一種制備三氟化氮氣體的電解槽及其應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備三氟化氮氣體的電解槽及其應用，具體地說，涉及一種適用于電解法制備三氟化氮氣體的電解槽及其應用，屬于三氟化氮制備領域。
【背景技術】
[0002]隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，三氟化氮(Nitrogen Trifluoride，簡稱NF3)氣體在電子工業(yè)上有很廣泛重要的應用。現(xiàn)有技術中，制備NF3氣體的主要方法為熔融鹽電解法，在陰、陽兩極產(chǎn)生氣體，即:陽極產(chǎn)生NF3,陰極產(chǎn)生H2;為防止所述兩極產(chǎn)生的氣體混合爆炸，采用可隔離兩極的裙板式電解槽，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，所述裙板式電解槽主要由陰極、裙板和陽極組成，陽極室和陰極室靠電解液液面以上的裙板隔離得到。由于電解產(chǎn)生的氣體從電極表面脫離存在飄逸角，為了防止陽極氣體和陰極氣體在裙板以下混合爆炸，裙板式電解槽的電極高度和電極間距比例受到限制。在美國專利US5085156中，陽極和陰極與裙板間距為30mm?100mm。在日本專利JP11335882中，電解槽中電極高度與電極間距的比例為7:6，當比例降為7:2時，陽極氣體中檢測出體積分數(shù)為0.5 %的H2，存在爆炸的安全隱患。目前，實際生產(chǎn)中應用的裙板式電解槽中，當電極與裙板之間的間距為1mm時，裙板式電解槽的電極高度限制在10mm以內(nèi)，此時，電解區(qū)域橫截面積限制在100mm2以內(nèi)。因此，裙板式電解槽的高度受到電極與裙板之間間距的限制，當大規(guī)模生產(chǎn)即3氣體時，需要數(shù)量巨大的裙板式電解槽和大面積的土地，可見裙板式電解槽的空間利用率低。
[0003]目前，提高生產(chǎn)NF3氣體的電解槽空間利用率的一個途徑為采用不透氣但可以讓電解液流通的隔膜，將電解槽隔離為陽極室和陰極室，使得電極高度不受電極間距的限制，因此，在日本專利JP2006283158中，采用50 μm?5mm微孔聚四氟乙烯隔膜將陽極和陰極完全隔離，其原理是隔膜細小的微孔讓氣泡無法透過，但可以透過電解液。然而，由于NF3電解是在100°C的NH4F.xHF電解液中進行的，聚四氟乙烯的膨脹系數(shù)太高，為1X 10_5?12 X 10_5/°C，在所述電解環(huán)境中變形的程度使得隔膜微孔失去隔離氣泡的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的之一在于提供一種制備三氟化氮氣體的電解槽，所述電解槽利用不透氣但可以讓電解液流通的離子交換膜，能防止陰、陽兩極氣體混合，減少陽極和陰極間距，從而穩(wěn)定地制備NF3氣體。
[0005]本發(fā)明的目的之二在于提供一種制備三氟化氮氣體的電解槽的應用。
[0006]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供技術方案如下。
[0007]一種制備三氟化氮氣體的電解槽，所述電解槽主要由隔膜、陽極、陰極、陽極室、陰極室、陽極氣體出口、陰極氣體出口、陽極掃氮及電解液入口和陰極掃氮及電解液入口組成。其中，隔膜將所述電解槽隔離成完全獨立的陽極室和陰極室；陽極室由陽極、陽極氣體出口和陽極掃氮及電解液入口組成，其中，陽極一端位于陽極室內(nèi)，另一端連接有導電桿，導電桿伸出陽極室與電源連接，陽極氣體出口、陽極掃氮及電解液入口分別位于陽極兩側(cè)，陽極氣體出口在靠近隔膜一側(cè)；陰極室由陰極、陰極氣體出口和陰極掃氮及電解液入口組成，其中，陰極一端位于陰極室內(nèi)，另一端連接有導電桿，導電桿伸出陰極室與電源連接，陰極氣體出口、陰極掃氮及電解液入口分別位于陰極兩側(cè)，陰極氣體出口在靠近隔膜一側(cè)。
[0008]還可以在所述電解槽中設置溫度計測量溫度，例如在陰極室的陰極掃氮及電解液入口靠近陰極室側(cè)壁一側(cè)設置溫度計。
[0009]其中，所述隔膜為經(jīng)過處理的杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸-聚四氟乙烯聚合物系列離子交換膜(Naf1n膜)，所述處理方法如下:
[0010]I)將Naf1n膜在80°C?85°C，于體積百分數(shù)為2%?5%的H2O2溶液中處理45min?90min，然后取出在80°C?85 °C，水中清洗彡Ih。
[0011]優(yōu)選于體積百分數(shù)為3%的H2O2溶液中處理Ih ;所述水的純度彡蒸餾水的純度。
[0012]2)清洗完后在H2SO4溶液或HF溶液中處理；當在H2SO4溶液中處理時，溫度為80°C?95°C，H2SO4溶液的濃度為0.1mol ?廠1?0.7mol ?廠S處理0.5h?2h ;當在HF溶液中處理時，溫度為50°C?70°C，HF溶液的濃度為0.05mol.171?0.2mol ?廠S處理0.5h?2h，然后取出在80°C?85°C，水中清洗彡lh，干燥，得到經(jīng)過處理的Naf1n膜。
[0013]所述水的純度多蒸餾水的純度。
[0014]所述電解槽中，陽極和陰極為現(xiàn)有熔融鹽電解法制備NF3氣體所使用的裙板式電解槽中的陽極和陰極，陽極由鎳或碳板加工而成，陰極由鎳、碳鋼或碳板加工而成，陽極或陰極與隔膜之間的間距為3mm?100mm，優(yōu)選為5mm?20mm。與現(xiàn)有恪融鹽電解法制備NF3氣體所使用的裙板式電解槽不同，陽極和陰極高度不受電極間距限制，理論上高度可以無限高，但根據(jù)加工、密封和組裝難易等實際情況，陽極和陰極的高度為多10mm，優(yōu)選為10mm ?1500mm，更優(yōu)選為 50mm ?1000mm。
[0015]當陽極或陰極與隔膜之間的間距為1mm時，陽極或陰極的高度優(yōu)選為10mm?1000mm，此時電解區(qū)域橫截面積為100mm2?10000mm2。當陽極和陰極長度一定時，本發(fā)明所述電解槽的電解容積是現(xiàn)有熔融鹽電解法制備即3氣體所使用的裙板式電解槽的I?10倍。
[0016]所述電解槽為碳鋼、不銹鋼、鎳、鎳合金、氟系樹脂或襯氟材質(zhì)加工而成。
[0017]本發(fā)明所述的一種制備三氟化氮氣體的電解槽的應用，所述電解槽適用于熔融鹽電解法制備NF3氣體，具體方法為:
[0018]使用除水后的NH4F *xHF熔融鹽作為電解液，電解溫度為100°C?140°C，溫度過低會導致F2產(chǎn)生，溫度過高，電解液揮發(fā)量大，容易堵塞氣體管道；所述NH4F.xHF熔融鹽中，HF與NH4F的摩爾比X為I?2，電解電流為50mA.cm2?150mA.cm2，電解電壓為5.5V?8V。
[0019]由于所述電解槽的陽極室和陰極室是完全隔離的，因此補加電解液時需要從陽極掃氣及電解液入口和陰極掃氣及電解液入口進行補加。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明提供了一種制備三氟化氮氣體的電解槽及其應用，所述電解槽為隔膜式電解槽，所述隔膜采用經(jīng)過處理的杜邦公司生產(chǎn)的Naf1n膜，Naf1n膜本身屬于氟系樹脂膜，可耐高溫NH4F.xHF熔融鹽的腐蝕；NH4F.xHF熔融鹽中電離的離子為NH4+、H+和F _，其中，順4+和F -在陽極處反應生成NF 3和N 2，H+在陰極處生成H 2;經(jīng)處理后的Naf1n膜將所述電解槽分為完全獨立的陰極室和陽極室，在電解過程中能夠透過陽離子H+，同時F_離子在電場作用下迀移至陽極室，進而形成電流回路，采用經(jīng)處理后的Naf1n膜，可隔離陽極氣體和陰極氣體，縮短陽極和陰極間距，大大提高了空間利用率，可以大規(guī)模安全制備即3氣體。
【附圖說明】
[0022]圖1為熔融鹽電解法制備NF3氣體使用的裙板式電解槽結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為實施例中一種制備三氟化氮氣體的電解槽結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]其中，I—陰極，2—裙板，3—陽極，4—電解液液面，5—隔膜，6—陽極室，7—陰極室，8—陽極氣體出口，9一陰極氣體出口，10—陽極掃氮及電解液入口，11一陰極掃氮及電解液入口，12—溫度計
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖2和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0026]以下比較例和實施例中:
[0027]—種制備三氟化氮氣體的電解槽，主要由隔膜5、陽極3、陰極1、陽極室6、陰極室
7、陽極氣體出口 8、陰極氣體出口 9、陽極掃氮及電解液入口 10和陰極掃氮及電解液入口 11組成。其中，隔膜5將所述電解槽隔離成完全獨立的陽極室6和陰極室7，陽極室6由陽極3、陽極氣體出口 8和陽極掃氮及電解液入口 10組成；其中，陽極3 —端位于陽極室6內(nèi)，另一端連接有導電桿，導電桿伸出陽極室6與電源連接，陽極氣體出口 8、陽極掃氮及電解液入口 10分別位于陽極3兩側(cè)，陽極氣體出口 8在靠近隔膜5 —側(cè)；陰極室7由陰極1、陰極氣體出口 9和陰極掃氮及電解液入口 11組成，其中，陰極I 一端位于陰極室7內(nèi)，另一端連接有導電桿，導電桿伸出陰極室7與電源連接，陰極氣體出口 9、陰極掃氮及電解液入口 11分別位于陰極I兩側(cè)，陰極氣體出口 9在靠近隔膜5 —側(cè)；在陰極室7的陰極掃氮及電解液入口 11靠近陰極室7側(cè)壁一側(cè)設置有溫度計12。
[0028]所述隔膜5為經(jīng)過處理的杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸-聚四氟乙烯聚合物系列離子交換膜(Naf1n膜)ο
[0029]所述電解槽由蒙乃爾板加工而成，陽極3和陰極I為現(xiàn)有熔融鹽電解法制備即3氣體所使用的裙板式電解槽中的陽極3和陰極1，陽極3和陰極I均由鎳板加工制成。
[0030]所述恒壓電解除水采用專利號為ZL 02201726.7，名稱為三氟化氮電解槽的實用新型專