DE2037304C3 - - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Diaphragma-Elektrolysezelle für wäßrige Lösungen.

Bei vielen Verfahren, bei denen chemische Produkte durch Elektrolyse wäßriger Lösungen hergestellt werden, ist es notwendig, innerhalb der Elektrolysezelle Katholytraum und Anolytraum durch eine poröse Wand, das sogenannte Diaphragma, voneinander zu trennen. Das Diaphragma hat dabei die Aufgabe, die Strömungen des Elektrolyten so zu führen, daß eine Vermischung der an der Anode und an der Kathode gebildeten flüssigen und gasförmigen Stoffe verhindert wird. Andererseits muß es aber den für den Elektrolyseprozeß notwendigen Ionentransport zwischen den Elektroden ermöglichen. Es ist deshalb notwendig, Diaphragmen mit so feinen Poren zu verwenden, daß die im Katholyt- und Anolytraum sich bildenden Gasbläschen diese Poren nicht passieren können, wobei gleichzeitig der Gesamtquerschnitt der Poren je Flächeneinheit des Diaphragmas — im folgenden »freie Porenfläche« genannt — so groß sein muß, daß ein ausreichender Ionentransport durch das Diaphragma möglich ist

Bei verschiedenen Elektrolyseverfahren hat das Diaphragma außerdem die Aufgabe, als »Gleichrichter« zu wirken, das heißt, mit der Elektrolytflüssigkeit nur Kationen oder nur Anionen passieren zu lassen. Hierzu ist es erforderlich, daß der Elektrolyt nur einseitig — entgegen der Richtung der zurückzuhaltenden Ionen — durch das Diaphragma strömt.

In diesen Fällen muß die freie Porenfläche so klein sein, daß dip Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten in den iOren größer ist als die Diffusionsgeschwindigkeit der zurückzuhaltenden Ionen. Da die Diffusionsgeschwindigkeit mit der Ionenkonzentration zunimmt und diese Konzentration sich infolge der Ionenwanderung in Flußrichtung des Elektrolyten ändert, ist die Gleichrichterwirkung des Diaphragmas um so besser, je genauer die örtliche freie Porenfiäche des Diaphragmas eo der dort vorhandenen Elektrolytkonzentration angepaßt werden kann.

Elektrolytflüssigkeit und die bei der Elektrolyse entstehenden Produkte sind im allgemeinen chemisch aggressiv. Für die Diaphragmen können infolgedessen nur solche Werkstoffe verwendet werden, die gegen die im Katholyt- und Anolytraum vorhandenen Stoffe chemisch beständig sind.

Zur Verminderung der Ohmschen Verluste im Elektrolyten werden viele Elektrolysen bei Temperaturen von etwa 80" bis 100° C betrieben. In diesen Fällen muß das Diaphragma auch entsprechend temperaturbeständig sein.

Bisher ist es üblich, für die Herstellung der Diaphragmen poröse Stoffe, wie z. B. Asbest, gebrannten Ton oder Zement, zu verwenden. Neuerdings stellt man Diaphragmen auch aus Kunststoffgeweben her, wobei die Mikroporosität durch spezielle Behandlung der Gewebe, z. B. Walzen, Verpressen in mehreren Lagen, Schrumpfen oder Beschichten mit porösen Suspensionen, erreicht wird Die nach den bekannten Methoden hergestellten Diaphragmen haben jedoch verschiedene Eigenschaften, die den Elektrolyseprozeß nachteilig beeinflussen. So ist es nicht möglich, derartige Diaphragmen mit gleichmäßiger und genau definierter Porenform, Porengröße und freier Porenfläche herzustellen. Die ungünstige Porenausbildung der gebräuchlichen Diaphragmen hat zur Folge, daß in Poren, die eine große öffnung haben und sich im Innern des Diaphragmas verengen, Gasblasen eindringen können und diese verstopfen. Zu kleine Poren können dagegen durch Feststoffteilchen, die als Verunreinigungen im Elektrolyten vorhanden sind, verstopft werden. Dadurch wird die Durchlässigkeit des Diaphragmas während des Betriebes immer ungleichmäßiger und kleiner, und es muß unter Umständen schon nach wenigen Wochen oder Monaten durch ein neues ersetzt werden.

Weiterhin sind die Poren der bekannten Diaphragmen nicht gerade und nicht senkrecht zur Diaphragmaoberfläche ausgerichtet, wodurch ein langer Flüssigkeitsweg und damit beträchtlicher Spannungsabfall im Elektrolyten entsteht Schließlich können derartige Diaphragmen nur in verhältnismäßig dicken Schichtstärken verwendet werden, da sie nur geringe mechanische Festigkeit besitzen oder sich aus fertigungstechnischen Gründen nicht zu dünnen Platten oder Folien verarbeiten lassen. Auch dies wirkt sich nachteilig auf den Spannungsbedarf des Elektrolysevorgangs und damit auf den Stromverbrauch aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elektrolyse von wäßrigen Lösungen mittels Diaphragmen auszuführen, die sich durch einen hohen Trennungsgrad für die Elektrolyseprodukte, lange Lebensdauer und geringen Spannungsverbrauch auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein nach dem Elektronenstrahl-Perforatvonsverfahren hergestelltes Diaphragma in der Elektrolysezelle. Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung entspricht die freie "orenfläche des Diaphragmas der örtlichen Konzentration des Elektrolyten. Dies bedeutet, daß die freie Porenfläche in Abhängigkeit steht zu der örtlichen Konzentration des Elektrolyten, wobei die örtliche Konzentration des Elektrolyten in seiner Flußrichtung unterschiedlich ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die freie Porenfläche des Diaphragmas mit über die Fläche des Diaphragmas abnehmender Konzentration des Elektrolyten größer.

Nach einer weiteren zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung besteht das nach dem Elektronenstrahl-Perforationsverfahren hergestellte Diaphragma in doppel- oder mehrschichtigem Aufbau aus verschiedenen Werkstoffen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile haben ihre Ursache insbesondere darin, daß elektronenstrahl-per-

forierte Diaphragmen Poren besitzen, die das Diaphragma gerade, parallel zueinander und vorzugsweise senkrecht zur Diaphragmaebene durchdringen. Neben der geringen Porenlänge hat das erfindungsgemäße Diaphragma den Vorzug, daß die Porengröße und die freie Porenfläche in ailen für die verschiedenen Elektrolyseverfahren in Frage kommenden Größenbereiche nach vorgegebenen Maßen ausgeführt werden können.

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von elektronenstrahl-perforierten Diaphragmen ist die Tatsache, daß alle metallischen und nichtmetallischen Werkstoffe, die sich zu Blechen, dünnen Platten oder Folien verarbeiten lassen, zur Anfertigung solcher Diaphragmen geeignet sind. Damit steht für die verschiedenen Elektrolysever-

fahren, bei denen recht unterschiedliche Werkstoffanforderungen gestellt werden, eine beträchtliche Materialauswahl zur Verfügung, Das erfindungsgemäße Diaphragma zeichnet sich auch dadurch aus, daß es aus zwei Schichten bestehen kann, wobei die eine Schicht aus einem gegen die im Anolytraum vorhandenen Produkte besonders beständigen Material, die andere Schicht aus einem gegen die im Katholytraum vorhandenen Produkte besonders beständigen Material besteht Schließlich ist es auch vorteilhaft, daß das Material keine natürlichen hydrophilen Eigenschaften zu besitzen braucht. Dadurch entfällt die störende »Dochtwirkung« an den Diaphragmarändern, die das Abdichten der herkömmlichen Diaphragmen nach außen sehr umständlich machen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Diaphragma-Elektrolysezelle, gekennzeichnetdurchein nach dem Elektronenstrahl- s Perforationsverfahren hergestelltes Diaphragma.

2. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Porenfläche des Diaphragmas der örtlichen Konzentration des Elektrolyten entspricht

3. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Porenfläche des Diaphragmas mit über die Fläche des Diaphragmas abnehmender Konzentration des Elektrolyten größer wird.

4. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma in doppel- oder mehrschichtigem Aufbau aus verschiedenen Werkstoffen besteht