DE102016113727A1 - Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Peroxodicarbonat und elektrochemische Zelle zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Peroxodicarbonat und elektrochemische Zelle zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Zur elektrochemischen Herstellung von Peroxodicarbonat mittels einer Elektrolyseanordnung, die wenigstens eine Kathode (2), wenigstens eine diamantbeschichtete Anode (1) und einen carbonathaltigen Elektrolyten aufweist, der mit einer Fließgeschwindigkeit durch einen Elektrolytraum (12) zwischen Anode (1) und Kathode (2) gepumpt wird, wobei eine Carbonatkonzentration ≥ 0,5 M des carbonathaltigen Elektrolyten eingestellt wird und eine Abkühlung des Elektrolyten auf unter Raumtemperatur erfolgt, wird zur Erhöhung der Ausbeute der elektrochemischen Umsetzung vorgesehen, dass eine Stromflussdichte ≥ 0,5 A/cm2 zwischen Anode (1) und Kathode (2) eingestellt wird und dass in der Elektrolyseanordnung ein Druck ≥ 2 bar erzeugt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Peroxodicarbonat mittels einer Elektrolyseanordnung, die wenigstens eine Kathode, wenigstens eine diamantbeschichtete Anode und einen carbonathaltigen Elektrolyten aufweist, der mit einer Fließgeschwindigkeit durch einen Elektrolytraum zwischen Anode und Kathode gepumpt wird, wobei eine Carbonatkonzentration > 0,5 M des carbonathaltigen Elektrolyten eingestellt wird und eine Abkühlung des Elektrolyten auf Unterraumtemperatur erfolgt.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine elektrochemische Zelle zur Durchführung des Verfahrens.
  • Seit längerer Zeit sind Diamantelektroden bekannt, die aufgrund ihrer hohen Überspannung in situ Wasser zu Ozon oder Wasserstoffperoxid oxidieren oder OH-Radikale bilden können. Daher sind Diamantanoden insbesondere zur elektrochemischen Produktion von Oxidationsmitteln, wie Persulfat, Perphoshat, Perjodat usw. eingesetzt worden.
  • Von verschiedenen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen ist untersucht worden, ob sich unter Einsatz von Diamantanoden auch aus Carbonatlösungen Peroxodicarbonate herstellbar sind. Als Ausgangsmaterialien werden dabei insbesondere das weitreichend verfügbare und sehr günstig erhältliche Natriumcarbonat (Soda), aber auch Kaliumcarbonat, eingesetzt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine CO2-gesättigte Lösung zu verwenden, die beispielsweise mit Natronlauge im alkalischen Bereich benutzt wird.
  • Eine erste ausführlichere Darstellung eines derartigen Verfahrens findet sich bei M.S. Saha et al., Electrochemistry Communications 6 (2004), 201–204 „Conversion of carbon dioxide to peroxycarbonate at boron-doped diamand electrode". Als Ausgangsmaterial wird eine 1M Natronlauge als Elektrolyt verwendet, der mit CO2 gesättigt wird. Für die Versuchsparameter ist dabei festgestellt worden, dass die Umsetzung zu Peroxodicarbonat bei 5°C effizienter ist als bei 24°C, sodass sich eine Kühlung anbietet. Für die Elektrolyse ist eine Stromdichte von 50 mA/cm2 verwendet worden. Die Elektrolyse ist batchweise durchgeführt worden und bevorzugt, weil die Verwendung eines mit einer geringen Strömungsgeschwindigkeit umgepumpten Elektrolyten eine geringere Ausbeute für die Umsetzung ergeben hat. Die beste Umsetzung ist mit einer geteilten 2-Kammer-Zelle erreicht worden, bei der der Anolyt und der Katholyt durch einen ionendurchlässigen Separator getrennt sind.
  • Ein weiterer Bericht findet sich bei E. J. Ruiz et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 12 (1), E1–E4 (2009) „Silultaneous Anodic and Cathodic Production of Sodium Percarbonate in Aqueous Solution". Auch hier sind die Untersuchungen in einer geteilten Zelle in H-Form durchgeführt worden. Die Diamantanode war auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut. Als Elektrolyt diente eine 1,0 M Na2CO3-Lösung mit einem pH-Wert von 10,8. In dieser Untersuchung sind verschiedene Prozessströme zwischen Anode und Kathode untersucht worden. Mit zunehmenden Strom wurde ein Abfall der Konzentration des hergestellten Natriumperoxodicarbonats (Na2C2O6) bei Überschreiten einer Stromstärke von 0,3 A festgestellt. Daraus ergab sich die Schlussfolgerung, dass ein niedrigerer Strom, hier von 0,1 A, optimal sei.
  • Eine jüngere Veröffentlichung von S. P. Velazquez-Peña et al. in Chemical Engineering Journal 230 (2013), 272–278 „Production of oxidants via electrolysis of carbonate solutions with conductive-diamond anodes" verwendet einen mit niedriger Fließgeschwindigkeit umgepumpten Elektrolyten in Form von Carbonatlösungen. Mit einem Wärmetauscher ist der Elektrolyt auf 5°C heruntergekühlt. Die Anode ist eine Bor-dotierte Diamantelektrode auf einem Silizium-Substrat. Als Kathode ist ein Edelstahl verwendet worden. Die Untersuchung bezieht sich auf die Verwendung unterschiedlicher Stromdichten, die zwischen 65 und 150 mA/cm2 untersucht worden sind. Dabei wurde bei der Stromdichte von 150 mA/cm2 ein Wirkungsgrad für die Produktion des Oxidationsmittels von 0,67 %, bei einer Stromdichte von 65 mA/cm2 hingegen von 6,66 % festgestellt. Somit ergab sich, dass die Herstellung des Oxidationsmittels bei niedrigen Stromdichten effizienter ist.
  • In allen Fällen ist die elektrolytische Herstellung von Peroxidicarbonaten ausschließlich in geringen Mengen im Labor durchgeführt worden. Aufgrund der erzielten geringen Ausbeuten ist eine industrielle Umsetzung nicht in Betracht gezogen worden.
  • Hierfür spielt auch das Problem eine Rolle, dass die hergestellten Peroxidicarbonate eine geringe Stabilität aufweisen und daher bei der Lagerung innerhalb kürzerer Zeit zerfallen. Es ist versucht worden, dies durch Zugabe von Natriummetasilikaten zu verzögern. Durchschlagende Erfolge konnten hiermit nicht erzielt werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Produktion von Peroxodicarbonaten mit Hilfe einer Elektrolyse aus wässrigen Lösungen hinsichtlich der Ausbeute und der erzielbaren Konzentration zu verbessern.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromflussdichte ≥ 0,5 A/cm2 zwischen Anode und Kathode eingestellt wird und dass in der Elektrolyseanordnung ein Druck ≥ 2 bar erzeugt wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die bisher mitgeteilten Untersuchungsergebnisse letztendlich in die Irre führen und eine höhere Ausbeute verhindern. Die übereinstimmenden Untersuchungsergebnisse, die besagen, dass die Umsetzungseffizienz mit zunehmender Stromdichte dramatisch absinkt, führt zu viel zu geringen Ausbeuten und damit nicht zu einer industriellen Anwendbarkeit des Verfahrens. Eine deutliche Erhöhung der Ausbeute lässt sich gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Kombination von Verfahrensparametern erzielen, die bisher weder in Betracht gezogen noch durch die gefundenen Untersuchungsergebnisse nahegelegt worden ist. So besteht bei Elektrochemikern generell eine Hemmung, hochkonzentrierte Elektrolyten zu verwenden, weil es schnell zu einer Ausfällung von Carbonat kommen kann, insbesondere wenn die Temperatur – wie hier – abgesenkt wird oder prozessbedingt schwankt. Entgegen der Tendenz, niedrigere Konzentrationen der Ausgangslösung zu verwenden, sieht die Erfindung eine Carbonatkonzentration ≥ 0,5 M, vorzugsweise ≥ 1 M des carbonathaltigen Elektrolyten vor. Entgegen den zitierten Untersuchungen wird erfindungsgemäß eine Stromflussdichte ≥ 0,5 A/cm2 zwischen Anode und Kathode eingestellt. Bevorzugt ist eine Stromflussdichte ≥ 1 A/cm2, insbesondere ≥ 1,4 A/cm2. Allerdings ist durch die Erfinder festgestellt worden, dass bei hohen Stromdichten eine starke Gasentwicklung an der Anode entsteht. Diese kann auf eine lokale Änderung des pH-Werts an der Anode zurückgeführt werden. Dabei gast das Carbonat als Kohlensäuregas aus. Erfindungsgemäß wird diesem Effekt dadurch entgegengewirkt, dass in der Elektrolyseanordnung ein Druck ≥ 2 bar erzeugt wird. Vorzugsweise wird der Prozessdruck in der Elektrolyseanordnung weiter erhöht auf über 3 bar, insbesondere über 4 bar. Eine Steigerung des Prozessdrucks auf höhere Überdrücke von beispielsweise bis zu 20 bar erfordert allerdings eine spezielle Konstruktion der Elektrolysezelle. Durch die Druckerhöhung wird der Ausgasung im Elektrolyten entgegenwirkt und so ein hoher Wirkungsgrad bei hohen Stromdichten ermöglicht. Für die Ausbildung der Elektrolysezelle bietet sich eine ungeteilte Zelle an, die für einen größeren Überdruck mit einfachen Mitteln stabil ausgelegt werden kann, wie unten näher erläutert wird.
  • Während die Literatur für ungeteilte Zellen immer einen niedrigeren Wirkungsgrad berichtet als für geteilte Zellen, haben Untersuchungen der Erfinder ergeben, dass die Abscheiderate – selbst gegenüber den berichteten Ergebnissen für geteilte Zellen – von beispielweise 45 mM für eine geteilte Zelle (Ruiz et al.) auf 282 mM mit einer ungeteilten Zelle gesteigert werden konnte.
  • Es hat sich dabei herausgestellt, dass der pH-Wert des Elektrolyten durchaus kritisch ist und zwischen 11 und 12 liegen sollte. Die bisher berichteten pH-Werte von 9,4 (Saha et al.), 10,3 (Velazquez et al.) bzw. 10,8 (Ruiz et al.) führen zu deutlich schlechteren Ergebnissen.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner von Bedeutung, dass die Elektrolytflüssigkeit umgepumpt wird. Entgegen den entsprechenden bisherigen Berichten wird dabei eine hohe Fließgeschwindigkeit von 20 cm/s bis zu 250 cm/s – in Abhängigkeit von der Konstruktion der Zelle und dem Querschnitt des Elektrolytraums – vorgesehen, wobei die Strömungsführung in dem Elektrolytraum zu einer turbulenten Strömung führen sollte. Die bisherigen Bestrebungen, mit einer geringen Strömungsgeschwindigkeit eine laminare Strömung zu erreichen, haben sich als nachteilig für die elektrochemische Umsetzung herausgestellt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Abkühlung des Elektrolyten an der Anode auf unter 10°C, bevorzugt auf 4–6 °C vorgenommen. Die Abkühlung wird vorzugsweise flächig direkt an der Anode vorgenommen, sodass die Abkühlung an der Stelle kontrolliert erfolgt, an der sie benötigt wird, nämlich an der Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt.
  • Es hat sich herausgestellt, dass die für die bekannt gewordenen Berichte verwendeten Elektrolyseanordnungen nicht für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind. Für die Durchführung des Verfahrens ist daher eine spezielle elektrochemische Zelle konstruiert worden, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch
    • – einen flächigen Kathodenkörper aus einem Metall,
    • – eine Anode, die auf einem metallischen Substrat zur Kathode hin eine dotierte Diamantbeschichtung aufweist,
    • – eine den Elektrolytraum zwischen Kathode und Anode rahmenförmig begrenzende Abdichtung, die mittels einer Andruckeinrichtung gegen die Kathode und die Anode gepresst wird und
    • – einen an der von der Kathode abgewandten Seite der Anode angeordneten flächigen Kühlkörper zur Kühlung der Anode mittels eines in einem zwischen Anode und Kühlkörper ausgebildeten Kühlraum fließende Kühlfluids.
  • Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle besteht somit aus einer vorzugsweise aus Edelstahl gebildeten flächigen Kathode, die, ebenso wie der flächige Kühlkörper stabil und druckfest ausgebildet sein kann. Zwischen Kathode und Kühlkörper, die miteinander verschraubt oder anderweitig gegeneinander gepresst werden können, wird die flächige Anode eingelegt. Die Anode erhält einen definierten Abstand von der Kathode durch die rahmenförmige Dichtung, die den Elektrolytraum begrenzt und zugleich den Sollabstand zwischen Anode und Kathode sicherstellt. In gleicher Weise kann eine Dichtung zwischen dem flächigen Kühlkörper und der anderen Seite der Anode eingelegt sein, die rahmenförmig den Kühlraum begrenzt. Durch das Gegeneinanderpressen des Kühlkörpers und der Kathode wird die Anordnung der Anode mit dem Elektrolytraum einerseits und dem Kühlraum andererseits in definierter form fixiert.
  • Diese Konstruktion der elektrochemischen Zelle bietet Vorteile, die auch unabhängig von der Anwendung bei der Herstellung von Peroxodicarbonat erzielbar sind, da die hohe Effizienz der elektrochemischen Reaktion in Verbindung mit der Kühlung der Anode und/oder die Möglichkeit der Erzeugung eines gegebenenfalls hohen Überdrucks auch für andere elektrochemische Prozesse von Bedeutung ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Kathodenkörper ein Strömungsraum für den Elektrolyten ausgebildet, der mit Eintritts- und Austrittskanälen zu dem Elektrolytraum versehen ist, die an unterschiedlichen Enden des Elektrolytraums zur Ausbildung einer Strömungsrichtung angeordnet sind. In dem Elektrolytraum, der parallel zur Anode ausgerichtet ist und nur eine geringe Dicke von beispielsweise 1 mm aufweist wird die Strömungsrichtung des aus der Kathode ausströmenden Elektrolyten abrupt umgelenkt, wodurch die Ausbildung einer turbulenten Strömung unterstützt wird. Die turbulente Strömung entsteht daher durch die erfindungsgemäße Elektrolytführung einerseits und die realisierte hohe Strömungsgeschwindigkeit andererseits.
  • In gleicher Weise kann die Strömungsführung für das Kühlfluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, erfolgen.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist daher in dem Kühlkörper ein Strömungsraum für das Kühlfluid ausgebildet, der mit Eintritts- und Austrittskanälen zu einem an die Anode angrenzenden, abgedichteten Kühlfluidraum versehen ist, wobei die Eintritts- und Austrittskanäle an unterschiedlichen Enden des Kühlfluidraums zur Ausbildung einer Strömungsrichtung angeordnet sind. Auch hier verursacht eine turbulente Strömungsführung eine bevorzugte Funktion eines intensiven Wärmeübergangs von der Anode zum Kühlfluid.
  • In einer weiteren Besonderheit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle ist die dotierte Diamantbeschichtung der flächigen Anode auf ein Molybdän aufgebracht. Bei Molybdän handelt es sich um ein hochleitfähiges Metall, das geringere ohmsche Verluste als übliche Substrate für Diamantelektroden, z. B. Niob oder Titan, aufweist. Molybdän oder eine Molybdänlegierung weist einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem Ausdehnungskoeffizienten der Diamantschicht, die auf dem Substrat abgeschieden ist, besser angepasst ist. Nachteilig an Molybdän ist, dass es sich nicht passivieren lässt. Sobald es in Kontakt mit dem Elektrolyten, z. B. durch einen Defekt in der Diamantschicht, kommt, löst sich das Metall bzw. die Legierung innerhalb von wenigen Stunden auf. Es ist daher erforderlich, die auf dem Molybdänsubstrat aufgebrachte Diamantschicht sicher defektfrei herzustellen. Dies gelingt durch den Einsatz von Multilagen und eine Vorbehandlung der Molybdänoberfläche. Diese Vorbehandlung sieht eine Aufrauhung durch Sandstrahlen vor, wobei anschließend die Strahlschäden und Strahlpartikel durch eine heiße Ätzlösung wieder entfernt werden. Als heiße Ätzlösung kann dabei heiße Schwefelsäure und/ oder Salzsäure und/oder Flusssäure bevorzugt verwendet werden.
  • Die Verwendung eines Grundkörpers aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung trägt wesentlich zur Erzielung einer optimierten Ausbeute bei der elektrochemischen Herstellung von Peroxodicarbonat bei.
  • Das erfindungsgemäß hergestellte Peroxodicarbonat lässt sich überraschenderweise dadurch stabilisieren und längere Zeit lagern, wenn die Lösung auf einen pH-Wert im sauren Bereich eingestellt wird. Der in Frage kommende pH-Bereich liegt zwischen 2,5 und 5, insbesondere zwischen 3 und 4, vorzugsweise zwischen 3 und 3,5. Die Einstellung des pH-Werts auf beispielsweise 3,3 erfolgt vorzugsweise mit einer Phophorsäure.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren kann die Kathode auch als Gasdiffusionselektrode ausgebildet sein, um neben der Erzeugung von Peroxodicarbonat auch noch H2O2 als ergänzendes Oxidationsmittel zur Verfügung zu stellen, wodurch auch der kathodische Prozess genutzt wird. Die Nutzung des kathodischen Prozesses ist dabei auch für andere elektrochemische Anwendungen von Bedeutung, sodass die Ausbildung der elektrochemischen Zelle mit einer Gasdiffusionselektrode auch für diese anderen Anwendungen vorteilhaft sein kann.
  • In der beigefügten Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeigneten elektrochemischen Zelle schematisch dargestellt. Es zeigen:
  • 1 einen Hochschnitt durch die montierte Zelle
  • 2 eine Seitenansicht auf die in der Anordnung gemäß 1 verwendete Kathode.
  • 1 zeigt eine elektrochemische Zelle, in der sich mittig eine Anode 1 befindet, die als Diamantelektrode ausgebildet ist und daher auf einem Molybdänmetall-Grundkörper einen Bor-dotierte Diamantbeschichtung aufweist. Vorzugsweise befindet sich die Diamantbeschichtung auf beiden Seiten der Anode 1.
  • Die Anode 1 befindet sich zwischen einer flächigen Kathode 2 auf der einen Seite und einem flächigen Kühlkörper 3 auf der anderen Seite. Kathode 2 und Kühlkörper 3 sind jeweils als flächige Tafeln ausgebildet, die sich allseitig über die Fläche der Anode 1 hinaus erstrecken. Die Anode 1 ist somit ebenfalls rechteckig ausgebildet weist jedoch eine geringere Höhe und Breite auf als die Kathode 2 und der Kühlkörper 3. Der Abstand zwischen Anode 1 und Kathode 2 wird durch eine rahmenförmige Dichtung 11 definiert, die weitgehend inkompressibel ist. Die rahmenförmige Dichtung begrenzt somit einen flächigen Elektrolytraum 12, in dem der Elektrolyt strömen kann. Eine entsprechende rahmenförmige Dichtung 13 liegt auf der anderen Oberfläche der Anode 1 an und definiert in gleicher Weise einen Kühlfluidraum 14 zwischen Anode 1 und Kühlkörper 3. Die Kontaktierung von Anode 1 und Katode 2 zur Zuführung der elektrischen Spannung bzw. des Stroms erfolgt in herkömmlicher Weise. Insbesondere kann die aus einem massiven Metall gebildete Katode durch einen in den Körper der Katode 2 eingeschraubten (nicht dargestellten) Schraubanschluss kontaktiert werden. Die Kontaktierung der Anode erfolgt vorzugsweise über wenigstens einen an die Anode 1 angeformten (nicht dargestellten) Ansatz, der über die rahmenförmige Dichtung 13 hinausragt und somit direkt, beispielsweise mit einem nicht dargestellten Anschlusskabel, kontaktierbar ist.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich Befestigungsschrauben 15 von der Kathode 2, an der sie mit ihrem Schraubenkopf anliegen durch die Kathode 2 und den Kühlkörper 3 hindurch und sind jenseits des Kühlkörpers 3 mittels einer Mutter so verschraubt, dass Kathode 2 und Kühlkörper 3 jeweils einen Anpressdruck über die Dichtungen 11, 13 auf die Anode 1 ausüben. Die Schraube 15 liegt auf Kathodenpotential und ist gegenüber dem gut wärmeleitenden Kühlkörper 3, der ebenfalls aus Edelstahl bestehen kann, elektrisch isoliert, was durch eine isolierende Unterlegscheibe 16 verdeutlicht ist.
  • Die Kathode 2 weist an einer Schmalseite ihrer Platte eine Einlauföffnung 5 und eine Ausgangsöffnung 6 auf. Diese bilden einem Strömungsraum in der Kathode 2, aus der seitlich Eintrittskanäle 17 und Austrittskanäle 18 in den Elektrolytraum 12 einmünden. Die Mündungsöffnungen der Kanäle 17, 18 sind in 2 dargestellt, die die Oberfläche der Elektrode 2 zeigt, die zur Anode bzw. zum Elektrolytraum 12 gerichtet ist. Durch die zahlreichen Eintrittskanäle 17 und Austrittskanäle 18 wird die Ausbildung einer turbulenten Strömung des Elektrolyten im Elektrolytraum unterstützt.
  • In ähnlicher Weise weist der Kühlkörper 3 eine Eintrittsöffnung 7 und eine Austrittsöffnung 8 in einer Schmalseite der Platte auf, durch die ein sich über die Breite des Kühlkörpers 3 erstreckender Strömungsraum ergibt. Auch aus dem Kühlkörper 3 mündet (nicht dargestellte) Eintrittskanäle und Austrittskanäle in den Kühlfluidraum 14, sodass auch das Kühlfluid 14, insbesondere als Kühlflüssigkeit, mit einer laminaren oder turbulenten Strömung umgepumpt wird. Hierzu sind an die Eintrittsöffnung 5 und Austrittsöffnung 6 der Kathode eine Elektrolytpumpe und an die Eintrittsöffnung 7 und Austrittsöffnung 8 des Kühlkörpers 3 eine Kühlfluidpumpe angeschlossen.
  • Der Vorteil der rahmenartigen, einstückigen Dichtungen, die wenig oder nicht kompressibel sind besteht darin, dass sie den Rand der diamantbeschichteten Anode 1 abdecken oder vor dem Rand der Anode 1 enden, sodass ein Kontakt zwischen der Anode und der Elektrolytflüssigkeit nur auf der hinsichtlich der Defektfreiheit gut zu beherrschenden Fläche der Anode unter Ausschluss der Ränder oder Kanten erfolgt. Die Anode 1 ist vorzugsweise beidseitig beschichtet, sodass eine Diamantschicht den Grundkörper der Anode auch gegenüber dem Kühlfluid schützt.
  • Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die dargestellte Konstruktion einer Elektrolysezelle hochgradig stabil ist und auch hohen Prozessdrücken ausgesetzt werden kann.
  • Die Anode bietet in dem Aufbau der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle somit geringstmögliche elektrochemische Angriffspunkte, sodass sich ein geringstmögliches Risiko einer Zerstörung durch Korrosion ergibt. Hieraus resultiert eine lange Lebensdauer der Anode. Entgegen der üblichen Technik des Zelldesigns ist die Anode so konstruiert, dass sie keine Vertiefungen, Bohrungen oder Erhebungen aufweist, wie sie üblicherweise zur Führung des Elektrolyten oder zur Optimierung des elektrischen Feldes eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die Elektrolytführung so konstruiert, dass der Elektrolyt auch nicht an den Anodenkanten der Anode entlanggeführt, um die Anodenkanten herumgeführt wird oder auch nur mit den Anodenkanten in Kontakt kommt. Der Anoden-Grundkörper, auf dem sich die Diamantbeschichtung befindet, ist ein flächiger ebener Grundkörper in einer üblichen rechteckigen Form. Die Rechteckform ist selbstverständlich nicht zwingend. Beispielsweise ist auch eine kreisrunde Formgebung der Elektrolysezelle realisierbar, wobei sich noch Vorteile hinsichtlich der Abdichtung und der Druckfestigkeit ergeben. Denkbar sind ferner weitere Modifikationen dieser Grundformen.
  • Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle kann dadurch auch skaliert werden, dass die Kathoden als Mittelteile mit beidseitig Elektrolytauslass verwendet werden. Auf diese Weise kann eine Elektrode mit zwei Anoden und zwei Elektrolyträumen verwendet werden, wobei die Anoden jeweils auf ihrer Außenseite gekühlt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • M.S. Saha et al., Electrochemistry Communications 6 (2004), 201–204 „Conversion of carbon dioxide to peroxycarbonate at boron-doped diamand electrode“ [0005]
    • E. J. Ruiz et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 12 (1), E1–E4 (2009) „Silultaneous Anodic and Cathodic Production of Sodium Percarbonate in Aqueous Solution“ [0006]
    • S. P. Velazquez-Peña et al. in Chemical Engineering Journal 230 (2013), 272–278 „Production of oxidants via electrolysis of carbonate solutions with conductive-diamond anodes“ [0007]
    • Ruiz et al. [0012]
    • Saha et al. [0013]
    • Velazquez et al. [0013]

Claims (12)

  1. Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Peroxodicarbonat mittels einer Elektrolyseanordnung, die wenigstens eine Kathode (2), wenigstens eine diamantbeschichtete Anode (1) und einen carbonathaltigen Elektrolyten aufweist, der mit einer Fließgeschwindigkeit durch einen Elektrolytraum (12) zwischen Anode (1) und Kathode (2) gepumpt wird, wobei eine Carbonatkonzentration ≥ 0,5 M des carbonathaltigen Elektrolyten eingestellt wird und eine Abkühlung des Elektrolyten auf unter Raumtemperatur erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromflussdichte ≥ 0,5 A/cm2 zwischen Anode (1) und Kathode (2) eingestellt wird und dass in der Elektrolyseanordnung ein Druck ≥ 2 bar erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonatkonzentration auf ≥ 1 M des carbonathaltigen Elektrolyten eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine flächige Abkühlung des Elektrolyten an der Anode (1) auf ≤ 10°C erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromflussdichte auf ≥ 1 A/cm2 eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck in der Elektrolyseanordnung auf ≥ 4 bar eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Elektrolyten zwischen 11 und 12 gehalten wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyseanordnung eine ungeteilte Elektrolysezelle verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließgeschwindigkeit des Elektrolyten in dem Elektrolytraum (12) so eingestellt wird, dass eine turbulente Strömung in dem Elektrolytraum (12) entsteht.
  9. Elektrochemische Zelle insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen flächigen Kathodenkörper aus einem Metall, eine Anode (1), die auf einem metallischen Substrat zur Kathode (2) hin eine dotierte Diamantbeschichtung aufweist, eine einen Elektrolytraum (12) zwischen Kathode (2) und Anode (1) rahmenförmig begrenzende Dichtung (11), die mittels einer Andruckvorrichtung (15) gegen die Kathode (2) und die Anode (1) gepresst wird und einen an der von der Kathode (2) abgewandten Seite der Anode (1) angeordneten flächigen Kühlkörper (3) zur Kühlung der Anode (1) mittels eines in einem zwischen Anode (1) und Kühlkörper (3) ausgebildeten Kühlfluidraum (14) fließenden Kühlfluids.
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kathodenkörper ein Strömungsraum für den Elektrolyten ausgebildet ist, der mit Eintrittskanälen (17) und Austrittskanälen (18) zu dem Elektrolytraum (12) versehen ist, die an unterschiedlichen Enden des Elektrolytraums (12) zur Ausbildung einer Strömungsrichtung angeordnet sind.
  11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkörper (3) ein Strömungsraum für das Kühlfluid ausgebildet ist, der mit Eintritts- und Austrittskanälen zu einem an die Anode (1) angrenzenden, abgedichteten Kühlfluidraum (14) versehen ist, wobei die Eintritts- und Austrittskanäle an unterschiedlichen Enden des Kühlfluidraums (14) zur Ausbildung einer Strömungsrichtung angeordnet sind.
  12. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Anode (1) die dotierte Diamantbeschichtung auf einem Molybdänsubstrat aufweist.
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