DD208996A5 - Umhuellungskathoden der elektrolysezelle mit diaphragma oder membran - Google Patents

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DD208996A5 DD82237996A DD23799682A DD208996A5 DD 208996 A5 DD208996 A5 DD 208996A5 DD 82237996 A DD82237996 A DD 82237996A DD 23799682 A DD23799682 A DD 23799682A DD 208996 A5 DD208996 A5 DD 208996A5
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Abstract

DAS VERFAHREN ZUM UMHUELLEN VON KATODEN ELEKTROLYTISCHER ZELLEN MIT DIAPHRAGMEN ODER MEMBRANEN ALS SEPARATOREN BESTEHT DARIN, DASS EIN SEPARATOR IN FORM EINER BUCHSE IN JEDER TASCHE DER KATODENKAMMER ANGEORDNET WIRD. DIE ENDEN DER BUCHSEN RAGEN UEBER DIE ENDEN DER TASCHEN HERVOR. DANACH WIRD AUF JEDER SEITE DER BUCHSEN EIN TAFELMATERIAL MIT DEN ENDEN DER BUCHSEN VERKLEBT.

Description

Berlin, 8, 7, 19-32
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Verfahren zum Umhüllen von Katoden elektrolvtischer Zellen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umhüllen einer Katodenkamnier einer elektrolytischen Zelle mit einem Diaphragma oder einer Membran, eine Katodenkammer, die mit einem Diaphragma oder einer Membran umhüllt ist und eine elektrolytische Zelle, die eine Katodenkammer mit einem Diaphragma oder einer Membran enthält.
Die mit einem Diaphragma oder einer Membran nach dem "/erfahren der vorliegenden Erfindung umhüllten Katoden sind allgemein für elektrolytische Seilen zur Elektrolyse flüssiger Alkali-Metall-Chlorid-Lösungen zur Herstellung von Chlor und Alkali-Hydrcxid-Lösungen, insbesondere zur Herstellung' von Chlor und ITatrium-Hydrosid-Lösung durch die Elektrolyse von wäßriger Ifatrium-Chlorid-Losung geeignet.
Dies ist jedoch so zu verstehen, daß die Erfindung nicht derart begrenzt ist und daß die Kathoden, die mit einem Diaphragma oder einer Membran umhüllt sind, auch in Elektrolysezellen zur Elektrolyse anderer Lösungen ionisierbarer chemischer Verbindungen als Y/äßrige Alkali-Metall-Chloridlösungen verwendet 7/erden können.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Derartige elektrolytische Zellen können eine Katodenzelie enthalten, die Seitenwände und eine Vielzahl von Katodenfingern oder -taschen aufweist, die im allgemeinen parallel zueinander angeordnet sind. Innerhalb der Zelle können eine
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Vielzahl von Anoden, ihrerseits mit Abstand voneinander und auch im allgemeinen parallel zueinander angeordnet sein, die am Boden befestigt sind, wobei die Anoden zwischen benachbarten Katodenfingern angeordnet sind oder in der Katodentasche der Katodenzelle* Auf den Katodenfingern oder in den Katodentaschen ist ein flüssigkeitsdurchlässiges Diaphragmamaterial oder eine Membran mit selektiver Ionendurchlässigkeit angeordnet und teilt die Zelle in getrennte Anoden- und Katodenabteilungen* Die Katodenfinger oder -taschen können eine durchbrochene Struktur aufweisen, und die Zelle ist mit einem Falltank versehen, durch den die elektrolytische Lösung der Zelle zugeführt werden kann und der Mittel aufweist, die Produkte der Elektrolyse aus der Zelle herauszuführen*
Seit vielen Jahren wurden die durchbrochenen Strukturen in KatQdenkammern elektrolytischer Zellen durch Eintauchen der Katodenkammer in eine Suspension, die Asbestfasern enthält, zum Beispiel Zellflüssigkeit, und durch Hineinziehen der Asbestfasern in die durchbrochene Struktur durch einen Sog mit einem Asbestdiaphragma umhüllt. Dadurch wurde eine flüssigkeitsdurchlässige Matte von Äsbestfasern auf der durchbrochenen Struktur der Katodenkammer gebildet. Obwohl derartige Asbestdiaphragmen während vieler Jahre verwendet wurden und natürlich für viele Bereiche weiterhin Verwendung finden, besteht ein Bedarf, Asbestdiaphragmen durch andere Materialien zu ersetzen, die wahrend der Verwendung in der Elektrolyse nicht quellen* Die Anoden-Katoden-Zwischenräume müssen deshalb größer gemacht werden, als es wünschenswert ist, wenn wäßrige Alkalimetall-Chlorid-Lösungen in Zellen elektrolysiert werden, die mit einem Asbestdiaphragma ausgerüstet sind, was zur Folge hat, daß die Spannung erhöht werden muß, zumindest in dem Teil, der für das
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Quellen des Asbestdiaphragmas benötigt wird, das während der Elektrolyse stattfindet. Es besteht auch ein Bedürfnis, Asbest durch Materialien zu ersetzen, die nicht die toxischen Eigenschaften des Asbests aufweisen und die eine längere effektive Lebensdauer aufweisen als Asbest,
Es wurden viele Arten flüssigkeitsdurchlässiger Diaphrag-. men aus synthetischen polymeren Materialien entwickelt. Zum Beispiel ist in der GB-PS 1 081 046 ein Foliendiaphragma aus porösem Polytetrafluorethylen beschrieben, das durch Bildung einer Folie aus Polytetrafluorethylen und einem aus kleinen Partikeln bestehenden Füller, zum Beispiel Stärke, und Extrahieren des Füllers von der Folie hergestellt ist. In der GB-PS 1 503 915 ist eine elektro-chemische Zelle beschrieben, die insbesondere zur Herstellung von Chlor und Alkalimetallhydroxid durch die Elektrolyse wäßriger Alkalimetallchlorid-Lösung verwendet wird, wobei die Zelle eine Anode und eine.Katode enthält, die durch ein poröses Polytetraflourethylen-Diaphragma getrennt sind, das eine Mikrostruktur.von Knoten aufweist, die durch Fasern miteinander verbunden sind. Die poröse Polytetraflourethylen-Folie, die für diese Verwendung als Diaphragma geeignet ist, und ein Verfahren zur Herstellung der Folie sind in der GB-PS 1 355 373 beschrieben.
In jüngster Zeit wurde eine Anzahl im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässiger Membranen mit einer selektiven Ionendurchlässigkeit entwickelt, insbesondere zur Verwendung in elektrolytischen Zellen zur Elektrolyse wäßriger Alkalimetall-Chlorid-Lösungen, in denen Alkalimetallhydroxyd-Lösungen hergestellt werden sollen, die frei von .Alkalimetallchlorid sind. Diese Membranenmaterialien enthalten im allgemeinen flourhaltige polymere Materialien, die Kationenaustauschgruppen enthalten, zum Beispiel SuIfon-, Carboxyl- oder Phosphor-Säure-Gruppen, oder Derivate derselben.
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Die polymerischen Materialien können perflouriert sein, und die Kationaustausch-Gruppen können in den Einheiten in Form von durch Polymerisation derivierten Perflourvinylethern enthalten sein, die die Kationaustausch-Gruppen enthalten. Derartige Kationaustausch-Membranen sind in den GB-PS 1 184 321; 1 402 920; 1 406 673; 1 455 070; 1 497 748; 1497 749; 1 518 387 und 1 531 068 beschrieben.
Viele der synthetischen Diaphragmen und Membranen, die entwickelt wurden, können nicht bei den durchbrochenen Katoden von Elektrolysesellen mittels der Technologien benutzt werden, die hierfür bei der Verwendung von Asbestdiaphragmen bei durchbrochenen Strukturen angewendet werden» Darüber hinaus ist ein synthetisches Diaphragma oder eine synthetische Membran in Form einer Folie oder eines Films in einer Katodenkammer, in der die durchbrochenen Katoden in Form einer Vielzahl von Fingern oder Taschen angeordnet sind, schwierig anzuwenden. Es ist schwierig, sicherzustellen, daß 'das Diaphragma' oder die Membran mit der etwas irregulären Form der Oberfläche einer derartigen Katodenkammer übereinstimmt, und es ist auch schwierig sicherzustellen, dai3 das Diaphragma oder die Membran ausreichend zusammengefügt ist, so daß sie frei von Undichtigkeiten sind« Zur Umhüllung derartiger Katodenkamsem mit synthetischen Diaphragmen oder Membranen wurden spezielle Technologien entwickelt.
Viele der hier beschriebenen Technologien beinhalten die Verwendung mechanischer Klemm- oder Klammereinrichtungen,
So ist in der belgischen Patentschrift 846 400 eine Platte zum Umhüllen einer im wesentlichen rechteckigen Elektrode beschrieben, wobei-die Platte- ein geschlossenes Ende, ein offenes Ende und zwei geschlossene Seiten aufweist, von
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denen wenigstens eine geschlossene Seite aus einem Hauptteil und einem Teil in Form eines Ansatzes besteht und der Ansatz sich in der Nähe des offenen Endes befindet, Eei der Anwendung wird die Platte über der Katode placiert, und der Ansatz, der flexibel .ist, wird so gedreht oder gebogen, daß er eine im wesentlichen flache Oberfläche bildet, und zum wirkungsvollen Zusammenfügen der Platten entlang ihrer oberen und unteren Kanten werden Klemm-, Klammeroder Greifγerfahren angewendet. Die beschriebenen Platten sind zur Verwendung bei der Umhüllung einer Katodenkammer, die eine Vielzahl von Pingerelektroden enthält, geeignet.
Im US-PS 3 980 544 ist ein Diaphragma in Form einer Umhüllung beschrieben, das zur Umhüllung durchbrochener Elektroden, insbesondere Katoden, geeignet ist, die parallel zueinander angeordnet sind und die einen Zwischenraum zwischen ,jeder Elektrode aufweisen. Die Diaphragma-Umhüllung hat ein offenes Ende und zwei aneinandergrenzende Kanten, die zwischen ein Klammerslenient geklemmt sind, und. eine Stange, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Diese Diaphragma-Struktur und dieses Klammerverfahren ist besonders für die Umhüllung von Fingerelementen geeignet.
In der US-PS 3 378 082 sind Mittel zur Umhüllung beider Katodenarten, sowohl von Finger- als auch Taschenkatoden, beschrieben. In einer Katodenkammer, die Fingerkatoden enthält, ist ein Diaphragma in Form einer Umhüllung über die Katodenfinger angeordnet, und ein Unförmiger Halter ist über dem Diaphragma an der Verbindung zwischen den benachbarten Katodenfingern vorgesehen. In einer Katodenkammer mit Taschenelektroden ist das Diaphragma über die Katode gewickelt und wird in der Tasche mittels eines halbmondförmigen Halters, der.über dem Diaphragma in der Tasche angeordnet ist, gehalten. Weiterhin sind auch U-
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förmige Halter über dem Diaphragma angeordnet, die mit den halbmondförmigen Haltern zusammenwirken.
Es gibt eine Anzahl erster Offenbarungen, in denen die Mittel zur Umhüllung der Katodenkammer die Verwendung geschlitzter Tragelemente erfordern, die ober- und unterhalb der Katodenkammer angeordnet sind, wobei die Schlitze in den Tragelementen mit den Taschen in der Katodenkaminer ausgerichtet sind- In solchen Umhüllungsverfahren, ist ein Diaphragma oder eine Membran in Buchsenform in jeder Tasche der Katodenkammer angeordnet und mit den oberen und unteren geschlitzten Tragelementen versiegelt. In der US-PS 3 923 63O weisen die geschlitzten Tragelemente hochstehende Lippen auf j und die Diaphragmenbuchsen sind mit den Lippen der Tragelemente zusammengefügt. Dieses Zusammenfügen kann durch Heißversiegeln bewirkt werden, wie es in der belgischen, Patentschrift 864 864 beschrieben ist, oder durch, mechanische Mittel, w.ie: es im Europatent 0 008 165 beschrieben ist.
In der GB-PS 204 4SO A ist ein Verfahren zum Umhüllen einer Katodenkammer beschrieben, in dem die oberen und die unteren horizontalen Oberflächen der Katodenkammer mit sogenannten Membran—Einbaurahmen bedeckt sind, in denen Schlitze vorgesehen sind, und in denen die Membranbuchsen, die in den Taschen der Katodenkammer angeordnet sind, an beiden Enden aufgeweitet sind, wobei die aufgeweiteten Enden an den Membran-Einbaurahmen mit Hilfe von mechanischen Mitteln oder durch Anschweißen, zum Beispiel durch Heißversiegeln, befestigt sind.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Mittel zum Umhüllen einer Katodenkammer, die eine Vielzahl durchbrochener Taschenkatoden enthält, das besonders effektiv ist, und
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das seine Effektivität nicht verliert, wenn geformte mechanische Klammerverrichtungen vorgesehen werden und das Diaphragma oder die Membran in Katodenkammern positioniert und versiegelt werden. Weiterhin benötigt das Verfahren für seine Effektivität nicht die geschlitzten Tragelemente der Art, die hier beschrieben ist, und es ist nicht erforderlich, daß ein Diaphragma oder eine Membranbuchse in Beziehung zu den Schlitzen eines derartigen geschlitzten Tragelementes besonders genau positioniert ist.
Die. vorliegende Erfindung ist nicht nur bei der Umhüllung einer Katodenkammer mit einem Diaphragma anwendbar,' das flüssigkeitsdurchlässig ist und das es dem Elektrolyt ermöglicht, durch das Diaphragma zwischen den Anoden- und Katodenkaminem der Elektrolysezelle hindurchzufließen, sondern auch zum Umhüllen einer Katodenkammer mit im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässigen Materialien, im allgemeinen als Membran bezeichnet, die den wahlweisen Durchgang spezifischer Ionen zwischen der Anoden— und der Katodenkammer einer Elektrolysezelle erlauben*
Wenn es nicht anderweitig festgelegt wird, soll zur Vereinfachung im folgenden auf "Separatoren" Bezug genommen werden, und das ist so zu verstehen, daß der Ausdruck "Separatoren" bei seiner Verwendung sowohl flüssigkeitsdurchlässige Materialien als auch im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Materialien mit selektiver Ionendurchlässigkeit einschließt. Im Bereich des Ausdrucks "Diaphragma" sind auch Materialien eingeschlossen, die nicht flüssigke.itsdurchlässig sind, die aber leicht in eine flüssigkeitsdurchlässige Form, umgewandelt werden können, zum Beispiel durch Extraktion einer Substanz aus kleinen Partikeln aus dem Material, Im Bereich des Aus-
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drucks "Membran" sind auch Materialien eingeschlossen, die nicht selektiv ionendurchlässig sind, die aber leicht in eine selektiv ionendurchlässige Form umgewandelt werden können, zum Beispiel durch Hydrolyse,
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden.
Darlegung des -Wesens der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Umhüllen von Katoden, das geeignet ist für die Anwendung bei der Umhüllung einer Katodenkammer, die eine Vielzahl durchbrochener Taschenkatoden enthält, wobei eine Katodenkammer Seitenwände, einen Deckel und einen Boden aufweist, die eine durchbrochene Struktur haben können und eine Vielzahl von Taschen, die- im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und mittels durchbrochener Wände gebildet werden, die zwischen dem Boden und dem Deckel angeordnet sind und wobei die Taschen Hohlräume bilden, in denen die Anoden einer Elektrolysezelle angeordnet werden können. Die Taschen sind in der Draufsicht im allgemeinen, aber nicht unbedingt, von länglicher Form und haben zwei im wesentlichen parallele und relativ lange Seitenwände- sowie zwei relativ kurze Endwände, die die Seitenwände verbinden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Umhüllen einer Katodenkammer vom Ta3chentyp mit einem Separator geschaffen, zur Verwendung in einer Elektrolysezelle, wobei bei dem Verfahren ein Separator in Form einer Buchse in .jeder Tasche der Katodenkammer derart angeordnet wird, daß'die Enden der Buchse über die Enden der Taschen
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hervorragen, daß ein erstes Plattenmaterial mit den Teilen der Buchsen in Berührung gebracht wird, die über die Enden der Taschen in einer Richtung hervorragen, und die Buchsen mit dem Plattenmaterial zusammengefügt werden, daß ein zweites Plattenmaterial mit den Teilen der Buchsen in Berührung gebracht wird, die in der entgegengesetzten Richtung über die Enden der Taschen hervorragen, und die Buchsen mit dem zweiten Plattenmaterial zusammengefügt werden und daß die Teile der Plattenmaterialien, die an die Enden der Taschen angrenzen, entfernt werden.
Da das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht die Verwendung von geschlitzten Tragelementen erfordert, besteht keine Notwendigkeit für eine genaue Ausrichtung der Buchsen mit den Schlitzen In derartigen Tragelementen, Da ?/eiterhin die Schlitze in dem Plattenmaterial erst nach dem Zusammenfügen der Buchsen mit diesem gebildet werden, indem diese Teile des Plattenmaterials, die an die Enden der Taschen angrenzen, innerhalb des zusammengefügten Teiles entfernt werden, ist das Umhüllen der Katodenkammer wesentlich erleichtert. Das Verfahren gemäß der Erfindung erfordert keine Verwendung mechanischer Klammereinrichtungen.
Wenn der Separator als flüssigkeitsdurchlässiges'Diaphragma ausgeführt wird, wird er aus einem porösen organischen Polymeren' Material hergestellt. Bevorzugte organische polymere Materialien sind flourhaltige Polymere, wegen der allgemein stabilen Beschaffenheit eines derartigen Materials in der korrosiven Umgebung, die in vielen Elektrolysezellen vorhanden ist. Geeignete flourhaltige polymere Materialien 3ind zum Beispiel Polychlortriflourethylen, flouriertes Ethylen-Propylen-Copolymer und Polyhexaflourpppylen-. Ein bevorzugtes polymeres flourhaltiges Material
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ist Polytetraflourethylen, wegen seiner Stabilität unter den korrosiven Bedingungen in einer Elektrolysezelle zur Herstellung von Chlor und Alkali-Metall-Hydroxid durch die Elektrolyse von wäßrigen Alkali-Metallchlorid-Lösungen. Derartige flüssigkeitsdurchlässige Diaphragmen sind nach dem Stand der Technik bekannt.
Wenn der Separator eine im wesentlichen flüssigkeitsdurchlässige Membran mit selektiver Ionendurchlässigkeit ist, die den Durchgang spezieller Ionen zmsehen den Anoden- und Katodenkammern zuläßt, ist die Membran bevorzugt selektiv kationendurchlässig· Derartige Materialien sind nach dem Stand der Technik bekannt und sind vorzugsweise flourhaltige polymere Materialien, die Anionengruppen enthalten. Die polymeren Materialien sind vorzugsweise Flourkarbone, die sich wiederholende Gruppen aufweisen.
Hierin hat m einen Wert von 2 bis- 10 und ist vorzugsweise 2, das Verhältnis von M : Έ wird vorzugsweise so gewählt, daß es ein äquivalentes Gewicht der X-Gruppen im Bereich von 600 bis 200 ergibt, und I wird gewählt aus
A oder
worin ρ einen Wert von beispielsweise 1 bis 3 aufweist, Z Plour oder eine Perflouralkyl-Gruppe ist, die von 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält und A eine Gruppe ist, die aus den folgenden Gruppen ausgewählt ist:
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- SO3H
- CCl2SO3H
- PO2H2
- COOH und
- Σ1 OH .
oder aus Derivaten der genannten Gruppen, worin X eine Acrylgruppe ist, A stellt vorzugsweise die Gruppe SO-H oder -COOH dar.
Der Separator in Form einer Buchse kann aus einem Separatormaterial in Tafel- oder Filmform hergestellt werden, zum Beispiel durch Zusammenfügen der entgegengesetzten Enden einer quadratischen oder rechteckig geformten Tafel-, d. tu durch Überlappen der entgegengesetzten Enden der Tafel und Zusammenfügen der überlappten Teile oder durch Zusammenfügen der entgegengesetzten Enden der Tafel mit einem Streifen eines geeigneten Materials,
In einer bevorzugten Form, die das Zusammenfügen der Buchsen mit den Tafelmaterialien erleichtert, werden beide Enden der Buchse aufgeweitet, wenigstens bis zu einer Ausdehnung, die den Kontakt Fläche zu Fläche zwischen den Enden der Buchse und den Tafelmaterialien erleichtert. Die aufgeweiteten Enden der Buchsen können auch dadurch gebildet werden, daß geeignete aufgeweitete Teile mit den Buchsen zusammengefügt werden. Die Teile der Buchsen, oder wenigstens ein wesentlicher Teil davon, die in der Katodenkammer innerhalb der Taschen angeordnet sind, sind aus Separator-
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material hergestellt. Die Teile der Buchse, die über die Enden der Taschen herausragen, zum Beispiel die aufgeweiteten Enden der Buchsen, können aus einem Material hergestellt sein, das weder für Flüssigkeiten noch für Ionen durchlässig ist. Alternativ können die aufgeweiteren Enden durch Palten der Enden der Buchse über ein geeignetes Formstück hergestellt 7/erden, Die Tafelmaterialien, die in dein Verfahren gemäß der Erfindung mit den Buchsen aus Separatonnaterial zusammengefügt werden, können ihrerseits ebenfalls aus einem Separatormaterial hergestellt sein* Deshalb können, wenn die Buchsen Diaphragmen aus einem Material sind, das flüssigkeitsdurchlässig ist, die Tafelmaterialien ebenfalls aus einem Material hergestellt sein, das flüssigkeitsdurchlässig ist, wobei das letztere Material dasselbe oder unterschiedlich von dem der Buchsen sein kann. Wenn . die Buchsen Membranen sind, die aus einem Material angefertigt sind, das im wesentlichen hydraulisch undurchlässig ist und eine selektive lonendurchlässigkeit aufweist, kann das Tafelina.t-e.ria-I ebenfalls: aus einem Material hergestellt sein, das im wesentlichen hydraulisch undurchlässig ist und eine selektive Ionendurchlässigkeit aufweist, wobei das letztere Material dasselbe oder unterschiedlich von dem der Buchse sein kann.
Wenn die Buchsen Diaphragmen sind, kann das Tafelmaterial aber auch aus Membraninaterial hergestellt sein. Wenn jedoch die Buchsen aus Membranmaterial hergestellt sind, sollte das Tafelmaterial im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässig sein und sollte deshalb nicht aus Diaphragmamaterial bestehen.
Alternativ braucht das Tafelmaterial ?reder ein Diaphragmamaterial, noch ein Membramaaterial su sein und kann zum Beispiel ein organisches polymeres Material enthalten, das
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weder flüssigkeitsdurchlässig ist, noch eine selektive Ionendurchlässigkeit aufweist. Ein derartiges organisches Material sollte gegen die in der Elektrolysezelle zu erwartenden Bedingungen resistent sein, und es werden vorzugsweise flourhaltige polymere Materialien verwendet, insbesondere wenn die umhüllte Katodenkammer den Teil einer Elektrolysezelle bildet, die zur Elektrolyse wäßriger Alkalimetall-Chlor-Lösungen verwendet wird. Deshalb kann das Tafelinaterial aus einem polymeren Perflourmateriäl, zum Beispiel Polytetraflourethylen oder Tetraflourethylen-Hexaflourpopylen-Copolymer hergestellt sein.
Die Verfahren, die zum Zusammenfügen der Buchsen mit den Tafelmaterialien angewendet werden und die bei der Herstellung der Buchsen verwendet werden, sind nicht auf ein bestimmtes Verfahren begrenzt. Deshalb kann das Zusammenfügen zum Beispiel mittels eines geeigneten Klebstoffs bewirkt werden, oder durch die Anwendung von Schweißtechnologien, zum,-Beispiel durch Heißversiegelung unter Verwendung erhitzter Platten, oder durch Hochfrequenzerwärmung,
Es ist verständlich, daß das einzelne Verfahren zum Zusammenfügen, das in dem Verfahren gemäß der Erfindung ausgewählt wird, der Natur des Separator- und/oder des'Plattenmaterials Rechnung tragen muß und weiterhin, daß einige Verfahren des Zusammenfügen für die Verwendung bei einigen Separator- und/oder Plattenmaterialien ungeeignet sind. Während zum Beispiel im allgemeinen geeignete Kleber verwendet werden können, um eine Anzahl von Separatormaterialien mit Platten zu verkleben, die aus demselben oder unterschiedlichen Materialien bestehen, wurde gefunden, daß unter bestimmten Bedingungen Schwierigkeiten beim Schweißen des Polymers mit sich selbst auftreten können, zum Beispiel um sine Buchse zu bilden oder beim Verschwel-
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ßen der Buchse mit einem Platteninaterial aus demselben Polymer, wenn der Separator eine Membran ist, die aus einem flourhaltigen Polymer hergestellt ist, das lonenaustauschgruppen enthält. Insbesondere treten derartige Schwierigkeiten dann auf, wenn das Polymer lonenaustauschgruppen in Form von Metallsalsen enthält, d, h. Alkalimetallsalze von SuIfon-,. Carboxyl- oder Phosphorgruppen, und wenn die Verbindung durch Schweißen hergestellt werden soll, dann treten die vorgenannten sauren Gruppen vorwiegend in der hydrogenen Form oder in Form von Estern auf, insbesondere von schwachen Alkylestem, d, h, Methylestern» Nach dem Schweißen kann die Esterform zu einer ionendurchlässigen Säureoder Salzform umgewandelt werden«
Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird- das Platteninaterial mit den Teilen der Buchse, die aus den Taschen herausragen, in Berührung gebracht und in einer bevorzugten Ausführung mit den aufgeweiteten Enden der Buchsen, wodurch der Flächenkontakt zwischen den Buchsen und dem Platteninaterial' erleichtert wird.
Das Zusammenfügen kann durch Aufbringen eines geeigneten Klebstoffs auf die hervorstehenden Teile der Buchsen, d, h, auf die aufgeweiteten Enden, erfolgen* wonach eine Berührung mit dem Platteninaterial hergestellt wird und - wenn es erforderlich ist - Wärme, und/oder Druck auf die Bereiche der Buchsen und des Plattenmaterials, die sich berühren, angewendet wird.
Um eine Verbindung mittels Schweißtechnologien zu bewirken, kann das Heißversiegeln angewendet werden.
So kann das Plattenmaterial und das hervorstehende Ende einer Buchse, d. h, das aufgeweitete Ende, zwischen zwei
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Platten gebracht werden, von denen eine oder beide erhitzt werden, bis das Ende der Buchse mit dem Plattenmaterial versiegelt ist« Wenn es erforderlich ist, kann'durch die Platten ein Druck ausgeübt werden, um den Heißversiegelungsvorgang zu unterstützen.
Um ein Heißversiegeln mit Hilfe einer Hochfrequenzerwärmung zu erreichen, können das Plattenmaterial und die hervorstehenden Enden einer Buchse, d, h, die aufgeweiteten Enden., z\!7ischen Elektroden angeordnet werden und zwischen den Elektroden ein mit hoher Frequenz wechselndes magnetisches PeId erzeugt werden. Der 'Versiegelungsvorgang kann durch die Anwendung von Druck unterstützt werden, der durch die Elektroden auf das zu versiegelnde Material ausgeübt wird. Die Frequenz des auf die Elektroden gegebenen Wechselstromes wird im allgemeinen im Megahertzbereich liegen, zum Beispiel zwischen 1 und 100 Megahertz. Im allgemeinen wird eine Frequenz im Bereich zwischen 10 und 50 Megahertz geeignet sein.
Die Zeit, die zum Erreichen einer Heißversiegelung benötigt wird, hängt zum Teil von der Beschaffenheit des Materials, das heißversiegelt werden soll, und zum Teil vom Erweichungspunkt der Materialien ab, und geeignete Zeiten, Temperaturen und Frequenzen können im Falle der Hochfrequenzerwärmung mit Hilfe einfacher Versuche bestimmt v/erden, zum Beispiel, indem kleine Proben des.Materials, das heißversiegelt werden soll, erwärmt werden.
Wenn eine Schweißtec.hnolοgie angewendet werden soll, kann eine Platte der Elektrode innerhalb einer Tasche der Katodenkaminer im Innern der Buchse angeordnet werden.und das Ende der Buchse wird nach Innen über das Ende der Platte oder Elektrode, eingezogen. Um die Buchse an eines der Plattenmaterialien anzuschweißen, wird eine andere Platte oder
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Elektrode auf der Platte angeordnet, wobei die Platte und das eingezogene Ende der Buchse in Berührung miteinander zwischen den Platten oder Elektroden angeordnet ist. Die Platte oder Elektrode, die in der Tasche angeordnet ist, weist zweckmäßig eine Form ähnlich der der Taschen der Katodenkammer auf. Nachdem das Versiegeln abgeschlossen ist, wird der-Teil der Platten, der an die Enden der Taschen der Katodenkammer innerhalb der Heißversiegelung angrenzt, entfernt, und das gleiche Verfahren folgt mit dem Ziel, die Buchse in der benachbarten Tasche mit dem Plattenmaterial zu versiegeln. Danach werden die entgegengesetzten Enden der Buchsen in gleicher 'Weise mit einem zweiten Plattenmaterial versiegelt,
Die Katodenkammer kann eine große Anzahl von Taschen enthalten, zum Beispiel bis zu 50 Taschen, wobei in jeder derselben eine Buchse angeordnet ist, und es ist von Vorteil, einige Mittel vorzusehen, um die Buchsen während des Umhüllens der Katodenkammer in ihrer Position in den Taschen zu halten. Derartige Mittel können durch einen aufblasbaren Beutel gebildet werden, der in jeder Tasche angeordnet ist und in geeigneter Weise aufgeblasen wird, um die Buchsen mit den durchbrochenen Oberflächen der Katodenkammer in Berührung zu halten. Bevor eine Platte oder eine Elektrode in eine bestimmte Tasche der Katodenkammer eingeführt wird, wird der aufgeblasene Beutel, der in dieser Tasche angeordnet ist, entleert und entfernt.
Die Tafelmaterialien, mit denen die Buchsen versiegelt werden, sollten zumindest die Oberflächen der Katodenkammer bedecken, zwischen denen Taschen angeordnet sind. Vorzugsweise erstrecken sich die Plattemnaterialien bis zu den Kanten dieser Oberflächen, so daß die Enden des
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Plattenmaterials zwischen den Wanden der Katodenkammer und dem Boden der elektrolytischen Zelle, auf dem die Kammer angeordnet ist, sowie zwischen den Wänden der Katodenkammer und dem Deckel der elektrolytischen Zelle, der auf der Katodenkammer angeordnet ist, eingeklemmt werden können.
Im letzten Schritt des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die Teile des Tafelmaterials, die an die Enden der Taschen der Katodenkammer innerhalb der Versiegelung angrenzen, entfernt, damit beim Zusammensetzen der elektrolytischen Zellen die Anoden, die zweckmäßig am Boden der Zelle angeordnet sind, innerhalb der Taschen der Katodenkammer und innerhalb der Buchsen aus Separatormaterial positioniert werden können. Die Teile des Tafelmaterials' können herausgeschnitten werden, zum Beispiel mit einem Messer, Es muß Sorgfalt darauf verwendet werden, daß nur die Teile des Tafelmaterials entfernt werden, die innerhalb der Versiegelung zwischen den 3uchsen und dem Tafelmaterial liegen, damit die Versiegelung nicht beschädigt wird. Wenn, andererseits erhitzte Platten der Elektroden zur Versiegelung '.des Materials verwendet werden, können die Platten der Elektroden so geformt sein, daß sie in dem Tafelmaterial innerhalb der Versiegelung eine Perforation erzeugen, und der Teil des Tafelmaterials innerhalb der Versiegelung kann dann einfach durch Ausbrechen entfernt werden«
Im allgemeinen werden bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung die Teile aller Buchsen, die über die Enden der Taschen in einer Richtung herausragen, mit einem ersten Tafelmaterial versiegelt, und die Teile des Tafelmaterials, die an die Enden der Taschen innerhalb der Versiegelung angrenzen, werden entfernt. Danach werden die Teile aller Buchsen, die über die Enden der Taschen in der entgegengesetzten Richtung .herausragen, mit einem zweiten
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Tafelmaterial versiegelt, und zuletzt werden die Teile des zweiten Tafelmaterials, die an die Enden der Taschen innerhalb der Versiegelung angrenzen, entfernt.
Die Katodenkammer, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung mit einem Separator umhüllt wurde, kann mit einem Durchlaß oder Durchlässen versehen sein, um Zellflüssigkeit und gasförmige Produkte abzuleiten und mit einem Durchlaß, durch den eine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, der Katodenkammer zugeführt werden kann. Die durchbrochenen Oberflächen der Katodenkammer können aus Starkmetall hergestellt sein oder aus einer perforierten, gewebten oder netzartigen Struktur bestehen* Die Katodenkammer und insbesondere die durchbrochenen Oberflächen sind vorzugsweise aus Stahl hergestellt, zum Beispiel aus .kohlenstoffarmem. Stahl oder aus ETiekel, insbesondere dann, wenn die Zelle zur Elektrolyse einer wäßrigen Alkali-Metall-Chlorid-Lb'sung verwendet wird-
Die Anoden in der elektrolytischen Zelle können zweckmäßig auf einer Bodenplatte befestigt und so angeordnet sein, daß sie in den Taschen der Katodenkaminer und in den Buchsen aus Separatormaterial placiert sind, wenn die Katodenkammer auf die Grundplatte aufgesetzt wird* Die Anoden und die Grundplatte können aus einem fumbildenden Metall oder einer Legierung eines solchen hergestellt sein, d, h, aus Titan, Niobium, Zirkonium, Tantal oder Wolfram oder aus einer Legierung davon, und die Anoden können einen Oberflächenüberzug aus einem elektrisch leitenden und elektrokatalytisch aktiven Material tragen, zum Beispiel einen, überzug, der ein Metall der Platingruppe enthält und/oder ein Metalloxid der Platingruppe. Ein bevorzugter überzug ist ein gemischter' Oxidüberzug aus einem Metalloxid der Platingruppe und einem Oxid eines filmbildenden Metalls, zum Beispiel
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p und TiO2- In dsr elektrolytischen Zelle kann oberhalb der Katodenkammer ein Anolyt-Falltank angeordnet sein, der mit einem Durchlaß versehen ist, durch den der Elektrolyt zu den Anodenkammern der Zelle zugeführt werden kann, sowie mit Durchlässen, durch die gasförmige Produkte der Elektrolyse und verbrauchter Elektrolyt von der Zelle abgeführt werden können.
Ausführungsbe.ist)iel
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Pig. 1: eine Draufsicht auf eine Katodenkammer, die gemäß der Erfindung mit einem Separator umhüllt werden soll,
Fig* 2: einen senkrechten Schnitt' durch eine Katodenkammer entlang der Linie A - A in Pig, 1f
Pig. 3: einen senkrechten Schnitt durch eine elektrolytische Zelle, wobei zur Vereinfachung der Separator weggelassen wurde, .
Pig. 4, schematische Darstellungen, die das Verfahren zum 5+6: Umhüllen der Katodenkammer mit dem Separator zeigen,
Pig. 7: die Katodenkammer nach Fig. 2, mit einem Separator umhüllt.
Wie in den Fig, 1 bis 3 dargestellt, enthält die Katodenkammer 1 Seitenwände 2, 3 und 4 und 5, die mit Durchlässen 6 und 7 versehen sind, durch die Wasser oder eine andere
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Flüssigkeit der Katodenkammer 1 zugeführt werden kann und durch die gasförmige Produkte der Elektrolyse aus der Katodenkammer 1 abgeleitet werden können, sowie einen durchbrochenen Deckel 8 und eine durchbrochene Grundplatte 9, Die durchbrochene Struktur kann zum Beispiel ein Starkmetall sein oder aus gewebtem Draht, vorzugsweise aus Baustahl, bestehen, wenn die Zelle zur Elektrolyse einer wäßrigen Alkali-Metall-Chlorid-Lösung verwendet wird. Die Katodenkammer enthält vier Taschen 10, die parallel zueinander angeordnet sind und eine längliche Form aufweisen und die aus Seitenwänden 11, 12 und Endwänden 13, 14 zwischen dem durchbrochenen Deckel 8 und der durchbrochenen Grundplatte 9 der Katodenkammer 1 gebildet werden. Zur Vereinfachung wird bei der dargestellten Ausführungsform die Katodenkammer so gezeigt, daß sie nur 4 Taschen enthält, Ss ist ersichtlich, daß die Katodenkammer eine viel größere Anzahl von Taschen enthalten kann, zum Beispiel vierzig oder mehr solcher Taschen, Die Katodenkammer ist ebenfalls mit einer elektrischen Verbindung versehen·, die aus Gründen der Vereinfachung ebenfalls, nicht dargestellt wurde,
Die elektrolytisc.he Zelle, die in Pig, 3 dargestellt ist, enthält eine Katodenkammer. 1, die auf einer Grundplatte angeordnet und von dieser mittels einer Dichtung 16 getrennt ist, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, das gegen eine Korrosion durch die Zellflüssigkeii resistent ist.
Auf der Grundplatte 15 ist eine Vielzahl von Anoden 17 angeordnet. Diese Anoden sind parallel zueinander angeordnet und in den Taschen 10 der Katodenkammer 1 placiert, Mit der Grundplatte 15 ist eine weitere Grundplatte 18, durch welche eine elektrische Leitung zu den Anoden 17 zu-
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geführt wird, elektrisch, verbunden. Die Verbindung zur Stromquelle ist konventionell ausgeführt und zum Zwecke der Vereinfachung weggelassen worden.
Wenn die elektrolytisc.he Zelle zur Elektrolyse von wäßrigen Alkalimetall-Chlorid-Lösungen verwendet wird, ist es zweckmäßig, wenn die Anoden 17 mit einem Überzug eines elektrisch leitenden, elektrokatalytisch aktiven Materials der Art, die vorstehend beschrieben wurde, versehen sind. Die Anoden können durchbrochene Oberflächen aufweisen.
Auf der Katodenkammer.. 1 ist ein Anolyt-Palltank 19 angeordnet und von dieser mittels einer Dichtung 20 getrennt, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, das gegen eine Korrosion durch die Zellflüssigkeit resistent ist. Der Anolyt-Palltank 20 ist mit drei Durchlässen 21, 22 und 23 versehen, durch die die Elektrolyt-Lösung zugeführt werden kann, bzw. gasförmige Produkte der Elektrolyse und verbrauchte Elektrolyt-Lösung aus der Zelle abgeführt werden kann.
Pig, 4 zeigt nur einen Teil der Katodenkammer gemäß Pig, 2, wobei die Wände 3 und 5 und die Durchlässe 6 und 7 zum Zwecke der Vereinfachung weggelassen wurden. Zum Zweck der Umhüllung einer Tasche 10 mit einem Separator wird eine Separator-Buchse 24 in der Tasche 10 angeordnet, wobei diese Separator-Buchse 24 durch Versiegeln der entgegengesetzten Enden einer rechteckigen Platte hergestellt wird und dieselbe allgemeine Porm aufweist wie die Tasche 10, Dann wird innerhalb der Tasche 10 im Innern der Buchse 24 eine Elektrode 25 angeordnet, die ebenfalls dieselbe allgemeine Porm aufweist wie die Tasche 10, und das Ende 26 der Buchse 24 wird -durch Palten nach innen über das obere Ende der Elektrode 25 gezogen,- Über den durchbrochenen Deckel 8 der Ka-
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todenkammer 1 wird eine Platte 27 aus Separatormaterial angeordnet und mit dem Ende 26 der Buchse 24 in Berührung gebracht. Dann wird eine zweite Elektrode 23 oberhalb der Platte 27 angebracht. Die Elektroden 25 und 28 werden mit einer geeigneten elektrischen Hochfrequenzquelle (nicht dargestellt) verbunden, und Z7d.sc.hen den beiden Elektroden 25 und 23 wird ein magnetisches Wechselfeld hoher "Frequenz erzeugt. Dabei wird durch die Elektroden 25 und 28 auf die Platte 27 und das Ende 26 der Buchse 24 ein Druck ausgeübt, und die Platte 27 wird mittels Hochfrequenzerwärmung mit der Buchse 24 heißversiegelt. Die Elektroden 25 und 28 werden dann entfernt, und die Buchsen der benachbarten Taschen 10 der Katodenkammer 1 werden nach dem gleichen Verfahren miteinander heißversiegelt. Die Teile 29 der Platte 27 aus Separatormaterial, die sich innerhalb der Versiegelung 30 befinden, siehe Fig. 5, werden dann mit einem Messer herausgeschnitten und entfernt, wodurch Schlitze 31 in der Platte 27 aus Separatormaterial entstehen, siehe Pig. 6, Danach wird das oben beschriebene Verfahren wiederholt, um eine zweite Platte aus Separatormaterial an den entgegengesetzten Enden der Buchsen 24 in den Taschen 10 der Katodenkammer 1 durch Heißversiegeln zu befestigen. Die mit dem Separatormaterial umhüllte Katodenkammer 1 ist in der Fig. 7 dargestellt.
Zum Zweck des Zusammenbaiis der elektrolytischen Zelle wird die mit dem Separator umhüllte Katodenkammer 1 auf die Grundplatte 16 aufgesetzt, tmd der Anolyt-Pailtank 19 wird in der oben beschriebenen Weise auf die Katodenkammer 1 aufgesetzt. Danach werden die Einzelteile der Zelle miteinander verschraubt.
Zum Betrieb wird der elektrolytischen Zelle eine wäßrige Alkalimetall-Chlorid-Lösung durch den Durchlaß 21 in den
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Anolyt- Falltank zugeführt, und die gasförmigen Chlorprodukte, die durch die Elektrolyse erzeugt werden, werden durch den Durchlaß 22 von der Zelle abgeführt. Verbrauchte Alkalimetall-Chlorid-Lösung kann, wenn es erforderlich, ist, durch den Durchlaß 23 abgeführt werden,
Wenn der Separator als flüssigkeitsdurchlässiges Diaphragma ausgeführt ist, .fließt die Alkalimetall-Chlorid-Lösung durch das Diaphragma, und Wasserstoff und eine Lösung von Alkalimetallhydroxid, die Alkalimetall-Chlorid enthält, wird aus der Katodenkammer 1 durch den Durchlaß 6 abgeführt,
Werra der Separator eine im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige lonenaustausch-Membran ist, wird Wasser oder verdünnte Alkalimetall-Hydrosidlösung der Katodenkammer 1 durch den Durchlaß 7 zugeführt, und Wasserstoff und wäßrige Alkalimetall-Hydroxidlösung werden von der Katodenkammer 1 durch den Durchlaß 6 abgeführt.
Eine Katodenkammer der beschriebenen Art wurde mit einem Membranenmaterial umhüllt, der ein filmbildendes Polymer von Tetraflourethylen und einem ?erf 1 ourvinylether—Sssigester enthielt, wonach die Essigester-Gruppen in .der Membran in die Uatriumsaiz-Porm umgewandelt wurden, wobei die Membran mit wäßriger IJa triumhydrcxid-Lö sung in Berührung gebracht wurde.
Das Heißversiegeln wurde-unter Verwendung eines Hochfrequenz-Heizgerätes bei einer Frequenz von 27 Megahertz und einer Heizzeit von 3 Minuten für .jede Versiegelung durchgeführt. Die Katodenkammer wurde, dann in eine elektrolytische Zelle der beschriebenen Art eingebaut, die mit Titanelek.troden ausgerüstet war, die ,einen überzug aus einer Mischung von RuOp und TiO2 (35:65 Gewicht:Gewicht) aufwiesen,
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- 24 -
und es wurde eine gesättigte wäßrige Batrium-C.hlor-Lösung elektrolysiert, wobei an der Anode eine Stromdichte von
ρ 2,9 kA/m , eine Temperatu:
3,8 7 eingehalten wurden.
2,9 kA/m , eine Temperatur von 85 0C und eine Spannung von
Während der Elektrolyse wurde zu der Katodenkammer Wasser zugeführt, und es wurde bei einem Stromwirkungsgrad von 95 % eine Natriumhjdrid-Lösung von 35 Ge?/,-% hergestellt, Die Natriumhydroxid-Lösung enthielt 10 Teile pro Million Natriumchlorid, was ein Zeichen dafür ist, daß kein !Tatriuni-Chlor-Elektrolyt an der Anodenkammer zur Katodenkammer übertrat.

Claims (5)

  1. 60 536 / 1
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    Erfindungsanspruch.
    1, Verfahren zum Umhüllen von Katoden elektrolytischer Zellen, insbesondere Katodenzellen vom Taschentyp, zur Verwendung in einer Elektrolysezelle, bei der die Katodenzelle Seitenwände, einen Deckel und einen Boden enthält sowie eine Vielzahl von Taschen, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und mittels durchbrochener Wände gebildet sind, die zwischen dem Deckel und dem Boden angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß in jeder Tasche der Katodenzelle ein Separator in Form einer Buchse angeordnet ist, wobei die Enden der Buchse über die Enden der Taschen hervorragen, daß ein erstes Plattenmaterial mit den Teilen der Buchsen in Berührung gebracht wird, die über die Enden der Taschen in einer Richtung hervorragen und die Buchsen mit dem Plattenmaterial verklebt, daß ein zweites Plattenmaterial mit den Teilen-der Buchsen.in Berührung,gebracht wird, die nach der anderen Richtung über die Enden der Taschen hervorragen und die Buchsen mit dem zweiten Plattenmaterial verklebt werden und daß die Teile der Plattenmaterialien, die sich nahe den Enden d?r Taschen befinden, entfernt werden,
  2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Separator ein flüssigkeitsdurchlässiges Diaphragma ist.
    3» Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Separator eine im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige, ionenpermselektive Membran ist,
  3. 4. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 3> gekennzeichnet " dadurch, daß die Enden der Büchsen erweitert sind.
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  4. 5. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Enden der Buchsen nach innen eingezogen sind,
  5. 6. Verfahren nach einem, der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattenmaterialien ein organisches polymeres" Material enthalten,
    7« Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattenmaterialien aus dem Separatormaterial bestehen,
    8, Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Buchsen und die Plattenmaterialien aus einem flüssigkeitsdurchlässigeh Ma'te rial: bestehen,
    9, Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Buchsen und die Plattenmaterialien aus einem flüssigkeit sundur chi as'sige η ionenpe'rmselektiven 'Material bestehen,
    10, Verfahren nach einem der Punkte 1 bis S, gekennzeichnet dadurch, daß die Buchsen mit dem Plattenmaterial durch Heißsiegeln verbunden sind,
    11, Verfahren nach Punkt 10, gekennzeichnet dadurch, daß das Heißsiegeln"mittels-Hochfrequenzerwärnrung durchgeführt wird,
    12, Verfahren nach den Punkten 10 und 11, gekennzeichnet dadurch, daß·, eine Platte oder Elektrode innerhalb einer Tasche der Katodenzelle, innerhalb der darin befindlichen Buchse derart angeordnet ist, daß das nach innen eingezogene" Ende der Buchse über das Ende ,der-Platte- oder Elektrode übersteht, daß eine zweite Platte oder Elektrode auf dem Plattenmaterial angeordnet ist und das Ende
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    der Buchse mit dem Plattenmaterial in Berührung gebracht und mit ihm heißgesiegeIt wird*
    Hierzu 4 Seiten Zeichnungen
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