DE102015118352A1 - Electrolyzer for electrochemical water treatment - Google Patents
Electrolyzer for electrochemical water treatment Download PDFInfo
- Publication number
- DE102015118352A1 DE102015118352A1 DE102015118352.8A DE102015118352A DE102015118352A1 DE 102015118352 A1 DE102015118352 A1 DE 102015118352A1 DE 102015118352 A DE102015118352 A DE 102015118352A DE 102015118352 A1 DE102015118352 A1 DE 102015118352A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- shell
- cathode
- anode
- openings
- inlet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/4618—Devices therefor; Their operating or servicing for producing "ionised" acidic or basic water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/66—Treatment of water, waste water, or sewage by neutralisation; pH adjustment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46119—Cleaning the electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46128—Bipolar electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
- C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
- C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
- C02F2001/46142—Catalytic coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
- C02F2101/101—Sulfur compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
- C02F2101/20—Heavy metals or heavy metal compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/007—Contaminated open waterways, rivers, lakes or ponds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/10—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from quarries or from mining activities
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
- C02F2201/461—Electrolysis apparatus
- C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
- C02F2201/4611—Fluid flow
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
- C02F2201/461—Electrolysis apparatus
- C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
- C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
- C02F2201/461—Electrolysis apparatus
- C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
- C02F2201/4619—Supplying gas to the electrolyte
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
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:
In gleicher Weise wirkt prinzipiell die simultan ablaufende elektrochemische Reduktion von im Wasser gelösten Sauerstoff zu Hydroxidionen neutralisierend.
Die Reaktion (
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.
In der
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
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
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
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
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
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
Die Gleichverteilung der dreieckförmig angeordneten Stege
In
In
Die Gleichverteilung der dreieckförmig angeordneten Stege
In
Die Ausführung der Anode
- – 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.
- - 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
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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
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)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015118352.8A DE102015118352A1 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Electrolyzer for electrochemical water treatment |
PCT/EP2016/075608 WO2017072091A1 (en) | 2015-10-27 | 2016-10-25 | Electrolyzer for electrochemical water treatment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015118352.8A DE102015118352A1 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Electrolyzer for electrochemical water treatment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102015118352A1 true DE102015118352A1 (en) | 2017-04-27 |
Family
ID=57184485
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102015118352.8A Pending DE102015118352A1 (en) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Electrolyzer for electrochemical water treatment |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102015118352A1 (en) |
WO (1) | WO2017072091A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111727274A (en) * | 2018-02-22 | 2020-09-29 | 松下知识产权经营株式会社 | Device for electrolysis |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0026591A1 (en) | 1979-09-07 | 1981-04-08 | National Research Development Corporation | Control of the pH or ion concentration of an electrolyte stream |
DE3614005A1 (en) | 1986-04-25 | 1987-10-29 | Westfael Elekt Werke | METHOD FOR DESCONDING SMOKE GAS |
DE102004026447A1 (en) | 2004-05-29 | 2005-12-22 | Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. | Process and apparatus for separating sulfate ions from waters and for introducing buffer capacity into waters |
DE102006028168A1 (en) * | 2006-06-16 | 2007-12-20 | Uhde Gmbh | Apparatus for electrochemical water treatment |
DE19624023B9 (en) | 1996-06-17 | 2009-05-20 | Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. | Process for the remediation of acidic, iron-containing open cast mining water |
-
2015
- 2015-10-27 DE DE102015118352.8A patent/DE102015118352A1/en active Pending
-
2016
- 2016-10-25 WO PCT/EP2016/075608 patent/WO2017072091A1/en active Application Filing
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0026591A1 (en) | 1979-09-07 | 1981-04-08 | National Research Development Corporation | Control of the pH or ion concentration of an electrolyte stream |
DE3614005A1 (en) | 1986-04-25 | 1987-10-29 | Westfael Elekt Werke | METHOD FOR DESCONDING SMOKE GAS |
DE19624023B9 (en) | 1996-06-17 | 2009-05-20 | Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. | Process for the remediation of acidic, iron-containing open cast mining water |
DE102004026447A1 (en) | 2004-05-29 | 2005-12-22 | Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. | Process and apparatus for separating sulfate ions from waters and for introducing buffer capacity into waters |
DE102004026447B4 (en) | 2004-05-29 | 2009-09-10 | Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. | Process and apparatus for separating sulfate ions from waters and for introducing buffer capacity into waters |
DE102006028168A1 (en) * | 2006-06-16 | 2007-12-20 | Uhde Gmbh | Apparatus for electrochemical water treatment |
WO2007144055A1 (en) | 2006-06-16 | 2007-12-21 | Uhde Gmbh | Device for electrochemical water preparation |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111727274A (en) * | 2018-02-22 | 2020-09-29 | 松下知识产权经营株式会社 | Device for electrolysis |
CN111727274B (en) * | 2018-02-22 | 2022-09-09 | 松下知识产权经营株式会社 | Device for electrolysis |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2017072091A1 (en) | 2017-05-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0717130B1 (en) | Pressure compensated electrochemical cell | |
DE1299608B (en) | Process and device for the electrolytic removal of traces of metals from non-metallic aqueous salt solutions | |
DE2445412C2 (en) | Electrolytic cell and method for the electrochemical treatment of waste water | |
EP1600426B1 (en) | Method and device for separating off sulfate anions from water and for introducing buffer capacity in water | |
EP2029492B1 (en) | Device for electrochemical water preparation | |
EP2183409B1 (en) | Method for operating copper electrolysis cells | |
DE102004023161A1 (en) | Electrolysis cell with multilayer expanded metal cathodes | |
EP3500529A1 (en) | Installation for obtaining phosphate salts and method for operating this installation | |
DE2523169C3 (en) | Cell for electrochemical reactions | |
EP1264010A1 (en) | Method and device for the regulation of the concentration of metal ions in an electrolyte and use thereof | |
EP0324024A1 (en) | Process and device for regenerating ion-exchange material | |
DE102015118352A1 (en) | Electrolyzer for electrochemical water treatment | |
AT392294B (en) | METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUS ELECTRODEPOSITION OF METALS WITH A HIGH CURRENT DENSITY IN VERTICAL CELLS | |
DE3808495C2 (en) | ||
EP1015667A2 (en) | Method and device for regulating the concentration of substances in electrolytes | |
DE19624023B9 (en) | Process for the remediation of acidic, iron-containing open cast mining water | |
WO2013068253A1 (en) | Method for neutralisation of negatively charged contaminants in aqueous media | |
AT412340B (en) | APPENDIX FOR THE PREPARATION OF WATER FROM STANDING WATERS | |
DE1658053A1 (en) | Process for cleaning waste water or similar media and electrolytic cell for carrying out the process | |
DE19504920C1 (en) | Process for the electrochemical production of ammonium polysulfide | |
AT243828B (en) | Cell for the electrolysis of aqueous hydrogen chloride solutions | |
DE102013010217A1 (en) | Process and device for the electrochemical oxidation of sulfide-containing wastewaters | |
DE1558731A1 (en) | Electrolytic metal deposition | |
EP3469118A1 (en) | Electrolyzer and method for operating an electrolyzer | |
DE1245344B (en) | Diaphragm cell for the production of alkali hydroxide, chlorine and hydrogen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: THYSSENKRUPP NUCERA AG & CO. KGAA, DE Free format text: FORMER OWNER: THYSSENKRUPP UHDE CHLORINE ENGINEERS GMBH, 44141 DORTMUND, DE |