CH637549A5

CH637549A5 - Elektrochemischer reaktor und verwendung desselben zum entfernen eines metalls aus einer loesung.

Info

Publication number: CH637549A5
Application number: CH1287577A
Authority: CH
Inventors: Bernard Fleet; Sankar Das Gupta
Original assignee: Hsa Reactors Ltd
Priority date: 1974-08-07
Filing date: 1977-10-21
Publication date: 1983-08-15
Also published as: SE425981B; US4046664A; SE8101524L; DK147110B; JPS5176177A; CA1055889A; NL184481C; NL7509274A; NO752753L; DE2534357A1; SE7508859L; IT1041146B; FR2281655B1; DK147110C; US4046663A; NL184481B; AU8370475A; IN145436B; SE425980B; AU503458B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Reaktor mit einem Elektrolytbehälter, einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode und Verwendung dieses Reaktors zum Entfernen eines Metalls aus einer Lösung.

Elektrochemische Reaktoren werden für viele unterschiedliche Verfahren verwendet, und es gibt daher eine grosse Anzahl unterschiedlich aufgebauter bekannter Reaktoren. Mögliche Verfahren zum Einsatz von elektrochemischen Reaktoren sind beispielsweise elektrochemische Synthesen, Elektrolysen, Elektroraffinationen, Gewinnungen mittels elektrochemischer Vorgänge, Elektrometallurgie, die elektrochemische Erzeugung von chemischen Spezialitäten sowie die elektrochemische Behandlung von Abfallen.

Die Wirksamkeit eines elektrochemischen Reaktors hängt sehr stark von den Eigenschaften der Arbeitselektrode ab, und zwar insbesondere von dem Oberflächenbereich dieser Elektrode und von der Verteilung des elektrischen Potentials auf der Elektrodenoberfläche. Wird der in Berührung mit dem Elektrolyt kommende Oberflächenbereich auf einen Maximalwert vergrössert, kann die Elektrode einen grossen Massenübertragungsfluss erzeugen, und wenn das Potential über den Querschnittsbereich konstant ist, ist die Elektrode steuerbar und damit stark selektiv, wodurch dann die gewünschten Ergebnisse erzielt werden können. Da somit die wirtschaftliche Ausbeute und Brauchbarkeit jedes elektrochemischen Verfahrens in grossem Umfang von der Wirksamkeit des Reaktors abhängt, beeinflusst jede Verbesserung im Betriebsverhalten des Reaktors die Kosten der Verfahrensdurchführung erheblich.

Neben den verschiedenen Formen von bekannten Elektroden aus pulver- oder teilchenförmigen Schichten hat man bereits versucht, zur Optimierung der Elektrodenwirksamkeit verschiedene Anordnungen von Platten u.ä. zu benutzen, so dass aus mehreren durch schmale Spalte getrennten Platten bestehende Elektroden entstanden. Neben den schlechten Oberflächenbereichen gegenüber den teilchenförmigen Schichten haben diese Elektrodenaufbauten einen weiteren Nachteil, der darin besteht, dass die kleinen Zwischenräume leicht blockiert bzw. verstopft werden, so dass es schwierig ist, einen entsprechenden Elektrolytfluss aufrechtzuerhalten. Die meisten bekannten Reaktoren dieser Art, mit denen eine vernünftige Wirksamkeit erzielbar ist, enthalten Einrichtung zum Rühren des Elektrolyten oder zum Durchdrücken des Elektrolyten durch die Elektrode auf andere Weise.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrochemischen Reaktor zu schaffen, der sowohl verbesserte Potentialverteilungseigenschaften als auch ein sehr grosses Verhältnis von Oberflächenbereich zu Volumen aufweist.

Der erfindungsgemässe Reaktor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitselektrode eine Vielzahl von metallischen Fasern oder Kohlenstoffasern aufweist, von denen jede mit mindestens einigen anderen Fasern in elektrischer Berührung gehalten ist, und dass die Gegenelektrode in einem einen Kurzschluss verhindernden Abstand von der Arbeitselektrode angeordnet ist, und dass die Gegenelektrode und die Arbeitselektrode mit einer Spannungsquelle verbindbar sind.

In diesem Zusammenhang werden unter der Bezeichnung «Kohlenstoffasern» alle Fasern verstanden, die sich durch verschiedene Wärmebehandlungsverfahren aus geeigneten organischen Vorprodukten, etwa Reyon- oder Polyacrylni-trilfasern, herstellen lassen.

Die erfindungsgemässe Verwendung des Reaktors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung über oder durch die Arbeitselektrode geführt wird und dass dabei eine vorbestimmte Potentialdifferenz zur Ablagerung des Metalls auf der Arbeitselektrode zwischen dieser und der Gegenelektrode aufrechterhalten wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele zeigenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen elektrochemischen Reaktor mit einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Reaktors;

Fig. 3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reaktors;

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Arbeitselektrode;

Fig. 4a zeigt in einer Seitenansicht eine weitere Arbeitselektrode;

Fig. 5 zeigt vereinfacht im Schnitt einen elektrochemischen Reaktor mit der Arbeitselektrode gemäss Fig. 4;

Fig. 6 zeigt in einer Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Arbeitselektrode, und

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

637 549

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch einen elektrochemischen Reaktor mit der Elektrode gemäss Fig. 6.

Der ein einfaches Ausführungsbeispiel darstellende Reaktor 20 aus Fig. 1 enthält einen Elektrolytbehälter 22, der an seinem oberen Ende offen ist und nahe diesem offenen Ende einen Elektrolytauslass 24 aufweist. Durch diesen Aus-lass wird der Flüssigkeitsstand im Elektrolytbehälter 22 geregelt.

Der Reaktor weist ferner eine mittig im Elektrolytbehälter 22 angeordnete Arbeitselektrode 26 auf, die mit Kohlenstoffasern 27 gefüllt ist. Die Elektrode 26 befindet sich innerhalb einer rohrförmigen Gegenelektrode 28 und hat ein Gehäuse 29, das einen im wesentlichen zylindrischen Hauptbereich 30 aus Asbest o.ä., einen Boden 32 und eine Deckelanordnung 34 aufweist. Im Ha.uptbereich 30 ist nahe dem Boden 32 eine Anzahl kleiner Öffnungen 35 vorgesehen, durch die der Elektrolyt aus dem Gehäuse 29 austreten kann. Die Öffnungen sind im Verhältnis zur Länge einer Kohlenstoffaser 27 klein, so dass die Fasern über den Öffnungen liegen und die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, dass eine Faser aus dem Gehäuse 29 herausgelangt.

Die Deckelanordnung 34 besteht aus einem Ringelement 36, das stramm in das obere Ende des Hauptbereiches 30 passt und mit diesem mittels eines geeigneten Klebstoffes verbunden ist.

Das Ringelement 36 in der Deckelanordnung 34 weist ein Innengewinde auf, in das ein ein Aussengewinde tragendes Druckelement 38 eingeschraubt ist, das einen oberen quadratischen Abschnitt 40 zum Eingriff eines Schlüssels für das Drehen des Druckelementes 38 im Ringelement 36 hat. Ausserdem ist eine Kontermutter 42 vorgesehen, die sowohl ein elektrisches Anschlusselement 44 in seiner Stellung hält als auch das Druckelement 38 in einer bevorzugten Lage im Ringelement 36 verriegelt. Das Anschlusselement 44 ist mit einem Ende einer isolierten Leitung 46 verbunden.

Die Gegenelektrode 28 hat einen sich nach oben erstrek-kenden Bereich 48, der mittels einer Schraube 50 mit einem weiteren elektrischen Anschlusselement 52 verbunden ist. An diesem Anschlusselement ist eine andere isolierte Leitung 54 angeschlossen, die, wie schematisch angedeutet, Teil einer elektrischen Schaltung bildet, die eine Spannungsquelle 55 umfasst und mit der auch die Leitung 46 verbunden ist.

Zur Zufuhr des Elektrolyten von einer Quelle ausserhalb des Reaktors 20 direkt in das Innere der Arbeitselektrode 26 ist ein Elektrolyteinlass 56 vorgesehen. Im Inneren der Elektrode 26 kommt der Elektrolyt in Berührung mit den Kohlenstoffasern, bevor er durch die Öffnungen 35 im Hauptbereich 30 austritt und sich dann entlang der Gegenelektrode 28 und durch den Auslass 24 herausbewegt.

Die dargestellte Elektrode 26 wird so zusammengesetzt, dass zunächst die Kohlenstoffasern in den Hauptbereich 30 eingebracht und dann die Deckelanordnung 34 in Eingriff mit dem oberen Ende des Hauptbereichs 30 gebracht wird. Zweckmässigerweise sind die Kohlenstoffasern eng gebündelt und haben eine mit der Länge des Hauptbereiches 30 vergleichbare Länge. Ist das Ringelement 36 in seine Lage im Hauptbereich 30 gebracht, wird das Druckelement 38 in das Ringelement 36 geschraubt, wozu ein Schlüssel in Eingriff mit dem quadratischen Abschnitt 40 des Druckelementes 38 gebracht wird. Dadurch erzeugt man eine Kompression der Kohlenstoffasern, die ausreicht, um diese in Druckberührung miteinander zu halten, da sie trotz ihres geringen Durchmessers für ihre Grösse ziemlich starr sind. Bei ausreichender Füllung des Gehäuses 29 stehen die Fasern somit in Eingriff miteinander, wenn an einem Ende des Gehäuses eine Druckkraft aufgebracht wird, und zwischen den Fasern wird ein elektrischer Kontakt sichergestellt. Da der elektrische Widerstand der Fasern vernachlässigbar klein ist und da sich viele Berührungen zwischen jeder Faser und benachbarten Fasern ergeben, entsteht ausserdem über die Fasern ein konstantes elektrisches Potential. Ist die Kompression bzw. das Zusammendrücken erfolgt, wird das Anschlusselement 14 in Eingriff mit dem Druckelement 38 gebracht und die Kontermutter 42 aufgeschraubt, die sowohl das Druckelement 38 als auch das Anschlusselement 44 in ihrer Lage hält.

Im Gebrauch wird die Spannungsquelle 55 entsprechend dem durchzuführenden Verfahren benutzt. Sollen Kationen gesammelt werden, ist die Arbeitselektrode 26 die Kathode, und wenn anderseits Anionen gesammelt werden sollen,

wird die Arbeitselektrode als Anode benutzt.

Die Form der Arbeitselektrode kann in weiten Grenzen verändert werden. Die Länge der Fasern liegt vorzugsweise in der Grössenordnung der Länge des Hauptbereiches 30. Die Länge der Fasern kann jedoch unter Beibehaltung ausreichender elektrischer Kontakte zwischen den Fasern verändert werden, ohne dass der Elektrolytfluss zwischen den Fasern stark beeinträchtigt wird. Es ist klar, dass bei Verringerung der Faserlänge eine Grösse erreicht werden kann, bei der die Verdichtung der Fasern den Elektrolytfluss erheblich beeinträchtigt.

Es hat sich gezeigt, dass Kohlenstoffaser-Elektroden der beschriebenen Art im wesentlichen infolge des vernachlässigbaren elektrischen Widerstandes innerhalb jeder der Fasern ganz besonders wirksam sind, so dass sich in den Fasern ein im wesentlichen konstantes Potential erreichen lässt. Die besonders gute Wirksamkeit beruht auch darauf, dass sich durch Verwendung dieser Fasern bei einer gegebenen Elek-trodengrösse ein extrem grosser Oberflächenbereich ergibt. Typische, geeignete Kohlenstoffasern werden von der Firma Courtaulds Limited, Carbon Fibers Unit, Coventry, England hergestellt und unter der Bezeichnung GRAFIL vertrieben. Jede dieser Fasern hat typischerweise einen Durchmesser von etwa 5 bis 15 Mikron, obwohl auch andere Grössen erhältlich sind. Die Fasern werden in Form eines Stranges vertrieben, der jeweils 5000 oder 10 000 Fasern enthält. Es ist daher zweckmässig, für eine Elektrode der vorstehend beschriebenen Art einen Teil des Stranges zu nehmen, ihn in einen Behälter, z.B. das Gehäuse 29, einzusetzen und dann eine Endkraft aufzubringen, so dass die Fasern in enge elektrische Berührung miteinander gedrückt werden. Für eine vorgegebene Gehäusegrösse wird jedoch die Massenübertragung verringert, wenn sich der Querschnitt der Fasern vergrössert, da dann der Oberflächenbereich herabgesetzt wird.

Es hat sich auch gezeigt, dass die Kohlenstoffasern Eigenschaften aufweisen, die für die allgemeine Wirksamkeit elektrochemischer Vorgänge und Verfahren unerwartet vorteilhaft sind. Die Fasern haben niedrige Adsorptionswerte -und neigen dazu, innerhalb verhältnismässig grosser Potentialbereiche frei von schädlichen Schichtbildungen auf der Faseroberfläche zu bleiben. Somit lassen sich durch diese Eigenschaften in Kombination mit dem von den Fasern gebildeten grossen Oberflächenbereich pro Volumeneinheit der Elektrode verhältnismässig hohe Massenübertragungsraten erreichen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft ist das günstige Überspannungsverhalten. Die Wasserstoff- und Sauerstoffüberspannungen sind insbesondere bei neutralen Lösungen gross, so dass Kohlenstoffasern über einen erheblichen Potentialbereich sowohl als Anode als auch als Kathode benutzt werden können. Dies ermöglicht an einer Kohlenstofffaser-Elektrode eine grosse Anzahl elektrochemischer Reaktionen.

Obwohl in dem beschriebenen elektrochemischen Reaktor keine elektrochemische Membran benutzt wurde, ist es klar, dass eine derartige Membran eingesetzt werden kann,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

637549

4

wenn dies für bestimmte Vorgänge oder Verfahren erforderlich ist. Soll ein Reaktor ohne kontinuierlichen Elektrolytstrom betrieben werden, so kann dieser diskontinuierlich mittels Einlass 56 und Auslass 24 bewegt werden.

Für einige elektrochemische Prozesse kann der in Fig. 1 dargestellte Reaktor ungeeignet sein. In den Fig. 2 bis 4 sind daher andere Ausführungsbeispiele von Reaktoren beschrieben.

Wie Fig. 2 zeigt, wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Arbeitselektrode 58 in Form einer Matte verwendet, die aus vielen Kohlenstoffasern besteht und in einem geneigten Behälter 60 angeordnet ist. Einige der Fasern erstrecken sich aus dem Behälter 60 heraus, um einen An-schluss 62 zur Verbindung mit einer Spannungsquelle 63 zu bilden. Die Spannungsquelle 63 ist auch an eine plattenför-mige Gegenelektrode 64 angeschlossen.

Der Elektrolyt, der beispielsweise ein Abwasser sein kannj, fliesst von einem Einlass 66 in den Behälter 60 und vermengt sich mit der Arbeitselektrode 58, bevor er durch den Auslass 68 austritt. Die Verweilzeit wird durch die Volumenrate der Strömung durch den Einlass 66 gesteuert. Die Strömungsrate darf jedoch nicht zu gross sein, da sonst die Kohlenstoffaser-Elektrode brechen und aus dem Behälter 60 herausgedrückt werden könnte.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Reaktors 70 zeigt eine obere Hälfte 72 und eine untere Hälfte 74, die zusammen einen Hohlraum 76 bilden, in dem eine Vielzahl von Kohlenstoffasern 78 vorgesehen ist. Diese Fasern liegen im wesentlichen nebeneinander, und einige von. ihnen erstrecken sich aus dem Hohlraum 76 heraus, um so eine Verbindung 80 für eine Spannungsquelle 81 zu ermöglichen. Die obere Hälfte 72 weist eine Sammelöffnung 82 zur Zufuhr des Elektrolyten zu vielen kleinen Öffnungen 84, von denen einige gezeigt sind, auf, die mit dem Hohlraum 76 in Verbindung stehen. Die Öffnungen 84 sind klein, um einen gleichmässigeren Überlauf des Elektrolyten sicherzustellen und zu verhindern, dass der gesamte Elektrolytstrom zu einem Ende der Elektrode gelangt.

Nachdem die Fasern 78 überflössen wurden, tritt der Elektrolyt durch kleine Öffnungen 86 aus, die zu einer Sammelöffnung 88 in der unteren Hälfte 74 führen. Die Öffnung 88 enthält eine Gegenelektrode 90, die ebenfalls mit der Spannungsquelle verbunden ist.

Wie vorstehend bereits erwähnt, hängt die Wirksamkeit und die Genauigkeit der Steuerung der Elektrode vom Spannungsabfall in der Elektrode sowie auch vom Oberflächenbereich ab, der in Berührung mit dem Elektrolyten ist. Darüber hinaus sollte sich jedoch der Elektrolyt frei durch die Elektrode bewegen, während er einen grösstmöglichen Oberflächenbereich der Elektrode berührt. Eine besondere Form einer Kohlenstoffaser-Elektrode, die vorteilhafterweise eine derartige freie Bewegung des Elektrolyten ermöglicht, ist in Fig. 4 dargestellt. Sie wird später im einzelnen erläutert werden.

Beispiele für die Verwendung einer Arbeitselektrode der in Fig. 3 gezeigten Art sind im folgenden angegeben. Alle erwähnten Elektrodenpotentiale sind gegen eine gesättigte Ca-lomel-Elektrode gemessen.

Beispiel 1

Eine dunkelblaue Kupfersulfatlösung mit einer Konzentration von 10 000 ppm wurde in den Reaktor eingebracht. Das Potential der Arbeitselektrode wurde auf —1,2 Volt gehalten, und die Abflusslösung war farblos, was anzeigte,

dass das Kupfer an der Arbeitselektrode zurückgehalten worden war. Das Potential der Arbeitselektrode wurde dann auf +0,2 Volt umgeschaltet, und die Lösung wurde blau, d.h. das Kupfer wurde von der Arbeitselektrode gelöst.

Der Versuch wurde durch Zufuhr einer Kupfersulfatlösung mit 10 000 ppm zum Reaktor wiederholt, und wiederum war die Abgabelösung farblos. Elektrolyten enthaltendes Wasser wurde dann in den Reaktor eingegeben, und die Lösung war wiederum farblos. Bei weiterer Zufuhr von Wasser wurde das Potential der Arbeitselektrode auf +0,2 Volt umgeschaltet, und die Abgabelösung wurde blau, was eine Anzeige dafür war, dass das Kupfer von der Arbeitselektrode gelöst wurde.

Jede der Umsetzungen erfolgte in einer Verweilzeit von etwa 12 Sekunden. Dass die Abgabelösung in beiden Fällen farblos war, war ein Zeichen dafür, dass eine Verringerung von 10 000 ppm Kupfer auf weniger als 400 ppm stattgefunden hat. Die Verweilzeit hängt in gewissem Umfang von der Dichte der Packung der Kohlenstoffasern ab.

Beispiel 2

Eine 250 ppm Blei enthaltende Lösung wurde in den Reaktor eingebracht. Die Ausgangslösung wurde gesammelt und mittels der Atomabsorptionsspektrofotometrie analysiert. Diese Analyse erfolgte in einem Perkin Elmer Atomab-sorptionsspektrofotometer, das mit einem atomisierenden Mossman-Ofen ausgestattet war. Dabei ergaben sich die folgenden Ergebnisse.

. Die Arbeitselektrode wurde auf einem Potential von —1,2 Volt gehalten, und die Abgabelösung hatte eine Konzentration von 0,2 ppm Blei.

Die gesamte Umsetzung innerhalb eines einzigen Durchlaufs mit einer Verweilzeit von etwa 12 Sekunden betrug daher 99,9%.

Beispiel 3

Das Beispiel 2 wurde mit Kupfer wiederholt. Die Arbeitselektrode hatte ein Potential von —1,2 Volt, und als Eingangslösung wurde eine Kupfersulfatlösung verwendet, die eine Konzentration von 250 ppm Kupfer hatte. Die Konzentration der Ausgangslösung betrug 4 ppm Kupfer. Somit entstand innerhalb einer Verweilzeit von 12 Sekunden während eines Durchlaufs eine Umsetzung von 98,4%.

Beispiel 4

Der Vorgang gemäss Beispiel 2 wurde für Nickel wiederholt, wobei Nickelchlorid und ein Arbeitspotential von —1,6 Volt verwendet wurden. Die Eingangslösung hatte eine Konzentration von 250 ppm Nickel, und die Ausgangslösung eine Konzentration von 20 ppm. Somit wurde bei einer Verweilzeit von etwa 12 Sekunden in einem einzigen Durchlauf eine Umsetzung von 92% erzielt.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die elektrochemische Reduktion von Nickel an Kohlenstoffaser-Elektroden sich von der Reduktion der anderen Metalle der vorstehenden Beispiele unterscheidet. Die Kinetik der Reaktion ist langsamer. Dies würde den niedrigeren Umsetzungsfaktor von 92% in 12 Sekunden erklären. Mit einer längeren Verweilzeit lässt sich in einem Durchlauf eine bessere Umsetzung erreichen, wenngleich der erzielte Umsetzungsfaktor unter Berücksichtigung der kurzen Verweilzeit im Reaktor sehr zufriedenstellend ist.

Beispiel 5

Lösungen mit 500 ppm und 100 ppm Cadmium wurden in den Reaktor eingegeben, und die Ausgangslösung wurde durch-eine on-line Spannungsmessung überwacht. Die Umsetzung mit einer auf —1,4 Volt liegenden Arbeitselektrode betrug 99%.

Man erkennt, dass die Ergebnisse der Beispiele Wirksamkeiten in der Grössenordnung von 99% bei einer Verweilzeit von 12 Sekunden zeigen. Dies ist sowohl eine Folge der möglichen genauen Steuerung des Potentials über der Elektrode s

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

637 549

infolge des vernachlässigbaren Widerstandes der Kohlenstoffasern als auch des grossen Verhältnisses von Oberflächenbereich zu Volumen der Elektrode. Somit sind zwei Hauptanforderungen an eine Elektrode zur Entfernung von Metallen aus einer Lösung mit der beschriebenen Elektrode erfüllt, nämlich ein sehr grosser Oberflächenbereich in Kombination mit einer gleichförmigen Potentialverteilung über dem Oberflächenbereich.

Die in Fig. 4 gezeigte Elektrode 92 besteht aus einem am oberen Endbereich in einer Kupplung 96 gehaltenen Strang 94. Diese Kupplung enthält ausserdem eine nach oben gerichtete Anschlussklemme 98 zur Verbindung der Elektrode mit einer Spannungsquelle.

Der Strang 94 besteht aus einer Anzahl Kohlenstoffasern 100, die alle vorzugsweise im wesentlichen die gleiche Länge haben und alle nebeneinander angeordnet sind. Die entsprechenden Enden der Fasern 100 enden am oberen Rand eines Ringes 102, der einen Teil der Kupplung 96 bildet. Dieser Ring 102 ist in festem Eingriff mit dem Strang nach innen gebogen, so dass sich die einzelnen Fasern innerhalb des Ringes in elektrischem Kontakt miteinander befinden. Da der Ring leitfähig ist, wird eine an die Klemme 98 gelegte Spannung über den Ring 102 auf die einzelnen Kohlenstofffasern 100 übertragen, so dass das Potential jeder der Kohlenstoffasern gleich dem aller übrigen Fasern ist. Da darüber hinaus der Spannungsabfall in den Kohlenstoffasern vernachlässigbar klein ist, ist das Potential an jedem Punkt der Fasern im wesentlichen gleich dem an den Strang angelegten Potential.

Die typische Verwendung einer Elektrode 92 (Fig. 4) ist in Fig. 5 dargestellt, wo die Verwendung der Elektrode für ein Gewinnungsverfahren gezeigt ist. Der Elektrolyt 104 wird durch einen Einlass 106 zugeführt, so dass er zunächst in eine sich oberhalb der Elektrode 110 befindende Elek-trolytführung 108 gelangt. Die Elektrode 110 hat die gleiche Form wie die in Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebene Elektrode. Die Elektrolytführung 108 ist am unteren Ende geöffnet, so dass der Elektrolyt nach unten durch die Kohlenstoffasern und dann entlang der Gegenelektrode 112, die ebenfalls im Innenraum eines Elektrolytbehälters 114 angeordnet ist, nach oben fliessen kann. Nahe dem oberen Ende des Behälters 114 ist ein Elektrolytauslass 116 vorgesehen, und eine Spannungsquelle 117 ist zwischen Arbeitselektrode 110 und Gegenlektrode 112 gelegt.

Im Gebrauch können sich die einzelnen Kohlenstofffasern im Strom des sich durch die Führung 108 abwärts bewegenden Elektrolyten frei biegen. Dadurch liegen die Fasern einzeln in dem sie umströmenden Elektrolyten. Der Strang nimmt dann eine Länge ein, wie sie gestrichelt in Fig. 5 angedeutet ist. Infolge dieser Bewegung des Stranges besteht die Führung 108 vorzugsweise aus nicht leitfähigem Material, da sie den Strang ausreichend eng umschliessen muss, um die Beeinflussung durch den Elektrolytstrom sicherzustellen. Auch wenn sich infolge des elektrochemischen Vorganges Metall auf den Fasern ablagert, ergibt sich zwischen den Fasern innerhalb der durch die Strömungsrate und das Fasergewicht gegebenen Grenzen eine Trennung.

Obwohl in Zusammenhang mit Fig. 5 die Verwendung der Fasern für ein Gewinnungsverfahren erläutert wurde, ist es klar, dass ein Reaktor gemäss Fig. 5 auch zur Abflussbehandlung und -Steuerung und zur elektroorganischen Synthese verwendet werden kann, wobei gegebenenfalls übliche Abwandlungen am Reaktor vorgenommen werden, etwa der Einsatz elektrochemischer Membranen oder einer dritten oder Bezugselektrode. So kann beispielsweise die Führung 108 eine elektrochemische Membran sein, wobei dann der Boden der Führung geschlossen wäre und ein gestrichelt angedeuteter Auslass 119 benutzt würde. Entsprechend könnte eine elektrochemisch verträgliche Flüssigkeit über einen ebenfalls gestrichelt gezeigten Einlass 121 zugeführt werden, und diese Flüssigkeit würde dann den Reaktor durch den Auslass 116 verlassen.

In Fig. 6 ist eine weitere Form einer Arbeitselektrode 118 dargestellt. Diese Elektrode besteht aus einem Strang 120 aus einer Vielzahl von Kohlenstoffasern 122, die an fünf diskreten Stellen der Längserstreckung der Fasern mittels Kupplungen 124 zusammengehalten sind. An jede der Kupplungen wird das gleiche Potential gelegt, so dass die längste elektrische Bahn sich von einer bestimmten Kupplung zur Mitte der Kohlenstoffasern zwischen dieser Kupplung und einer benachbarten Kupplung erstreckt.

Die in Fig. 6 gezeigte Elektrode wird zweckmässigerweise in einem Reaktor 126 gemäss Fig. 7 benutzt. Der diesem Reaktor zugeführte Elektrolyt 128 wird von Führblechen 130 auf die Arbeitselektrode 132 geleitet, die die in Fig. 6 dargestellte Form hat. Diese Elektrode liegt quer zur Strömungsrichtung, und der Strang ist zwischen den Kupplungen 124 etwas gelockert, um eine geringfügige Queroszillation der Fasern zu ermöglichen, wenn der Elektrolyt über die Fasern fliesst. Danach bewegt sich der Elektrolyt die Elektrode 132 verlassend nach unten und entlang einer Gegenelektrode 134 unter einem vertikalen Hauptleitblech 136 entlang, das sicherstellt, dass der Elektrolyt sich zunächst nach unten auf die Gegenelektrode und dann nach oben zurück in einem Strom 138 bewegt. Wie dargestellt, ist ausserdem eine entsprechende Spannungsquelle 139 vorhanden.

Elektrochemische Reaktoren werden hauptsächlich in kontinuierlichen Verfahren eingesetzt, in denen der Elektrolyt in der in Zusammenhang mit den Fig. 5 und 7 beschriebenen Weise kontinuierlich ausgetauscht wird. Bei einem Reaktor, bei dem der Elektrolyt nicht ausgetauscht wird, ist jedoch eine Führung, etwa eine Elektrolytführung 108 gemäss Fig. 5 nicht erforderlich. In diesem Fall wäre die Elektrode 110 in einem ausreichenden Abstand von der Gegenelektrode 112 angeordnet, um einen Kurzschluss zu verhindern. Im übrigen wäre der Aufbau ähnlich dem gemäss Fig. 5 ohne die Elektrolytführung 108. Entsprechend lässt sich bei dem in Fig. 7 dargestellten Verfahren ein Bad benutzen, in dem die Elektroden enthalten sind. Nach dem Füllen des Bads wird der Zufluss unterbrochen, und der elektrochemische Vorgang kann ablaufen. Danach wird der Elektrolyt entfernt und eine neue Charge des Elektrolyten eingebracht. In diesem Fall können die Leitbleche 130 und das Hauptleitblech 136 weggelassen werden, obwohl selbstverständlich die Anordnung der Elektroden ebenfalls geändert werden können, da ihre Lage in Fig. 4 nicht länger von Bedeutung ist.

In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurden die Gegenelektrode und der Elektrolytbehälter als getrennte Elemente dargestellt. Selbstverständlich kann der Behälter auch selbst eine Elektrode bilden oder eine Elektrode enthalten.

Es sei daraufhingewiesen, dass die Arbeitselektrode auch aus metallischen Fasern hergestellt werden kann. Dabei wird unter der Bezeichnung «metallische Faser» eine Faser verstanden, die aus einem Metall besteht, die mit einem Metall beschichtet ist oder die aus Metall besteht und mit einem anderen Metall beschichtet ist. Die Bezeichnung umfasst sowohl mit Metall beschichtete Kohlenstoffasern als auch Fasern aus Legierungen, die mit einem Metall beschichtet sind.

Bei einer derartigen Elektrode aus einer Vielzahl von metallischen Fasern, deren Fasern beispielsweise mit Metall beschichtete Kohlenstoffasern sind, ist jede der metallischen Fasern in elektrischem Kontakt mit mindestens einigen der anderen metallischen Fasern, um bei Benutzung der Elektrode in einem Reaktor ein elektrisches Potential über im wesentlichen die gesamte Elektrode zu übertragen.

5

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

S

1 Blatt Zeichnungen

Claims

637 549

1. Elektrochemischer Reaktor mit einem Elektrolytbehälter, einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitselektrode (26, 58, 78) eine Vielzahl von metallischen Fasern oder KohlenstofFasern aufweist, von denen jede mit mindestens einigen anderen Fasern in elektrischer Berührung gehalten ist, dass die Gegenelektrode (28, 64, 90) in einem einen Kurzschluss verhindernden Abstand von der Arbeitselektrode angeordnet ist, und dass die Gegenelektrode und die Arbeitselektrode mit einer Spannungsquelle verbindbar sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, durch dessen Behälter (22) der Elektrolyt hindurchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytstrom über oder durch die Arbeitselektrode (26) leitbar ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung des Elektrolytstroms ein sich konzentrisch um die Arbeitselektrode (110) erstreckendes Elektrolytführungsmittel (108) vorgesehen ist (Fig. 5).

4. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytstrom vom gehalterten Ende der Arbeitselektrode zu den freien Enden der Fasern (27) der Arbeitselektrode führbar ist.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytführungsmittel als elektrochemische Membran ausgebildet ist.

6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Membran den Elektrolytbehälter (114) in einen die Arbeitselektrode (110) und einen die Gegenelektrode (112) enthaltenden Bereich unterteilt (Fig. 5).

7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Membran die Arbeitselektrode umhüllt.

8. Verwendung des Reaktors nach Anspruch 1 zum Entfernen eines Metalls aus einer Lösung, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung über oder durch die Arbeitselektrode geführt wird und dass dabei eine vorbestimmte Potentialdifferenz zur Ablagerung des Metalls auf der Arbeitselektrode zwischen dieser und der Gegenelektrode aufrechterhalten wird.