DD142456A5 - METHOD AND DEVICE FOR CHLORINCALIELECTROLYSIS - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR CHLORINCALIELECTROLYSIS Download PDF

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DD142456A5
DD142456A5 DD79211552A DD21155279A DD142456A5 DD 142456 A5 DD142456 A5 DD 142456A5 DD 79211552 A DD79211552 A DD 79211552A DD 21155279 A DD21155279 A DD 21155279A DD 142456 A5 DD142456 A5 DD 142456A5
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cathode
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Ronald L Labarre
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Diamond Shamrock Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/34Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
    • C25B1/46Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis in diaphragm cells

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Description

21 1 S5221 1 S52

Beschreibungdescription Titel der ErfindungTitle of the invention

"Verfahren und Vorrichtung zur Chloralkalielektrolyse" Anwendungsgebiete der Erfindung; "Method and apparatus for chlor-alkali electrolysis" Fields of application of the invention;

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der großtechnischen Herstellung von Chlor und Lauge durch Elektrolyse einer Alkalichlorid-LösungoThe invention is in the field of large-scale production of chlorine and alkali by electrolysis of an alkali metal chloride solution

pharakteristik der bekannten technischen Lösungen;characteristic of the known technical solutions;

Chlor und Alkalilaugen werden in großem Umfang von der Grundstoffindustrie hergestellt und für die verschiedensten Industriezweige benötigte Sie v/erden fast ausschließlich auf elektrolytischem Wege aus wässrigen Lösungen der Alkalihalogenide, insbesondere von Natriumchlorid, hergestellt, wobei diese Elektrolyse in erster Linie mit Diaphragma-Elektrolysezellen stattfindet« Bei dem Elektrolyseverfahren mit Diaphraginasellen wird die Salzlösung kontinuierlich in die Anodenkammer eingespeist, durchdringt das Diaphragma, das üblicherweise aus Asbest besteht, der auf einer durchbrochenen Kathode angeschwemmt ist. Um die Rückwanderung der Hydroxylionen zu verringern, wird die Speisegeschwindigkeit so eingestellt, daß die Strömung durch das Diaphragma über der Umsetzungsgeschwindigkeit ist, so daß man einen Katholyt erhält mit möglichst wenig nicht-umgesetztem ITatriumchlorido Die Wasserstoffionen v/erden an der Kathode als Wasserstoffgas entladen,» Der Katholyt ist dieChlorine and caustic lye are widely produced by the basic industry, and they are almost exclusively produced by electrolytic means from aqueous solutions of alkali metal halides, especially sodium chloride, for various industries. This electrolysis takes place primarily with diaphragm electrolysis cells. " In the diaphragmatic electrolysis process, the saline solution is continuously fed into the anode chamber, penetrating the diaphragm, which is usually asbestos flooded on a broken cathode. To reduce the migration back of the hydroxyl ions, the feed rate is adjusted so that the flow through the diaphragm is above the reaction rate, yielding a catholyte with as little unreacted IT sodium chloride as possible. The hydrogen ions are discharged at the cathode as hydrogen gas. "The catholyte is the

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lauge, insbesondere Natronlauge, und enthält nichtumgesetztes Natriumchlorid und andere Verunreinigungen; er muß konzentriert und gereinigt werden, um auf ein marktfähiges Ätznatron bzw. Natriumchlorid, welches wieder in den Prozeß rückgeführt v/erden kann, zu kommen· Die Wasserstoffentwicklung benötigt hohe Spannungen, wodurch die Stromausbeute einer Zelle sinkt, gleichbedeutend mit einer geringeren Wirksamkeit hinsichtlich Natronlauge und Chlor»lye, especially sodium hydroxide solution, and contains unreacted sodium chloride and other impurities; it must be concentrated and purified in order to come to a marketable caustic soda or sodium chloride, which can be recycled back into the process · The evolution of hydrogen requires high voltages, which decreases the current efficiency of a cell, equivalent to lower effectiveness with respect to caustic soda and chlorine »

Mit dem Aufkommen dimensionsstabiler Anoden und verschiedener Überzugsmassen, wodurch der Elektrodenabstand verringert werden konnte, wurden die Zellen wirksamer, was die Stromausbeute anbelangt·With the advent of dimensionally stable anodes and various coating compositions, which reduced electrode spacing, the cells became more efficient in terms of current efficiency.

Hydraulisch undurchlässige Membranen in Elektrolysezellen gestatten weitgehend die selektive Wanderung bestimmter Ionen, so daß aus dem angestrebten Produkt Verunreinigungen ausgeschlossen werden können· Dadurch erspart man sich teilweise kostspielige Reinigungsund Konzentrierungsstufen· In letzter Zeit wurden große Fortschritte hinsichtlich der Verbesserung der Wirksamkeit der Anodenseite und der Membran bzw« des Diaphragmas in Elektrolysezellen erreicht, jedoch hat man bisher der Kathodenseite weniger Aufmerksamkeit geschenkt, um eine weitere Steigerung der Stromausbeute der Kathoden zu erreichen· Dadurch wäre aber eine wesentliche Energieeinsparung bei der Herstellung von Chlor und lauge möglich· In einer üblichen Elektrolysezelle mit Anode, Kathode und dazwischen einem Diaphragma läuft an der Kathode folgende Reaktion ab:Hydraulically impermeable membranes in electrolysis cells largely permit the selective migration of certain ions, so that impurities can be excluded from the desired product. This saves on expensive cleaning and concentration stages. Recently, great progress has been made in improving the effectiveness of the anode side and the membrane or membrane However, so far the cathode side has received less attention in order to achieve a further increase in the current efficiency of the cathodes. This would, however, result in a considerable energy saving in the production of chlorine and caustic. In a conventional electrolytic cell with anode, Cathode and between a diaphragm runs at the cathode following reaction:

2 H2O + 2e~ ——> H2 + 2 OH*" ·2H 2 O + 2e ~ -> H 2 + 2 OH * "·

21 1 S5221 1 S52

Das Potential dieser Reaktion gegenüber einer Standard-Wasserstoffelektrode ist -0,83 V· Die angestrebte Reaktion bei idealen Bedingungen wäre:The potential of this reaction over a standard hydrogen electrode is -0.83 V · The desired reaction under ideal conditions would be:

2 H2O + O2 + 4e~ ^ 4 OiT ,2H 2 O + O 2 + 4e → 4OiT,

deren Potential +0,40 V ist, mit anderen Worten bedeutet dies theoretisch eine Spannungs-Einsparung von 1,23 V» Die für die Wasserstoffbildutig benötigte elektrische Energie, die bei üblichen Elektrolysezellen eine unerwünschte Reaktion ist, kann in der Industrie nicht wirksam ausgeglichen werden durch Verwertung des gebildeten Wasserstoffs, da er bei dieser Umsetzung ein grundsätzlich unerwünschtes Produkt ist. Es wurden zwar schon einige Anwendungsgebiete für diesen überschüssigen Wasserstoff gefunden, jedoch machen diese keine Unterscheidung zwischen dem Aufwand für elektrische Energie zur Entwicklung des Wasserstoffs, so daß - wenn die Wasserstoffentwicklung vermieden werden könnte - elektrische Energie eingespart werden kann und damit der Einstandspreis für Chlor und Lauge entlastet würde«whose potential is +0.40 V, in other words, this theoretically means a voltage saving of 1.23 V. »The energy required for the hydrogen, which is an undesirable reaction in conventional electrolysis cells, can not be effectively compensated in the industry by utilization of the hydrogen formed, since it is a generally undesirable product in this reaction. Although some applications have been found for this excess hydrogen, but do not make a distinction between the cost of electrical energy to develop the hydrogen, so that - if the hydrogen evolution could be avoided - electrical energy can be saved and thus the cost price for chlorine and Lye would be relieved «

Eine Sauerstoffelektrode bietet eine Möglichkeit zur Unterbindung dieser Reaktion, da sie elektrochemisch aktiven Sauerstoff unter Bildung von Wasser verbraucht und Elektronen an die Kathode nach folgender Gleichung abgibt:An oxygen electrode provides a way to inhibit this reaction by consuming electrochemically active oxygen to form water and delivering electrons to the cathode according to the following equation:

2 H2O + O2 + Ae" «— »» 4 OH*" ·2 H 2 O + O 2 + Ae " " - »» 4 OH * "·

Es ist leicht ersichtlich, daß diese Reaktion um so energiewirksamer ist, als die V/a 3 s erst off bildung an der Kathode nicht stattfindet und das Potential herabgesetzt ist. Dies erreicht man durch Einspeisung eines säuerstoffhaltigen Gases, wie Luft oder mit SauerstoffIt is readily apparent that this reaction is all the more energy efficient, as the vaporization does not take place at the cathode and the potential is reduced. This is achieved by feeding a gas containing acid, such as air or oxygen

-4- 211 552-4- 211 552

angereicherter Luft, an die Sauerstoffseite einer Säuerstoffelektrode, an der der Sauerstoff leicht Zugang hat an die elektrolytisch wirksame Oberfläche, so daß dieser Sauerstoff in der oben angegebenen Weise verbraucht wird. Dazu benötigt man jedoch eine etwas unterschiedliche Konstruktion der Elektrolysezelle, indem eine Säuerstoffkammer an der kathodischen Seite der Kathode vorgesehen wird, in die der Sauerstoff eingeleitet werden kann.Enriched air, to the oxygen side of a Sästoffstoffelektrode, where the oxygen has easy access to the electrolytically active surface, so that this oxygen is consumed in the manner indicated above. However, this requires a somewhat different construction of the electrolytic cell, by providing a Sästoffstoffkammer on the cathodic side of the cathode, in which the oxygen can be introduced.

Säuerstoffelektroden als solche sind bekannt, nachdem die NASA für die verschiedensten Projekte seit 1960 umfangreiche Entwicklungsarbeiten für Brennstoffzellen unter Anwendung einer Sauerstoffelektrode und einer Wasserstoffanode durchgeführt hat, wobei man durch die Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff elektrischen Strom für die Raumfahrzeuge gewinnen kann· Während die durch staatliche Unterstützung durchgeführten Entwicklungsarbeiten zu verschiedenen Bauteilen von Brennstoffzellen führten, einschließlich der Säuerstoffelektrode, unterscheiden sich doch die Bedingungen und die Umgebung, in der eine Sauerstoffelektrode funktioniert, sehr wesentlich zwischen der Brennstoffzelle und einer Chloralkalielektrolysezelle· Während ein Großteil der neuen Technologie aus NASA-Projekten für die Chloralkalielektrolyse von Wert ist, insbesondere hinsichtlich der Entwicklung einer Sauerstoffelektrode,, ist weitere Entwicklungsarbeit zur Anpassung der Sauerstoffelektrode an die Umgebung, wie sie bei Chloralkalielektrolysezellen vorliegt, erforderlich©As such, acid-electrolyte electrodes are well-known after NASA's extensive development work on fuel cells using an oxygen electrode and a hydrogen anode since 1960 has resulted in the generation of electric power for spacecraft by reacting hydrogen with oxygen Supported development work on various components of fuel cells, including the acidic electrode, the conditions and environment in which an oxygen electrode works are very different between the fuel cell and a chlor-alkali electrolytic cell. While much of the new technology is from NASA projects for the Chloralkali electrolysis of value, in particular with regard to the development of an oxygen electrode ,, is further development work to adapt the oxygen electrode to the Um required as is the case with chloralkali electrolysis cells ©

Man hat bereits in Erwägung gezogen, Sauerstoffelektroden in Chloralkalielektrolysezellen anzuwenden, um die Wirksamkeit zu verbessern, was danach theore-It has already been considered to use oxygen electrodes in chlor-alkali electrolysis cells in order to improve their effectiveness, which is then theorized.

..., r: «o ' * ; fW '-- '. ..., r: «o '*; fW '-'.

211 55211 55

tisch möglich wäre; jedoch fanden die Sauerstoffelektroden nur geringes Interesse für übliche wirksame und wirtschaftliche Elektroden in Elektrolysezellen zur Herstellung von Chlor und Lauge. Während erkannt worden ist, daß eine geeignete Sauerstoffelektrode nötig ist zur Realisierung der theoretischen Wirksamkeiten, sind bei der Chloralkalielektrolyse spezielle Verfahrensmaßnahmen notwendig, die sich von denen in Brennstoffzellen unterscheiden, da ja ein elektrisches Potential angestrebt wird, welches sich für die Bildung von Chlor und Lauge eignet, und darüber hinaus sauerstcffhaltiges Gas für die elektrochemische Reaktion zugeführt werden muß. Oaher erschien es vorteilhaft, eine Verfahrensweise zu entwickeln für Sauerstoffelektroden, die auf die Optimierung theoretisch erreichbarer Wirksamkeiten mit derartigen Sauerstoffelektroden in Chloralkalizellen · gerichtet sind«table would be possible; However, the oxygen electrodes found little interest in common effective and economical electrodes in electrolysis cells for the production of chlorine and alkali. While it has been recognized that a suitable oxygen electrode is necessary for the realization of the theoretical efficiencies, in the chloralkali electrolysis special process measures are necessary, which differ from those in fuel cells, since an electric potential is sought, which is responsible for the formation of chlorine and alkali and, moreover, oxygen-containing gas must be supplied to the electrochemical reaction. However, it has been found advantageous to develop a procedure for oxygen electrodes which are directed to the optimization of theoretically achievable efficiencies with such oxygen electrodes in chloroalkali cells.

Kiel der ErfindungKiel of the invention

t*iemmim*n ι ui ui ι ι mi «ι iiiidwibh.Ti t * iemim * n il ui ui ιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιιις

Aufgabe der Erfindung ist daher eine Verfahrensweise für Sauerstoffelektroden zur Verbesserung und Optimierung der Energieausbeute im Rahmen der Chloralkalielektrolyse ο Eine erfindungsgemäße Maßnahme liegt darin, den Druck des der Sauerstoffelektrode zuzuführenden Gases entsprechend einzustellen· Ein weiteres Merkmal ist die Einstellung des gesamten Gasstroms zu der Sauerstoffelektrode· Ein zusätzliches Merkmal ist das Anfeuchten des Gasstroms zur Optimierung der Ausbeute und Verlängerung der Lebensdauer der Sauerstoffelektrode« Schließlich ist die Perahaltung von verunreinigenden Substanzen, wie CO2 > aus dem der Sauerstoffelektrode zuzuführenden Gas vorzusehenThe object of the invention is therefore a procedure for oxygen electrodes for improving and optimizing the energy yield in the context of chloralkali electrolysis. One measure according to the invention is to adjust the pressure of the gas to be fed to the oxygen electrode. Another feature is the adjustment of the total gas flow to the oxygen electrode additional feature is the wetting of the gas stream to optimize the yield and increase the life of the oxygen electrode "Finally, the Perahaltung of contaminants, such as CO 2 > to provide from the oxygen electrode to be supplied gas

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Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Erfindung betrifft somit eine Chloralkalielektrolyse in einer Zelle, enthaltend eine Kathodenkammer und eine Anodenkammer, getrennt durch eine Membran oder ein Diaphragma und eine Sauerstoffkammer, getrennt von der Kathodenkammer durch eine Sauerstoffelektrode, wobei die Alkalibalogenidlösung in die Anodenkammer und ein wässriger Elektrolyt in die Kathodenkammer eingespeist wird und man in die Sauerstoffkammer mit einem Überdruck sauerstoffhaltiges Gas einführt und zwar mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit, die Sauerstoff in überstöchiometrischer Menge für die Reaktion zur Verfügung stellt· Aus der Anodenkammer wird Halogengas und aus der Kathodenkammer Alkalihydroxidlösung abgeleitet« Während man einen Überdruck in der Sauerstoffkammer aufrechterhält, wird das an Sauerstoff verarmte Gas aus der Kathodenkammer abgeleitet»The invention thus relates to a chloralkali electrolysis in a cell containing a cathode chamber and an anode chamber separated by a membrane or an oxygen chamber separated from the cathode chamber by an oxygen electrode, the alkali metal halide solution being fed into the anode chamber and an aqueous electrolyte being fed into the cathode chamber and one introduces oxygen-containing gas into the oxygen chamber at an overpressure with such a flow rate that provides oxygen in a superstoichiometric amount for the reaction. · From the anode chamber is derived halogen gas and from the cathode chamber alkali hydroxide solution «While maintaining an overpressure in the oxygen chamber maintains, the oxygen-depleted gas is discharged from the cathode chamber »

Es wurde festgestellt, daß es zweckmäßig ist, in die Sauerstoffkammer molekularen Sauerstoff enthaltendes an Konisndioxid verarmtes Gas mit hohem Feuchtigkeitsgehalt einzuführen. Für die Chlor- und Laugengewinnung wird als Anolyt Alkalichloridlösung eingespeist und der Sauerstoffkammer ein kohlendioxidfreies sauerstoffhaltiges angefeuchtetes Gas mit Überdruck mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit zugeleitet, daß die 1,5- bis lOfache stöchiometrisch erforderliche Sauerstoffmenge zur Verfugung gestellt wird«, Dabei wird der Feuchtigkeitsgehalt des sauerstoffhaltigen Gases geregelt; darüber hinaus wird der Sauerstoffdruck in der Sauerstoffkammer geregelt und die Speisegeschwindigkeit des Sauerstoff enthaltenden Gases«,It has been found that it is desirable to introduce high concentration, molecular oxygen-containing, condione dioxide-depleted gas into the oxygen chamber. For the chlorine and alkali extraction is fed as anolyte alkali metal chloride solution and the oxygen chamber a carbon dioxide-free oxygen-containing humidified gas supplied with pressure at such a flow rate that the 1.5 to lOfache stoichiometrically required amount of oxygen is made available, "Here, the moisture content of the oxygen-containing Regulated gas; In addition, the oxygen pressure in the oxygen chamber is controlled and the feed rate of the oxygen-containing gas is ",

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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden "Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying figures.

Pig* 1 ist ein schematischer Querschnitt einer erfindungsgemäß angewandten Zelle undPig * 1 is a schematic cross section of a cell used in the invention and

Fig· 2 ist ein Diagramm, in dem die BeziehungFig. 2 is a diagram in which the relationship

zwischen der gesamten Strömungsgeschwindigkeit, des Druckunterschieds und des Kathodenpotentials entnommen werden kann*between the total flow rate, the pressure difference and the cathode potential can be taken *

Die Elektrolysezelle 12 nach 3?ig# 1 ist monopolar; solche Zellen - meistens in größerer Anzahl - befinden sich auf einem gemeinsamen Fundament oder dergleichen, wie dies allgemein üblich ist« Die Zelle selbst kann aus einem metallischen oder Kunststoff-Werkstoff bestehen, wie Stahl, Nickel, Titan oder anderen Ventilmetallen, aber auch Polyvinylchlorid, Polyäthylen, Polypropylen, Fiberglas oder zahlreiche andere Werkstoffe* Als Yentiliaetalle können Aluminium, Molybdän, Kiob, Titan, Wolfram, Zirkonium und deren Legierungen genannt werden*The electrolytic cell 12 after 3 ig # 1 is monopolar; such cells - usually in larger numbers - are on a common foundation or the like, as is common practice "The cell itself may consist of a metallic or plastic material, such as steel, nickel, titanium or other valve metals, but also polyvinyl chloride, Polyethylene, polypropylene, fiberglass or many other materials * Yentilia metals may be called aluminum, molybdenum, kiob, titanium, tungsten, zirconium and their alloys *

In der Zelle 12 befindet sich die Anode 14, Trennwand oder Membran 16 und die Kathode 18, so daß in der Zelle die Anodenkammer 20, Kathodenkammer 22 und Säuerst off kammer 24 gebildet sind.In the cell 12 is the anode 14, partition or membrane 16 and the cathode 18, so that in the cell, the anode chamber 20, cathode chamber 22 and Säuerst off chamber 24 are formed.

Die Anode besteht im allgemeinen aus einem Metallwerkstoff, kann jedoch auch aus Graphit bestehen, wie es früher einmal üblich war» Man wendet jedoch heute im allgemeinen aktive Materialien, die dem Anolyt zu widerstehen vermögen, an, wie Yentilmetalle* Bevorzugt hierfür im Hinblick auf die Kosten, die Verfügbarkeit und die elektrochemischen Eigenschaften wird Titan* Das Ti~ tansubstrat oder der G-rundkörper kann die verschieden-The anode is generally made of a metal material, but may also be graphite, as was formerly common. However, today, generally active materials which are capable of withstanding the anolyte are employed, such as yenmetal metals. Preferred for this purpose Cost, Availability and Electrochemical Properties Titanium * The titanium substrate or the G-round body can

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ate Form haben, wie massives Blech, Streckmetall, Gitter oder Netz mit einem hohen Anteil an offener Fläche oder poröses Titan mit einer Dichte von 30 bis 70$ des reinen Titaas, wie man es durch Kaltverdichten von Titanpulver erhält. Poröses Titan wird in manchen Fällen bevorzugt, in erster Linie wegen seiner langen Haltbarkeit und seiner strukturellen Integrität« Gegebenenfalls kann man das poröse Titan mit einem Titannetz bei großflächigen Elektroden verstärken.Such as solid sheet metal, expanded metal, mesh or mesh with a high open-area or porous titanium with a density of 30 to 70 $ of pure Titaas, as obtained by cold compacting titanium powder. Porous titanium is preferred in some cases, primarily because of its long durability and structural integrity. Optionally, one can reinforce the porous titanium with a titanium mesh for large area electrodes.

Im allgemeinen besitzt dieser Grundkörper oder das Substrat einen Überzug, der dieses gegen Passivierung schützt, so daß man auf diese Weise eine sogenannte dimensionsstabile Anode erhält. Viele dieser Überzüge enthalten ein Edelmetall, ein Edelmetalloxid allein oder zusammen mit einem Ventilmetalloxid oder einem anderen elektrokatalytisch aktiven, jedoch korrosionsbeständigen Material«, Diese dimensionsstabilen Anoden sind bekannt und werden in großem Umfang angewandt (US-PS 3 236 756, 3 623 498, 3 711 385, 3 751 296 und 3 933 616)ο Ein anderer bekannter Überzug besteht aus Zinn-, Titan- und Rutheniumoxiden (US-PS 3 776 834 und 3 855 092)β Weitere bekannte Überzüge enthalten Zinn und Antimon in Verbindung mit Titan- und Rutheniumoxiden (US-PS 3 875 043) bzw. Tantaliridiumoxid (US-PS 3 878 083)*In general, this base body or the substrate has a coating which protects it against passivation, so as to obtain a so-called dimensionally stable anode in this way. Many of these coatings contain a noble metal, noble metal oxide alone or together with a valve metal oxide or other electrocatalytically active, but corrosion resistant material. These dimensionally stable anodes are known and widely used (U.S. Patent Nos. 3,236,756, 3,623,498, 3) 711 385, 3 751 296 and 3 933 616) o Another known coating consists of tin, titanium and ruthenium oxides (US Pat. Nos. 3,776,834 and 3,855,092). Other known coatings include tin and antimony in combination with titanium. and ruthenium oxides (US Pat. No. 3,875,043) and tantalum iridium oxide (US Pat. No. 3,878,083) *

Als Trennwand oder Membran können die verschiedensten Produkte angewandt werden. In erster Linie kommen hydraulisch undurchlässige kationenaustauschende Membranen in Frage und davon speziell dünne Schichten auf Basis fluorierter Copolymerer mit seitlich hängenden Sulfonsäuregruppene Solche fluorierte Copolymere leiten sich her von Monomeren:As a partition or membrane, a wide variety of products can be used. Primarily hydraulically impermeable cation-exchange membranes are suitable and which specifically thin layers based on fluorinated copolymers having pendant sulphonic acid groups e laterally fluorinated Such copolymers are derived from monomers:

2 t 1 5522 t 1 552

(D,(D,

deren SOgF-Gruppen in Sulfonsäuregruppen umgewandelt sind, und von Monomeren der Formeltheir SOgF groups are converted into sulfonic acid groups, and monomers of the formula

worin R der Gruppierungwhere R is the grouping

U)U)

entspricht und R1 I1Iuor oder eine FIuoralkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, Y Fluor oder CF,, X Fluor, Chlor oder CF5 und X1 X oderand R 1 is 1 Ioror or a fluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, Y is fluorine or CF ,, X is fluorine, chlorine or CF 5 and X 1 is X or

(B)(B)

sein kann und m 1, 2 oder 3, η O oder 1 und a O oder 1 bis 5 sein kann* Die Copolymeren haben sich wMerh ölende Einheiten der Formelnand m can be 1, 2 or 3, η is O or 1 and a is O or 1 to 5 * The copolymers have w her oily units of the formulas

(3)(3)

undand

Das SO^H-Äquivalentgewicht dieser Copolymeren soll zwischen etwa 800 und I600 liegen· Bevorzugt werden Copolymere mit einer V/a sserauf nähme von zumindest etwa 25$, da man für eine gegebene Stromdichte bei geringerer Wasseraufnahme höhere Zellenspannungen benötigt« Die Membranstärke (unlaminiert) von zumindest etwa 0,2 mm erfordert höhere Zellenspannungen und führt somit zu einer geringeren Stromausbeute«The equivalent weight of these copolymers should be between about 800 and 1600. Preferred are copolymers having a water absorption of at least about $ 25, since higher cell voltages are required for a given current density with less water absorption. "The membrane starch (unlaminated) of at least about 0.2 mm requires higher cell voltages, resulting in lower current efficiency «

-ίο- 211 552-ί- 211 552

Wegen der 'großen Oberflächen der Membranen in großtechnischen Zellenanlagen laminiert man die Membranfolie oder imprägniert sie auf eine hydraulisch durchlässige, elektrisch nicht leitende inerte Verstärkung, wie ein Gewebe oder ein Vliesmaterial aus Asbestfasern, Glasfasern, Polytetrafluoräthylen oder dergleichen«, Diese verbundenen Membranen bevorzugt man, um eine ungebrochene Membranfolie auf zumindest einer Seite der Verstärkung zu haben, wodurch weitgehend eine Leckage verhindert wird (US-PS 3 041 317, 3 282 875, 3 624 053, 3 784 399, GB-PS 1 184 321 "JTAi1IOH11) ·Because of the 'large surface area of the membranes in large scale cell plants, the membrane sheet is laminated or impregnated onto a hydraulically permeable, electrically nonconductive, inert reinforcement, such as a woven or nonwoven material of asbestos fibers, glass fibers, polytetrafluoroethylene, or the like. to have an unbroken membrane sheet on at least one side of the reinforcement, thereby largely preventing leakage (U.S. Patent Nos. 3,041,317, 3,282,875, 3,624,053, 3,784,399, British Patent No. 1,184,321 to JTAi 1 IOH 11) · ·

Copolymere entsprechend den Formeln (3) und (4) können auch andere ionenaustauschende Gruppen enthalten, wie die Carboxylgruppe entweder in der Säure-, Ester- oder Salzform, so daß die Copolymeren anstelle SO2I1 COOR2 enthalten und R2 Wasserstoff, ein Alkalimetallion oder ein organischer Rest ist· Grundsätzlich kann man sagen, daß derartige Membraninaterialien Austauschergruppen bzw· funktioneile Gruppen enthalten können, die in Au stau scher gruppe η umgewandelt werden, bzw« eine funktionelle Gruppe, in die sich leicht eine Austauschergruppe einführen läßt, wie die Reste von Kohlensäure, stickstoffhaltigen Säuren, Kieselsäure, Phosphorsäure/oder Tellursäure bzw· deren Salze oder Ester· /Schwefelsäure,Chlorsäure,Arsensäure,SelensäureCopolymers of formulas (3) and (4) may also contain other ion-exchanging groups, such as the carboxyl group in either the acid, ester or salt form, such that the copolymers contain SO 2 I 1 COOR 2 instead of SO 2 and R 2 is hydrogen, a Alkali metal ion or an organic radical is basically one can say that such membrane materials may contain exchange groups or functional groups which are converted into Au stau shear group η, or a functional group in which an exchange group can easily be introduced, such as Residues of carbonic acid, nitrogen-containing acids, silicic acid, phosphoric acid or telluric acid or their salts or esters. Sulfuric acid, chloric acid, arsenic acid, selenic acid

Als Membranmaterial eignet sich auch ein Gerüst-CopoljTner von Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen und auf dieses Gerüst aufgepfropft Styrol und ot—Methylstyrol in einem Verhältnis von 1:1« Diese Pfropfcopolymeren werden dann sulfoniert oder carboniert, wodurch sie die Ionenaustau3ohereigenschaften erhalten· Aufgrund des fluorierten Kunststoff-Gerüstes be-Also suitable as the membrane material is a scaffold copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene and grafted onto this scaffold. Styrene and ot-methylstyrene in a ratio of 1: 1. These graft copolymers are then sulfonated or carbonated to give the ion exchange properties. Scaffolding

2115521155

sitzen derartige Membranmaterialien hohe chemische Beständigkeit.such membrane materials sit high chemical resistance.

Ein weiteres Membranmaterial sind Polymere mit hängenden Carbon- oder Sulfonsäuregruppen, deren Gerüstkette aus der Polymerisation einer polyvinylaromatischen Verbindung mit einer monovinylaromatischen Verbindung in einem anorganischen lösungsmittel unter solchen Bedingungen stammt, daß ein Abdampfen des Lösungsmittels verhindert wird, so daß man im allgemeinen copolymere Stoffe erhält« Grundsätzlich entsprechen aber auch zu 100$ aus Polyvinylaromaten hergestellte Produkte·Another membrane material is polymers with pendent carboxylic or sulfonic acid groups whose backbone chain is derived from the polymerization of a polyvinyl aromatic compound with a monovinyl aromatic compound in an inorganic solvent under conditions such that evaporation of the solvent is prevented so as to generally obtain copolymeric substances. Basically, however, products made of polyvinylaromatics correspond to $ 100.

Als Polyvinylaromaten kommen dafür in Betracht: Divinylbenzole, Divinyltoluole, Divinylnaphthaline, Divinyldiphenyle, Diphenylvinyläther, deren substituierte Alkylderivate, wie Dimethyldivinylbenzole und ähnliche polymerisierbare Aromaten, die hinsichtlich der Vinylgruppen polyfunktionell sind.Suitable polyvinylaromatics are: divinylbenzenes, divinyltoluenes, divinylnaphthalenes, divinyldiphenyls, diphenylvinyl ethers, their substituted alkyl derivatives, such as dimethyldivinylbenzenes and similar polymerizable aromatics, which are polyfunctional with respect to the vinyl groups.

Als Monovinylaromaten, die im allgemeinen als Verunreinigungen in den im Handel erhältlichen Polyvinylaromaten vorliegen, sind zu nennen: Styrol, die Vinyltoluol-Isomeren, Vinylnaphthalinej Vinyläthylbenzole, Vinylchlorbenzole, Vinylxylole und deren oO-sübstituierte Alkylderivate, wie ot-Methylvinylbenzol· Werden hochreine Polyvinylaromaten angewandt, ist es manchmal wünschenswert, Monovinylaromaten zuzusetzen, so daß die Polyvinylaromaten 30 bis 80 Mol-?» der polymerisierbaren Stoffe ausmachenAs monovinylaromatics which are generally present as impurities in the commercially available polyvinylaromatics, mention may be made of: styrene, the vinyltoluene isomers, vinylnaphthalenes, vinylthenylbenzenes, vinylchlorobenzenes, vinylxylenes and their oO-substituted alkyl derivatives, such as ot-methylvinylbenzene. If highly pure polyvinylaromatics are used. For example, it is sometimes desirable to add monovinyl aromatics such that the polyvinyl aromatics make up 30 to 80 mole percent of the polymerizable species

Zur Auflösung des polymerisierbaren Materials vor der Polymerisation eignen sich Lösungsmittel, die dafür inert sind, duho nicht mit &en Monomeren oder Poly-To dissolve the polymerizable material prior to polymerization are solvents which are inert for this are, d u h o en not with & monomers or poly

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211 552211 552

mereη zu reagieren vermögen, und einen Siedepunkt von zumindest 6O0C besitzei rungsmedium mischbar sind«mereη to react, and a boiling point of at least 6O 0 C possession medium are miscible are «

von zumindest 6O0C besitzen sowie mit dem SuIfonie-have at least 6O 0 C and with the SuIfonie

Die Polymerisation kann in üblicher Weise erfolgen unter Anwendung von z«Be Wärme, Druck oder Katalysatoren und wird bis zu einem unlöslichen unschmelzbaren Gel innerhalb des gesamten Volumens der lösung geführt. Diese Gele werden dann sulfoniert in einem solchen Ausmaß, daß nicht mehr als 4 Äquivalente SuI-f onsäuregruppen -je Mol Polyvinylaromaten in dem Polymeren und nicht weniger als 1 Äquivalent SuIfonsäuregruppen je 10 Mole Poly- und Monovinylaromaten im Polymer vorliegen. Auch diese Membranmaterialien können auf Verstärkungen aufgebracht werden (US-PS 2 731 408, 2 731 411, 3 887 499 - "IONICS CR6").The polymerization can be carried out in a conventional manner using heat, pressure or catalysts and is carried to an insoluble, infusible gel within the entire volume of the solution. These gels are then sulfonated to such an extent that there are no more than 4 equivalents of sulfonic acid groups per mole of polyvinyl aromatic in the polymer and not less than 1 equivalent of sulfonic acid groups per 10 moles of poly- and monovinyl aromatics in the polymer. These membrane materials can also be applied to reinforcements (US Pat. Nos. 2,731,408, 2,731,411, 3,887,499 - "IONICS CR6").

Die Membranmaterialien können noch durch eine chemische Oberflächenbehandlung verbessert werden. Im allgemeinen werden dabei die seitlich hängenden Gruppen umgesetzt mit Substanzen, die eine weniger polare Bindung ergeben und daher mehrere Wassermoleküle durch Wasserstoffbindung aufzunehmen vermögen. Das führt zu einer Verengung der Porenweite des Membranmaterials, so daß weniger Hydratationswasser mit den Kationen durch die Membran überführt werden. So kann man die hängenden Gruppen mit Äthylendiamin so umsetzen, daß zwei über die zwei Stickstoffatome des Äthylendiamins verbunden werden. Bei einer Membranstärke von 0,18 mm sollte die Oberflächenbehandlung bis in eine Tiefe von etwa 15 /um an einer Seite durch Einstellung der Reaktionszeit erfolgen. Dadurch erhält man gute Leitfähigkeit und Kationenaustauscherkapazität bei geringer Hydroxylionenrückwanderung in Verbindung mit WasserrüclswanderungoThe membrane materials can still be improved by a chemical surface treatment. In general, the laterally pendant groups are reacted with substances which give a less polar bond and therefore are able to absorb several water molecules by hydrogen bonding. This leads to a narrowing of the pore size of the membrane material, so that less water of hydration with the cations are transferred through the membrane. Thus, the pendent groups can be reacted with ethylenediamine to link two via the two nitrogen atoms of ethylenediamine. With a membrane thickness of 0.18 mm, the surface treatment should be done to a depth of about 15 / μm on one side by adjusting the reaction time. This gives good conductivity and cation exchange capacity with low residual hydroxyl ion migration in conjunction with water migration

r f.Λ η ι -in 7 ü *** ; £./7 >S;--: r f.Λ η -in 7 ü ***; £. / 7>S; -:

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Die Trennwand 16 kann auch ein poröses Diaphragma sein aus beliebigem gegenüber den Elektrolyten beständigem Material mit geeignetem Blasendruck und elektrischer leitfähigkeit» Ein Beispiel dafür ist ein Asbestdiaphragma, welches entweder in Porm eines Asbestpapiers vorliegt oder als Asbestvlies aus einer Paseraufschlämmung im Yakuum abgeschieden worden ist« Dem Asbestfasermaterial kann man als weitere Modifikation Kunststoffe, insbesondere fluorierte, im Rahmen der Herstellung des Diaphragmas zusetzen. Man kann aber auch Kunststoffe selbst in einem solchen Ausmaß porös machen, daß sie die Eigenschaften eines Diaphragmas besitzen© Dies ist aber alles auf dem Gebiet der Chloralkalielektrolyse bekannt·The partition 16 may also be a porous diaphragm made of any material resistant to the electrolyte with suitable bubble pressure and electrical conductivity. An example of this is an asbestos diaphragm which is either in the form of an asbestos paper or deposited as an asbestos web from a paser slurry in the vacuum Asbestos fiber material can be added as a further modification of plastics, in particular fluorinated, in the context of the production of the diaphragm. However, it is also possible to render plastics themselves porous to such an extent that they possess the properties of a diaphragm. However, this is all known in the field of chloralkali electrolysis.

Der dritte wesentliche Teil für die Elektrolyse ist die Kathode«, Dabei handelt es sich nach der Erfindung notwendigerweise um eine Säuerstoff-Kathode. Eine Sauerstoffelektrode kann definiert werden als eine Elektrode, der molekularer Sauerstoff zugeführt wird, um die Spannung herabzusetzen unter den Viert, der für die Entwicklung von Wasserstoff notwendig ist« Der Grundkörper für eine Sauerstoffkathode ist im allgemeinen eine Stromableitung, die im allgemeinen aus einem Metallwerkstoff oder auch Kohlenstoff bestehen kann* Bei.diesem Metallwerkstoff handelt es sich im allgemeinen um billige, üblicherweise verfügbare Baumaterialien geringer Kosten, leichter Verfügbarkeit und entsprechender Widerstandsfähigkeit gegen die chemische Korrosion, wie sie an der Kathode von Elektrolysezelleη auftritt. Beispiele dafür sind Eisen, nickel, Blei und Zinn sowie verschiedene Legierungen, wie Weichstahl, korrosionsbeständiger Stahl, Bronze, Monel und Gußeisen, Dieser Grundkörper soll vorzugsweise gegenüber demThe third essential part of the electrolysis is the cathode. In this case, according to the invention, it is necessarily an acid-substance cathode. An oxygen electrode can be defined as an electrode to which molecular oxygen is supplied to lower the voltage below the fourth necessary for the evolution of hydrogen. The body for an oxygen cathode is generally a current drain, generally made of a metal material or metal carbon may also be present. This metal material is generally cheap, commonly available building materials of low cost, easy availability, and resistance to chemical corrosion as occurs at the cathode of electrolytic cell. Examples include iron, nickel, lead and tin and various alloys, such as mild steel, corrosion-resistant steel, bronze, monel and cast iron, this body is preferably compared to the

-η- 21 1 552-η- 21 1 552

Katholyten beständig sein und hone elektrische Leitfähigkeit besitzen« Im allgemeinen wird ein poröses Material, wie ein Netz, für die Säuerstoffkathode angewandt» Bevorzugt hinsichtlich Einstandspreis und Beständigkeit sowie benötigter Spannung wird Nickel, aber auch Tantal, Titan, Silber, Gold und plattierte Grundkörper sind möglich. Auf einer Seite dieses Grundkörpers befindet sich ein Überzug eines porösen Materrals entweder verdichtet als solcher, um an dem llickelgrundkörper zu haften, oder indem er mit Hilfe einer bindenden Substanz darauf fixiert ist, so daß man ein poröses Grundmaterial erhält. Ein bevorzugtes poröses Grundmaterial ist Kohle. Innerhalb der Poren der Sauerstoffkathode ist ein Katalysator für die Vereinigung von molekularem Sauerstoff mit Wassermolekülen unter Bildung von Hydroxylgruppen fixiert« Diese Katalysatoren sind im allgemeinen solche auf der Basis von Silber oder einem Platinmetall, wie Palladium, Ruthenium, Gold, Iridium, Rhodium, Osmium oder Rhenium; können aber auch halbedle oder nicht-edle Metalle, Legierungen, Metalloxide oder Organometallkomplexe sein. Im allgemeinen enthalten derartige Elektroden eine hydrophobe Substanz, um eine Benetzung der Elektrode zu verhindern. Selbstverständlich ist die Porosität der Kunstkohle, die Menge und die Art des Katalysators von Einfluß auf die für die Elektrolyse benötigten Spannungen und die dabei erreichten Stromausbeuten und Lebenszeiten (US-PS 3 423 247).Catholytes are stable and have excellent electrical conductivity. "In general, a porous material such as a mesh is used for the acidic cathode. Nickel, but also tantalum, titanium, silver, gold, and clad bodies are preferred in terms of cost price, durability, and required stress , On one side of this body is a coating of a porous Materrals either compressed as such, to adhere to the llickelgrundkörper, or by being fixed thereon by means of a binding substance, so as to obtain a porous base material. A preferred porous base material is coal. Within the pores of the oxygen cathode is fixed a catalyst for combining molecular oxygen with water molecules to form hydroxyl groups. These catalysts are generally those based on silver or a platinum metal such as palladium, ruthenium, gold, iridium, rhodium, osmium or Rhenium; but may also be semi-precious or non-noble metals, alloys, metal oxides or organometallic complexes. In general, such electrodes contain a hydrophobic substance to prevent wetting of the electrode. Of course, the porosity of the charcoal, the amount and type of catalyst of influence on the voltages required for the electrolysis and the achieved power efficiencies and lifetimes (US-PS 3 423 247).

Wie oben darauf hingewiesen, sind in der Zelle von der Anode, Trennwand und Kathode drei Kammern gebildet, nämlich die Anodenkammer, die Kathodenkammer und die Sauerstoffkaminero Bei der Chloralkalielektrolyse wird in die Anodenkammer über die SalzzuleitungAs noted above, in the cell of the anode, partition and cathode three chambers are formed, namely the anode chamber, the cathode chamber and the oxygen chamber. In the chloralkali electrolysis, the anode chamber is fed via the salt feed line

·. j η ί η „ι- r; Q >Ί Π-. \>, ·. j η ί η "ιr;Q> Ί Π-. \>,

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26 die Alkalihalogenidlösung zugeführt» Dabei handelt es sich bei der Chlorgewinnung in erster linie um Natrium- oder Kaliumchlorid· Der Katholyt wird über die Zuleitung 28 eingeführt, er muß ausreichend Wassermoleküle enthalten, um die erforderlichen Hydroxylionen für die Reaktion zur Verfügung zu stellen· Über die Sauerstoffzuleitung 30 wird ein säuerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise von Kohlendioxid befreite und angefeuchtete Luft oder angefeuchteter reiner Sauerstoff eingeführt, Ohlor wird über die Halogenableitung 32 und Lauge über die Katholytableitung 34 ausgetragen· Das an Sauerstoff verarmte Gas bzw. der Rest-Sauerstoff verlassen die Sauerstoffkammer über 36.26 The alkali halide solution is supplied. The chlorine extraction is primarily sodium or potassium chloride. The catholyte is introduced via the feed line 28, it must contain sufficient water molecules to provide the required hydroxyl ions for the reaction Oxygen supply 30 is a acid-containing gas, preferably introduced from carbon dioxide-freed and humidified air or humidified pure oxygen, Ohlor is discharged through the halogen discharge line 32 and lye on the Katholytableitung 34 · The deoxygenated gas or the residual oxygen leave the oxygen chamber above 36 ,

Bei der nach der Erfindung angewandten mit Sauerstoff depolarisierten Dreikammerzeile für die Chloralkalielektrolyse herrscht quer durch die poröse Kathode ein Druckgefälle, nachdem der Druck in der Sauerstoffkammer höher ist als in der Kathodenkammer· Der höhere Druck, der kein Überdruck sein muß, sondern de facto ein Unterdruck ist, unterstützt den Massenübergang von sauerstoffhaltigem Gas in die Kathode und verhindert daher eine SauerstoffVerarmung in der Reaktionszone innerhalb der Kathode, wodurch die Lebenszeit der Kathode verlängert wird. Diese Druckdifferenz beruht auf dem Partialdruck des Sauerstoffs, wenn nicht reiner Sauerstoff angewandt wird.In the oxygen-depolarized three-chamber line for chlor-alkali electrolysis used according to the invention, a pressure gradient prevails across the porous cathode after the pressure in the oxygen chamber is higher than in the cathode chamber. The higher pressure, which need not be overpressure, but de facto a negative pressure , promotes mass transfer of oxygen-containing gas into the cathode, and thus prevents oxygen depletion in the reaction zone within the cathode, thereby extending the life of the cathode. This pressure difference is based on the partial pressure of the oxygen when pure oxygen is not used.

Viird die Zuleitung von depolarisierendem Gas in die Sauerstoffkammer erhöht, so wird der Massentrans«= port von Sauerstoff an den reaktionsfähigen Stellen der Kathode verbessert« Dies ist besonders wesentlich, wenn nicht reiner Sauerstoff angewandt wird. Molekularer Sauerstoff wird durch die an den Katalysatorstellea innerhalb des porösen Grundkörpers der KathodeIf the supply of depolarizing gas into the oxygen chamber is increased, the mass transfer of oxygen at the reactive sites of the cathode is improved. This is especially important when pure oxygen is not used. Molecular oxygen is passed through the catalyst site within the porous body of the cathode

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verbraucht. La Sauerstoff verbraucht wird, müssen dauernd zusätzliche Mengen verfügbar sein und folge- ' dessen muß dauernd der Sauerstoffkammer 24 sauerstoffhaltiges Gas zugeleitet werden. Die bevorzugte Einspeisemenge liegt zwischen 0- und 10fachem stöchiometrisch erforderlichem Sauerstoff, wobei etwa 2,5 bevorzugt wird.consumed. When oxygen is consumed, additional quantities must be constantly available and, consequently, it must be constantly fed to the oxygen chamber 24 oxygen-containing gas. The preferred feed is between 0 and 10 times the stoichiometrically required oxygen, with about 2.5 being preferred.

Wird als sauerstoffhaltiges Gas luft angewandt, so muß man vor Einleitung in die Sauerstoffkammer CO2 entfernen, denn dieses führt zur Bildung von Carbonatabscheidungen auf der Kathode, die sehr wesentlich die Lebensdauer und die Stromausbeute einschließlich der benötigten Zellenspannung beeinflußt. Wird der Hauptteil des COg entfernt, so ist damit das Problem weitgehend gelöst»If air is used as the oxygen-containing gas, it is necessary to remove CO 2 before it is introduced into the oxygen chamber, because this leads to the formation of carbonate deposits on the cathode, which very significantly influences the service life and the current yield, including the required cell voltage. If the main part of the COg is removed, the problem is largely solved »

Aber auch die Anwesenheit von Stickstoff in der Luft kann zu Problemen führen, da er Sauerstoff verdünnt, in die Poren der Kathode eindringt und aus diesen erst rückdiffundieren muß, da er ja nicht durch die Reaktion verbraucht wird. Dadurch wird die Aktivität des Katalysators innerhalb der Poren der Kathode verringert, so daß auch eine Verschlechterung der Stromausbeute und eine Erhöhung der Zellenspannung die Folge sind. Dieser Nachteil kann weitgehend dadurch überwunden werden, daß man die Luftzufuhr beträchtlich steigert, wodurch man die Zellenspannung auf ein Minimum senken und die Stromausbeute auf ein Maximum steigern kann.But even the presence of nitrogen in the air can cause problems, since it dilutes oxygen, penetrates into the pores of the cathode and must first diffuse back from these, since it is not consumed by the reaction. As a result, the activity of the catalyst is reduced within the pores of the cathode, so that a deterioration of the current efficiency and an increase in the cell voltage are the result. This disadvantage can be largely overcome by significantly increasing the air supply, thereby reducing the cell voltage to a minimum and increasing the current efficiency to a maximum.

Bei den Sauerstoffkathoden in Elektrolysezellen kann die Verdampfung und der Massentransport Probleme liefern«) Diese lassen sich überwinden durch Erhöben der relativen Eeuchte des sauerstoffhaltigen Gases, indem man es durch Wasser mit einer Temperatur von 40 bis 700CThe oxygen cathodes in electrolysis cells, the evaporation and the mass transport problems may provide ") This can be overcome by lifting up the relative Eeuchte the oxygen-containing gas by passing it through water at a temperature of 40 to 70 0 C.

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strömen läßt, wodurch es eine relative Feuchte von etwa 85 erhält. Dadurch sinkt die Verdampfung und das Austrocknen der Kathoden, was bis zu einem Abheben des porösen Materials von dem massiven Grundkörper der Kathode und damit zu einer Erhöhung des Massenübergangs durch die porösen Flächen führen kann· Die Gastemperatur soll etwa 40 bis 9O0C betragen.flow, giving it a relative humidity of about 85. This reduces the evaporation and drying of the cathodes, which can lead to a lifting of the porous material from the massive body of the cathode and thus to an increase in the mass transfer through the porous surfaces · The gas temperature should be about 40 to 90O 0 C.

Die Anfeuchtung des Gases scheint noch einen weiteren Effekt zu haben. Die Verdampfung, die zu einem Massentransfer aus dem Wasser der Kathodenkammer in die Kathode führt, bewirkt eine Kristallisation von Peststoffen aus dem Elektrolyt, die sehr wesentlich die lebensdauer der Kathode durch Verstopfen der Poren beeinflussen können. Durch Anfeuchten des sauerstoffhaltigen Gases wird die Verdampfung oder Verdunstung weitgehend zurückgedrängt, indem eine Flüssigkeitsüberführung aus der Kathodenkanmer eingeschränkt wird.Humidifying the gas seems to have another effect. The evaporation, which leads to a mass transfer from the water of the cathode chamber in the cathode, causes crystallization of pesticides from the electrolyte, which can significantly affect the life of the cathode by clogging of the pores. By moistening the oxygen-containing gas, the evaporation or evaporation is largely suppressed by a liquid transfer is limited from the Kathodenkanmer.

Ist der Taupunkt des der Kathode zugeführten Gases höher als die Oberflächentemperatur der Kathode, so kondensiert Wasser an der Kathodenoberfläcbe. Damit werden aber Stellen des Sauerstoffmassenübergangs besetzt, so daß ein beträchtlicher Leistungsabfall einer bestimmten Sauerstoffkathode beobachtet wird. Daher muß der Taupunkt des Gases unter Berücksichtigung dieser beiden nachteiligen Effekte eingestellt werden, d.h. der Taupunkt muß einige Grade über der Oberflächentemperatur der Kathode liegen und die relative Feuchte muß einen solchen Wert erreichen, daß die Verdunstung zurückgedrängt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß höhere Arbeitstemperaturen die benötigten Zellenspannungen herabsetzen, jedoch auch die Lebensdauer der Kathode verkürzen. Als Optimum kann eine Temperatur vonIf the dew point of the gas supplied to the cathode is higher than the surface temperature of the cathode, water condenses on the cathode surface. However, this places occupy the oxygen mass transfer, so that a considerable drop in power of a particular oxygen cathode is observed. Therefore, the dew point of the gas must be adjusted in consideration of these two adverse effects, i. the dew point must be a few degrees above the surface temperature of the cathode, and the relative humidity must reach such a value that the evaporation is suppressed. It should be noted that higher operating temperatures reduce the required cell voltages, but also shorten the life of the cathode. As optimum, a temperature of

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60 bis 850C angesehen werden·60 to 85 0 C ·

AüsführungsbeispieleAüsführungsbeispiele

Die Erfindung wird anhand der folgenden Seispiele weiter erläutert.The invention will be further illustrated by the following Seispiele.

Beispiel 1example 1

Eine Sauerstoffkathode nach US-PS 3 423 245 wurde so in eine Elektrolysezelle eingesetzt, daß die Schienst off se ite der Säuerstoffkammer und die Nickelseite der Kathodenkammer zugekehrt sind. Eine dimensionsstabile Anode mit einer Katalysatorschicht aus Tantal- und Iridiumoxiden wurde in einem Abstand von etwa 7 cm parallel zur Sauerstoffkathode angeordnet. In die Sauerstoffkammer wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 790 cnr/mi-& C02-freie Luft eingespeist, deh. die etwa 21fache stöchiometrische Menge für eine Stromdichte in der Zelle von 15»5 A/dm « Der Druck in derAn oxygen cathode according to US Pat. No. 3,423,245 was used in an electrolytic cell in such a way that the side of the acidic substance chamber and the nickel side of the cathode chamber face away from one another. A dimensionally stable anode with a catalyst layer of tantalum and iridium oxides was arranged at a distance of about 7 cm parallel to the oxygen cathode. Into the oxygen chamber was fed at a flow rate of about 790 cnr / mi - & C0 2 -free air, d e h. about 21 times the stoichiometric amount for a current density in the cell of 15 »5 A / dm

Säuerstoffkammer wurde auf etwa 110 g/cm (Überdruck) eingestellt, woraufhin die Sauerstoffableitung 36 entsprechend gedrosselt wurde· ¥ährend des Versuchs wurde dieser Druck beibehalten· Als Katholyt würde eine Lauge, enthaltend etwa 400 g/l NaOH, in die Kathodenkammer eingeführt und kontinuierlich mit Hilfe eines Magnetrührers bewegteThe acidic chamber was set to about 110 g / cm (gauge) whereupon the oxygen bleed 36 was correspondingly throttled. This pressure was maintained during the experiment. As the catholyte, a caustic containing about 400 g / l NaOH was introduced into the cathodic chamber and continuously moved with the help of a magnetic stirrer

Die Kathode wurde konditioniert durch Elektrolyse bei 600C, einer Stromdichte von etwa 5 A/dm , während einem Tag. Nach Beendigung der Konditionierung wurde die Stromdichte auf etwa 15,5 A/dm erhöht und die Lufteinspeisung, der Druck, die Temperatur und die Stromdichte während dee weiteren Versuchs konstant gehalten. Es wirdThe cathode was conditioned by electrolysis at 60 ° C., a current density of about 5 A / dm, for one day. After completion of the conditioning, the current density was increased to about 15.5 A / dm and the air feed, pressure, temperature and current density were kept constant during further testing. It will

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darauf hingewiesen, daß diese Versuche nur mit Natriumhydroxidlösung als Elektrolyt durchgeführt wurden, nicht jedoch als Chloralkalizelle arbeitete. Jedoch entsprechen die dabei erhaltenen Ergebnisse weitgehendst denen, die man beim Betrieb als Chloralkalielektrolysezelle erhält, da die Anode oder der Elektrodenabstand keine kritischen Paktoren sindj die Anode muß nur gegenüber" der Lauge beständig sein»pointed out that these experiments were carried out only with sodium hydroxide solution as the electrolyte, but not worked as Chloralkalizelle. However, the results obtained thereby largely correspond to those obtained in operation as a chloralkali electrolytic cell, since the anode or the electrode spacing are not critical factors, the anode must only be resistant to "the alkali"

Die Kathoden wurden bei geringer Stromdichte konditioniert, da man annahm, daß die katalytische Platinschicht während der lagerung der Kathoden vor der Anwendung teilweise oxidiert wurde, Diese Kondisionierung stellt die katalytische Wirksamkeit in hohem Maße wieder her, ohne daß dadurch eine nachteilige Beeinflussung der Kathode stattfindet. Langsames Eindringen von weniger edlen Katalysatoren kann jedoch nachteilig sein,The cathodes were conditioned at low current density, since it was believed that the catalytic platinum layer was partially oxidized during storage of the cathodes prior to use. This conformation greatly restores catalytic efficiency without adversely affecting the cathode. Slow penetration of less noble catalysts, however, can be detrimental

Der Stromanschluß erfolgte an der Kickelseite der Kathode, v/eil man auf diese V/eise leichter einen guten elektrischen Kontakt erhält als an der Kohlenseite, Die Kathodenspannung wurde gegen Quecksilber/Quecksilberoxid als Standard bestimmt und änderte sich von 0,31 am ersten Tag bis auf -1,03 am 98· Tag, Dann wurde der Versuch abgebrochen. Die Lebenszeit der Kathode betrug unter diesen Bedingungen 2 350 tuThe current connection was made on the side of the cathode, because of this it was easier to obtain good electrical contact than on the coal side. The cathode voltage was determined to be mercury / mercury oxide standard and changed from 0.31 on the first day to to -1.03 on the 98th day, then the attempt was canceled. The lifetime of the cathode under these conditions was 2 350 tu

Beispiel 2Example 2

In Abwandlung des Beispiels 1 wurde in diesem EaIl eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft von 220 cnr/mia, entsprechend der etwa 6-fachen stöchiometrischen Sauer« stoffsienge, eingehalten* Die Bezugsspannung änderte sich von -0,43 am ersten Sag bis zu -2,27 am 52O Tag« DieIn a modification of Example 1, an air flow rate of 220 cnr / mia, corresponding to approximately 6 times the stoichiometric amount of oxygen, was maintained in this eel. The reference voltage changed from -0.43 at the first Sag to -2.27 at 52 O day "The

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Kathodenlebensdauer betrug hier nur 1 240 h«. Dies zeigt, daß bei höherer Strömungsgeschwindigkeit die Potentiale geringer und die Lebensdauer besser sind«Cathode life was only 1 240 h ". This shows that at higher flow rates the potentials are lower and the lifetime is better «

Beispiel 3Example 3

In Abwandlung des Beispiels 1 wurde Sauerstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 150 cnr/min iü die Sauerstoffkammer geleitet. Dies entsprach der etwa 19fachen stöchiometrisch erforderlichen Sauerstoffmenge für eine Stromdichte von 15»5 A/dm « In diesem Pail erfolgte der Stromanschluß an der Kohleseite der Kathode. Die Kathode wurde konditioniert bei ... . 'o . ·In a modification of Example 1, oxygen was passed to the oxygen chamber at a flow rate of 150 c / min. This corresponded to about 19 times the stoichiometrically required amount of oxygen for a current density of 15 »5 A / dm." In this Pail, the power connection was made on the coal side of the cathode. The cathode was conditioned at .... 'o. ·

einer Stromdichte von 5 A/dm während etwa 24,5 h.a current density of 5 A / dm for about 24.5 hours.

Dann wurde die Stromdichte auf 10 A/dm während 24 hThen, the current density became 10 A / dm for 24 hours

ο erhöht und schließlich auf etwa 15,5 A/dm , wobei sie während des Versuchs gehalten wurde· Die Bezugsspannung änderte sich vom 2. lag von -0,38 auf -0,42 am 293. lag. Der Versuch wurde nur abgebrochen, weil man ein Abschälen der Kathode feststellte. Kathodenlebenszeit: etwa 70,3Oh. Daraus wird auch wieder hervorgehoben, daß bei höherer Strömungsgeschwindigkeit und größerem Savserstoffangebot bei geringerem Potential die Lebensdauer der Kathode etwas verbessert ist.ο increased and finally to about 15.5 A / dm, being held during the experiment · The reference voltage changed from the 2nd lag from -0.38 to -0.42 at the 293. lag. The experiment was aborted only because it detected a peeling of the cathode. Cathode life: about 70.3oh. It is also emphasized again that at higher flow speed and greater Savserstoffangebot at a lower potential, the life of the cathode is slightly improved.

Beispiel 4Example 4

Nach Beispiel 1 wurde eine Sauerstoffkathode bei etwa 850C und einer Stromdichte von 31 A/dm mit einem Elektrolyt, enthaltend 300 g/l UaOH, geprüft« In diesem Pail wurde als Membran das oben beschriebene ITAS1IOlT angewandto Bei diesem Versuch wurden verschiedene Kathoden eingesetzt und die erhältlichen Sellenspannungea ermittelt und daraus die prozentuale Spannungsdifferenz durch Vermeidung der Wasserstoffentwicklung festgestelltAccording to Example 1, an oxygen cathode at about 85 0 C and a current density of 31 A / dm was tested with an electrolyte containing 300 g / l UaOH, in this Pail as membrane the above-described ITAS 1 IOlT was applied to this experiment were various Cathodes used and the available Sellenspannungea determined and found from the percentage voltage difference by avoiding the evolution of hydrogen

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Kathodecathode mittl. Zellen spannung Vav. Cell voltage V Spannungs verringerung V #Voltage reduction V # StablnetζStablnetζ 4,3354,335 O-Elektrode Pt-Katalysator OoO-electrode Pt catalyst Oo 3,0393,039 1,296 301,296 30 2 O-Elektrode Ag-Katalysator Oo2 O electrode Ag catalyst Oo 3,3063,306 1,029 241,029 24 2 O-Elektrode Ag-Katalysator Luft2 O electrode Ag catalyst air 3,5363,536 0,799 180,799 18

Daraus ergibt sieb, daß Sauerstoffkatboden gegenüber einer Stablkatbode, an der Wasserstoffentwicklung stattfindet, überlegene Leistung zeigen·As a result, oxygen catalysis exhibits superior performance over a rod catalyst that undergoes hydrogen evolution.

Beispiel 5Example 5

Nach Beispiel 1 wurden Untersuchungen an einer Säuerstoffkathode unter Verwendung von Luft - ohne Entfernung von CO2 - angestellt« Der Kathode wurde zuerst Sauerstoff zugeführt und dann auf Luft umgeschaltet« Nach weniger als 48 h unter Luftzufuhr war die Kathode ausgefallen. Dieses Verhalten ist typisch für Kathoden, denen Luft zugeführt wird, ohne daß vorher COp entfernt worden isto Daraus ergibt sich die Notwendigkeit der Entfernung von CO2 aus dem sauerstoff-= haltigen Gas, um die Lebensdauer von Sauerstoffkathoden zu verlängern· Die Arbeitsbedingungen entsprachen denen der Beispiele 1 bis 3· In folgender Aufstellung sind die Zellenspannungen und die Besugsspannungen angegeben οAccording to Example 1, studies were made on an acidic cathode using air - without removal of CO 2 - "The cathode was first supplied with oxygen and then switched to air" After less than 48 hours under air supply, the cathode had precipitated. This behavior is typical of cathodes, which air is supplied without first COp has been removed o Hence the need for the removal of CO 2 from the oxygen = containing gas to extend the life of oxygen cathode · The Operating conditions are of examples 1 to 3 · The following table shows the cell voltages and the loading voltages ο

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Zellenspannung νCell voltage ν SEP gegen Hg/HgO BezugsspannungSEP versus Hg / HgO reference voltage BemerkungenRemarks -0,222 bei 15,5 A/dm2 -0.222 at 15.5 A / dm 2 umgeschaltet auf Preßluftswitched to compressed air 1,1681.168 -0,255 bei 5 A/dm2 -0.255 at 5 A / dm 2 " °2"2 -0,212-0.212 1,0441,044 -0,124-0.124 -0,354-0.354 0,9950.995 -0,112-0.112 -- -0,347-0.347 1,7901,790 -0,461-0.461 Kathode zerstörtDestroyed the cathode 1,7681,768 -0,490-0.490 1,9441,944 -1,066-1,066 1,9401,940 2,0342,034 2,1202,120 2,7452,745

Beispiele 6 bis 12Examples 6 to 12

Nach Beispiel 1 wurden Säuerstoffkathoden bei variierender Luft-Strömungsgeschwindigkeit bzw. variierendem Druck (Pig· 2) untersucht« Aus dem Diagramm der Pig« 2 ergibt sich, daß das Kathodenpotential absinkt mit steigender Strömungsgeschwindigkeit und mit steigenden Drucken. In jedem Pail war die Luft angefeuchtet und von Kohlendioxid befreit»According to Example 1 acidic cathodes were examined at varying air flow rate or varying pressure (Pig · 2) "From the diagram of Pig" 2 it follows that the cathode potential decreases with increasing flow velocity and with increasing pressures. In each Pail the air was moistened and free of carbon dioxide »

Die Versuche wurden jeweils abgebrochen, wenn die Bezugsspannung -1 erreichte bzw, wenn eine Abblätterung der verschiedenen Schichten an der Kathode eintrat. Die Strömungsgeschwindigkeit von Luft bzw« Sauerstoff wurden auf einem Datenblatt über das Kathodenverhalten der Zellen eingetragen und zwar die Höhe in mm einer Stahlkugel in einem Strömungsmesser "Matheson Nr · 601" (mit Ausnahme von Beispiel 3» wo Nummer 602 verwendet wurde)« Die Ablesungen, wurden dann in eine Strömungs-The experiments were terminated respectively when the reference voltage reached -1 and when exfoliation of the various layers occurred at the cathode. The flow rate of air or oxygen was plotted on a data sheet on the cathode behavior of the cells, namely the height in mm of a steel ball in a flow meter "Matheson # 601" (except example 3 "where number 602 was used)" The readings , were then placed in a flow

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geschwindigkeit cur/min unter Anwendung einer Eichkurve umgerechnet· Die Beispiele zeigen die Ergebnisse bei den Kathodenversuchen, bei denen der Druckunterschied in der Größenordnung von 200 g/cm betrug« Unter dem Druckunterschied versteht man hier den Unterschied zwischen dem Druck an den beiden Seiten der Kathode. In diesem Fall ist der Unterschied des Drucks in der Sauer-Stoffkammer (100 g/cm Überdruck) und des mittleren hydrostatischen Drucks, den der Elektrolyt auf die andere Seite der Kathode ausübt (10 g/cm), etwa 100 g/cm . Der hydrostatische Druck errechnet sich, indem man die Dichte des Elektrolyten (1,33) mit der mittleren Höhe über der Kathode, die etwa 76 mm beträgt, multipliziert. Nach einer Schätzung beträgt der zweckmäßige Druckunterschied möglicherweise 0,25 bis 500 g/cm . Es ist anzunehmen, daß bei Kathoden, die bei Atmosphärendruck arbeiten oder in denen der Druck in der Sauerstoffkammer nicht über Atmosphärendruck ansteigen darf, die Lebensdauer der Kathode unter 1240 h liegt (Beispiel 2). Es wird darauf hingewiesen, daß sich die Beispiele ausschließlich auf Natronlauge als Elektrolyt beziehen und nicht als Chloralkalielektrolysezellen betrieben wurden, da bis zu dieser Zeit im Handel keine porösen Kathoden waren. Alle obigen Versuche wurden bei einer Stromdichte von 15,5 A/dm durchgeführt und diese Stromdichte für die Standardisierung herangezogen; sie stellt daher keinen optimalen Wert dar·.Es ist zu erwarten, daß Stromdichten von 31 A/dm und darüber ebenfalls angewandt v/erden können. Die Versuche nach den Beispielen 1 bis 3 wurden bei 600C durchgeführt. Auch hier handelt es sich um einen Wert für die Standardisierung.speed cur / min converted using a calibration curve. The examples show the results in the cathode experiments in which the pressure difference was on the order of 200 g / cm. The difference in pressure is understood to mean the difference between the pressure on both sides of the cathode , In this case, the difference of the pressure in the oxygen chamber (100 g / cm gauge) and the average hydrostatic pressure which the electrolyte exerts on the other side of the cathode (10 g / cm) is about 100 g / cm. The hydrostatic pressure is calculated by multiplying the density of the electrolyte (1.33) by the mean height above the cathode, which is about 76 mm. It is estimated that the appropriate pressure difference may be 0.25 to 500 g / cm. It is believed that for cathodes operating at atmospheric pressure, or where the pressure in the oxygen chamber is not allowed to rise above atmospheric pressure, the cathode life is less than 1240 hours (Example 2). It should be noted that the examples refer exclusively to caustic soda as the electrolyte and were not operated as Chloralkalielektrolysezellen, since up to this time commercially were no porous cathodes. All the above experiments were carried out at a current density of 15.5 A / dm and this current density was used for the standardization; therefore, it does not represent an optimal value. It is expected that current densities of 31 A / dm and above can also be used. The experiments according to Examples 1 to 3 were carried out at 60 0 C. Again, this is a value for standardization.

Claims (9)

Erfindungsansprücheinvention claims 1) Verfahren zur Chloralkalielektrolyse in einer Zelle mit einer Anodenkammer, einer Kathodenkammer und dazwischen einer Membran oder einem Diaphragma, dadurch gekennzeichnet, daß man einer Sauerstoffkammer, die sich hinter einer Sauerstoffkathode befindet, unter Überdruck molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas einleitet, wobei man die Strömungsgeschwindigkeit so einstellt, daß jederzeit ein Überschuß über die stöchiometrisch für die Reaktion mit dem an der Kathode gebildeten Wasserstoff benötigte Sauerstoffmenge verfügbar ist, und in der Sauerstoffkammer ein Überdruck aufrechterhält.1) A method for Chloralkalielektrolyse in a cell with an anode chamber, a cathode chamber and in between a membrane or a diaphragm, characterized in that one introduces an oxygen chamber, which is located behind an oxygen cathode, under pressure molecular oxygen-containing gas, wherein the flow rate so that an excess of the amount of oxygen needed stoichiometrically for reaction with the hydrogen produced at the cathode is available at all times, and maintains an overpressure in the oxygen chamber. 2) Verfahren nach Punkt 1» dadurch g e kennzeichnet, daß man einen Überdruck von 0,25 bis 500 g/cm2 aufrechterhält.2) Process according to item 1 »characterized in that one maintains an overpressure of 0.25 to 500 g / cm 2 . 3) Verfahren nach i Punkt 2, dadurch g e - Ice'na· zeichnet, daß man einen Überdruck von 5 bis 250 g/cm aufrechterhält.3) Method according to item 2, characterized g e - Ice'na · records that one maintains an overpressure of 5 to 250 g / cm. 4) Verfahren nach; Punkt 3» dadurch gekennzeichnet, daß man einen Überdruck von 100 bis 200 g/cm aufrechterhält.4) method according to; Item 3 », characterized in that one maintains an overpressure of 100 to 200 g / cm. /2/ 2 211 S52211 S52 5) Verfahren nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß man in der Sauerstoffkammer eine solche Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhält, daß die 1,5-bis 10fache stöchiometrische Säuerst offmenge zur Verfügung steht.5) Method according to item 1 to 4, characterized in that maintaining such a flow rate in the oxygen chamber, that the 1.5 to 10 times stoichiometric Säuerst offmenge is available. 6) Verfahren nach Punkt 5» dadurch g e k e η η · zeichnet, daß man in der Sauerstoffkammer eine solche Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhält, daß die 1,5- bis 5-fache stöchiometrische Sauerstoffmenge zur Verfügung stehto6) Method according to item 5, characterized in that a flow rate is maintained in the oxygen chamber such that 1.5 to 5 times the stoichiometric amount of oxygen is available 7) Verfahren nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als sauerstoffhaltiges Gas Luft nach Abscheidung von Kohlendioxid und gegebenenfalls Anfeuchten verwendet.7) Process according to item 1 to 6, characterized in that air is used as the oxygen-containing gas after deposition of carbon dioxide and optionally moistening. 8) Verfahren nach Punkt 7, dadurch g e.k e η η zeichnet , daß man ein sauerstoffhaltiges Gas, welches bei 40 bis 700C mit Wasserdampf gesättigt ist, verwendet»8) Process according to item 7, characterized in that e η η is characterized in that one uses an oxygen-containing gas which is saturated with water vapor at 40 to 70 0 C » 9) Elektrolysezelle zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 bis 8 mit einer Anodenkammer mit Anode, einer Kathodenkammer mit Kathode und dazwischen einem Diaphragma oder einer Membran, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß die Kathode eine Sauerstoffkathode (8) ist und sie die Sauerstoffkammer (24) begrenzt, in welche ein sauerstoffhaltiges, vorzugsweise angefeuchtetes und vorzugsweise von CO2 befreites Gas zugeführt (30) und das an Sauerstoff verarmte Gas wieder abgeführt wird (36), und Mittel zur Einstellung des Feuchtigkeitsgehalts, des Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit des sauerstofihaltigen Gases in der Sau erst off kammer vor^eahen sind«9) electrolytic cell for carrying out the method according to item 1 to 8 with an anode chamber with anode, a cathode chamber with cathode and in between a diaphragm or a membrane, characterized geke η η eichnet that the cathode is an oxygen cathode (8) and they are the oxygen chamber (24) into which an oxygen-containing, preferably humidified and preferably CO 2 -free gas is supplied (30) and the oxygen-depleted gas is discharged again (36), and means for adjusting the moisture content, the pressure and the flow rate of the oxygen-containing Gases in the sow are first off chamber before eaten Hierza JLieiteo ZeichnungenHierza JLieiteo drawings
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