DE2419204A1 - Mehrfach-elektrolysezelle mit jeweils durch ein vertikales diaphragma gegeneinander abgeteilten elektrodenkammern - Google Patents

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

Eureha Kagaku Eogyo K.X. 235/75

Mehrfach-Elektrolysezelle mit jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Elektrodenkammern

Die Erfindung betrifft eine Mehrfach-Elektrolysezelle, "bestehend aus elektrisch parallel geschalteten Zelleneinheiten mit jeweils.durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Elektrodenkammern (Eathodenkammern und Anodenkammern), in denen die jeweiligen Elektroden (Eathoden bzw. Anoden) angeordnet sind. ' !

Bei elektrolytischen Prozessen tritt häufig eine Gasentwicklung an den Oberflächen der Elektroden auf. Das gilt beispielsweise für die Herstellung von Chlor und kaustischem Alkali durch Elektrolyse einer wässrigen Alkalichlorid-Iösung oder für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch ; Elektrolyse von Wasser oder auch für die Herstellung von Per-

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sulfat und Wasserstoffperoxid durch Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure. Es ist bekannt, daß diese Gasentwicklung, die auf den gesamten Oberflächen der Elektroden stattfindet, den Wirkungsgrad einer Elektrolysezelle beträchtlich vermindert.

Besonders bei Mehrfach-Zeilen mit vertikalem Diaphragma, bei denen die Kathoden und Anoden dicht an den Diaphragmen angeordnet sind, werden die entwickelten Gase nur sehr schlecht von den Oberflächen der Elektroden freigegeben. Darüberhinaus steigen die in den unteren Bereichen der (ebenfalls durchweg vertikalen) Elektroden entstehenden Gase entlang der Elektroden nach oben, so daß sich die oberen Bereiche der Elektroden mit verhältnismäßig großen Gasmengen bedecken. Weiterhin kann auch ein leil des entwickelten Gases in die Diaphragmen eindringen. Das alles führt zwangsläufig zu einer Terminderung des Wirkungsgrades der Elektrolysezelle, wobei sich generell sagen läßt, daß der Abfall des Wirkungsgrades um so stärker ist, je tiefer die Zelle ist oder je größer der Elektrodenstrom ist. Andererseits ist es wünschenswert, vom Standpunkt der Produktivität pro Grundflächeneinheit aus, bei einer Elektrolyse-Anlage tiefere Zellen und/oder höhere Stromdichten zu verwenden. Diese Möglichkeit ist bislang, infolge der geschilderten Nachteile, nicht realisierbar gewesen.

Mit der Erfindung soll nunmehr eine Mehrfach-Elektro— lysezelle mit jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Elektrodenkammern geschaffen werden, bei der die durch die (grundsätzlich nicht vermeidbare) Gasentwicklung an den Elektroden bedingten Machteile erheblich vermindert sind,, so daß die Zelle mit höherer Stromdichte als

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bisher betrieben und auch mit größerer Tiefe als bisher versehen werden kann.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens einzelnender Elektroden mehrer© in vertikaler Richtung einen Abstand voneinander aufweisende Gasblasen-Leitplatten zugeordnet sind, die sich von den einander gegenüber liegenden Seiten der Elektrodenkammern aus zur Kammermitte erstrecken und im Bereich der Kammermitte einen vertikalen Durchlaß für die Gasblasen freilassen.

Es wurde gefunden, daß mit Hilfe solcher Gasblasen-Leitplatten die durch die Gasentwicklung an den Elektroden entstehenden Nachteile in überraschend hohem Ausmaß unterdrückt werden, d.h. eine beträchtliche Verbesserung des ¥irkungsgrades der Zellen eintritt, so daß die Zellen tatsächlich nunmehr tiefer gemacht bzw. mit höherer Stromdichte betrieben werden können als bisher.

¥eitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellen dar:

Fig. 1 perspektivisch und teilweise geschnitten einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäß ausgebildeten Mehrfach-Zelle I

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab und stärker detailliert einen Querschnitt einer in der Zelle gemäß Fig. 1 verwendeten Anodenkammer und

Fig. 3 schematisch im Querschnitt eine Mehrfach- :

zelle,mit der Vergleichsversuche durchgeführt wurden.

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Die in Pig. 1 dargestellte Mehrfach-Zelle 1 kann "beispielsweise zur Elektrolyse einer chloridhaltigen Salzlösung "bestimmt sein. Sie enthält mehrere Anodenkamiaern 2 und Katbodenkammern 5. Diese Kammern sind jeweils durch ein vertikales Diaphragma 4 voneinander getrennt. Als Anoden sind Platten 5 und als Kathoden sind Drahtnetze 6 vorgesehen. Die Anoden und die Kathoden befinden sich jeweils nahe an den Diaphragmen auf deren beiden Seiten.

Wie sich aus Pig. 2 in größeren Einzelheiten entnehmen läßt, sind in jeder Anodenkammer 2 eine größere Anzahl von Gasblasen-Leitplatten 7 angeordnet, und zwar übereinander jeweils mit einem Abstand in vertikaler Richtung. Diese Leitplatten 7 erstrecken sich von den Anodenplatten 5 (die die beiden gegenüber liegenden Seiten der Anodenkammer bilden) aus mit. leiohter Aufwärts-ITeigung zur Längsmittelebene der Anodenkammer hin, und sie haben solche Breite, daß zwischen ihnen in der Mitte der Anodenkammer ein vertikaler Durchlaß 8 für den Austritt der entstehenden Gasblasen freibleibt.

Das während der Elektrolyse an den Anodenplatten 5 entwickelte Gas, z.B. Chlor, bewegt sieh beim Aufsteigen entlang der Leitplatten 7 und sammelt sich dann in dem mittleren verti- _; kalen Durchlaß 8, durch den hindurch es frei nach oben aufstei- ; gen kann. Dadurch wird verhindert, daß die im unteren Bereich der Anodenplatten 5 entwickelten Gasblasen sich im oberen Be- ; reich der Anodenplatten 5 sammeln und dort eine die Elektrolyse behindernde Gasschicht bilden können. Weiterhin induziert aber · auch der frei durch den Durchlaß 8 hochsteigende Strom an Gas- , blasen ein Ablösen der noch an den Oberflächen der Anodenplat-

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ten 5 "bzw, im Inneren der Diaphragmen 4 anhaftenden Gasblasen. Im Ergebnis wird somit durch die Leitplatten 7 der Wirkungsgrad ^: der Elektrolyse außerordentlich stark erhöht.

Das äußere, den Seiten der Anoden-Kammer zugewandte En- . de der Gasblasen-Leitplatten 7 kann an den Anodenplatten 5 befestigt sein oder einen geringen Abstand von den Anodenplatten 5 haben· Zweckmäßig bestehen die Leitplatten 7 aus einem chemisch stabilen, wärmebeständigen Kunstharz, wie z.B. chloriertem Polyvinylchlorid. Es ist aber auch möglich, die leitplatten 7 aus dem gleichen elektrisch leitenden Material" herzustellen, aus dem die Anodenplatten 5 bestehen. Dann nehmen die Leitplatten 7 teilweise an der Einleitung des Elektrolysestroms in die Kammer teil.

Die Pig. 1 läßt erkennen, daß auch in der Kathodenkammer eine Mehrzahl von Gasblasen-Leitplatten 7a vorgesehen sein können, und zwar in der gleichen Anordnung wie in der Anodenkammer In der Kathodenkammer erleichtern die Leitplatten 7a das Ablösen¹ der Wasserstoff-Bläschen von den Oberflächen der Drahtnetz-Kathoden 6 unmittelbar nach Bildung dieser Bläschen.

Generell wird bevorzugt, die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a sowohl in den Anodenkammern 2 als auch in den Kathodenkammern : 3 anzuordnen. Es ist jedoch auch möglich, die Leitplatten nur entweder in den Anodenkammern oder den Kathodenkammern vorzusehen. Das kann infrage kommen, wenn die in den Anodenkammern 2 oder den Kathodenkammern 3 entwickelten Gase extrem korrosiv sind, oder wenn ein gegen die Gas-Korrosion widerstandsfähiges Material sehr teuer ist, oder wenn die Anoden 5 bzw. die Kathoden 6 so konstruiert sind, daß sich die Gasblasen sehr leicht von ihnen lösen können, oder schließlich wenn in den Anodenkammern oder den Kathodenkammern keine Gasblasen in nennenswer—

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tem Umfang auftreten.

Die Anzahl, der Abstand und die Breite der Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a werden zweckmäßig in Anpassung an die üüefe der Zelle und an die zu verwendende Stromdichte gewählt. Die optimalen Werte lassen sich dabei ohne weiteres leicht feststellen.

Es ist nicht unbedingt notwendig, die Gasblasen-Leit~ platten 7 und 7a in vertikaler Richtung mit einem gleichen Abstand voneinander zu versehen. In manchen fällen hat es sich vielmehr als wirksamer erwiesen, die leitplatten im unteren Bereich der Elektroden in einem größeren Abstand voneinander anzuordnen und den Leitplatten im oberen Bereich der Elektroden einen geringeren Abstand voneinander zu geben. Weiterhin braucht auch der in der Kammermitte verlaufende vertikale Durchlaß 8 für die Gasblasen keine gleichförmige Breite zu haben. Bei tiefen Zellen, die mit hoher Stromdichte betrieben werden, kann es beispielsweise zweckmäßig sein, diesen Durchlaß 8 nach oben hin leicht breiter werden zu lassen, was durch entsprechende Bemessung der Breite der Iieitplatten 7 und 7a erreicht werden kann. Im übrigen brauchen die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a auch nicht unbedingt schräg geneigt nach oben zu verlaufen, sondern können auch in horizontaler Lage an den Elektroden angeordnet sein. Schließlich brauchen die Leitplatten auch nicht unbedingt eben zu sein, sondern sie können eine leichte Biegung aufweisen oder in Längsrichtung oder kreuzweise gesickt sein.

Der Hauptvorteil, der sich durch die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a ergibt, wurde bereits erwähnt: Durch die

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Leitplatten ergibt sich ein schnelleres Ablösen der Gasbläschen von den Oberflächen der Elektroden, und außerdem wird verhindert, daß die in den unteren Bereichen der Zelle entstehenden Gasblasen in den oberen Bereichen eine die Elektrolyse behindernde Gassehicht bilden können. Als Folge davon werden die Elektrolyse-Bedingungen innerhalb der Zelle verbessert und dementsprechend wird die benötigte Zellenspannung vermindert· Dies bedeutet, daß beim Betrieb der Zelle mit hoher Stromdichte die Behinderungen, die durch die Gasentwicklung an den Elektroden bislang entstanden sind, praktisch beseitigt wurden.

Die Erfindung hat aber noch andere Torteile zur Folge. So wird das Bad innerhalb der Zelle durch den durch den vertikalen Durchlaß 8 aufsteigenden Strom an Gasblasen sehr wirksam gerührt, wodurch sich keine hochkonzentrierten Produkte wie z.B. kaustisches Matron, lokal an den Oberflächen der Kathoden absetzen kann. Ein Eindringen von Gasblasen in das Diaphragma tritt ebenfalls in geringerem Umfang auf als bisher, was wieder dem Betrieb mit hoher Stromdichte zugute kommt. Als _: weiterer Vorteil schließlich tritt in Erscheinung, daß die Oberflächen der Anoden und/oder Kathoden durch die leitplatten in schmale Sektionen unterteilt werden, deren Elektrolyse- ; Wirkungsgrad sich mit der liefe der Zelle nur sehr wenig ändert¹. Dadurch wird es möglich, die Zelle sehr tief auszubilden und damit den ELächenbedarf einer Anlage zu vermindern, bzw. bei gleicher Anlagenfläche die leistung zu erhöhen..

nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

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Beispiel 1

Es wurde von einer Zelle zur Elektrolyse einer Salzlösung ausgegangen, "bei der die Anodenkammern die in Fig. 2 gezeigte Konstruktion hatten. Die Anoden 5 bestanden dabei aus Graphit-Platten von 10 mm Dicke, 600 mm Höhe und 200 mm Breite. In den Anodenpiatten waren (was nicht weiter dargestellt ist), Gaslöcher von 10 mm Durchmesser eingebohrt, und zwar in zickzack-förmiger Anordnung und vom Diaphragma aus zur Zellenmitte hin 45° aufwärts geneigt. Die Kathoden bestanden aus Weichstahl-Hetzen und waren mit ihrer Rückseite an Asbest^Diaphragmen befestigt. Der Abstand zwisdhen zwei Diaphragmen in der Kathodenkammer betrug 40 mm, und auf den beiden Seiten eines jeden Diaphragmas waren die Kathoden und die zugeordneten Anoden 10 mm voneinander entfernt. Die in der Anodenkammer ednaider gegenüber liegenden Anoden hatten wiederum einen Abstand von 40 mm voneinander.

Die soweit beschriebene, also noch nicht mit den Ieitplatten versehene Zelle wurde mit einer Stromdichte von 15 A/dm betrieben. Dabei stand die mittlere Zellenspannung auf 3,46 ToIt, und zwar während einer Periode von 24 - 48 Stunden nach Beginn der Elektrolyse.

Anschließend wurden die einander in der Anodenkammer benachbarten Anoden mit einer Anzahl von 2 mm dicken Gasblasenleitplatten versehen. Die Leitplatten bestanden dabei aus chloriertem Polyvinylchlorid *» hatten eine Aufwärts-lfeigung von 60° und waren in vertikaler Richtung in einem Abstand von 60 mm voneinander angeordnet. Der in der Kammermitte verbleibende vertikale Durchlaß für die Gasblasen war am Boden der

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Kammer 5 mm und am oberen Kammerende 15 mm "breit.

Bei der Durchführung der Elektrolyse in dieser durch die Leitplatten verbesserten Zelle, aber unter sonst gleichen Bedingungen wie vorher, also wiederum mit einer Anoden-Stromdichte

von 15 A/dm , zeigte sich eine mittlere Zellenspannung von ^: 3,26 YoIt während einer Perode von 24 bis 48 Stunden nach Be- · ; ginn der Elektrolyse.

Beispiel 2

Es wurde von einer zur Elektrolyse von Wasser bestimmten Zelle gemäß Pig« 3 ausgegangen. In dieser Zelle befanden sich zwei Kathoden 11 aus ¥eichstahl, die jeweils 2 mm dick, 600 mm hoch und 200 mm breit waren und aufrecht angeordnet waren. In der ITäbe der Außenseiten der beiden Kathoden 11 war jeweils ein Diaphragma 12 aus Asbest-2uch angeordnet. Zwei Anoden 13 aus rostfreiem Stahl und mit den gleichen Abmessungen wie die Kathoden 11 waren in der Nähe der Außenseiten der beiden Diaphragmen 12 aufgestellt. Der Abstand zwischen einer Kathode und dem benachbarten Diaphragma betrug 8 mm, und der Abstand zwischen diesem Diaphragma und der dann folgenden Anode betrug 10 mm. Sowohl die Kathoden 11 als auch die Anoden 13 waren mit einer großen Anzahl von Bohrungen 14 versehen, die jeweils 10 mm Durchmesser besaßen und in der Formation gleichseitiger Dreiecke mit einem Lochabstand von 15 mm angeordnet waren.

Die soweit beschriebene, also ebenso wie im Beispiel 1 noch nicht mit den Gasblasen-Leitplatten versehene Zelle wurde mit einer 10 $igen wässrigen lösung von kaustischem Batron als Elektrolyt gefüllt und mit einer Kathoden-Stromdichte von

20 A/dm betrieben. Die Zellenspannung zeigte sich dabei zu 3,65 Volt bei einer lemperatur von 35⁰C.

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- ίο ■ -

Anschließend wurden die Kathoden 11 und die Anoden 13 der Zelle auf ihren Rückseiten mit (in Fig· 3 nicht mehr dargestellten) Gasblasen-Leitplatten versehen, und zwar in einer Rate von einer Platte für jede Reihe von Bohrungen 14· Die Platten waren um 60° aufwärts geneigt, und der sich zwischen ihnen ausbildende vertikale Durchlaß für die Gasblasen war 15 dm breit. ¥enn die solcherart verbesserte Zelle unter den vorangehend erwähnten Bedingungen betrieben wurde, verminderte sieh die Zellenspannung auf 3,50 ToIt bei 35°0·

-Patentansprüche-

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Mehrfach-Elektrolysezelle, bestehend aus elektrisch parallel geschalteten Zelleneinheiten mit jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Elektrodenkammern (Kathodenkammern und Anodenkammern), in denen die jeweiligen Elektroden (Kathoden bzw. Anoden) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einzelnen der Elektroden (5, 6) mehrere in²* vertikaler Richtung einen Abstand ^voneinander aufweisende Gasblasen-Leitplatten (7, 7a) zugeordnet sind, die sich von den gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenkammern (2, 3) aus zur Kammermitte erstrecken und im Bereich der Kammermitte einen vertikalen Durchlaß (8) für die Gaebiasen freilassen.

   2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen-Leitplatten (7a) den Kathoden zugeordnet sind. ·

   3. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen-Leitplatten (7) den Anoden zugeordnet sind.

   4· Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasen-Leitplatten (7, 7a) sowohl den Kathoden als auch, den Anoden zugeordnet sind.

   5. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,»dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (7» 7a) aus einem wärmebeständigen Kunstharz hergestellt sind.

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   6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmebeständiges Kunstharz chloriertes Polyvinylchlorid als Material für die Leitplatten verwendet ist.

   7. Zelle nach einem der Ansprüche 1-4» dadurch gekennzeichnet« daß die Leitplatten (7, 7a) aus dem gleichen Material hergestellt sind wie die zugeordneten Elektroden.

   8. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet« daß die Breite des sich im Bereich der Kammermitte erstreckenden, vertikalen Durchlasses (8)für die Gasblasen vom Boden der Kammer aus nach oben progressiv vergrößerte ist.

   9. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (7» 7a) in horizontaler Lage in bezug auf die zugeordneten Elektroden angeordnet sind.

   10. Zelle nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitplatten (7, 7a) in geneigter Lage in bezug auf die zugeordneten Elektroden angeordnet sind.

   11. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (7, 7a) eben ausgebildet sind.

   12. Zelle nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (7, 7a) gebogen ausgebildet sind.

   15. Zelle nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (7, 7a) mit Sicken versehen sind.

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