DE102020005683A1

DE102020005683A1 - Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid

Info

Publication number: DE102020005683A1
Application number: DE102020005683.0A
Authority: DE
Inventors: Henry Bergmann; Erich Schmid
Original assignee: HOCHSCHULE ANHALT
Current assignee: BERGMANN, HENRY, PROF. DR., DE
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Die Elektrolysezelle weist mindestens eine Anode (2) und mindestens eine Kathode (4) auf, welche in Kontakt mit einem vorgegebenen Elektrolyten (31) voneinander beabstandet in einem Gehäuse (30) angeordnet sind. Ferner weist die Elektrolysezelle eine Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Elektrolyse, eine in dem Gehäuse (30) ausgebildete Öffnung (13) zum Abführen von Gasen, insbesondere Chlordioxid, und mindestens eine in das Gehäuse (30) mündende Trägergaszuführung (7) auf, welche an oder in dem Gehäuse (30) derart angeordnet sind, dass das Gehäuse (30) von einem zugeführten Trägergasstrom (8) zum Strippen von gelöstem Chlordioxid während einer Elektrolyse zumindest bereichsweise durchströmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid in Form einer wässrigen Lösung oder als Gas, vorzugsweise für den Einsatz als Desinfektionsmittel.
Aufgrund seiner geringen Neigung zur Bildung von unerwünschten Desinfektionsnebenprodukten wird Chlordioxid dem vielfach verwendeten Chlor als Desinfektionsmittel vermehrt vorgezogen. Chlordioxid erweist sich in wässriger Lösung oder in gasförmigem Zustand als hocheffektives Desinfektionsmittel, beispielsweise zur Trinkwasseraufbereitung. Allerdings bestehen Nachteile in der Handhabung, da erzeugtes Chlordioxid nur bei niedrigen Temperaturen lichtgeschützt in wässriger Lösung lagerfähig ist. Andererseits neigt Chlordioxid zu einer raschen Zersetzung. Es sind daher Verfahren und Vorrichtungen bekannt, welche eine lokale Herstellung zur unmittelbaren Nutzung von Chlordioxid ermöglichen. Im Wesentlichen wird bei der Chlordioxidherstellung von den Ausgangsstoffen Chlorit und/oder Chlorat ausgegangen. Ein verbreitetes chemisches Verfahren ist das sogenannte Chlorit-Säureverfahren, wobei eine Chloritlösung mit Salzsäure versetzt wird: 5NaClO₂+4HCl→4ClO₂+5NaCl+2 H₂O (1)
Zur vollständigen Umsetzung des Chlorits ist dabei eine überstöchiometrische Zugabe von Salzsäure erforderlich, welche in der Produktlösung verbleibt. Infolge der Dosierung sinkt der pH-Wert, wodurch eine Korrosion von verwendeten Werkstoffen begünstigt wird.
Die bekannten chemischen Verfahren weisen weitere verschiedene Nachteile auf. So sind zur Bereitstellung von Reaktionsmischungen verschiedene konzentrierte Lösungen, wie zum Beispiel Säuren, erforderlich, was eine spezielle sicherheitstechnische Handhabung erfordert. Weiterhin können unerwünschte Nebenprodukte auftreten, was zu Verlusten eingesetzter Edukte im Bereich von 10 % - 20 % führen kann. Von Nachteil ist weiterhin, dass erzeugtes Chlordioxid in der Regel unter Verwendung eines zusätzlichen Spezialgefäßes, beispielsweise eines Absorbers, aus der Reaktionslösung gestrippt werden muss. Darüber hinaus lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Umsetzung mit rein chemischen Verfahren gegenüber Elektrolyseverfahren schwierig beeinflussen.
Durch elektrolytische Herstellung von Chlordioxid kann eine verbesserte Kontrolle bei der kontinuierlichen Prozessführung sowie eine genauere Dosierung gewährleistet werden. Üblicherweise werden Elektrolysezellen, bestehend aus mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode, eingesetzt, wobei die Anode als Elektrode der anodischen Umsetzungen und die entgegengesetzt polarisierte Kathode für elektrochemische Reduktionen dienen. Beide Elektroden können in Kontakt mit einem Elektrolyten durch einen Separator in Form eines Diaphragmas oder einer lonenaustauschmembran elektrolytisch voneinander getrennt sein. Die separaten Zellkompartimente können als Anodenraum mit dem Anolyten als Elektrolyt oder Elektrolyselösung beziehungsweise als Kathodenraum bezeichnet werden. Letzterer beinhaltet den Katholyten als Elektrolyselösung. Ferner können die Zellkompartimente auch als anodisches Zellkompartiment und als kathodisches Zellkompartiment bezeichnet werden.
Aus US 5324497 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem im anodischen Zellkompartiment einer Elektrolysezelle zunächst Chlorid zu Chlorat oxidiert wird, während im kathodischen Zellkompartiment entstehender Wasserstoff einer Salzsäuresynthese zugeführt wird. Das Chlorat wird in einem chemischen Reaktor mit Salzsäure zu entweichendem Chlordioxid umgesetzt und gestrippt.
Aus DE 11 2005 001 836 T5 ist ein elektrochemischer Chlordioxidgenerator bekannt, bei welchem ein anodisches Zellkompartiment und ein kathodisches Zellkompartiment durch einen Separator getrennt sind. Der Anolyt beinhaltet Chlorit und wird mit entstandenem und/oder gelöstem Chlordioxid im Kreislauf durch die Elektrolysezelle, beziehungsweise, durch ein Absorbergefäß oder Zwischengefäß geführt, aus dem es dann gestrippt wird. Eine ähnliche Konstruktion zur Behandlung von Ballastwasser ist in US 2008/0290044 A1 beschrieben.
Eine externe Strippingsäule wird auch gemäß der Lehre von US 7833392 B2 eingesetzt.
Wie aus US 5089095 bekannt ist, wird im anodischen Zellkompartiment eine Hypochloritlösung zu Chlorat oxidiert, während im kathodischen Zellkompartiment aus einer Chloratlösung Chlordioxid erzeugt wird, welches aus einem dem kathodischen Elektrolytraum nachgeordneten Gefäß entfernt wird.
Gemäß der Lehre von US 6203688 wird eine Elektrolysezelle für die Chloritelektrolyse mit Durchflussanode beschrieben.
Die bekannten Lösungen haben zum Nachteil, dass gelöstes Chlordioxid jeweils außerhalb der Elektrolysezelle in einer speziell vorgesehenen Einrichtung gestrippt werden muss. Dies erfordert zusätzlichen konstruktiven Bauraum und zusätzliche Fluidleitungen, was insbesondere bei einer Integration in bestehende Systeme zur Desinfektion von komplexen Rohrleitungssystemen von Nachteil ist. Weiterhin sind die Produktausbeuten von 70 % mit den bekannten Lösungen gering. Es wird daher eine konstruktiv kompakte Lösung zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid gefordert, mit welcher höhere Produktausbeuten erzielt werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine konstruktiv kompakte Elektrolysezelle vorzuschlagen, mit welcher Chlordioxid mit hohen Produktausbeuten bereitgestellt werden kann. Ferner ist es Aufgabe, eine Elektrolysezellenanordnung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit welcher/welchem eine Bereitstellung von Chlordioxid mit hohen Produktausbeuten realisiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Elektrolysezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, einer Elektrolysezellenanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 20 und einem Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 21 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei zunächst auf relevante Fachtermini kurz eingegangen, welche wie folgt verwendet werden:

Chlorid	Cl^-
Chlorwasserstoff (in Wasser als Salzsäure existent)	HCl
Hypochlorit	OCl^-
Hypochlorige Säure	HOCl
Chlorit	ClO₂ ^-
Chlordioxid	ClO₂
Chlorat	ClO₃ ^-
Chlorsäure	HClO₃
Chlor	Cl₂

Die Erfindung umfasst eine Elektrolysezelle, welche mindestens eine eindimensional oder mehrdimensional ausgebildete Anode und mindestens eine Kathode aufweist, welche in Kontakt mit einem vorgegebenen Elektrolyten voneinander beabstandet in einem Gehäuse angeordnet sind. Die Kathode kann als Gasdiffusionskathode ausgeführt sein. Ferner weist die Elektrolysezelle eine Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Elektrolyse auf. Die Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Elektrolyse weist mindestens eine Gleichspannungsquelle auf, welche mit der mindestens einen Anode und der mindestens einen Kathode elektrisch kontaktiert ist. Zur Steuerung und/oder Regelung der Elektrolyse können mehrere sensorische Einrichtungen und Stelleinrichtungen vorgesehen sein, welche eine Steuerung und/oder Regelung von Elektrolysezellenparametern, wie Temperatur, Stromstärke, Spannung und Konzentration, ermöglichen. In dem Gehäuse der Elektrolysezelle ist mindestens eine Öffnung zum Abführen von Gasen, insbesondere Chlordioxid, ausgebildet. Weiterhin weist die Elektrolysezelle mindestens eine in das Gehäuse mündende Trägergaszuführung auf, welche an oder in dem Gehäuse derart angeordnet ist, dass das Gehäuse von einem zugeführten Trägergas zum Strippen von gelöstem Chlordioxid während einer Elektrolyse zumindest bereichsweise durchströmbar ist.
Im Sinne der Erfindung ist als Stripping oder Strippen der Übergang eines gelösten Gases in ein Trägergas zu verstehen, welches durch den gashaltigen Elektrolyten geführt wird.
Als Elektrolyt kann beispielsweise eine Natriumchloritlösung eingesetzt werden.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass hohe Produktausbeuten von Chlordioxid erreicht werden können, wenn zwischen einer Anode und einer Kathode kein Separator eingesetzt ist. Gemäß einer bevorzugt einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ist daher zwischen der Anode und der Kathode kein Separator angeordnet.
Dadurch, dass die Trägergaszuführung unmittelbar in das Gehäuse der Elektrolysezelle mündet, kann der in dem Gehäuse enthaltene Elektrolyt bereits während der elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid durchströmt werden, um das im Elektrolyten gelöst vorliegende Chlordioxid zu strippen. Indem das Strippen des gelösten Chlordioxids unmittelbar in der Elektrolysezelle und während der Elektrolyse durchführbar ist, entfallen externe Einrichtungen zum Strippen des gelösten Chlordioxids, so dass die erfindungsgemäße Elektrolysezelle konstruktiv besonders kompakt ausgeführt ist und dadurch weniger Bauraum benötigt. Von Vorteil ist die unmittelbare Einleitung des Trägergases weiterhin zur Kontrolle der Chlordioxidkonzentration im Elektrolyten. So kann eine Chlordioxidkonzentration im Elektrolyten unmittelbar durch den zugeführten Trägergasstrom beeinflusst und auf einen vorgegebenen Wert gehalten werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Elektrolysezelle können zwischen der mindestens einen Anode und der mindestens einen Kathode vom Elektrolyten durchströmbare Füllkörper angeordnet sein. Vorteilhaft tragen die Füllkörper, welche vorzugsweise sphärisch aus Glas oder Kunststoff ausgebildet sind, zu einem effektiven Stripping-Prozess bei.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Elektrolysezelle kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse mit einem zwischen der mindestens einen Anode und der mindestens einen Kathode angeordneten Separator in mindestens ein anodisches Zellkompartiment und mindestens ein kathodisches Zellkompartiment unterteilt ist, wobei jedes Zellkompartiment eine separate Öffnung zum Abführen von Gasen aufweist. Dabei dient die Öffnung des anodischen Zellkompartiments zum Abführen von anodenseitigem Produktgas, welches sich aus dem Trägergas und dem gestrippten Chlordioxid zusammensetzt. Die Öffnung des kathodischen Zellkompartiments, welche auch als Abgas-Öffnung des kathodischen Zellkompartiments bezeichnet werden kann, dient zum Abführen von etwaig kathodenseitig gebildetem Abgas.
Bei der Ausgestaltung der Elektrolysezelle mit Separator ist die Trägergaszuführung in dem anodischen Zellkompartiment ausgebildet angeordnet, so dass das anodische Zellkompartiment mit dem zugeführten Trägergasstrom durchströmbar ist.
Die Anode, welche auch als produkterzeugende Elektrode bezeichnet wird, kann in unmittelbarer Nähe zum Separator angeordnet sein. Diese als Zero-Gap-Konstruktion bezeichnete Anordnung der Elektrolysezelle dient zur Verringerung der Zellspannung.
Vorteilhaft kann das Gehäuse einen Hohlraum als Produktgaskompartiment aufweisen, welches oberhalb einer Elektrolytfüllhöhe für gestripptes Chlordioxid ausgebildet ist, wobei das Gehäuse im Bereich des Produktgaskompartiments einen bereichsweise vergrößerten Gehäusequerschnitt aufweist. Bei einer durch einen Separator kompartimentierten Elektrolysezelle kann das Produktgaskompartiment in einem Kopfbereich des anodischen Zellkompartiments ausgebildet sein, wobei das anodische Zellkompartiment einen im Kopfbereich bereichsweise vergrößerten Querschnitt aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Elektrolysezelle kann die mindestens eine Anode mindestens eine Durchbrechung aufweisen, welche vom Elektrolyten durchströmbar ist. Weiterhin können mehrere Durchbrechungen mit unterschiedlichen Querschnitten und Querschnittsgrößen vorgesehen sein. Durch die Ausbildung von Durchbrechungen in der mindestens einen Anode kann eine Zirkulation des Elektrolyten im anodischen Zellkompartiment begünstigt werden.
Vorzugsweise kann die Anode eine geometrisch unregelmäßige Form aufweisen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle kann vorzugsweise im anodischen Zellkompartiment ein geometrisches Leitelement angeordnet sein, welches eine Zirkulation des Elektrolyten begünstigt. Das geometrische Leitelement kann mehrere Komponenten umfassen. Als Komponenten des geometrischen Leitelements können Ausnehmungen, Leitbleche und Durchbrechungen in Form von verengenden Strömungsquerschnitten vorgesehen sein. Indem eine Möglichkeit zur Zirkulation des Elektrolyten gewährleistet ist, wird der Stoffaustausch begünstigt, was zu einer verbesserten Produktausbeute beiträgt.
Eine Zirkulation des Elektrolyten kann passiv durch Konvektion oder aktiv durch eine Fördereinrichtung realisiert sein. Eine Fördereinrichtung zur Förderung des Elektrolyten kann in dem Gehäuse der Elektrolysezelle integriert sein.
Weiterhin kann vorgehen sein, dass ein Abzweig der Trägergaszuführung in den Kopfbereich oder die Abgas-Öffnung des kathodischen Zellkompartiments mündet, so dass ein Teilgasstrom des zugeführten Trägergasstroms in den kathodenseitig abgeführten Gasstrom mündet. Zu diesem Zweck ist eine Fluidleitung zwischen der Trägergaszuführung und einer Öffnung für Abgas des kathodischen Zellkompartiments ausgebildet. Dadurch, dass zwischen der Trägergaszuführung und dem Kopfbereich des kathodischen Zellkompartiments oder der Abgas-Öffnung des kathodischen Zellkompartiments eine Fluidleitung ausgebildet ist, kann der Kopfbereich des kathodischen Zellkompartiments mit dem Teilgasstrom des Trägergasstroms gespült oder etwaig gebildete unerwünschte Abgase, wie beispielsweise Wasserstoff, verdünnt werden, wodurch die Gefahr unerwünschter, erhöhter Abgaskonzentrationen verringert wird.
Gemäß einer noch weiteren Weiterbildung der Elektrolysezelle kann das Gehäuse zwischen dem mindestens einen anodischen Zellkompartiment und dem mindestens einen kathodischen Zellkompartiment einen verringerten Querschnitt aufweisen, wobei der Separator im Bereich des verringerten Querschnitts angeordnet ist. Im Bereich des verringerten Querschnitts ist der Kontaktquerschnitt zwischen den Zellkompartimenten verringert. Die Querschnittsverringerung kann mit einem Verbindungskanal realisiert sein, welcher als ausschließliche Verbindung zwischen den Zellkompartimenten ausgebildet ist, wobei der Separator in dem Verbindungskanal angeordnet ist. Indem zwischen dem mindestens einen anodischen Zellkompartiment und dem mindestens einen kathodischen Zellkompartiment ein verringerter Querschnitt ausgebildet ist, können Diffusionseffekte des Produktgases Chlordioxid durch den im Bereich des verringerten Querschnitts angeordneten Separator verringert werden. Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit einem verringerten Querschnitt zwischen dem mindestens einen anodischen Zellkompartiment und dem mindestens einen kathodischen Zellkompartiment können eine U-Form oder eine H-Form aufweisen.
Gemäß einer noch weiteren Weiterbildung der Elektrolysezelle kann im anodischen Zellkompartiment eine mit der Anode elektrisch kontaktierte Feederelektrode angeordnet sein, wobei die Anode als dreidimensionale Elektrode mit Füllkörpern in Form einer Schüttung oder Packung ausgebildet ist. Die dreidimensionale Elektrode ist derart ausgebildet, dass sie vom Elektrolyten umströmbar und/oder durchströmbar ist. Die dreidimensionale Elektrode kann aus einem elektrochemisch aktiven Material wie Graphitpartikeln oder korrosionsbeständigen Metallpartikeln oder aus streckmetallartigen Elektrodenmaterialien in Form sogenannter Streckmetalle ausgebildet sein, wobei die Feederelektrode, welche mit der dreidimensionalen Elektrode elektrisch kontaktiert ist, in der Regel aus einem anderen elektrisch leitenden Material wie zum Beispiel Nickel ausgebildet ist. Für den Fall, dass die dreidimensionale Ausgestaltung der Elektrode einen größeren Bauraum erfordert, kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine anodische Zellkompartiment im Verhältnis größer ausgebildet ist als das mindestens eine kathodische Zellkompartiment, ohne dass das Gehäuse der Elektrolysezelle größer dimensioniert werden muss.
Gemäß einer noch weiteren Weiterbildung der Elektrolysezelle kann das anodische Zellkompartiment eine den Kopfbereich und den Fußbereich des Gehäuses verbindende Fluidleitung für den Elektrolyten aufweisen, so dass ein Elektrolyt vom Kopfbereich des anodischen Zellkompartiments über die Fluidleitung in den Fußbereich des anodischen Zellkompartiments gelangen kann. Eine solche Fluidleitung, welche auch als Umströmkanal bezeichnet werden kann, dient auch als Überlauf für den Elektrolyten, wobei der Abzweig der Fluidleitung im Kopfbereich des Gehäuses auf der Höhe der Elektrolytfüllhöhe ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass eine den Kopfbereich und den Fußbereich verbindende Fluidleitung als Umströmkanal eine Zirkulation des Elektrolyten begünstigt und zu einer erhöhten Produktausbeute von Chlordioxid beiträgt.
Im Kopfbereich des Gehäuses der Elektrolysezelle kann oberhalb der Elektrolytfüllhöhe ein Koaleszenzabscheider angeordnet sein, um eine Flüssigkeitsabscheidung der Gasphase zu ermöglichen. Von Vorteil ist der Koaleszenzabscheider insbesondere bei erhöhten Trägergasdurchsätzen.
Vorzugsweise weist die in das Gehäuse der Elektrolysezelle mündende Trägergaszuführung eine Trägergasfritte auf, mit welcher ein zugeführter Trägergasstrom möglichst fein verteilt in das Gehäuse einleitbar ist.
Gemäß den verschiedenen Ausgestaltungen der Elektrolysezelle kann die Trägergaszuführung am Gehäuseboden des Gehäuses angeordnet sein, so dass ein Trägergasstrom vom Fußbereich des Gehäuses einleitbar ist. Eine Einleitung vom Fußbereich des Gehäuses bedeutet eine Trägergaseinleitung von unten in das Gehäuse. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Trägergaszuführung in einem vorgegebenen Abstand vom Gehäuseboden in das Gehäuse mündet, so dass ein zugeführter Trägergasstrom vom Gehäuseboden beabstandet in das Gehäuse einleitbar ist.
Gemäß den verschiedenen Ausgestaltungen der Elektrolysezelle kann weiter vorgesehen sein, dass die Trägergaszuführung an mehreren Positionen in das Gehäuse mündet, so dass ein zugeführter Trägergasstrom an mehreren Positionen in das Gehäuse einleitbar ist. So kann die Trägergaszuführung derart ausgebildet sein, dass ein zugeführter Trägergasstrom in verschiedenen Abständen vom Gehäuseboden in das Gehäuse einleitbar ist.
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ist diskontinuierlich oder kontinuierlich betreibbar. Für den kontinuierlichen Betrieb ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen Einlass für einen Eduktstrom und einen Auslass für Elektrolyte aufweist. Für den kontinuierlichen Betrieb kann die Elektrolysezelle einen Vorlagebehälter für eine Eduktlösung aufweisen, aus welchem eine Eduktlösung in Form einer chlorithaltigen Lösung über den Einlass kontinuierlich in das Gehäuse zuführbar ist. Die Zuführung der Eduktlösung kann gesteuert und/oder unter Berücksichtigung von erfassten oder gemessenen Prozessparametern, wie beispielsweise Spannung, Temperatur oder Trägergasstrom, oder aufgrund einer Chlordioxid-Produktgaskonzentration geregelt werden. Zur Erfassung von Prozessparametern und Stoffkonzentrationen kann eine sensorische Einrichtung vorgesehen sein, welche sensorische Daten zur Regelung der Zufuhr einer Eduktlösung an eine Fördereinrichtung zur Förderung der Eduktlösung bereitstellt.
Gemäß einer Weiterbildung der verschiedenen Ausgestaltungen der Elektrolysezelle kann weiter vorgesehen sein, dass ein von einem Absorptionsmittelstrom durchströmbarer Absorber integriert ist, welcher antiparallel zum Absorptionsmittelstrom von einem aus dem mindestens einen anodenseitigen Zellkompartiment abgeführten Gasstrom durchströmbar ist. Mittels des Absorbers kann das Chlordioxid selektiv in einem zweiten Fluid gelöst beziehungsweise angereichert werden. Als Absorber kann beispielsweise eine Schüttung inerter Partikel (Füllkörper) oder ein inertes Geflecht beziehungsweise eine inerte Packung eingesetzt werden.
Gemäß einer noch weiteren Weiterbildung der verschiedenen Ausgestaltungen der Elektrolysezelle kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Kathode eine Gasdiffusionskathode ist. Durch die Verwendung einer Gasdiffusionskathode kann die Entstehung von Wasserstoff bei der Elektrolyse verringert oder vermieden werden.
Vorteilhaft sind mehrere der Elektrolysezellen modular gemeinsam betreibbar. So betrifft die Erfindung weiterhin eine Elektrolysezellenanordnung, welche mindestens drei der erfindungsgemäßen Elektrolysezellen aufweist, welche seriell angeordnet sind. Die Elektrolysezellenanordnung weist weiterhin einen externen von einem Absorptionsmittelstrom durchströmbaren Absorber auf, welcher von zusammengeführten Produktgasströmen der mindestens drei Elektrolysezellen durchströmbar ist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Bei dem Verfahren wird eine vorgegebene chlorithaltige Lösung der Elektrolysezelle zugeführt. In der Elektrolysezelle wird die chlorithaltige Lösung elektrolytisch in Chlordioxid überführt, wobei ein in der Elektrolysezelle enthaltener Elektrolyt während der Elektrolyse zumindest bereichsweise von einem Trägergasstrom durchströmt wird, wobei in dem Elektrolyten gelöstes Chlordioxid gestrippt wird.
Dadurch, dass der Elektrolyt bereits während der Elektrolyse mit einem Trägergas durchströmt wird, um in dem Elektrolyten gelöstes Chlordioxid zu strippen, kann elektrolytisch gebildetes Chlordioxid unmittelbar aus der Elektrolysezelle bereitgestellt werden, ohne dass eine Überführung des Gelöst-Chlordioxid enthaltenden Elektrolyten in einen weiteren Stripping-Behälter erforderlich ist. Das gebildete Chlordioxid wird somit unmittelbar gestrippt und für eine Verwendung bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens wird das Trägergas zum Strippen von gelöstem Chlordioxid von unten in die Elektrolysezelle eingeleitet. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass das Trägergas gleichzeitig oder zeitlich versetzt an verschiedenen Positionen in die Elektrolysezelle eingeleitet wird.
Vorteilhaft kann das Einleiten des Trägergases durch ein Vakuum unterstützt werden. Typische Möglichkeiten der Vakuumabsaugung des angereicherten Trägergases sind Vakuumpumpen oder Wasserstrahlvorrichtungen.
Bei der elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid ist eine Wasserstoffbildung an der Kathode unvermeidbar. Es kann daher vorgesehen werden, dass kathodenseitig erzeugtes Abgas mit einem Teilgasstrom des zugeführten Trägergasstroms verdünnt und/oder aus der Elektrolysezelle ausgeblasen wird, um eine kritische Wasserstoffkonzentration zu vermeiden.
Der Elektrolyt kann während der Elektrolyse zumindest in dem anodischen Zellkompartiment aktiv zirkuliert werden.
Zur Beeinflussung des Strippings des in dem Elektrolyten gelösten Chlordioxids kann der Trägergasstrom variiert werden. Es kann vorgesehen werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergasstroms beziehungsweise ein Druck des Trägergasstroms variiert wird. Indem die Einleitung des Trägergasstroms variiert wird, kann die Gelöst-Chlordioxid-Konzentration im Elektrolyten beeinflusst und kontrolliert gesteuert werden.
Das Verfahren zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Bei der kontinuierlichen Betriebsweise wird das Edukt in Form einer Lösung kontinuierlich zugeführt, wobei ein äquivalenter Elektrolytstrom aus der Elektrolysezelle abgeführt wird.
Die Erfindung ermöglicht eine Bereitstellung von Chlordioxid in Form einer wässrigen Lösung oder als Gas für die Desinfektion von Apparaten, Behältern, Leitungen, Filtern und Instrumenten, weiterhin zum Desinfizieren von Oberflächen, zum desinfizierenden Waschen von Lebensmitteln und anderen Produkten. Das gemäß der Erfindung bereitgestellte Chlordioxid ist weiterhin nach der Deutschen Trinkwasserverordnung im Trinkwasserbereich sowie bei der Behandlung anderer Wässer, wie bei der Desinfektion von Prozess- und Spülwässern, anwendbar. Die Nutzung des bereitgestellten Chlordioxids in Gelöstform, als Gas oder in kombinierten Verfahren ist möglich.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
3: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
4: eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
5: eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
6: eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
7: eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
8: eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
9: eine schematische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
10: eine schematische Darstellung eines zehnten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid,
11: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle zur näheren Erläuterung einer kontinuierlichen Betriebsweise,
12: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Elektrolysezellenanordnung zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid und
13: ein Diagramm zur weiteren Erläuterung der Erfindung, wobei das Diagramm eine experimentell bestimmte Chlordioxidmenge im Vergleich zu einer rechnerisch maximal produzierbaren Chlordioxidmenge zeigt.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Die Elektrolysezelle 1 weist eine Anode 2 und eine Kathode 4 auf. Die Anode 2, welche auch als Produkterzeugerelektrode 2 bezeichnet wird, und die Kathode 4, welche auch als Gegenelektrode 4 bezeichnet wird, sind voneinander beabstandet in einem Gehäuse 30 angeordnet. In dem Gehäuse 30 ist ein Elektrolyt 31 bis zu einer Füllhöhe 29 eingefüllt. Die Füllhöhe 29 ist derart gewählt, dass zwischen der Füllhöhe 29 und einer Gehäusedecke 33 ein Zwischenraum als Produktgaskompartiment 32 für gestripptes Produktgas ausgebildet ist. Weiterhin weist die Elektrolysezelle 1 mindestens eine in das Gehäuse 30 mündende Trägergaszuführung 7 auf, über welche ein zugeführter Trägergasstrom 8 in das Gehäuse 30 einleitbar ist. An ihrem Mündungsende weist die Trägergaszuführung 7 eine Gasfritte 34 auf, mit welcher der zugeführte Trägergasstrom 8 über den gesamten inneren Gehäusequerschnitt von unten, das heißt vom Gehäuseboden 37, in das Gehäuse 30 einleitbar ist, um den Elektrolyten 31 zu durchströmen. Der eingeleitete Trägergasstrom 8 dient zum Strippen von im Elektrolyten 31 enthaltenem Chlordioxid.
In der Gehäusedecke 33, welche den kopfseitigen Abschluss des Gehäuses 30 bildet, ist eine Öffnung 13 zum Abführen von gestrippten Gas, dem Produktgas 12, ausgebildet. Das Produktgas setzt sich im Wesentlichen aus dem über die Trägergaszuführung 7 zugeführten Trägergas und elektrolytisch erzeugtem Chlordioxid zusammen.
Ferner weist die Elektrolysezelle 1 eine Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Elektrolyse auf. Zur Steuerung und/oder Regelung der Elektrolyse können mehrere sensorische Einrichtungen und Stelleinrichtungen vorgesehen sein, welche eine Steuerung und/oder Regelung von Elektrolysezellenparametern, wie Temperatur, Stromstärke, Spannung und Konzentration, ermöglichen. In dem Gehäuse der Elektrolysezelle ist mindestens eine Öffnung zum Abführen von Gasen, insbesondere Chlordioxid, ausgebildet. Der Einfachheit halber ist die Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Elektrolyse nicht gezeigt.
Die Einleitung eines Trägergasstroms 8 während der Elektrolyse ermöglicht ein kompaktes Strippen von Chlordioxid aus dem Raum zwischen der Anode 2 und der Kathode 4. Darüber hinaus trägt die unmittelbare Trägergaseinleitung zur Konzentrationsabsenkung des Produktgases Chlordioxid in gelöster Form bei. Dadurch sinkt die Triebkraft für ausbeutemindernde elektrochemische Rückreaktionen oder Nebenreaktionen an der Kathode 4 und im Elektrolyten 31 durch chemische Nebenreaktionen. Infolge des eingeleiteten Trägergasstroms 8 wird eine Strömung ähnlich einer sogenannten Propfenströmung erzeugt, wodurch eine Rückvermischung im Elektrolyten 31 verringert wird. Dadurch wird die Gefahr verringert, dass das erzeugte Chlordioxid in gelöster Form an die Kathode 4 gelangt und dort wieder zersetzt wird.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Anode 2 und der Kathode 4 kein Separator angeordnet.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Im Unterschied zu 1 weist die Elektrolysezelle 1 einen Koaleszenzabscheider 14 auf, welcher oberhalb der Füllhöhe 29 des Elektrolyten 31 in dem Produktgaskompartiment 32 im Kopfbereich des Gehäuses 30 angeordnet ist. Dabei ist der Koaleszenzabscheider 14 derart angeordnet, dass zwischen dem Koaleszenzabscheider 14 und der Gehäusedecke 33 ein dem Produktgaskompartiment 32 zuzuordnender Zwischenraum ausgebildet ist. Der Koaleszenzabscheider 14 dient zur besseren Trennung des aus dem Elektrolyten 31 während des Strippens austretenden Produktgases von mitgerissener Elektrolytflüssigkeit. Die Anordnung des Koaleszenzabscheiders 14 kann für jede der nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele vorgesehen sein.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 30 mit einem zwischen der Anode 2 und der Kathode 4 angeordneten Separator 3 in ein anodisches Zellkompartiment 35 und ein kathodisches Zellkompartiment 36 unterteilt. Die Anode 2 ist im Sinne einer Zero-Gap-Konstruktion in unmittelbarer Nähe zum Separator 3 angeordnet. Diese Anordnung dient zur Verringerung der Zellspannung. Ferner weist die Anode 2 eine geometrisch dreidimensionale Struktur auf. Die Trägergaszuführung 7 mündet mit einer endständig ausgebildeten Gasfritte 34 vom Gehäuseboden 37 beabstandet in das anodische Zellkompartiment 35, so dass der im anodischen Zellkompartiment 35 enthaltende Elektrolyt 31 mit einem zugeführten Trägergasstrom 8 durchströmbar ist. Der Querschnitt der Gasfritte 34 ist kleiner als der Querschnitt des anodischen Zellkompartiments 35. Da durch Separatoren mit reduzierter Flüssigkeitsdurchlässigkeit nicht automatisch ein Flüssigkeitsaustausch erfolgt, sind, wie gezeigt, verschiedene Füllstände in beiden Zellkompartimenten 35 und 36 möglich. Das kathodische Zellkompartiment 36 weist eine separate Öffnung 10 zum Abführen eines kathodischen Abgasstroms 11 auf.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 30 mit einem zwischen der Anode 2 und der Kathode 4 angeordneten Separator 3 in ein anodisches Zellkompartiment 35 und ein kathodisches Zellkompartiment 36 unterteilt. Die Anode 2 weist zwei horizontale Durchbrechungen 5 und 6 auf, wobei eine erste Durchbrechung 6 nahe unterhalb der Füllhöhe 29 des Elektrolyten 31 ausgebildet ist. Eine zweite Durchbrechung 5 ist im Fußbereich nahe des Gehäusebodens 37 ausgebildet. Die Durchbrechungen 5 und 6, welche von dem Elektrolyten 31 durchströmbar sind, begünstigen eine zelleninterne Elektrolytzirkulation nach dem Airliftprinzip. Dadurch wird die Konzentration des gelösten Chlordioxids am Separator 3 minimiert, so dass eine ausbeuteverringernde Diffusion durch den Separator 3 zur Kathode 4 verringert wird. Die Anode 2 ist im anodischen Kompartiment 35 derart angeordnet, dass das anodische Zellkompartiment 35 zweigeteilt ist, so dass Elektrolyt 31 von einem ersten Teil in einen zweiten Teil des anodischen Zellkompartiments 35 strömen kann. Die Trägergaszuführung 7 mündet mit einer endständig ausgebildeten Gasfritte 34 vom Gehäuseboden 37 beabstandet in den ersten Teil des anodischen Zellkompartiments 35 linksseitig von der Anode 2 in das anodische Zellkompartiment 35. Der Querschnitt der Gasfritte 34 ist kleiner als der Querschnitt des ersten Teils des anodischen Zellkompartiments 35.
Im Kopfbereich weist das Gehäuse 30 einen vergrößerten Gehäusequerschnitt 15 auf, welcher sich von der Elektrolytfüllhöhe 29 bis zum Gehäusedeckel 33 hin vergrößert. Aufgrund des vergrößerten Gehäusequerschnitts 15 weist das Produktgaskompartiment 32, welches zwischen der Füllhöhe 29 und dem Gehäusedeckel 33 ausgebildet ist, ein vergrößertes Volumen auf, so dass für das Produktgas mehr Raum zur Verfügung steht. Die Ausgestaltung des Gehäuses 30 mit im Kopfbereich bereichsweise vergrößertem Gehäusequerschnitt 15 kann für jede der vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen der Elektrolysezelle 1 vorgesehen sein.
Die 5 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass im anodischen Zellkompartiment 35 ein geometrisches Leitelement 16 angeordnet ist. Das geometrische Leitelement 16, welches in Form eines Einschubblechs ausgebildet ist, weist eine erste Durchbrechung 6 auf, welche nahe unterhalb der Füllhöhe 29 des Elektrolyten 31 ausgebildet ist. Eine zweite Durchbrechung 5 ist im Fußbereich nahe des Gehäusebodens 37 in dem geometrischen Leitelement 16 ausgebildet. Die Anordnung des geometrischen Leitelements 16 teilt das anodische Zellkompartiment 35 in zwei nahezu gleichgroße Teile, wobei die Trägergaszuführung 7 mit einer endständig ausgebildeten Gasfritte 34 vom Gehäuseboden 37 beabstandet in den ersten Teil linksseitig von dem geometrischen Leitelement 16 in das anodische Zellkompartiment 35 mündet. Das geometrische Leitelement 16 begünstigt eine Elektrolytzirkulation innerhalb des anodischen Zellkompartiments 35, was zu einer verbesserten Produktausbeute von Chlordioxid beiträgt.
Die 6 zeigt eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass zwischen der Trägergaszuführung 7 und der kathodenseitigen Abgasöffnung 10 für kathodenseitiges Abgas 11 des kathodischen Zellkompartiments 36 eine Fluidleitung 9 ausgebildet ist, über welche ein Teilgasstrom des zugeführten Trägergasstroms 8 in den kathodenseitigen Abgasstrom 11 gelangt. Dadurch, dass zwischen der Trägergaszuführung 7 und der Abgasöffnung 10 des kathodischen Zellkompartiments 36 eine Fluidleitung 9 ausgebildet ist, kann der Kopfbereich des kathodischen Zellkompartiments 36 mit zugeführtem Trägergas gespült oder etwaig gebildete unerwünschte Abgase, wie beispielsweise Wasserstoff, verdünnt werden, wodurch die Gefahr erhöhter Abgaskonzentrationen verringert wird.
Die 7 zeigt eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Elektrolysezelle 1 mit einem H-förmigen Gehäuse 30, wobei das Gehäuse 30 ein anodisches Zellkompartiment 35, ein kathodisches Zellkompartiment 36 und einen zwischen den Zellkompartimenten 35 und 36 ausgebildeten Verbindungskanal 17 aufweist, welcher den Kontaktquerschnitt zwischen den Zellkompartimenten 35 und 36 verringert. Innerhalb des Verbindungskanals 17 ist ein Separator 3 angeordnet. Die Anode 2 und die Kathode 4 sind jeweils randständig mit maximal möglichem Abstand zueinander in dem Gehäuse 30 angeordnet. Infolge des durch den Verbindungskanal 17 verkleinerten Kontaktquerschnitts zwischen den Zellkompartimenten 35 und 36 können Diffusionseffekte von im Elektrolyten 31 vorliegendem gelösten Chlordioxid durch den Separator 3 verringert werden, wodurch die Produktausbeute von Chlordioxid erhöht wird.
Die 8 zeigt eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Das in 8 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass im elektrolytgefüllten Zwischenraum zwischen der Anode 2 und der Kathode 4 Füllkörper 18 angeordnet sind. Die angeordneten Füllkörper 18, welche aus Glas und/oder Kunststoff bestehen, bilden untereinander von dem Elektrolyten 31 durchströmbare Zwischenräume aus. Aufgrund der im Elektrolyten 31 angeordneten Füllkörper 18 kann die Effektivität beim Strippen des gelösten Chlordioxids erhöht werden.
Die 9 zeigt eine schematische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass die Anode 2 im anodischen Zellkompartiment 35 als dreidimensionale Elektrode mit einer Feederelektrode 21 und Füllkörpern 20 ausgebildet ist, wobei die Feederelektrode 21 mit in dem anodischen Zellkompartiment 35 in Form einer Schüttung oder Packung angeordneten Füllkörpern 20 elektrisch kontaktiert ist. Die Füllkörper 20 bilden untereinander von dem Elektrolyten 31 und dem Trägergasstrom 8 durchströmbare Zwischenräume aus. Dadurch werden Rückvermischungen reduziert, wodurch die Gefahr einer Ausbeutereduzierung infolge von Nebenreaktionen an der Kathode vermieden werden kann.
Die 10 zeigt eine schematische Darstellung eines zehnten Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Das in 10 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass das anodische Zellkompartiment 35 des Gehäuses 30 eine den Kopfbereich und den Fußbereich des Gehäuses 30 verbindende Fluidleitung 19 für den Elektrolyten aufweist. Die Fluidleitung 19, welche auch als Umströmkanal 19 bezeichnet werden kann, zweigt unterhalb der Füllhöhe 29 des Elektrolyten 31 als Überlauf von dem anodischen Zellkompartiment 35 ab und mündet im Fußbereich des Gehäuses 30 vom Gehäuseboden 37 beabstandet zwischen der Mündung der Trägergaszuführung 7 und dem Gehäuseboden 37 in das anodische Zellkompartiment 35.
Die 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Elektrolysezelle 1 zur näheren Erläuterung einer kontinuierlichen Betriebsweise. Bei der kontinuierlichen Betriebsweise wird der Elektrolysezelle ein Eduktstom 22 kontinuierlich zugeführt, wobei ein verarmter Elektrolytstrom 23 kontinuierlich abgeführt wird. Der Produktgasstrom 12, welcher sich aus dem gestrippten Chlordioxid und dem Trägergas 8 zusammensetzt, durchströmt einen zellenintegrierten Absorber 24 und verlässt in abgereicherter Form als Gasstrom 25 die Elektrolysezelle 1. Der Absorptionsmittelstrom 26 tritt von oben in den Absorber 24 ein und verlässt den Absorber 24 als angereicherter Absorptionsmittelstrom 27. Die in 11 mit Pfeilen angedeuteten Stoffströme sind als Kreislaufführungen ausführbar. Der Absorptionsmittelstrom 26 kann zur Kühlung eingesetzt werden.
Die 12 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Elektrolysezellenanordnung 38 von mehreren Elektrolysezellen 28 zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid. Die in 12 gezeigte Elektrolysezellenanordnung 38 ermöglicht eine kontinuierliche Betriebsweise mehrerer Elektrolysezellen 28, welche stoffstrommäßig seriell angeordnet sind. Die Elektrolysezellenanordnung 38 weist weiterhin einen externen von einem Absorptionsmittelstrom 26, 27 durchströmbaren Absorber 24 auf, welcher von zusammengeführten Produktgasströmen 12 der mindestens drei Elektrolysezellen 28 durchströmbar ist. Der dem Absorber 24 zugeführte Produktgasstrom 12 wird im Absorber 24 abgereichert und verlässt den Absorber 24 als abgereicherter Gastrom 25. Die serielle Teilzellenanordnung beziehungsweise Kaskadierung der Elektrolysezellen 28 engt das Strömungsprofil durch Reduzierung von ausbeutemindernden Rückvermischungseffekten ein. Dies ist ein erprobtes Prinzip in der chemischen beziehungsweise elektrochemischen Reaktionstechnik.
Die 13 zeigt ein Diagramm zur weiteren Erläuterung der Erfindung, wobei das Diagramm eine experimentell bestimmte Chlordioxidmenge im Vergleich zu einer rechnerisch maximal produzierbaren Chlordioxidmenge zeigt. Dabei entspricht der gestrichelt dargestellte Graph 39 der nach dem Faraday-Gesetz rechnerisch ermittelten Chlordioxidmenge in Gramm über die Zeit in Minuten, wobei der Graph 40 der experimentell ermittelten Chlordioxidmenge in Gramm über die Zeit in Minuten entspricht.
Zur experimentellen Bestimmung der elektrolytisch herstellbaren Chlordioxidmenge wird eine Blasensäule aus Glas mit einem Innendurchmesser von 70 mm verwendet. Während der Versuchsdurchführung zur experimentellen Bestimmung wird Luft als Trägergas von unten durch eine integrierte Keramikfritte mit einem Durchsatz von 1 Liter pro Minute eingeperlt. Die Blasensäule ist mit 0,5 Liter einer Natriumchloritlösung, die eine Anfangskonzentration von 32,3 Gramm pro Liter aufweist, gefüllt. Der Anfangs-pH-Wert von pH 5,3, welchen die als Elektrolyt eingesetzte Natriumchloritlösung aufweist, wird mit Kaliumdihydrogenphosphat eingestellt. Der Blasensäule sind drei Absorbergefäße in Form von Gaswaschflaschen mit einem Gesamtvolumen von 5,2 Liter nachgeordnet. Die Innentemperatur wird mittels Eispackungen im Bereich von 3 °C bis 5 °C gehalten. Die Blasensäule wird nicht thermostatiert. Von der Blasensäule ist im Abstand von 5 cm eine Streckmetallanode mit den Maßen 6 cm x 5 cm angeordnet. Dabei weist die Streckmetallanode einen Titangrundkörper auf, welcher mit einer aktiven Schicht aus Iridiumdioxid beschichtet ist. Die Kathode ist in Form einer Edelstahlstange mit einem Durchmesser von 6 mm und mit einer aktiven Länge von 6 cm ausgebildet. Zur elektrischen Energieversorgung wird eine Statron-Gleichstromquelle eingesetzt, welche konstant 4 A bereitstellt. Eine Probenentnahme erfolgte in gleichen Zeitabständen aus den Absorbergefäßen. Die Proben wurden sofort verdünnt und die Chlordioxidmenge mit Hilfe eines Analytik Jena-Photometers vom Typ Specord 40 bestimmt. Der im Diagramm der 13 dargestellte Graph 40 zeigt die nachgewiesenen Mengen Chlordioxid nach 15, 30, 45 und 60 Minuten im Vergleich der nach dem Faraday-Gesetz rechnerisch ermittelten maximal möglichen Mengen Chlordioxid, welche mit dem Graph 39 dargestellt sind. Nicht berücksichtigt sind die Gelöstmengen an Chlordioxid in der Blasensäule selbst, Chlordioxid in den Toträumen des Versuchsaufbaus wie zum Beispiel den Schlauchverbindungen und eventuelle Restmengen in der Abluft am Absorberaustritt. Die Gelöstmengen in der Blasensäule betrugen in diesem beziehungsweise in ähnlichen Versuchen in der Regel ca. 0,2 g Chlordioxid pro Liter, was den Intensionen der Erfindung entspricht. Wird aus den Messwerten eine differentielle oder eine integrale Stromausbeute berechnet, so werden Werte um 70 % erhalten. In Versuchen mit einer Stromstärke von 2,5 A wurden circa 84 % berechnet. Dies sind ausgezeichnete Werte angesichts einer nicht vollständigen Bestimmung von Chlordioxid. Es ist davon auszugehen, dass hinsichtlich der Zellenkonstruktion, Elektrodenauswahl, der Temperatur und der Stromdichte beziehungsweise des Elektrodenpotentials weitere Optimierungen vorgenommen werden können.
Bezugszeichenliste

1: Elektrolysezelle
2: Anode, Produkterzeugerelektrode
3: Separator
4: Kathode, Gegenelektrode
5: zweite Durchbrechung
6: erste Durchbrechung
7: Trägergaszuführung
8: Trägergasstrom
9: Fluidleitung
10: kathodenseitge Abgasöffnung
11: kathodischer Abgasstrom, kathodenseitiges Abgas
12: Produktgasstrom, Produktgas
13: Öffnung zum Abführen von Gasen
14: Koaleszenzabscheider
15: Gehäusequerschnittsvergrößerung
16: geometrisches Leitelement
17: Verbindungskanal
18: Füllkörper
19: Fluidleitung, Umströmkanal
20: Füllkörper
21: Feederelektrode
22: Eduktstrom
23: verarmter Elektrolytstrom
24: Absorber
25: abgereicherter Gasstrom
26: Absorptionsmittelstrom
27: angereicherter Absorptionsmittelstrom
28: Elektrolysezelle
29: Füllhöhe, Elektrolytfüllhöhe
30: Gehäuse
31: Elektrolyt
32: Produktgaskompartiment
33: Gehäusedecke
34: Gasfritte
35: anodisches Zellkompartiment
36: kathodisches Zellkompartiment
37: Gehäuseboden
38: Elektrolysezellenanordnung
39: rechnerisch ermittelte Chlordioxidmenge über die Zeit
40: experimentell ermittelte Chlordioxidmenge über die Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5324497 [0006]
DE 112005001836 T5 [0007]
US 2008/0290044 A1 [0007]
US 7833392 B2 [0008]
US 5089095 [0009]
US 6203688 [0010]

Claims

Elektrolysezelle (1) zur elektrolytischen Bereitstellung von Chlordioxid, die Elektrolysezelle (1) aufweisend, mindestens eine eindimensionale oder mehrdimensional ausgebildete Anode (2) und mindestens eine Kathode (4), welche in Kontakt mit einem vorgegebenen Elektrolyten (31) voneinander beabstandet in einem Gehäuse (30) angeordnet sind, eine Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Elektrolyse, eine in dem Gehäuse (30) ausgebildete Öffnung (13) zum Abführen von Gasen, insbesondere Chlordioxid, und mindestens eine in das Gehäuse (30) mündende Trägergaszuführung (7), welche an oder in dem Gehäuse (30) derart angeordnet ist, dass das Gehäuse (30) von einem zugeführten Trägergasstrom (8) zum Strippen von gelöstem Chlordioxid während einer Elektrolyse zumindest bereichsweise durchströmbar ist.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) mit einem zwischen der mindestens einen Anode (2) und der mindestens einen Kathode (4) angeordneten Separator (3) in mindestens ein anodisches Zellkompartiment (35) und mindestens ein kathodisches Zellkompartiment (36) unterteilt ist, wobei jedes Zellkompartiment (35, 36) eine separate Öffnung (13, 10) zum Abführen von Gasen aufweist.
Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mindestens einen Anode (2) und der mindestens einen Kathode (4) vom Elektrolyten (31) durchströmbare Füllkörper angeordnet sind.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) ein Produktgaskompartiment (32) aufweist, welches oberhalb einer Füllhöhe (29) des Elektrolyten (31) für gestripptes Chlordioxid ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (30) im Bereich des Produktgaskompartiments (32) eine Querschnittsvergrößerung (15) aufweist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anode (2) mindestens eine Durchbrechung (5, 6) aufweist, welche von Elektrolyt (31) durchströmbar ist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im anodischen Zellkompartiment (35) ein geometrisches Leitelement (16) angeordnet ist, welches eine Zirkulation des Elektrolyten (31) begünstigt.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilgasstrom des zugeführten Trägergasstroms (8) in einen kathodenseitig abgeführten Gasstrom (11) mündet.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das anodische Zellkompartiment (35) eine einen Kopfbereich und einen Fußbereich des Gehäuses (30) verbindende Fluidleitung (19) für den Elektrolyten (31) aufweist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopfbereich des Gehäuses (30) oberhalb der Elektrolytfüllhöhe (29) mindestens ein Koaleszenzabscheider (14) angeordnet ist.
Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem Absorptionsmittelstrom (26, 27) durchströmbarer Absorber (24) integriert ist, welcher antiparallel zum Absorptionsmittelstrom (26, 27) von einem aus dem mindestens einen anodischen Zellkompartiment (35) abgeführten Gasstrom (12) durchströmbar ist.