DE102010024299A1

DE102010024299A1 - Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat

Info

Publication number: DE102010024299A1
Application number: DE102010024299A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hoormann Dirk; Gregor Polcyn; Florian Verfuß
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2011-12-22

Abstract

Verwendung einer Chlor-Alkali-Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat aus einer Sulfatlösung und Schwefelsäure, die Zelle umfassend eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordnete Ionenaustauschermembran, wobei die Kathode auf der Ionenaustauschermembran direkt aufliegt, und wobei zwischen Anode und Ionenaustauschermembran ein Spalt vorgesehen ist, wobei unterhalb des Spalts ein Elektrolytzulauf und oberhalb des Spalts ein Elektrolytablauf sowie ein Gasaustritt angeordnet sind, wobei ein Abstand zwischen Anode und Membran von 0,5 bis 2 mm eingehalten wird, und wobei eine Anode eingesetzt wird, die durchgängige Öffnungen aufweist, durch welche die Elektrolytlösung während der Peroxodisulfatherstellung geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Chlor-Alkali-Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat aus einer Sulfatlösung und Schwefelsäure, umfassend eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordnete Ionenaustauschermembran, wobei die Kathode auf der Ionenaustauschermembran direkt aufliegt, und wobei zwischen Anode und Ionenaustauschermembran ein Spalt vorgesehen ist, wobei unterhalb des Spalts ein Elektrolytzulauf und oberhalb des Spalts ein Elektrolytablauf sowie ein Gasaustritt angeordnet sind.
Einzelelementelektrolysezellen sind dem Fachmann bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse wohl bekannt, bei denen auch Gasdiffusionskathoden eingesetzt werden können.
Zur Herstellung von Peroxodisulfat werden derzeit hauptsächlich monopolare oder bipolare Elektrolysezellen in Filterpressenbauart verwendet.
Gegenüber analog aufgebauten monopolaren Elektrolysezellen in Filterpressenbauart besteht der große Vorteil der im Stand der Technik eingesetzten bipolaren Elektrolysezellen darin, dass die Stromzuführung nur zu den beiden Randplatten von außen herangeführt zu werden braucht, während der Stromtransport in den bipolaren Einzelzellen nur von der einen Seite der Elektrodenplatte auf die andere Seite meist intern erfolgt.
Bisher werden bei der Peroxodisulfatherstellung bipolare Elektrolysezellen in Filterpressenbauart, bestehend aus einem Spannrahmen, den beide Elektrodenrandplatten mit Stromzuführungen und einer beliebigen Anzahl bipolarer Elektrodenplatten nebst peripherer Ausrüstungen für die Zu- und Abführung der Elektrolytlösungen in den verschiedensten Ausführungsformen verwendet. Eine derartige Ausführungsform ist beispielweise in der DE 10022592 A1 offenbart. Die bipolaren Elektrodenplatten bestehen aus Elektrodengrundkörpern aus imprägniertem Graphit oder aus Kunststoffen mit eingearbeiteten Zu- und Abführungen für die Elektrolytlösungen sowie beidseitig aufgebrachten bzw. im Falle der Graphitgrundköper auch integrierten Elektroden und Elektrolyträumen.
Dabei sind die beiden Elektroden elektrisch leitend miteinander verbunden. Im Falle von Elektrodengrundkörpern, die aus Kunststoff gefertigt sind, wird dies über Kontaktelemente gewährleistet, wobei es hierbei zu hohen zu übertragenden Stromstärken und damit zu Nachteilen und Risiken kommt. Deshalb werden derartige Bauweisen nur für niedrige bis mittlere Strombelastungen von 100 bis 4000 A durchsetzten können. Eine verbesserte Ausführungsform ist in DE 10022592 A1 offenbart.
Bevorzugt werden deshalb Ganzmetallkonstruktionen für bipolare Elektrolysezellen, z. B. mit durch Schraubverbindungen elektrisch leitend verbundene Metallelektrodenbleche eingesetzt. Hierdurch werden allerdings die entstehenden Verlustströme relativ hoch.
Vielfach lassen sich die verwendeten Elektroden normalerweise nicht als einfach zu fertigende und damit im Sinne einer Mehrzweckzelle auch leicht auswechselbare Metallelektrodenbleche einsetzen, da Schweißverbindungen oder Schraubverbindungen notwendig werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in DE 2757861 C3 beschrieben. Nachteilig daran ist der durch den großen Elektrodenabstand hohe spezifische Energieverbrauch.
Ein weiterer Nachteil ist die Ausführung der beschriebenen Zellen als Hohlkörper, da daraus ein hoher Wartungsaufwand, sowie hohe Wartungskosten entstehen.
Die im Stand der Technik offenbarten Ausführungsformen von Elektrolysezellen weisen oft eine geringe Elektrodenfläche pro Elektrolyseelement auf, wodurch eine hohe Anzahl an Elektrolysezellen für eine technische Anlage notwendig wird. Außerdem weisen die bekannten Technologien zur Peroxodisulfatherstellung einen hohen spezifischen Energieverbrauch auf.
Daraus geht hervor, dass es einen Bedarf gibt, trotz intensiver Bemühungen der Fachwelt die gängigen zur Peroxodisulfatherstellung eingesetzten Elektrolysezellen zu verbessern und weiterzuentwickeln, eine weitere Elektrolysezelle zur Verfügung zu stellen, die zur Verwendung der Peroxodisulfatherstellung geeignet ist und die genannten Nachteile nicht mehr aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat zur Verfügung zu stellen, die einen geringen spezifischen Energieverbrauch, sowie geringe Investment- und Wartungskosten aufweist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Chlor-Alkali-Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat aus einer Sulfatlösung und Schwefelsäure, die Zelle umfassend eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordnete Ionenaustauschermembran, wobei die Kathode auf der Ionenaustauschermembran direkt aufliegt, und wobei zwischen Anode und Ionenaustauschermembran ein Spalt vorgesehen ist, wobei untererhalb des Spalts ein Elektrolytzulauf und oberhalb des Spalts ein Elektrolytablauf sowie ein Gasaustritt angeordnet sind, wobei ein Abstand zwischen Anode und Membran von 0,5 bis 2 mm eingehalten wird, und wobei eine Anode eingesetzt wird, die durchgängige Öffnungen aufweist, durch welche die Elektrolytlösung während der Peroxodisulfatherstellung geleitet wird.
Dabei umfassen die Anoden beispielhaft eine Vielzahl horizontaler Lamellenelemente, welche ihrerseits dreidimensional geformt sind und eine Vielzahl von durchgehenden Öffnungen aufweisen. Bevorzugt werden dabei C-Profile eingesetzt.
Mit Vorteil wird ein Abstand zwischen Anode und Membran von 0,8 bis 1,2 mm, und bevorzugt von 1 mm eingestellt.
Bevorzugt wird eine aktivierte Kathode eingesetzt, wobei die Aktivierung über eine Beschichtung ausgewählt aus der Gruppe der Platinmetalle und Platinmetalloxide, und insbesondere Rutheniumdioxid, auf einem Nickel-, Edelstahl- oder Stahlsubstrat erreicht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Anodenbeschichtung eingesetzt, ausgewählt aus der Gruppe, Bor-dotierter Diamant und Platin, wobei bei der Verwendung einer Platinbeschichtung dem Anolyten ein Promotor wie z. B. Ammoniumrhodanid zugegeben wird.
Bevorzugt werden zur Herstellung von Peroxodisulfat eine Vielzahl von Einzelelementelektrolysezellen über Kontaktstreifen miteinander verbunden.
Nachstehend soll die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die eingesetzte Elektrolysezelle enthält eine Titananode, die ein C-Profil aufweist, und ist mit einer Diamantbeschichtung versehen. Als Kathode wird eine mit Rutheniumdioxid beschichtete Nickelstreckmetallkathode eingesetzt. Die Größe der rechteckigen Elektrodenflächen beträgt 126 cm². Eine Kationenaustauschermembran (Fa. DuPont, N551) trennt Anoden- und Kathodenraum, wobei die Membran direkt auf der Kathode aufliegt. Bei der Elektrolyse werden Anolyt und Katholyt im Kreis gefördert. Die Anlage wird im kontinuierlichen Betrieb gefahren. Frischer Anolyt und Katholyt werden dabei ständig nachgefördert. Beheizt wird bei diesem Versuch ausschließlich die Kathodenseite.
Zu Beginn des Versuches wurde die Anlage mit 1500 g Anolyt und 3000 g Katholyt, welche folgende Anfangskonzentrationen hatten:

i) Anolyt: w (Ammoniumsulfat) = 35 Gew.-% w (Schwefelsäure) = 5 Gew.-%
ii) Katholyt: w (Schwefelsäure) = 20 Gew.-%

Die Elektrolysezelle wurde bei einer Stromdichte von 6 kA/m² und einer Temperatur von 50°C betrieben. Es wurden 1930 g frischer Anolyt mit oben aufgeführter Konzentration pro Stunde zudosiert. Proben wurden nach einer Stunde zunächst im 30 Minutentakt und dann im 60 Minutentakt aus dem Anodenraum entnommen. Der Ammoniumperoxodisulfat-Gehalt wurde mittels Redoxtitration bestimmt. Der Anolytablauf wurde gewogen.
Die 1 und 2, die den Stromausbeute-Zeit-Verlauf dieses Ausführungsbeispiels zeigen, unterscheiden sich in ihrem Abstand der Anode zur Membran.
In 1 betrug dieser Abstand 4 mm und in 2 betrug dieser Abstand 1 mm. Technisch relevante Stromausbeuten von über 80% konnten demnach bei beiden Versuchen erzielt werden. Die Ergebnisse der Versuche sind auch in nachfolgender Tabelle angeführt. Tab. 1: Ergebnisse des Ausführungsbeispiels

Anoden-Membranabstand [mm] Zellspannung [V] Stromausbeute nach 2 Stunden [%] elektrischer Energieverbrauch [kWh per t APS]

4 5,6 82,0 1604

1 5,3 83,9 1484
Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben

– eine bereits bestehende Technologie kann auf die Peroxodisulfatherstellung übertragen werden
– es kann ein geringer elektrischer Energieverbrauch erzielt werden.
– geringe Investitionskosten
– geringe Wartungskosten, da sämtliche Teile einfach auszuwechseln sind

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10022592 A1 [0005, 0006]
DE 2757861 C3 [0009]

Claims

Verwendung einer Chlor-Alkali-Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat aus einer Sulfatlösung und Schwefelsäure, die Zelle umfassend eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordnete Ionenaustauschermembran, wobei die Kathode auf der Ionenaustauschermembran direkt aufliegt, und wobei zwischen Anode und Ionenaustauschermembran ein Spalt vorgesehen ist, wobei unterhalb des Spalts ein Elektrolytzulauf und oberhalb des Spalts ein Elektrolytablauf sowie ein Gasaustritt angeordnet sind, wobei ein Abstand zwischen Anode und Membran von 0,5 bis 2 mm eingehalten wird, und wobei eine Anode eingesetzt wird, die durchgängige Öffnungen aufweist, durch welche die Elektrolytlösung während der Peroxodisulfatherstellung geleitet wird.
Verwendung einer Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen Anode und Membran von 0,8 bis 1,2 mm, und bevorzugt von 1 mm eingestellt wird.
Verwendung einer Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktivierte Kathode eingesetzt wird, wobei die Aktivierung über eine Beschichtung ausgewählt aus der Gruppe der Platinmetalle, der Platinmetalloxide, insbesondere Rutheniumdioxid, auf einem Nickel- Edelstahl- oder Stahlsubstrat erreicht wird.
Verwendung einer Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anodenbeschichtung eingesetzt wird, ausgewählt aus der Gruppe, Bordotierter Diamant und Platin.
Verwendung einer Einzelelementelektrolysezelle zur Herstellung von Peroxodisulfat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Einzelelementelektrolysezellen über Kontaktstreifen miteinander verbunden werden.