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Verfahren und Vorrichtung zum Elektrolysieren von Lösungen von Natrium-oder Kaliumchlorid oder Natrium-oder Kaliumnitrat oder von anderen Lösungen, die einen gasförmigen
Körper an der Anode entwickeln.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Elektrolyse von Lösungen in einfachen Zellen, d. h. Zellen ohne Membran, welche Lösungen ein gasförmiges Anion entwickeln, das durch den Elektrolyten nochmals aufgelöst oder aufgenommen werden könnte.
Zweck der Erfindung ist es, dieses gasförmige Anion wirksam zu entfernen und zu verhindern, dass solches nochmals vom Elektrolyten aufgenommen wird, so dass die Elektrolyse wirtschaftlicher und erfolgreicher wird.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Elektrolyse von Chlornatrium-und Chlorkaliumlösungen in einfachen Zellen, in denen das an der Anode frei werdende Chlor das Bestreben hat, sich in dem Bad zu lösen und Hypochlorit, Chlorat oder eine andere komplexe Chlorverbindung zu bilden. Diese Auflösung des Chlors im Elektrolyten kann verhindert oder doch erheblich vermindert werden mit Hilfe der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Elektrolyse von Chlornatrium oder Chlorkalium, sondern kann auch für andere Elektrolysen verwendet werden, in denen es erwünscht ist, aus einem Elektrolyten ein gasförmiges bei der Elektrolyse frei werdendes Anion zu entfernen, um ein abermaliges Auflösen desselben oder eine Reaktion mit dem Elektrolyten zu verhindern ; beispielsweise kann die Erfindung auch für die Elektrolyse von Natrium-oder Kaliumnitratlösungen dienen.
Vorliegend soll die Erfindung für die Elektrolyse von Chlornatrium oder Chlorkalium beschrieben werden.
Gemäss der Erfindung wird lokale Wärme in Verbindung mit Saugwirkung auf einen Teil des Elektrolyten angewendet, der nahe der Anode in einer Anodenkammer enthalten ist, die unterhalb der Anode mit dem Elektrolyten der Aussenzelle in Verbindung steht dies ohne Zwischenschaltung einer Membran.
Der lokal zu wärmende Teil des Elektrolyten wird rundum die Anode über das Niveau des Elektrolyten in der Zelle hinaufgezogen, und zwar durch die Saugwirkung, die zum Abziehen des gasförmigen Anions verwendet wird.
Eine Pumpe, ein Exhaustor oder sonst ein geeignetes Mittel kann für das Abziehen des Chlors verwendet werden und dient gleichzeitig zum Heraufziehen des Elektrolyten rundum die Anode in der Anodenkammer, um die Heizung dieses Teiles über den Spiegel der Lösung in der Zelle zu gestatten. Durch die Zusammenwirkung der Lokalerhitzung des Elektrolyten nahe
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Freiwerden entfernt werden.
Mit Rücksicht auf eine weitere Unterstützung dieses Zweckes kann die Flüssigkeit unterhalb oder in der Nachbarschaft des gewärmten Teiles gekühlt werden, so dass die Wärme in dem Elektrolyten in der Nachbarschaft der Anode scharf abgegrenzt wird. Wenn gewünscht, kann die der Elektrolyse zu unterwerfende Salz-oder andere Lösung selbst zur Kühlung des Elektrolyten in den Kammern unterhalb der warmen Teile benutzt werden.
Zur Ausführung der Erfindung werden in der Zelle eine oder mehrere Anodenröhren angeordnet, die in den Elektrolyten hineinhängen und am Kopf an eine Pumpe oder andere Mittel
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zum Heraufziehen und Absaugen des entstehenden Chlors angeschlossen sind und mit Heizspulen, elektrischen Widerständen o. dgl. versehen sind, die die Flüssigkeit an der Anode heizen.
Vorteilhaft wird auch jede Röhre mit einer Kühlschlange, einem Kühlmantel oder anderen Kühleinrichtungen versehen, die die Flüssigkeit unter der Anode kühlen, um ferner zu verhindern, dass der geheizte Teil der Flüssigkeit sich mit dem übrigen Elektrolyten mischt.
Eine oder mehrere Kathoden können in geeigneter Weise in der Zeile angeordnet werden, oder die Wände der Zelle können selbst als Kathode dienen.
Der Prozess kann, wenn gewünscht, kontinuierlich ausgeführt werden, und dies wird meist der Fall sein. Beispielsweise kann die bei der Elektrolyse von Chlornatrium gebildete kaustische Sodalösung vom Kessel ablaufen und durch frisch einlaufende Chlorlösung ersetzt werden, um den Elektrolyten aufzufrischen. Die frische Chlorlösung kann durch die Schlagen oder Kühlmäntel einlaufen oder unmittelbar in die Anodenröhren unter dem geheizten Teil.
Man kann eine einzige Anodenröhre verwenden, doch wird in der Praxis eine Mehrzahl in einer einzigen Zelle benutzt.
Einige Ausführungsformen der Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt Fig. i einen schematischen Querschnitt und Fig. 2 einen schematischen Grundriss der einen Ausführungsform, Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform. Fig. 4 einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform.
Bei der Ausführungsform nach Fig. i und 2 sind, Anoden a von Kohle oder sonst geeignetem Stoff im oberen Teil von Röhren b aus Glas, glasiertem Steingut oder sonstigem nicht angreifbarem Stoff angeordnet, welch letztere in die die Lösung, beispielsweise Kochsalzlösung, enthaltende Zelle c hineinragen. Der Teil der Röhre, in welcher die Anode liegt, liegt oberhalb des Spiegels der Flüssigkeit in der Zelle c, die bei dem vorliegendem Ausführungsbeispiel aus Eisen oder sonst geeignetem Metall besteht und als Kathode dient. Die Röhren b sind am Kopfe durch Holzdeckel e geschlossen und durch Leitungen f'an eine Pumpe oder einen Exhaustor geeigneter Art zum Abziehen des Chlors angeschlossen.
Durch die Wirkung des Exhaustors wird die Flüssigkeit in die Röhre rund um die Anode heraufgezogen, und zwar über den Spiegel der Zelle c (Fig. i).
Heizschlangen g sind rund um die Anode in den Röhren angeordnet und werden mit Dampf oder dgl. beschickt. Unter der Anode liegen Kühlschlangen lt, die mit kaltem Wasser oder sonstiger Kühlflüssigkeit beschickt werden.
Der Kopf der Zelle zwischen den Anodenröhren ist geschlossen dargestellt und mit einer Leitung p zur Ableitung des frei werdenden Wasserstoffes versehen. Zur Erleichterung kann auch
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Wenn die Zelle mit Salz oder anderer Lösung beschickt und der Strom angestellt wird, so wird Chlor von den Teilen der Flüssigkeit rund um die Anode durch die Wirkung der Wärme, die so eingerichtet sein kann, dass sie die Flüssigkeit dicht um die Anode herum nahe an den Siedepunkt bringt, ausgestossen und vom Exhaustor abgesaugt.
Trotzdem also die Flüssigkeit in den Röhren iii freier Verbindung mit der Flüssigkeit in der Zelle steht, kann sich die heisse Flüssigkeit nicht wesentlich mit der kälteren unten befindlichen Flüssigkeit vermischen, so dass das Chlor gehindert wird, sich in dem Elektrolyten zu lösen und Hypochlorit und Chlorat oder sonstige unerwünschte Verbindungen zu bilden. Auf diese Weise kann eine Hydroxydlösung erhalten werden, die frei oder im wesentlichen frei ist von Hypochloriten oder anderen Verunreinigungen.
Für kontinuierliche Arbeit wird die Salz-oder andere Lösung in regelmässigem Strom den Anodenröhren an geeigneten Punkten, beispielsweise mittels durch punktierte Linien angedeuteter Öffnungen B zugeführt und der hereinkommende Strom kann dann dazu dienen, die Flüssigkeit unterhalb der Anode zu kühlen, ohne dass es nötig ist, Kühlschlangen zu verwenden. Die der Elektrolyse zu unterwerfende Flüssigkeit kann auch durch Kühlschlangen zugeführt werden, die dann sich in die Anodenröhren entladen.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung für kontinuierliche Arbeit nach Fig. 3 ist eine Anzahl von Anodenröhren b, die in vorbeschriebener Weise ausgebildet sind, so angeordnet, dass jede in einen Behälter i im Boden der Zelle herabreicht. Diese Röhren sind mit Heizschlangen g rund um die Anoden herum und mit Kühlschlangen ! und Chlorleitungen/',. " versehen. Der
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Kühlflüssigkeit.
Die gebildete kaustische Sodalösung läuft aus der Zelle durch den Überlauf M ab und der
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In Fig. 3 liegen die Anoden und Heizschlangen oberhalb der Flüssigkeit in der Zelle wie in Fig. i und der Exhaustor erzeugt genügende Saugwirkung, um den Elektrolyten zu entsprechender Höhe in den Röhren zu heben.
Die Behälter i der Eisenzelle, die die Kathode bildet, werden zweckmässig mit einem Zementbelag oder anderem nicht leitenden Stoff versehen, wie bei n angedeutet.
In manchen Fällen wird ein wärmeisolierender Belag von Asbest o. dgl. rund um den geheizten Teil der Anodenröhren vorgesehen, insbesondere dann, wenn irgendein Teil an dieser geheizten Stelle unter dem Niveau der Flüssigkeit ausserhalb der Röhre liegt.
Es können auch getrennte Kathoden verwendet werden, anstatt dass man die Zelle selbst als Kathode benutzt. Beispielsweise können ringförmige Kathoden benutzt werden, wie in punktierten Linien bei C (Fig. I) angedeutet, die rund um die Anode in geeigneter Höhe liegen. Die Kathoden können auch aus Draht, Drahtgase, Stäben o. dgl, von Eisen, Nickel oder sonst geeignetem Metall bestehen.
Die Kathode irgendwelcher Art kann nahe dem offenen unteren Ende der Anodenröhren angebracht werden, jedoch zweckmässig nicht gegenüber der Mündung derselben, da sonst der an der Kathode frei werdende Wasserstoff das Bestreben haben würde, in die Anodenröhren zu gehen und mit dem Chlor oder gasförmigen Anion abgezogen wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 besteht die Anodenröhre b aus Steingut o. dgl. und ragt unter dem Spiegel des Elektrolyten in eine Zelle c aus Schiefer oder sonstigem Isolierstoff.
Am oberen Ende ist die Röhre b mit einer Anode a versehen, die von einer dampfgeheizten Schlange g umgeben wird ; ferner ist eine Leitung f zum Anschluss an einen Exhaustor zwecks Aufziehens des Elektrolyten rund um die Anode und Abziehens des Chlors vorgesehen. G ist ein Rohr zur Anzeige der Spiegelhöhe der Flüssigkeit in der Röhre b ; die Salzlösung wird durch eine Leitung B zugeführt, die in einer gelochten Spule B'endigt, welche die Salzlösung an die Rohre b unter der Anode a abgibt. In diesem Falle besteht die Kathode aus einer oder mehreren Lagen von Drahtgaze k, aus Nickel, Eisen oder sonst geeignetem Material. Es sind vorliegend drei Lagen dargestellt, die rund um die Anodenröhre angebracht sind, und zwar zwischen dieser
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Kühlschlangen, Zuführungsleitungen und Saugleitungen versehen sind.
Die Kathodenschichten sind allen Anodenröhren gemeinsam und mit entsprechenden Löchern versehen. Es können jedoch auch einzelne Kathodenlagen für jede Anodenröhre verwendet werden. Anstatt Lagen k von Drahtgaze zu benutzen, können auch Drähte, Stäbe o. dgl. Vorrichtungen verwendet werden. o ist ein Überlauf für den Elektrolyten aus der Zelle und der Wasserstoff kann entweichen oder mit geringer Saugwirkung durch die Leitung p abgezogen werden. Die Hydroxydlösung kann bei o entweichen oder kann für weitere Behandlung entsprechend abgeleitet werden.
Mit Hilfe der Erfindung, bei welcher in irgendeiner Weise die Zusammenwirkung von Hitze mit Saugwirkung auf einen Teil des Elektrolyten nahe der Anode in der Anodenkammer, die unten mit dem Elektrolyten in der Zelle in Verbindung steht, ohne Verwendung einer Membran angewendet wird, kann bei der Elektrolyse von Chlornatrium-und Chlorkaliumlösungen das freie Chlor so wirksam vom Elektrolyten abgesaugt und entfernt werden, dass es nicht nötig ist die gebildete kaustische Flüssigkeit schnell zu entfernen oder abzuleiten, so dass man Lösungen von relativ hoher Konzentration in praktischer und bequemer Weise erzeugen kann. Es ist ferner möglich, mit geringem Stromverbrauch und höherem Wirkungsgrad der Zellen zu arbeiten.
Wenn man will, kann man Kohlendioxyd dem Elektrolyten in der Zelle während der Arbeit zuführen, um sie auf die kaustische Soda bzw. das Ätzkäli einwirken zu lassen und Natriumkarbonat bzw. Kaliumkarbonat zu bilden. Wenn die Erfindung bei der Elektrolyse von Natriumoder Kaliumnitratlösungen verwendet wird, so wird eine ähnliche Vorrichtung wie vorstehend benutzt. Das Oxyd oder die Oxyde des an der oder den Anoden frei werdenden Stickstoffs werden entfernt und eine Lösung von kaustischem Soda bzw. Ätzkali wird bei der Elektrolyse gebildet. In diesem Falle kann ebenfalls Kohlendioxyd zur Bildung des Karbonats in das Bad eingeleitet werden,
PATENT-ANSPRÜCHE : i.
Verfahren zum Elektrolysieren von Lösungen von Natrium-oder Kaliumchlorid oder Natrium-oder Kaliumnitrat oder von anderen Lösungen, die einen gasförmigen Körper an der Anode entwickeln und bei welchem die Lösung in der Nachbarschaft der Anode der Wirkung von Hitze ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt um die Anode herum in eine die Anode eng umgebende Röhre oder Kammer durch die zur Entfernung des gasförmigen Anions verwendete Saugwirkung hochgezogen und der so über das Niveau der Lösung in der Zelle hinaufgezogene Teil des Elektrolyten erhitzt wird, zum Zwecke, den heraufgezogenen Teil der gleichzeitigen Wirkung von Hitze und Saugen auszusetzen.