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Zelle mit vertikalem Diaphragma für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrolytische Zellen und insbesondere auf elektrolytische
Zellen mit vertikalem Diaphragma für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali aus wässerigen Lösungen eines Alkalichlorids. Hauptsächlich bezieht sich die Erfindung auf Zellen für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali, bei welchen ein poröses Diaphragma die Anoden und Kathoden jeder Zelleneinheit von- einander trennt.
Diaphragmazellen werden für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali durch Elektrolyse von Alkali- chloridlösungen verbreitet angewendet. In solchen Zellen sind die gewöhnlich aus Graphit bestehenden
Anoden und die gewöhnlich aus Eisen oder Stahl bestehenden Kathoden voneinander im Abstand befestigt im Alkalichloridelektrolyten angeordnet. Ein Strom wird durch den Elektrolyten zwischen Anode und
Kathode geführt, wobei sich an der Anode Chlor entwickelt und die Alkalimetallionen an der Kathode entladen und an der Kathodenoberfläche mit Wasser aus dem Elektrolyten unter Bildung von Ätzalkali und Freisetzung von Wasserstoff reagieren.
In den Spalt zwischen Anode und Kathode wird ein Diaphragma eingesetzt, um ein Vermischen von Wasserstoff und Chlor und ein Vermischen des Ätzalkalis mit der eintretenden Sole, die an der Anodenseite des Diaphragmas zugeführt wird, so weit als möglich zu verhindern.
Beim Betrieb solcher Zellen wird angestrebt, den Spalt zwischen Anode und Kathode möglichst klein zu halten, da der Widerstand des Elektrolyten in dem Spalt gegen den Durchgang des Elektrolysierstromes die Betriebsspannung und folglich den Energieverbrauch wesentlich erhöht. Bei allen bekannten Diaphragmazellen kann jedoch der Anoden-Kathodenspalt nicht bis unter einen gewissen Mindestabstand verkleinert werden. Der Durchschnittswert für das Mindestmass des Spaltes in einer handelsüblichen Bauart beträgt beispielsweise 12, 7 mm. Das Diaphragma besteht gewöhnlich aus Asbest und ist zumindest an der der Anode zugewendeten Seite nicht abgestützt.
Wenn nun der Spalt zwischen Anode und Diaphragma zu klein gehalten wird, so besteht die Neigung, dass das Diaphragma auf Grund der Durchwirbelung, verursacht durch das an der Anode entwickelte Chlor, zerfällt ; weiters kann das Vermischen der Anodenund Kathodenprodukte sodann ebenfalls unliebsame Ausmasse annehmen. Könnte man den Spalt zwischen Anode und Kathode verkleinern, so wären merkliche Einsparungen an Energieverbrauch erzielbar.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass in einer Diaphragmazelle für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali der Anoden-Kathoden-Spalt, ausgenommen was die Stärke des Diaphragmas selbst und einen dünnen Anodenträger anbetrifft, eliminiert werden kann, wenn als Arbeitsanodenoberfläche ein Edelmetall der Platingruppe, nämlich Platin, Rhodium oder Iridium, oder eine Legierung, die im wesentlichen aus einem oder mehreren dieser Metalle (die in der Folge allgemein als "Platinmetalle" bezeichnet werden) besteht, verwendet wird. Bei der Auswahl von Legierungen, die im wesentlichen aus einem oder mehreren der Metalle Platin, Rhodium und Iridium bestehen, sind Legierungen, die einen geringen Anteil an anderen Metallen, wie z. B. die übrigen Metalle der Platingruppe, enthalten, nicht ausgeschlossen.
Gemäss vorliegender Erfindung besteht eine Zelle für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali durch Elektrolyse von Alkalichloridlösungen im wesentlichen aus einem nichtleitenden porösen Diaphragma, welches zwischen und in Berührung mit einer Kathode, bestehend aus einer perforierten Metallfläche und einem Anodenträger, bestehend aus einer perforierten Titanmetallfolie und einer Anode, welche aus einem Überzug eines wie vorerwähnten Platinmetalles auf dem Anodenträger gebildet ist, gehalten wird.
Um an der Verwendung des teueren Platinmetalles zu sparen, wird die Anodenschicht am zweckmässigsten nur auf jene Flächen des Anodenträgers aufgebracht, die nicht mit dem Diaphragma in Berührung stehen.
Unter dem Ausdruck "perforierte Metallfläche" ist eine perforierte oder netzartige Fläche, wie z. B. ein mit vielen Löchern versehenes oder perforiertes Blech, ein Netz oder eine Streckmetalltafel, welche gegebenenfalls nachgepresst sein kann, zu verstehen. Der Ausdruck "Titan" umfasst auch eine Titanlegierung, die im wesentlichen aus Titan besteht.
In der erfindungsgemässen Elektrolysezelle liegt das Diaphragma auch an der Anodenseite nicht mehr freitragend, so dass die mechanische Beschädigung des Diaphragmas, verursacht durch die Wirbelbildung
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im Elektrolyten durch das sich an der Anode entwickelnde Chlor, auf ein Minimum reduziert wird. Obgleich sowohl der Anodenträger aus perforiertem Titanmetall als auch die perforierte Kathode sich mit dem Diaphragma in Berührung befinden, wurde überraschenderweise gefunden, dass ein nur sehr geringes Vermischen der Anoden- und Kathodenprodukte durch das Diaphragma stattfindet.
Da weiters die Anode und die Kathode voneinander nur einen Abstand etwa gleich der Summe der Stärke des Diaphragmas und des Titananodenträgers entfernt sind, ist der Widerstand des Elektrolyten gegen den zwischen Anode und Kathode fliessenden Strom viel geringer als in herkömmlichen Diaphragmazellen. Es wurde tatsächlich gefunden, dass in einer erfindungsgemässen Zelle mit einer dreimal grösseren Stromdichte als in herkömmlichen Diaphragmazellen bei gleicher Spannung gearbeitet werden kann.. Durch die erfindunggemässe elektrolytische Zelle wird somit eine sehr zweckmässige und kompakte Anlage für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali bei hohem Wirkungsgrad geschaffen.
In der erfindungsgemässen elektrolytischen Zelle kann das Diaphragma aus einem nichtleitenden porösen Material, welches gegen den Elektrolyten und gegen die Elektrolyseprodukte inert ist, wie z. B. aus Asbest oder aus einem Ionenaustauscherharz, bestehen. Vorzugsweise wird Asbest verwendet. Beispielsweise können eine oder mehrere Schichten von Asbestpapier oder-gewebe verwendet werden oder es kann das Diaphragma gebildet werden, indem man aus einer Aufschlämmung Asbestfasern auf eine Seite der perforierten Metallkathode niederschlägt, ehe man die Zelle zusammenbaut. Die Kathode kann aus einer oder mehreren Lagen von durchlöchertem Eisen-, Stahl- oder Titanblech bestehen oder sie kann durch eine Schicht eines der vorerwähnten Platinmetalle auf einer Lochplatte aus Titanmetall als Träger gebildet sein.
Um das teuere Platinmetall, wenn es als Kathodenschicht verwendet wird, einzusparen, werden zweckmässigerweise nur die Oberflächen des Titanbleches, die nicht mit dem Diaphragma in Berührung gelangen, beschichtet.
Das Platinmetallanodenmaterial und die Platinmetallkathodenschicht können auf irgendeine bekannte Art auf den Titanmetallträger aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine Schicht eines Platinmetalles elektrolytisch auf die Titanfläche niedergeschlagen werden oder es kann das Platinmetall durch Aufsprühen oder Streichen einer herkömmlichen Metallisierlösung und durch nachfolgendes Erhitzen, wie es in der Keramikindustrie gehandhabt wird, aufgebracht werden. Vorzugsweise wird die Anodenschicht eines Platinmetalles auf das Titan nach der Strich- und Erhitzungstechnik aufgebracht, da so hergestellte Überzüge eine geringere Überspannung für die Chlorentwicklung haben.
Bei gewissen Verfahren zur Aufbringung des Platinmetalls lässt es sich nicht vermeiden, dass ein Teil der Titanfläche, der mit dem Zellendiaphragma in Berührung gelangt, ebenfalls mit dem Platinmetall überzogen wird. Dies ist zwar kein Nachteil, jedoch hat ein solcher Niederschlag keinerlei nützlichen Zweck, so dass er aus Gründen der Wirtschaftlichkeit so weit als möglich vermieden werden soll.
Eine elektrolytische Zelle gemäss vorliegender Erfindung kann als Einzelzelle oder auf verschiedene Art zu einer Mehrzellenanordnung kombiniert betrieben werden. Die Konstruktion der Einzelzelle und einige brauchbare Mehrzellenanordnungen werden an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, in welcher Fig. l ein Horizontalschnitt durch eine Zelle gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ist, Fig. 2 eine schematische Darstellung, wie eine beliebige Anzahl von Zellen zur Parallelspeisung mit elektrischem Strom kombiniert werden kann, bedeutet, und Fig. 3,4 und 5 Darstellungen verschiedener Möglichkeiten, wie die erfindungsgemässen Zellen in einer bipolaren Serienanordnung kombiniert werden können, sind.
Gemäss Fig. l wird ein 1, 58 mm starkes Asbestdiaphragma 1 zwischen dem Anodenträger 2, der aus einer Tafel von Titan-Streckmetall besteht, und der Kathode 3 gehalten, die aus einer Schicht Stahlnetz, gestützt von einer Anzahl von Schichten aus gestrecktem Tafelmetall, besteht, wobei die Netzschicht mit dem Diaphragma in Berührung liegt. Die Anode 4 besteht aus einem Überzug aus einem Platinmetall, welcher in geeigneter Weise auf die Flächen des Anodenträgers 2, die nicht mit dem Diaphragma 1 in Berührung liegen, aufgebracht wird. Die ganze Elektroden- und Diaphragmaanordnung wird in Trägern 5 aus elastischem Material gehalten, welche zusammen mit den Seitenteilen 6 und dem Boden und (nicht dargestelltem) Deckel der Zelle das Anodenabteil 7 und Kathodenabteil 8 einschliessen.
Nicht dargestellte Klemmorgane an den Seitenteilen 6 halten die elastischen Träger 5 unter Druck, so dass sich der Anodenträger 2 und die Kathode 3 in enger Berührung mit dem Diaphragma 1 befinden und ein Entweichen von Elektrolyt und Produktgasen zwischen Anodenabteil 7 und Kathodenabteil 8 an den Kanten der Elektrodenund Diaphragmaanordnung verhindert wird. Beim Betrieb der Zelle wird Alkalichloridlösung kontinuierlich bei 9 dem Anodenabteil 7 unter einem Druck, der ausreicht, das Anodenabteil 7 mit Elektrolyt gefüllt zu halten und die Perkolation von Elektrolyt durch die Elektrodenanordnung und das Diaphragma in das Kathodenabteil 8 zu bewirken, zugeführt. Kaustifizierter Elektrolyt wird vom Kathodenabteil kontinuierlich bei 10 abgezogen. Strom der dargestellten Polarität wird der Zelle durch den Anodenträger 2 und die Kathode 3 zugeführt.
Auslässe (nicht dargestellt) sind in der Nähe des Kopfes der Zelle zwecks Entfernung von Chlor- und Wasserstoffgas aus dem Anodenabteil 7 bzw. dem Kathodenabteil 8 vorgesehen.
Kaustifizierter Elektrolyt kann frei vom Kathodenabteil abfliessen gelassen werden, oder es kann dieses Abteil mit Elektrolyt gefüllt gehalten werden. Letzteres ist vorzuziehen, weil dadurch der gleiche Druck des Elektrolyten an allen Flächen des Diaphragmas herrscht und eine gleichmässige Perkolationsgeschwindigkeit des Elektrolyten über die ganze Fläche gewährleistet ist.
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Gemäss Fig. 2 sind 5 Einzelzellen 11 derart angeordnet, dass bei benachbarten Paaren die Kathoden und Anoden abwechselnd zugewendet sind, so dass zwischen Zellpaaren abwechselnd Kathoden- und Anodenabteile gebildet werden, wobei benachbarte Zellen voneinander durch isolierende Distanzhalter 12 getrennt sind. 1, 2, 3 und 4 sind jeweils Diaphragmen, Anodenträger, Kathoden und Anoden, 7 und 8 Anoden- bzw. Kathodenabteile. Strom der angegebenen Polarität wird den Anodenträgern 2 und Kathoden 3 zugeführt.
Fig. 3 zeigt drei Einzelzellen, in welchen die sie bildenden Teile 1, 2, 3 und 4 den Teilen der Zelle gemäss Fig. 1 entsprechen. Benachbarte Zellen sind durch gewellte Titanplatten 13, die auch als Stromverbindung zwischen den Zellen dienen und an ihren entgegengesetzten Seiten jeweils Anodenabteile 7 und Kathodenabteile 8 bilden, voneinander getrennt.
Fig. 4 zeigt die Kombination von zwei Einzelzellen 11, die voneinander durch isolierende Distanzhalter 14 und dem Separator 15 getrennt sind, um das Anodenabteil 7 und Kathodenabteil 8 zu bilden.
Der Separator 15 kann aus einem isolierenden Material, wie z. B. aus Beton, oder vorteilhaft aus einer Titanmetalltafel bestehen. 16 ist die Stromverbindung vom Anodenträger 2 einer Zelleneinheit zur Kathode 3 der nächsten Zelleneinheit.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist der in Fig. 4 gezeigten ähnlich, sie hat jedoch den Vorteil, dass die äussere Stromverbindung 16 der Anordnung gemäss Fig. 4 entfällt, indem die Distanzhalter 14 und Sepatatoren 15 gemäss Fig. 4 durch den kombinierten Teil 17 ersetzt wurden, der aus Titan besteht, so dass der Titanteil 17 nunmehr als Distanzhalter, Separator und Stromverbindung zwischen den zwei Zelleneinheiten fungiert.
Selbstverständlich kann jede Anzahl von Zellen 11 in einer bipolaren Anordnung in der Art, wie sie in den Fig. 3,4 und 5 dargestellt ist, kombiniert werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung zeigt die nachstehende Tabelle die erzielbare hohe Strombelastung und Energiewirkung, wenn eine erfindungsgemässe Zelleneinheit für die Elektrolyse einer Natriumchloridlösung verwendet wird.
EMI3.1
<tb>
<tb>
Zellenspannung <SEP> (Durchschnitt) <SEP> 3, <SEP> 85 <SEP> Volt
<tb> Anodenstromdichte............................................... <SEP> 4 <SEP> kA/m
<tb> NaCl, <SEP> Beschickungskonzentration <SEP> (annähernd) <SEP> 305 <SEP> g/l <SEP> NaCl
<tb> Katholytkonzentration <SEP> (Durchschnitt) <SEP> 141, <SEP> 1 <SEP> g/l <SEP> NaOH <SEP>
<tb> Chlorstromwirksamkeit............................................ <SEP> 95, <SEP> 5% <SEP>
<tb> /Cl, <SEP> 98, <SEP> 4%
<tb> Chlorgasanalyse................................................... <SEP> \ <SEP> Q <SEP> 1 <SEP> 6 / <SEP>
<tb> Energieverbrauch <SEP> pro <SEP> Tonne <SEP> Chlor <SEP> 3, <SEP> 096 <SEP> KWh
<tb>
Die Elektroden- und Diaphragmaanordnung dieser Zelle war wie folgt konstruiert :
Anodenträger : Titanmetallblech Nr. 20, gestreckt auf 203 Maschen/m, sodann abgeflacht auf 189 Maschen/m.
Anode : Platinmetall, durch Streichen auf die Flächen des Titan-Streckmetallanodenträgers, die nicht mit dem Diaphragma in Berührung kommen, derart aufgetragen, dass ein Auftrag von 47, 4 g Platinmetall pro m erhalten wurde.
Kathode : Stahldrahtnetz Nr. 25 mit 9 Maschen/cm, in Berührung mit dem Diaphragma, unterlegt mit 5 Stahlblechtafeln Nr. 20, gestreckt auf 3 Maschen/cm.
Diaphragma : Asbestfaserschicht 1, 58 mm stark, auf die Kathodennetzschicht unter Vakuum aus einer Aufschlämmung von Asbestfaser in kaustifizierter Zellenlösung niedergeschlagen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Zelle mit vertikalem Diaphragma für die Herstellung von Chlor und Ätzalkali durch Elektrolyse einer Alkalichloridlösung, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus einem nichtleitenden porösen Diaphragma, welches zwischen und in Berührung mit einer Kathode, bestehend aus einer perforierten Metallfläche und einem Titananodenträger, bestehend aus einer perforierten Titanmetallfläche, gehalten wird, und einer Anode, die durch einen Überzug eines Platinmetalles auf dem Anodenträger gebildet wird, besteht.