DE1173877B - Elektrolytische Zelle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: BOIk

Deutsche Kl.: 12h-l

Nummer: 1173 877

Aktenzeichen: O7934IV a /12 h

Anmeldetag: 7. März 1961

Auslegetag: 16. Juli 1964

Die Erfindung bezieht sich auf elektrolytische Zellen ohne Diaphragma mit monopolaren Elektroden zur Verwendung für eine Vielfalt von elektrochemischen Zwecken.

Die erfindungsgemäße elektrolytische Zelle besteht im wesentlichen aus einem Zellenbehälter, einer Anoden- und einer Kathodenanordnung mit den entsprechenden Zubehörteilen.

Der Zellenbehälter ist ein geradliniges Gehäuse mit drei geschlossenen Seiten und einer vierten Seite, in welcher eine rechteckige Anodenöffnung mit einem geeigneten Flansch zur Aufnahme der Anodenanordnung vorgesehen ist. Die beiden zur Seite der Anodenöffnung senkrechten Seiten können einfache Platten sein, sind jedoch vorzugsweise doppelwandige Seiten mit geeigneten inneren Umlenkflächen und Zubehörteilen zur Bildung von Kühlwassermänteln. Der Zellenbehälter ist offen und am oberen Ende zur Aufnahme des Zellendeckels mit einem Flansch versehen. An einer geeigneten Stelle im Zellenbehälter ist zweckmäßig durch die einwandige Kathodenseite oder die Anodenöffnungsseite ein Einlaß vorgesehen. Ein mit einem Ventil versehener Ablauf ist vorzugsweise im Boden des Zellenbehälters vorgesehen, um die'Entnahme des flüssigen Inhalts der Zelle zu ermöglichen, falls dies erforderlich ist. Die Zelle ist auf isolierten Schenkeln gelagert, die am Boden des Zellenbehälters befestigt sind.

Die Kathodenanordnung besteht aus einer Anzahl von senkrecht angeordneten Stahlplatten, die mit der Innenfläche der Seite des Zellenbehälters, die der Anodenseite gegenüberliegt, beispielsweise durch Schweißen fest verbunden sind. Die Kathodenplatten erstrecken sich quer durch die Zelle und teilweise durch die Öffnung in der Anodenseite und sind durch Verschweißen mit den unteren und oberen Leisten der Öffnung in der Anodenseite des Zellenbehälters gelagert. Die Kathodenplatten befinden sich in geeignetem Abstand voneinander um jeweils eine Anode zwischen jedem benachbarten Paar der Kathodenplatten aufzunehmen. Die Dicke der Kathodenplatten kann etwa 2,54 bis 12,7 mm betragen. Genormte Stahlplatten mit einer Dicke von 6,35 mm sind besonders geeignet. Bei der Verwendung von Anoden von einer Dicke von 2,54 bis 3,175 mm beträgt der Zwischenraum zwischen den Kathodenplatten zweckmäßig etwa 12,7 mm. Die Kathoden und der gesamte Zellenbehälter sind gegen Korrosion kathodisch geschützt, da sie im Gebrauch durch einen Elektrolyten bedeckt sind. Daher ist gewöhnliches Eisen oder Flußstahl für Kathodenplatten und Zellenbehälter geeignet.

Elektrolytische Zelle

Anmelder:

Olin Mathieson Chemical Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Kühl, Patentanwalt,

Hamburg 36, Esplanade 36 a

Als Erfinder benannt:
Arthur J. Holmes, Tonawanda,
William C. Gardiner, Niagara Falls, N. Y.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. März 1960 (13 021)

Die Kathodenanordnung hat eine Breite, die geringer ist als die des Zellenbehälters, und eine Elektrolytmisch- und Umlaufzone ist um die Seiten der Kathodenanordnung herum vorgesehen.

Die Anodenanordnung besteht aus einer Reihe von senkrecht angeordneten Titanplatten, die mit einem Platinmetall überzogen sind. Die einzelnen Platten sind senkrecht auf einer schwereren Titanplatte angeordnet, in welche die Elektroden mitPreß- sitz eingesetzt oder eingeschweißt sind. Mit Preßsitz eingesetzte Anoden sind besonders vorteilhaft, da sie leicht entfernt und ersetzt werden können, wenn das Einsetzen neuer Platten erforderlich wird. Die Anoden sind von einer zweckmäßigen Dicke von 1,27 bis 12,7 mm. In diesem Bereich sind die im Handel erhältlichen Platten von einer Dicke von 2,54 bis 3,175 mm besonders geeignet. Der Kathodenzwischenraum ist so gewählt, daß er der Anodendicke und dem gewünschten Elektrodenabstand an- gepaßt ist. Wenn beispielsweise die Anoden eine Dicke von 2,54 mm und die Kathoden eine Dicke von 6,35 mm haben, soll der Mittenabstand der Kathoden 19,05 mm betragen. Es ist zweckmäßig, die Abmessungen der Zelle so zu wählen, daß Platten von der im Handel erhältlichen Größe beispielsweise von 1,22X2,44 m verwendet werden können. Legierungen, die in der Hauptsache aus Titan bestehen, können ebenfalls als Grundmetall der Anoden verwendet werden.

Das Platin kann auf die Titananoden in irgendeiner geeigneten Weise, z. B. durch das in der australischen Patentschrift 221757 beschriebene Verfah-

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ren oder durch andere geeignete Verfahren, aufgebracht werden. Andere Metalle der Platingruppe können ebenfalls verwendet werden. Der Platinüberzug auf den Anoden bedeckt zweckmäßig eine Fläche derselben, die der durch die Kathoden überlappten Fläche gleich ist. Der Überzug braucht nicht auf die Stützen der Anoden und/oder der Titangrundplatte aufgebracht zu werden, an welchen sie befestigt sind. Die Anodenanordnung wird so in den die vorher eingesetzten Kathoden enthaltenden Zellenbehälter eingesetzt, daß die Anoden und Kathoden miteinander abwechseln, und die Titangrundplatte der Anodenanordnung wird mit den Flanschen verschraubt, die die rechteckige Öffnung der Anodenseite des Zellenbehälters begrenzen. Die Titanplatte ist mit den mit Flanschen versehenen Flächen mittels einer nichtleitenden Dichtung isoliert, welche aus Weichgummi oder irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen kann. Die Schrauben sind durch geeignete Mittel, z.B. durch Hülsen und Zwischenlegscheiben, isoliert.

Die Anoden und Kathoden sind durch nach unten abstehende Abstandsstücke voneinander getrennt und werden durch diese in Abstand voneinander gehalten, welche die Form von Stangen oder Stäben aus Isoliermaterial, z. B. aus Glas oder Polytetrafluoräthylen, haben. Die Abstandsstücke werden durch Halteteile gehalten, die quer über das obere Ende der Anoden und Kathoden liegen und sind aus ähnlichen nichtleitenden Materialien hergestellt. Die Halteteile sind zweckmäßig Polytetrafluoräthylenplatten, die zur Aufnahme der Stangen oder Stäbe geschlitzt oder gelocht sind, welche zwischen den Elektroden hängen. Die Halteteile und Abstandsstücke werden zweckmäßig mittels Bolzen gehalten, die an das obere Ende der Kathodenplatten angeschweißt sind.

Der Zellendeckel ist ebenfalls ein geradliniges Gehäuse, dessen Flansch auf den Zellendeckel paßt und für das Zellengas ausreichend Raum läßt, um sich von der Zellenflüssigkeit zu trennen. Eine öffnung an der Oberseite des Zellendeckels ermöglicht die Entnahme des Zellengases, während ein Auslaß in der Nähe des Bodens auf der einen Seite für die abfließende Zellenflüssigkeit vorgesehen ist.

Der Zellendeckel kann aus Kunststoff oder einem anderen korrosionsbeständigen Material, z.B. Titan oder mit Glas ausgekleideter Stahl, hergestellt sein. Geeignete Kunststoffe sind Polytetrafluoräthylen oder Polytrifluorvinylchlorid. Ein Kunststoffüberzug kann auf Stahl unter Verwendung einer Polytrifluorvinylchlorid-Dispersion oder mit Hilfe anderer geeigneter Mittel aufgebracht werden.

Da Titan kein besonders guter Leiter ist, wird zweckmäßig eine dünne Folie aus Kupfer oder Aluminium ζ. B. durch Silberlöten auf die Anodengrundplatte aus Titan aufgebracht, um die Stromverteilung zu verbessern. Eine ähnliche Stromverteilungsfolie wird zweckmäßig auf die Kathodenseite des Zellenbehälters aufgebracht.

Die Verbindungsschienen, z. B. Kupferschienen, werden in ähnlicher Weise auf die Kupferfolien aufgebracht, welche die Anodengrundplatte aus Titan und die Kathodenseite des Zellenbehälters bedecken.

Die erfindungsgemäßen Zellen sind in ihrem Aufbau sehr einfach und bewirken eine erhebliche Raumeinsparung gegenüber den bereits bekannten Zellen mit monopolaren Elektroden der gleichen Kapazität.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht ferner eine beträchtliche Einsparung an den Kosten des teuren Titans gegenüber Anordnungen, bei welchen die Anoden sich zum oder durch den Gastrennraum im oberen Ende der Zelle erstrecken. Die gesamte Räche der Anoden der erfindungsgemäßen Anordnung befindet sich unter dem Spiegel des Elektrolyten und bildet Arbeitsflächen. Die Grundplatte, an der die Anoden angebracht sind, ist notwendigerweise aus Titan hergestellt, welches der Korrosionswirkung des Elektrolyten und der entwickelten Gase Widerstand leistet, selbst wenn sie nicht kathodisch geschützt ist. Die Zellen sind besonders vorteilhaft, wenn eine Gruppe von ihnen in Reihe mit den Sammelschienen zwischen der Kathodenanordnung der einen Zelle und der Anodenanordnung der benachbarten Zelle angeordnet ist. Die Zellen können einen engen Abstand voneinander haben, so daß die Sammelschienen dann sehr kurz sind. Eine äußere Stromquelle wird an die Kathoden der einen Endzelle und die Anoden der anderen Endzelle gelegt. Zweckmäßig sind die Leitungen für das Kühlwasser die Zufuhr des Elektrolyten, dem Abfluß des Elektrolyten und dem Gasaustritt so angeordnet, daß sie leicht zugänglich sind. Die eine Zelle kann durch geeignete Sammelschienenverbindungen kurzgeschlossen und als eine Einheit ohne Betriebsunterbrechungen weggenommen werden.

Die erfindungsgemäßen Zellen sind besonders für die Elektrolyse von Natriumchlorid zu Natriumchlorat geeignet. Sie sind besonders für den Betrieb bei Temperaturen geeignet, die höher sind, als es bei der Herstellung von Chloraten üblich ist. Im Betrieb wird starke Natriumchloridlösung, welches auch gelöstes Natriumchlorat enthalten kann (von neuem in Umlauf gesetzte Natriumchloridlösung verstärkt mit Natriumchlorid), durch den Einlaß in der Nähe des Bodens des Zellenbehälters eingeführt. Die Lösung läuft in der Zelle um und wird zwischen den Elektroden durch sich entwickelndes Wasserstoffgas nach oben mitgenommen und fließt in der Nähe der Seiten der Zelle nach unten. Die Vermischung ist sehr gut. Die mit Chlorat angereicherte Lösung wird durch den Auslaß im oberen Zellenende entfernt und zur Gewinnung von Natriumchlorat weiterbehandelt. Wasserstoff und andere sich entwickelnde Gase werden im oberen Zellenende frei und treten durch den Gasauslaß im oberen Ende.

Bei der Chloraterzeugung arbeiten die erfindungsgemäßen Zellen mit annähernd dreifacher Stromdichte der üblichen Graphitanodenchloratzellen. Das mit Platin überzogene Titan ist außergewöhnlich gegen Oxydation, Korrosion und Erosion selbst bei Temperaturen über 100° C beständig. Während sich die Graphitanoden verbrauchen und die Abstände zwischen den Elektroden und damit der Widerstand im Betrieb zunimmt, bleibt bei Platin auf Titananoden der ursprünglich enge Raum zwischen den Elektroden unbegrenzt aufrechterhalten.

Es wird eine hohe Leitfähigkeit aufrechterhalten und die Zellen behalten ihren ursprünglichen, hohen Wirkungsgrad. Wegen der hohen gleichbleibenden Stromdichte beträgt der Raumbedarf für die erfindungsgemäßen Zellen etwa ein Drittel desjenigen der bisher verwendeten Zellen.

Die Betriebskosten sind wesentlich geringer.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen gezeigt, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht teilweise im Aufriß und teilweise im Schnitt der erfindungsgemäßen Zellen und

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1, wobei der Schnitt unmittelbar oberhalb der Elektroden geführt ist.

Das Zellengehäuse 11 weist am Boden einen Abfluß 12 und seinem oberen Ende einen Flansch 13 auf. Zwei gegenüberliegende Seiten haben innere Wände 14 und äußere Wände 15. Die äußeren Wände sind mit Einlassen 16 am Boden und mit Auslässen 17 in der Nähe des oberen Endes versehen und bilden daher Kühlwassermäntel. Die Zelle weist ferner einen Einlaß 18 für die Lösung in der Nähe des Bodens der einen Seite auf. Flansche 19 begrenzen die Öffnung in der Anodenseite des Zellenbehälters 11. Die durch den Flansch 19 begrenzte Öffnung ist teilweise durch die Titangrundplatte 20 der Anodenanordnung bedeckt und an dieser durch Schrauben 21 befestigt. Eine Weichgummidichtung 25 ist zwischen den Flansch 19 und die Titanplatte 20 gelegt, um die Anodengrundplatte vom kathodischen Behälter zu isolieren. Die Schrauben sind vom Flansch 19 durch nicht gezeigte Hülsen und Dichtungen isoliert. In Fig. 1 ist die Titanplatte20 weggeschnitten dargestellt, um die Kathoden 22 und die Anoden 33 sichtbar zu machen.

Eine Kupferfolie 23 ist mit dem Hauptteil der Fläche der Titangrundplatte der Anodenanordnung festhaftend verbunden. Eine ähnliche Kupferfolie 23 ist auf die entgegengesetzte Seite der Zelle zur Stromverteilung zur Kathode 22 aufgebracht. Sammelschienenverbindungen 24 sind auf der Kupferfolie 23 aufgebracht, welche die Titangrundplatte 20 und die gegenüberliegende kathodische Seitenwand bedeckt. Die Zelle wird von isolierten Füßen 37 getragen.

Fig. 1 zeigt das Oberteil 26 der Zelle mit einem Gasauslaß 27 und einem Flüssigkeitsauslaß 28. Die untere Kante des Zellenoberteils 26 trägt einen Flansch 29, welcher mit dem Flansch 13 am oberen Ende des Zellenbehälters 11 durch Schrauben 30 und Muttern 31 verschraubt ist. Eine Weichgummidichtung 32 ist zwischen den Flanschen 29 und 13 vorgesehen. Zwischen diesen Flächen ist keine elektrische Isolation notwendig.

F i g. 2 zeigt zusätzlich die Titananodengrundplatte 20 mit Anoden 33, die mit Kathodenplatten 22 abwechseln. Um die richtigen Abstände zwischen den Elektroden aufrechtzuerhalten, sind Glasstäbe 34 als Abstandsstücke senkrecht zwischen den Elektrodenplatten aufgehängt. Sie werden durch Halter 35 gehalten, die auf den Elektroden aufliegen. Die Halter bestehen aus einer Platte aus Polytetrafluoräthylen von etwa 12,7 mm Dichte mit Bohrungen zur Aufnahme der Abstandsstücke 34. Die Halter 35 werden in ihrer Lage durch Bolzen 36 gehalten, die mit dem oberen Rand der Endkathodenplatten verschweißt sind.

Beispiel

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Eine Zelle der vorangehend beschriebenen Art weist zwanzig mit Platin überzogene Titanplatten mit einer Größe von 0,61X0,76 m und einer Dicke von 2,54 mm mit Mittenabständen von 19 mm auf. Diese Platten haben Preßsitz in Schlitzen von einer Breite von 9 mm in der Titananodengrundplatte, deren Größe 48,26X91,44 cm beträgt und die mit den Flanschen einer rechteckigen öffnung mit den gleichen Abmessungen in der Seite des Zellenbehälters verschraubt ist.

Die Kathodenplatten mit einer Dicke von 6,35 mm und einer Größe von 0,60X0,82 m sind an der Innenseite der gegenüberliegenden Seite des Zellenbehälters angeschweißt. Der Mittenabstand beträgt mm. Die Gesamtabmessungen dieser Zelle ausschließlich der Sammelschienen betragen 0,64 X 0,70 m bei einer Höhe von 1,37 m. Bei einer bekannten Chloratzelle zur Erzeugung der gleichen Chloratmenge ist eine Zelle von etwa 0,91X2,43 m im Grundriß bei einer Höhe von 1,22 m erforderlich. Der von der Zelle nach diesem Beispiel tatsächlich eingenommene Bodenraum beträgt etwa 44,59 dm², während die durch eine Zelle üblicher Art eingenommene Fläche mit der gleichen täglichen Chloraterzeugung etwa 222,96 dm² beträgt. Die seitlich angeordneten Anoden erfordern etwa ein Drittel weniger Titan als oben angeordnete Anoden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elekrolytische Zelle, insbesondere zur Herstellung von Chloraten, Perchloraten und Hypochloriten, mit einem geradlinigen Zellenbehälter, einer Anodenanordnung und einer Kathodenanordnung aus senkrecht angeordneten abwechselnden Kathoden- und Anodenplatten, wobei der Zellenbehälter einen Boden, drei geschlossene Seiten und eine vierte Seite besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Seite eine Anodenöffnung aufweist, welche durch einen rechteckigen Flansch in einer Ebene begrenzt wird, die zur Ebene der vierten Seite parallel ist, die Kathodenanordnung sich in fester Verbindung mit der Seite des Zellenbehälters befindet, die der vierten Seite gegenüberliegt und durch Stahlkathodenplatten gebildet wird, die sich so voneinander in Abstand befinden, daß sie je eine Anodenplatte zwischen je zwei benachbarten Kathodenplatten aufnehmen können, eine Anordnung von an sich bekannten, mit Platin überzogenen Titananodenplatten in fester Verbindung mit einer Titananodengrundplatte, welche die Öffnung in der vierten Seite des Zellenbehälters verschließt und von dieser elektrisch isoliert ist, wobei isolierende Abstandsstücke zwischen je zwei benachbarten Anoden- und Kathodenplatten vorgesehen sind und auf den Zellenbehälter ein Deckel dichtend aufgesetzt ist, welcher mit einem Gasauslaß und einem Flüssigkeitsauslaß versehen ist, während der Zellenbehälter einen Flüssigkeitseinlaß aufweist und die Zelle aus eisenhaltigem Metall besteht.

2. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zur vierten Seite senkrechten Seiten doppelwandige Seiten mit Kühlwassereinlässen und -auslassen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: österreichische Patentschrift Nr. 118 360; schweizerische Patentschrift Nr. 76 940; französische Patentschrift Nr. 1 207 838.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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