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Die Erfindung betrifft ein Kathodenblech für die elektrolytische Gewinnung eines Metalles aus einem flüssigen Elektrolyten.
Das Kathodenblech wird in den Elektrolyten gehängt und so mit einem Gleichstrom beaufschlagt, dass es bezüglich des Elektrolyten, welcher das zu gewinnende Metall welches in Form von positiv geladenen Ionen enthält, den negativen Pol bildet uns sich das zu gewinnende Metall daran anlegt. Sobald die Schicht des zu gewinnenden Metalles am Kathodenblech eine gewisse Dicke erreicht hat, wird das Kathodenblech aus dem Stromkreis genommen und aus dem Elektrolyten herausgehoben. Das angelagerte Metall wird mittels eines Hobels abgeschält und das Kathodenblech wird wieder in den Elektrolyten gehängt und an den Stromkreis angeschlossen.
Bei der hier beispielhaft angeführten elektrolytischen Gewinnung von Zink wird ein Schwefelsäureelek- trolyt verwendet. Die zur Anlagerung des Zinkes dienenden Kathodenbleche bestehen aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung.
Die Lebensdauer der Kathodenbleche liegt in der Grössenordnung von ein bis zwei Jahren oder etwa 500 Arbeitszyklen. Die bei weitem häufigste Ursache für das Ende der Verwendbarkeit von Kathodenblechen Ist Korrosion in jenem Bereich des Kathodenbleches, welcher sich im Bereich des Badspiegels des Elektrolyten befindet. In diesem Bereich wird das Kathodenblech nicht durch angelagertes Zink geschützt und es wirken der chemisch aggressive Elektrolyt in flüssiger Form oder dampfförmig und der Luftsauerstoff gemeinsam ein und lösen das Kathodenblech langsam auf. Schliesslich muss das Kathodenblech ausgetauscht werden, da es sonst beim Abschälen des angelagerten Zinkes reissen würde.
Gemäss der DE OS 2843279 werden Isolierstreifen mit U-förmiger Querschnittsfläche aus Polyäthylen für die an den im Elektrolytbad befindlichen Rändern der Kathodenblechen vorgeschlagen. Die Isolierstreifen sollen das Anwachsen von Zink vom Rand des Kathodenbleches zu der Wandung der Elektrolysezelle hin (weiche die Anode bildet), verhindern. Ein Schutzstreifen gegen den Korroslonsangnff Im Bereich des Badspiegels Ist nicht vorgesehen.
Zum gleichen Zweck wie gemäss der DE OS 2843279 werden gemäss der EP 0454056 A1 Randleisten aus copolymerem Polyolefin mit U-förmiger Querschnittsfläche vorgeschlagen. Der Blechrand wird ragt in die von der U-förmigen Leiste gebildete Nut und ist mit der Leiste verklebt. Ein Unterwandern der Klebeverbindung durch den Elektrolyten wird dadurch erschwert, dass die beiden Schenke nicht nur am Blech kleben, sondern auch elastisch dagegen drücken. Beim Abschälen des Zinks vom Kathodenbleches werden die Randleisten kaum oder gar nicht belastet.
Die US 2. 723, 230 beschreibt eine Anode aus Bleilegierungen für die elektrolytische Gewinnung von Mangan aus einem flüssigen Elektrolyten. Dabei besteht jener Anodenteil, welcher sich im Bereich des Badspiegels des Elektrolyten befindet aus einer sehr gut korrosionsbeständigen BleiSilber-Arsen-Legierung.
Der grössere der Anode, jener welcher sich weiter unten im Elektrolytbad befindet besteht aus einer BleiSilber-Legierung, welche zwar nicht so korrosionsbeständig ist, dafür aber die störende Bildung von Mangandioxyd an der Anode verhindert. Durch die Bildung von Mangandioxyd an der Anode ginge ansonsten zuviel Mangan verloren, welches auf der Kathode abgelagert werden soll. Die beiden Anodenteile aus verschiedenen Legierungen auf Bleibasis sind durch Schweissen (bzw. Verschmelzen) miteinander verbunden.
Aus dem Bestreben heraus die durchschnittliche Lebensdauer der Kathodenbleche mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln deutlich zu erhöhen, ergibt sich die der Erfindung zugrunde hegende Aufgabe, den Korrosionsangriff auf Kathodenbleche im Bereich des Badspiegels des Elektrolyten mit möglichst einfachen Mitteln zu unterbinden.
Die Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, nämlich dadurch, dass die Kathodenbleche im Bereich des Badspiegels des Elektrolyten durch eine Schutzleiste aus copolymerem Polyolefin abgedeckt werden.
In den Ansprüchen 2 und 3 werden vorteilhafte copolymere Polyolefine für die Schutzleisten vorgeschlagen.
Die Ansprüche 4 bis 7 befassen sich mit konstruktiven Ausführungsformen der Schutzleisten.
Anspruch 8 weist auf den vermutlich wichtigsten Anwendungsfall des erfindungsgemässen Kathodenble- ches, nämlich für die Zinkelektrolyse, hin.
Die Ansprüchen 9 und 10 befassen sich mit dem Verfahren zur Anbringung der Schutzleisten am Kathodenblech.
Überraschenderweise hält die Schutzleiste ausreichend gut auf dem Kathodenblech, obwohl die Haftfläche nur eine ebenen Fläche ist und nicht wie bel der EP 0454056 A 1 eine U-förmige Nut und obwohl die Klebewirkung durch keinerlei elastischen Druck unterstützt wird. Das ist insbesondere deshalb erstaunlich, da die Verbindung zwischen Schutzleiste und Kathodenblech beim Abschälen des gewonnen Metalles vom Kathodenblech stark beansprucht wird.
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Copolymere Polyolefine im Sinne der Erfindung sind Stoffe, welche durch Polymerisation von mehreren Monomeren gebildet werden, wobei mindestens ein Olefin wie z. B. Ethylen, Propylen, Styrol oder Butadien und ein als Haftzusatz für Metalloberflächen wirkendes Comonomer wie z. B. Acrylsäure, Methacrylsäure oder Vinylacetat beteiligt sind. Vorzugsweise werden die verschiedenen Monomere schon vor der Polymerisation vermischt und dann gemeinsam polymerisiert, da damit gute Haftung und gute chemische Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien erreichbar ist.
Beispielsweise werden gute Erfolge mit Schutzleisten aus einem Copolymerisat aus einer Mischung von 90 Gewichtsprozent Ethylen mit 10 Gewichtsprozent Acrylsäure erzielt. Zur Befestigung einer solchen Schutzleiste auf einem Kathodenblech wird das Kathodenblech auf etwa 210 *C erwärmt und in dem Bereich in welchem die Schutzleiste angebracht werden soll durch Bürsten gereinigt. Schutzleiste und Kathodenblech werden daraufhin aneinandergelegt und mit einem Anpressdruck in der Grössenordnung von etwa 1 bis 2 bar aneinandengedrückt, wobei das Material der Schutzleiste etwas anschmilzt und fliesst. Die Verformung der Schutzleiste sollte durch Endanschläge für die. Schutzleiste und Kathodenblech aneinanderdrückenden Pressbacken, begrenzt werden.
Gleichzeitig mit dem Aneinanderpressen von Schutzleiste und Kathodenblech wird das Kathodenblech durch einen Luftstrom gekühlt. Sobald das Kathodenblech auf eine Temperatur von etwa 80. C abgekühlt ist, wird der Anpressdruck aufgehoben. Die mit diesem Verfahren erzielte Haftung zwischen Schutzleiste und Kathodenblech bleibt jahrelang aufrecht und wird auch durch den Elektrolyten nicht angegriffen. Das ist deswegen so, weil kein Kleber verwendet wird, welcher durch den Elektrolyten angegriffen werden könnte und weil das Material aus dem die Schutzleiste besteht ausgezeichnet chemisch beständig ist.
Fig. 1 - zeigt eine Prinzipskizze einer Anordnung eines erfindungsgemässen Kathodenbleches im
Elektrolytbad.
Fig. 2 - zeigt eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemässen Kathodenbleches im Elektrolytbad, wobei die Schnittebene vertikal, normal auf die Blechebene liegt.
Fig. 3 - zeigt eine Teilschnittansicht eines zweiten erfindungsgemässen Kathodenbleches.
Fig. 4 - zeigt eine Teilschnittansicht eines nicht mit einer Schutzleiste versehenen Kathodenbleches entsprechend dem derzeitigen Stand der Technik, welches schon einige Arbeitszyklen in der
Elektrolyse eingesetzt wurde und dabei im Bereich des Badspiegels des Elektrolyten durch
Korrosion schon gefährlich geschwächt wurde.
Wie in Fig 1 ersichtlich befindet sich das Kathodenblech 2 in dem durch die Wandung 1 begrenzten Elektrolytbad. Das Kathodenblech 2 ist mit einer Tragleiste 3 verschweisst, welche mit Haken 4 zum Manövrieren des Elementes und einem Kontaktstück 5 für den elektrischen Anschluss versehen ist. In den meisten Anwendungsfällen ist der im Elektrolytbad befindliche Teil des Randes des Kathodenbleches durch zwei oder drei Randleisten 6 mit U-förmigem Querschnitt abgedeckt, wodurch ein Anwachsen von Zink am Kathodenblech auf die Wandung 1 hin verhindert wird.
Neu ist die Schutzleiste 10, welche im Bereich des Badspiegels des Elektrolyten 7 auf der Fläche des Kathodenbleches angebracht ist und von Rand zu Rand, bzw. von Randleiste zu Randleiste reicht.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann die Schutzleiste 10 einfach ein Streifen mit rechteckförmiger Querschnittsfläche sein. Da sich beide Seiten eines Kathodenbleches 2 im Elektrolyten befinden, wird auch an beiden Seiten eine Schutzleiste angebracht. Die Schutzleiste sollte so angebracht werden, dass sie sich mit einem kleinen Teil ihrer Querschnittsfläche unterhalb des Badspiegels des Elektrolyten 7 befindet und mit einem grösseren Teil über dem Badspiegel. Wie in Fig. 4 ersichtlich, liegt nämlich auch die Mitte des Bereiches in dem bei ungeschütztem Kathodenblech Korrosion auftritt, über dem Badspiegel. Am Besten ist es die Schutzleiste so auszulegen und anzuordnen, dass sie genau jenen Bereich, in welchem bei ungeschütztem Kathodenblech eine störende Korrosion auftreten würde, abdeckt.
Dieser Korrosionsbereich ist für jede Zinkelektrolyse durch die Arbeitsweise ohne Schutzleiste gut bekannt. Die Schutzleiste sollte zumindest so hoch sein, dass über ihr das Kathodenblech nicht durch Wellen oder Schaumkronen auf dem Elektrolyten benetzt wird.
Beispielsweise können die Querschnittsabmessungen der Schutzleiste 80x1, 5 mm betragen, wobei sich ein 20 mm hoher Querschnittsbereich der Schutzleiste unterhalb des Badspiegels des Elektrolyten befindet.
Das Abschälen des am Kathodenblech angelagerten Zinkes erfolgt im Normalfall mittels eines Hobels, welcher am oberen Bereich des Kathodenbleches, also nahe an der Tragleiste 3, ansetzt und sich auf die Unterkante des Kathodenbleches hin bewegt. Bei manchen Konstruktionsformen von Hobeln kann das Ansetzten des Hobels am Kathodenblech dadurch, dass die Schutzleiste 10 über der Oberfläche des Kathodenbleches erhaben liegt, behindert werden.
Fig 3 zeigt zwei konstruktive Merkmale durch weiche diese möglichen Behinderungen vermindert oder vermieden werden können. Zum einen ist es möglich das Kathodenblech 2 in dem Bereich in welchem eine Schutzleiste 10 angebracht wird, mit einer Vertiefung 21 zu versehen, wodurch bewirkt wird, dass die
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Schutzleiste gegenüber der Kathodenblechoberfläche weniger oder gar nicht erhaben liegt. Zum anderen ist es möglich die Querschnittsfläche der Schutzleiste 10 zumindest an der dem Elektrolyten - und damit dem angelagerten Zink - zugewandten Seite mit einer Abschrägung 11 zu versehen, sodass sich die Schutzleiste nicht abrupt von der Kathodenblechoberfläche erhebt, sondern kontinuierlich.
Diese Abschrägung 11 kann an einer Schutzleiste mit ursprünglich rechteckförmiger Querschnittsfläche beim Vorgang des Verbindens mit dem Kathodenblech gebildet werden. Wie schon beschrieben fliesst das Material der Schutzleiste beim Verbinden zufolge von Temperatur und Anpressdruck etwas. Durch eine geeignete, flach trogartige Form der Pressbacken, kann dieser Materialfluss so eingestellt werden, dass sich damit die gewünschte Änderung der Querschnittsform der Schutzleiste ergibt.
An der Schutzleiste legt sich vorteilhafterweise kein Zink an, da die Schutzleiste nicht elektrisch leitet.
Da die Schutzleisten aus einem einfachen, gängigen Material hergestellt werden können, einfach anzubringen sind, sehr lange halten, störende Korrosion verhindern und damit die Lebensdauer von Kathodenblechen wesentlich erhöhen, wird durch die Erfindung eine merkliche Verringerung der Produktionskosten des mittels Elektrolyse gewonnenen Metalles erreicht.
Die Schutzleiste kann aufgebracht werden, ohne dass das Kathodenblech geschweisst oder auch nur stark erhitzt werden muss. Damit werden durch die Schutzleiste auch keine örtlichen Veränderungen der Legierungszusammensetzung oder des Kristallgefüge des Kathodenbleches bedingt. Solche Veränderungen wären Schwachstellen in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit.
Die Erfindung ist nicht nur für die elektrolytische Gewinnung von Zink, sondern generell bei der elektrolytischen Gewinnung von Metallen aus einem flüssigen Elektrolyten, welcher das Kathodenblech, an welchem sich das Metall anlagert, chemisch angreift, vorteilhaft anzuwenden.