將電解槽分為陽極單元和陰極單元，從而能十分便利地將陽極單元和陰極單元組合，如板框壓濾機那樣組成一個電解槽組，不僅使電解槽占地面積大幅減小，也使電解操作更集中，裝卸更簡便，且不發生泄漏。
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部組裝圖，附圖3，普通型陽極單元及陰極單元，附圖4，節能型陽極單元，附圖1-4中，各數字表示1、1′外夾板，2內夾板，4陰極板，4′陽極板，5節能型無多孔板槽框，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′陽極液集液孔道，8陽極液分流孔道，8′陰極液分流孔道，9支撐折流條，10有多孔板電解室，10′無多孔板電解室，11分流槽溝，11′集液槽溝，13陽極液入口，13′陽極液出口，14墊片，15離子交換膜，16陰極液進口，16′陰極液出口。
電解槽結構如下述陽極單元兩種方式，一種為中間為槽框(5)，墊上墊片，外面用陽極板(4′)夾住，即為節能型，其特點是陽極板能最大限度的靠近離子膜，降低槽壓；另一種為陽極板(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、陽極液導電性較好的情況。
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、陽極單元的組合十分簡單，對有隔膜的電解槽，用有墊片夾住的離子膜隔離陰、陽極單元，即組合完成，即為陽極單元-離子交換膜-陰極單元-離子交換膜-陽極單元……-陽極單元，外面再用夾板緊緊夾住，即組成一個離子膜電解槽組。對于無隔膜電解槽來說，則更加簡單，用一塊陽極板和一塊陰極板夾住一塊節能型框架(5)，即陽極板-節能型框架-陰極板-節能型框架……-陽極板，同樣，最外面用夾板緊緊夾住，即組成一個無隔膜電解槽。
本發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更大，改善傳質情況，減少在電極上的極化，而且使被電解原料物能有更多機會與電極進行有效碰撞，從而提高電流效率，減少副反應發生。
電解液輸入、輸出如下所述對有隔膜電解槽陽極液用泵從陽極循環槽中抽出，打入外夾板(1′)入口，進入電解槽陽極液分流孔道(8)，經槽框(6,6′)入口處進入陽極室，經折流通道從槽框(6,6′)出口處進入陽極液集液孔道(7′)，再由集液孔道經外夾板(1′)出口處流回陽極循環槽中。
陰極液由泵從陰極循環槽中抽出，經由外夾板(1)入口打入電解槽內陰極分流孔道(8′)，經槽框(6,6′)入口進入陰極室，流經折流通道從槽框(6,6′)出口處離開陰極室進入陰極液集液孔道(7)，最后經外夾板(1)出口流回陰極液循環槽。
對無隔膜電解槽由于此種電解槽無須隔膜，則只需有一個進口和一個出口，即用泵由循環槽內抽出電解液，從外夾板(1)入口處進入槽內分流孔道(8′)，經槽框(5)入口處進入電解室，再經折流通道從槽框(5)出口進入集液孔道(7)，最后經外夾板(1)出口回到循環槽。
本發明電解槽的槽框結構使大循環流量得以實現。現描述如下槽框的外形為長方形，其內部結構型式分為兩種，一種為有多孔板槽框(6,6′)，另一種則為無多孔板槽框(5)。槽框的上部有兩個方形孔道(7′,7)，分別為陽極液、陰極液的集液孔道；下部也有兩個方形孔道(8,8′)，分別為陽極液、陰極液的分流孔道。槽框中部為方形凹槽構成電解室；對有多孔板的槽框，其電解室的一側(即靠膜的一側)為多孔的(10)，它主要對膜起支撐作用，同時也為離子遷移提供通道，電解室靠電極的一側為中空的，內有折流條(9)；折流條一方面對多孔的一側起支撐作用，另一方面也起導流作用，使電解液在電解室內流動更快。集液孔道，分流孔道(8,8′,7,7′)與電解室的溝通是通過孔道與電解室間的槽溝(11,11′)來實現的；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、陽極液分開而不致互竄，同時，由于槽溝可以開得較寬，就為電解液提供了一個暢通的通道，為大流量循環提供了可靠的保證。
對無多孔板的槽框，其中部電解室(10′)為通透的長方形，有折流條(9)導流，其槽溝(11,11′)與有多孔板的槽框一樣開。它用在節能型陽極單元或無隔膜電解槽中。
電極(4,4′)的外形是在槽框長方形側面加一塊導電板，同樣，其上下部各有兩個集液孔道和分流孔道。陽極板(4′)的中部有一個與槽框電解室同樣大小的網狀電極，它是陽極電解的發生處；陰極(4)中部則為平板。
電解槽的密封由加彈性墊片(14)來實現的。在槽框與電極之間，槽框與膜之間，電極與內夾板間，內夾板與外夾板之間，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、內外夾板貼合達到密封的目的。墊片的型式有兩種，第一種，上、下各有兩個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、陰極液不互串，同時也保證陽、陰極液不外漏；第二種則只有兩個孔道，即左下和右上，位置位于槽框相應集液、分流孔道的中間，圓形，為陽(或陰)極液進出電解槽提供通道和密封。
電解槽的內外夾板的作用主要是用來平整地夾緊槽框和電極，使墊片有效地密封電解槽，使之成為一個整體，并提供大流量通道。
內夾板(2,2′)的形狀、大小、結構與第二利墊片一樣，外形為長方形，在左下和右上各有一個圓形孔道(13,13′)。
外夾板(1,1′)的外形與內夾板相似，為長方形，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。外夾板上有兩個管口(16,16′)，一個在左下，一個在右上，其位置大小與第二種墊片一樣，其構成為外夾板內側在左下、右上各開一個圓形凹槽，凹槽中間開孔，另有二個帶法蘭的管，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徑一致，將此管從外夾板凹槽的一側套入，伸向外夾板外側，此管口即為電解液(陽極液或陰極液)的進出口。在外夾板的外側需用槽鋼加強，以保證外夾板平整。
電解液由于有強腐蝕性，其槽框、電極、墊片、離子交換膜的耐腐蝕性能須很強。經過長期探索，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極和鉛陰極。離子交換膜則采用國產的磺酸型全氟離子交換膜。
實施例1．電解生產L-半胱氨酸鹽酸鹽，陰極液為L-胱氨酸鹽溶液150～200g/l，陽極液為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，強制循環，槽內陽、陰極液流速＞0.5m/s，溫度40～45℃，陽極板為改性金屬陽極，陰極為2#鉛板，國產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。
實施例2．電解還原草酸生產乙醛酸，陰極液為109g/l草酸溶液，陽極液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，強制循環，槽內電極液流速＞0.5m/s，陽極為改性金屬陽極，陰極為2#鉛板，國產磺酸型全氟離子交換膜，電解過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％，乙醛酸化學收率90％。
實施例3．無隔膜電解生產葡萄糖酸鈉，電解液2M葡萄+0.2M NaBr溶液，通電面積22.8dm2，強制循環，槽內電解液線速度＞0.5m/s，電流密度5A/dm2，槽電壓4V，電極距離1cm，槽內溫度45℃，控制電解液pH7，陽極為改性金屬陽極，陰極為2#鉛板，則產品收率85％，電流效率80％。
權利要求
1．一種用于陽極液為硫酸體系的不產生污染的電解合成L-半胱氨酸鹽酸鹽的工業化電解槽，其特征在于采用背面輸入式強制循環板框結構電解槽。陽極采用能耐氧氣的改性金屬陽極，陰極為鉛板，陽極液為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．根據權利要求1所述的電解槽及條件，其特征在于有兩種陽極室組合方式一種為節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．根據權利要求1和2所述的電解槽，其特征在于膜的一側或兩側采用多孔板作支撐，內設折流條以增加溶液流速。
4．根據權利要求1和2、3所述的電解槽，其特征在于電解室與分流、集液孔道的聯通采用槽溝(11,11′)的方式來實現。
5．根據權利要求1、2、3、4所述的電解槽，其特征在于可用于其它有膜或無膜有機電解過程，如葡萄糖電解氧化和草酸的電解還原生產葡萄糖酸及其鹽和乙醛酸，以及其它有機物的電解過程。
全文摘要
本發明屬有機電解工業領域。本電解槽采用工業硫酸作為陽極液,陰極生產L－半胱氨酸鹽酸鹽、乙醛酸或葡萄糖酸及其鹽類,此時陽極將放出氧氣,整個電解過程不會產生污染與腐蝕性氯氣,給環境和設備帶來極大好處。在電解L－胱氨酸時,單臺電解槽生產能力為50噸/年,槽電壓3.2—4.0V,電流效率>95%,產品得率1.37～1.39;在生產乙醛酸時,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電解過程。整臺電解槽主要由改性金屬陽極、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C25B3/00GK1232091SQ9811350
公開日1999年10月20日 申請日期1998年4月13日 優先權日1998年4月13日
發明者侯炎學, 黃華, 郭榮偉 申請人:華中師范大學