CH542655A - Metallanode für elektrochemische Prozesse - Google Patents

Description

  
 



   Die Erfindung bezieht sich auf eine Metallanode für elektrochemische Prozesse, insbesondere für die Chloralkali-Elektrolyse.



   Platin, Platinmetalle oder deren Legierungen sind seit langem als beständige Elektrodenmaterialien bekannt. Mit Anoden aus Platin und Platin/Iridium wurden beispielsweise die ersten horizontalen Quecksilberzellen zur elektrolytischen Gewinnung von Chlor und Natronlauge ausgestattet. Die sehr hohen   Kapital kosten    für die Platindrahtanodenbestückung und nicht zuletzt auch die beachtlichen Korrosionsraten des wertvollen Edelmetalls - der spezifische Platinverlust bewegte sich bei den damals noch sehr niedrigen Anodenstromdichten bereits zwischen 0,3 und 0,6 g Platin je Tonne erzeugten Chlors - machten sehr bald den   Ubergang    auf die wirtschaftlicheren Graphitanoden notwendig.



   Der Gedanke, ein unedles Grundmetall wie Kupfer, Eisen usw. mit Platin zu überziehen, um so ein preiswertes Anodenmaterial zu erhalten, ist auch schon sehr alt. Auf dem Gebiet der Chloralkali-Elektrolyse erlagen diese platinierten Metallanoden jedoch sehr bald den korrosiven Einflüssen der Zellenmedien.



   Seit etwa 12 Jahren sind schliesslich Anoden bekannt, deren Grundkörper aus einem passivierbaren unedlen Metall, z. B. Titan, Tantal, Zirkon, Niob und deren aktive Deckschicht aus einem Platinmetall oder einer Platinmetallegierung besteht. Bekannt ist inzwischen auch, dass diese Metallanoden ebenso wie ihre plattierten Vorgänger für den Einsatz in der Chlor-Alkali-Industrie ungeeignet sind. Ihre kostspielige Edelmetallplattierung ist nämlich den vielfältigen intensiven Belastungen mechanischer, elektrischer, chemischer und elektrochemischer Art, die in den modernen Grosszellen vorherrschen, auf die Dauer nicht gewachsen.



   Die Wirksamkeit der aus preislichen Gründen dünn gehaltenen Platinmetallschicht lässt sehr bald nach, was einerseits zu laufenden Spannungserhöhungen führt und anderseits häufige Anodenwechsel notwendig macht. Im Falle der inzwischen weit verbreiteten horizontalen Quecksilberzelle, in der die Kurzschlussgefahr bekanntlich besonders gross ist und bei der jede Berührung mit dem Quecksilber das Platinmetall des Überzuges infolge seiner leichten Amalgamierbarkeit sofort entfernt und damit die Anode an dieser Stelle inaktiv macht, muss zwangläufig mit einem plötzlichen Ausfall der gesamten Metallanodenbestückung gerechnet werden.



   Gegenstand der Erfindung ist eine Metallanode mit aktiver Deckschicht für elektrochemische Prozesse, welche die aufgezeichneten Schwierigkeiten durch das Vorhandensein einer elektrochemisch aktiven Deckschicht vermeidet und dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Deckschicht Substanzen des Typs Me(I)   etwa O,5Pt304    enthält.



   Bei diesen nicht daltonoiden Verbindungen, wie beispielsweise Li etwa   o,5Pt304    oder Na etwa   o,sPt304    handelt es sich um gut elektrisch leitende Substanzen, die gegen die bei der Chloralkali-Elektrolyse auftretenden chemischen und elektrochemischen Angriffe resistent und in herkömmlichen Lösungsmitteln unlöslich sind. Ausserdem ist diese Substanzklasse im Gegensatz zu den bisher bekannten binären Platinoxyden thermisch stabil. Die Oxydationsstufe des Platins liegt bei dieser neuen Verbindungsklasse zwischen +2 und +3. Die gute elektrische Leitfähigkeit beruht auf der Beweglichkeit der Elektronen innerhalb der im strukturellen Aufbau vorhandenen Platin-Platin-Ketten. Erhältlich sind diese Verbindungen beispielsweise durch oxydierende Salzschmelzen von Platinoxyden, wie Pt304 oder direkt Platin in Gegenwart von Me(I)-Kationen.



   Diese die neue Deckschicht tragende Metallanode besitzt folgende Vorteile:
1. Lange Lebensdauer, da die hohe Wirksamkeit der unlöslichen Deckschicht auch unter extremen Prozessbedingungen über lange Zeiträume hinweg voll erhalten bleibt.



   2. Völlige Unempfindlichkeit gegen Quecksilber und Metall-Amalgamen, nachdem das Material der Deckschicht absolut amalgamfest ist.



   3. Weitgehende Kurzschlussfestigkeit, gewährleistet durch die hohe thermische Beständigkeit und Amalgamfestigkeit des   Deckschichtmaterials.   



   4. Hohe Betriebssicherheit, da die Deckschicht keine Fremdionen liefert, die zu Störungen im technischen Elektrolyseverlauf führen; letzteres ist besonders für die Chloralkalielektrolyse nach dem Amalgamverfahren wichtig.



   5. Geringe Abscheidungsüberspannung für Chlor und hohe Abscheidungsüberspannung für Sauerstoff, was eine Durchführung der Chloralkalielektrolyse mit hoher Stromund Energieausbeute ermöglicht.



   6. Hohe Wirtschaftlichkeit, da bereits Spuren der Substanzen des Typs Me(I) etwa 0,5Pt304 die hohe Aktivität der Anodendeckschicht gewährleisten.



   Als Grundkörper für die erfindungsgemässe Metallanode kommen in erster Linie passivierbare Metalle, wie z. B. Titan, Tantal, Zirkon, Niob, oder deren passivierbaren Legierungen in Frage. Je nach Verwendungszweck kann der Anodenkern selbstverständlich auch aus einem Metall der Platingruppe oder einer Platinmetallegierung bestehen. Plattierte Metalle, wie z. B. Titan, Tantal, Zirkon, Niob oder deren passivierbaren Legierungen plattiertes Kupfer oder Kupfer/Platinmetall, Titan/Platinmetall, Tantal/Platinmetall usw. kommen als Anodenkern selbstverständlich ebenfalls in Betracht.



   Je nach Grundkörper und Verwendungszweck kann die Deckschicht neben den Substanzen des Typs Me(I) etwa   o,sPt304    Binder, Stabilisatoren und Leitfähigkeitsverbesserer enthalten.



   Als Binder und Stabilisatoren kommen verschiedene die Sinterung und Haftung fördernde anorganische und/oder organische Zusätze, wie z. B. niedrig schmelzende Gläser, Metalloxide - soweit diese im Zellenmedium unlöslich sind  Metallboride, Metallhydride, chemisch beständige Kunstharze und Kunststoffe in Frage.



   Im Falle sehr dünner bzw. an Me(I) etwa   0,5Pt04    armer Deckschichten kann deren elektrische Aktivität durch Leitfähigkeitsverbesserer, z. B. Carbide, Boride oder Nitride des Titans, Tantals, Zirkons, Niobs oder deren Gemische entsprechend gesteigert werden.



   PATENTANSPRUCH



   Metallanode mit aktiver Deckschicht für elektrochemische Prozesse, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht Substanzen des Typs Me(I) etwa o,5Pt304 enthält.



   UNTERANSPRÜCHE
1. Metallanode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht Li0,5Pt304 und/oder   NaO,sPt304    enthält.

 

   2. Metall anode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht ausserdem Binder, Stabilisatoren und/oder Leitfähigkeitsverbesserer, z. B. TiC und/oder TiN, enthält.



   3. Metallanode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkern aus einem passivierbaren Metall, z. B. aus Titan oder Tantal, besteht.



   4. Metallanode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkern aus einem Metall der Platingruppe besteht.



   5. Metallanode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkern aus einem plattierten Metall, z. B. aus Kupfer/Titan, Kupfer/Tantal, Kupfer/Platinmetall, Titan/Platinmetall oder Tantal/Platinmetall, besteht.

**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.



   

Claims (1)

1. **WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Metallanode für elektrochemische Prozesse, insbesondere für die Chloralkali-Elektrolyse.

   Platin, Platinmetalle oder deren Legierungen sind seit langem als beständige Elektrodenmaterialien bekannt. Mit Anoden aus Platin und Platin/Iridium wurden beispielsweise die ersten horizontalen Quecksilberzellen zur elektrolytischen Gewinnung von Chlor und Natronlauge ausgestattet. Die sehr hohen Kapital kosten für die Platindrahtanodenbestückung und nicht zuletzt auch die beachtlichen Korrosionsraten des wertvollen Edelmetalls - der spezifische Platinverlust bewegte sich bei den damals noch sehr niedrigen Anodenstromdichten bereits zwischen 0,3 und 0,6 g Platin je Tonne erzeugten Chlors - machten sehr bald den Ubergang auf die wirtschaftlicheren Graphitanoden notwendig.

   Der Gedanke, ein unedles Grundmetall wie Kupfer, Eisen usw. mit Platin zu überziehen, um so ein preiswertes Anodenmaterial zu erhalten, ist auch schon sehr alt. Auf dem Gebiet der Chloralkali-Elektrolyse erlagen diese platinierten Metallanoden jedoch sehr bald den korrosiven Einflüssen der Zellenmedien.

   Seit etwa 12 Jahren sind schliesslich Anoden bekannt, deren Grundkörper aus einem passivierbaren unedlen Metall, z. B. Titan, Tantal, Zirkon, Niob und deren aktive Deckschicht aus einem Platinmetall oder einer Platinmetallegierung besteht. Bekannt ist inzwischen auch, dass diese Metallanoden ebenso wie ihre plattierten Vorgänger für den Einsatz in der Chlor-Alkali-Industrie ungeeignet sind. Ihre kostspielige Edelmetallplattierung ist nämlich den vielfältigen intensiven Belastungen mechanischer, elektrischer, chemischer und elektrochemischer Art, die in den modernen Grosszellen vorherrschen, auf die Dauer nicht gewachsen.

   Die Wirksamkeit der aus preislichen Gründen dünn gehaltenen Platinmetallschicht lässt sehr bald nach, was einerseits zu laufenden Spannungserhöhungen führt und anderseits häufige Anodenwechsel notwendig macht. Im Falle der inzwischen weit verbreiteten horizontalen Quecksilberzelle, in der die Kurzschlussgefahr bekanntlich besonders gross ist und bei der jede Berührung mit dem Quecksilber das Platinmetall des Überzuges infolge seiner leichten Amalgamierbarkeit sofort entfernt und damit die Anode an dieser Stelle inaktiv macht, muss zwangläufig mit einem plötzlichen Ausfall der gesamten Metallanodenbestückung gerechnet werden.

   Gegenstand der Erfindung ist eine Metallanode mit aktiver Deckschicht für elektrochemische Prozesse, welche die aufgezeichneten Schwierigkeiten durch das Vorhandensein einer elektrochemisch aktiven Deckschicht vermeidet und dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Deckschicht Substanzen des Typs Me(I) etwa O,5Pt304 enthält.

   Bei diesen nicht daltonoiden Verbindungen, wie beispielsweise Li etwa o,5Pt304 oder Na etwa o,sPt304 handelt es sich um gut elektrisch leitende Substanzen, die gegen die bei der Chloralkali-Elektrolyse auftretenden chemischen und elektrochemischen Angriffe resistent und in herkömmlichen Lösungsmitteln unlöslich sind. Ausserdem ist diese Substanzklasse im Gegensatz zu den bisher bekannten binären Platinoxyden thermisch stabil. Die Oxydationsstufe des Platins liegt bei dieser neuen Verbindungsklasse zwischen +2 und +3. Die gute elektrische Leitfähigkeit beruht auf der Beweglichkeit der Elektronen innerhalb der im strukturellen Aufbau vorhandenen Platin-Platin-Ketten. Erhältlich sind diese Verbindungen beispielsweise durch oxydierende Salzschmelzen von Platinoxyden, wie Pt304 oder direkt Platin in Gegenwart von Me(I)-Kationen.

   Diese die neue Deckschicht tragende Metallanode besitzt folgende Vorteile: 1. Lange Lebensdauer, da die hohe Wirksamkeit der unlöslichen Deckschicht auch unter extremen Prozessbedingungen über lange Zeiträume hinweg voll erhalten bleibt.

   2. Völlige Unempfindlichkeit gegen Quecksilber und Metall-Amalgamen, nachdem das Material der Deckschicht absolut amalgamfest ist.

   3. Weitgehende Kurzschlussfestigkeit, gewährleistet durch die hohe thermische Beständigkeit und Amalgamfestigkeit des Deckschichtmaterials.

   4. Hohe Betriebssicherheit, da die Deckschicht keine Fremdionen liefert, die zu Störungen im technischen Elektrolyseverlauf führen; letzteres ist besonders für die Chloralkalielektrolyse nach dem Amalgamverfahren wichtig.

   5. Geringe Abscheidungsüberspannung für Chlor und hohe Abscheidungsüberspannung für Sauerstoff, was eine Durchführung der Chloralkalielektrolyse mit hoher Stromund Energieausbeute ermöglicht.

   6. Hohe Wirtschaftlichkeit, da bereits Spuren der Substanzen des Typs Me(I) etwa 0,5Pt304 die hohe Aktivität der Anodendeckschicht gewährleisten.

   Als Grundkörper für die erfindungsgemässe Metallanode kommen in erster Linie passivierbare Metalle, wie z. B. Titan, Tantal, Zirkon, Niob, oder deren passivierbaren Legierungen in Frage. Je nach Verwendungszweck kann der Anodenkern selbstverständlich auch aus einem Metall der Platingruppe oder einer Platinmetallegierung bestehen. Plattierte Metalle, wie z. B. Titan, Tantal, Zirkon, Niob oder deren passivierbaren Legierungen plattiertes Kupfer oder Kupfer/Platinmetall, Titan/Platinmetall, Tantal/Platinmetall usw. kommen als Anodenkern selbstverständlich ebenfalls in Betracht.

   Je nach Grundkörper und Verwendungszweck kann die Deckschicht neben den Substanzen des Typs Me(I) etwa o,sPt304 Binder, Stabilisatoren und Leitfähigkeitsverbesserer enthalten.

   Als Binder und Stabilisatoren kommen verschiedene die Sinterung und Haftung fördernde anorganische und/oder organische Zusätze, wie z. B. niedrig schmelzende Gläser, Metalloxide - soweit diese im Zellenmedium unlöslich sind Metallboride, Metallhydride, chemisch beständige Kunstharze und Kunststoffe in Frage.

   Im Falle sehr dünner bzw. an Me(I) etwa 0,5Pt04 armer Deckschichten kann deren elektrische Aktivität durch Leitfähigkeitsverbesserer, z. B. Carbide, Boride oder Nitride des Titans, Tantals, Zirkons, Niobs oder deren Gemische entsprechend gesteigert werden.

   PATENTANSPRUCH

   Metallanode mit aktiver Deckschicht für elektrochemische Prozesse, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht Substanzen des Typs Me(I) etwa o,5Pt304 enthält.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Metallanode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht Li0,5Pt304 und/oder NaO,sPt304 enthält.

   2. Metall anode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht ausserdem Binder, Stabilisatoren und/oder Leitfähigkeitsverbesserer, z. B. TiC und/oder TiN, enthält.

   3. Metallanode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkern aus einem passivierbaren Metall, z. B. aus Titan oder Tantal, besteht.

   4. Metallanode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkern aus einem Metall der Platingruppe besteht.

   5. Metallanode nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkern aus einem plattierten Metall, z. B. aus Kupfer/Titan, Kupfer/Tantal, Kupfer/Platinmetall, Titan/Platinmetall oder Tantal/Platinmetall, besteht.