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Elektrolyseanlage
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an den Kathoden Natriumamalgam und bei den Anoden Chlor abgeschieden wird.
Die erfindungsgemässe Elektrolyseanlage bietet folgende Vorteile : Der Ersatz eines inerten Materials, wie Beton, durch dünne Titanbleche bewirkt, dass die Anlage kompakter wird. Titan ist ausserdem gegen- über chlorhaltigen Kochsalzlösungen sehr widerstandsfähig.
Das Titanblech ermöglicht auch einen schnellen Zusammenbau der Anlage. Das Gesamtgewicht ist weit geringer als dasjenige einer Anlage, bei welcher die Trennwände aus Beton bestehen.
Auch sind bei der erfindungsgemässen Anlage zwischen der Anode einer Zelle und der Kathode der benachbarten Zelle keine Verbindungen erforderlich, die leicht undicht werden können. Wenn die Anode jeder Zelleneinheit aus Graphit besteht, kann das Titanblech an die Graphitanode gut angepresst werden, so dass ein guter elektrischer Kontakt zwischen der Anode einer Zelle und der Kathode der benachbarten Zelle gegeben ist. Infolge der grossen Kontaktoberfläche zwischen der Anode und der Kathode sind die Spannungsverluste weitaus geringer als z. B. bei Zellen, bei denen Graphitstäbe durch eine Betonwand durchgeführt werden müssen, um die Anode einer Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle zu verbinden.
Bei der Ausführungsform der Erfindung, bei der, auf der aus Titanmetall bestehenden Trennwand, eine Überzugsschichte aus einem Metall von hoher elektrischer Leitfähigkeit zwischen der Graphitanode und der Trennwand liegt, kann ein guter elektrischer Kontakt erzielt werden, ohne dass die Zellen besonders stark zusammengepresst werden müssen.
Wenn in einer Elektrolyseanlage gemäss der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher in jeder Zelleneinheit eine Überzugsschicht aus einem Platinmetall auf der aus Titanmetall bestehenden Trennwand die Anode bildet, gesättigte Natriumchloridlösungen elektrolysiert werden, können Chlor und Ätznatron in Ausbeuten erhalten werden, die mit denen vergleichbar sind, welche bei der Verwendung herkömmlicher Diaphragmazellen mit Graphitanoden und Asbestdiaphragmen erzielt werden. Wenn die Anlage bei einer kathodischen Stromdichte von 1, 5 kA/m2 bei 85 C 8 Wochen hindurch in Betrieb gehalten wird, erhält das abziehende Chlor weniger als 0, 4% Verunreinigungen, von denen 0, 2zo aus Sauerstoff bestehen. Die die Zelle verlassende erschöpfte Natriumchloridlösung enthält 120 g Natriumhydroxyd pro Liter Lösung.
In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse von Vergleichsversuchen angegeben, die mit gegebenen Stromdichten bei einer Diaphragma-Elektrolyseanlage mit Einrichtungen zur Rückführung des Anolyts und des Katholyts nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einerseits und bei einer Anlage mit herkömmlichen Diaphragmazellen anderseits ausgeführt werden.
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<tb>
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Stromdichte <SEP> Elektrolyseanlage <SEP> gemäss <SEP> der <SEP> Erfindung <SEP> Anlage <SEP> mit <SEP> üblichen <SEP> Diaphragmazellen
<tb> (kA/m2) <SEP> Spannung <SEP> (V) <SEP> Temperatur <SEP> C <SEP> Spannung. <SEP> (V) <SEP> Temperatur <SEP> C
<tb> 0, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 4. <SEP> 85. <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 86
<tb> 1, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 65 <SEP> 85 <SEP> 3, <SEP> 87 <SEP> 98
<tb> 1, <SEP> 3 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP> 85 <SEP> 4, <SEP> 27 <SEP> 100
<tb> 1,5 <SEP> 2,9 <SEP> 85
<tb>
In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemässen Elektrolyseanlage schematisch veranschaulicht.
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Elektrolysezelle, welche eine Graphitanode, eine Kathode und ein die Anode von der Kathode trennendes Asbestdiaphragma enthält und in welcher eine Titanplatte die Graphitanode jeder Zelle von der Kathode der benachbarten Zelle trennt.
Die Fig. 2 und 3 stellen vertikale Schnitte durch eine Elektrolyseanlage gemäss der Erfindung mit Einzelzellen nach der Linie A-A bzw. B-B der Fig. 1 dar, die Fig. 4 und 5 sind lotrechte Längsschnitte durch Ausführungsvarianten der Elektrolyseanlage gemäss Fig. 1, und Fig. 6 ist eine axonometrische Darstellung der Anlage gemäss den Fig. 1, 2 und 3 in zerlegtem Zustand.
Die Graphitanoden 1 werden bei der Elektrolyseanlage gemäss den Fig. 1, 2,3 und 6 gegenüber den Titanplatten 2 in der richtigen Stellung durch Klemmplatten 3 aus mechanisch festem, korrosionsbeständigem Material, z. B. aus gummiüberzogenem Stahl, gehalten. Zwischen den Titanplatten 2 und den Klemmplatten 3 befinden sich biegsame Platten 4, z. B. aus Kautschuk. Mit 5 sind abgebogene Teile der Platten 4 bezeichnet, die sich zwischen dem Rand der Graphitanode und den Klemmplatten 3 befinden.
Die Dicke der biegsamen Platten 4 ist so bemessen, dass sie die Graphitanoden 1 fest gegen die Titanplatten 2 pressen, wenn die Elektrolyseanlage unter einem gewissen Druck zusammengespannt wird.
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Mit 6 sind Asbestdiaphragmen üblicher Art bezeichnet, die sich auf Metallgaze-Netzen 7, welche in Metallplatten 8 angeordnet sind, befinden.
Dünne Schichten 9 aus korrosionsbeständigem Material sind auf diejenigen Oberflächenteile der Me- tallplatten 8 aufgebracht, welche den Graphitanoden 1 gegenüber liegen.
Die Graphitanoden 1 werden von den Asbestdiaphragmen 6 durch Rahmen 10 aus korrosionsbeständi- gem Material im Abstand gehalten. Zusätzliche Rahmen 11 aus korrosionsbeständigem Material distan- zieren die Metallplatten 8 von den Titanplatten 2 der einzelnen Elektrolysezellen. Die Rahmen 11 unter- scheiden sich von den Rahmen 10 durch ihre Dicke und dadurch, dass sie in bezug auf die Rahmen 10 sei- tenverkehrt angeordnet sind.
Die Titanplatten 2 sind mit vorspringenden Nippeln 12 versehen, die in regelmässigen Abständen aber diejenigen Teile der Titanplatten 2 verteilt sind, die den Metallgaze-Netzen 7 gegenüber liegen. Die
Nippel 12 springen aus den Titanplatten so weit vor, dass sie einen gut leitenden Kontakt mit den Metall- gaze-Netzen 7 herstellen. Dieser kann gegebenenfalls noch verbessert werden, indem die Netze 7 und die Titanplatten 2 miteinander verschweisst werden. Die Metallgaze-Netze 7 und die angrenzenden Ober- flächen der Titanplatten 2 bilden gemeinsam die Kathoden der Elektrolyseanlage.
Die Titanplatten 2, die Klemmplatten 3, die biegsamen Platten 4, die Rahmen 10, die Metallplat- ten 8 und die Rahmen 11 sind mit vier koinzidierenden Ausnehmungen 13,14, 15,16 versehen, um Lei- tungen 17,18, 19 bzw. 20 anbringen zu können. Die Ausnehmungen in den Titanplatten 2 und den Me- tallplatten 8 sind etwas grösser, um die Anbringung von Buchsen 21 aus korrosionsbeständigem und elek- trisch leitendem Material zu ermöglichen.
Die Rahmen 10 sind ausserdem mit rechteckigen Öffnungen 22 versehen, die ungefähr den Abmessun- gen der Graphitanoden 1 und der Asbestdiaphragmen 6 entsprechen. Diese Öffnungen sind mit den diagonal gegenüberliegenden Ausnehmungen 13,14 durch Kanäle 24,25 verbunden. Die Rahmen 11 wei- sen rechteckige Öffnungen 23 auf, die so gross sind, wie die Öffnungen 22 und mit den diagonal gegen- überliegenden Ausnehmungen 15,16 durch die Kanäle 26 bzw. 27 verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform werden die Elektrolysezellen durch Druck zusammengehalten und durch
Klebstoffe oder biegsame Dichtungsmassen gegeneinander abgedichtet. Mit 28 und 29 sind Stromzufüh- rungen zu den Titanendplatten der Anode und der Kathode bezeichnet. Die Öffnungen 22 der Rahmen 10 bilden Anodenkammern und die Öffnungen 23 der Rahmen 11 Kathodenkammern, wobei die Leitung 18 zur Zuführung von Natriumchloridlösung in die Anodenkammern 22 durch die Kanäle 25 dient. Wenn diese Lösung auf dem mit 30 bezeichneten Niveau gehalten wird, wird zumindest die Leitung 17 teilweise durchflossen. Wenn dagegen die Lösung auf dem Niveau 31 (Fig. 2) gehalten wird, wird durch die Leitung 17 nichts durchfliessen. Die Natriumchloridlösung dringt dann durch das Asbestdiaphragma 6 in die Kathodenkammer 23 ein, bis sie eine bestimmte Höhe erreicht.
Wenn die Natriumchloridlösung auf dem Niveau 32 (Fig. 3) gehalten wird, wird die Leitung 19 teilweise durchflossen und die Lösung verlässt dann die Elektrolyseanlage über die Kanäle 27 und die Leitung 20. Wird die Lösung auf dem Niveau 33 (Fig. 3) gehalten, wird sie die Leitung 19 nicht durchfliessen.
Um das Zirkulieren des Anolyten bzw. des Katholyten durch die Öffnungen 22 und die Öffnungen 23 zu ermöglichen, können gegebenenfalls Vorrichtungen vorgesehen sein, die eine Rückführung des Anolyten aus der Leitung 17 in die Leitung 18 bzw. des Katholyten aus der Leitung 19 in die Leitung 20 bewirken.
Während der Elektrolyse wird das an den Graphitanoden 1 freigesetzte Chlor durch die Kanäle 24 und die Leitung 17 geführt und aus der Elektrolyseanlage durch Auslässe abgeleitet. Der an den aus den Metallgaze-Netzen 7 und den Titanplatten 2 bestehenden Kathoden freigesetzte Wasserstoff verlässt die Elektrolyseanlage über die Kanäle 26 und die Leitung 19 durch andere Auslässe, wogegen das in der Kathodenkammer 23 gebildete Natriumhydroxyd die Elektrolyseanlage gemeinsam mit der erschöpften Natriumchloridlösung über die Kanäle 27 und die Leitung 20 verlässt.
Fig. 4 stellt eine Ausführungsform dar, bei welcher eine gute elektrische Verbindung zwischen den Graphitanoden 1 und den Titanplatten 2 durch eine dünne Überzugsschichte 34 aus einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit erhalten wird, das entweder chemisch oder elektrisch auf denjenigen Oberflächenteilen der Titanplatten niedergeschlagen wird, die sonst in direktem Kontakt mit den Graphitanoden stehen würden. Die Überzugsschichte 34 kann entweder aus einem Platinmetall oder aus einem andern gut leitenden Metall, wie z. B. Silber oder Kupfer, bestehen.
Wenn sie aus einem weniger edlen Metall besteht, kann sie vor Korrosion bewahrt werden, indem die benachbarten Teile der Graphitanode 1 mit einem inerten Material imprägniert und dadurch für die in der Elektrolyseanlage befindlichen Gase oder Flüssigkeiten undurchlässig gemacht werden.
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Fig. 5 stellt eine Ausgestaltung einer Diaphragma-Elektrolyseanlage dar, bei welcher jede einzelne Elektrolysezelle als Anode auf einer Seite einer Titanplatte einen dünnen Überzug aus Plazinmetall, eine kathodische Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der entsprechenden Titanplatte einer benachbarten Zelle sowie dazwischen ein Asbestdiaphragma üblicher Art aufweist, das, von einem MetallgazeNetz getragen, in gutem elektrischem Kontakt mit der kathodischen Oberfläche der Titanplatte steht. Mit Ausnahme der Enden trennt eine Titanplatte, die auf einer Seite eine Schicht aus einem Platinmetall aufweist. die Platinmetallschicht-Anode der Zelle auf einer Seite von der Kathode der benachbarten Zelle auf der andern Seite.
Bei dieser Ausführungsform sind dagegen Graphitanoden, Klemmplatten und biegsame Platten nicht vorgesehen, jedoch sind die an das Asbestdiaphragma 6 angrenzenden Oberflächen der Titanplatten 2 mit einem dünnen Überzug 35 aus einem Platinmetall versehen. Dieser wird auf die Titanplatten 2 entweder chemisch oder elektrolytisch niedergeschlagen und bildet jeweils den anodischen Teil der Elektrolyseanlage.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrolyseanlage mit mehreren je eine Anode und eine Kathode aufweisenden Zellen, die gegebenenfalls Diaphragmen enthalten können und die so angeordnet sind, dass jeweils die Anode der einen Zelle der Kathode der nächsten Zelle benachbart und von dieser durch eine chemisch inerte Trennwand getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) aus Titanmetall oder aus überwiegend aus Ti bestehenden Legierungen gebildet ist.