CH632530A5 - Elektrolytische filterpressenzelle. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolytische Filterpressenzelle.

Es ist eine grosse Reihe von Filterpressenzellen bekannt, welche im Prinzip aus mehreren Anoden und mehreren Kathoden bestehen, die alternierend parallel zueinander angeordnet sind, wobei sie voneinander durch im wesentlichen vertikale, kationenaktive, selektiv durchlässige Membranen getrennt sind. Die Anoden besitzen in geeigneter Weise die Form von Platten aus einem filmbildenden Metall (üblicherweise Titan) und tragen einen elektrokatalytisch aktiven Belag (wie z.B. ein Oxid eines Platingruppenmetalls). Die Kathoden bestehen in geeigneter Weise aus einer perforierten Platte oder einem Netz aus Metall (üblicherweise Weichstahl). Die Membranen, die in geeigneter Weise die Form von Platten aufweisen, können aus einem synthetischen organischen Material, wie z.B. einem fluorhaltigen polymeren Material, bestehen, das Kationenaustausch-gruppen, wie z.B. Sulfonat- oder Carboxylatgruppen, enthält.

Monopolare elektrolytische Zellen der Tanktype, wie z.B. Diaphragmazellen der Tanktype, enthalten üblicherweise Diaphragmen, die auf den Kathoden der Zelle niedergeschlagen sind. Solche Zellen eignen sich nicht für die Verwendung mit Plattenmembranen, und zwar wegen der Schwierigkeiten, die bei der Beschichtung der verwendeten komplizierten Kathodenformen auftreten. Demgemäss wurden Zellenkonstruktionen der Filterpressen- oder Sandwich-Type entwickelt, um sie Membranplatten anzupassen. Jedoch sind solche monopolare Filterpressenzellen bezüglich des Kapitaleinsatzes immer noch teurer als monopolare Zellen der Tanktype, und zwar wegen ihres verhältnismässig komplizierten Aufbaus und wegen der Notwendigkeit, Strom Verteiler einzubauen, um einen Spannungsabfall bei den üblicherweise verwendeten Grössen der Anoden- und Kathodenabschnitte zu verringern.

Es wurde nunmehr eine monopolare Filterpressenzelle geschaffen, die sich für die Verwendung zusammen mit Plattenmembranen eignet und die leicht hergestellt und zusammengebaut werden kann und billig ist.

Gegenstand der Erfindung ist also eine monopolare elektrolytische Filterpressenzelle für die Elektrolyse einer im folgenden als Sole bezeichneten wässrigen Alkalimetallhalogenidlösung, um eine im folgenden als Zellenflüssigkeit bezeichnete wässrige Alkalimetallhydroxidlösung, Halogen und Wasserstoff herzustellen, welche mehrere vertikal angeordnete flexible Anodenplatten und flexible Kathodenplatten und jeweils eine selektiv für Kationen durchlässige Membran zwischen benachbarten Anoden- und Kathodenplatten aufweist, wobei das Kennzeichen darin liegt, dass jede Anodenplatte teilweise aus einem nicht-leitenden Material besteht und einen Anodenteil umfasst, der aus einem filmbildenden Metall mit einem elektrokatalytisch aktiven Belag auf seiner Oberfläche hergestellt ist, jede Kathodenplatte teilweise aus einem nicht-leitenden Material besteht und einen metallischen Kathodenteil umfasst, und eine nichtleitende flexible Abstandsplatte zwischen einer jeden Membran und benachbarten Anodenplatte und zwischen einer jeden Membran und benachbarten Kathodenplatte angeordnet ist, wobei die Anodenplatten, Kathodenplatten und Abstandsplatten jeweils Öffnungen aufweisen, die in der

Zelle vier gesonderte, sich in Längsrichtung der Zelle erstrek-kende Räume definieren, durch die eine Zuführung von Sole, eine Abführung von Sole und Halogen, eine Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und eine Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff ermöglicht wird, wobei die Abstandsplatten in ihren Wandungen mit Durchgängen ausgerüstet sind, welche in der Zelle die Räume für die Zuführung von Sole und für die Abführung von Sole und Halogen mit den Anolyträumen verbinden, die durch die Abstände zwischen den Membranen und benachbarten Anodenplatten definiert sind, und welche die Räume für die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff mit den Katholyträumen verbinden, welche durch die Abstände zwischen den Membranen und den benachbarten Kathodenplatten definiert sind, wobei die Zelle mit Endplatten versehen ist, welche Endwandungen für die Räume bilden, und wobei die nichtleitenden Teile der Anodenplatten und Kathodenplatten elektrisch die Räume, welche eine Zuführung von Sole und eine Abführung von Sole und Halogen ermöglichen, von den Räumen, welche eine Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und eine Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff ermöglichen, trennen.

Die Endplatten der Zelle bestehen vorzugsweise aus einer Endanodenplatte und einer Endkathodenplatte, welche nicht unbedingt zum Teil aus einem nicht-leitenden Material bestehen müssen. So kann die Endanodenplatte aus einem filmbildenden Metall bestehen, das einen elektrokatalytisch aktiven Belag auf einem Teil seiner Oberfläche trägt, während die Endkathodenplatte aus irgendeinem Metall bestehen kann.

Das filmbildende Metall, welches einen Teil der Anodenplatte bildet, besteht vorzugsweise aus einem der Metalle Titan, Zirkonium, Niob, Tantal oder Wolfram oder aus einer Legierung, die hauptsächlich aus ein oder mehreren dieser Metalle besteht und anodische Polarisationseigenschaften aufweist, die mit denen des reinen Metalls vergleichbar sind. Es wird bevorzugt, Titan alleine oder eine Titanlegierung mit ähnlichen Polarisationseigenschaften wie Titan als filmbildendes Metall in der Anodenplatte zu verwenden. Beispiele für solche Legierungen sind Titan/Zirkonium-Legierungen, die bis zu 14% Zirkonium enthalten, Legierungen von Titan mit bis zu 5% eines Platingruppenmetalls, wie z.B. Platin, Rhodium oder Iridium, und Legierungen von Titan mit Niob oder Tantal, die bis zu 10 Gew.-% des Legierungsbestandteils enthalten.

Die Kathodenplatte besteht in geeigneter Weise zum Teil aus Weichstahl oder Eisen, vorzugsweise Weichstahl, aber es können auch andere Metalle verwendet werden, wie z.B. Nickel.

Die Anodenplatten besitzen vorzugsweise einen Anodenteil und Teile mit vier Öffnungen, welche Abmessungen aufweisen, die den Querschnitten der vier Räume, die sich in der Zelle in Längsrichtung erstrecken, entsprechen. Die Öffnungen können durch Rahmenteile der Anodenplatten definiert werden. Die Öffnungen in den Platten sind vorzugsweise in Paaren angeordnet, und zwar ein Paar an einer jeden Seite des Anodenteils der Platten.

Damit die Räume, welche in der Zelle eine Zuführung von Sole und eine Abführung von Sole und Halogen ermöglichen, elektrisch von den Räumen isoliert sind, welche in der Zelle eine Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und eine Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff ermöglichen, werden, wenn die Öffnungen in der Anodenplatte, welche in der Zelle einen Teil des Raums für die Zuführung von Sole und einen Teil des Raums für die Abführung von Sole und Halogen bilden, durch Metallteile definiert sind, wie z.B. durch metallische Rahmenteile, die bei5

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spielsweise aus dem gleichen filmbildenden Metall wie der Anodenteil der Anodenplatte bestehen, die Öffnungen der Anodenplatte, welche in der Zelle einen Teil des Raums für die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und einen Teil des Raums für die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff bilden, durch ein nicht-leitendes Material definiert, wie z.B. durch Rahmenteile aus einem nicht-leitenden Material, oder umgekehrt. Die Teile der Anodenplatte, welche den Anodenteil darstellen und die Öffnungen definieren, sind zweckmässigerweise aus einer einzigen Metallplatte aus einem einzigen filmbildenden Metall hergestellt. Die Teile der Anodenplatte, die aus einem nicht-leitenden Material bestehen, werden zweckmässigerweise gesondert hergestellt und können mit dem metallischen Teil der Anodenplatte zusammengefügt oder auch gesondert vom metallischen Teil der Anodenplatte in die elektrolytische Zelle eingebaut werden.

Der Anodenteil der Anodenplatte kann die Form einer perforierten Platte oder eines Netzes aufweisen, besitzt aber vorzugsweise die Form einer Platte mit ausgestellten Schlitzen. Solche Platten mit ausgestellten Schlitzen können zweckmässig aus einer Platte eines filmbildenden Metalls hergestellt werden, indem diese Schlitze durch Pressen mit einem schlitzenden und pressenden Werkzeug eingeschnitten und ausgestellt werden. Die so erhaltenen Ausstellungen können im rechten Winkel zur ursprünglichen Ebene der Platte aus filmbildendem Metall verlaufen, sie können aber auch zu dieser Ebene geneigt sein. Die Ausstellungen besitzen vorzugsweise eine Neigung von mehr als 60° zur Ebene der Anodenplatte.

Die ausgestellten Schlitze einer jeden Anodenplatte sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass ihre Längsachsen parallel zueinander und, wenn die Platten in die Zelle eingebaut sind, vertikal verlaufen.

Der elektrokatalytisch aktive Belag auf dem Anodenteil der Anodenplatte ist ein leitender Belag, der gegenüber einem elektrochemischen Angriff beständig, aber bei der Übertragung von Elektronen zwischen dem Elektrolyt und der Anode aktiv sein soll.

Der elektrokatalytisch aktive Belag kann in geeigneter Weise aus ein oder mehreren Platingruppenmetallen,

nämlich Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Osmium und Palladium, oder aus Legierungen dieser Metalle und/oder den Oxiden davon oder einem anderen Metall oder einer Verbindung bestehen, welche als Anode wirken und welche gegenüber einer elektrochemischen Auflösung in der Zelle beständig sind, wie z.B. Rhenium, Rheniumtrioxid,

Magnetit, Titannitrid und die Boride, Phosphide und Silicide der Platingruppenmetalle. Der Belag kann aus ein oder mehreren der erwähnten Platingruppenmetalle und/oder der Oxide davon in Mischung mit ein oder mehreren Oxiden von unedlen Metallen bestehen. Alternativ kann er aus einem oder mehreren Oxiden von unedlen Metallen als Entladungskatalysator bestehen. Geeignete Oxide von unedlen Metallen sind beispielsweise die Oxide der filmbildenden Metalle (Titan, Zirkonium, Niob, Tantal oder Wolfram), Zinndioxid, Germaniumdioxid und die Oxide von Antimon. Geeignete Chlorentladungskatalysatoren sind die Difluoride von Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Gemische davon.

Besonders geeignete elektrokatalytisch aktive Beläge bestehen aus Platin selbst oder basieren auf Rutheniumdioxid/Titandioxid und Rutheniumdioxid/Zinndioxid/ Titandioxid.

Andere geeignete Beläge sind solche, die in den GB-PSen 1402 414 und 1484 015 beschrieben sind, bei denen ein nichtleitendes teilchenförmiges oder faserförmiges feuerfestes Material in eine Matrix aus einem elektrokatalytisch aktiven Material (der oben beschriebenen Type) eingebettet ist. Geeignete nicht-leitende, teilchenförmige oder faserförmige Materialien sind die Oxide, Carbide, Fluoride, Nitride und Sulfide. Geeignete Oxide (einschliesslich komplexer Oxide) sind z.B. Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Thoriumoxid, Titandioxid, Cer(IV)-oxid, Hafniumoxid, Ditantalpentoxid, Magnesiumaluminat [z.B. Spinell MgO.AhOî], Aluminosilicate [z.B. Mullit(Al203)3.(Si02)2], Zirkoniumsilicat, Glas, Calciumsilicat [z.B. Bellit (Ca0)2Si02], Calciumaluminat, Calciumtitanat (z.B. Perovskit, CaTiOì), Attapulgit, Kaolinit, Asbest, Glimmer, Codieritund Bentonit; ein geeignetes Sulfid ist Dicertrisulfid; geeignete Nitride sind Bornitrid und Siliciumnitrid; und ein geeignetes Fluorid ist Calciumfluorid. Ein bevorzugtes nichtleitendes feuerfestes Material ist ein Gemisch aus Zirkoniumsilicat und Zirkoniumdioxid, wie z.B. Zirkoniumsilicat-teilchen und Zirkoniumdioxidfasern.

Die Anodenplatten können durch eine Aufstreich- und Brenntechnik hergestellt werden, wobei ein Belag aus Metall und/oder Metalloxid auf der Anodenoberfläche dadurch hergestellt wird, dass man auf die Oberfläche der Anodenplatte eine Schicht einer Anstrichzusammensetzung aufbringt, welche aus einem flüssigen Träger besteht, der thermisch zersetzbare Verbindungen eines jeden der im fertigen Belag vorliegenden Metalle enthält, die Anstrichschicht durch Abdampfen des flüssigen Trägers trocknet und hierauf die Anstrichschicht durch Erhitzen der beschichteten Anodenplatte, in geeigneter Weise auf250 bis 800°C, brennt, um die Metallverbindungen des Anstrichs zu zersetzen und den gewünschten Belag zu bilden. Wenn feuerfeste Teilchen oder Fasern in das Metall und/oder Metalloxid des Belags eingebettet werden sollen, dann können die feuerfesten Teilchen oder Fasern in die erwähnte Anstrichzusammensetzung eingemischt werden, bevor diese auf die Anodenplatte aufgebracht wird. Alternativ können die feuerfesten Teilchen oder Fasern auf die Schicht der erwähnen Anstrichzusammensetzung aufgebracht werden, während diese sich noch in einem fliessfähigen Zustand auf der Oberfläche der Anodenplatte befindet, wobei die Anstrichschicht dann durch Abdampfen des flüssigen Trägers getrocknet und in der üblichen Weise gebrannt wird.

Die Anodenbeläge werden vorzugsweise dadurch aufgebaut, dass man mehrere Anstrichschichten auf die Anodenplatte aufbringt, wobei man jede Schicht trocknet und brennt, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird.

Der Kathodenteil der Kathodenplatte kann aus einer perforierten Platte oder einem Netz bestehen, besitzt aber vorzugsweise die Form einer Platte mit ausgestellten Schlitzen. Die Platten mit ausgestellten Schlitzen können aus einer Metallplatte, wie z.B. einer Weichstahl- oder Eisenplatte, dadurch hergestellt werden, dass man mit einem schlitzenden und formenden Werkzeug einen Pressvorgang durchführt, wie dies weiter oben bei den Anodenplatten beschrieben wurde.

Die Kathodenplatten besitzen vorzugsweise einen Kathodenteil und weitere Teile mit vier Öffnungen, welche Abmessungen aufweisen, die den Querschnitten der vier sich in Längsrichtung der Zelle erstreckenden Räume entsprechen. Die Öffnungen können durch Rahmenteile der Kathodenplatten definiert werden, und die Öffnungen in den Platten sind vorzugsweise in Paaren angeordnet, und zwar ein Paar an jeder Seite des Kathodenteils der Platten. Die Kathodenplatten sind teilweise aus Metall, wie z.B. Weichstahl, und teilweise aus einem nicht-leitenden Material hergestellt und können einen Aufbau aufweisen, wie er weiter oben anhand der Anodenplatten beschrieben wurde, so dass in der Zelle die Räume, welche eine Zuführung für Sole und eine Abführung für Sole und Halogen ermöglichen, elektrisch von den Räumen isoliert sind, die eine Zuführung von Wasser

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Die Ausstellungen der ausgestellten Schlitze der Kathodenplatten sind vorzugsweise in einem Winkel von mehr als 60° zur Ebene der Kathodenplatte geneigt.

Die ausgestellten Schlitze einer jeden Kathodenplatte sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass ihre Längsachsen parallel zueinander und, wenn die Platten in eine Zelle eingebaut sind, vertikal verlaufen.

In der Zelle sind aufeinanderfolgende Anodenplatten und Kathodenplatten so angeordnet, dass die Anoden- und Kathodenplatten hintereinander liegen und die erwähnten Öffnungen fluchten, so dass sie die erwähnten Räume definieren.

Die Abstandsplatten sind vorzugsweise in Form und Grösse untereinander identisch, und ausserdem hat jede Platte vorzugsweise äussere Abmessungen, welche den Abmessungen der Anodenplatten und Kathodenplatten entsprechen. Jede Abstandsplatte ist vorzugsweise mit einer zentralen Öffnung versehen, die in ihren Abmessungen den Abmessungen des Anodenteils der Anodenplatte und des Kathodenteils der Kathodenplatte entsprechen, und weiterhin besitzt sie vier Öffnungen, welche in der Zelle einen Teil der in Längsrichtung der Zelle verlaufenden Räume bilden. Die letzteren Öffnungen sind vorzugsweise in Paaren angeordnet, und zwar jeweils ein Paar auf jeder Seite der zentralen Öffnung in der Abstandsplatte. Es wird weiterhin bevorzugt, dass diese Öffnungen durch Rahmenteile der Abstandsplatte definiert werden.

Die Durchgänge in einer jeden Abstandsplatte besitzen vorzugsweise die Form von Schlitzen in den Wandungen, so dass in der Zelle die Anolyträume mit dem Raum für die Solezuführung und dem Raum für die Sole- und Halogenabführung verbunden sind, und die Katholyträume mit dem Raum für die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und dem Raum für die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff verbunden sind. Die Schlitze können vorzugsweise durch flexible gewellte Streifen gebildet werden, so dass zwei Durchtritte entstehen.

Die Abstandsplatten können aus jedem geeigneten nichtleitenden Material hergestellt sein, aber es wird bevorzugt, ein synthetisches organisches Polymer zu verwenden, das gegenüber den in der Zelle herrschenden Bedingungen inert ist. Besonders geeignete Polymere sind Polyvinylidenfluorid und Polypropylen. Die Abstandsplatten werden vorzugsweise aus einer Platte des Polymers herausgestanzt oder aus dem Polymer geformt.

Die Zelle kann zweckmässigerweise mit Dichtungen versehen werden, die in geeigneter Weise aus einem elastomeren Material bestehen, wie z.B. Natur- oder Synthesegummi. Die Dichtungen werden in geeigneter Weise aus einer Platte eines elastomeren Materials herausgestanzt oder aus dem elastomeren Material geformt und entsprechen in ihrer Gesamt-grösse und Form den oben erwähnten Abstandsplatten.

Alternativ können die Abstandsplatten in ihrer Form und Dicke modifiziert werden, so dass sie sowohl als Abstandshalter als auch als Dichtungen dienen. In diesem Fall bestehen die kombinierten Abstandsplatten und Dichtungen (in der Folge als Abstandsdichtungen bezeichnet) zweckmässig aus einem elastomeren Material, wie z.B. Natur- oder Synthesegummi, wobei Durchtritte in den Wandungen der Abstandsdichtungen für die Einverleibung einer Federvorrichtung dienen, die entweder ein aus dem Anoden- oder Kathodenmaterial bestehender Pressling oder ein flexibler Formling aus einem geeigneten Polymer ist. Die Federvorrichtung nimmt einen Spalt in der Abstandsdichtung ein (wobei solche Spalte dort sind, wo Gas oder Flüssigkeit zwischen benachbarten Räumen fliessen muss) und ist so kon632530

struiert, dass sie den Fluss von Gas oder Flüssigkeit mit einem Mindestmass an Hinderung ermöglicht und eine Nachgiebigkeit und Tiefe entsprechend dem Elastomer besitzt, so dass der Verbindungsdruck übertragen wird.

Die Dichtungen (oder kombinierten Abstandsplatten und Dichtungen sollen ausreichend dünn und flexibel sein, so dass eine gute Abdichtung in der Zelle in Kombination mit den flexiblen Anodenplatten, Kathodenplatten und Abstandsplatten erzielt wird.

Es kann jedes geeignete Kationenaustauschmembranmate-rial als Membran verwendet werden. Solche Materialien bestehen im allgemeinen aus einem synthetischen organischen polymeren Material, das Kationenaustauschgruppen enthält, wie z.B. Sulfonat- oder Carboxylatgruppen. Insbesondere synthetische fluorhaltige Polymere, welche die Zellenbedingungen längere Zeit aushalten, sind brauchbar, wie z.B. die Perfluorosulfonsäuremembranen, die von EI Du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen «NAFION» vertrieben werden und welche auf einem hydro-lysierten Mischpolymer von Tetrafluoräthylen und einem fluorsulfonierten Perfluorovinyläther basieren. Solche Membranen sind beispielsweise in den US-PSen 2 636 851 ; 3 017 338; 3 496 077; 3 560 568; 2 967 807 und 3 282 875 und in derGB-PS 1 184321 beschrieben.

Die Anodenplatten, Kathodenplatten und Abstandsplatten können leicht mit einer gleichförmigen Stärke hergestellt und ausreichend dünn gemacht werden, so dass die Platten flexibel sind. Diese Flexibilität ermöglicht die Aufrechterhaltung eines gleichmässigen und ausreichenden Drucks an den die Zelle verbindenden Stellen, so dass ein Auslaufen vermieden wird.

Bei einer bestimmten Ausführungsform der Zelle alternieren einzelne Anodenplatten und einzelne Kathodenplatten, wobei Membranen zwischen benachbarten Anoden-und Kathodenplatten angeordnet sind. Bei einer alternativen Ausführungsform alternieren Paare von Anodenplatten mit Paaren von Kathodenplatten, wobei Membranen zwischen benachbarten Paaren von Anodenplatten und Paaren von Kathodenplatten angeordnet sind. Die Verwendung von Paaren von Anoden- und Kathodenplatten anstelle von einzelnen Platten ergibt einen erhöhten Gasbildungsraum in der Nachbarschaft der Anoden und Kathoden.

Der Anodenteil einer jeden Anodenplatte und der Kathodenteil einer jeden Kathodenplatte besitzt vorzugsweise in der Richtung des Stromflusses eine Abmessung im Bereich von 15 bis 60 cm, insbesondere im Bereich von 15 bis 25 cm, wenn einzelne Anoden- und Kathodenplatten alternieren, und im Bereich von 30 bis 50 cm, wenn alternierende Paare von Anoden- und Kathodenplatten verwendet werden. Die oben erwähnten bevorzugten Abmessungen der Anoden- und Kathodenplatten ergeben kurze Stromwege, die ihrerseits einen niedrigen Spannungsabfall zwischen den Anoden- und Kathodenplatten sicherstellen, ohne dass die Verwendung von aufwendigen Stromführungsvorrichtungen erforderlich ist.

Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Membranen in der Zelle liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20 mm, beispielsweise im Bereich von 5 bis 8 mm, wenn alternierende einzelne Anoden- und Kathodenplatten verwendet werden, und im Bereich von 10 bis 20 mm, wenn alternierende Paare von Anoden- und Kathodenplatten verwendet werden.

Beim Betrieb der Zelle fliesst Sole, z.B. Natriumchloridsole, von einem sich in Längsrichtung der Zelle erstreckenden Raum durch Durchgänge in den Wandungen der Abstandsplatten in die Anolyträume der Zelle. Das im Anolytraum gebildete Chlorgas und Sole fliessen durch andere Durchgänge in den Wandungen der Abstandsplatten in einen anderen sich in Längsrichtung der Zelle erstreckenden Raum.

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Das zugeführte Wasser oder alkalische Wasser fliesst von einem Raum durch Durchgänge in den Wandungen der Abstandsplatten in die Katholyträume, und Zellenflüssigkeit und Wasserstoff, die in den Katholyträumen gebildet werden, fliessen durch andere Durchgänge in den Wandungen der Abstandsplatten in einen anderen sich in Längsrichtung der Zelle erstreckenden Raum. Eine Trennung der Chlor- und Wasserstoffgase aus den entsprechenden Flüssigkeiten findet zweckmässigerweise ausserhalb der Zelle, beispielsweise in entsprechend konstruierten Kopfgefässen,

statt.

Die erfindungsgemässe Zelle ist also aus geformten oder gepressten Anoden- und Kathodenplatten ähnlicher Form aufgebaut, die durch geformte oder gestanzte Abstandsplatten aus einem geeigneten nicht-leitenden Material sowie nötigenfalls Dichtungen voneinander getrennt sind.

Die Zelle ist zweckmässig mit Endplatten ausgerüstet, die den Endanoden- und Endkathodenplatten benachbart sind. Die Endplatten sind in geeigneter Weise aus Weichstahl hergestellt, der in geeigneter Weise vor dem Zelleninnenraum beispielsweise mittels Abstandsstücken aus Kunststoff geschützt ist. Der gesamte Zusammenbau kann beispielsweise durch Zusammenziehen der Endplatten mittels Bolzen zusammengehalten werden. Die einfache Konstruktion gestattet in vorteilhafter Weise den Bau einer grosstechnischen Zelle mit verhältnismässig niedrigen Kapitalkosten im Vergleich zu herkömmlichen monopolaren Zellen der Tanktype oder bipolaren Filterpressenzellen.

Bei Verwendung dünner flexibler Anodenplatten und Kathodenplatten ist es nicht nötig, dass die Platten während der Herstellung plan sind, da diese Platten während des Zusammenbaus flachgedrückt werden, und zwar wegen des Drucks, der durch die Endplatten ausgeübt wird, die eine verhältnismässig massive Konstruktion aufweisen können. Darüber hinaus ergibt die Verwendung von dünnen Anoden-und Kathodenplatten (z.B. 1 mm Dicke) ausgestellte Schlitze in den aktiven Teilen der Anode und der Kathode, die eine geringe Festigkeit aufweisen, so dass sie leicht durch die Membran verformt werden können, wenn sie während des Zusammenbaus mit dieser in Kontakt kommen, wodurch eine Beschädigung der Membran vermieden wird. Auf diese Weise wird ein verhältnismässig kleiner Anoden-Kathoden-Abstand von beispielsweise 2 mm in einfacher Weise erreicht.

Die Gesamtlänge der Zelle wird unvermeidbar grösser sein als die Dicke der einzelnen Zellenabschnitte. Die Stromzuführung zu den Zellenabschnitten kann beispielsweise durch mehrere flexible Stromverbindungen erfolgen, deren Anzahl gleich der Anzahl der Zellenabschnitte der Zelle ist.

Eine Anlage für die Herstellung von Halogen und Alkali-metallhydroxidlösung kann mehrere erfindungsgemässe Zellen umfassen. Die Zellen können miteinander durch Verbindungsstäbe oder Klemmen verbunden sein, welche durch die Gesamtzahl der flexiblen Stromverbindungen und die Anoden- und Kathodenplatten, je nach Zweckmässigkeit, hindurch- oder an diesen entlanggehen. Wenn mehrere Zellen verwendet werden und wenn eine bestimmte Zelle ausser Betrieb gesetzt wird, d.h. elektrisch isoliert werden soll, dann kann ein Springschalter direkt über der ausser Betrieb zu setzenden Zelle angeordnet werden, und Verbindungen können zu den entsprechenden Punkten entlang der gesamten Länge der Zelle gemacht werden, und zwar mit Hilfe einer ähnlichen Verbindungsstangen- oder Klemmanordnung. Die Zelle kann dann entweder von unten oder von der Seite entnommen werden. Alternativ kann der Springschalter unterhalb der Zelle angeordnet werden, wobei die Zelle dann von oben entnommen wird.

Die Erfindung eignet sich besonders für Membranzellen, die für die Herstellung von Chlor und Natriumhydroxid durch Elektrolyse von wässrigen Natriumchloridlösungen verwendet werden.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung eines Teils einer erfindungsgemässen Membranzelle;

Figur 2 eine Stirnansicht der Membranzelle von Figur 1, gesehen in Richtung A (einige Teile sind weggeschnitten, um die aufeinanderfolgenden Komponenten der Zelle zu zeigen);

Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Zelle mit einfachen alternierenden Anoden- und Kathodenplatten; und

Figur 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Zelle mit alternierenden Paaren von Anoden- und Kathodenplatten.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Teil der Zelle besitzt eine Anodenplatte 1, eine Kathodenplatte 2, eine Membran 3 und Abstandsdichtungen 4 und 5. Die Zelle besitzt weiterhin Endplatten (nicht gezeigt), die in geeigneter Weise aus Weichstahl bestehen, und Dichtungen (nicht gezeigt), die in geeigneter Weise aus einem elastomeren Material, wie z.B. Gummi, bestehen und zwischen einer jeden Endplatte und der benachbarten Anodenplatte bzw. Kathodenplatte eingefügt sind.

Die Membran 3 trennt einen Anolytabschnitt, der aus der Anodenplatte 1 und der Abstandsdichtung 4 besteht, von einem Katholytabschnitt, der aus der Kathodenplatte 2 und der Abstandsdichtung 5 besteht. Die in Figur 1 gezeigte Zelle enthält einen Anolytabschnitt und einen Katholytabschnitt, jedoch wird daraufhingewiesen, dass eine grosstechnische Zelle eine Vielzahl solcher Abschnitte, typischerweise 200 bis 500, enthalten kann.

Der gesamte Zusammenbau aus den Abschnitten kann mittels Schrauben und Federn oder hydraulischen Vorrichtungen zur Bildung einer elektrolytischen Filterpressenmem-branzelle zusammengeklemmt werden, wobei die Wärmeexpansion zu berücksichtigen ist.

Die einzelnen oben erwähnten Komponenten der Zelle (die weiter unten näher abgehandelt werden) bilden miteinander folgendes (siehe Figur 2): Räume 10,11,12 und 13, welche die Zuführung von Sole, die Abführung von verbrauchter Sole und Halogen, die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff und die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser ermöglichen. Die Abmessungen der Anolyt- oder Katholyträume werden durch die Abstände zwischen der Membran 3 und der Anodenplatte 1 bzw. der Kathodenplatte 2 und durch die Querschnitte der aktiven Anode oder Kathode der Anoden- bzw. Kathodenplatten-flächen, wie weiter unten definiert, bestimmt.

Jede Anodenplatte 1 besteht zum Teil aus einem filmbildenden Metall, vorzugsweise Titan. Sie ist mit einer aktiven Anodenfläche in Form einer Vielzahl von ausgestellten Schlitzen 14 versehen, welche einen elektrokatalytisch aktiven Belag tragen, wie z.B. ein Gemisch aus Rutheniumoxid und Titandioxid. Die Anodenplatte 1 besitzt einen Fortsatz 15 für den Anschluss an eine (nicht gezeigte) elektrische Stromquelle. Die Anodenplatte 1 besitzt einen unteren Rahmenteil 16, der eine Öffnung 17 definiert, deren Abmessungen dem Querschnitt des Raums 10 für die Zuführung von Sole entsprechen, und einen oberen Rahmenteil 18, der eine Öffnung 19 definiert, deren Abmessungen dem Querschnitt des Raums 11 für die Abführung von Sole und Halogen entsprechen. Die Anodenplatte 1 besitzt ausserdem einen Rahmenteil 6 aus einem nicht-leitenden Material, welcher eine

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Öffnung 20 definiert, deren Abmessungen dem Querschnitt des Raums 13 für die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser entsprechen, und einen Rahmenteil 7 aus nicht-leitendem Material, der eine Öffnung 21 definiert, deren Abmessungen dem Querschnitt des Raums 12 für die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff entsprechen. Die Rahmenteile 6 und 7 bestehen in zweckmässiger Weise aus Kunststoff, wie z.B. Polypropylen.

Die Kathodenplatte 2 ist in geeigneter Weise aus Weichstahl oder Eisen, vorzugsweise Weichstahl, hergestellt. Sie ist mit einer aktiven Kathodenfläche in Form einer Vielzahl von ausgestellten Schlitzen 22 versehen und besitzt einen Fortsatz 23 für die Abführung von elektrischem Strom. Die Kathodenplatte 2 besitzt einen unteren Rahmenteil 24, der eine Öffnung 25 definiert, deren Abmessungen dem Querschnitt des Raums 13 für die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser entsprechen, und einen oberen Rahmenteil 26, der eine Öffnung 27 definiert, deren Abmessungen dem Querschnitt des Raums 12 für die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff entsprechen.

Die Kathodenplatte 2 besitzt ausserdem einen Rahmenteil 8 aus nicht-leitendem Material, der eine Öffnung 28 definiert, deren Abmessungen dem Querschnitt des Raums 11 für verbrauchte Sole und Halogen entsprechen, und einen Rahmenteil 9, der eine Öffnung 29 definiert, deren Abmessungen dem Querschnitt des Raums 10 für die Zuführung von Sole entsprechen. Die Rahmenteile 8 und 9 sind in zweckmässiger Weise aus Kunststoff, wie z.B. Polypropylen, hergestellt.

Die Abstandsdichtungen 4 und 5 bestehen aus einem elastomeren Material, wie z.B. Natur- oder Synthesegummi.

Jede Abstandsdichtung 4,5 ist mit fünf Öffnungen versehen, deren Abmessungen im wesentlichen den Abmessungen der mit ausgestellten Schlitzen versehenen Bereiche der Anoden-und Kathodenplatten und den Abmessungen der Öffnungen in den Anoden- und Kathodenplatten, welche die Räume 10, 11,12 und 13 definieren, entsprechen.

Die Abstandsdichtung 4 ist mit Schlitzen 30 und 31 in ihrer Seitenfläche versehen, welche gewellte flexible Streifen 32 bzw. 33 aufnehmen. Die Streifen 32 und 33 bestehen in geeigneter Weise aus einem filmbildenden Metall, wie z.B. Titan, oder aus einem Polymer, wie z.B. Polyvinylidenfluorid. Die Streifen 32 und 33 definieren Durchgänge zwischen den Anolyträumen und den Räumen 10 bzw. 11.

Die Abstandsdichtung 5 ist mit Schlitzen 34 und 35 versehen, welche flexible gewellte Streifen 36 und 37 aufnehmen. Die Streifen 36 und 37 bestehen aus Weichstahl oder einem Polymer, wie z.B. Polyvinylidenfluorid. Die Streifen 36 und 37 definieren Durchtritte zwischen dem Katholytraum und den Räumen 13 bzw. 12.

Die (nicht gezeigten) Dichtungen, die den Endplatten benachbart sind, können aus einem elastomeren Material hergestellt werden, wie z.B. aus Natur- oder Synthesegummi. Sie können in ihren äusseren Abmessungen den Abstandsdichtungen 4 und 5 entsprechen, ausser dass die Dichtungen dann nicht mit Durchgängen versehen sind.

Die Zelle ist in geeigneter Weise mit (nicht gezeigten) Zuleitungen für Sole (an den Raum 10 angeschlossen) und für Wasser oder alkalisches Wasser (an den Raum 13 angeschlossen) und mit (nicht gezeigten) Ableitungen für ver632530

brauchte Sole und Halogen (an den Raum 11 angeschlossen) und für die Zellenflüssigkeit und Wasserstoff (an den Raum 12 angeschlossen) versehen.

Beim Betrieb fliesst Sole vom Raum 10 durch die Durchgänge, welche durch den gewellten Streifen 33 in der Abstandsdichtung 4 definiert werden, in den Anolytraum, während verbrauchte Sole und Halogen durch die Durchgänge, die durch den gewellten Streifen 32 in der Abstandsdichtung 4 definiert werden, in den Raum 11 fliessen. Zugeführtes Wasser oder alkalisches Wasser fliesst vom Raum 13 durch die Durchgänge, welche durch den gewellten Streifen 36 in der Abstandsdichtung 5 definiert werden, in den Katholytraum, während Zellenflüssigkeit und Wasserstoff durch die Durchgänge, welche durch den gewellten Streifen 37 in der Abstandsdichtung 5 definiert werden, in den Raum 12 fliessen. Die Räume 11 und 12 sind an (nicht gezeigte) Kopfbehälter angeschlossen, aus denen Halogen und Wasserstoff entweicht.

Figur 3 zeigt schematisch eine Zelle der in Figur 1 und 2 gezeigten Type, wobei eine Anordnung von einzelnen Anodenplatten 38 (entsprechend den Anodenplatten 1 in den Figuren 1 und 2) zu sehen ist, die einzelnen Kathodenplatten 39 (entsprechend den Kathodenplatten 2 in den Figuren 1 und 2) alternieren, wobei Membranen 40 zwischen den Anodenplatten 38 und den Kathodenplatten 39 angeordnet sind. Figur 3 zeigt ausserdem Dichtungen 41 (entsprechend den Abstandsplatten 4,5 in Figur 1 oder 2).

Figur 4 zeigt schematisch eine Zelle mit einer alternierenden Anordnung von Paaren von Anodenplatten 42 und Paaren von Kathodenplatten 43 gemeinsam mit Membranen 44 und Dichtungen 45.

Die erfindungsgemässe Zelle wird weiter durch das folgende Beispiel erläutert:

Beispiel

Eine erfindungsgemässe Membranzelle wurde aufgebaut aus einer Titanodenplatte 1 mit ausgestellten Schlitzen (0,75 mm Dicke), die mit einem Gemisch aus Rutheniumoxid und Titandioxid beschichtet war, einer Weichstahlkathoden-platte 2 mit ausgestellten Schlitzen (0,75 mm Dicke), und einer «NAFION»-Membrane (eine Perfluorsulfonsäure-membrane, hergestellt und vertrieben durch Du Pont unter dem Warenzeichen «NAFION», 0,3 mm Dicke). Die Länge der ausgestellten Schlitze 14,22 der Anoden- bzw. Kathodenplatten, welche der Richtung des Stromflusses folgten, war 15 cm. Der Anoden-Kathoden-Abstand (zwischen den äusserten Stellen der mit Schrägschlitzen versehenen Oberflächen) war 2 mm. Der Abstand zwischen den Membranoberflächen in einer Zelle dieser Art mit mehr als einer Membrane wäre 6 mm. Die Abstandsdichtungen 4 und 5 bestanden aus Synthesegummi.

Die Zelle wurde mit Natriumchloridsole (300 g/1 NaCl) mit einer Geschwindigkeit von 51/st beschickt, und ein Strom von 500 A (entsprechend einer Stromdichte von 3,5 kA/m2) wurde durch die Zelle hindurchgeschickt. Die Zellenbetriebsspannung war 4,0 V. Das gebildete Chlor enthielt 91-93 Gew.-% Ch und 6-8 Gew.-% O2. Die gebildete Zellenflüssigkeit enthielt 20 Gew.-% NaOH. Die Zelle arbeitete mit einer Stromausbeute von 83%.

7

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

B

3 Blatt Zeichnungen

Claims (17)

1. 632530

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Monopolare elektrolytische Filterpressenzelle für die Elektrolyse einer im folgenden als Sole bezeichneten wäss-rigen Alkalimetallhalogenidlösung, um eine im folgenden als Zellenflüssigkeit bezeichnete wässrige Alkalimetallhydroxid-lösung, Halogen und Wasserstoff herzustellen, welche mehrere vertikal angeordnete flexible Anodenplatten und flexible Kathodenplatten und jeweils eine selektiv für Kationen durchlässige Membran zwischen benachbarten Anoden- und Kathodenplatten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anodenplatte teilweise aus einem nicht-leitenden Material besteht und einen Anodenteil umfasst, der aus einem filmbildenden Metall mit einem elektrokatalytisch aktiven Belag auf seiner Oberfläche hergestellt ist, jede Kathodenplatte teilweise aus einem nicht-leitenden Material besteht und einen metallischen Kathodenteil umfasst, und eine nicht leitende flexible Abstandsplatte zwischen einer jeden Membran und benachbarten Anodenplatte und zwischen einer jeden Membran und benachbarten Kathodenplatte angeordnet ist, wobei die Anodenplatten, Kathodenplatten und Abstandsplatten jeweils Öffnungen aufweisen, die in der Zelle vier gesonderte, sich in Längsrichtung der Zelle erstrek-kende Räume definieren, durch die eine Zuführung von Sole, eine Abführung von Sole und Halogen, eine Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und eine Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff ermöglicht wird, wobei die Abstandsplatten in ihren Wandungen mit Durchgängen ausgerüstet sind, welche in der Zelle die Räume für die Zuführung von Sole und für die Abführung von Sole und Halogen mit den Anolyträumen verbinden, die durch die Abstände zwischen den Membranen und benachbarten Anodenplatten definiert sind, und welche die Räume für die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff mit den Katholyträumen verbinden, welche durch die Abstände zwischen den Membranen und den benachbarten Kathodenplatten definiert sind, wobei die Zelle mit Endplatten versehen ist, welche Endwandungen für die Räume bilden, und wobei die nichtleitenden Teile der Anodenplatten und Kathodenplatten elektrisch die Räume, welche eine Zuführung von Sole und eine Abführung von Sole und Halogen ermöglichen, von den Räumen, welche eine Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und eine Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff ermöglichen, trennen.
2. 2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten aus einer Endanodenplatte und einer Endkathodenplatte bestehen.
3. 3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen durch Rahmenteile der Anodenplatten definiert werden und dass die Öffnungen in den Platten in Paaren angeordnet sind, jeweils ein Paar auf einer jeden Seite des Anodenteils der Platten.
4. 4. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in den Anodenplatten, welche in der Zelle einen Teil des Raums für die Zuführung von Sole und einen Teil des Raums für die Abführung von Sole und Halogen bilden, durch metallische Rahmenteile aus dem gleichen filmbildenden Metall wie der Anodenteil der Anodenplatten definiert sind, und dass die Öffnungen in den Anodenplatten, welche in der Zelle einen Teil des Raums für die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und einen Teil des Raums für die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff bilden, durch Rahmenteile aus einem nicht-leitenden Material definiert sind.
5. 5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenteil und die die Öffnungen definierenden Rahmenteile aus einer einzigen Platte eines filmbildenden Metalls hergestellt sind.
6. 6. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenteil der Anodenplatte ausgestellte Schlitze aufweist und dass die ausgestellten Schlitze so ausgerichtet sind, dass ihre Längsachsen parallel zueinander und vertikal verlaufen.
7. 7. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in der Kathodenplatte, welche in der Zelle einen Teil des Raums für die Zuführung von Wasser oder alkalischem Wasser und einen Teil des Raums für die Abführung von Zellenflüssigkeit und Wasserstoff bilden, durch metallische Rahmenteile aus dem gleichen Metall wie der Kathodenteil der Kathodenplatte definiert sind, und dass Öffnungen in der Kathodenplatte, welche in der Zelle einen Teil des Raums für die Zuführung von Sole und einen Teil des Raums für die Abführung von Sole und Halogen bilden, durch Rahmenteile aus einem nicht-leitenden Material definiert sind.
8. 8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenteil und die die Öffnungen definierenden Rahmenteile aus einer einzigen Platte eines Metalls hergestellt sind.
9. 9. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenteil der Kathodenplatte ausgestellte Schlitze aufweist und dass die ausgestellten Schlitze so ausgerichtet sind, dass ihre Längsachsen parallel zueinander und vertikal verlaufen.
10. 10. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstandsplatte folgende Öffnungen aufweist: eine zentrale Öffnung, welche in ihren Abmessungen den Abmessungen des Anodenteils der Anodenplatte und des Kathodenteils der Kathodenplatte entspricht, und vier Öffnungen, welche in der Zelle einen Teil der sich in Längsrichtung der Zelle erstreckenden Räume bilden, wobei diese Öffnungen durch Rahmenteile definiert werden und in Paaren angeordnet sind, und zwar ein Paar auf jeder Seite der zentralen Öffnung der Abstandsplatte.
11. 11. Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgänge in den Wandungen der Abstandsplatten durch Schlitze in den Wandungen gebildet werden, so dass die Anolyträume mit dem Solezuführungsraum und dem Sole- und Halogenabführungsraum verbunden sind, und dass die Katholyträume mit dem Zuführraum für Wasser oder alkalisches Wasser und dem Abführraum für Zellenflüssigkeit und Wasserstoff verbunden sind.
12. 12. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenzeichnet, dass sie Dichtungen aus elastomerem Material aufweist, welche in ihrer Gesamtgrösse und Form den Abstandsplatten entsprechen.
13. 13. Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abstandsplatte aus einem elastomeren Material hergestellt ist und als Kombination aus Abstandsplatte und Dichtung dient und dass die Durchgänge der Platte die Form einer Federvorrichtung aufweisen, welche in die Abstandsplatte einverleibt ist und aus einer Pressung aus dem Anoden- oder Kathodenmaterial oder einem flexiblen Polymerformstück besteht.
14. 14. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Anoden mit einzelnen Kathoden alternieren, wobei Membranen zwischen aufeinanderfolgende Anoden und Kathoden angeordnet sind.
15. 15. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Paare von Anoden mit Paaren von Kathoden alternieren, wobei Membranen zwischen aufeinanderfolgenden Paaren von Anoden und Kathoden angeordnet sind.
16. 16. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anode und jede Kathode

    2

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    45

    50

    55

    60

    65

    3

    632530

    in Richtung des Stromflusses eine Abmessung im Bereich von 15 bis 60 cm aufweist.
17. 17. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Membranen im Bereich von 5 bis 20 mm liegt.