NO763305L - - Google Patents

Description

Elektrolysecelle.

Oppfinnelsen vedrører en elektrolysecelle for prosesser som forløper under gassdannelse.

Det er kjent at ved klorkali-elektrolysen er elektrolysespenningen høyere ved de gassfrembringende elektroder enn det som tilsvarer de termodynamiske likevektsbeting-elser. Denne foreteelse som utgjør en del av overspenningen forklares ved at de ved elektrolysen dannende gassbobler dekker en del av elektrodeoverflaten og sperrer for strømgjennomgang. Derved strømmer ved på forhånd gitt strøm gjennom naboplasserte elektrodeavsnitt en tilsvarende høyere strøm. Denne partielle strømtetthetsøkelse fører tvangsmessig til,en spenningsøkning i dette området, som omsettes praktisk talt kvantitativt i varme og bevirker en oppvarmning av elektrodeoverflaten. Da gass-polsteret på elektrodeoverflaten står imot en hurtig varmeut-veksling med elektrolytten bortføres denne varme igjen relativt dårlig. Det danner seg endelig på elektrodeoverflaten i det infinitesimale området temperaturer, som ved den tekniske elektrolyse kan gå langt over 100°C og blant annet er ansvarlig for korrosjonsforeteelser på elektrodene.

Det er gjort tallrike forslag med det mål å ned-bygge denne økonomisk uønskede overspenning og å begrense an-grepet på elektrodeoverflaten. Eksempelvis utstyres anodene med et flertall sylindriske hull eller også slisser som tjener til mest mulig hurtig å bortføre den utviklede klorgass (DOS 1.667.812, 1.792.183, britisk patent nr. 1.229.402). Derved er det vanlig med gassgjennomgangstverrsnitt i størrelsesorden mellom 15 til 35%- Større gassgjennomgangstverrsnitt unngår man, da derved den effektive strømtetthet ville bli for stor og som følge herav gjennomtredelsesoverspenningen. Den samme hensikt har det flertall av foreslåtte metallanodekonstruk-sjoner, f.eks. av strekkmetall, slissblikk eller vevnadslig-

nende anordnede konstruksjoner. s

Ved de nevnte forslag stiger gassen på den kortest mulige vei til elektrolytoverflaten. Herved utryddes på til-feldig måte den til gassen av det.rhydrostatiske trykk av elektrolytten iboende potensielle energi eller riktigere elektro-lyten gjennomvirvles turbulent på urettet måte. Endelig lar det seg ikke unngå at det med de i elektroderommet innstrøm-mende saltoppløsninger tilbakeføres dispergerte gassbobler.

En videreutvikling med hensyn til utformning av gjennomtredelseskanalene for den ved elektrolysen utviklede gass er omtalt i tysk Gebrauchsmuster 7.207.89^. Her skal gjennomtredelseskanalene være utvidet minst nær og til en overflate av elektrodene. Spesielt er det foreskrevet venturi-lignende formede kanaler. Enskjønt dette forslag allerede medførte betraktelige fremskritt kan det heller ikke derved helt hindres at fra en gjennomtredelseskanal uttredende gass kommer inn i trekkområdet av den i elektroderommeti innstrøm-mende væske og medrives.

Endelig er det kjent en driftsmåte av kvikksølv-elektrolyseceller hvor det anvendes anoder med på den til kvikk-sølvet vendte side utstyrte kanal- eller rillelignende fordypninger og anordningen av anodene og/eller forløpet av de kanal-eller rillelignende fordypninger velges således at mellom anodene tilveiebringes rommelig adskilte områder for klorbort-strømmen fra elektroderommet og for saltoppløsningstilstrøm-ningen til elektroderommet (DOS 2.327.303). Ved anoder med liktblivende kanal- eller rillelignende fordypninger kan det mellom naboplasserte anoder være anordnet skillevegger. Det kan blant annet imidlertid også anvendes anoder hvor bunnene av de kanal- eller rillelignende fordypninger hver gang av naboplasserte anoder i forhold til horisontalen får en motgående stigning.

Enskjønt den sist omtalte arbeidsmåte har vist

seg best egnet og de ventede lave cellespenninger bibeholdes over måneder er det en ulempe at den praktisk talt bare er anvendbar bare i nyanlegg eller i bestående anlegg som av hvilken som helst grunn utrystes med nye anoder. Tilpasning og omutrustning av anlegg, som i og for seg ikke behøver å stoppes, foregår vanligvis ikke. En - enskjønt også sammen-ligningsmessig liten - ulempe ved den overnevnte arbeidsmåte i

utførelses formen med stigende kanal- og rillelignende fordyp-ning er den noe omstendelige fremstillingsmåte av anoden.

Oppfinnelsens oppgave er å fjerne de kjente ulemper, spesielt også de overnevnte og å tilveiebringe en elektrolysecelle, som ikke bare kan oppstilles ved nyanlegg eller i elektrolyseceller utrustet med nye anoder, men hvis utformning også i og for seg funksjonsdyktige anlegg kan anta ved et bare kort driftsavbrudd og vanligvis uten dyptgripende endring.

Oppgaven løses idet elektrolysecellen av det innledningsvis nevnte type ifølge oppfinnelsen er utformet ved minst en over en eller flere elektroder anordnet hettelignende avdekning med under elektrolyttsperreliggende ut-tredelsesåpninger for gasselektrolytt-suspensjon, samt et for gassproduserende elektroder fritt utenfor projeksjonen av avdekning plassert tilbakestrømsrom for elektrolytt, som har en avstand fra uttredelsesåpningen som utelukker en til-bakestrøm av gassen.

Ved den hettelignende avdekning, som må være helt inndyppet i elektrolytten oppnås en rettet strømning av gass-elektrolytt-suspensjonen. Ved det eller de fra uttredelsesåpningen tilstrekkelige fjerne tilbakestrømningsrom foregår da en intensielektrolytt-tilbakestrømning i elektroderommet. Tilbakeføringen av eventuelle gassblærer er praktisk talt ute-lukket .

Cellene ifølge oppfinnelsen kan være utrustet

med vertikale eller horisontale elektroder. Den kan anvendes for kloralkali-elektrolyse etter diafragma- eller kvikksølv-fremgangsmåten eller tjene den elektrolytiske spaltning av vann, den elektrolyttiske utvinning av klorat eller peroksy-disvovelsyre samt den eléktrolyttiske metallutvinning. Som elektrodematerialer kommer det i betraktning de hertil kjente materialer som jern/nikkel ved spaltning av vann, jern/akti-vert titan ved fremstilling av klorat, bly/platina ved fremstilling av peroksydåsvovelsyre og grafitt eller aktiverte metaller, f.eks. titan, ved kloralkali-elektrolysen.

Den hettelignende avdekning kan fremstilles av

et hvilket som helst ønske under elektrolysebetingelsene be-standige material. Spesielt egnede materialer for kloralkali-elektrolysen er f.eks. titan, hård-PVC, glass eller glassfiber-

armert polyester. Por vannspaltningen er det eksempelvis også egnet nikkel.

I foretrukket utførelse ifølge oppfinnelsen

stiger lokket av den hettelignende avdekning i retning til gass-elektrolytt-suspensjonens uttredelsesåpning. Alt etter stillingen av uttredelsesåpningen kan den hettelignende avdekning få form av en puit eller to mot hverandre stilte pulter med stigning til midten. Uttredelsesåpningen kan i første tilfellet dannes ved den manglende frontside, i annet-tilfelle ved mellom de mot hverandre stigende pultlokk fri-gjort spalte. Lokkets stigning bør utgjøre ca. 1 - 20°.

Elektrolysecellene ifølge oppfinnelsen kan oppstå, idet den hettelignende avdekning innbygges i tilstedeværende elektrolyseceller. Ved elektrolyseceller med vertikale elektroder fastgjøres den på egnet måte ved de ytre gassfremkal-lende elektroder ved sammenskruing eller sammensveising.

En hensiktsmessig utførelse ifølge oppfinnelsen består i en elektrolysecelle med praktisk talt horisontale,

med gjennomtredelsesåpninger utstyrte anoder, som har en hettelignende avdekning, som minst avslutter i en overkant, fortrinnsvis minst tre overkanter av anoden. Den sikre an-bringelse av avdekningen er herved mulig, f. eks. ved hjelp av i nærheten av underkanten anbragte profiler-, inntrukkede eller inntrykkede fordypninger som sikrer en god pålegning. Ved tilsvarende utsparinger i lokket av avdekningen er det tatt hensyn til'elektrodens holdere eller stempler.

En ytterligere fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen, spesielt ved anvendelse av aktiverte metallanoder, består i en elektrolysecelle, hvor anoden med det. hettelignende dekke danner en bygningsmessig enhet. Elementene sammenskrues eller sammensveises f.eks. med hverandre. I tilfellet anvendelse av strekkmetall som metaliihanode som vanligvis er fastgj>ort på et stativ, kan den hettelignende avdekning anvendes som bære-konstruksjon for støttelister.

Hvis elektrolysecellen drives med horisontale grafittanoder er det fordelaktig å utstyre undersiden ved kloralkali-elektrolysen med kvikksølv-flytekatode, altså den til kvikksølvkatoden motvendte anodeside med not- eller rillelignende fordypninger. Por å bortføre den dannede klorgass hur-tigst mulig gjennom de gassuttredelsesåpninger som befinner seg i

anodene og å la saltoppløsningen tre 'inn i elektrodespalten,

er det ved hettelignende avdekninger med stigende lokk spesielt hensiktsmessig, når de rille- eller notlignende fordypninger, forløper omtrent rettvinklet til lokkets stigning.

Ved elektrolyseceller som har et flertall horisontale anoder, kan ved bestemt anordning av den hettelignende avdekning tilveiebringes forskjellige strømningsretninger og dermed strømningsforhold. Eksempelvis i cellens lengderetning sett-naboplasserte anoder kan det oppnås en strømning av gass-elektrolytt-suspensjonen under den hettelignende avdekning i samme eller også i motsatt retning. Ved strømning av gass-elektrolytt-suspensjonen. i samme retning er det hensiktsmessig mellom anodene å anordne anodeskillevegger. Herved sikres at oppstigende gassbobler ikke grippes av trekket av den i den naboplasserte elektroderom innstrømmende elektrolytt. Foregår strømningen av gass-elektrolytt-suspensjonen i motsatt retning er skillevegger overflødig. To naboplasserte anoder har da et felles gass-elektrolytt-uttredelsesområde og elektrolytt-tilstrømninger er for begge anoder forskjøvet om hver ca. en anodelengde.

Porat ved elektrolyseceller med horisontale anoder er sikret en tilstrekkelig gjennomstrømningsflate for elektrolytten i elektroderommet eller rommene bør avstanden av to naboplasserte anoder sett i cellens lengderetning utgjøre omtrent 5 - 15% av anodelengden.

De vesentlige fortrinn ved oppfinnelsen er - uavhengig av elektrodenes beskaffenhet og stilling - en god elektrolyttomvalsing, en god elektrodeavkjøling, et høyt elektrolytt-tilbud, en liten cellespenning og en meget god gass-bortføring. Ytterligere anodespesifikke'fordeler består ved grafittanoder deri at avbrannen og parallelt hertil karbon-dioksydinnholdet i den utviklede gass, spesielt i klorgassen, reduseres betraktelig og at ved aktiverte metallanoder kan det oppnås en betraktelig lengere levetid av edelmetalloksydsjiktet og dermed lengere tidsmessige avstander mellom reaktiverings-behandlingen. . Oppfinnelsen skal forklares eksempelvis nærmere ved hjelp av utførelseseksemplet og tegningsfigurene.

Tegningen viser i form av detaljoppriss elektrolysecellen ifølge oppfinnelsen.

0

Figurene 1 og 2 viser perspektiviske oppriss av horisontale anoder med hettelignende avdekning,

figurene 3 og 4 viser anordningen av de hettelignende avdekninger av sett i elektrolysecellens lengderetning naboplasserte anoder i perspektivoppriss. Figur 5 viser en elektrolysecelle med vertikale elektroder i lengdesnitt.

Figurene 6 og 7 viser mulighehten til styring

av strømretningen skjematisk.

På figurene 1 og 2 er det eksempel fra kloralkali-elektrolyse med kvikksølv-strømningskatode horisontale grafittanoder 1 med gjennomtredelsesåpninger 2 og anodestempler 3-Med 4 er det hver gang antydet kvikksølvkatoden.

På oversiden av anoden 1 befinner det seg hettelignende avdekninger 5 i pultform, idet på figur 1 stiger lokket av dekket i en retning, på figur 2 i motgående retning mot midten. På grunn av de forskjellige stigninger trer gjennom åpningen 6 salt-klor-suspensjonen ved figur 1 ut til høyre, på figur 2 i midten. Tilgangen av saltoppløsning i elektroderommet mellom anode 1 og katode 4 forggår på den til uttredelsesåpningene 6 overfor liggende tilbakestrømsrom 7-Likeledes ved eksempel fra kloralkali-elektrolysen med kvikksølv-strømningskatoden er det på figur 3 vist hettelignende dekk 5 - igjen av pultform - med overensstemmende stigning i en retning. Anodene 1 består her av med edelmetall-oksyd aktivertetitanmetall; de er bare vist i et utsnitt. På grunn av den overensstemmende stigning av lokket av de hettelignende avdekninger 5 er uttredelsesåpningene 6 for klor-salt-suspensjonen og tilstrømningsrommet 7 for salt fjernet fra hverandreimed hver gang ca. en anodelengde. En skillevegg 8 sørger for at det hindres en tilbakeføring av klorgassbobler i tilbakestrømningsrommet 7 for den naboplasserte anode.

Ved anordningen ifølge figur 4, som igjen anskue-liggjør oppfinnelsen ved hjelp av grafittanoder, har de etter-lignende avdekninger 5 av hver gang naboplasserte anoder 1 motgående stigning. Herved munner de under begge avdekninger 5 fremadtredende klor-salt-suspensjoner i et felles utstrømnings-område. I dette tilfellet alternerende utstrømning av klor-salt-suspens jonen og tilstrømning av saltoppløsning i avstand fra hver gang ca. to anodelengder. En skillevegg er her over-flødig.

På.figur 5 er det vist en elektrolysecelle med vertikalt anordnede anoder 9 resp. katoder 10. De gassproduserende elektroder er utstyrt med en hettelignende avdekning 5-Den ved elektrolysen dannede gass-elektrolytt-suspensjon trer

ut gjennom de under elektrolyttoverflaten 11 liggende uttredelsesåpning 6. Det utenfor projeksjonen av avdekningen 5 plasserte tilbakestrømsrom er betegnet med J.

På figurene 6 og 7 er det anskueliggjort de teknisk viktigste muligheter til anordning av de hettelignende avdekninger ved eksempel fra av seks anoder dannede anodegrupper a,

b og c. Derved forløper ved figur 6 de korte sider og ved figur 7 de lange sider av de hver gang rettvinklede anoder i elektrolysecellens lengderetning. Pilene viser gass-elektrolytt-suspens j onens strømningsretning.

Eksempel.

En elektrolysecelle med kvikksølv-strømningskatode av 12 m p flate var utrustet med 84 grafittanoder av. 20 cm tykkelse. På den til kvikksølvet overfor liggende anodeside var det innfreset sporlignende fordypninger av 5 mm bredde og 16 cm dybde, ribbene som fremkom hadde en bredde på likeledes 5 mm. Gjennom i bunnene av de sporlignende fordypninger borede gjennomtredelsesåpninger av 5 mm innvendig vidde kunne klor-sol-suspensjonen unnvike.

Som elektrolytt -jente en koksaltoppløsning med

300 g/liter NaCl, en pH-verdi på 7 og en inntredelsestemperatur på 60°C.

I første rekke ble elektrolysecellen drevet i

den ovenfor omtalte form, altså uten en hettelignende avdekning med 8,5 kA/m anodeflate og midlere spenning, elektrolyttegen-skap og temperatur fastslått over en lengere driftskampanje.

Deretter ble elektrolysecellen omutrustet ved innbygning av hettelignende avdekninger. Avdekningene besto av hård-PVC og hadde pultlignende form. Pultlokkets stigning utgjorde 10°. Avdekningen av hver gang naboplasserte anoder hadde motgående stigning (tilsvarende figur 4).

De over en likeledes lengere driftskampanje fastslåtte måleverdier er de fra første forsøksrekke oppstillet i tabellform.

Oppstillingen av de fastslåtte måleverdier viser at ved anvendelse av elektrolyttcellen ifølge oppfinnelsen 1, cellespenningen ved 0,32 volt betraktelig lavere enn for de kjente celler. En sammenligning av C02~innholdet i gassen viser spesielt at grafittavbrannen var redusert betraktelig på grunn av forbedret elektrolytt-sirkulasjon. I^-innholdet i gassen og solens pH-verdi ved celleuttreden er belærende med hensyn til de ålelektrolysecellen opptredende, i og for seg uønskede bireaksjoner. Amalgamspaltningen som fører til dannelse av hydrogen og natronlut (pH-verdi) var sterkt tilbake-trengt. Den svakt sure pH-verdien forklartes fra dannelse av underklorsyrling.

Claims (6)

1. Elektrolysecelle for prosesser som forløper under gassdannelse, karakterisert ved minst en over en eller flere elektroder (1, 9, 10) anordnet hettelignende avdekning (5) med under elektrolysespeilet liggende uttredelsesåpning (6) for gass/elektrolytt-suspensjonen samt et for gass produserende elektroder fritt, utenfor projeksjonen av avdekningen (5) plassert tilbakestrømsrom (7) for elektrolytt, som har en avstand fra uttredelsesåpningen (6) som utelukker en til-bakestrømning av gassen.

2. Elektrolysecelle ifølge krav 1, karakterisert ved en hettelignende avdekning (5)» hvis lokk stiger i retning til uttredelsesåpningen (6).

3. Elektrolysecelle ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved praktisk talt horisontale, med gjennom-tradelsesåpninger (2) utstyrte anoder (1), som har en hettelignende avdekning (5)» som minst omslutter en overkant, fortrinnsvis tre overkanter av anoden (1).

4. -El ektrolysecelle ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved anoder (1), som med den hettelignende avdekning (5) danner en bygningsmessig enhet.

5. Elektrolysecelle ifølge krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved anoder (1), utstyrt på undersiden med riller- eller sporlignende fordypninger med til-nærmet jevntblivende dybde.

6. Elektrolysecelle ifølge krav 2, 3, 4 eller 5, karakterisert ved en omtrent rettvinklet til rillene- eller sporlignende fordypninger forløpende stigning av lokket av den hettelignende avdekning (5)«