DE102015118352A1 - Electrolyzer for electrochemical water treatment - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalbschale (2) mit einer Anode (10), eine Kathodenhalbschale (1) mit einer Kathode (9) und eine zwischen der Anode (10) und der Kathode (9) angeordnete Ionenaustauscher-Membran (13), wobei die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1) jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich (3) zur Verbindung der Anodenhalbschale (2) mit der Kathodenhalb-schale (10) aufweisen, wobei die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1) jeweils mehrere Einlauföffnungen (7a, 7b) und mehrere Ablauföffnungen (8a, 8b) aufweisen, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen (7a, 7b) kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen (81, 8b), und die Kathodenhalbschale (1) eine Gaseinspeisungsvorrichtung (11) aufweist, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale, insbesondere einen zwischen der Ionenaustauscher-Membran (13) und der Kathode (9) angeordneten Kathodenraum (14) einleitbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen bipolaren Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen.The invention relates to a cell element for a bipolar electrolyzer for electrochemical water treatment, comprising an anode half-shell (2) with an anode (10), a cathode half-shell (1) with a cathode (9) and between the anode (10) and the cathode (9 The anode half-shell (2) and the cathode half-shell (1) each have an outer wall with a flange region (3) for connecting the anode half-shell (2) to the cathode half-shell (10), wherein the anode half shell (2) and the cathode half-shell (1) each have a plurality of inlet openings (7a, 7b) and a plurality of drainage openings (8a, 8b), wherein the total area of the inlet openings (7a, 7b) is smaller than the total area of the drainage openings (81, 8b), and the cathode half-shell (1) has a gas feed device (11), via which a gas in the cathode half-shell, in particular one between the ion exchange membrane (13) and the cathode (9) arranged cathode space (14) can be introduced. Furthermore, the invention relates to a bipolar electrolyzer with a plurality of cell elements connected in series.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalbschale mit einer Anode, eine Kathodenhalbschale mit einer Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Ionenaustauscher-Membran, wobei die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich zur Verbindung der Anodenhalbschale mit der Kathodenhalbschale aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung einen bipolaren Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen. The invention relates to a cell element for a bipolar electrolyzer for electrochemical water treatment, comprising an anode half-shell with an anode, a cathode half-shell with a cathode and arranged between the anode and the cathode ion exchange membrane, the anode half-shell and the cathode half-shell each having an outer wall with a flange for connecting the anode half-shell with the cathode half-shell. Furthermore, the invention relates to a bipolar electrolyzer with a plurality of cell elements connected in series.

Die Entstehung schwefelsaurer Wässer mit hohen Schwermetallsalzgehalten lässt sich verstärkt in aktiven und inaktiven Bergbaugebieten beobachten, wo durch natürliche Verwitterungsprozesse eine zunehmende Gewässerversauerung seit Jahren zu beobachten ist. Insbesondere für die durch Flutung neu entstehenden Tagebaurestseen sowie die in diesen Gebieten vorkommenden Grundwässer stellt diese ein immer größeres Problem dar. Sulfationen sind weder chemisch inert noch gesundheitlich bzw. hygienisch unbedenklich, so dass ein hoher Schwermetall- und Sulfateintrag in die Grund- und Oberflächenwässer erhebliche negative Auswirkungen auf die Gewässerökologie sowie die technische Nutzbarkeit des Wassers als Trink- oder Brauchwasser bedeutet. Hohe Frachten an Schwermetallen und Sulfaten im Grundwässern sind beispielsweise für die Trinkwassernutzung unzulässig, gleichzeitig wirken sulfatreiche, schwefelsaure Wässer aber auch stark korrodierend auf Stahl und Beton. The formation of sulfuric acid waters with high levels of heavy metal salts can be observed more frequently in active and inactive mining areas, where natural weathering has led to an increase in water acidification for many years. In particular, for the emerging by flooding opencast mines and the groundwater occurring in these areas, this is an ever greater problem. Sulfate ions are neither chemically inert nor sanitary or hygienic harmless, so that a high heavy metal and Sulfateeintrag in the ground and surface waters considerable negative impact on aquatic ecology and the technical usability of the water as drinking or service water means. High loads of heavy metals and sulphates in the groundwaters, for example, are inadmissible for the drinking water use, at the same time sulphate-rich, sulphurous waters also have a strong corrosive effect on steel and concrete.

Die Sanierung mit Sulfat belasteter Oberflächenwässer wie Tagebaurestseen wird aufgrund der großen Wassermengen zurzeit vor allem durch die Flutung mit ggf. konditioniertem Fremdwasser durchgeführt. Dieses Verfahren ist jedoch unter anderem stark begrenzt durch das zur Verfügung stehende Wasserangebot, den Aufwand zur Überleitung und die abzupuffernde Basenkapazität. Eine Sanierung der Restlochgewässer durch Kalkung ist in den meisten Fällen wegen des hohen stöchiometrischen Überschusses an basischen Stoffen unwirtschaftlich.The remediation of surface waters contaminated with sulphate, such as opencast mines, is currently being carried out mainly by flooding with possibly conditioned extraneous water due to the large quantities of water. However, this method is, among other things, severely limited by the available water supply, the cost of the transfer and the base capacity to be buffered. Remediation of the residual hole waters by liming is in most cases uneconomical because of the high stoichiometric excess of basic substances.

Es sind auch mikrobiologische Verfahren bekannt, bei denen unter Luftabschluss sulfatreiche Wässer durch Mikroben biochemisch reduziert werden können. Die dabei entstehen Sulfide werden mit Luftsauerstoff erneut zur Schwefelsäure oxidiert. Dieser Prozess, dessen Nutzung zur Sanierung von schwefelsauren Wässern schon seit längerem mit bislang eher geringem Erfolg untersucht wurde, kann natürlicherweise regelmäßig in Kanalisationssystemen und in stagnierenden Gewässern beobachtet werden. Er führt deutschlandweit jährlich zu Milliardenschäden an der Infrastruktur durch Sulfid-/ Schwefelsäurekorrosion.There are also known microbiological processes in which sulphate-rich waters can be biochemically reduced by microbes in the absence of air. The resulting sulfides are reoxidized with atmospheric oxygen to sulfuric acid. This process, whose use for the remediation of sulfuric acid waters has been studied for some time with rather little success, can naturally be observed regularly in sewage systems and in stagnant waters. Every year, it causes billion-dollar damage to the infrastructure throughout Germany due to sulphide / sulfuric acid corrosion.

Darüber hinaus sind elektrochemische Verfahren bekannt, nach denen ohne Beimischung von Zusatzstoffen die Wasseraufbereitung durchgeführt werden kann. Beispielsweise wird in der DE19624023 B9 ein Verfahren zur Aufbereitung saurer eisenhaltiger Tagebaurestlochgewässer beschrieben, wobei der Aufbereitungseffekt im Gegensatz zur üblichen Neutralisation nicht durch die Zudosierung von Lauge zum Wasser mit hohem pH-Wert erreicht wird, sondern durch Abtrennung von Protonen infolge ihrer elektrochemischen Abscheidung in der kathodischen Teilreaktion des Elektrolyseprozesses erfolgt.In addition, electrochemical processes are known, according to which the water treatment can be carried out without admixture of additives. For example, in the DE19624023 B9 a process for the treatment of acidic iron-containing opencast mining wastewater described, the treatment effect is not achieved in contrast to the usual neutralization by the addition of liquor to water with high pH, but by separation of protons due to their electrochemical deposition in the cathodic partial reaction of the electrolysis process.

Dabei werden die den niedrigen pH-Wert bestimmenden Wasserstoffionen an der Kathode zu Wasserstoff reduziert. Dieser so gebildete Wasserstoff wird mit dem behandelten Wasser aus der Zelle ausgetragen und in die Umgebung abgegeben. Mit der Reduktion der Wasserstoffionen ist ein Anstieg des pH-Wertes verbunden. Dies bewirkt wiederum die Hydrolyse und Fällung der hydrolysierbaren Kationen (z.B. Fe, Al, Mn), die mit dem neutralisierten Wasser als Suspension aus den Zellen ausgetragen werden: 4H+ + 4e → 2H2 (1) 4H2O + 4e → 2H2 + 4OH (2) Men+ + nOH → Me(OH)n Me = Fe, Al, Mn etc. (3) The low-pH hydrogen ions at the cathode are reduced to hydrogen. This hydrogen thus formed is discharged with the treated water from the cell and released into the environment. The reduction of the hydrogen ions is associated with an increase in the pH. This in turn causes the hydrolysis and precipitation of the hydrolyzable cations (eg Fe, Al, Mn), which are discharged with the neutralized water as a suspension from the cells: 4H + + 4e - → 2H 2 (1) 4H 2 O + 4e - → 2H 2 + 4OH - (2) Me n + + nOH - → Me (OH) n Me = Fe, Al, Mn etc. (3)

In gleicher Weise wirkt prinzipiell die simultan ablaufende elektrochemische Reduktion von im Wasser gelösten Sauerstoff zu Hydroxidionen neutralisierend. 2H2O + O2 + 4e → 4OH (4) In the same way, in principle, the simultaneously occurring electrochemical reduction of oxygen dissolved in the water neutralizes hydroxide ions. 2H 2 O + O 2 + 4e - → 4OH - (4)

Die Reaktion (4) trägt jedoch nur geringfügig zur kathodischen Wasseraufbereitung bei. Durch den Einsatz einer Ionenaustauschmembran zwischen Anoden- und Kathodenraum der Elektrolysezelle wird zusätzlich erreicht, dass zur Anhebung des pH-Wertes, und der damit einher gehenden Hydrolyse und Fällung von Aluminium- und Schwermetallionen, auch der Salzgehalt der Wässer erheblich vermindert wird. Dabei wird eine Kopplung des kathodischen Wasseraufbereitungsprozesses mit einem anodischen Syntheseprozess vorgesehen. Bei Vorhandensein von Sulfationen können anodisch folgende Reaktionen ablaufen: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e (5) 2SO4 2– → S2O8 2– + 2e (6) The reaction ( 4 ) contributes only slightly to cathodic water treatment. Through the use of an ion exchange membrane between the anode and cathode compartments of the electrolysis cell, it is additionally achieved that, in order to increase the pH, and the associated hydrolysis and precipitation of aluminum and heavy metal ions, the salt content of the waters is also considerably reduced. In this case, a coupling of the cathodic water treatment process is provided with an anodic synthesis process. In the presence of sulfate ions, the following reactions can occur anodically: 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e - (5) 2SO 4 2- → S 2 O 8 2- + 2e - (6)

Bei einer Reaktion gemäß der Gleichung (5) werden die entstehenden Protonen durch die in den Anodenraum wandernden Sulfationen abgesättigt, wobei zunächst Schwefelsäure gebildet und aufkonzentriert wird. Im zweiten Fall werden Sulfationen zu Peroxodisulfat oxidiert und im Anodenraum angereichert. Durch nachfolgende Prozesse ist eine Gewinnung dieser Produkte möglich. In ähnlicher Weise kann der in der Kathodenreaktion gebildete Wasserstoff nachfolgend als Produkt verwertet werden. In a reaction according to equation (5), the resulting protons are saturated by the sulfate ions migrating into the anode space, wherein first sulfuric acid is formed and concentrated. In the second case sulfate ions are oxidized to peroxodisulfate and enriched in the anode compartment. Subsequent processes make it possible to obtain these products. Similarly, the hydrogen formed in the cathode reaction can subsequently be utilized as a product.

EP0026591 A1 oder DE 3614005 A1 beschreiben prinzipiell geeignete Elektrolysevorrichtungen für dieses vorgenannte Verfahren nach DE19624023 B9 , wobei diese allerdings im technischen Maßstab nicht erprobt wurden, sondern nur Laborergebnisse zeigen. EP0026591 A1 or DE 3614005 A1 describe in principle suitable electrolysis devices for this aforementioned method DE19624023 B9 , although these were not tested on an industrial scale, but only show laboratory results.

In der WO 2007144055 A1 wurde erstmalig eine Vorrichtung zur elektrochemischen Wasseraufbereitung beschrieben, die auch zum technischen Einsatz geeignet ist. Die beschriebene Vorrichtung zur elektrochemischen Reinigung saurer Wässer bestehend aus einer Kathode, einer Anode und einer Ionenaustauschmembran, wobei die Membran zwischen der Kathode und Anode angeordnet ist und mindestens umlaufend im Randbereich gehalten wird, wobei auf dem oberen und unteren Randbereich der Elektrolysevorrichtung eine Vielzahl von Zu- und Abläufen angeordnet sind, die mit dem Kathoden- beziehungsweise dem Anodenraum verbunden sind, so dass sich im Kathoden- und dem Anodenraum eine Pfropfenströmung ausbildet, die im idealen Fall ein laminares Profil aufweist.In the WO 2007144055 A1 For the first time, a device for electrochemical water treatment was described, which is also suitable for technical use. The described apparatus for the electrochemical purification of acidic waters consisting of a cathode, an anode and an ion exchange membrane, wherein the membrane is arranged between the cathode and anode and is held at least circumferentially in the edge region, wherein on the upper and lower edge region of the electrolysis device a plurality of Zu - And processes are arranged, which are connected to the cathode or the anode space, so that forms a plug flow in the cathode and the anode space, which has a laminar profile in the ideal case.

Zellelemente nach dem Prinzip dieser Vorrichtung wurden bereits im technischen Maßstab mit 2.1 m2 aktiver Elektrolysefläche erprobt. Ein Elektrolyseur bestehend aus fünf bipolar angeordneten Zellelementen nach dem Prinzip der WO 2007144055 A1 wurde über etwa zwei Jahre betrieben und die kathodische Sulfatentfernung schwefelsaurer Tagebaurestlochgewässer untersucht. Trotz schwankender Sulfationeneinlaufkonzentration des schwefelsauren Wassers im Bereich von 800 bis 1000 mg/l konnte eine Abtrennung von über 20 % mit Spitzenwerten von bis zu 25 % Sulfat erreicht werden. Je nach Einstellung des anodischen Syntheseprozesses wurden dabei spezifische Energieverbräuche von im Schnitt unter 0,5 kWh/m3 Natriumperoxodisulfat, 0,7 kWh/m3 Natriumsulfat bzw. 1,0 kWh/m3 Schwefelsäure erreicht. Die kathodisch erzeugte basische Pufferkapazität des aufbereiteten Wassers betrug etwa 1,2 mmol/l. Cell elements according to the principle of this device have already been tested on an industrial scale with 2.1 m 2 of active electrolysis area. An electrolyzer consisting of five bipolar cell elements according to the principle of WO 2007144055 A1 was operated for about two years and the cathodic sulfate removal of sulfuric acid mining open pit waters investigated. Despite fluctuating sulfate inlet concentration of the sulfuric acid water in the range of 800 to 1000 mg / l, a separation of over 20% could be achieved with peaks of up to 25% sulfate. Depending on the setting of the anodic synthesis process, specific energy consumptions of on average less than 0.5 kWh / m 3 sodium peroxodisulfate, 0.7 kWh / m 3 sodium sulfate and 1.0 kWh / m 3 sulfuric acid were achieved. The cathodically generated basic buffer capacity of the treated water was about 1.2 mmol / l.

Nachteilig bei diesem Prozess erwies sich die Fällung der im schwefelsauren Wasser vorhandenen Kationen, speziell Eisen und Aluminium, die aufgrund der Anhebung des pH-Werts als Hydroxide oder Karbonate im Kathodenraum ausgefällt werden und entgegen der Erwartung trotz des hohen Volumenstroms von etwa 1,2 m3/h nicht als Suspension ausgetragen werden, sondern als Fällschlamm in der Elektrolysezelle verbleiben. Das zwischen Rückwand und Membran in der Kathode angeordnete, inerte Füllmaterial wird dadurch verstopft und weiterer Wasserdurchsatz behindert. Regelmäßiges Öffnen und Reinigen der Zelle ist erforderlich, da einfaches Rückspülen nicht ausreicht, die Fällschlämme zu entfernen, wodurch die Elektrolyseur-Verfügbarkeit herabgesetzt wird.The disadvantage of this process was the precipitation of the cations present in sulfuric acid, especially iron and aluminum, which are precipitated as hydroxides or carbonates in the cathode compartment due to the increase in pH and contrary to expectation despite the high volume flow of about 1.2 m 3 / h are not discharged as a suspension, but remain as precipitated sludge in the electrolysis cell. The arranged between the rear wall and the membrane in the cathode, inert filling material is thereby clogged and further water flow obstructed. Regular opening and cleaning of the cell is required as simple backwashing is not sufficient to remove the precipitated sludge, thereby reducing electrolyzer availability.

Um die Sulfatreinigungsleistung zu erhöhen, sind in DE 10 2004 026 447 B4 verschiedene technische Möglichkeiten offenbart, die über das in WO 2007144055 A1 offenbarte Prinzip hinausgehen. Hier wird eine Dreikammerzelle beschrieben, die aus zwei Kathoden und einer Anode besteht, die durch zwei Membranen von den Kathoden getrennt ist. An Unterschieden zum bekannten Stand der Technik lassen sich folgende Eigenschaften feststellen:
Die Vorrichtung weist Zuführungen für Sauerstoff und/oder Luft und/oder Kohlendioxid in den Kathodenraum auf, um die Gase fein verteilen zu können. Dadurch wird zunächst erreicht, dass durch den zusätzlich angebotenen Sauerstoff kathodisch Hydroxidionen erzeugt werden, welche die Neutralisierung des schwefelsauren Wassers verstärken. Durch das eingeleitete Kohlendioxid wird darüber hinaus Pufferkapazität durch Umsetzung zu Hydrogenkarbonationen in das aufzubereitende, schwefelsaure Wasser eingebracht, so dass das Produktwasser im neutralen pH Bereich stabilisiert wird und somit weniger pH-sensibel auf eingebrachte Salzfrachten reagiert.
In order to increase the sulfate cleaning performance, are in DE 10 2004 026 447 B4 various technical possibilities are disclosed that are beyond the in WO 2007144055 A1 revealed principle go out. Here, a three-compartment cell is described, which consists of two cathodes and an anode, which is separated by two membranes from the cathodes. In contrast to the known state of the art, the following properties can be determined:
The device has feeds for oxygen and / or air and / or carbon dioxide in the cathode space in order to be able to distribute the gases finely. As a result, it is first achieved that cathodic hydroxide ions are generated by the additionally offered oxygen, which enhance the neutralization of the sulfuric acid water. The introduced carbon dioxide buffer capacity is also introduced by reaction to Hydrogenkarbonationen in the reprocessed, sulfuric acid, so that the product water is stabilized in the neutral pH range and thus less sensitive to the pH introduced salt loads.

Die anodische Stromdichte der Vorrichtung ist um den Faktor 5 höher als die kathodische Stromdichte, da das Trägermaterial der anodischen Elektrode nur mit maximal 20 %, bevorzugt sogar nur mit maximal 5 % mit elektrochemisch aktiven Substanzen beschichtet ist. Die Beschichtung soll dabei optimalerweise nicht gleichmäßig verteilt werden, sondern im unteren Drittel der Anode rechnerisch um 2–20 % über dem Belegungsdurchschnitt liegen, im oberen Drittel um 2–20 % unter dem Belegungsdurchschnitt und im mittleren Drittel der anodischen Elektrode dem rechnerischen Durchschnitt der Belegungsdichte der Beschichtung entsprechen.The anodic current density of the device is higher by a factor of 5 than the cathodic current density, since the carrier material of the anodic electrode is coated with only a maximum of 20%, preferably even with a maximum of 5%, with electrochemically active substances. The coating should optimally not be evenly distributed, but in the lower third of the anode arithmetically by 2-20% above the occupancy average, in the upper third by 2-20% below the occupancy average and in the middle third of the anodic electrode the arithmetical average occupancy density correspond to the coating.

Mehrere Ausführungsbeispiele werden angeführt, bei denen die verbesserte Sulfatabscheidung durch Anwendung der genannten Eigenschaften demonstriert werden soll. In eine Laborzellen der Größe 0,05 m2 wird bei einer anodischen Stromdichte von 50 A/cm2 und kathodischen Stromdichte von 10 A/cm2 eine Sulfatabreicherung von etwa 20 % erreicht, wobei die spezifische Energieverbräuche von 0,82 kWh/m3 Sulfat und 1,170 kWh/m3 Schwefelsäure betrugen. In einem anderen Versuch konnte mit einer 0,013 m2 Zelle immerhin ein Sulfatabreicherungsgrad von etwa 28 % erreicht werden, wobei im Anodenkreislauf Natriumperoxodisulfat bei einem Energieverbrauch von 0,7 kWh/m3 erzeugt wurde. Die neu eingebrachte basische Pufferkapazität des kathodisch aufbereiteten Wassers lag in beiden Fällen bei 0,7 bzw. 0,8 mmol/l. Several embodiments are cited, in which the improved sulfate deposition is to be demonstrated by applying the mentioned properties. In a laboratory cells of size 0.05 m 2 , a sulfate depletion of about 20% is achieved at an anodic current density of 50 A / cm 2 and cathodic current density of 10 A / cm 2 , the specific energy consumption of 0.82 kWh / m 3 Sulfate and 1,170 kWh / m 3 sulfuric acid. In another experiment, with a 0.013 m 2 cell at least a degree of sulfate removal of about 28% could be achieved Anodenkreislauf sodium peroxodisulfate was produced at an energy consumption of 0.7 kWh / m 3 . The newly introduced basic buffer capacity of the cathodically treated water was 0.7 and 0.8 mmol / l in both cases.

Werden nun die Ergebnisse der Dreikammerzelle nach DE 10 2004 026 447 B4 mit der Zweikammerzelle nach WO 2007144055 A1 verglichen, so fällt direkt auf, dass die als Verbesserung genannten Maßnahmen keine Erhöhung der kathodischen Sulfatabreicherung, keine Verringerung der spezifischen Energieverbräuche für die anodische Erzeugung von Schwefelsäure, Natriumsulfat oder Natriumperoxodisulfat bewirken und auch nicht mehr Pufferkapazität in das kathodisch aufbereitetet Wasser einbringen. Now the results of the three-chamber cell after DE 10 2004 026 447 B4 with the two-cell cell after WO 2007144055 A1 In comparison, it is immediately apparent that the measures referred to as improvement do not increase the cathodic sulfate depletion, reduce the specific energy consumption for the anodic production of sulfuric acid, sodium sulfate or sodium peroxodisulfate, nor do they introduce any more buffering capacity into the cathodically treated water.

Weitere Nachteile ergeben sich aus dem Zellenprinzip an sich. Eine Massstabsvergrößerung erfordert das Verschalten vieler Einzelzellen, um möglichst wenig umbauten Raum und kurze verlustbehaftete Stromwege zu haben. Eine Dreikammerzelle lässt sich nur parallel – also monopolar – verschalten, indem alle Kathoden und alle Anoden jeweils miteinander elektrisch verbunden werden. Dadurch ist die Spannung aller Zellen gleich, der Strom nach dem Kirchhoffschen bzw. Ohmschen Gesetz aber variabel, da er vom individuellen Widerstand einer Zelle bestimmt wird. Da dieser ohmsche Widerstand aber bestimmt ist durch leichte Unterschiede jeder Zelle, vor allem in den elektrochemischen Eigenschaften der anodischen Beschichtung bzw. der Membran sowie durch die in jeder Zelle unterschiedlich ablaufenden Fällprozesse, lassen sich viele Zellen hydraulisch nicht unabhängig voneinander regeln. Jede Zelle muss individuell eingestellt werden, um den gleichen neutralen Ablauf-pH-Wert zu erreichen bzw. darf einen Maximal-pH-Wert nicht überschreiten, der auch zu weiteren Fällprozessen führen kann. Ein monopolar aufgebauter Elektrolyseur erfordert somit einen hohen Regelungs- und Verkabelungsaufwand, was dessen wirtschaftlichen Betrieb beeinträchtigt. Further disadvantages arise from the cell principle itself. An increase in scale requires the interconnection of many individual cells in order to have as few conversions as possible and short lossy current paths. A three-chamber cell can only be interconnected in parallel - ie monopolar - by electrically connecting all the cathodes and all the anodes to one another. As a result, the voltage of all cells is the same, but the current according to Kirchhoff's or Ohm's law is variable, since it is determined by the individual resistance of a cell. However, since this ohmic resistance is determined by slight differences in each cell, especially in the electrochemical properties of the anodic coating or the membrane and by the different precipitation processes occurring in each cell, many cells can not be controlled hydraulically independently of one another. Each cell must be individually adjusted to achieve the same neutral effluent pH or not exceed a maximum pH, which may also lead to further precipitation processes. A monopolar electrolyzer thus requires a high control and cabling effort, which impairs its economic operation.

Eine Dreikammerzelle mit zwei Membranen muss schon bei Fehlern einer Membran außer Betrieb genommen werden. Trotz gleicher Leistung einer Zweikammerzelle ist somit das Ausfallrisiko doppelt so hoch, was unter technischen Gesichtspunkten ein gravierender Nachteil ist. Handelsübliche Membranen lassen sich nur maximal 3–4 Jahre betreiben und können vorab durch mechanische Beanspruchung Defekte bekommen, welche die Reinigungsleistung beeinträchtigen und das kathodisch durchgeleitete Wasser durch Sulfatverbindungen sogar verunreinigen können.A three-chamber cell with two membranes must be taken out of service even in the event of faults in a membrane. Despite the same performance of a two-chamber cell, the risk of default is twice as high, which is a serious disadvantage from a technical point of view. Commercially available membranes can only be operated for a maximum of 3-4 years and can receive defects in advance due to mechanical stress, which impair the cleaning performance and can even contaminate the cathodically conducted water by means of sulfate compounds.

Auch die Aufbringung der ungleichmäßig verteilten anodischen Beschichtung stellt unter großtechnischen Aspekten ein erhebliches Problem dar. Im Vergleich zur homogenen Gleichverteilung der Beschichtung ist der Personal- und Fertigungsaufwand bei der Herstellung deutlich erhöht, so dass ein möglicher Vorteil eines geringeren Beschichtungsanteils der Elektrode von maximal 20 % und damit eine mögliche Edelmetalleinsparung zunichte gemacht wird. Die inhomogene Beschichtung führt auch zu einer inhomogenen Stromdichteverteilung, die sich in Form erhöhter Widerstände auf die Zellspannung und damit den Energiebedarf des Verfahrens nachteilig auswirkt. The application of the unevenly distributed anodic coating is also a considerable problem under industrial-scale aspects. Compared to the homogeneous uniform distribution of the coating, the labor and production costs during production are markedly increased, so that a possible advantage of a smaller coating fraction of the electrode is a maximum of 20%. and thus a potential precious metal savings is nullified. The inhomogeneous coating also leads to an inhomogeneous current density distribution, which has an adverse effect on the cell voltage and thus the energy requirement of the process in the form of increased resistances.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, die Verfügbarkeit des Elektrolyseurs zu erhöhen und die Wasseraufbereitungsleistung zu steigern. Against this background, it is an object of the invention to increase the availability of the electrolyzer and to increase the water treatment performance.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalbschale mit einer Anode, eine Kathodenhalbschale mit einer Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Ionenaustauscher-Membran, wobei die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich zur Verbindung der Anodenhalbschale mit der Kathodenhalbschale aufweisen, wobei die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils mehrere Einlauföffnungen und mehrere Ablauföffnungen aufweisen, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen, und wobei die Kathodenhalbschale eine Gaseinspeisungsvorrichtung aufweist, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale, insbesondere einen zwischen der Ionenaustauscher-Membran und der Kathode angeordneten Kathodenraum einleitbar ist.The object is achieved by a cell element for a bipolar electrolyzer for electrochemical water treatment, comprising an anode half-shell with an anode, a cathode half-shell with a cathode and an arranged between the anode and the cathode ion exchange membrane, wherein the anode half-shell and the cathode half-shell each having an outer wall with a flange portion for connecting the anode half-shell to the cathode half-shell, the anode half-shell and the cathode half-shell each having a plurality of inlet openings and a plurality of drain openings, wherein the total area of the inlet openings is smaller than the total area of the drain openings, and wherein the cathode half-shell has a gas feed device via which Gas in the cathode half-shell, in particular a arranged between the ion exchange membrane and the cathode cathode space is introduced.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs eine Sulfatreinigung erreicht werden kann, die deutlich über den Ergebnissen liegt, welche mit Dreikammerzellen im Labormaßstab nach DE 10 2004 026 447 B4 bzw. mit Zweikammerzellen nach WO 2007144055 A1 erzielt werden können. Durch konstruktiv optimierte Strömungsführung des aufzubereitenden Wassers zwischen Kathode und Membran, Eindüsung von Luft bzw. CO2 durch die Gaseinspeisungsvorrichtung in den Kathodenraum und gezielte Anpassung des Durchsatzes konnten Sulfatabreicherungen von ca. 40 % erzielt werden, die somit um 25–50 % über den bislang bekannten Sulfatentfernungsleistungen wie aus DE 10 2004 026 447 oder WO 2007144055A1 bekannt, liegen. Surprisingly, it has been found that when using an electrolyzer according to the invention a sulfate cleaning can be achieved, which is well above the results, which with three-chamber cells on a laboratory scale after DE 10 2004 026 447 B4 or with two-chamber cells after WO 2007144055 A1 can be achieved. By structurally optimized flow control of the water to be treated between the cathode and membrane, injection of air or CO 2 through the gas feed device into the cathode space and targeted adjustment of the throughput sulfate depletion of about 40% could be achieved, which thus by 25-50% over the hitherto known sulfate removal services such as DE 10 2004 026 447 or WO 2007144055A1 known, lie.

Die Fläche der Einlauföffnungen und Ablauföffnungen sind derart gewählt, dass der Austrag an suspendierten Schwermetallsalzen erheblich größer ist, als bisher nach dem Stand der Technik bekannt. Daher lassen sich Ausfallzeiten vermeiden und die Anlagenverfügbarkeit erhöhen. Für den Fall eines erhöhten Anfalls an gefällten Schwermetallen im Zellelement erlaubt die Konstruktion durch entsprechende Verschaltung über eine Strömungsumkehrung ein einfaches Rückspülen von den Ablauföffnungen zu den Einlauföffnungen. Zusätzlich lassen sich an den vertikalen Seiten der Kathode optional Spülstutzen anbringen, um eine Spülmöglichkeit quer zur Hauptströmungsrichtung zu ermöglichen.The area of the inlet openings and outlet openings are chosen such that the discharge of suspended heavy metal salts is considerably greater than previously known from the prior art. Therefore, downtime can be avoided and the Increase plant availability. In the case of an increased accumulation of precipitated heavy metals in the cell element, the construction allows a simple backwashing from the drainage openings to the inlet openings by means of a corresponding connection via a flow reversal. In addition, rinsing nozzles can optionally be attached to the vertical sides of the cathode in order to allow a rinsing possibility transverse to the main flow direction.

Somit wird durch das erfindungsgemäße Zellelement die Verfügbarkeit des Elektrolyseurs erhöht und die Wasseraufbereitungsleistung gesteigert. Thus, the cell element of the invention increases the availability of the electrolyzer and increases the water treatment performance.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gesamtfläche der Einlauföffnungen um mindestens 30 %, bevorzugt um mindestens 50 %, kleiner als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen. Hierdurch kann der Austrag an suspendierten Schwermetallsalzen gesteigert werden. According to an advantageous embodiment, the total area of the inlet openings is at least 30%, preferably at least 50%, smaller than the total area of the drainage openings. As a result, the discharge of suspended heavy metal salts can be increased.

Vorteilhafterweise weist die Gaseinspeisungsvorrichtung zumindest einen rohrförmigen Gasverteiler auf, der sich über die ganze Breite der Kathodenhalbschale erstreckt. Die Gaseinspeisungsvorrichtung ist bevorzugt waagerecht angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Gaseinspeisungsvorrichtung in einem Bereich von 300 bis 400 mm und/oder von 600 bis 800 mm oberhalb eines die Einlauföffnungen aufweisenden Einlaufkanals angeordnet. Über die Gaseinspeisungsvorrichtung kann ein Gas, beispielsweise Luft oder CO2, fein verteilt in das sich im Kathodenraum befindende zu reinigende Wasser eingeleitet werden.Advantageously, the gas feed device has at least one tubular gas distributor which extends over the entire width of the cathode half-shell. The gas feed device is preferably arranged horizontally. Particularly preferably, the gas feed device is arranged in a range of 300 to 400 mm and / or from 600 to 800 mm above an inlet channel having the inlet openings. Via the gas feed device, a gas, for example air or CO 2 , can be finely distributed into the water to be purified located in the cathode compartment.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anode im Abstand von mindestens 0,5 mm und maximal 20 mm, bevorzugt mindestens 8 mm und maximal 12 mm, von der Ionenaustauscher-Membran entfernt angeordnet ist, wobei der Abstand über die Einbringung eines nichtleitendes Materials erreicht wird, wobei als nichtleitendes Material ein Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden. An advantageous embodiment provides that the anode at a distance of at least 0.5 mm and a maximum of 20 mm, preferably at least 8 mm and a maximum of 12 mm, is disposed away from the ion exchange membrane, wherein the distance reaches via the introduction of a non-conductive material is used, wherein as a non-conductive material, a fabric, mesh, threads, cloths, fleece or webs are used.

Vorteilhaft ist es, wenn die Kathode im Abstand von mindestens 0,5 mm und maximal 20 mm, besonders bevorzugt mindestens 8 mm und maximal 12 mm, von der Ionenaustauscher-Membran entfernt angeordnet ist, wobei der Abstand über die Einbringung eines nichtleitendes Materials erreicht wird, wobei als nichtleitendes Material Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden.It is advantageous if the cathode is arranged at a distance of at least 0.5 mm and a maximum of 20 mm, more preferably at least 8 mm and a maximum of 12 mm from the ion exchange membrane, wherein the distance is achieved via the introduction of a non-conductive material , Where used as a non-conductive material fabrics, mesh, threads, cloths, fleece or webs.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Anode mit einer Rückwand der Anodenhalbschale stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden. Die Anode kann als metallisches Gewebe, als Streckmetall oder als perforiertes Blech ausgebildet sein. Die Anode kann eine Oberfläche aufweisen, die 30 % bis 70 %, bevorzugt 40 % bis 60 % der Oberfläche der Ionentauscher-Membran entspricht. According to a preferred embodiment, the anode is connected to a rear wall of the anode half shell cohesively or adhesively. The anode may be formed as a metallic fabric, as expanded metal or as a perforated plate. The anode may have a surface corresponding to 30% to 70%, preferably 40% to 60%, of the surface of the ion exchange membrane.

Bevorzugt ist es, wenn die Anode aus Titan besteht und die gesamte Fläche der Anode mit einer elektrochemisch aktiven Substanz beschichtet ist.It is preferred if the anode consists of titanium and the entire surface of the anode is coated with an electrochemically active substance.

In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn als elektrochemisch aktive Substanz ein Gemisch aus Iridium und Tantal oder ein Gemisch aus Platin und Iridium verwendet wird. In this context, it has proven to be advantageous if a mixture of iridium and tantalum or a mixture of platinum and iridium is used as the electrochemically active substance.

Vorteilhafterweise beträgt die Belegungsdichte der Anode mit der elektrochemisch aktiven Substanz mindestens 5 g/m2. Besonders vorteilhaft ist eine Belegungsdichte von mindestens 10 g/m2. Bevorzugt ist die Belegung der Anode mit der elektrochemisch aktiven Substanz gleichmäßig ausgebildet, so dass die Stromdichteverteilung über die Gesamtfläche der Anode im bestimmungsgemäßen Betrieb einheitlich ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anode einen Öffnungsgrad von 40–50 % und eine gleichmäßige Beschichtung von etwa 10 g/m2 aufweist, so dass der Sulfattransport auf die Anodenseite deutlich erhöht ist. Hierdurch kann eine höhere durchsatzspezifische Produktausbeute an Sulfatspezies wie Schwefelsäure oder Ammoniumsulfat und durch die vereinheitlichte Stromdichtverteilung eine geringere Spannung und damit ein geringerer spezifischer Energieverbrauch erreicht werden.Advantageously, the occupation density of the anode with the electrochemically active substance is at least 5 g / m 2 . Particularly advantageous is a coverage of at least 10 g / m 2 . Preferably, the coverage of the anode with the electrochemically active substance is uniform, so that the current density distribution over the entire surface of the anode during normal operation is uniform. A preferred embodiment provides that the anode has an opening degree of 40-50% and a uniform coating of about 10 g / m 2 , so that the sulfate transport to the anode side is significantly increased. As a result, a higher throughput-specific product yield of sulfate species such as sulfuric acid or ammonium sulfate and the unified current density distribution a lower voltage and thus a lower specific energy consumption can be achieved.

Bevorzugt sind die Kathode und die Anode derart ausgebildet, dass die anodische Stromdichte um einen Faktor zwischen 1,4 und 3,3, besonders bevorzugt um einen Faktor zwischen 1,7 und 2,5, höher ist als die kathodische Stromdichte. Preferably, the cathode and the anode are formed such that the anodic current density is higher than the cathodic current density by a factor between 1.4 and 3.3, more preferably by a factor between 1.7 and 2.5.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Kathode als ebene, metallische Platte ausgebildet ist. Die Kathode besteht bevorzugt aus einem gegen saure Medien chemisch stabilen Werkstoff, insbesondere aus Nickel oder Edelstahl. An advantageous embodiment provides that the cathode is formed as a flat, metallic plate. The cathode preferably consists of a chemically stable material against acidic media, in particular nickel or stainless steel.

Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher eine Rückwand der Kathodenhalbschale mit der Kathode identisch ist, so dass sich ein konstruktiv einfacherer Aufbau der Kathodenhalbschale ergibt. An embodiment in which a rear wall of the cathode half-shell is identical to the cathode is advantageous, so that a structurally simpler construction of the cathode half-shell results.

Bevorzugt weist die Anodenhalbschale eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand der Anodenhalbschale und/oder die Kathodenhalbschale eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand der kathodenhalbschale auf. Die Stabilisierungseinrichtung ist besonders bevorzugt außerhalb des Kathodenraums bzw. außerhalb des zwischen der Ionenaustauscher-Membran) und der Anode angeordneten Anodenraums vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, so dass sowohl der Kathodenraum als auch der Anodenraum weitgehend hindernisfrei gestaltet werden kann. Die Abstände zwischen der Anode bzw. der Kathode und der Membran können durch Einbringen eines nichtleitenden Materials eingestellt werden, wobei als Material bevorzugt Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden, die im Gegensatz zu den nach Stand der Technik bekannten Füllkörpern nur einen geringen Strömungswiderstand aufweisen. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Kathode über mehrere, insbesondere neun, dreieckförmige Stege stabilisiert wird, die mit der Rückseite der Kathode vollständig oder unterbrochen stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind und aus jeweils zwei im Winkel von bevorzugt 40° bis 60° gegeneinander geneigten und verschweißten Blechen bestehen. Ebenso kann die Anode über mehrere, insbesondere neun, dreieckförmige Stege stabilisiert sein, die mit der Rückseite der Anode vollständig oder unterbrochen stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind und aus jeweils zwei im Winkel von bevorzugt 40° bis 60° gegeneinander geneigten und verschweißten Blechen bestehen. The anode half-shell preferably has a stabilization device for stabilizing the rear wall of the anode half-shell and / or the cathode half-shell has a stabilization device for stabilizing the rear wall of the cathode half-shell. The stabilization device is particularly preferably provided outside the cathode space or outside the anode space arranged between the ion exchange membrane and the anode. This makes it possible, so that both the cathode compartment and the anode compartment can be made largely obstacle-free. The distances between the anode or the cathode and the membrane can be adjusted by introducing a nonconducting material, wherein as a material preferably woven, mesh, threads, cloths, fleece or spun be used, in contrast to the known in the prior art packing only have a low flow resistance. Preference is given to an embodiment in which the cathode is stabilized by a plurality of, in particular nine, triangular webs which are connected to the rear side of the cathode materially or adhesively bonded or adhesively and from two at an angle of preferably 40 ° to 60 ° to each other inclined and welded sheets exist. Likewise, the anode can be stabilized via a plurality of, in particular nine, triangular webs which are connected to the rear side of the anode in a materially or adhesively bonded or adhesively bonded manner and consist of two sheets each inclined and welded at an angle of preferably 40 ° to 60 °.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils unten einen, insbesondere rechteckförmigen, Einlaufkanal auf, über den Zulauflösungen zuführbar sind, wobei der Einlaufkanal die Einlauföffnungen aufweist. Bevorzugt ist es, wenn die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils oben einen, insbesondere rechteckförmigen, Ablaufkanal aufweisen, über den die Produktlösungen abführbar sind, wobei der Ablaufkanal die Ablauföffnungen aufweist.According to a preferred embodiment, the anode half-shell and the cathode half-shell each have at the bottom a, in particular rectangular, inlet channel, via which feed solutions can be fed, wherein the inlet channel has the inlet openings. It is preferred if the anode half-shell and the cathode half-shell each have at the top a, in particular rectangular, drainage channel, via which the product solutions can be discharged, the drainage channel having the drainage openings.

Gemäß einer konstruktiven Ausgestaltung ist an den Einlaufkanal ein zentral angeordneter Einlaufstutzen mittig oben an eine Längsseite des Einlaufkanals angeschweißt. Eine weitere konstruktive Ausgestaltung sieht vor, dass an den Ablaufkanal jeweils ein Ablaufstutzen mittig unten an eine Längsseite des Ablaufkanals angeschweißt ist.According to a structural design, a centrally arranged inlet nozzle is welded to the inlet channel centrally above a longitudinal side of the inlet channel. A further constructional embodiment provides that in each case a drain pipe is welded to the bottom of a down-side of the drain channel to the drain channel.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der kathodische Einlaufkanal unten und der kathodische Ablaufkanal oben mit der Kathode stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind. Vorteilhaft ist es ferner, wenn der anodische Einlaufkanal unten und der anodische Ablaufkanal oben mit der Anodenrückwand stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind. It has proved to be advantageous if the cathodic inlet channel at the bottom and the cathodic outlet channel are connected at the top to the cathode in a cohesive or adhesive manner. Furthermore, it is advantageous if the anodic inlet channel at the bottom and the anodic outlet channel at the top are materially or adhesively connected to the anode rear wall.

Bevorzugt weist der kathodische Einlaufkanal, insbesondere unten, Einlauföffnungen auf, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Einlaufkanals angeordnet sind, wobei der Abstand der Einlauföffnungen bevorzugt mindestens 20 mm und maximal 50 mm beträgt und die Höhe jeder Einlauföffnung bevorzugt mindestens 5 mm und maximal 15 mm. Der kathodische Einlaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen.Preferably, the cathodic inlet channel, in particular below, inlet openings, which are arranged uniformly in series over the entire length of the inlet channel, wherein the distance between the inlet openings is preferably at least 20 mm and a maximum of 50 mm and the height of each inlet opening preferably at least 5 mm and a maximum 15 mm. The cathodic inlet channel can center have a drain connection for connecting a hose or pipe connection.

Vorzugsweise weist der kathodische Ablaufkanal, insbesondere oben, Ablauföffnungen auf, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Ablaufkanals angeordnet sind und deren Gesamtfläche bevorzugt mindestens 30% und besonders bevorzugt mindestens 50% größer ist als die Gesamtfläche der Einlauföffnungen des kathodischen Einlaufkanals. Der kathodische Ablaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen. Preferably, the cathodic drainage channel, in particular above, drainage openings which are arranged uniformly in series over the entire length of the drainage channel and whose total area is preferably at least 30% and more preferably at least 50% greater than the total area of the inlet openings of the cathodic inlet channel. The cathodic drainage channel can centrally have a drain connection for connecting a hose or pipe connection.

Bevorzugt ist es, wenn der anodische Einlaufkanal, insbesondere unten, Einlauföffnungen aufweist, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Einlaufkanals angeordnet sind, wobei der Abstand der Einlauföffnungen bevorzugt mindestens 20 mm und maximal 50 mm beträgt und die Höhe jeder Einlauföffnung bevorzugt mindestens 5 mm und maximal 15 mm. Der anodische Einlaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen. It is preferred if the anodic inlet channel, in particular below, inlet openings, which are arranged uniformly in series over the entire length of the inlet channel, wherein the distance between the inlet openings is preferably at least 20 mm and a maximum of 50 mm and the height of each inlet opening preferably at least 5 mm and a maximum of 15 mm. The anodic inlet channel may have a central outlet connection for connecting a hose or pipe connection.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der anodische Ablaufkanal, insbesondere oben, Ablauföffnungen aufweist, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Ablaufkanals angeordnet sind und deren Gesamtfläche bevorzugt mindestens 30% und besonders bevorzugt mindestens 50% größer ist als die Gesamtfläche der Einlauföffnungen des anodischen Einlaufkanals. Der anodische Ablaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen. An advantageous embodiment provides that the anodic drainage channel, in particular at the top, has drainage openings which are arranged uniformly in series over the entire length of the drainage channel and whose total area is preferably at least 30% and particularly preferably at least 50% greater than the total area of the inlet openings of the anodic inlet channel. The anodic drainage channel can centrally have a drain connection for connecting a hose or pipe connection.

Vorteilhaft ist es, wenn die Kathodenhalbschale mindestens einen, bevorzugt zwei, Spülstutzen aufweist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kathodenhalbschale am linken und rechten Rand der Kathode mindestens jeweils einen Spülstutzen aufweist. Die Spülstutzen können waagerecht ausgerichtet und/oder stirnseitig angebracht sein. It is advantageous if the cathode half-shell has at least one, preferably two, flushing nozzles. It is particularly advantageous if the cathode half-shell has at least one flushing connection each at the left and the right-hand edge of the cathode. The flushing nozzles can be horizontally aligned and / or mounted on the front side.

Bei einem bipolaren Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen trägt es zur Lösung der Aufgabe bei, wenn die Zellelemente wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind. In a bipolar electrolyzer with several cell elements connected in series, it contributes to the solution of the problem when the cell elements are designed as described above.

Ein bipolarer Elektrolyseur, der aus einzelnen Zellelementen besteht, die elektrisch in Reihe – also bipolar – verschaltet sind ist kostengünstiger und einfacher zu regeln als ein monopolar aufgebauter Elektrolyseur, beispielsweise ein aus Dreikammerzellen aufgebauter Elektrolyseur. Beim bipolaren Elektrolyseur ist der Strom und damit die Last immer gleich, so dass aufgrund der gleichen elektrochemischen Produktion bzw. Umsetzung eine einfache hydraulische Regelung des kathodisch zugeführten schwefelsauren Wassers möglich ist. Auch der Verkabelungsaufwand und der umbaute Raum eines bipolaren Elektrolyseurs sind deutlich geringer und damit unter Kostengesichtspunkten wirtschaftlicher.A bipolar electrolyzer, which consists of individual cell elements that are electrically connected in series - ie bipolar - is cheaper and easier to regulate than a monopolar electrolyser, for example, an electrolyzer constructed of three-chamber cells. When bipolar electrolyzer the current and thus the load is always the same, so that due to the same electrochemical production or implementation of a simple hydraulic control of the cathodically supplied Sulphurous water is possible. The cabling work and the enclosed space of a bipolar electrolyzer are also significantly lower and therefore more cost-effective.

Die Zellelemente des Elektrolyseurs sind so konstruiert, dass sie sich bipolar, also in Reihe zu einem technischen Elektrolyseur zusammenschalten lassen, um eine möglichst einfache Stromversorgung zu ermöglichen, die wenig Aufwand in Form von Verkabelung und Personal zur Installation erfordert und gleichzeitig die Behandlung großer Wassermengen erlaubt. Idealerweise lassen sich dazu die Ein- und Ablaufkanäle der Kathoden bzw. Anoden derart verbinden, dass zentral nur eine Versorgungsleitung erforderlich ist, wo über geeignete Instrumente der Zufluss und damit die aufzubereitende Wassermenge geregelt werden kann. Ein derartiger Elektrolyseur erfordert aufgrund der vertikalen Anordnung vieler Elemente in einem Stahlgestell wenig Platzbedarf und reduziert den unter wirtschaftlichen Aspekten umbauten Raum der Einhausung, um die Anlage unter Sicherheitsaspekten fachgerecht betreiben zu können.The cell elements of the electrolyzer are designed so that they can be connected in bipolar, ie in series to a technical electrolyser, to allow the simplest possible power supply, which requires little effort in the form of wiring and personnel for installation while allowing the treatment of large amounts of water , Ideally, the inlet and outlet channels of the cathodes or anodes can be connected in such a way that centrally only one supply line is required, where the inflow and thus the amount of water to be treated can be regulated by means of suitable instruments. Due to the vertical arrangement of many elements in a steel frame, such an electrolyzer requires little space and reduces the space of the enclosure, which has been converted under economic aspects, in order to be able to professionally operate the installation under safety aspects.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in 115 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention is based on a in 1 - 15 illustrated embodiment will be explained in more detail.

1 Innenansicht der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 1 Interior view of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention

2 Außenansicht der Rückwand der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 2 External view of the rear wall of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention

3 Schematische Ansicht der Anordnungen der Rückwandverstrebungen der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 3 Schematic view of the arrangements of the back wall struts of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention

4 Querschnitt der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 4 Cross section of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention

5 Schematische Ansicht des Einlaufkanals der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 5 Schematic view of the inlet channel of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention

6 Schematische Ansicht des Ablaufkanals der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 6 Schematic view of the drainage channel of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention

7 Schematische Darstellung des Querschnitts der kathodischen Vorrichtung zur Gasversorgung und Gaseindüsung 7 Schematic representation of the cross section of the cathodic device for gas supply and gas injection

8 Innenansicht der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 8th Interior view of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention

9 Außenansicht der Rückwand der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 9 External view of the rear wall of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention

10 Schematische Ansicht der Anordnungen der Rückwandverstrebungen der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 10 Schematic view of the arrangements of the back wall struts of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention

11 Querschnitt der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 11 Cross section of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention

12 Schematische Ansicht des Einlaufkanals der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 12 Schematic view of the inlet channel of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention

13 Schematische Ansicht des Ablaufkanals der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs 13 Schematic view of the drainage channel of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention

14 Schematische Darstellung der Anordnung von Anode und Aussparungen des Ablaufkanals eines erfindungsgemäßen Elektrolyseur zur Ableitung des Anolyts 14 Schematic representation of the arrangement of the anode and recesses of the drainage channel of an electrolyzer according to the invention for the discharge of the anolyte

15 Schematische Darstellung der Anordnung von kathodischer und anodischer Halbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im montierten Zustand 15 Schematic representation of the arrangement of cathodic and anodic half-shell of an electrolyzer according to the invention in the assembled state

1 zeigt die Innenansicht einer Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs. Die rechteckförmige Halbschale verfügt über einen rahmenartig ausgeführten Flansch 3, über den die Kathodenhalbschale 1 mit der Anodenhalbschale 2 über ein Schraubsystem, dass durch Schraubendurchführungen 4 geführt wird, verbunden ist. Das schwefelsaure Wasser wird über einen Einlaufstutzen 16b in den Einlaufkanal 5b im Bodenbereich der Zelle zugeführt, wobei das Wasser gleichmäßig über die Breite verteilt durch Einlauföffnungen 7b im Einlaufkanal 5b in den Kathodenraum 14 eintritt und nach oben strömt. Über mehrere Gaseinspeisungsvorrichtungen 11 wird Gas in Form von Luft oder CO2 in das zu reinigende, schwefelsaure Wasser eingedüst, um den kathodischen Neutralisationsprozess zu beschleunigen. Die Einbauhöhe der Gaseinspeisungsvorrichtungen 11 hängt vom pH-Wert und den Inhaltsstoffen des schwefelsauren Wassers ab und kann demzufolge prozessabhängig variiert werden, um eine optimierte Sulfatabreicherung zu erzielen. In der schematischen Darstellung sind zwei Höhen beispielhaft angegeben, wobei eine erste Gaseinspeisungsvorrichtung 11 in einem Abstand von 300–400 mm oberhalb des Einlaufkanals 5b und eine zweite Gaseinspeisungsvorrichtung 11 in einem Abstand von 600–800 mm oberhalb des Einlaufkanals 5b angeordnet ist. Während des Aufströmens läuft die Neutralisationsreaktion ab, wobei der Elektrolysestrom über die Kathode 9 zugeführt wird. Das neutralisierte Wasser verlässt den Kathodenraum 14 über Ablauföffnungen 8b zum Ablaufkanal 6b, aus dem das Wasser über einen Ablaufstutzen 17b austritt. 1 shows the interior view of a cathode half-shell 1 an electrolyzer according to the invention. The rectangular half-shell has a frame-like flange 3 over which the cathode half-shell 1 with the anode half shell 2 about a screw system that through screw holes 4 is connected. The sulfuric acid water is via an inlet pipe 16b in the inlet channel 5b fed in the bottom area of the cell, the water evenly distributed over the width through inlet openings 7b in the inlet channel 5b in the cathode compartment 14 enters and flows upwards. Over several gas supply devices 11 In the form of air or CO 2 , gas is injected into the sulfuric acid water to be purified in order to accelerate the cathodic neutralization process. The installation height of the gas feed devices 11 depends on the pH value and the constituents of the sulfuric acid water and can therefore be varied depending on the process in order to achieve optimized sulfate depletion. In the schematic illustration, two heights are exemplified, wherein a first gas feed device 11 at a distance of 300-400 mm above the inlet channel 5b and a second gas feeding device 11 at a distance of 600-800 mm above the inlet channel 5b is arranged. During the upflow, the neutralization reaction takes place, the electrolysis current passing through the cathode 9 is supplied. The neutralized water leaves the cathode compartment 14 over drainage openings 8b to the drainage channel 6b from which the water flows through a drain neck 17b exit.

2 zeigt die Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs von der Außenseite. Zwischen dem unten angeordneten Einlaufkanal 5b und dem oben angeordneten Ablaufkanal 6b für das Wasser liegt die Rückwand des Kathodenraums 14, die gleichzeitig als Kathode 9 arbeitet. Die konstruktive Stabilisierung der Kathodenhalbschale 1 erfolgt durch eine Stabilisierungseinrichtung mit neun über die Zellenbreite gleichmäßig verteilten Stegen 12, deren schematische Anordnung in 3 dargestellt ist. Die Stege 12 sind dreiecksförmig ausgeführt und mit der Kathode 9 ganz oder unterbrochen verschweißt. Die schräg angesetzten Bleche der Stege 12 sind dabei in einem Winkel von 40 bis 60° gegen die Senkrechte geneigt. 2 shows the cathode half shell 1 an electrolyzer according to the invention from the outside. Between the inlet channel located below 5b and the drainage channel located above 6b for the water is the back wall of the cathode compartment 14 , at the same time as a cathode 9 is working. The constructive stabilization of the cathode half shell 1 is performed by a stabilizer with nine evenly distributed over the cell width webs 12 whose schematic arrangement is in 3 is shown. The bridges 12 are triangular and with the cathode 9 welded completely or intermittently. The obliquely placed sheets of the webs 12 are inclined at an angle of 40 to 60 ° to the vertical.

Die Gleichverteilung der dreieckförmig angeordneten Stege 12 geht aus 4 hervor, die einen Querschnitt der Kathodenhalbschale 1 des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs zeigt.The uniform distribution of the triangularly arranged webs 12 comes from 4 showing a cross section of the cathode half-shell 1 of the electrolyzer according to the invention shows.

In 5 ist der rechteckförmige Einlaufkanal 5b der Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs in Querschnitt dargestellt. An den Einlaufkanal 5b ist ein ovalförmiger Einlaufstutzen 16b mittig angeschweißt, der beispielsweise über eine Schlauchverbindung, flexible Rohranschlüsse oder Ähnliches die Zuführung des schwefelsauren Wassers erlaubt. Das Wasser tritt über die unten angebrachten Einlauföffnungen 7b in den Kathodenraum 14, der durch die Ionentauscher-Membran 13 einerseits und die Kathode 9 andererseits definiert wird. Die Kathode 9 ist mit dem Einlaufkanal 5b stoffschlüssig oder adhäsiv flüssigkeitsdicht verbunden.In 5 is the rectangular inlet channel 5b the cathode half-shell 1 of a cell element according to the invention of an electrolyzer shown in cross section. To the inlet channel 5b is an oval-shaped inlet nozzle 16b welded on the center, which allows, for example, a hose connection, flexible pipe connections or the like, the supply of sulfuric acid water. The water enters via the inlet openings at the bottom 7b in the cathode compartment 14 passing through the ion exchange membrane 13 on the one hand and the cathode 9 on the other hand is defined. The cathode 9 is with the inlet channel 5b cohesive or adhesive liquid-tight connected.

6 zeigt analog den Querschnitt des rechteckig ausgeführten Ablaufkanals 6b der Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs. Das neutralisierte Wasser tritt über die im Kanal oben angebrachten Ablauföffnungen 8b in den Ablaufkanal 6b und wird von dort gesammelt abgeleitet. Der Ablaufkanal 6b ist mit der Kathode 9 stoffschlüssig oder adhäsiv flüssigkeitsdicht verbunden. 6 shows analogously to the cross section of the rectangular discharge channel 6b the cathode half-shell 1 a cell element of an electrolyzer according to the invention. The neutralized water enters via the drainage openings in the upper channel 8b into the drainage channel 6b and is derived from there collected. The drainage channel 6b is with the cathode 9 cohesive or adhesive liquid-tight connected.

In 7 ist eine Gaseinspeisungsvorrichtung 11 zur Versorgung der Kathodenhalbschale 1 mit Gas in Form von Luft bzw. CO2 im Querschnitt schematisch dargestellt. Über einen Stutzen 19 wird das Gas in den rohrförmigen Gasverteiler 18 geleitet, der über die ganze Breite der Kathodenhalbschale 1 angeordnet ist. Bei dem Zellelement gemäß dem Ausführungsbeispiel sind mehrere Gaseinspeisungsvorrichtungen 11 vorgesehen, über welche das Gas fein verteilt in das Wasser eingedüst wird.In 7 is a gas feed device 11 for supplying the cathode half-shell 1 shown schematically with gas in the form of air or CO 2 in cross section. About a neck 19 the gas enters the tubular gas distributor 18 passed over the entire width of the cathode half-shell 1 is arranged. In the cell element according to the embodiment, a plurality of gas feeding devices 11 provided, via which the gas is injected finely distributed in the water.

8 zeigt die Innenansicht einer Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs. Die rechteckförmige Anodenhalbschale 2 verfügt über einen rahmenartig ausgeführten Flansch 3, über den die Anodenhalbschale 2 mit der Kathodenhalbschale 1 über ein Schraubsystem, dass durch Schraubendurchführungen 4 geführt wird, verbunden wird. Der Anolyt wird über einen Einlaufstutzen 16a in den Einlaufkanal 5a im Bodenbereich der Zelle zugeführt, wobei die Lösung gleichmäßig über die Breite verteilt durch Einlauföffnungen 7a im Einlaufkanal 5a in den Anodenraum 15 eintritt und nach oben strömt. Während des Aufströmens reichert sich das sulfathaltige Produkt aufgrund des Übertritts des Sulfats aus dem Kathodenraum 14 an, wobei der Elektrolysestrom über die Anode 10 abgeführt wird. Der Anolyt verlässt den Anodenraum 15 über Ablauföffnungen 8a des Ablaufkanals 6a, aus dem der Anolyt über einen Ablaufstutzen 17a austritt. 8th shows the interior view of an anode half-shell 2 a cell element of an electrolyzer according to the invention. The rectangular anode half shell 2 has a frame-like flange 3 over which the anode half shell 2 with the cathode half shell 1 about a screw system that through screw holes 4 is conducted. The anolyte is via an inlet connection 16a in the inlet channel 5a supplied in the bottom region of the cell, wherein the solution evenly distributed over the width through inlet openings 7a in the inlet channel 5a in the anode compartment 15 enters and flows upwards. During the Aufströmens the sulphate-containing product is enriched due to the passage of the sulfate from the cathode compartment 14 with the electrolysis current across the anode 10 is dissipated. The anolyte leaves the anode compartment 15 over drainage openings 8a of the drainage channel 6a from which the anolyte via a drain neck 17a exit.

9 zeigt die Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs von der Außenseite. Zwischen dem unten angeordneten Einlaufkanal 5a und dem oben angeordneten Ablaufkanal 6a für den Anolyt liegt die Rückwand 21 des Anodenraums 15, die mit der Anode 10 verschweißt ist. Die konstruktive Stabilisierung der Anodenhalbschale 2 erfolgt durch eine Stabilisierungseinrichtung mit neun über die Zellenbreite gleichmäßig verteilten Stegen 12, deren schematische Anordnung in 10 dargestellt ist. Die Stege 12 sind dreiecksförmig ausgeführt und mit der Anodenrückwand 21 verschweißt. Die schräg angesetzten Bleche der Stege 12 sind dabei in einem Winkel von 40 bis 60° gegen die Senkrechte geneigt. 9 shows the anode half shell 2 a cell element according to the invention of the electrolyzer from the outside. Between the inlet channel located below 5a and the drainage channel located above 6a for the anolyte lies the back wall 21 of the anode compartment 15 that with the anode 10 is welded. The structural stabilization of the anode half shell 2 is performed by a stabilizer with nine evenly distributed over the cell width webs 12 whose schematic arrangement is in 10 is shown. The bridges 12 are designed triangular and with the anode back wall 21 welded. The obliquely placed sheets of the webs 12 are inclined at an angle of 40 to 60 ° to the vertical.

Die Gleichverteilung der dreieckförmig angeordneten Stege 12 geht aus 11 hervor, die einen Querschnitt der Anodenhalbschale 2 des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs zeigt.The uniform distribution of the triangularly arranged webs 12 comes from 11 showing a cross section of the anode half shell 2 of the electrolyzer according to the invention shows.

In 12 ist der rechteckförmige Einlaufkanal 5a der Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs im Querschnitt dargestellt. An den Einlaufkanal 5a ist ein ovalförmiger Einlaufstutzen 16a mittig angeschweißt, der beispielsweise über eine Schlauchverbindung, flexible Rohranschlüse oder Ähnliches die Zuführung des Anolyts erlaubt. Die Lösung tritt über die unten angebrachten Einlauföffnungen 7a in den Anodenraum 15, der durch die Ionentauscher-Membran 13 einerseits und die Anode 10 andererseits definiert wird. Die Anode 10 ist mit der Anodenrückwand 21 und diese mit dem Einlaufkanal 5a verschweißt.In 12 is the rectangular inlet channel 5a the anode half shell 2 of a cell element according to the invention of the electrolyzer shown in cross section. To the inlet channel 5a is an oval-shaped inlet nozzle 16a welded on the center, which allows for example via a hose connection, flexible pipe connection or the like, the supply of the anolyte. The solution enters via the inlet openings at the bottom 7a in the anode compartment 15 passing through the ion exchange membrane 13 on the one hand and the anode 10 on the other hand is defined. The anode 10 is with the anode back wall 21 and these with the inlet channel 5a welded.

13 zeigt analog den Querschnitt des rechteckig ausgeführten Ablaufkanals 6a der Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs. Der angereicherte Anolyt tritt über die im Ablaufkanal 6a oben angebrachten Ablauföffnungen 8a in den Ablaufkanal 6a und wird von dort gesammelt abgeleitet. Der Ablaufkanal 6a ist mit der Anodenrückwand 21 verschweißt. 13 shows analogously to the cross section of the rectangular discharge channel 6a the anode half shell 2 a cell element of the electrolyzer according to the invention. The enriched anolyte enters through the drainage channel 6a top drain holes 8a into the drainage channel 6a and is derived from there collected. The drainage channel 6a is with the anode back wall 21 welded.

Die Ausführung der Anode 10 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs ist schematisch in 14 dargestellt. Die Anode 10 ist als Lochblech ausgeführt und verfügt über regelmäßige Öffnungen 20, deren Gesamtfläche 50 bis 60% der gesamten Fläche der Anode 10 beträgt. Die elektrochemisch aktive Fläche der Anode 10 beträgt somit 40–50% ihrer rechnerischen Fläche aus Länge multipliziert mit Breite. Die Anode 10 ist so ausgeführt, dass die Ablauföffnungen 8a zum Ablaufkanal 6a nicht von der Anode 10 bedeckt werden, um die Gesamtfläche der Fläche der Ablauföffnungen 8a nutzen zu können. Dementsprechend bedeckt die Anode 10 auch nicht die Einlauföffnungen 7a des Einlaufkanals 5a im Bodenbereich der Anodenhalbschale 2. The execution of the anode 10 a cell element of the electrolyzer according to the invention is shown schematically in FIG 14 shown. The anode 10 is designed as a perforated plate and has regular openings 20 whose total area is 50 to 60% of the total area of the anode 10 is. The electrochemically active surface of the anode 10 is thus 40-50% of its arithmetic area of length multiplied by width. The anode 10 is designed so that the drain holes 8a to the drainage channel 6a not from the anode 10 be covered to the total area of the surface of the drainage holes 8a to be able to use. Accordingly, the anode covers 10 not even the inlet openings 7a of the inlet channel 5a in the bottom area of the anode half shell 2 ,

15 zeigt schließlich eine schematische Darstellung der Anordnung von kathodischerund anodischer Halbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs im montierten Zustand. Die Einlaufkanäle 5a, 5b und die Ablaufkanäle 6a, 6b der Anodenhalbschale 2 und der Kathodenhalbschale 1 sind jeweils zueinander orientiert. Die Kathodenhalbschale 1 und die Anodenhalbschale 2 sind über die Flansche 3 miteinander verschraubt. Die Anodenhalbschale 2 und die Kathodenhalbschale 1 weisen jeweils mehrere Einlauföffnungen 7a, 7b und mehrere Ablauföffnungen 8a, 8b auf, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen 7a, 7b kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen 8a, 8b. Die Kathodenhalbschale 1 weist ferner eine Gaseinspeisungsvorrichtung 11 auf, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale 1, insbesondere einen zwischen der Ionentauscher-Membran 13 und der Kathode 9 angeordneten Kathodenraum 14 einleitbar ist. Hierdurch wird die Verfügbarkeit des Elektrolyseurs erhöht und die Wasseraufbereitungsleistung gesteigert. Zudem werden durch das erfindungsgemäße Zellelement die nachfolgende aufgeführten Nachteile des Stands der Technik überwunden:

  • – Monopolare Verschaltung der Einzelelemente zu einem Elektrolyseur mit hohem Platzbedarf und Verkabelungsaufwand,
  • – relativ hohes Anlagenausfallrisiko durch Membranwechsel,
  • – ungleichmäßige Stromdichteverteilung,
  • – hoher Personal- und Fertigungsaufwand zur Herstellung der anodischen Elektrodenbeschichtung,
  • – aufwändige Maßstabsvergrößerung,
  • – hoher Regelungsaufwand,
  • – mangelnde Reinigungsmöglichkeit zur Entfernung kathodisch erzeugter Fällprodukte und
  • – geringe Anlagenverfügbarkeit durch regelmäßiges Entfernen des Fällschlamms.
15 finally shows a schematic representation of the arrangement of cathodic and anodic half-shell 2 a cell element according to the invention of the electrolyzer in the assembled state. The inlet channels 5a . 5b and the drainage channels 6a . 6b the anode half shell 2 and the cathode half shell 1 are each oriented to each other. The cathode half shell 1 and the anode half shell 2 are over the flanges 3 screwed together. The anode half shell 2 and the cathode half-shell 1 each have several inlet openings 7a . 7b and several drainage holes 8a . 8b on, taking the total area of the inlet openings 7a . 7b smaller than the total area of the drainage holes 8a . 8b , The cathode half shell 1 further includes a gas feeding device 11 on which a gas enters the cathode half-shell 1 , in particular one between the ion exchange membrane 13 and the cathode 9 arranged cathode compartment 14 can be introduced. This increases the availability of the electrolyzer and increases the water treatment performance. In addition, the following disadvantages of the prior art are overcome by the cell element according to the invention:
  • - Monopolar interconnection of the individual elements to an electrolyzer with a high space requirement and cabling costs,
  • - relatively high plant failure risk due to membrane changes,
  • Uneven current density distribution,
  • High labor and manufacturing costs for producing the anodic electrode coating,
  • - elaborate scale-up,
  • - high regulation effort,
  • - Lack of cleaning ability to remove cathodically generated precipitates and
  • - low system availability through regular removal of the precipitated sludge.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Kathodenhalbschale Cathode half-shell
22
Anodenhalbschale Anode half shell
33
Rahmenartiger Flanschbereich  Frame-like flange area
44
Schraubendurchführungen  Screw bushings
5a 5a
Anodischer EinlaufkanalAnodic inlet channel
5b5b
Kathodischer Einlaufkanal Cathodic inlet channel
6a6a
Anodischer Ablaufkanal Anodic drainage channel
6b6b
Kathodischer Ablaufkanal  Cathodic drainage channel
7a7a
Öffnungen anodischer Einlaufkanal Openings anodic inlet channel
7b7b
Öffnungen kathodischer Einlaufkanal Openings cathodic inlet channel
8a8a
Öffnungen anodischer Ablaufkanal Openings anodic drainage channel
8b8b
Öffnungen kathodischer Ablaufkanal Openings cathodic drainage channel
99
Kathode cathode
1010
Anode anode
1111
Vorrichtung zur Gaseinspeisung Device for gas supply
1212
Steg web
1313
Ionenaustauschermembran ion exchange membrane
1414
Kathodenraum cathode space
1515
Anodenraum anode chamber
16a16a
Einlaufstutzen anodischer Einlaufkanal Inlet neck anodic inlet channel
16b16b
Einlaufstutzen kathodischer Einlaufkanal Inlet neck cathodic inlet channel
17a17a
Ablaufstutzen anodischer Ablaufkanal Drain nozzle anodic drainage channel
17b17b
Ablaufstutzen kathodischer Ablaufkanal Drain nozzle cathodic drainage channel
1818
Gasverteiler gas distributor
1919
Gasversorgungsstutzen Gas supply nozzle
2020
Öffnungen in der Anode Openings in the anode
2121
Anodenrückwand Anode backplane

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19624023 B9 [0005, 0010] DE 19624023 B9 [0005, 0010]
  • EP 0026591 A1 [0010] EP 0026591 A1 [0010]
  • DE 3614005 A1 [0010] DE 3614005 A1 [0010]
  • WO 2007144055 A1 [0011, 0012, 0014, 0017, 0023, 0023] WO 2007144055 A1 [0011, 0012, 0014, 0017, 0023, 0023]
  • DE 102004026447 B4 [0014, 0017, 0023] DE 102004026447 B4 [0014, 0017, 0023]
  • DE 102004026447 [0023] DE 102004026447 [0023]

Claims (18)

Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalbschale (2) mit einer Anode (10), eine Kathodenhalbschale (1) mit einer Kathode (9) und eine zwischen der Anode (10) und der Kathode (9) angeordnete Ionenaustauscher-Membran (13), wobei die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1) jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich (3) zur Verbindung der Anodenhalbschale (2) mit der Kathodenhalbschale (10) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1) jeweils mehrere Einlauföffnungen (7a, 7b) und mehrere Ablauföffnungen (8a, 8b) aufweisen, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen (7a, 7b) kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen (8a, 8b), und die Kathodenhalbschale (1) eine Gaseinspeisungsvorrichtung (11) aufweist, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale (1), insbesondere einen zwischen der Ionenaustauscher-Membran (13) und der Kathode (9) angeordneten Kathodenraum (14) einleitbar ist. Cell element for a bipolar electrolyzer for electrochemical water treatment, comprising an anode half-shell ( 2 ) with an anode ( 10 ), a cathode half-shell ( 1 ) with a cathode ( 9 ) and one between the anode ( 10 ) and the cathode ( 9 ) arranged ion exchange membrane ( 13 ), wherein the anode half shell ( 2 ) and the cathode half-shell ( 1 ) each have an outer wall with a flange area ( 3 ) for connecting the anode half-shell ( 2 ) with the cathode half-shell ( 10 ), characterized in that the anode half-shell ( 2 ) and the cathode half-shell ( 1 ) each have a plurality of inlet openings ( 7a . 7b ) and several drain openings ( 8a . 8b ), wherein the total area of the inlet openings ( 7a . 7b ) is smaller than the total area of the drainage openings ( 8a . 8b ), and the cathode half-shell ( 1 ) a gas feed device ( 11 ), via which a gas in the cathode half-shell ( 1 ), in particular one between the ion exchange membrane ( 13 ) and the cathode ( 9 ) arranged cathode space ( 14 ) can be introduced. Zellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der Einlauföffnungen (7a, 7b) um mindestens 30 %, bevorzugt um mindestens 50 %, kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen (8a, 8b).Cell element according to claim 1, characterized in that the total area of the inlet openings ( 7a . 7b ) is at least 30%, preferably at least 50%, smaller than the total area of the drainage openings ( 8a . 8b ). Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinspeisungsvorrichtung (11) einen rohrförmigen Gasverteiler (18) aufweist, der sich über die ganze Breite der Kathodenhalbschale (1) erstreckt. Cell element according to one of the preceding claims, characterized in that the gas feed device ( 11 ) a tubular gas distributor ( 18 ), which extends over the entire width of the cathode half-shell ( 1 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (10) mit einer Rückwand (21) der Anodenhalbschale (2) stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anode ( 10 ) with a back wall ( 21 ) of the anode half shell ( 2 ) is bonded cohesively or adhesively. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (10) aus Titan besteht und die gesamte Fläche der Anode (10) mit einer elektrochemisch aktiven Substanz beschichtet ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anode ( 10 ) consists of titanium and the entire surface of the anode ( 10 ) is coated with an electrochemically active substance. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Substanz ein Gemisch aus Iridium und Tantal oder ein Gemisch aus Platin und Iridium ist. Apparatus according to claim 5, characterized in that the electrochemical substance is a mixture of iridium and tantalum or a mixture of platinum and iridium. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belegungsdichte der Anode (10) mit der elektrochemisch aktiven Substanz mindestens 5 g/m2, bevorzugt mindestens 10 g/m2 beträgt. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the occupation density of the anode ( 10 ) with the electrochemically active substance is at least 5 g / m 2 , preferably at least 10 g / m 2 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (9) und die Anode (10) derart ausgebildet sind, dass die anodische Stromdichte um einen Faktor zwischen 1,4 und 3,3, besonders bevorzugt um einen Faktor zwischen 1,7 und 2,5, höher ist als die kathodische Stromdichte. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode ( 9 ) and the anode ( 10 ) are formed such that the anodic current density is higher than the cathodic current density by a factor between 1.4 and 3.3, more preferably by a factor between 1.7 and 2.5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (9) als ebene, metallische Platte ausgebildet ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode ( 9 ) is formed as a flat, metallic plate. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (9) aus einem gegen saure Medien chemisch stabilen Werkstoff, insbesondere aus Nickel oder Edelstahl, besteht.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode ( 9 ) consists of a chemically stable material against acidic media, in particular nickel or stainless steel. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückwand der Kathodenhalbschale (1) mit der Kathode (9) identisch ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a rear wall of the cathode half-shell ( 1 ) with the cathode ( 9 ) is identical. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhalbschale (2) eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand (21) der Anodenhalbschale (2) und/oder die Kathodenhalbschale (1) eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand der Kathodenhalbschale (1) aufweist, wobei die Stabilisierungseinrichtung außerhalb des Kathodenraums (14) bzw. außerhalb des zwischen der Ionenaustauscher-Membran (13) und der Anode (10) angeordneten Anodenraums (15) vorgesehen ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anode half-shell ( 2 ) a stabilization device for stabilizing the rear wall ( 21 ) of the anode half shell ( 2 ) and / or the cathode half-shell ( 1 ) a stabilizing device for stabilizing the rear wall of the cathode half-shell ( 1 ), wherein the stabilization device outside the cathode space ( 14 ) or outside between the ion exchange membrane ( 13 ) and the anode ( 10 ) arranged anode space ( 15 ) is provided. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1) jeweils unten einen, insbesondere rechteckförmigen, Einlaufkanal (5a, 5b) aufweisen, über den Zulauflösungen zugeführbar sind, wobei der Einlaufkanal (5a, 5b) die Einlauföffnungen (7a, 7b) aufweist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anode half-shell ( 2 ) and the cathode half-shell ( 1 ) at the bottom one, in particular rectangular, inlet channel ( 5a . 5b ), via which feed solutions can be supplied, wherein the inlet channel ( 5a . 5b ) the inlet openings ( 7a . 7b ) having. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1) jeweils oben einen, insbesondere rechteckförmigen, Ablaufkanal (6a, 6b) aufweisen, über den Produktlösungen abführbar sind, wobei der Ablaufkanal (6a, 6b) die Ablauföffnungen (8a, 8b) aufweist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anode half-shell ( 2 ) and the cathode half-shell ( 1 ) each one above, in particular rectangular, drain channel ( 6a . 6b ) are discharged through the product solutions, wherein the drainage channel ( 6a . 6b ) the drainage openings ( 8a . 8b ) having. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische Einlaufkanal (5b) unten und der kathodische Ablaufkanal (6b) oben mit der Kathode (9) stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cathodic inlet channel ( 5b ) below and the cathodic drain channel ( 6b ) above with the cathode ( 9 ) are bonded cohesively or adhesively. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Einlaufkanal (5a) unten und der anodische Ablaufkanal (6b) oben mit der Anodenrückwand (21) stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the anodic inlet channel ( 5a ) below and the anodic drainage channel ( 6b ) at the top with the anode back wall ( 21 ) are bonded cohesively or adhesively. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenhalbschale mindestens einen, bevorzugt zwei, Spülstutzen aufweist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode half-shell has at least one, preferably two, flushing. Bipolarer Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellelemente nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.A bipolar electrolyzer with a plurality of cell elements connected in series, characterized in that the cell elements are designed according to one of the preceding claims.
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