AT519418A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung zumindest eines flüssigen Reaktionsproduktes - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung zumindest eines flüssigen Reaktionsproduktes mit folgenden nacheinander ablaufenden Verfahrensschritten: a) Adsorption von Ionen aus einer ionenhaltigen wässrigen Lösung durch Leiten der Lösung im geschlossenen Kreislauf durch eine einen Ein-und einen Auslass (3, 4) aufweisende Zelle (1) mit zumindest einem Paar von mit einer Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle verbundenen dreidimensionalen Elektroden (9), wobei die Lösung kapazitiv deionisiert wird, b) Schließen von Ein-und Auslass (3, 4) der mit wässriger Lösung gefüllten Zelle (1), c) Umpolen von zumindest einer der Elektroden (9) des Elektrodenpaares mit einer Hilfselektrode (10, 10‘, 10‘‘, 10‘‘‘), wobei die zuvor in dieser Elektrode (9) adsorbierten Ionen desorbiert werden und je nach ihrer Ladung entweder mit Hydroxidionen oder Oxoniumionen zum flüssigen Reaktionsprodukt umgesetzt werden und d) Ableiten des Reaktionsproduktes.

Description

pro aqua Diamantelektroden Produktion GmbH & Co KG PA 8613

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung zumindest eines flüssigen Reaktionsproduktes

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung zumindest eines flüssigen Reaktionsproduktes, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine ionenhaltige wässrige Lösung kapazitiv deionisiert wird. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung weist eine Zelle auf, in welcher mindestens ein Paar von dreidimensionalen, zur Adsorption von Ionen aus einer ionenhaltigen wässrigen Lösung geeigneten Elektroden positioniert ist, welche mit Gleichspannung oder Gleichstrom versorgbar sind.

Es ist bekannt, eine kapazitive Deionisation an dreidimensionalen Elektroden in Zellen durchzuführen, welche entweder frei durchgängig angeordnet sind oder durch eine oder mehrere, gegebenenfalls selektiv ionendurchlässige Membran(en) räumlich getrennt sind.

Bei der kapazitiven Deionisation wird eine ionenhaltige Flüssigkeit in eine derartige Zelle eingebracht, wobei entsprechend ihrer Polarität die geladenen Teilchen in die Elektroden diffundieren. Diese Phase dauert an bis die Elektroden mit Ionen gesättigt sind und die Spannung zwischen den Elektroden nicht mehr über die Flüssigkeit abfällt. Die deionisierte Flüssigkeit wird üblicherweise der Zelle entnommen. Für die nachfolgende Regenerationsphase wird eine Sole in die Zelle eingebracht und die Spannung zwischen den Elektroden zurückgesetzt, wobei die Ionen aus den Elektroden in die Sole diffundieren. Ein bestimmtes Volumen an Sole wird üblicherweise mehrmals zur Regeneration der Elektroden verwendet, wobei sich die Ionenkonzentration in der Sole mit jedem Mal weiter erhöht. Derartige Zellen eignen sich beispielsweise zur Entsalzung von Meerwasser.

Eine kapazitive Deionisationseinrichtung zur Deionisierung einer ionenhaltigen Flüssigkeit mit mindestens zwei Zellen, welche mit einer Spannungsquelle verbunden sind, wobei jede

Zelle eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, ist beispielsweise aus der EP 1 164 110 Al bekannt. Die vorgesehenen Zellen sind elektrisch in Serie geschaltet. Dabei kann die zweite Elektrode in der ersten Zelle mit der ersten Elektrode einer benachbarten zweiten Zelle zusammenfallen und eine bipolare Elektrode bilden. Während der Reinigungsphase ist es möglich, die Zellen durch Absperrungen hydrodynamisch zu entkoppeln. Aus der EP 2 874 951 B1 ist ein Verfahren zur Reinigung von Wasser unter Verwendung von kapazitiver Deionisierung bekannt, welches ein Wiederholen einer Reihe von Zyklen umfasst, während derer Wasser ein oder mehrere Paare entgegengesetzt gepolter Elektroden durchläuft. Auch hier erfolgt grundsätzlich zuerst eine Adsorption der Ionen in den Elektroden, sodass das Wasser deionisiert wird. Im zweiten Schritt, einem Regenerationsschritt, wird die Polarität der Elektroden umgekehrt und die Ionen aus den Elektroden desorbiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, unter Verwendung des bekannten Verfahrens der kapazitiven Deionisation und der nachfolgenden Desorption bestimmte flüssige Reaktionsprodukte herzustellen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfmdungsgemäß mit einem Verfahren, welches folgende nacheinander ablaufenden Verfahrensschritte aufweist: a) Adsorption von Ionen aus einer ionenhaltigen wässrigen Lösung durch Leiten der Lösung im geschlossenen Kreislauf durch eine einen Ein-und einen Auslass aufweisende Zelle mit zumindest einem Paar von mit einer Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle verbundenen dreidimensionalen Elektroden, wobei die Lösung kapazitiv deionisiert wird, b) Schließen von Ein-und Auslass der mit wässriger Lösung gefüllten Zelle, c) Umpolen von zumindest einer der Elektroden des Elektrodenpaares mit einer Hilfselektrode, wobei die zuvor in dieser Elektrode adsorbierten Ionen desorbiert werden und je nach ihrer Ladung entweder mit Hydroxidionen oder Oxoniumionen zum flüssigen Reaktionsprodukt umgesetzt werden und d) Ableiten des Reaktionsproduktes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist folgende Komponenten auf: eine Zelle mit einem Einlass und einem Auslass zum Ein- und Durchleiten einer ionenhaltigen wässrigen Lösung, zumindest ein in der Zelle positionierten Paar von dreidimensionalen, zur Adsorption von

Ionen aus der ionenhaltigen Lösung geeigneten Elektroden, zumindest eine Hilfselektrode pro Paar von dreidimensionalen Elektroden, zumindest eine Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle, mehreren verschließ- und öffenbare Ableitungen zum Ausleiten von gasförmigen

Nebenprodukten und zum Ableiten von flüssigen Reaktionsprodukten aus der Zelle.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung gestatten es daher, innerhalb einer einzigen Zelle durch kapazitive Adsorption von Ionen und anschließender Desorption mittels zumindest einer Hilfselektrode pro Elektrodenpaar gezielt bestimmte Reaktionsprodukte zu erzeugen. Die erfmdungsgemäße Vorrichtung und das erfmdungsgemäße Verfahren eröffnen eine Vielzahl vorteilhafter, bislang wirtschaftlich nicht durchführbarer Anwendungen.

So können beispielsweise aus einer NaCl enthaltenden Lösung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren NaOH-Lauge und HCl in Lösung als Reaktionsprodukte gewonnen werden. Ein weiteres Beispiel ist die Rückgewinnung von Säuren oder Basen, die zu pH-Wertverschiebungen verwendet wurden. Zum Beispiel fällt bei der Eindampfung von Gärresten aus Biogasanlagen oder der Eindampfung von Gülle eine wässrige Ammoniaklösung an. Ammoniak liegt zunächst in einer Gleichgewichtsituation mit Ammonium-Ionen vor. Durch Zugabe einer Säure (z.B. Schwefelsäure) wird das Gleichgewicht auf die Seite der Ammonium-Ionen verschoben, wobei bei hinreichend niedrigem pH-Wert fasst nur mehr Ammonium-Ionen vorhanden sind. Die Schwefelsäure dissoziiert, sodass Sulfat-Ionen vorliegen. Die Sulfat-Ionen, die Ammonium-Ionen und die in der Lösung vorliegenden Oxonium-Ionen sind der kapazitiven Deionisation zugänglich. Bei der anschließenden Desorption der Ionen kann Schwefelsäure zurückgewonnen und gleichzeitig Ammoniaklösung produziert werden. Weitere vorteilhafte Anwendungen sind beispielsweise die Rückgewinnung von Basen oder Säuren aus Aufschlussprozessen und die Rückgewinnung von Basen oder Säuren durch ChemiSorptionen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfmdungsgemäße Vorrichtung können auf unterschiedliche Weise optimal an die jeweilige Anwendung bzw. Verwendung angepasst werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann in Schritt b) des Verfahrens die wässrige Lösung die zuvor deionisierte Lösung sein. Bei einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Variante der Erfindung kann vor Schritt b) die deionisierte Lösung abgelassen werden und durch eine andere wässrige Lösung ersetzt werden.

In Schritt c) des Verfahrens, in welchem eine Desorption der zuvor adsorbierten Ionen erfolgt, können bei der Umsetzung zum Reaktionsprodukt gasförmige Nebenprodukte entstehen, welche aus der Zelle abgeleitet werden.

Bei einer Ausführungsvariante des erfmdungsgemäßen Verfahrens werden unmittelbar nach Schritt b) die Elektroden jedes Elektrodenpaares in der Zelle räumlich sowie flüssigkeits- und ionendicht voneinander getrennt und anschließend in Schritt c) mit je einer Hilfselektrode umgepolt. Bei einer alternativen Ausführungsvariante, bei welcher ebenfalls eine mechanische Trennung der Elektroden jedes Elektrodenpaares erfolgt, werden unmittelbar nach Schritt b) diese Elektroden flüssigkeits- und ionendicht mittels einer bipolaren Hilfselektrode voneinander getrennt. Bei Ausführungen mit einer mechanischen Trennung der Elektroden der vorgesehenen Elektrodenpaare können jeweils in den beiden Kammern gleichzeitig zwei unterschiedliche Reaktionsprodukte erzeugt werden. Dabei erfolgen die Desorption und die Umsetzung zu Reaktionsprodukten jeweils mit einer Gleichspannung oberhalb der Zersetzungsspannung der wässrigen Lösung, demnach unter Elektrolysebedingungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders einfach und vorteilhaft ohne mechanische Trennung der Elektroden jedes Elektrodenpaares durchführbar, wobei bei einer diesbezüglich bevorzugten und erfindungsgemäßen Variante des Verfahrens in Schritt c) zuerst die eine Elektrode jedes Elektrodenpaares mit einer Hilfselektrode umgepolt wird und die zuvor in dieser Elektrode adsorbierten Ionen desorbiert und zum ersten Reaktionsprodukt umgesetzt werden, wobei anschließend die zweite Elektrode mit der gleichen Hilfselektrode umgepolt wird und die zuvor in dieser Elektrode adsorbierten Ionen desorbiert und zum zweiten Reaktionsprodukt umgesetzt werden.

Bei dieser Variante der Erfindung ist die Hilfselektrode vorzugsweise eine dreidimensionale Elektrode, sodass die Desorption und die Umsetzung zu Reaktionsprodukten jeweils mit einer Gleichspannung unterhalb der Zersetzungsspannung der wässrigen Lösung durchgeführt werden können.

Bei einer weiteren Variante des erfmdungsgemäßen Verfahrens, die keine mechanische Trennung der Elektroden jedes Elektrodenpaares erfordert und bei welcher nacheinander die Reaktionsprodukte erzeugt werden, wird in Schritt c) zuerst die eine Elektrode mit einer Hilfselektrode umgepolt und die zuvor in dieser Elektrode adsorbierten Ionen desorbiert und zum ersten Reaktionsprodukt umgesetzt, wobei anschließend die zweite Elektrode mit einer zweiten Hilfselektrode umgepolt wird und die zuvor in dieser Elektrode adsorbierten Ionen desorbiert und zum zweiten Reaktionsprodukt umgesetzt werden.

Bei dieser Verfahrensvariante werden jeweils die Desorption und die Umsetzung zu Reaktionsprodukten mit einer Gleichspannung oberhalb der Zersetzungsspannung der wässrigen Lösung unter Elektrolysebedingungen durchgeführt.

Bei der bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Hilfselektroden innerhalb der Zelle positioniert und somit gemeinsam mit den dreidimensionalen Elektroden der Elektrodenpaare zu einem Elektrodenpaket zusammengefügt, in welchem sämtliche Elektroden zueinander unter einem definierten Abstand angeordnet sind. Ein solches Elektrodenpaket enthält daher bevorzugter Weise auch elektrisch nicht leitende Abstandhalter zwischen den Elektroden, wobei zusätzlich und optional jede Elektrode zur gleichmäßigen Kontaktierung auch mit einem Stromsammler in Kontakt sein kann. Stromsammler sind an sich bekannt und bestehen aus einem elektrisch gut leitenden Material. In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Stromsammler eingesetzt, welche auch gut durchströmbar sind. Ausführungen der Stromsammler aus einem offenporigen, metallischen Material, einem Gitter oder dgl. sind daher bevorzugt.

Bei einer Ausführungsvariante der erfmdungsgemäßen Vorrichtung ist jede Hilfselektrode eine bipolare Elektrode, welche in die Zelle, jeweils zwischen die Elektroden eines Paares von dreidimensionalen Elektroden, einschiebbar und aus dieser herausschiebbar ist.

Bei einer Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher eine mechanische Trennung der jeweils zwei zu einem Elektrodenpaar gehörenden dreidimensionalen Elektroden vorgesehen ist, kann zwischen den Elektroden jedes Elektrodenpaares eine Zelltrennwand vorgesehen, also eingebaut, sein, welche eine flüssigkeits- und ionendichte Abtrennung ermöglicht. Jede Zelltrennwand kann, um vorerst eine gute Durchströmung der wässrigen Lösung sicherzustellen, verschließbare Öffnungen aufweisen. Alternativ kann vorgesehen sein, diese Zelltrennwände in die Zelle bzw. die Elektrodenpakete einzuschieben und aus diesen herauszuschieben.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die dreidimensionalen Elektroden poröse Elektroden, Festbett- bzw. Partikelelektroden oder Gasdiffusionselektroden. Das Elektrodenmaterial der dreidimensionalen Elektroden kann ein Material aus der Gruppe Aktivkohle, Glassy Carbon, Ni/Al-, Ni/Zn-Composits, Kohlenstoff-Aerogele, Al/Si-Nano-Composits, Graphen oder ein offenporiger Metall- oder Kunststoffschaum mit großer Oberfläche und leitfähiger Beschichtung, beispielsweise aus Platin, sein.

Erfmdungsgemäße Vorrichtungen enthalten vorzugsweise mehrere Paare von dreidimensionalen Elektroden und eine entsprechende Anzahl von Hilfselektroden, wobei die je nach Verfahrensschritt als Anode und Kathode geschalteten dreidimensionalen Elektroden und Hilfselektroden elektrisch in Serie oder parallel schaltbar sind.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der schematischen Zeichnung, die Ausführungsbeispiele darstellt, näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. f a bis Fig. lf Ansichten einer Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung und ihre Funktion,

Fig. 2a bis Fig. 2f Ansichten einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihre Funktion,

Fig. 3a bis Fig. 3g Ansichten einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihre Funktion,

Fig. 4a bis Fig. 4g Ansichten einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihre Funktion,

Fig. 5a bis Fig. 5g Ansichten einer fünften Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung und ihre Funktion und

Fig. 6 eine weitere schematische Ansicht einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung. ln der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Teile grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Des Weiteren beziehen sich Positionsangaben wie oben, unten, links und rechts und dergleichen auf die Darstellungen in den Figuren. In einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wird zuerst eine wässrige Lösung kapazitiv deionisiert und anschließend werden, wie im Detail noch beschrieben wird, Reaktionsprodukte hergestellt.

Fig. la, Fig. 2a, Fig. 3a, Fig. 4a und Fig. 5a zeigen jeweils eine Zelle 1 mit einem flüssigkeitsdicht und elektrisch nicht leitend ausgeführten, beispielsweise aus einem Kunststoff bestehenden Gehäuse 2, welches einen Einlass 3 und einen Auslass 4, wobei Ein- und Auslass 3, 4 an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 2 vorgesehen sind, aufweist. In das Gehäuse 2 münden mehrere Ableitungen 5, 6, 7 und 8, deren Funktion bei der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele erläutert wird. Die Ableitungen 5, 6 befinden sich am oberen Teil des Gehäuses 2, die Ableitungen 7, 8 am unteren. Der Einlass 3, der Auslass 4 und die Ableitungen 5 bis 8 sind mittels nicht bezeichneter Absperrungen und wie es in den Figuren mit Pfeilen angedeutet ist und noch beschrieben wird verschließ- und öffenbar. Das Gehäuse 2 kann aus mehreren, beispielsweise aus zwei, miteinander fest verbundenen, nicht dargestellten Gehäuseteilen bestehen.

Im Gehäuse 2 ist zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 jeweils zumindest ein Paar von Elektroden 9 positioniert. Die Elektroden 9 gehören vorzugsweise zu einem vorgefertigten Elektrodenpaket, welches nicht dargestellt ist und in welchem die Elektroden 9, ggf. gemeinsam mit weiteren Elektrodenpaaren und Hilfselektroden 10, 10‘, 10“und 10‘“, wie noch beschrieben wird, parallel zueinander angeordnet sind und durch elektrisch nicht leitende Distanzhalter unter gegenseitigen Abständen positioniert sind und ggf. über nicht leitende Klemmelemente miteinander verbunden sind. Die Distanzhalter sind beispielsweise dünne, etwa 0,01 mm bis zu 3,0 mm dicke, plattenförmige, von beiden Seiten für Flüssigkeiten durchlässige, beispielsweise gitterartig gestaltete Bauteile. Die Distanzhalter können auch aus einem für Flüssigkeiten durchlässigen Material bestehen und sollen Flüssigkeiten keinen oder einen nicht nennenswerten Widerstand bieten. Als Material für die Distanzhalter kommen beispielsweise die folgenden Materialien in Frage: Nylon, Polyamid, Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen, Polypropylen,

Polyvinylidenfluorid (PVDF) sowie Polytetrafluorethylen (PTFE). Das Material wird dabei entsprechend seiner chemischen Beständigkeit gegenüber der wässrigen Lösung bzw. dem hergestellten Reaktionsprodukt gewählt.

Das Elektrodenpaket ist derart im Gehäuse 2 oder an einer im Gehäuse 2 positionierten Halterung angeordnet, dass es zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4, bei den gezeigten Ausführungen quer durch die Zelle 1, von Flüssigkeit gut durchströmt werden kann.

Die elektrische Verbindung sämtlicher Elektroden an eine außerhalb der Zelle 1 befindliche Gleichspannungsquelle erfolgt beispielsweise in an sich bekannter Weise mittels aus dem Gehäuse 2 und gegenüber diesem abgedichtet heraus geführter und die Elektroden kontaktierende elektrische Leiter.

Die Elektroden 9 sind von Flüssigkeit durchströmbare und zur kapazitiven Adsorption von Ionen geeignete dreidimensionale Elektroden mit einer großen aktiven Oberfläche, welche im Gegensatz zu den üblichen, glatte Oberflächen aufweisenden Elektroden eine Struktur mit innerer Oberfläche aufweisen. Dreidimensionale Elektroden können insbesondere poröse Elektroden, Festbett- oder Partikelelektroden oder Gasdiffusionselektroden sein.

Poröse Elektroden bestehen üblicherweise aus einer mechanisch stabilen Trägerschicht, einem Substrat, auf dessen Oberfläche eine poröse Schicht aufgebracht ist, wobei die Schichtdicke einige Zehntelmillimeter bis einige Millimeter betragen kann. Bei Festbettoder Partikelelektroden dient jeweils eine Schüttung aus leitenden Partikeln als Elektrode. Als Material für die Partikel kommen beispielsweise Aktivkohle oder Glaskohlenstoff (Glassy Carbon) in Frage, ferner Ni/Al-, Ni/Zn-Composits, Kohlenstoff-Aerogele, Al/Si-Nanocomposits oder Graphen. Die Partikel stehen in elektrischem Kontakt mit einer Ableitelektrode zur äußeren Spannungsversorgung, sind beispielsweise in einem Netz fixiert und werden vom Elektrolyten durchströmt. Bei einerweiteren Ausführungsform solcher Elektroden werden formstabile Körper, beispielsweise aus Aktivkohle, verwendet, welche ebenfalls vom Elektrolyten durchströmbar sind. Wenn die Zelle 1, wie gezeigt, quer zu den Elektroden 9 durchströmt wird, ist es vorteilhaft, wenn die dreidimensionalen Elektroden 9 als Festbett- oder Partikelelektroden oder als offenporige Blockelektroden ausgeführt sind, beispielsweise als gesinterte, poröse Metallscheiben aus Titan mit Platinbeschichtung.

Bevorzugt ist die Verwendung kohlenstoffhaltiger Materialien für die dreidimensionalen Elektroden 9, etwa in Form von Fasern, Geweben, Aerogel, Pulver oder Glaskohlenstoff (Glassy Carbon), vorzugsweise Aktivkohle (in Form von Scheiben oder Platten), Karbonfasergewebe, Kohlegewebe, Karbonaerogel, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen, mesoporösem Kohlenstoff, Kohlefaserverbundverkstoffen und dergleichen, dies sind sämtlich Materialien, die über eine sehr große spezifische Oberfläche verfügen. In Frage kommen beispielsweise Zorflex FM 100 und Zorfles FM 10 der Firma Chemviron. Die dreidimensionalen Elektroden 9 können auch aus einem offenporigen Metall- oder Kunststoffschaum mit großer Oberfläche und leitfähiger Beschichtung, beispielsweise aus Platin, bestehen.

In Zellen 1 gemäß der Erfindung werden Reaktionsprodukte in aufeinander folgenden Verfahrensphasen hergestellt, wobei zuerst eine kapazitive Adsorptionsphase und nachfolgend eine Desorptionsphase, ggf. gleichzeitig mit einer Elektrolyse, durchgeführt werden. In der Adsorptionsphase werden die Paare von Elektroden 9 mit Gleichspannung versorgt. Die angelegte Gleichspannung liegt dabei unterhalb der Zersetzungsspannung des jeweiligen in die Zelle 1 eingeleiteten und durch diese durchgeleiteten Elektrolyten. Alternativ kann ein pulsierender Gleichstrom passender Frequenz und Pulsweite eingesetzt werden, wobei in diesem Fall auch höhere Spannungsdifferenzen zwischen der Anode und der Kathode genützt werden können, um die Leistung der Zelle 1 zu erhöhen. Nach dem Abschluss der Adsorptionsphase folgt die zweite Verfahrensphase, die Desorptionsphase mit oder ohne Elektrolyse mittels zumindest einer Hilfselektrode 10, 10‘, 10“, 10‘“ die entweder in das Elektrodenpaket bereits eingebunden ist oder in das vorhandene Elektrodenpaket in einer bestimmten Verfahrensphase eingeschoben wird. Dabei kann nach dem Abschluss der Adsorptionsphase die in der Zelle 1 befindliche Flüssigkeit in der Zelle 1 belassen werden oder es wird diese Flüssigkeit bei unterbrochener Spannungsversorgung abgelassen und durch einen für die nachfolgende Desorptionsphase besser geeigneten Elektrolyten ersetzt, je nachdem, welche Reaktionsprodukte entstehen sollen.

Das Elektrodenmaterial der Hilfselektroden 10, 10% 10“, 10‘“ wird einerseits auf die Zusammensetzung des Elektrolyten abgestimmt und andererseits in Abhängigkeit der gewünschten Reaktionsprodukte gewählt. Grundsätzlich kommen als Elektrodenmaterialien für die Hilfselektroden 10, 10‘, 10“, 10“ ‘ die marktüblichen Materialien in Frage, beispielsweise Kohlenstoff (Kohle, Graphit, Glassy Carbon, dotierter Diamant), Eisen, Nickel, Blei, Iridium, Ruthenium, Iridium/Ruthenium oder Platin enthaltende Materialien. Die Hilfselektroden 10, 10‘, 10“, 10‘“ können auch beliebige dreidimensionale Elektroden sein. Um die Durchströmung der Zelle 1 bzw. des Elektrodenpaketes zu gewährleisten, kann es je nach Ausführungsform erforderlich sein, dass die Hilfselektroden 10, 10‘, 10“, 10‘“ selbst durchströmbar sind, beispielsweise gitterförmig oder offenporig ausgeführt sind.

Ausführungsvarianten von erfmdungsgemäßen Zellen 1 sowie ihre grundsätzlichen Funktionsweisen werden nachfolgend anhand der in Fig. la bis lf (Beispiel 1), Fig. 2a bis 2f (Beispiel 2), Fig. 3a bis 3g (Beispiel 3), Fig. 4a bis 4g (Beispiel 4) und Fig. 5a bis 5g (Beispiel 5) gezeigten Darstellungen näher beschrieben. Dabei werden die ablaufenden Verfahrensphasen beispielhaft anhand einer ein Paar von Elektroden 9 enthaltenden Zelle 1, einer NaCl-Lösung als Ausgangslösung und der Herstellung von NaOH und HCl als Reaktionsprodukte beschrieben.

Beispiel 1 (Fig. labis lf):

Fig. la zeigt eine Zelle 1 mit einem Elektrodenpaket aus zwei dreidimensionalen Elektroden 9, die nebeneinander unter einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, und aus je einer außenseitig j eder dreidimensionalen Elektrode 9 angeordneten Hilfselektrode 10.

Die Zelle 1 bzw. das Elektrodenpaket kann mittels einer Zelltrennwand 15 (Fig. Id) in zwei Kammern, von welchen jede eine dreidimensionale Elektrode 9 und eine Hilfselektrode 10 enthält, flüssigkeits- und ionendicht getrennt werden.

Die Zelltrennwand 15 kann beispielsweise eine fest eingebaute Wand sein, die entweder eine Anzahl von Löchern oder zumindest einen Schlitz aufweist, sodass Flüssigkeit ungehindert die gesamte Zelle 1 durchströmen kann. In die Zelltrennwand 15 können zum Beispiel aufblasbare oder expandierbare Elemente eingebaut sein, die die Löcher bzw. Schlitze verschließen können. An Stelle aufblasbarer oder expandierbarer Elemente können innerhalb der Zelltrennwand 15 Schieber eingebaut sein, welche die Löcher bzw. die Schlitze verschließen können. Alternativ kann vorgesehen sein, die Zelltrennwand 15 in die Zelle 1 bzw. das Elektrodenpaket einzuschieben und herauszuschieben.

Die Funktionsweise dieser Ausführungsform wird nun anhand der Figuren la bis lf näher beschrieben.

Fig, la. Adsorption:

Zur Durchführung der ersten Phase, der Adsorptionsphase, wird über den Einlass 3 und den Auslass 4 die NaCl-Lösung in einem geschlossen Kreislauf durch das Innere der Zelle 1 durchgeleitet, die Ableitungen 5 bis 8 sind geschlossen. Die Elektroden 9 werden unter Gleichspannung gesetzt, so dass aus der NaCl-Lösung die Nationen in der als Kathode dienenden links befindlichen Elektrode 9 und die Cl'-Ionen in der als Anode dienenden rechts befindlichen Elektrode 9 adsorbiert werden. Dieser Vorgang kommt zum Erliegen, sobald alle Oberflächenplätze der Elektroden 9 besetzt sind oder wenn die Ionen der Lösung weitgehend oder vollständig adsorbiert sind. Die Migration der Ionen zur jeweiligen Elektrode 9 erfolgt auf Grund der hydraulischen Verbindung zwischen den Elektroden 9, solange freie Oberflächenplätze und Ionen vorhanden sind fließt elektrischer Strom. Die Spannungsdifferenz zwischen der Anode und der Kathode wirkt als Triebkraft und liegt unterhalb der Zersetzungsspannung, sodass keine Elektrolyse stattfindet. Die Sättigung der Elektroden 9 wird durch den entsprechend zurückgehenden Stromfluss bemerkbar.

Fig, lb, adsorbierter Zustand:

Beim Abschluss der Adsorptionsphase ist die zugeführte Flüssigkeit von Ionen abgereichert bzw. auch komplett deionisiert.

Fig, lc. Schließen des Ein- und des Auslasses

Vor der Durchführung der nun folgenden Desorptions- und Elektrolysephase werden der Einlass 3 und der Auslass 4 geschlossen, die Ableitungen 5, 6, 7 und 8 bleiben geschlossen.

Fig, ld. Abtrennen der Räume:

Die Zelle 1 wird mittig zwischen den Elektroden 9 mit der Zelltrennwand 15 flüssigkeits-und ionendicht geteilt.

Fig, le. Umpolung der Elektroden 9 und Elektrolyse:

Die Ableitungen 5 und 6 werden geöffnet. In jeder Kammer wird die Elektrode 9 mit der Hilfselektrode 10 umgepolt, die Gleichspannung auf einen Wert oberhalb der Zersetzungsspannung der wässrigen Lösung in der Zelle 1 eingestellt. In der linken Kammer desorbieren die Natriumionen aus der Elektrode 9, an der Hilfselektrode 10, die nunmehr als Kathode fungiert, wird elektrolytisch Wasserstoff aus Wasser gebildet, wobei Hydroxidionen (OH'-Ionen) in der Lösung verbleiben. Dadurch entstehen in der linken Kammer der Zelle 1 im konkreten Beispiel Natronlauge und Wasserstoff (H2), welcher über die Ableitung 5 nach außen entweicht. In der rechten Kammer der Zelle 1 desorbieren die Chloridionen (CT - Ionen) aus der Elektrode 9 und es wird an der rechten Hilfselektrode 10, welche als Anode fungiert, elektrolytisch Sauerstoff (O2) aus Wasser gebildet, welcher über die Ableitung 6 aus der Zelle 1 entweicht. In der Lösung verbleiben Oxoniumionen H30+, die mit den Cl'-Ionen zu Salzsäure reagieren. Wenn die Elektrolyse hinreichend langsam erfolgt, so erreichen auch Cl'-Ionen die Kathode und werden zu Chlor oxidiert. Dieses Chlor löst sich zum Teil im Wasser und bildet derart Hypochlorige Säure. Bei niedrigen pH-Werten sind deren Konzentrationen jedoch sehr gering.

Fig. lf, Ablassen der Reaktionsprodukte:

Die Ableitungen 5 und 6 werden geschlossen, die flüssigen Reaktionsprodukte, im konkreten Fall Natronlauge und Salzsäure, werden über die nun geöffneten Ableitungen 7 und 8 den Kammern der Zelle 1 entnommen.

Beispiel 2 (Fig, 2a bis 2f):

Die Zelle 1 dieses Ausführungsbeispiels weist ein Elektrodenpaket aus zwei dreidimensionalen Elektroden 9 auf.

Die Zelle 1 bzw. das Elektrodenpaket kann mittels einer bipolaren Hilfselektrode 10‘ (Fig. 2d) in zwei Kammern flüssigkeits- und ionendicht getrennt werden. Die Trennung bzw. Teilung in zwei Kammern erfolgt unmittelbar vor der Durchführung der Desorptionsund Elektrolysephase, wie nachfolgend beschrieben wird.

Fig, 2a, Adsorption:

Zur Durchführung der ersten Phase, der Adsorptionsphase wird über den Einlass 3 und den Auslass 4 die NaCl-Lösung durch das Innere der Zelle 1 geleitet, die Ableitungen 5 bis 8 sind geschlossen. Die Elektroden 9 werden unter Gleichspannung gesetzt, so dass aus der NaCl-Lösung die Nationen in der als Kathode dienenden links befindlichen Elektrode 9 und die Cl'-Ionen in der als Anode dienenden rechts befindlichen Elektrode 9 adsorbiert werden, analog zu Fig. la des ersten Beispiels.

Fig, 2b. adsorbierter Zustand:

Beim Abschluss der Adsorptionsphase ist die zugeführte Flüssigkeit von Ionen abgereichert bzw. auch komplett deionisiert.

Fig. 2c, Schließen des Ein- und des Auslasses:

Vor der Durchführung der nun folgenden Desorptions- und Elektrolysephase werden der Einlass 3 und der Auslass 4 geschlossen, die Ableitungen 5, 6, 7 und 8 bleiben geschlossen.

Fig, 2d, Abtrennen der Räume:

Die Zelle 1 wird mittig mit der bipolaren Hilfselektrode 10‘ flüssigkeits- und ionendicht geteilt.

Fig, 2e. Umpolung der Elektroden 9 und Elektrolyse:

Die Ableitungen 5 und 6 werden geöffnet. Die beiden Elektroden 9 werden umgepolt, die in der linken Kammer befindliche Elektrode 9 wird jetzt an den Pluspol angeschlossen, die in der rechten Kammer befindliche an den Minuspol, die Gleichspannung wird auf einen Wert oberhalb der Zersetzungsspannung des wässrigen Lösung in der Zelle 1 eingestellt. In der linken Kammer desorbieren die Natriumionen aus der Elektrode 9, an der bipolaren Hilfselektrode 10‘, die in dieser Kammer als Kathode fungiert, wird elektrolytisch Wasserstoff (¾) aus Wasser gebildet, Hydroxidionen (OH'-Ionen) verbleiben in der Lösung. In der linken Kammer entstehen daher im konkreten Beispiel Natronlauge (NaOH) und Wasserstoff, wobei letzterer durch die Ableitung 5 nach außen entweicht bzw. abgeführt wird. Analog zur ersten Ausführungsform desorbieren die Chloridionen CI" in der rechten Kammer aus der Elektrode 9 und es wird an der bipolaren Hilfselektrode 10‘, welche in dieser Kammer als Anode fungiert, elektrolytisch Sauerstoff (O2) aus Wasser gebildet, welcher über die Ableitung 6 aus der Kammer entweicht. In der Lösung verbleiben Oxoniumionen H30+, die mit den CI" Ionen zu Salzsäure reagieren.

Fig, 2f„ Ablassen der Reaktionsprodukte:

Die flüssigen Reaktionsprodukte, im konkreten Beispiel Natronlauge und Salzsäure, werden bei geschlossenen Ableitungen 5, 6 über die nun geöffneten Ableitungen 7 und 8 den Kammern der Zelle 1 entnommen.

Beispiel 3 (Fig. 3a bis Fig. 3f):

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Zelle 1 nicht in Kammern geteilt. Die Zelle 1 bzw. das Elektrodenpaket enthält zwei nebeneinander unter einem gegenseitigen Abstand angeordnete dreidimensionale Elektroden 9 sowie eine Hilfselektrode 10“, die sich neben der einen Elektrode 9 in einem Abstand zu dieser befindet. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die Hilfselektrode 10“ neben der in der Figur rechten Elektrode 9. Die Hilfselektrode 10“ ist eine dreidimensionale Elektrode.

Fig, 3a, Adsorption:

Die Leitungen 5 bis 8 sind geschlossen, Einlass 3 und Auslass 4 geöffnet, die NaCl-Lösung wird ein- und durchgeleitet. Die Elektroden 9 sind unter Gleichspannung gesetzt, sodass aus der NaCl-Lösung die Nationen in der als Kathode dienenden links befindlichen Elektrode 9 und die Cl'-Ionen in der als Anode dienenden rechts befindlichen Elektrode 9 adsorbiert werden, analog zu Fig. la des ersten Beispiels. Die Hilfselektrode 10“ bleibt spannungslos.

Fig, 3b, adsorbierter Zustand:

Beim Abschluss der Adsorptionsphase ist die zugeführte Flüssigkeit von Ionen abgereichert und im Grenzfall komplett deionisiert.

Fig, 3c, Desorption der Anionen:

Die in der Figur linke, mit Nationen angereicherte Elektrode 9 wird von der Spannungsquelle getrennt. Die zweite, mit Cl'-Ionen angereicherte Elektrode 9 wird mit der Hilfselektrode 10“ umgepolt, Ein- und Auslass 3 und 4 werden geschlossen. Dabei können die Elektroden 9, 10“, welche analog einem Kondensator „geladen“ sind, durch Umpolen kurzgeschlossen werden und es braucht daher keine Spannung mit gegenteiligem Vorzeichen angelegt zu werden, um die Desorption zu erreichen. Dabei kann nach der Nutzung der gespeicherten Energie eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen angelegt werden, falls die Desorption nicht ausreichend ist.

Bei einer Gleichspannung unterhalb der Zersetzungsspannung der Lösung in der Zelle 1 desorbieren die Cl'-Ionen aus der rechten Elektrode 9, OH'-Ionen werden an der Hilfselektrode 10“ angereichert. In der Lösung gebildete HiCL-Ionen reagieren mit den Chloridionen CI' zu Salzsäure.

Fig, 3d. Ablassen des Reaktionsproduktes:

Das flüssige Reaktionsprodukt, im konkreten Fall Salzsäure, wird bei spannungslosen Elektroden 9, 10“ über die geöffneten Ableitungen 7 und 8 der Zelle 1 entnommen.

Fig, 3e. Füllen der Zelle mit deionisiertem Wasser:

Die entleerte Zelle 1 wird nun mit einem deionisiertem Wasser über den Einlass 3 gefüllt. Fig, 3f. Desorption der Ionen:

Die in der Fig. 3f linke nach wie vor mit Nationen angereicherte Elektrode 9 wird an den Pluspol, die mit OH'-Ionen angereicherte Hilfselektrode 10“ an den Minuspol der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Bei einer Spannung unterhalb der Zersetzungsspannung desorbieren die Nationen daher aus der Elektrode 9, die OH'-Ionen aus der Hilfselektrode 10“. In der Zelle wird Natronlauge NaOH gebildet.

Fig, 3g, Ablassen des Reaktionsproduktes:

Das gebildete flüssige Reaktionsprodukt, im konkreten Fall Natronlauge, wird über die nun geöffneten Ableitungen 7 und 8 der Zelle 1 entnommen.

Beispiel 4 (Fig, 4a bis 4g):

Die in diesen Figuren dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich im Verfahrensablauf von der in den Fig. 3a bis 3g gezeigten in der Reihenfolge der Durchführung der Desorption der Anionen und Kationen und wird daher nachfolgend nur kurz beschrieben. Der Aufbau der Zelle 1 entspricht jener gemäß dem Beispiel 3.

Fig, 4a. Adsorption:

Die Adsorption erfolgt analog zur Adsorption gemäß Fig. 3a.

Fig. 4b. adsorbierter Zustand:

Dieser ist analog zu jenem gemäß Fig. 3b.

Fig, 4c, Desorption der Kationen:

Die in der Figur linke Elektrode 9 wird an den Pluspol angeschlossen, die Hilfselektrode 10“ an den Minuspol. Sämtliche Ableitungen 5 bis 8 sind geschlossen, die zweite Elektrode 9 ist spannungslos. Die Nationen desorbieren von der in Fig. 4c linken Elektrode 9, an der Hilfselektrode 10“ werden H30+-Ionen angereichert, im Wasser befinden sich freie OH"-Ionen, welche mit den Nationen zu Natronlauge NaOH reagieren.

Fig, 4d, Ablassen des Reaktionsproduktes:

Das flüssige Reaktionsprodukt, im konkreten Fall Natronlauge, wird bei spannungslosen Elektroden 9, 10“ über die nun geöffneten Leitungen 7 und 8 der Zelle 1 entnommen.

Fig, 4e, Füllen mit deionisiertem Wasser:

Die entleerte Zelle 1 wird nun über den geöffneten Einlass 3 mit deionisiertem Wasser aufgefüllt, anschließend wird der Einlass 3 geschlossen.

Fig, 4L Desorption der Anionen:

Die in der Figur rechte, mit CF-Ionen angereicherte Elektrode 9 wird an den Minuspol angeschlossen, die Hilfselektrode 10“ an den Pluspol. Dementsprechend desorbieren aus der Elektrode 9 die Cl'-Ionen in die Lösung, aus der Hilfselektrode 10“ die H30+-lonen. Diese Ionen reagieren zu HCl unter Bildung von Wasser.

Fig, 4g. Ablassen des Reaktionsproduktes:

Das flüssige Reaktionsprodukt, im konkreten Fall Salzsäure, wird über die geöffneten Ableitungen 7 und 8 der Zelle 1 entnommen.

Beispiel 5 (Fig, 5a bis 5g):

Der Aufbau der Zelle 1 entspricht weitgehend jener gemäß dem Beispiel 1 mit einem Elektrodenpaket aus zwei nebeneinander unter einem gegenseitigen Abstand angeordneten dreidimensionalen Elektroden 9 und je einer außenseitig jeder Elektrode 9 angeordneten Hilfselektrode 10‘“. Bei dieser Ausführungsform können die Hilfselektroden 10‘“ beliebige Elektroden sein. Es erfolgt keine Abtrennung der Zelle 1 in Kammern.

Fig, 5a. Adsorption:

Analog zu Fig. la des ersten Ausführungsbeispiels wird über den Einlass 3 und den Auslass 4 die NaCl-Lösung durch das Innere der Zelle 1 geleitet, die Ableitungen 5 bis 8 sind geschlossen. Die Elektroden 9 sind unter Gleichspannung gesetzt, so dass aus der NaCl-Lösung die Nationen in der als Kathode dienenden links befindlichen Elektrode 9 und die Cl'-Ionen in der als Anode dienenden rechts befindlichen Elektrode 9 adsorbiert werden.

Fig, 5b. adsorbierter Zustand:

Beim Abschluss der Adsorptionsphase ist die zugeführte bzw. im Kreislauf durchgeleitete Flüssigkeit von Ionen abgereichert bzw. komplett deionisiert.

Fig, 5c, Desorption der Anionen durch Elektrolyse:

Bei geschlossenem Ein- und Auslass 3, 4, geschlossenen Ableitungen 7, 8 und geöffneten Ableitungen 5, 6 folgt eine Desorptions- und Elektrolysephase, wobei die in der Figur rechte Elektrode 9 an den Minuspol angeschlossen wird, die dieser benachbart angeordnete Hilfselektrode 10‘“ an den Pluspol. Die Cl'-Ionen desorbieren aus der Elektrode 9 und es wird an der Hilfselektrode 10‘“, welche als Anode fungiert, elektrolytisch Sauerstoff aus Wasser gebildet, welcher gemeinsam mit gebildetem Cb (Chlorgas) über die geöffneten Ableitungen 5 und 6 entweicht. In der Lösung verbleiben Oxoniumionen H3CC, welche mit den Cl'-Ionen zu Salzsäure reagieren.

Fig, 5d. Ablassen des Reaktionsproduktes:

Bei geschlossenen Ableitungen 5, 6 wird das flüssige Reaktionsprodukt, im konkreten Fall Salzsäure, über die nun geöffneten Ableitungen 7 und 8 der Zelle 1 entnommen.

Fig, 5e. Füllen mit deionisiertem Wasser:

Die entleerte Zelle 1 wird nun über den geöffneten Einlass 3 mit deionisiertem Wasser aufgefüllt, anschließend wird der Einlass 3 geschlossen.

Fig, 5f. Desorption der Kationen durch Elektrolyse:

Der Ein- und der Auslass 3, 4 sowie die Ableitungen 7, 8 sind jetzt geschlossen, die Ableitungen 5, 6 geöffnet, die in der Figur linke mit Nationen angereicherte Elektrode 9 ist an den Pluspol angeschlossen, die dieser benachbart angeordnete Hilfselektrode 10‘“ an den Minuspol. Infolgedessen desorbieren die Nationen aus der Elektrode 9, an der Hilfselektrode 10‘“, die als Kathode fungiert, wird elektrolytisch Wasserstoff (¾) aus Wasser gebildet, wobei Hydroxidionen (OH-Ionen) in der Lösung verbleiben. Der Wasserstoff^ entweicht über die Ableitungen 5, 6 nach außen, die Nationen reagieren mit den OH'-Ionen zu Natronlauge NaOH.

Fig, 5g. Ablassen des Reaktionsproduktes:

Bei jetzt geschlossenen Ableitungen 5, 6 wird über die geöffneten Ableitungen 7, 8 das gebildete flüssige Reaktionsprodukt, im konkreten Fall Natronlauge, der Zelle 1 entnommen. Die Elektroden 9, 10‘“ sind dabei spannungslos.

Bei einem weiteren, gesondert nicht dargestellten Beispiel erfolgt die Reihenfolge der Desorption der Anionen und der Kationen umgekehrt zum Beispiel 5. Auf die Adsorption, welche analog zu Beispiel 5 durchgeführt wird, folgt zuerst der Schritt des Desorbierens der Kationen mittels Elektrolyse, wie zu Fig. 5g beschrieben, anschließend das Ablassen des gebildeten Reaktionsproduktes, im Beispiel Salzsäure. Dann erfolgt das Desorbieren der Anionen durch Elektrolyse analog zu Fig. 5f des Beispieles 5 und wie dort beschrieben und ein Ablassen des gebildeten Reaktionsproduktes, im Beispiel NaOH.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Zelle 1, die beispielsweise zur Durchführung der Verfahren gemäß den Beispielen 3 und 4 geeignet ist und ein Elektrodenpaket mit vier Paaren von dreidimensionalen Elektroden 9 enthält, wobei Abstandhalter 11 die beiden Elektroden 9 jedes Paares voneinander trennen und weitere Abstandhalter 11 jedes Elektrodenpaar 9 von einer Hilfselektrode 10“ trennt. Zusätzlich kann jede Elektrode 9, 10“, wie gezeigt, zur gleichmäßigen Kontaktierung einseitig mit einem Stromsammler 14 in Kontakt sein. Die

Stromsammler 14 sind elektrisch gut leitend und gut durchströmbar, sie bestehen aus einem gegenüber der wässrigen Lösung chemisch beständigen Material, etwa Titan, und sind entweder offenporig, beispielsweise als poröse Metall scheibe, oder als Gitter oder Lochblech ausgeführt. Die Zelle 1 weist ein Gehäuse 2 mit durch Pfeile angedeutetem Ein-und Auslass 3, 4 auf, die Ableitungen sind nicht dargestellt. Das Elektrodenpaket wird mittels Zentrierstäben aus Kunst- oder Kohlenstoff 12a und auf diesen befindlichen Graphithülsen 13 aufgebaut. Kunststoffhülsen 12b können vorgesehen sein, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Eine Zelle 1 kann auch mehr als vier Paare von dreidimensionalen Elektroden 9 und, je nach Ausführung, eine entsprechende Anzahl von Hilfselektroden 10, 10“, 10‘“ enthalten, wobei die je nach Verfahrensschritt als Anode und Kathode geschalteten Elektroden - dreidimensionale Elektroden und Hilfselektroden - in Serie oder parallel geschaltet werden können.

Das gesamte System kann mit konstanter Spannung von insbesondere IV bis 2V betrieben werden, wobei dies die bevorzugte Ausführungsform ist, oder mit konstanter Stromstärke. Möglich ist auch ein Betrieb mit variierender Spannung oder variierender Stromstärke, etwa in Abhängigkeit von der Leistungsfähigkeit des Netzteiles und der Leitfähigkeit der Lösung, bei hoher Stromstärke erfolgt ein Spannungsabfall am Netzgerät - dieses stößt quasi an seine Leistungsgrenzen. Möglich ist auch ein Betrieb mit ansteigender Spannung. So wird am Anfang die Spannung etwas geringer gehalten, um den Strom zu begrenzen, damit das Netzteil nicht an die Leistungsgrenze stößt, und bei nachlassender Leitfähigkeit wird die Spannung erhöht, der Strom stellt sich entsprechend der Leitfähigkeit und der Spannung ein.

Erfindungsgemäße Vorrichtungen sind ferner mit einem entsprechenden Steuerungs- und Messsystem ausgestattet, ferner mit zumindest einer Umlaufpumpe, einer Einrichtung zur Leitfähigkeitsmessung sowie mit entsprechender Energieversorgung, ggf. auch mit einer Energierückgewinnung.

Bezugsziffernliste 1 ...................................Zelle 2 ...................................Gehäuse 3 ...................................Einlass 4 ...................................Auslass 5, 6, 7, 8.......................Ableitung 9...................................Elektrode 10, 10‘, 10‘‘, 10‘‘‘.......Hilfselektrode 11.................................Abstandhalter 12a...............................Zentrierstab 12b...............................Kunststoffhülse 13 .................................Graphithülse 14 .................................Stromsammler 15 .................................Zelltrennwand

Claims (21)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Herstellung zumindest eines flüssigen Reaktionsproduktes mit folgenden nacheinander ablaufenden Verfahrensschritten: a) Adsorption von Ionen aus einer ionenhaltigen wässrigen Lösung durch Leiten der Lösung im geschlossenen Kreislauf durch eine einen Ein- und einen Auslass (3, 4) aufweisende Zelle (1) mit zumindest einem Paar von mit einer Gleichspannungs-oder Gleichstromquelle verbundenen dreidimensionalen Elektroden (9), wobei die Lösung kapazitiv deionisiert wird, b) Schließen von Ein-und Auslass (3, 4) der mit wässriger Lösung gefüllten Zelle (1), c) Umpolen von zumindest einer der Elektroden (9) des Elektrodenpaares mit einer Hilfselektrode (10, 10% 10“, 10‘“), wobei die zuvor in dieser Elektrode (9) adsorbierten Ionen desorbiert werden und je nach ihrer Ladung entweder mit Hydroxidionen oder Oxoniumionen zum flüssigen Reaktionsprodukt umgesetzt werden und d) Ableiten des Reaktionsproduktes.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die wässrige Lösung die zuvor deionisierte Lösung ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt b) die deionisierte Lösung abgelassen wird und durch eine andere wässrige Lösung ersetzt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) bei der Umsetzung zum Reaktionsprodukt entstehende gasförmige Nebenprodukte aus der Zelle (1) abgeleitet werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach Schritt b) die Elektroden (9) jedes Elektrodenpaares räumlich sowie flüssigkeits- und ionendicht voneinander getrennt werden und anschließend in Schritt c) mit je einer Hilfselektrode (10) umgepolt werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach Schritt b) die Elektroden (9) jedes Elektrodenpaares räumlich sowie flüssigkeits-und ionendicht mittels einer bipolaren Hilfselektrode (10‘) voneinander getrennt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorption und die Umsetzung zu Reaktionsprodukten jeweils mit einer Gleichspannung oberhalb der Zersetzungsspannung der wässrigen Lösung unter Elektrolysebedingungen durchgeführt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) zuerst die eine Elektrode (9) mit einer Hilfselektrode (10‘‘) umgepolt wird und die zuvor in dieser Elektrode (9) adsorbierten Ionen desorbiert und zu einem ersten Reaktionsprodukt umgesetzt werden, wobei anschließend die zweite Elektrode (8) mit der gleichen Hilfselektrode (10‘‘) umgepolt wird und die zuvor in dieser Elektrode (9) adsorbierten Ionen desorbiert und zu einem zweiten Reaktionsprodukt umgesetzt werden.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (10‘‘) eine dreidimensionale Elektrode ist und die Desorption und die Umsetzung zu Reaktionsprodukten jeweils mit einer Gleichspannung unterhalb der Zersetzungsspannung der wässrigen Lösung durchgeführt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) zuerst die eine Elektrode (9) mit einer Hilfselektrode (10“‘) umgepolt wird und die zuvor in dieser Elektrode (9) adsorbierten Ionen desorbiert und zu einem ersten Reaktionsprodukt umgesetzt werden, wobei anschließend die zweite Elektrode (8) mit einer zweiten Hilfselektrode (10“‘) umgepolt wird und die zuvor in dieser Elektrode (9) adsorbierten Ionen desorbiert und zu einem zweiten Reaktionsprodukt umgesetzt werden.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorption und die Umsetzung zu Reaktionsprodukten jeweils mit einer Gleichspannung oberhalb der Zersetzungsspannung der wässrigen Lösung unter Elektrolysebedingungen durchgeführt werden.
12. 12. Vorrichtung zur Herstellung zumindest eines flüssigen Reaktionsproduktes, mit einer Zelle (1) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) zum Ein- und Durchleiten einer ionenhaltigen wässrigen Lösung, zumindest einem in der Zelle (1) positionierten Paar von dreidimensionalen, zur Adsorption von Ionen aus der ionenhaltigen Lösung geeigneten Elektroden (9), zumindest einer Hilfselektrode (10, 10‘, 10“, 10‘“) pro Paar von dreidimensionalen Elektroden (9), zumindest einer Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle, mehreren verschließ- und öffenbaren Ableitungen (5, 6, 7, 8) zum Ausleiten von gasförmigen Nebenprodukten und zum Ableiten von flüssigen Reaktionsprodukten aus der Zelle (1).
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode(n) (10, 10“, 10“ ‘) innerhalb der Zelle (1) positioniert ist bzw. sind.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden bzw. die Elektrodenpaare (9) gemeinsam mit der/den Hilfseiektrode(n) (10, 10“, 10“‘) zu mindestens einem Elektrodenpaket zusammengefügt sind, in welchem sämtliche Elektroden (9, 10, 10“, 10“‘) zueinander unter einem definierten Abstand angeordnet sind.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Hilfselektrode eine bipolare Elektrode (10‘) ist, welche in die Zelle (1), jeweils zwischen die Elektroden (9) eines Paares von dreidimensionalen Elektroden (9), einschiebbar und aus dieser herausschiebbar ist.
16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (1) zwischen den Elektroden (9) jedes Elektrodenpaares mittels einer Zelltrennwand (15) jeweils in zwei Kammern, von welchen jede eine dreidimensionale Elektrode (9) und eine Hilfselektrode (10) enthält, flüssigkeits- und ionendicht trennbar ist.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelltrennwand (15) entweder in die Zelle (1) fix eingebaut ist und verschließbare Öffnungen aufweist oder in die Zelle (1) bzw. das Elektrodenpaket einschiebbar und aus dieser herausschiebbar ist.
18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (9, 10, 10“, 10‘“) gleicher Polung elektrisch in Serie oder parallel geschaltet sind.
19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen Elektroden (9) poröse Elektroden, Festbett- bzw. Partikelelektroden oder Gasdiffusionselektroden sind.
20. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen Elektroden (9) als Elektrodenmaterial ein Material aus der Gruppe Aktivkohle, Glassy Carbon, Ni/Al-, Ni/Zn-Composites, Kohlenstoff-Aerogele, Al/Si-Nanocomposits und Graphen enthalten oder aus einem offenporigen Metall- oder Kunststoffschaum mit großer Oberfläche und leitfähiger Beschichtung, beispielsweise aus Platin, bestehen.
21. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (1) mehrere Paare von dreidimensionalen Elektroden (9) und eine entsprechende Anzahl von Hilfselektroden (10, 10“, 10‘“) enthält, wobei die je nach Verfahrensschritt als Anode und Kathode geschalteten dreidimensionalen Elektroden (9) und Hilfselektroden (10, 10“, 10“‘) elektrisch in Serie oder parallel geschaltet sind.