DE1023017B

DE1023017B - Verfahren zur Gewinnung von schwerem Wasser in elektrochemischen Zellen

Info

Publication number: DE1023017B
Application number: DEV10933A
Authority: DE
Inventors: Dr Wolf Vielstich
Original assignee: DR WOLF VIELSTICH
Current assignee: DR WOLF VIELSTICH
Priority date: 1956-07-18
Filing date: 1956-07-18
Publication date: 1958-01-23

Description

Verfahren zur Gewinnung von schwerem Wasser in elektrochemischen Zellen Da das gewöhnliche Wasser etwa 0,015 bis 0,02010 schweres Wasser enthält, gehen die bisherigen Verfahren zur Gewinnung schweren Wassers teilweise von der elektrolytischen Zerlegung des gewöhnlichen Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff aus, wobei sich das schwere Wasser im Elektrolyten anreichert.
Diese Anreicherung ist von der Trennwirkung der verwendeten elektrolytischen Zellen zur Zersetzung des Wassers abhängig, die unter den gegebenen Elektrolysebedingungen, wie beispielsweise Stromstärke, Art des Elektrolyten, Temperatur usw., durch den Trennfaktor des verwendeten Elektrodenmaterials bestimmt wird. Der Trennfaktor ist durch folgende Gleichung definiert: Er kann nach den bisherigen Untersuchungen Werte zwischen 3 und 20 annehmen. Zur technisch vorteilhaften Durchführung solcher Verfahren zur Gewinnung des schweren Wassers werden Stufen parallel geschalteter elektrolytischer Zellen so in Reihe geschaltet, daß die Zellenzahl je Stufe in dem Maße abnimmt, wie der Gehalt des Elektrolyten an schwerem Wasser ansteigt. Der in den letzten Stufen entwickelte Wasserstoff ist an Deuterium stark angereichert und wird deshalb verbrannt, das entstehende Wasser kondensiert und dem Elektrolyten einer vorhergehenden Stufe zugeführt.
Das schwere Wasser reichert sich in dem Elektrolyten an, weil die Überspannung zur kathodischen Abscheidung von Deuterium größer ist als für das leichtere Wasserstoffisotop. Diese Erscheinung wird nach der Waldmannscheu Regel so gedeutet, daß ein schweres Isotop stets in einer Flüssigkeit angereichert wird, wenn die Ionen mehr innere Freiheitsgrade besitzen als die entsprechenden Gasmolekeln.
Es wurde gefunden, daß sich das Verfahren zur Gewinnung schweren Wassers in elektrochemischen Zellen besonders günstig durchführen läßt, wenn den Anoden dieser Zellen in an sich bekannter Weise Wasserstoff zugeführt wird, wobei ein Teil dieses Wasserstoffes durch die katalytische Wirkung des Anodenmaterials in ionisierter Form im Elektrolyten gelöst und eine entsprechende Menge Wasserstoffgas durch Entladung von Wasserstoffionen an der Kathode entwickelt wird.
Die elektrochemischen Zellen werden dabei vorteilhaft mit einer Spannung von 0,05 bis 1,5 Volt, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 Volt, betrieben.
Werden zur Gewinnung des schweren Wassers mehrere elektrochemische Zellen in einer üblichen Kaskaden-Schaltung verwendet, so kann der Wasserstoffüberschuß von d^r Anode und der kathodisch entwickelte Wasserstoff den Elektroden vorhergehender Zellen zugeführt werden.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Trennfaktor dadurch erhöht, daß als Kathoden für die elektrochemischen Zellen Gas-Diffusions-Elektroden verwendet werden, die mit einem inerten Gas oder einem Inertgas-Wasserstoff-Gemisch gespült werden.
Zur technischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei Wasserstoffelektroden zu einer elektrochemischen Zelle vereint, wobei der Anode Wasserstoff zugeführt wird, der durch die katalytische Wirkung des Elektrodenmaterials teilweise in ionisierter Form in Lösung geht, während an der Kathode Wasserstoffionen entladen und in Wasserstoffgas übergeführt werden. Dabei wird der Polarisationswiderstand der Elektroden durch die katalytische Wirkung des Elektrodenmaterials in bezug auf den Ladungsaustausch bestimmt. Um diesen Polarisationswiderstand möglichst klein zu halten, werden vorteilhaft Wasserstoffelektroden mitgeringer Polarisation, wie beispielsweise die von Bacon (britische Patentschrift 667 298) entwickelten Gas-Diffusions-Elektroden, aus Nickel verwendet.
Die zur Überwindung dieses Polarisationswiderstandes benötigte Betriebsspannung ist wesentlich geringer als für die elektrolytische Zerlegung des Wassers. Während bei der Wasserelektrolyse sich die Betriebsspannung von ungefähr 2 bis 3 Volt aus der Wasserzersetzungsspannung (1,23 Volt), der Wasserstoffüberspannung der Kathode (etwa 1 Volt) und der Polarisationsspannung von Anode und Kathode, die je nach Stromdichte 0,2 bis 1,5 Volt beträgt, zusammensetzt, ist nach dem Verfahren der Erfindung lediglich die Polarisationsspannung der beiden Wasserstoffelektroden zu berücksichtigen. Deshalb können die Zellen mit einer Spannung von nur 0,5 bis 1,5 Volt, vorzugsweise 0,2 bis 0,5-Volt, betrieben werden.
Die elektrochemische Zelle enthält zwei Trennstufen, denn nach der Waldmannschen Regel erfolgt die Trennung der Wasserstoffisotopen sowohl an der Anode als auch an der Kathode. Das schwere Isotop geht an der Anode bevorzugt in Lösung, während an der Kathode überwiegend das leichte Isotop zur Entladung gebracht wird.
Bei Anwendung einer üblichen Kaskadenschaltung wird eine weitere Energieeinsparung dadurch erreicht, daß der kathodisch entwickelte, mit schweren Wasserstoffisotopen stark angereicherte Wasserstoff der letzten Stufen und der Wasserstoffüberschuß der Anoden den Anoden vorhergehender Stufen zugeführt wird.
Um einen guten Trennfaktor zu erreichen, ist es wichtig, die Verweilzeit des Wasserstoffgases an der Elektrodenoberfläche zu regulieren. Besonders an der Kathode soll die Verweilzeit des gebildeten Wasserstoffgases möglichst klein gehalten werden. Deshalb ist es günstig, auch als Kathode eine Gas-Diffusions-Elektrode zu verwenden, durch deren Poren ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, oder ein Inertgas-Wasserstoff-Gemisch gepreßt wird.
Gegenüber den bisher bekannten Verfahren kann schweres Wasser nach dem Verfahren der Erfindung mit bedeutender Energieeinsparung und gutem Trennungseffekt besonders vorteilhaft hergestellt «erden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Gewinnung schweren Wassers in elektrochemischen Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß den Anoden dieser Zellen Wasserstoff zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemischen Zellen mit einer Spannung von 0,05 bis 1,5 Volt, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 Volt, betrieben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer üblichen Kaskadenschaltung mehrerer elektrolytischer Zellen der Wasserstoffüberschuß von der Anode und der kathodisch entwickelte Wasserstoff den Anoden vorhergehender Zellen zugeführt wird. d. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kathoden der elektrolytischen Zellen Gas-Diffusions-Elektroden verwendet und diese mit einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff, oder einem Inertgas-Wasserstoff-Gemisch gespült werden. In Betracht gezogene Druckschriften Trautz, 1M., -Lehrbuch der Chemie,., Berlin und Leipzig, 1922, Bd. 1, S.263.