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Anodenanordnung für Elektrolysenzellen
Die Erfindung betrifft eine neue Anordnung eines Anodentragsockels mit Stromzuführungen, Befestigung der Elektroden und Schutz gegen Korrosion für Elektrolysezellen, die eine Reihe paralleler Elektroden umfassen und insbesondere für die Elektrolyse wässeriger Lösungen von Alkalimetallhalogeniden bestimmt sind.
In derartigen gebräuchlichen Zellen sind die im allgemeinen aus Graphit bestehenden Anodenplatten in einem Sockel aus armiertem Beton in lotrechter Anordnung mit Hilfe einer Bleischicht befestigt, die den elektrischen Kontakt sicherstellt und die mit einer Schicht aus Zement und/oder einer mitunter selbst wieder mit einer Zementschicht bedeckten Schicht aus Asphalt überzogen ist. In die Bleischicht sind die Schienen für die Stromzuführung senkrecht zu den Anodenplatten eingelassen.
Diese Art der Stromzuführung und Befestigung der Anoden bedingt hauptsächlich folgende Nachteile :
Bei der Elektrolysentemperatur ist die Asphaltschicht einem gewissen Erweichen ausgesetzt, das zu einer Verschiebung dieser Schicht führen kann.
Wenn der Asphalt in Berührung mit dem Elektrolyten steht, kann er durch Umsetzung mit dem an den Anoden gebildeten Halogen die Bildung organischer halogenierter Verbindungen verursachen, die dann das Halogen verunreinigen oder zur Schlammablagerung auf dem Diaphragma führen.
Es ist unmöglich, eine bestimmte Anode oder auch eine Anodenreihe zu ersetzen, die zu zerfallen beginnt oder während der Elektrolyse schadhaft wird. Der Ersatz der Anoden erfordert nicht nur ein vollständiges Entfernen der Schutzschichten, sondern auch das Schmelzen der gesamten Bleimasse, die die Stromzuführungen und die Basisteile aller Anoden umschliesst ; aus wirtschaftlichen Gründen sind derartige Massnahmen nur am Ende eines Betriebszyklus der Zelle ausführbar.
Die grosse Masse des in den Sockel der Zelle gegossenen Bleis zieht sich beim Erstarren zusammen. Daraus ergibt sich ein unvollkommener Kontakt zwischen Blei und Anode, der bedeutende ohm'sche Verluste verursacht. Der Ersatz des Bleis durch eine Legierung, die sich beim Erstarren ausdehnt oder dabei wenigstens kein Zusammenziehen erleidet, wie z. B. gewisse Blei-Wismut-Legierungen, würde eine wesentliche Mehrinvestition erfordern und sich dementsprechend auf die Produktionskosten auswirken.
Beim Vergiessen des Bleis kann sich an der Fläche zwischen Blei und Anode oder zwischen Blei und Stromzuführung eine Oxydschicht bilden, die sich auf den elektrischen Widerstand der Gesamtanordnung nachteilig auswirkt.
Wenn der Zement mit dem Elektrolyten in Berührung steht, gibt er unweigerlich Kalzium-oder Magnesiumionen daran ab, die früher oder später das Diaphragma verstopfen.
Da eine völlige Abdichtung zwischen dem Betonsockel und den im allgemeinen eisernen Zellenwänden nur sehr schwierig zu verwirklichen ist, kommt es zum Durchsickern der Sole, das ein Rissigwerden des Betons und gefährliche Korrosionen seiner Metallbewehrung verursacht.
Infolge ihres Gewichtes können die Betonsockel nur mit Hilfe von Maschinen bewegt werden.
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schützenden Umhüllung erforderlich. Überdies verbietet sich das Schmelzen der Legierung durch die Joule'sche Wärme, weil die Kupferprofile den bevorzugten Weg für den Stromdurchgang darstellen.
Mit der Erfindung werden alle diese Nachteile überwunden. Sie betrifft somit eine Anodenanordnung für Elektrolysenzellen, die aus einem Anodentragsockel mit parallelen Hohlräumen besteht, die im wesentlichen von einer Seite der Zelle zur andern Seite reichen und von denen jeder eine Stromzuführungsschiene einschliesst, die auf einer Seite des Sockels herausragt, wobei die Basisteile mehrerer senkrechter Anodenplatten auf dieser Schiene ruhen und mit dieser mittels einer Legierung mit einem unter 2500C liegenden SChmelzpunkt fest verbunden sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens derjenige Teil des Sockels, der während der Elektrolyse in unmittelbarer Berührung mit dem Elektrolyten steht, aus einem isolierenden und chemisch inerten,
Füll-oder Verstärkungsstoff enthaltenden Kunstharz besteht und dass in jedem Hohlraum die Befestigungslegierung gegen den Angriff des Elektrolyten und der Elektrolysenprodukte durch ein Kunstharz geschützt ist, das auf die Legierung gegossen und in situ unter der Einwirkung von Wärme unter Bildung eines elastischen, leicht entfernbaren Schutzüberzuges geliert ist, der in jedem der Hohlräume die Abdichtung zwischen den Anodenplatten und dem isolierenden, inerten Full- odeur Verstärkungsstoffe enthaltenden und einen Bestandteil des Sockels bildenden Kunstharz gewährleistet.
In den Zeichnungen wird die Erfindung durch nicht beschränkende Beispiele näher erläutert.
Darin sind in Fig. l bis 5 im Querschnitt verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Anodentragsockels, in Fig. 6 eine Draufsicht auf eine besondere Ausführung einer vollständigen Anodenausbildung, und in Fig. 7 und 8 im Querschnitt und im Längsschnitt eine mit der erfindungsgemässen Anodenanordnung ausgerüstete Zelle dargestellt.
In den Fig. 1, 2, 4 und 5 ist die Schutzhülle--l--des Anodentragsockels aus einem isolierenden und chemisch inerten Material ausgeführt, das beispielsweise dem Angriff feuchten Chlors und der chlorhältigen Sole bis zu Temperaturen von mindestens 100 C widersteht und z. B. aus einem mit Glasfasern verstärkten Polyesterharz besteht.
Nach Fig. 3 bildet das gleiche inerte Material nicht nur die Schutzhülle des Sockels, sondern auch seine innere Hohlzellenstruktur--2--in Kasten-oder Wabenform, die eine Versteifung des gesamten Aufbaus ohne innere Spannungen gewährleistet. Im Bedarfsfall kann diese noch durch Einführen eines Schaumes--3--aus synthetischem Harz in die Zellen, das in situ expandiert und verfestigt wird, verbessert werden. Durch die kastenförmige Ausbildung kann eine Luftzirkulation in dem Sockel unter der Schutzhülle um und unter den parallelen Hohlräumen ermöglicht werden, was eine Kühlung der Anodenbasisteile während der Elektrolyse gewährleistet.
In den Fig. l, 2, 4 und 5 erfolgt dagegen das Versteifen des Aufbaus mit bewehrtem Beton. Die Schutzhülle--l--selbst dient dabei als Giessform. Der Beton --4-- wird nach dem Anbringen der
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2)--7-- aus inertem Material, die aus der inneren Oberfläche der Schutzhülle hervorragen und in den Beton --4-- hineinragen, sichergestellt.
In Fig. l, 2 und 3 werden die parallelen Hohlräume--8-, die man im Querschnitt sieht, durch Falten der Schutzhülle aus isolierendem und inertem Material, welche Hülle ihre Wände bildet, erhalten.
In Fig. 5 wird nur der obere Teil der Hohlräume --8-- durch die inerte Schutzhülle gebildet. Ihr unterer Teil--9--wird aus säurefestem Zement durch Vergiessen der umgekehrten und zuvor mit demontierbaren Formen zur Bildung der Hohlräume versehenen Schutzhülle hergestellt. Nach dem Erhärten des säurefesten Zements wird der bewehrte Beton eingebracht. Gegebenenfalls können diese beiden Materialien durch eine Schicht--10-- (Fig. 7, 8) aus undurchlässigem und inertem Material, beispielsweise einem synthetischen Harz, getrennt werden.
In Fig. 4 dient die Schutzhülle--l--nicht zum Aufbau der Hohlräume--8-. Sie hat vielmehr die Form einer Wanne mit flachem Boden, worin nebeneinander eine Reihe von Rohren --11-- aus isolierendem und chemisch inertem Material, beispielsweise aus mit Glasfasern verstärktem Polyesterharz, liegen. Diese Rohre liegen aneinander und sind oben mit Längsspalten --12-- zur Einführung der Anodenplatten (nicht dargestellt) versehen. Sie durchstossen die eine der Seitenwände des Sockels und verlängern sich nach aussen, um die Stromzuführungsschienen vor Korrosion zu bewahren, welche sie schützen sollen.
In den vier andern in den Fig. 1, 2, 3 und 5 dargestellten Ausführungsformen sind die Endender Kupferschienen, welche in der Draufsicht --6--
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sichtbar sind, möglichen Durchsickerungen des Elektrolyten ausgesetzt.
Welche Sockelausführung auch gewählt wird, das Innere der parallelen Hohlräume --8-- ist vorteilhafterweise immer mit einer Auskleidung --14-- aus synthetischem Material versehen, das wärmefest und nicht verformbar ist, z. B. ein gegebenenfalls mit Glasfasern oder einem andern Verstärkungsmaterial bewehrtes Epoxydharz.
Fig. 6 zeigt in der Draufsicht eine vollständige Anodenanordnung, d. h. einen Sockel, der mit Anodenplatten--15--mit darunterliegenden Stromzuführungsschienen, von denen nur die Enden --13-- sichtbar sind, und mit der Legierung zur Fixierung der Anodenbasisteile versehen ist, welche Legierung gegen Korrosion durch die elastischen Verbindungen-19-geschützt ist. Zur besseren übersichtlichkeit der Zeichnungen sind nur sechs parallele Hohlräume dargestellt. Selbstverständlich ist die Zahl der Hohlräume und ebenso die der Anoden beliebig und kann den Bereich der Erfindung nicht beschränken.
Die Anoden, die an sich keinen Teil der Erfindung darstellen, können aus jedem geeigneten die Elektrizität gut leitendem Material, wie Graphit, Magnetit, Titan oder seinen Legierungen, die mit Edelmetall oder deren Verbindungen überzogen sind, bestehen.
Die parallelen Hohlräume sind paarweise elektrisch über Brücken --16-- miteinander verbunden. Diese können in dem Sockel selbst quer zu dem Vorsprung oder zur Zwischenwand, die zwei nebeneinanderliegende Hohlräume trennt, ausgeführt sein. Im Fall der nebeneinanderliegenden Rohre (Fig. 4) genügt ein einfaches Durchbohren der beiden benachbarten Trennwände an einem Berührungspunkt, um zwischen den beiden Hohlräumen eine elektrische Verbindung über die Legierung zur Fixierung der Anoden herzustellen. Bei den andern in Fig. 1, 2, 3 und 5 erläuterten Ausführungsformen werden die paarweisen Verbindungen vorteilhaft dadurch erhalten, dass man jedem Hohlraumpaar die Form eines waagrechten U gibt (Fig. 6).
In diesem Fall stellt die Legierung die Brücke - her, indem sie sich nach dem Einsetzen der Kupferschienen--13--in die zwei nebeneinander befindliche Anodenreihen verbindende Ausnehmung ausbreitet.
Wie auch immer die Sockelstruktur beschaffen ist, kann die elektrische Verbindung auch durch einen metallischen Leiter, beispielsweise aus Titan oder mit Titan überzogenem Kupfer in Form eines umgekehrten U, hergestellt werden. Dieser Leiter überbrückt den Vorsprung oder die Trennwand, die die zwei zu verbindenden Hohlräume trennt, und ist dauernd an beiden Enden von der Legierung in den zwei Hohlräumen umschlossen und dadurch fixiert.
Die elektrische Verbindung kann auch noch über einen abnehmbaren Leiter hergestellt werden, mit dem man zeitweise zwei Bolzen aus leitendem Metall verbindet, die auf jeder Seite der Trennwand oder des Trennvorsprungs angeordnet sind, wobei der Kopf in der Versiegelungslegierung eingeschlossen ist und der mit Titan überzogene Schaft aus dieser Legierung herausragt.
Fig. 7 und 8 zeigen im Querschnitt und Längsschnitt eine Diaphragmazelle, die mit einem Sockel aus säurefestem Zement nach Fig. 5 ausgerüstet ist.
Das Anbringen der Anoden geschieht in folgender Weise. Nachdem man in die parallelen Hohlräume die Kupferschienen--13--, deren Gestalt dem Boden dieser Hohlräume angepasst ist, und gegebenenfalls die nicht dargestellten metallischen Leiter nach dem Sichern der elektrischen Verbindung in jedes Paar der Hohlräume eingeführt hat, verstopft man sorgfältig die Öffnungen-17-, die den Durchlass für die Schienen durch einen Rand des Sockels bilden, und giesst in die Hohlräume eine
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Latex aus Polyvinylchlorid, den man in situ durch Erwärmen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Legierung geliert. Man erwärmt beispielsweise durch den Joule-Effekt während 2 h auf 140 bis 160 C, indem man, wie für das Schmelzen der Legierung, den Strom in zwei verbundene Schienen schickt.
Auf diese Weise erhält man einen gleichmässigen zusammenhängenden Überzug - -19--, der eine elastische und chemisch inerte Verbindung darstellt und eine vollkommene Abdichtung zwischen den Anodenplatten--15--und der inerten Schutzhülle--l--des Sockels gewährleistet.
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Vor dem Giessen des Latex kann man vorzugsweise die Oberfläche des Graphits, der Legierung und der Wände, also aller Oberflächen, die mit dem Latex in Berührung kommen, mit einer Klebstoffunterschicht, beispielsweise einem Epoxydharz, überziehen, wodurch die Bindung zwischen den Materialien und dem gelierten Polyvinylchlorid verbessert wird.
Die parallelen Hohlräume können von beliebigem Querschnitt sein. Vorteilhaft sind sie nach oben, wie man aus den Querschnittsfiguren sehen kann, derart verjüngt, dass sie zwischen ihren Rändern die elastische Verbindung festhalten und ihr Ablösen oder zufälliges Abreissen verhindern.
Auf die so erhaltene Anodenanordnung bringt man den metallischen Kathodenkasten-20-- auf, dessen kathodische Elemente --21-- in Form eines Netzes oder eines durchlochten Blechs ein nicht dargestelltes Diaphragma aus Asbestfasern tragen. Diese kathodischen Elemente --21-- sind vorteilhaft an der Basis (Fig. 7) derart verjüngt, dass eine örtliche Verdickung des Diaphragmas bei seiner Anbringung und ein Kontakt zwischen Anode und Diaphragma infolge einer örtlichen Aufblähung von diesem während der Elektrolyse vermieden wird. Der Kathodenkasten-20-ist mit Leitungen - 22 und 23-zur Entfernung der Lauge und des Wasserstoffes, mit einer einen hydraulischen
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Blech verstärktem Polypropylen.
Er weist einen Soleeinlass-29--, einen Chlorauslass-30-und einen Niveauanzeiger-31-auf.
Eine kammförmige Einrichtung-32-, die auf den Elektroden ruht, hält den Abstand Anode-Kathode konstant. Die für die Kathoden bestimmten Ausschnitte --33-- haben im wesentlichen parallele Ränder. Die Ausschnitte-34-, in die die Anodenplatten hineinragen, haben eine Trapezform und sind an ihrem Boden enger als an ihren öffnungen, so dass bei neuen Anoden nur das Ende der Zähne-35-sich zwischen die Elektroden einfügt. Mit der Abnutzung ragen die Graphitplatten tiefer in die für sie bestimmten Ausschnitte hinein. Diese Einrichtung, die jeglichen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verhindert, kann aus jedem Material bestehen, das dem Elektrolyten und den Elektrolysenprodukten widersteht und eine ausreichende Starrheit bei der Betriebstemperatur der Zelle besitzt.
Die Materialdichte wird vorzugsweise höher als diejenige des Elektrolyten sein, damit die Einrichtung --32-- nicht auf dem Elektrolyten schwimmt.
Polyesterharze und chloriertes Polyvinylchlorid eignen sich besonders gut als Herstellungsmaterial.
In der oben beschriebenen Zelle werden endgültig jeder Kontakt zwischen chlorhältiger Sole oder feuchtem Chlor und dem Beton oder Asphalt vermieden und gleichzeitig alle durch solche Kontakte bedingten übelstände beseitigt.
Die elektrische Verbindung von Paaren paralleler Hohlräume ermöglicht das Schmelzen der Legierung und Gelieren der Schutzverbindungen in situ unter der Wirkung der durch den Stromdurchgang entwickelten Wärme.
Die Elastizität der erfindungsgemäss in situ gelierten Verbindungen ermöglicht nach dem Entleeren der Zelle sie wie einfache Stopfen herauszunehmen. Dies gibt die Möglichkeit, entweder beliebige schadhafte Anoden zu ersetzen oder alle Anoden zu erneuern, ohne auch nur einen Teil des Sockels zu zerstören.
Nach einem Austausch der Anodenplatten durch Schmelzen der Legierung reicht das Vergiessen von neuem Latex, entweder partiell in einem oder mehreren Paaren paralleler Hohlräume, oder in allen Paaren von Hohlräumen und anschliessende Gelierung in der Wärme aus, um die Schutzschicht wieder zu bilden.
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