DE1671430B2 - Vorrichtung zur elektrolyse waessriger alkalihalogenidloesungen - Google Patents
Vorrichtung zur elektrolyse waessriger alkalihalogenidloesungenInfo
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Description
Es ist eine Elektrolysezelle zur Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser bekanntgeworden,
die in bipolarer Ausführung gebaut ist, so daß die Elektrode auf der einen Seite als Kathode, auf der
anderen als Anode wirkt. Diese Elektrolysezelle ist aus Stahl gebaut. Da die Elektrolyse normalerweise in
alkalischer oder in schwach saurer Lösung durchgeführt wird, ist dieses Material für die elektrolytische
Zersetzung des Wassers geeignet. Für die elektrolytische Zersetzung von Kochsalzlösung ist diese Zelle
jedoch allein schon aus Malerialgründen nicht brauchbar, da das entstehende Chlor die Metallanode sofort
zerstören würde. Eine derartige Elektrolysezelle zur Zersetzung von Wasser ist beispielsweise in der
deutschen Auslegeschrift 10 52 370 beschrieben. Die bekannte Elektrolysezelle besitzt eine kathodisch
aktivierte Schicht sowie eine Vorkathode.
Es ist ferner bekannt. Salzsäure in Elektrolysezellen
430 2
bipolarer Bauweise zu zerlegen. Bei diesen Zellen liegt
euVnichtleitender Rahmen aus Keramatenal oder aus
PVC vor der eine Elektrode aus Graphit enthält, die sowohl auf der einen Seite als Anode wie auch auf der
s anderen Seite als Kathode wirkt Anoden- und
Kathodenrahmen sind voneinander durch ein Diaphragma
getrennt Derartige Zellen sind für die Zersetzung von Kochsalzlösungen ebenfalls nicht brauchbar da der
Graphit bei der Entwicklung von Chlor angegriffen und mit der Zeit abgetragen wird. Es würde sich m diesem
Fall die Entfernung von Anode und Kathode langsam verringern und es würde zu unzulässigen Verunreini-
«ineen durch den abgetragenen Graphit kommen.
Außerdem würde sich bei dieser Zellenform Chlor mit κ der gebildeten Natronlauge vermischen können und
Hypochlorit bilden. Derartige Zelltypen sind beispielsweise
beschrieben in Gallone und Meßmer Electrochem
Technol, Band 3,1965, Seite 321.
Ms dir deutschen Auslegeschrift 10 54430 ist eine
Zelle zur elektrolytischen Zerlegung wäßriger Salzsäure bekannt wobei jedoch auf die raumsparende Anordnung
mit bipolaren Elektroden verzichtet wird. Schließlich
sind bipolare Zelleinheiten für die Zerlegung von Kochsablösung zur Bildung von Chloral bekannt
κ (Chemical Week, 100, Seite 132, 1967). Dabe. wird aber
durch einen besonderen Mechanismus defar gesorgt,
daß die Hypochloritkonzentration in der Lösung möglichst klein bleibt, so daß ein Überschuß an Alkali
immer dafür gewährleistet, daß der pH-Wert oberhalb ίο des Neutralpunktes bleibt, wodurch in diesem Fall ohne
ein trennendes Diaphragma gefahren werden kann. Eine Anwendung dieser Elektrolysezelle zur Zerlegung
von Kochsalzlösung zur Bildung von Chlor- und Natronlauge ist ebenfalls nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. eine Elektrolysezelle zur Zersetzung wäßriger Alkalihalogenidlösungen
bereitzustellen, die bei raumsparender Bauweise hohe Produktionsleistungen ermöglicht. Ferner
sollen die einzelnen Zellen sehr leicht herstellbar sein, wobei es möglich sein soll, beim Zellenbau auf
kleine in Serien zu errichtende Teile zurückzugreifen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Elektrolyse wäßriger Alkalihalogenidlösungen
in einer filterpressenartigen Anordnung, wobei in einem Rahmen aus elektrisch nichtleitenden
Materialien ein plattenförmiger Hohlkörper als bipolare Elektrode eingeführt wird, dessen eine Stirnfläche die
Anode und dessen andere Stirnfläche die Kathode bildet, und dessen Inneres zugleich den Kathodenraum
enthält, wobei das Einfügen so geschieht, daß die Kathodenfläche gegenüber der Fläche des Rahmens
zurückspringt, so daß sich bei filterpressenartiger Aneinanderreihung dieser Anordnung die Anodenräurne
ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper durch einen Profilrahmen aus gegen den
Katholyten widerstandsfähigem Metall gebildet wird, der auf der einen Seite die Kathode, die als Drahtnetz
oder auf andere Weise durchbrochen ausgebildet ist, und auf der Gegenseite ein in seiner Gesamtheit ebenes
und unverformtes Blech aus mit Edelmetall beschichtetem Titan als Anode trägt
Die neue Zelle sei anhand der Figuren beschrieben (F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch den oberen Teil der
Zelle, Fig.2 die Ansicht von der Kathodenseite auf
einem Rahmen). Die Zelle in bipolarer Anordnung besteht aus einem Rahmen aus nichtleitenden Materialien,
z. B. aus Kunststoff oder Kunstharz 1, in den ein plattenförmiger Hohlkörper 2 aus gegen den Katholy-
ten widerstandsfähigem Material ein|efügt und befestigt
ist Für die Fertigung des Kunststoffrahmens eignen sich z, B. alle elektrisch nichtleitenden Kunststoffe
oder Kunstharze, die ausreichend widerstandsfähig sind gegen den chemischen Angriff des Elektrolyten und
eine ausreichende mechanische Festigkeit gegen Deformierung durch die auftretenden ßreödrucke aufweisen.
Die Kunststoffe bzw. Kunstharze können ungefüllt oder verstärkt verwendet werden. Als Kunststoffe eignen
sich vornehmlich Polyolefine, wie Polyäthylen, Polypropylen,
Polybutylen, als Kunstharze vornehmlich Phenol/ Formaldehyd-Harze, insbesondere verstärkt mit Silikatfasern,
z.B. Fasern aus weißem oder vorteilhafter, blauem Asbest Es ist zweckmäßig, wenn die Zeitstandfestigkeit
bei 500C und 20kp/cm2 mindestens 10« h
beträgt Der plattenförmige Hohlkörper besteht aus einem Metallrahmen als Tragkörper für die Anode und
Kathode. Als Metall für den Rahmen eignen sich beispielsweise Stähle und legierte Stähle.
Das Profil des Rahmens ist so gestaltet daß es für eine
großtechnische Fertigung im Walzverfahren hergestellt werden kann. Der Rahmen trägt auf der einen Seite die
Kathode 3, die als Drahtnetz oder auf andere Weise durchbrochen ausgebildet ist, während auf der Gegenseite
ein glattes unverformtes Blech aus mit Edelmetall beschichtetem Titan die Anode 4 bildet. Die Kathode
kann aus Eisen oder legiertem Stahl hergestellt werden. Ein zwischen den Rahmen eingebrachtes dünnes Blech
5, das vorteilhafterweise aus dem gleichen Material hergestellt wird wie die Kathode, trennt den Kathodenraum
zur Anodenseite hin ab und bildet mit dem Rahmen eine Hohlkathode, deren Inneres durch
Öffnungen im Rahmen mit Zu- und Abführungen 6 für Gase und Flüssigkeiten versehen ist. Während so der
Kathodenraum durch den Metallrahmen selbst gebildet wird, entsteht der Anodenraum durch das Aneinanderfügen
der einzelnen Kunststoffrahmen. Das beide Räume trennende Diaphragma 7 wird in Nuten 13 des
Kunststoffrahmens eingespannt und liegt der Kathode direkt an. Für die Zu- und Abführung von Elektrolyt
bzw. Gasen zu den Anoden- und Kathodenräumen sind im Kunststoffrahmen Sammelkanäle 8 untergebracht,
die durch Bohrungen 9 mit den einzelnen Räumen verbunden sind. Die Abdichtung der Räume und
Sammelkanäle untereinander und nach außen erfolgt durch geeignet angeordnete Dichtungen 14. Durch
Aneinanderfügen einer variablen Anzahl Einzelzellen — mindestens jedoch zwei — läßt sich ein Elektrolyseur
zusammenstellen. Da auch die Größe der Einzelzelle noch variabel ist, kann man so die wirksame
Anodenfläche eines Elektrolyseurs auf einfache Weise in weiten Grenzen verändern, um ein wirtschaftliches
und technisches Optimum zu erreichen. Zusammengehalten werden die Einzelzellen durch stirnseitige
Druckplatten 10, die außerdem die Anschlüsse für die Stromzuführungen 11 sowie die Rohrleitungsanschlüsse
12 für die in den Kunststoffrahmen angeordneten Sammelkanäle tragen. Diese Anordnung bedeutet eine
wesentliche Vereinfachung im technischen Zubehör zum Elektrolyseur, da räumliche Anordnung und Anzahl
der Anschlüsse unabhängig sind von der Anzahl der Einzelzellen.
Der elektrische Strom fließt von den Anschlüssen in der Stirnplatte 11 über den Metallrahmen 2 vom
äußeren Umfang her in die Anode. Dies erscheint für eine gleichmäßige Verteilung des Stromes über die
Fläche der Anode und damit für einen gleichmäßigen Obergang des Stroms in den Elektrolyten zunächst
ungünstig, ist aber konstruktiv durchaus beabsichtigt Denn einmal wird dadurch eine ganz einfache
Anodenform erreicht, die nur aus einem glatten unverformten Blech besteht, zum anderen liegt der
Anschluß der Anode an den Metallrahmen außerhalb des Elektrolyten. Man kann jetzt zur Erhöhung der
leitfähigkeit des Anodenblechs auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite (Rückseite) die Anode mit einem
elektrisch gut leitfähigen Metall, z.B. Kupfer, Silber, überziehen und den Anschluß an den Metallrahmen ζ. Β.
durch eine Lötverbindung 15 herstellen, womit ein einwandfreier Stromübergang Rahmen — Anode gewährleistet
ist und die Verbindung trotzdem leicht lösbar bleibt. Es ergibt sich also eine Mehrschichtenanode,
bei der die Edelmetallbeschichtung die elektrolytisch aktive Oberfläche bildet, das Titanblech gegen den
Elektrolyten (Anolyten) korrosionsbeständig ist, während der Überzug auf der Rückseite für eine gute
elektrische Stromleitung sorgt Hierdurch kann die Stärke des verhältnismäßig teuren Titanblechs auf ein
Minimum reduziert werden.
In einer bipolaren Zelle, wie sie in der Abbildung beschrieben wird, wurde eine Natriumchlorid-Elektrolyse
zur Erzeugung von Chlor, Wasserstoff und Natronlauge durchgeführt. Dabei wurde sowohl der
Inhalt des Anoden- als auch Kathodenraums in raschem Tempo umgepumpt. Als Elektrolyt diente auf beiden
Seiten konzentrierte Kochsalzlösung mit 310 g/Liter NaCl. Als Diaphragma wurde einfaches PVC-Filtertuch
eingesetzt. Über die Druckdifferenz der während der Elektrolyse abgegebenen Gase, Chlor und Wasserstoff
war es möglich, den Durchfluß durch das Diaphragma genau zu regeln, sie betrug bei einer Belastung der Zelle
mit 60 Ampere, entsprechend einer spezifischen Belastung von 3000 Amp/m2, etwa 50 mm H2O. Nach
6 Stunden Elektrolysedauer hatte sich auf der Kathodenseite eine kochsalzhaltige Lauge mit 41,2 g/Liter
NaOH gebildet. Unter Berücksichtigung der Vorbelastung an Kochsalz durch die Füllung des Anodenraumes
mit Salzlösung vor Beginn des Versuches errechnet sich ein Salz-Laugen-Verhältnis von
MoINaCl
Ä ~ Mol NaOH ~ '
Ä ~ Mol NaOH ~ '
bei einer Stromausbeute von mehr als 90%, berechnet auf NaOH.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
- rf 167Patentansprüche:; 1. Vorrichtung zur Elektrolyse wäßriger Alkaliha- '' logenidlösungen in einer filterpressenartigen Anordnung, wobei in einem Rahmen aus elektrisch nichtleitenden Materialien ein plattenförmiger {Hohlkörper als bipolare Elektrode eingeführt wird, dessen eine Stirnfläche die Anode und dessen andere Stirnfläche die Kathode bildet und dessen Inneres zugleich den Kathodenraum enthält, wobei das Einfügen so geschieht, daß die Kathodonfläche gegenüber der Fläche des Rahmens zurückspringt, so daß sich bei filterpressenartiger Aneinanderreihung dieser Anordnung die Anodenräume ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper durch einen Profilrahmen aus gegen den Katholyten widerstandsfähigem Metall gebildet wird, der auf der einen Seite die Kathode, die als Drahtnetz oder auf andere Weise durchbrochen ausgebildet ist, und auf der Gegenseite ein in seiner Gesamtheit ebenes und unverformtes Blech aus mit Edelmetall beschichtetem Titan als Anode trägt
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünnes Blech den Kathodenraum zur Anodenseite abtrennt.
- 3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kunststoffrahmen Sammelkanäle angeordnet sind, die über Bohrungen mit den einzelnen Anodenräumen und Kathodenräumen verbunden sind und so innerhalb des gesamten Zellenpaketes die gemeinsame Zu- und Abführung von Gasen und Flüssigkeiten zu und von den Einzelzellen gestatten.
- 4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode auf der Rückseite zur Erhöhung der Leitfähigkeit mit einem elektrisch gut leitfähigen Metall überzogen wird.
- 5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus Eisen oder legiertem Stahl besteht.
- 6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, daß der stromführende Anschluß an den Kathodenrahmen durch eine elektrisch gut leitende Verbindung, vorzugsweise eine Lötverbindung, hergestellt wird.
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| BHN | Withdrawal |