DD201919A5 - Elektrolysezelle fuer ein ionenaustauschmembran-verfahren - Google Patents
Elektrolysezelle fuer ein ionenaustauschmembran-verfahren Download PDFInfo
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Abstract
Elektrolysezelle fuer das Ionenaustauschmembranverfahren, mit einem Zellengehaeuse, einem das Zellengehaeuse vollstaendig ueberdeckenden Deckel, einer Anzahl von im Zellengehaeuse angeordneten , poroesen und rohrfoermig-hohlen Kathoden, einem von mehreren Oeffnungen durchsetzten Boden des Zellengehaeuses, einer Anzahl von durch die Oeffnungen des Bodens hindurch in das Zellengehaeuse hineinragenden, jeweils mittels eines am unteren Teil angeordneten Flanschs am Boden befestigten, elektrisch leitenden Staeben,einer Anzahl von mit den elektrisch leitenden Staeben verbundenen, aufrecht stehend zwischen den Kathoden angeordneten, poroesen Anoden, einer Anzahl von oben offenen, beutelfoermigen Elementen, von denen wenigstens die den Anoden und den Kathoden zugewandten Bereiche aus einer Ionenaustauschmembrane gebildet sind und deren Boden jeweils wenigstens eine Oeffnung zum Hindurchfuehren eines der elektrisch leitenden Staebe aufweist, und mit einer auf dem Zellengehaeuse angeordneten, von Oeffnungen durchsetzten Unterteilungsplatte, wobei ferner vorgesehen ist, dass in jedem der beutelfoermigen Elemente eine oder mehrere Anoden angeordnet sind, dass der Boden jedes beutelfoermigen Elements mittels des Flanschs des die jeweilige Oeffnung durchsetzenden elektrisch leitenden Stabs am Boden des Zellengehaeuses befestigt ist, so dass in dem beutelfoermigen Element eine Anodenkammer gebildet ist, und dass das offene obere Ende des beutelfoermigen Elements mittels einer Dichtung und eines Dichtungseinsatzes in einer Oeffnung der Unterteilungsplatte befestigt ist.
Description
Berlin, den 19,2»1982 AP C 22 B/232 721/6 59 703/12
Elektrolysezelle für ein Ionenaustauschrnembran-Verfahren
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle für ein lonenaustauschrnembran-Yerfahren insbesondere zur Gewinnung von Holgenen und Alkalimetall-Hydroxiden durch Elektrolyse einer wässrigen Lösung eines Alkalirnetallhalogenids5 insbesondere Natriumchlorid«,
bekannt e technisehe Lösungen
Pur die Elektrolyse von Kochsalzlösung oder Sole wurde bisher anstelle des Quecksilberverfahrens ein Trennwandverfahren angewendet, bei welchem eine Anodenkammer und eine Kathoden« kammer durch eine poröse Trennwand aus neutralem. Material,, z» Be aus Asbestj voneinander getrennt sindo Ein solches Trennwandverfahren kann jedoch für die Gewinnung von Alkalimetall-Hydroxiden von hoher Reinheit "nicht angewendet werden. Für die Gewinnung von Alkalimetall-Hydroxiden hoher Reinheit durch Elektrolyse von Sole wurde deshalb ein mit einer kationischen Austauschmembrane arbeitendes sogenanntes Ionenaustauschmembranverfahren entwickelt«
ZJL e_ 1_ d e r E rf in dung
Es ist Ziel der Erfindung5 die Nachteile bekannter Elektrolysezellen zu vermeiden0
We sen. der Brf indung
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer für das Ionenaustauschmembran-Verfahren geeigneten Elektrolysezelle durch Abwandlung einer bisher für das Trennwandverfahren verwendeten
*) 1 ß "1^" 19.2.1982 ""* AP C 22 B/232 721/6
59 703/12
Elektrolysezelle, somit also die Schaffung einer Elektrolysezelle, welche unter weitgehender Verwendung von für nach dem Trennv/andverfahren arbeitenden Elektrolysezellen verwendeten Teilen und Vorrichtungen herstellbar ist« Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle bietet den weiteren Vorteil, daß bei ihrer Verwendung im lonenaustauschmembranverfahren keine Gefahr des Austritts von Flüssigkeit besteht und die Zellenspannung auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann.
Die Erfindung schafft also eine Elektrolysezelle für das Ionenaustauschmembranverfahren, mit einem Zellengehäuse, einem das Zellengehäuse vollständig überdeckenden Deckel, einer Anzahl von im Gehäuse angeordneten, porösen und rohrförmig-hohlen Kathoden, einem von mehreren Öffnungen · durchsetzten Boden des Zellengehäuses, einer Anzahl, von durch die Öffnungen des Bodens hindurch in das Zellengehäuse hineinragenden, jeweils mittels eines am unteren Teil angeordneten Flanschs am Boden befestigten,, elektrisch leitenden Stäben, einer Anzahl von mit den elektrisch leitenden Stäben verbundenen, aufrecht stehend zwischen den Kathoden angeordneten, porösen Anoden, einer Anzahl von oben offenen, beuteiförmigen Elementen, von denen wenigstens die den Anoden und den Kathoden zugewandten Bereiche aus einer Ionenaustauschraembrane gebildet sind und deren Boden jeweils wenigstens eine Öffnung sum hindurchführen eines der elektrisch leitenden Stäbe aufweist, und mit einer auf dem Zellengehäuse angeordneten, von öffnungen durchsetzten Unterteilungsplatte, wobei
20. gemäß- der Erfindung ferner·vorgesehen ist, daß in jedem der beuteiförmigen Elemente eine oder mehrere Anoden angeordnet sind, daß der Boden jedes beuteiförmigen Elements mittels des Flanschs. des die jeweilige Öffnung durch- " setzenden elektrisch leitenden Stabs am Boden des Zellengehäuses befestigt ist, so daß in dem beuteiförmigen Element eine Anodenkammer gebildet ist, und daß das offene obere Ende des beuteiförmigen Elements mittels einer Dichtung und eines Dichtungseinsatzes in einer Öffnung der Unterteilungsplatte befestigt ist. -
Das gemäß der Erfindung verwendete beutelförmige Element kann in seiner Gesamtheit aus einer Kationenaustauschmembrane geformt sein. In einer anderen Ausführungsform kann das beutelförmige Element einen Eahmen aus
einem korrosionsbeständigen Werkstoff,. z.B. Polytetrafluoräthylen, haben, an dessen.den Anoden und/oder Kathoden zugewandten Seiten jeweils eine Kationenaus-
32721 6
tauschmembrane stoffschlüssig befestigt ist. Ferner kann das beuteiförmige Element so geformt sein, daß es ' . sich in enger Anlage an den darin untergebrachten Anoden, befindet.
Im folgenden, sind Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand, der. Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht einer Elektrolysezelle in einer A.usführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht einer Elektrolysezelle gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Schrägansicht eines vollständig aus einer Kationenaustauschmembrane geformten beuteiförmigen Elements für die Verwendung im Rahmen der
Erfindung und 20
Fig. 4- bis 6 Schrägansichten von beuteiförmigen Elementen in verschiedenen Ausführungsforraen der Erfindung.
Eine in Fig. 1 dargestellte Elektrolysezelle hat ein Zellengehäuse 1 mit einem dieses vollständig überdeckenden Deckel 2. Das Zellengehäuse 1 enthält eine Anzahl von porösen und hohlen Kathoden 3, welche sich jeweils von einer Seitenwand zur anderen des Zellengehäuses 1 erstrecken. Ein Boden 4- des Zellengehäuses 1 ist jeweils ..
zwischen einander benachbarten Kathoden 3 von Öffnungen für die Aufnahme jeweils eine elektrisch leitenden Stabs 5 durchsetzt. An der Innenseite hat der Boden 4 einen Korrosions-Schutzbelag 7 etwa aus Gummi, einem Fluorharz od. dergl.. Jedör elektrisch leitende Stab 5 hat . am unteren Teil einen Flansch 8 und ist mittels dieses Flanschs 8 und einer Mutter 9 derart in der jeweiligen Öffnung 6 des Bodens 4 befestigt, daß er in das Innere
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] des Zellengehäuses 1 hineinragt. Eine mit deta elektrisch leitenden Stab 5 verbundene Anode 10 ist jeweils aufrecht stehend zwischen zwei einander benachbarten Kathoden 3 ' angeordnet. . '.
. ·
Die gemäß der Erfindung verwendeten Anoden können aus einem Metall der Gruppe Titan, Tantal, Niob usw. mit einer Beschichtung aus einem Oxid eines Metalls der Platingruppe sein. Geeignete Werkstoffe, für die Kathoden sind u.A. Flußstahl, rostfreier Stahl, .!Ticke 1, vernickelter Stahl us vf..
Jeweils eine oder mehrere Anoden 10 sind von ein-em oberoffenen beuteiförmigen Element 11 umgeben. Das beutel- förmige Element 11 hat einen Boden 12, welcher an einer der Öffnung 6 des Bodens 4'des Zellengehäuses entsprechenden Stelle von einer Öffnung 13 zum Hindurchführen des elektrisch leitenden Stabs 5 durchsetzt ist1. Mittels des Flanschs 8 des die Öffnungen. 13 und 6 im Boden 12 des beuteiförmigen Elements 11 bzw. im Boden 4- des Zellengehäuses 1 durchsetzenden elektrisch leitenden Stabs 5 ist das beuteiförmige Element 11 am Boden 4- des Zellengehäuses befestigt. Das Innere des beuteiförmigen Elements 11 stellt eine Anodenkammer 14- für die Aufnahme einer oder mehrerer Anoden 10 dar. Die Anoden 10 können zylindrisch sein oder eine zu den Kathoden hin verbreiterte Oberfläche haben, an welcher sich die Wandung des beuteiförmigen Elements 11 in enger Anlage befindet.
3® Eine auf der Oberseite des Zellengehäuses 1 angeordnete Unterteilungsplatte 15 ist oberhalb jeder Anodenkammer 14-von einer Öffnung 16 durchsetzt.
Das Zellengehäuse 1, der Deckel 2, der Boden 4- 'und die Unterteilungsplatte 15 können aus jedem geeigneten Material sein, z.B. aus Stahl. Die elektrisch leitenden Stäbe 5 können aus jedem elektrisch leitenden und auch anderweitig geeigneten Material sein, z.B. aus mit 'Titan
t O L· / Ä. ι ν . - .
1 oder einem ähnlichen Metall besc nichtetem. Kupfer.
In die Öffnung 16 der Unterteilungsplatte 15 ist eine Dichtung 17 mit einer entlang dem gesamten Umfang uralaufanden, ebenen Schrägfläche 18 eip_gesetzt. Ein Dich-
tungseinsats 19 befindet sich mit einer ebenen Schräg-. fläche 20 in Anlage an der Schrägfläche 13 der Dichtung 17 und ist im mittleren Bereich offen. Der Rand des . ·.. offenen oberen.Endes des beuteiförmigen Elements 11 ist zwischen der Schrägfläche 18 der Dichtung 17 und der Schrägfläche 20 des Dichtungseinsatzes 19 eingeklemmt und festgehalten. Um eine sichere Befestigung des beutelförraig-en Elements 11 zu erzielen und einem Austritt von Flüssigkeit vorzubeugen, ist die Dichtung 17 vorzugsweise aus einem schmiegsamen Material, z.B. Gummi, während der Dichtungseinsatz vorzugsweise aus einem steiferen Material, z.B. Polytetrafluoräthylen ist.
Gegebenenfalls kann zwischen dem beuteiförmigen Element 20. 11 und der jeweiligen Kathode 3 sin Abstandhalter angeordnet sein. Dieser dient dazu, einen etwa 1 bis 5 mm,, vorzugsweise etwa 2 bis 3 mm breiten Zwischenraum zu schaffen, in welchem das kathodenseitig freigesetzte . Gas ungehindert aufsteigen kann, so daß sich die Zellenspannung auf einem relativ niedrigen Wert halt-en läßt.
Die Elektrolysezelle wird über eine Solezuleitung 21 mit Sole gespeist. Ein seitlich am Deckel 2 angeordneter Soleauslaß 23 bestimmt die Standhöhe der Sole über der Unterteilungsplatte 15, der Dichtung 17 und dem Dichtungseinsatz 19. Das untere Ende einer inneren Solezuleitung 22 liegt in einer Höhe zwischen dem Soleauslaß 23 und der Unterteilungsplatte 15? d.h. also unterhalb des SolesToiegels in der Elektrolysezelle. Am oberen Teil
hat der Deckel 2 einen Auslaß 24 für das an den Anoden freigesetzte Gas, im Falle der Elektrolyse von Kochsalzlösung also für Chlorgas. Das Zellengehäuse 1 hat einen
] Einlaß 25 für eine Kathodenflüssigkeit, bei der Elektrolyse von Kochsalzlösung Wasser oder eine verdünnte wässrige Lösung von Natriumhydroxid, welcher so ausgebildet ist, daß die Flüssigkeit sämtlichen durch die beutelförmigen Elemente 11 begrenzten Kathodenräuroen zufließt. Ein.Auslaß 26 für die elektrolytisch behandelte Kathodenflüssigkeit, bei der Elektrolyse von Kochsalzlösung eine konzentrierte wässrige Lösung von Katriumhydroxid, ist . mit einer Leitung 27 verbunden, welche so ausgebildet
10- und angeordnet ist, daß der Spiegel der Kathodenflüssigkeit auf einer bestimmten Höhe gehalten wird. Im . oberen Teil einer Seitenwand hat das Zellengehäuse 1 ferner einen Auslaß 28 für das an den Kathoden freigesetzte Gas, im Falle der Elektrolyse von Kochsalzlösung Wasserstoffgas.
Anstelle der vorstehend beschriebenen Anordnung für die Solezufuhr kan ein mit dem Soleeinlaß 21 verbundener Verteiler vorgesehen sein, von welchem dünnere Leitungen zu den einzelnen Anodenkammern führen.
Das beuteiförmige Element 11 kann, wie in Fig. 3 dargestellt, vollständig aus einer Kationenaustauschmembrane geformt oder auch in der in Fig. 4 bis 6 dargestellten Weise ausgeführt sein. Als Material für die Kationenaustauschmembrane eignen sich Copolymere mit einem fluorierten Olefinmonomer und ein Fluorvinylmonomer mit Karboxylsäuregruppen, Sulfonsäuregruppen oder in
derartige SäuregruOpen umwandelbaren Funktionsgruüpen. 30
In der Ausführungsform nach Fig. 4- sind das am Boden des Zellengehäuses zu befestigende untere Teil sowie das zwischen der Dichtung und dem Dichtungseinsatz festzuhaltende obere Teil des beuteiförmigen Elements 11 aus
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einem korrosionsbeständigen Material, z.B. Polytetrafluoräthylen od. dergl., während das den Anoden und Kathoden zugewandte mittlere Teil JO aus der Kationenaustauschmembran geformt ist.
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In den Ausführungsformen nach Fig. 5 und 6 sind nur die den Anoden und Kathoden zugewandten Teile des-beuteiförmigen Elements 11 aus der Kationenaustauschtnembrane gebildet, während die Rahmenteile 29 aus einem korrosionsbeständigen Material ::ind. In der Ausführungsform nach Fig. 6 weist das untere Teil des beuteiförmigen Elements 11 besondere Ausbildungen für die Aufnahme der die Öffnungen des Bodens des Zellengehäuses durchsetzenden elektrisch leitenden Stäbe auf.' .
Das im Rahmen der Erfindung verwendete'beuteiförmige Element ist nicht auf. die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es kommt lediglich darauf an, daß wenigstens die den Kathoden und Anoden zugewandten Bereiche des Elements aus der Kationenaustauschmembrane geformt sind. Die übrigen Teile können aus irgend einem korrosionsbeständigen Material sein und eine der Anordnung der Elektroden angepaßte Form haben.
Bei der Herstellung des beuteiförmigen Elements aus einer Kationenaustauschmembrane und Teilen aus einem korrosionsbeständigen Material können die beiden Werkstoffe etwa durch Schmelzschweißen miteinander verbunden . werden.
Heben den oberen und unteren Teilen des beuteiförmigen Elements können vorzugsweise auch die mit Ecken oder Kanten der Anoden in Berührung kommenden Bereiche desselben aus einem korrosionsbeständigen Material geformt sein, um damit die empfindliche Kationenaustauschmembrane vor Beschädigungen zu schützen.
Der vorstehend beschriebene Aufbau der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ermöglicht den Umbau einer bisher *" für das Trennwandverfahren verwendeten Elektrolysezelle für die Verwendung nach dem Ionenaustauschmembranverfahren. Bei einer für das Trennwandverfahren gebräuchlichen Elektrolysezelle, in welcher eine Trennwand aus
neutralem Material, z.B. Asbest, Verwendung findet, wird das Trennwandmaterial, z.B. Asbest, aus poröse, rohrförmig-hohle Kathoden aufgebracht, so daß jeweils eine Kathodenkamaer gebildet wird, und eine auf einem elektrisch leitenden·Stab sitzende Anode ist zwischen mit dem 'Trennwandmaterial bedeckten Kathoden angeordnet. Somit können verschiedene Teile der für das Trennwandverfahren verwendeten Elektrolysezelle, z.B. das Zellengehäuse, der Deckel, Kathoden und Anoden für den Bau der Elektrolysezelle gemäß der Erfindung verwendet werden.
Gemäß der Erfindung ist die Kationenaustauschmembrane zu einem beutelartigen Gebilde gerformt; mit ihrem Boden ist sie mittels des Planschs des elektrisch leitenden Stabs am Boden der Elektrolysezelle befestigt; der Hand der oberen. Öffnung des beuteiförmigen Gebildes ist mittels der Dichtung und des Dichtungseinsatzes in einer Öffnung der auf dem Zellengehäuse angeordneten Unterteilungsplatte befestigt. Auf diese Weise ist die Kationenaustauschmembrane sicher und zuverlässig abdichtend befestigt. Da die Kationentauschermembrane dabei in satte Anlage an den Anoden gebracht werden kann, läßt sich die Zellenspannung stabilisieren und auf einem niedrigen Wert halten. Damit eignet sich die Elektrolysezelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau hervorragend für die Verwendung im Ionenaustauschmembranverfahren.
Durch die zusätzliche Verwendung von Abstandhaltern ' · zwischen den Kathoden und der Kationenaustauschmembrane läßt sich der notwendige Abstand zwischen den Elektroden bzw. zwischen den Kathoden und der Inonenaustauschmembranegenau einhalten»
Das Festklemmen des Randes der oberen Öffnung des beutelförmigen Elements zwischen den Schrägflächen der Dichtung und des Dichtungseinsäzes stellt eine einfache und sichere Befestigung der Kationentauschermembrane dar. Um eine besonders sichere Befestigung der Kationenaustausch-
32 72 1
] merab.rane zu gewährleisten, ist die Dichtung vorzugsweise aus einem schmiegsamen Material, z. B. Gummi, geformt, wobei der Dichtungseinsatz dann aus einem steiferen Material sein kann.
Die erfindungsgeaäße Elektrolysezelle ermöglicht auf einfache V/eise die Elektrolyse von Alkalimetallhalogenidlösungen unter Anwendung herkömmlicher Arbeitsbedingungen, z.B. einer Zellenspannung von etx*ra 2,8
~ p
bis 3)7 "^j einer Stromdichte von etwa 20 bis 30 A/dm und einer Temperatur von etwa 50 bis 90 C.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeisj)iele beschränkt, sondern erlaubt die verschiedensten Abwandlungen derselben ia Bahmen der AnsDrüche.
Claims (2)
- *θ- 19.2.1982AP G 22 Β/232 721/6 59 703/12Erfindungsanspruch1, Elektrolysezelle für das lonenaustauschmembranverfahren, gekennzeichnet durch ein Zellengehäuse (1), durch einen das Zellengehäuae vollständig überdeckenden Deckel (2), durch eine Anzahl von im Zellengehäuse angeordneten, porösen und rohrförmig-hohlen Kathoden (3)3 durch einen von mehreren Öffnungen (6) durchsetzten Boden (4) des Zellengehäusesj durch eine Anzahl von durch die öffnungen des Bodens hindurch in das Zellengehäuse hineinragenden, jeweils mittels eines am unteren Teil angeordneten Planschs (8) am Boden befestigten, elektrisch leitenden Stäben (5) } durch eine Anzahl von mit den elektrisch leitenden Stäben verbundenen, aufrecht stehend zwischen den Kathoden angeordneten, porösen Anoden (10), durch eine Anzahl von oben offenen, beutelförtnigen Elementen (11), von denen wenigstens die den Anoden und den Kathoden zugewandten Bereiche aus einer lonenaustauschmembrane gebildet sind und deren Boden (12) jeweils wenigstens eine öffnung • (13) zum Hindurchführen eines der elektrisch leitenden Stäbe aufweist, und durch eine auf dem Zellengehäuse angeordnete, von Öffnungen (16) durchsetzte ünterteilungsplatte (15)» sowie ferner dadurch, daß in jedem der beuteiförmigen Elemente eine oder mehrere Anoden angeordnet sind, daß der Boden jedes beuteiförmigen Elements mittels des Planschs des die jeweilige Öffnung durchsetzenden elektrisch leitenden Stabs am Boden des Zellengehäuses befestigt ist, so daß in dem beuteiförmigen Element eine Anodenkammer gebildet ist, und daß das offene obere Ende des beuteiförmigen Elements mittels einer Dichtung (17) und eines Dichtungseinsatzes (19) in. einer Öffnung der Unterteilungsplatte befestigt ist«U _^_ 19.2,1982AP C 22 Β/232 721/6 59 703/12
- 2. Elektrolysezelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Rand des offenen oberen Endes des beuteiförmigen Elements (11) entlang seinem gesamten Umfang zwischen der Dichtung (17) und dem Dichtungseinsatz (19) festgehalten ist, daß die Dichtung eine entlang dem Umfang der Öffnung (16) der Unterteilungsplatte (15) anbringbare Schrägfläche (13) aufweist und daß der Dichtungseinsatz in seinem mittleren Bereich offen ist und eine unter Zwischenlage des Randes des offenen Endes des beuteiförmigen Elements in Anlage an der Schrägfläche der Dichtung bringbare Schrägfläche aufweist (20)β3« Slektroysezelle nach Punkt 1 oder 2, gekannzeichnet dadurch, daß zwischen dem beuteiförmigen Element (11) und der Kathode (5) ein Abstandhalter angeordnet ist, welcher das beuteiförmige Element in einem Abstand zur Kathode und in engem Kontakt zur Anode halteElektrolysezelle nach wenigstens einem der Punkte 1 bis3, gekennzeichnet dadurch, daß die Dichtung (17) aus einem schmiegsamen und der Dichtungseinsatz (19) aus einem steifen Werkstoff ist,5» Elektrolysezelle nach wenigstens einem der Punkte 1 bis4, gekennzeichnet dadurch^ daß oberhalb der Unterteilungsplatte (15) ein Soleauslaß (23) angeordnet ist und daß das Ende einer Solezuleitung (22) in einer Höhe zwischen der Unterteilungsplatte und dem Soleauslaß angeordnet ist«,*2- 19.2.1982AP G 22 B/232 721/6 59 703/126β Elektrolysezelle nach wenigstens einem der Punkte 1 bis 5j gekennzeichnet dadurch, daß die Solezuleitung (21, 22) an einem Verteiler angeschlossen ist, von welchem aus sich dünne Rohre in jede Anodenkammer hinein erstrecken«Elektrolysezelle nach wenigstens einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Anode (10) zylindrisch ist und gegebenenfalls eine zur Kathode (5) hin erweiterte Wirkfläche aufweist0Hierzu -ST Blatt Zeichnungen
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