DD152148A5

DD152148A5 - Plattieren von kathoden in einer elektrolytischen zelle!mit diaphragma oder membran

Info

Publication number: DD152148A5
Application number: DD80222767A
Authority: DD
Inventors: Geoffrey C M Byrd; Colin Stanier
Original assignee: Ici Ltd
Priority date: 1979-07-20
Filing date: 1980-07-21
Publication date: 1981-11-18
Also published as: JPS5620183A; FI67730C; ES8104438A1; ES253752Y; ES253752U; PL225773A1; EP0023094A1; AU529184B2; CA1159016A; IE801391L; ATE5333T1; PL132973B1; ZA804021B; ES493536A0; FI67730B; EP0023094B1; SU1098524A3; NO802161L; FI802288A; US4329217A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Diaphragma oder eine Membran zum Ueberziehen einer Kathodenkammer zum Einsatz in einer Elektrolysezelle, die viele durchloecherte Taschenkathoden enthaelt. Das Diaphragma oder die Membran besteht aus einem Huelsenteil mit mehreren Laschen an beiden Seiten der Huelse, vorzugsweise mit je zwei Laschen an beiden Seiten der Huelse. Befindet sich das Diaphragma in einer Tasche der Kathodenkammer, stehen die Seiten der Huelse und die Laschen ueber die Enden der Tasche hervor, so dasz sie mit den Laschen und Huelsen der Diaphragmen oder Membranen in benachbarten Taschen der Kathodenkammer verbunden werden koennen, nachdem sie umgebogen worden sind.

Description

• ZI-Berlin, den 3.12.1980

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Plattieren von Kathoden in einer elektrolytischen Zelle mit Diaphragma oder Membran

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrolytische Zelle und im besonderen auf das Plattieren von Kathoden in einer solchen Zelle mit einem Diaphragma oder mit einer Membran, die die Zelle in Anoden- und Kathodenräume teilt«

Die elektrolytische Zelle, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird im allgemeinen bei der Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung verwendet, um Chlor und eine Alkalimetallhydroxidlösung zu erzeugen* Im besonderen handelt es sich dabei um die Erzeugung von Chlor und einer Natriumhydroxidlösung durch die Elektrolyse einer wäßrigen Natriumchloridlösung* Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung nicht derart eingeschränkt ist und die elektrolytische Zelle für die Elektrolyse von Lösungen von ionisierbaren Verbindungen außer wäßrigen Alkalirnetallchloridlösungen verwendet werden kann»

Charakteristik der bekannten technischen Lösunqen

Derartige elektrolytiache Zellen können eine Kathodenkammer mit Seitenwänden aufweisen und innerhalb der Kammer eine Vielzahl von Anoden* die in gleichem Abstand voneinander und im allgemeinen parallel zueinander an einer Grundplatte befestigt sind«, Die Anoden sind dabei zwischen benachbarten Kathodenf.ingern oder in den Kathodentaschen der

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Kathodenkammer angeordnet, und auf den Kathodenfingern oder in den Kathodentaschen befindet sich ein Diaphragmamaterial, wodurch die elektrolytische Zelle in getrennte Anoden- und Kathodenräume unterteilt wird. Die Kathodenfinger oder »taschen können eine durchlöcherte Struktur aufweisen_{ zum Beispiel können sie aus einem Streckmetall gefertigt sein, oder sie können eine gewebte oder Netzetruktur aufweisen«, In einer Zelle für die Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung bestehen die Kathodenfinger oder -taschen im allgemeinen aus weichem Stahl, obwohl die Kathoden aus anderen Werkstoffen bestehen können, zum Beispiel aus Nickel. Auch die Kathoden können mit einem Material überzogen werden, das beispielsweise die Wasserstoffüberspannung an den Kathoden reduziert. Die Anoden können aus Graphit bestehen, aber in der modernen Praxis erfolgt die Herstellung der Anoden im allgemeinen aus einem filmbildenden Metall, d. h., es handelt sich um ein Metall, das aus der Gruppe Titan, Zirkon, Niob, Tantal oder Wolfram oder einer Legierung davon ausgewählt ist. Die Anoden können dabei mit einem elektrisch leitenden elektrokatalytisch wirksamen Material überzogen werden. Die Anoden können ebenfalls eine durchlöcherte Struktur aufweisen. Die elektrolytische Zelle ist mit einem Sammelrohr versehen, durch das die wäßrige Alkalimetallchloridlösung in den Anodenraum eingeführt wird, und mit Einrichtungen, durch die das Chlor daraus entfernt wird. 'Wahlweise können Einrichtungen vorgesehen werden, durch welche die erschöpfte Alkalimetallchloridlösung entfernt wird« Die Kathodenkammer ist mit Einrichtungen zum Entfernen des Wasserstoffes und der Zellenflüssigkeit _t die das Alkalimetallhydroxid enthält, aus der Zelle verbunden und wahlweise mit Einrichtungen für die Zuführung von Wasser

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in die Kathodenkammer ausgerüstet« Die Kathodenkammer kann auf der Grundplatte angeordnet werden, an der die Anoden angebracht sind, wobei die Anoden zwischen benachbarten Kathodenfingern oder in den Kathodentaschen angeordnet, sind* Der Anolytausgleichsbehälter kann über der Kathodenkammer angeordnet werden*

Die erfindungsgemäße elektrolytische Zelle entspricht einer Ausführung* bei der die Kathodenkammer eine Vielzahl von Taschenkathoden enthält» , -

Seit vielen Dahren sind die durchlöcherten Strukturen in den Kathodenkammern der elektrolytischen Zellen mit Asbestdiaphragmen plattiert worden, indem die Kathodenkammer in eine Suspension von Asbestfasern beispielsweise in der Zellenflüssigkeit eingetaucht wird und die Asbestfasern durch Saugwirkung auf die durchlöcherte Struktur aufgebracht werden. Dadurch bildet sich eine Asbestfasermatte auf der durchlöcherten Struktur der Kathodenkammer heraus. Obwohl derartige Asbestdiaphragmen seit vielen Oahren verwendet worden sind und weiterhin in großem Maßstab benutzt werden, besteht eine Notwendigkeit, Asbestdiaphragmen durch andere Materialien zu ersetzen, die während des Einsatzes bei der Elektrolyse nicht quellen. Somit muß beim * Elektrolysieren einer wäßrigen Alkalirnetallchloridlösung in einer elektrolytischen Zelle, die ein Asbestdiaphragma aufweist, der Zwischenraum zwischen der Anode und der Kathode größer sein, als dies erwünscht ist. Dies bedingt eine Heraufsetzung der Spannung zu einem Wert, der dem Quellen des Asbestdiaphragmas während der Elektrolyse Rechnung trägt.' Es besteht ebenfalls eine Notwendigkeit, den Asbest durch solche Materialien zu ersetzen, die nicht die giftigen

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Eigenschaften des Asbestes aufweisen und über eine längere wirksame Lebensdauer verfügen als Asbest, im besonderen beim Einsatz in einer elektrolytischen Zelle für die Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung,

Viele unterschiedliche Arten von Diaphragmen sind aus synthetischen polymeren Materialien entwickelt worden. Zum Beispiel wird in der GB-PS Nr«, 1 081 046 ein Foliendiaphragma aus porösem Polytetrafluorethylen beschrieben, das durch Bildung einer Folie aus Polytetrafluorethylen und eines aus einzelnen Teilchen bestehenden Füllstoffes, beispielsweise aus Stärke, und Extraktion des Füllstoffes aus der Folie hergestellt wird. In der GB-PS Nr. 1 503 ist eine elektrolytische Zelle beschrieben, die sich im besonderen zur Verwendung bei der Erzeugung von Chlor und Alkalimetallhydroxid durch die Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung eignet. Diese eloktrolytische Zelle besteht aus einer Anode und einer Kathode, die durch ein Diaphragma aus porösem Polytetrafluorethylen getrennt sind, wobei dieses Diaphragma eine MikroStruktur aus Knoten unter Verbindung durch Fibrillen aufweist» Das Diaphragma aus dem porösen Polytetrafluorethylen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Diaphragmas sind in der GB-PS Nr_e 1 355 373 beschrieben.

Viele der bekannten synthetischen Diaphragmen haben den Nachteil«, daß sie nicht mittels der technischen Verfahren auf die durchlöcherten Kathoden elektrolytischer Zellen gebracht werden können« mittels derer die Asbestdiaphragmen auf solche durchlöcherten Strukturen aufgebracht wurden. Synthetische Diaphragmen in Form einer Folie sind bei Kathoder.kammern, in denen die durchlöcherten Kathoden in

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der Form einer Vielzahl von Fingern oder Taschen vorliegen, besonders schwierig anzuwenden. Es ist nicht leicht zu gewährleisten* daß das Diaphragma mit der etwas unregelmäßigen Gestalt derartiger Kathodenkammern übereinstimmt» und es ist ebenfalls schwierige dafür zu sorgen, daß das Diaphragma in angemessener Weise abgedichtet wird, so daß keine Undichtigkeiten auftreten. Um solche Kathodenkammern mit synthetischen Diaphragmen zu plattieren, mußten besondere technische Verfahren entwickelt werden«

In der BE-PS Nr. 864 400 ist eine Hülle zum Plattieren einer im wesentlichen rechteckigen Elektrode beschrieben. Diese Hülle weist ein geschlossenes Ende, ein offenes Ende und zwei geschlossene Seitenteile auf, wobei wenigstens eines der geschlossenen Seitenteile aus einem Hauptabschnitt und einem Abschnitt in Form einer Nase besteht« Die Nase grenzt dabei an das offene Ende«, Bei der Verwendung wird die Hülle über der Kathode angebracht, und die Nase, die flexibel ist, wird gebogen oder verdreht, um eine im wesentlichen flache Oberfläche zu bilden» Durch Festklemmen oder Festspannen kommt es zu einem wirksamen Abdichten der Hüllen längs ihrer oberen und unteren Kanten» Die beschriebenen Hüllen eignen sich zur Verwendung beim Plattieren einer Kathodenkammer mit einer Vielzahl von Kathoden in Fingerform«

Eine Reihe von früheren Beschreibungen von Verfahren zum Plattieren von Kathodenkammern mit synthetischen Diaphragma« materialien macht die Verwendung von besonderen Klemmvorrichtungen notwendig_e Zum Beispiel ißt in der US-PS Nr«, 3 980 544 ein Diaphragma in Form einer Umhüllung beschrieben, das sich zum Plattieren durchlöcherter Elektroden, im be-

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sonderen von Kathoden,, eignet« Diese Elektroden sind dabei parallel zueinander angeordnet und weisen jeweils einen Zwischenraum zwischensden Elektroden auf«, Die Diaphragmaumhüllung verfügt über ein offenes Ende und zwei angrenzende Kanten, die zwischen einem Klemmelement und einem Stab, der sich zwischen den Elektroden befindet, festgeklemmt werden. Diese Diaphragmastruktur und Einklemmung eignen sich besonders zum Plattieren von Fingerelektroden«

In der US-PS Nr. 3 878 082 ist eine Einrichtung zum Plattieren von Finger-r oder Taschen-Kathoden beschrieben. In einer Kathodenkammer, in der sich Fingerkathoden befinden, ist ein Diaphragma in Form einer Umhüllung über dem Kathodenfinger angeordnet, und über dem Diaphragma befindet sich an der Verbindungsstelle zwischen benachbarten Kathodenfingern eine U-förmige Feststelleinrichtung. In einer Kathodenkammer mit Taschenkathoden wird das Diaphragma über die Kathode gewickelt und in dem Schacht mit Hilfe von sichelförmigen Feststelleinrichtungen gehalten, die sich über dem Diaphragma in dem Schacht befinden. Über' dem Diaphragma befinden sich ebenfalls U-förmige Feststelleinrichtungen, wobei die U-förmigen Feststelleinrichtungen auch mit den sichelförmigen Feststelleinrichtungen zusammenwirken«

In der US-PS Nr. 3 293 630 ist ein Verfahren zum Plattieren einer Taschenkathodenkarnmer mit einem synthetischen Diaphragmamaterial beschrieben. Bei diesem Verfahren werden geschlitzte Trägerelemente über und unter der Kathoden« kammer angeordnet, wobei die Schlitze in den Trägerelementen mit den Taschen in der Kathodenkammer ausgerichtet werden» Dede Kathodentasche wird dabei mit einem Diaphragma in Form

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.eines endlosen Bandes plattierte Die Diaphragmen werden an den Schlitzen in den oberen und unteren Trägerelementen versiegelt» Das Versiegeln kann beispielsweise durch Heißsiegeln geschehen, wie es in der BE-PSNr, 865 864 beschrieben ist, oder durch mechanische Einrichtungen, wie sie in der veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr» 0 008 165 beschrieben sind.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Möglichkeit zum Plattieren einer Kathodenkammer, bestehend aus einer Vielzahl von durchlöcherten Fingerkathoden, zu schaffen, die nicht notwendigerweise zur Erzielung ihrer Effektivität

auf der Anordnung von geformten Klemmeinrichtungen beruht, um das Diaphragma in der Kathodenkammer zu positionieren. Darüber hinaus eoll die Plättierungseinrichtung zur Erzielung ihrer Effektivität keine geschlitzten Trägerelemente der bisher beschriebenen Ausführung benötigen«

Bens der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Diaphragma zum Plattieren einer Kathodenkammer zu schaffen, das hydraulisch durchlässig ist und es dem Elektrolyten ermöglicht, durch das Diaphragma zwischen den Anoden- und Kathodenräumon der elektrolytischen Zelle hindurchzuströmen, sowie zum Plattieren einer Kathodenkammer mit im wesent~ liehen hydraulisch undurchlässigen Materialienj die im allgemeinen als Membranen gelten und die Übertragung von lonensorten zwischen den Anoden™ und Kathodenräumen einer elektrolytischen Zelle gestatten. Derartige Membranen sind

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im allgemeinen kationenselektiv und gelangen zu einer zunehmenden kommerziellen Bedeutung, im besonderen dort, wo es erwünscht ist_e eine Zellenflüssigkeit zu erzeugen, die im wesentlichen keine Verunreinigungen aufweist« Beispielsweise ist damit eine wäßrige Alkalimetallhydroxidlösung gemeint, die im wesentlichen kein Alkalimetallchlorid aufweist β

Sofern keine anderweitige Feststellung getroffen wird, gilt aus Gründen einer Vereinfachung die hier benutzte Bezeich~ nungsweise "Diaphragma? sowohl für hydraulisch durchlässige Materialien als auch für im wesentlichen hydraulisch undurchlässige ionenselektive Materialien«

Aufgabe der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Her-, stellung eines erfindungsgemäßen Diaphragmas. Die Erfindung beinhaltet ein Diaphragma* das sich zum Plattieren einer Kathodenkammer aus einer Vielzahl von durchlöcherten Taschenkathoden eignet· Das Diaphragma besteht aus einer Hülse und einer Vielzahl von Laschen an beiden Kanten der Hülse* Die Abmessungen der Hülse sind dabei derart, daß die Kanten der Hülse und die Laschen über die äußersten Enden des Schachtes hinausragen, wenn das Diaphragma In einer Tasche einer Kathodenkammer angeordnet ist«

In einer bevorzugten Aisführungsforra der vorliegenden Erfindung besteht das Diaphragma aus einer Hülse, zwei Laschen an einer Kante der Hülse und zwei Laschen an der anderen Kante der Hülse, wobei die Laschen an der einen Kante mit den Laschen an der anderen Kante fluchten, um Paare von fluchtenden Laschen zu bilden_o Dedes Paar besteht dabei aus einer L-asche an einer Kante der Hülse und aus einer

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!-asche an der anderen Kante der Hülse« wobei die Paare der Laschen im wesentlichen zueinander gegenüberliegend an der Hülse angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Diaphragma eignet sich zur Verwendung beim Plattieren einer Kathodenkammer_e bestehend aus einer Vielzahl von durchlöcherten Taschenkathoden«, Damit ist eine Kathodenkammer mit Wänden* einem Ober- und einem Unterteil» gemeint, die im allgemeinen eine durchlöcherte Struktur aufweisen«, Es sind eine Vielzahl von Taschen vorhanden, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und durch durchlöcherte Wände gebildet werden, die sich zwischen dem Ober- und Unterteil befinden. Die Taschen bilden dabei Hohlräume, in denen die Anoden einer elektrolytischen Zelle untergebracht werden können* Die Taschen sind im Grundriß im allgemeinen von länglicher Form, mit zwei im wesentlichen parallelen und relativ langen Seitenvvänden und zwei relativ kurzen Stirnseiten zur Verbindung dar Seitenvvände.

Um nqn eine Kathodenkammer der vorerwähnten Ausführung zu plattieren, wird ein erfindungsgemäßea Diaphragma in jeder Kathodentasche der Kathodenkammer positioniert, wobei die Kanten der Hülse und die Laschen daran übor die äußersten Enden der Tasche hinausragen, d« h„,sie ragen über und unter die oberen und unteren Kanten der Wände der Tasche hinaus. Die überstehenden Teile der Hülse und der Laschen werden gegen die oberen und unteren (durchlöcherten) Flächen der Kathodenkammer so gefaltet« daß sie an die Laschen und die hervorstehenden Teile der Hülse eines Diaphragmas angrenzen, das sich in der nächsten benachbarten Tasche befindet und das in ähnlicher Weise gefaltet wurde,.

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Die Laschen und hervorstehenden Teile der Hülse der Diaphragmen in benachbarten Taschen werden dann miteinander verbunden»

Vor der Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform des ⁷ erfindungsgemäßen Diaphragmas wird ein Diaphragma in jeder Kathodentasche der Kathodenkammer angeordnet, wobei die Kanten der Hülse und die Laschen über und unter die äußersten Enden der Taschen hinausragen» Die Laschen an den Hülsenteilen werden angrenzend an die Stirnseiten der Taschen angeordnete

Die Laschen und die hervorstehenden Hülsenteile eines Diaphragmas, die beim Einsatz gefaltet werden, daß sie an die Laschen und hervorstehenden Hülsenteile eines Diaphragmas in einer nächsten benachbarten Tasche angrenzen, werden mit den Laschen und der Hülse des Diaphragmas in der nächsten benachbarten Tasche verbunden« Das Verbinden kann mit Hilfe einer Klammer geschehen, zum Beispiel unter Verwendung einer U-förmigen Klammer, die an den benachbarten Laschen und Hülsenteilen beispielsweise durch Sicken angebracht werden kann. Alternativ kann das Verbinden mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffes erfolgen. Bei einem bevorzugten Verfahren werden jedoch die Laschen und die hervorstehenden Hülsenteile eines Diaphragmas in einer Tasche in der Weise angeordnet, daß sie die Laschen und die hervorstehenden Hülsenteile eines Diaphragmas in einer benachbarten Tasche überlappen oder damit zur unmittelbaren Berührung gelangen,. Die Laschen und die Hülsenteile der Diaphragmen in benachbarten Taschen werden dann untereinander mit Hilfe eines Schweißverfahrens verschweißt, was zu einem Zusammenschmelzen der Diaphragmen führt„ Beispiels«

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weise durch die Verwendung des Thermoschmelzens« Die Verwendung eines Schweißverfahrens_Ä beispielsweise des ThermoschmelzenSi, oder die Benutzung eines Klebstoffes vermeidet die Notwendigkeit der Verwendung von Klammern oder irgendeines anderen derartigen mechanischen Verbindens»

Vorzugsweise werden die Laschen und hervorstehenden Hülsen« teile der Diaphragmen in benachbarten Taschen der Kathodenkammer in einen unmittelbaren Oberflächenkontakt miteinander gebracht, wodurch die Verbindung erleichtert wird. Im besonderen wird das Verbinden der Teile durch Heißsiegeln bzw» Thermoschmelzen erleichtert, da auf die Laschen und die hervorstehenden Hülsenteile beider Diaphragmen Wärme in Anwendung gebracht werden kann.

Weiterhin werden vorzugsweise die Abmessungen der Laschen an der Hülse des Diaphragmas so ausgewählt, daß die Kanten der Laschen und der Hülsenteile eine gerade Linie bilden, wenn die Laschen und die hervorstehenden Hülsenteile der Diaphragmen abgebogen werden, da hierdurch ebenfalls das Verbinden der Laschen und der hervorstehenden Hülsenteile der Diaphragmen in benachbarten Taschen der Kathodenkammer erleichtert wird«,

Ein Teil der Laschen, beispielsweise die Enden der Laschen, kann natürlich nicht mit den Laschen eines benachbarten Diaphragmas versiegelt werden«. Die Enden der Laschen können sich mindestens bis zum Rand der Wand der Kathodenkammer .erstrecken und vorzugsweise etwas über den Rand der Wand der Kathodenkammer hinaus, wo sie am oberen Teil der Kathodenkanrmer befestigt werden können«, indem sie zwischen

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der Wand der Kammer^ und beispielsweise einem Anolyt-Ausgleichsbehälter eingeklemmt werden^ und am unteren Teil der Kathodenkammer, indem sie zwischen der Wand der Kathodenkamraer und beispielsweise der Grundplatte der elektrolytischen Zelle festgeklemmt werden» In ähnlicher Weise können die hervorstehenden Hülsenteile und die Laschen der Diaphragmen in' den Endtaschen der Kathoden« kammer in der Nachbarschaft der Wand der Kathodenkommer abgebogen und mit der Kathodenkammer verschmolzen werden, und zwar am oberen Tail, indem sie zwischen der Wand der Kammer und beispielsweise einem Anolyt-Ausgleichsbehälter eingeklemmt werden, und am unteren Teil, indem sie zwischen der Wand der Kammer und beispielsweise der Grundplatte der elektrolytischen Zelle festgeklemmt werden. So kann die gesamte durchlöcherte Oberfläche der Kathodenkammer, einschließlich des oberen und unteren Teiles der Kammer, zusätzlich zu den Wänden der Taschen, mit dom Diaphragmamaterial plattiert werden.

Das erfindungsgemäße Diaphragma kann aus einer Folie in einer im wesentlichen rechteckigen Form hergestellt werden, mit einer Vielzahl von Laschen an dem einen Rand der Folie und einer Vielzahl von Laschen an dem gegenüberliegenden Rand der Folie, Die Ränder der Rechteckfolie, an denen sich keine Laschen befinden, können miteinander verbunden werden, um eine hülsenförmige Anordnung zu bilden. Das bevorzugte erfindungsgemäße Diaphragma kann aus einor Folie mit einer im wesentlichen rechteckförmigen Gestalt mit je zwei Laschen an den gegenüberliegenden Rändern der Folie hergestellt werden, wobei die Laschan an einem Rand mit den Laschen am gegenüberliegenden Rand fluchten, um Paare von fluchtenden Laschen zu bilden,, Oedes Laschenpaar besteht

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aus einer Lasche an einem Rand und aus einer Lasche am gegenüberliegenden Rand» Die Laschenpaare sind dabei in öer Weise angeordnet, daß sie in der hülsenförmigen Anordnung im wesentlichen gegenüberliegen, wenn die gegenüberliegenden Ränder der Folie, die über keine Laschen verfügen, zusammengeschmolzen werden, um die hülsenförmige Struktur zu bilden»

Es kann ein beliebiges geeignetes Verfahren zum Verbinden der Ränder der Folie mit der im wesentlichen rechteckförmigen Gestalt benutzt werden, wobei in gewissem Grade eine Abhängigkeit von der natürlichen Beschaffenheit des Diaphragmamaterials besteht. Die Ränder können überlappt und durch Schweißen, zum Beispiel durch Heißversiegeln des Diaphragmamaterials, miteinander verbunden werden, oder das Diaphragmamaterial kann mittels eines Klebstoffes miteinander verbunden werden. Alternativ können die Ränder an einem Streifen aus einem anderen Material befestigt werden.

Die Abmessungen der Folie mit der im wesentlichen rechteckigen Gestalt und somit der hülsenförmigen Struktur, die daraus gebildet werden kann, müssen hinreichend groß sein* so daß ein Teil der hülsenförmigen Struktur über die. Enden der Taschen der Kathodenkammer.hinausragt, d» h, über und unter die oberen und unteren Kanten der Wände der Taschen der Kathodenkammer hinaus«. Die genaue Form der rechteckigen Folie hängt von den Abmessungen der Taschen der Kathodenkammer ab» Die rechteckige Form kann beispielsweise quadratisch oder gestreckt sein* Die Laschen an der rechteckförmigen Folie und an der hülsenförmigen Struktur können ebenfalls eine im wesentlichen rechteckige Form aufweisen«

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Wo das Diaphragma gemäß der vorliegenden Erfindung hydraulisch durchlässig ist_s kann es aus einem porösen organisdien polymeren Material hergestellt werden» Bevorzugte organische polymere Materialien sind fluorhaltige Polymere, und zwar wegen der im allgemeinen stabilen Be« schaffenheit derartiger Materialien unter den korrosiven Bedingungen* die in vielen elektrolytischen Zellen anzu~ treffen sind* Geeignete fluorhaltige polymere Materialien umfassen zum Beispiel Polychlortrifluorethylen, fluoriertes Ethylen-Propylen-Kopolymer und Polyhexafluorpropylen. Ein bevorzugtes fluorhaltiges polymeres Material ist das Polytetrafluorethylen wegen seiner großen Stabilität unter den korrosiven Bedingungen in einer elektrolytischen Zelle» Im besonderen gilt dies für, elektrolytische Zellen für die Erzeugung von Chlor und Alkalimetallhydroxid durch die Elektrolyse von wäßrigen Alkalimetallchloridlösungen« Solche hydraulisch durchlässigen Diaphragmamaterialien sind auf diesem Gebiet der Technik bekannt«

Als Diaphragmamaterialien,, die geeignet sind,, Ionensorten zwischen den Anoden~ und Kathodenräumen einer elektrolytischen Zelle zu übertragen und die im allgemeinen als Membranen bezeichnet werden* werden kationenselektive Materialien bevorzugt« Derartige lonenaustauschraaterialien sind auf diesem Gebiet der Technik bekannt* und es handelt eich dabei vorzugsweise um fluorhaltige polymere Materialien mit anionischen Gruppen« Vorzugsweise entsprechen die polymeren Materialien den Fluorkohlenwasserstoffen mit den folgenden Strukturgruppen:

V A

3_βΐ2_β1980 2 22 7 67 "ν«- 57 893/17

•wobei m einen Wert von 2 bis 10 aufweist und vorzugsweise gleich 2 ist, das Verhältnis von M zu N vorzugsweise derart ist„ daß sich eine äquivalente Masse der Gruppen X im Bereich von 600 bis 2000 ergibt, und X aus A oder aus

f OCF^ CF J A Z * _%

Zp

ausgewählt wird, wobei ρ einen Wert von beispielsweise 1 bis 3 aufweist, Z einem Fluoratom oder einer Perfluoralkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen entspricht und A für eine solche Gruppe steht, die aus den folgenden Gruppen ausgewählt wird;

SO₃H	-^P03^H2
CF_?SO₃H	~^P02^H2
CCL₉SO-H X-¹SO₃H	-COOH -X¹OH

und

oder aus Derivaten der besagten Gruppen, wobei X einer Arylgruppe entspricht« Vorzugsweise repräsentiert A die Gruppe -SO₃H oder -COOH.

Das erfindungsgemäße Diaphragma kann aus nur einem Diaphragmamaterial hergestellt werden oder aus mehreren Materialien, beispielsweise aus mehreren Diaphragmamaterialien,, Zum Beispiel kann die rechteckige Folie oder die Hülse des Diaphragma aus einem Diaphragmamaterial hergestellt und die Laschen aus einem anderen Material gefertigt sein, welches., ein Diaphragmamaterial sein kann oder nicht, insbesondere aus einem solchen Material, welches geschmeidig ist und ohne Schwierigkeiten geschweißt, bei-

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spielsweise heißgesiegelt werden kann. Alternativ kann ein Teil der rechteckigen Folie oder ein Teil der Hülse des Diaphragmas aus einem Diaphragmamaterial hergestellt werden, und die Laschen sowie diejenigen Teile der rechteckförmigen Folie oder der Hülse in der Nachbarschaft der Laschen, die beim Einsatz über die Enden der Taschen der Kathodenkammer hinausragen und abgebogen werden, wenn das Diaphragma in einer Tasche der Kathodenkammer angeordnet wird, können aus einem anderen Material gefertigt werden, das einem Diaphragmamaterial entsprechen kann oder nicht. Vorzugsweise wird ein Material verwendet, welches geschmeidig ist und ohne Schwierigkeiten geschweißt, beispielsweise heiß_ gesiegelt werden kann. Die Laschen und, falls es gewünscht wird, diejenigen Teile der -Hülse, die über die Enden der Kathodenkammer hinausragen und abgebogen werden, wenn sich das Diaphragma in einer Tasche der Kathodenkammer befindet, können sogar aus einem Nichtdiaphragmamaterial hergestellt werden, d, h. aus einem solchen Material, das weder hydraulisch durchlässig ist, noch den Transport von Ionen-Sorten zwischen den Anoden- und Kathodenräumen der elektrolytischen Zelle gestattet.

Die mit einem erfindungsgemäßen Diaphragma plattierte Kathodenkammer kann einen Teil einer elektrolytischen Zelle bildan« Die Kathodenkammer kann mit einer öffnung oder mit öffnungen versehen werden^ um die Zellenflüssigkeit und die gasförmigen Produkte aus der Kammer zu entfernen^ sowie mit einer öffnung _s durch die Flüssigkeit, zum Boispiel Wasser, der Kathodenkammer zugeführt werden kann. Die durchlöcherten Oberflächen der Kathodenkammer können aus Streckmaterial oder aus einer geflochtenen Struktur oder Netzst-ruktur bestehen« Die Kathodenkarnmer und im be~ sonderen die durchlöcherten Oberflächen der Kammer be-

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stehen vorzugsweise aus Stahl, zum Beispiel aus Baustahl* Dies gilt ganz besonders für den Fall, daß die elektrolytische Zelle zur Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung verwendet wird« *

Die Anoden können in der elektrolytischen Zelle in geeigneter Weise auf einer Grundplatte befestigt und in der Weise angeordnet werden» daß sich die Anoden in den Taschen der Kathodenkarnmer befinden, wenn sich die Kathodenkammer darauf befindet«, Die Anoden und die Grundplatte können aus einem einen Film bildenden Metall oder aus einer Legierung davon hergestellt werden, d. h. aus Titan, Niob, Zirkon, Tantal oder Wolfram oder einer Legierung davon_e und die Anoden können einen Oberflächenüberzug aus einem elektrisch leitenden elektrokatalytisch wirksamen Material aufweisen, zum Beispiel aus einem Metall der Platingruppe und/oder aus einem Metalloxid der Platingruppe. Vorzugsweise wird eine Mischung aus einem Metalloxid der Platingruppe und aus einem filmbildenden Metalloxid, zum.Beispiel RuO₂ und TiO₂ verwendet. In der elektrolytischen Zelle kann ein Anolyt-Ausgleichsbehält'er über der Kathodenkammer angeordnet werden, wobei der Ausgleichsbehälter mit einer öffnung versehen ist, durch die der Elektrolyt den Anodenräumen der elektrolytischen Zelle zugeführt werden kann, und mit weiteren Öffnungen, durch welche die gasförmigen Produkte der Elektrolyse und der erschöpfte Elektrolyt aus der Zelle entfernt werden können«,

Ausführunqsbeispiel

|N in jn— '¹U min» tjcnnwii^ii »n, m ü'f mn >' . T Λ ^ mm> 1i—.i β im n.rw ρ j* — j mi*

Die vorliegende Erfindung wird nunmehr anhand der zugehörigen Zeichnungen in Form eines Beispiels näher erläutert,

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€s zeigen:

Fig* 1: einen Grundriß einer Kathodenkammer_e die mit einem Diaphragma gemäß der vorliegenden Erfindung zu plattieren ist;

Fig_e 2: eine Schnittzeichnung der Kathodenkammer längs der Linie A~A von Abb, I;

Fig* 3: eine Schnittzeichnung einer elektrolytischen ZeIIe₈ bei der zur Vereinfachung das Diaphragma weggelassen ist;

Fig, 4: einen Grundriß einer Folie, aus der ein erfindungsgemäßes Diaphragma hergestellt werden kann;

Fig. 5: eine isometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen Diaphragmas;

Fig« 6: eine isometrische Darstellung einer Kathodenkammer mit einem in einer der Taschen angeordneten Dia~ phragma;

Fig«, 7: einen Grundriß einer Kathodenkammer, bei dor zwei der Taschen mit einem erfindungsgemäßen Diaphragma plattiert sind;

Fig«. 8: eine isometrische Darstellung jenes Teiles der Kathodenkammer, der durch die Linien A-A in Fig, begrenzt wird«

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Z 4 a / O / _ ₁₉ „ ₅₇ 893/17

Die Kathodenkammer 1 setzt sich aus den Seitenwänden 2; 3; 4; 5 zusammen* die mit öffnungen (nicht wiedergegeben) versehen werden können^ durch die Wasser oder andere Flüssigkeiten in die Kathodenkammer eingeführt sowie flüssige und gasförmige Produkte der Elektrolyse aus der Kathodenkammer entnommen werden können» aus einem durchlöcherten oberen Teil 6 und aus einem durchlöcherten unteren Teil 7„ Die durchlöcherte Struktur kann durch ein Streckmetall realisiert werden, aber in der wiedergegebenen Ausführung handelt es sich um ein Drahtgeflecht, zweckmäßig aus'Baustahl, weshalb die Zelle für die Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung verwendbar ist* Die Kathodenkammer setzt sich aus vier Taschen 8 zusammen, die parallel zueinander angeordnet sind und eine längliche Form aufweisen. Sie sind durch Seitenwände 9; 10 und durch Stirnwände 11; 12 zwischen defif*dVrchlöcherten oberen Teil 6 und dem durchlöcherten unteren Teil 7 der Kathodenkammer gebildet. Aus Gründen der Vereinfachung ist in der wiedergegebenen Ausführung die Kathodenkammer mit nur vier Taschen dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß die Kathodenkaramer aus einer viel größeren Anzahl von Taschen bestehen kann, zum Beispiel aus vierzig oder mehr derartiger Taschen. Die Kathodenkammer ist ebenfalls mit einem elektrischen Anschluß ausgestattet, der aus Gründen der besseren Übersicht nicht wiedergegeben ist.

Die in Fig_e 3 wiedergegebene elektrolytische Zelle setzt sich aus einer Kathodenkammer 1 zusammen, die auf einer Grundplatte 13 angeordnet und von dieser durch eine Dichtung 14 aus einem elektrischen Isoliermaterial iso- ~ lierf ist, das gegen die Korrosion durch die Flüssigkeiten in der elektrolytischen Zelle beständig ist« An dar Grund-

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platte 13 ist eine Vielzahl von Anoden 15 angebracht« Die Anoden sind parallel zueinander in den Taschen 8 der Kathodenkammer angeordnet. Die elektrische Energie kann den Anoden der Zelle durch eine Grundplatte 16 zugeführt werden, die sich in elektrischem Kontakt mit der Grundplatte 13 befindet. Der Anschluß der Energiequelle ist bekannt und wird aus Gründen der Vereinfachung nicht wiedergegeben»

Wenn die elektrolytische Zelle zur Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung benutzt werden soll, können die Anoden 15 und die Grundplatte 13 in geeigneter Weise aus einem filmbildenden Metall, zum Beispiel aus Titan, hergestellt werden, Die Anodenoberflächen können dabei in geeigneter Weise mit einer Schicht eines elektrisch leitenden, elektrokatalytisch wirksamen Materials der weiter oben beschriebenen Art überzogen werden.

Ein Anolyt-Ausgleichsbehälter 17 befindet sich auf der· Kathodenkammer 1 und wird von dieser durch eine Dichtung aus einem elektrisch isolierenden Material isoliert, das gegen die Korrosion durch die Flüssigkeiten in der elektrolytischen Zelle beständig ist. Der Anolyt-Ausgleichsbehälter 17 weist drei Öffnungen 19; 20; 21 auf, durch die die Elektrolytlösung der Zelle zugeführt werden kann beziehungsweise die gasförmigen Produkt© der Elektrolyse und die erschöpfte Elektrolytlösung entnommen werden können.

Es wird nun auf Fig_e 4 Bezug genommen«, Das Diaphragma kann aus einer rechteckigen Folie 22 eines geeigneten Materials hergestellt werden, beispielsweise aus einem der weiter oben angegebenen Materialien« Diese· rechteckige Folie ver»

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fügt über zwei Laschen 23; 24 an einer Seite und über zwei Laschen 26; 27 an der gegenüberliegenden Seite, wobei die Laschen 23; 26 und 24; 27 an den gegenüberliegenden Seiten der Folie paarweise fluchten* Die anderen Seiten 29; 30 der rechteckigen Folie weisen keine Laschen auf_e Diese letzteren Seiten können zusammengeführt und miteinander verschmolzen werden,, beispielsweise durch Überlappung und Heißsiegeln, wie die Naht 31 in Fig. 5 zeigt» Auf diese Weise wird ein Diaphragma 32 erhalten, das aus einer Hülse 33 und zwei Laschen 23; 24 an der einen Seite der Hülse und zwei Laschen 26; 27 an der anderen Seite der Hülse besteht«, Dabei sind die Laschen an den gegenüberliegenden Kanten 23; 26 und 24; 27 paarweise fluchtend, und die Laschenpaare werden gegenüberliegend zueinander an der Hülse angeordnet»

Das in Fig_e 5 wiedergegebene Diaphragma wird in eine der Taschen der Kathodenkammer eingeführt, wobei die Laschen 23; 24 und der obere Teil 34 der Hülse 33 über die Höhe des durchlöcherten oberen Teiles 6 der Kathodenkamraer hinausragen« In ähnlicher Weise ragen die Laschen 26; und der untere Teil der Hülse 33 über den Boden de3 durchlöcherten unteren Teiles 7 der Kathodenkammer hinaus, obwohl dies in Fig« 6 nicht gezeigt ist« Um nun den durchlöcherten oberen Teil 6 der Kathodenkammer zu überdecken, werden die Laschen 23; 24 und der obere Teil 34 der Hülse

33 des Diaphragmas gegen den durchlöcherten oberen Teil 6 in der durch die Pfeile in Fig. 6 angegebenen Richtung abgebogen und damit in Berührung gebracht,. Dabei ergeben die Enden der Laschen 23; 24 und das Ende des oberen Teiles

34 der Hülse 33 im wesentlichen eine gerade Linie» um das Verbinden mit den Löschen und der Hülse eines Diaphragmas

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in einer benachbarten Tasche der Kathodenkammer zu ermög-3.ichen_e Ähnlich werden die Laschen 26; 27 und der untere Teil der Hülse 33 gegen den durchlöcherten unteren Teil 7 der Kathodenkammer abgebogen und damit in Berührung gebracht.

Die Diaphragmen in benachbarten Taschen der Kathodenkammer weisen solche Abmessungen auf, daß die Enden 35; 36 der Laschen 23; 24 über die Wände 2; 4 der Kathodenkammer hinausragen« Auch die Enden der Laschen 23; 24 und der obere Teil 34 der Hülse 33 des Diaphragmas in der Tasche unmittelbar an der Seitenwand 5 ragen über diese Seitenwand hinaus» Die Laschen und die Hülsenteile in benachbarten Taschen, die gegeneinander abgebogen werden, gelangen zur Überlappung, wie bei 37 angegeben, und können miteinander nach den weiter oben beschriebenen Verfahren verschmolzen werden, zum Beispiel durch Heißsiegeln. Das Abbiegen der Laschen kann die Bildung einer Querfalte 38 in dem Diaphragma notwendig machen. '.

Zur Montage der elektrolytischen Zelle wird die Kathodenkammer 1 mit der-Plattierung durch das Diaphragma 32 auf der Grundplatte 13 angeordnet und der Anolyt-Ausgleichsbehälter 17 über der Kathodenkammer, wie weiter oben beschrieben, angebracht. Anschließend wird die elektrolytische Zelle zusammengeschraubt.

Die elektrolytische Zelle wird in Betrieb genommen, indem wäßrige Alkalimetallchloridlösung dem Anolyt-Ausgleichs-.behälter 17 durch die 'öffnung 19 zugeführt und das während der Elektrolyse erzeugte gasförmige Chlor durch die öffnung 20 entnommen wird« Erschöpfte Alkalimetallchloridlösung

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kann, falls erforderlich* durch die Öffnung 21 entfernt werden«, Ist das Diaphragma hydraulisch durchlässig, läuft die Alkalirnetallchloridlösung durch das Diaphragma hindurch,, und Wasserstoff sowie ein© Alkalimetallhydroxidlösung mit einem Anteil an Alkalimetallchlorid werden aus der Kathodenkammer durch öffnungen entfernt, die nicht wiedergegeben sind,» Entspricht das Diaphragma einer hydraulisch undurchlässigen lonsnaustauschmembran, kann die Kathodenkammer mit einer öffnung versehen werden* durch welche Wasser oder verdünnt© Alkalimetallhydroxidlösung der Kathodenkammer zugeführt werden kann» Wasserstoff sowie wäßrige Alkalimetallhydroxidlösung werden dann aus der Kathodenkammer durch öffnungen entfernt, die nicht wiedergegeben sind« "

Claims

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l_e Diaphragma zum Plattieren einer Kathodenkammer, die mehrere durchlöcherte Taschenkathoden besitzt, gekennzeichnet dadurch,, daß das Diaphragma ein Hülsenteil aufweist und mehrere Laschen an beiden Seiten des Hülsenteiles₅ wobei die Seiten des Hülsenteiles und die Laschen über die Enden der Tasche hervorragen, wenn sich das Diaphragma in einer Tasche der Kathodenkammer befindet«

2«, Diaphragma nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß es ein Hülsenteil besitzt, zwei Laschen an einer Seite des Hülsenteiles und zwei Laschen an der anderen Seite des Hülsenteiles, die ^Laschen an einer Seite mit den Laschen an der anderen Seite fluchten, damit sie fluchtende Laschenpaare bilden, daß jedes Paar eine Lasche an einer Seite des Hülsenteiles und eine Lasche an der anderen Seite des Hülsenteiles hat und die Laschenpaare an dem Hülsenteil im wesentlichen einander gegenüberliegen«,
3. Diaphragma nach Punkt 1 oder 2_e gekennzeichnet dadurch, daß es aus einem einzigen Diaphragmamaterial besteht«
4. Diaphragma nach Punkt 1 oder 2,, gekennzeichnet dadurch, daß es aus mehreren Materialien besteht»

5« Diaphragma nach Punkt 4* gekennzeichnet dadurch, daß das Hülsenteil aus Diaphragmamaterial besteht und die Laschen aus einem anderen Material bestehen.

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6* Diaphragma nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil der Hülse aus einem Diaphragmamaterial besteht und die Laschen und die an die Laschen angrenzenden Teile der Hülse, die im eingesetzten Zustand über die Enden der Tasche der Kathodenkammer herausragen, aus einem anderen Material bestehen,

7« Diaphragma nach Punkt 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß der ändere Stoff ein Diaphragmamaterial ist»

8» Diaphragma nach den Punkten 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einer Folie mit im wesentlichen rechteckiger Form zu einem Diaphragma geformt ist, die mehrere Laschen an einer Seite und mehrere Laschen an ihrer gegenüberliegenden Saite hat,

9« Diaphragma nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Folie zwei Laschen an einer Seite und zwei Laschen an ihrer gegenüberliegenden Saite hat, wobei die Laschen auf der einen Saite mit den Laschen auf der anderen Seite derart fluchten, daß sie fluchtende Laschenpaare bilden, daß jedes Paar aus einer Lasche an einer Seite und einer Lasche an der gegenüberliegenden Seite besteht, daß die Laschenpaare so ange-. ordnet sind, daß sie im wesentlichen hülsenähnlich gegenüberliegen, wenn die gegenüberliegenden Seiten der Folie, die keine Laschen haben, verbunden werden, damit eine hülsenähnliche Form gebildet wird»

•10a Verfahren zum Plattieren einer Kathodenkammer mit einäm Diaphragma, gekennzeichnet dadurch, daß sie viele durchlöcherte -"Täschenkathoden aufweist, das Verfahren ein

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Diaphragma nach einem der Punkte 1 bis 8 in jeder Tasche der Kathodenkammer in eine Lage bringt, in der die Seiten des Hülsenteiles und die Laschen über die Enden der Taschen hervorragen, die hervorragenden Teile der Hülsenteile und die Laschen zu den oberen und unteren Oberflächen der Kathodenkammer hin neben die Laschen und hervorragenden Hülsenteile eines Diaphragmas gebracht werden, das sich in einer benachbarten Tasche befindet und ähnlich gebogen wurde und die Laschen und hervorragenden Hülsenteile der Diaphragmen in benachbarten Taschen verbunden werden,

11, Verfahren nach Punkt 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Taschen der Kathodenkammer über zwei im wesentlichen parallele und relativ lange Seitenwände und zwei relativ kurze Stirnwände verfugen, die an die Ssitenwände angrenzen und die Laschen auf den Hülsenteilen der Diaphragmen an die Stirnwände grenzen»

12, Verfahren nach Punkt 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch_e daß die Laschen und hervorragenden Hülsenteile eines Diaphragmas - wenn sie zu den oberen und unteren Oberflächen der Kathodenkammer hin gebogen sind - die Laschen und hervorstehenden Hülsenteile eines Diaphragmas in einer benachbarten Tasche der Kathodenkammer überlappen, die ähnlich zu den oberen und unteren Oberflächen der Kathodenkammer hin gebogen sind»

13* Verfahren nach Punkt 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Laschen und hervorstehenden Hülsenteile eines Diaphragmas - wenn sie zu den oberen und unteren Ober~ flächen der Kathödenkammer hin gebogen sind - einen
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direkten Kontakt mit den Laschen und hervorragenden Hülsenteilen eines Diaphragmas in einer benachbarten Tasche einer Kathodenkammer bilden,, die ähnlich zu den oberen und unteren Oberflächen der Kathodenkammer gebogen sind*

14« Verfahren nach einem der Punkte 10 bis 14, gekennzeichnet dadurch,, daß die Laschen und hervorragenden Hülsenteile von Diaphragmen in benachbarten Taschen durch Heißversiegeln miteinander verbunden werden.

Hierzu.„£.„Seiien Zeichnungen