DE1277216B - Process for promoting the reoxidation of cathodically reduced metal compounds in the electrolysis of aqueous hydrochloric acid - Google Patents
Process for promoting the reoxidation of cathodically reduced metal compounds in the electrolysis of aqueous hydrochloric acidInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
Int. Cl.:Int. Cl .:
COIbCOIb
Deutsche Kl.: 12 i-7/06 German class: 12 i- 7/06
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3.Januar 1966January 3, 1966
12. September 1968September 12, 1968
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Förderung der Rückoxydation von kathodisch reduzierten Metallverbindungen bei der Elektrolyse von wäßriger Salzsäure, bei dem dem Elektrolyten Verbindungen von Metallen zugesetzt werden, die in mehreren, leicht ineinander überfiihrbaren Oxydationsstufen auftreten können.The invention relates to a method for promoting the reoxidation of cathodically reduced ones Metal compounds in the electrolysis of aqueous hydrochloric acid, in which the electrolyte compounds of metals are added, which in several, easily convertible oxidation stages may occur.
Es ist bekannt, aus Salzsäure, insbesondere aus Abfallsäure, wie sie bei der Chlorierung organischer Verbindungen anfällt, auf elektrolytischem Wege Chlor und Wasserstoff zu gewinnen. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Investitionskosten verhältnismäßig gering sind. Um die Elektrolyse wäßriger Salzsäure noch wirtschaftlicher zu gestalten, ist es jedoch wünschenswert, die erforderliehe Zellenspannung zu senken.It is known from hydrochloric acid, in particular from waste acid, such as those used in organic chlorination Compounds accrues to obtain chlorine and hydrogen by electrolytic means. An essential one The advantage of this process is that the investment costs are relatively low. To the To make electrolysis of aqueous hydrochloric acid even more economical, however, it is desirable that the required Lower cell voltage.
Aus der britischen Patentschrift 834 640 ist es bebekannt, dem Elektrolyten Metalle, insbesondere Metalle der Platingruppe, zuzusetzen, wodurch die Wasserstoffüberspannung gesenkt wird. Der erreichte Spannungsgewinn ist zwar nutzbringend aber nicht ausreichend. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß das zunächst auf den Kathoden niedergeschlagene Metall vor allem bei Betriebsunterbrechungen abfällt. Dadurch sammelt sich in den Kathodenräumen der Zellen ein Bodenschlamm, der kaum mehr in Lösung gebracht werden kann. Es ist daher erforderlich, die Zelle in gewissen Zeitabständen zu öffnen und zu reinigen, was erhebliche Kosten verursacht.From British patent specification 834 640 it is known that the electrolyte metals, in particular Metals of the platinum group, whereby the hydrogen overvoltage is lowered. The achieved Tension gain is beneficial but not sufficient. A disadvantage of this known method consists in the fact that the metal initially deposited on the cathodes is mainly at Business interruption drops. As a result, a bottom sludge collects in the cathode spaces of the cells, which can hardly be brought into solution. It is therefore necessary to have the cell in certain Open and clean at intervals, which causes considerable costs.
Aus den amerikanischen Patentschriften 2 468 766 und 2 666 024 ist es bekannt, Salzsäure nicht unmittelbar der Elektrolyse zu unterwerfen, sondern sie zunächst in das Chlorid eines Metalls zu verwandeln, das in mehreren, leicht ineinander überführbaren Oxydationsstufen auftreten kann, wobei das Redoxpotential Me"+i=»Me("~1)+ positiver sein muß als das Redoxpotential H«=*H+, und diese Metallchloridlösungen zu elektrolysieren. Als zu verwen* dende Metalle sind vornehmlich Kupfer und Eisen vorgeschlagen worden. Das Verfahren ermöglicht eine beträchtliche Senkung der Zellenspannung. Wirtschaftlich fällt der Wegfall der Wasserstoffgewinnung vielfach kaum ins Gewicht.From the American patents 2,468,766 and 2,666,024 it is known not to subject hydrochloric acid directly to the electrolysis, but to first convert it into the chloride of a metal, which can occur in several oxidation stages that can easily be converted into one another, the redox potential Me " + i = »Me ( " ~ 1) + must be more positive than the redox potential H «= * H + , and to electrolyze these metal chloride solutions. Copper and iron have primarily been suggested as metals to be used. The process enables the cell voltage to be reduced considerably. In many cases, the elimination of hydrogen production is economically negligible.
Ein empfindlicher Nachteil des Verfahrens besteht aber darin, daß das kathodisch reduzierte Metall in
einer zusätzlichen und aufwendigen Verfahrensstufe, in der außerdem Chlorwasserstoff nachgespeist wird,
weitestgehend aufoxydiert werden muß. Bekanntlich verläuft die Oxydation zur höherwertigen Stufe mit
Luft oder Sauerstoff nur anfangs mit tragbarer Geschwindigkeit und verlangsamt sich mit abnehmendem
Verfahren zur Förderung der Rückoxydation
von kathodisch reduzierten Metallverbindungen
bei der Elektrolyse von wäßriger SalzsäureA sensitive disadvantage of the process, however, is that the cathodically reduced metal has to be oxidized to the greatest possible extent in an additional and expensive process stage in which hydrogen chloride is also fed in. It is known that the oxidation to the higher level with air or oxygen only proceeds at an acceptable rate at the beginning and slows down as the process of promoting reoxidation decreases
of cathodically reduced metal compounds
in the electrolysis of aqueous hydrochloric acid
Anmelder:Applicant:
Farbwerke Hoechst Aktiengesellschaft
vormals Meister Lucius & Brüning,
6000 FrankfurtFarbwerke Hoechst Aktiengesellschaft
formerly Master Lucius & Brüning,
6000 Frankfurt
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dr. Ernst Dönges, 6000 Frankfurt;Dr. Ernst Dönges, 6000 Frankfurt;
Dr. Hans-Georg Janson,Dr. Hans-Georg Janson,
6230 Frankfurt-Unterliederbach6230 Frankfurt-Unterliederbach
Gehalt an oxydierbarem Stoff. Führt man aber Lösungen in die Elektrolyse zurück, die. noch einen wesentlichen Gehalt an Metall in der niedrigeren Oxydationsstufe enthalten, so führt dies zu einem beträchtlichen Chlorverbrauch in der Zelle und damit zu einer empfindlichen Verminderung der Stromausbeute, so daß der durch die Spannungssenkung erzielte Gewinn an Energie durch den Verlust an Stromausbeute zum großen Teil wieder verlorengeht. Die große zur Rückoxydation erforderliche Luftmenge treibt aus der Lösung Chlorwasserstoff aus, der in einer zusätzlichen Verfahrensstufe wieder absorbiert werden muß.Content of oxidizable substance. But if solutions are returned to the electrolysis, the. another one contain substantial metal content in the lower oxidation stage, this leads to a considerable chlorine consumption in the cell and thus a significant reduction in the power yield, so that the gain in energy achieved by the voltage reduction is reduced by the loss Power yield is largely lost again. The large amount of air required for reoxidation drives hydrogen chloride out of the solution, which is reabsorbed in an additional process step must become.
Schließlich macht das obenerwähnte Verfahren es nötig, den Elektrolyten in raschem Strom durch die — horizontal angeordnete — Zelle zu pumpen, damit die kathodisch reduzierte Metallverbindung abgeführt wird und nicht durch Diffusion zur Anode gelangt, wo sie wiederum Chlor verbrauchen und damit zu Stromausbeuteverlusten führen würde.Finally, the above-mentioned method makes it necessary to have the electrolyte in rapid flow through the - horizontally arranged - to pump the cell so that the cathodically reduced metal compound is discharged and does not reach the anode by diffusion, where they in turn consume chlorine and thus too Electricity yield losses.
Es wurde nun ein Verfahren zur Förderung der Rückoxydation von kathodisch reduzierten Metallverbindungen, die in mehreren, leicht ineinander überführbaren Oxydationsstufen auftreten können, mittels eines oxydierend wirkenden Gases bei der Elektrolyse von wäßriger Salzsäure in Elektrolysezellen, deren Anoden- und Kathodenräume durch die Diaphragmen getrennt sind, gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man dem Elektrolyten ein nichtionogenes, nicht schäumendes Netzmittel zusetzt.There has now been a method for promoting the reoxidation of cathodically reduced metal compounds, which can occur in several oxidation stages that can easily be converted into one another, by means of an oxidizing gas in the electrolysis of aqueous hydrochloric acid in electrolysis cells, whose anode and cathode compartments are separated by the diaphragms, found that thereby is characterized in that a nonionic, non-foaming wetting agent is added to the electrolyte.
Gemäß der Erfindung führt man die Elektrolyse wäßriger Salzsäure in Zellen mit vertikaler Elektrodenanordnung durch, deren Anoden- und Kathoden-According to the invention, the electrolysis of aqueous hydrochloric acid is carried out in cells with vertical electrodes through whose anode and cathode
809 600/523809 600/523
räume durch Diaphragmen getrennt sind, wobei als Anolyt und als Katholyt Lösungen dienen, die bezüglich der Salzsäure 4- bis 8molar sind, und die 0,5 bis 2 Mol je Liter Kupferchlorid oder Eisenchlorid enthalten, führt während der Elektrolyse in den Anolyten Chlorwasserstoff nach Maßgabe des Verbrauchs und in den Katholyten ein oxydierendes Gas ein und hält den Differenzdruck zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum auf Null.spaces are separated by diaphragms, where the anolyte and catholyte are solutions that relate to of hydrochloric acid are 4 to 8 molar, and the 0.5 to 2 mol per liter of copper chloride or iron chloride contains, leads to hydrogen chloride in the anolytes during the electrolysis according to the consumption and an oxidizing gas in the catholyte and maintains the differential pressure between the Anode compartment and the cathode compartment to zero.
Die Grenzstromdichte wird dabei von der Geschwmdigkeit der Rückoxydation der kathodisch reduzierten Metallverbindung bestimmt. Sobald infolge zu hoher Stromdichte die kathodische Reduktion schneller verläuft als die Rückoxydation, steigt die Zellenspannung allmählich auf die Abscheidungsspannung des Wasserstoffs.The limiting current density is determined by the rate of reoxidation of the cathodically reduced Metal connection determined. As soon as the cathodic reduction due to excessive current density occurs faster than reoxidation, the cell voltage gradually rises to the deposition voltage of hydrogen.
Um die Geschwindigkeit der Rückoxydation zu erhöhen, werden dem Elektrolyten nichtionogene, nicht schäumende Netzmittel zugesetzt. Besonders bewährt haben sich hierfür Butyldiglycol und insbesondere Dibutyldiglycol, die dem Elektrolyten in Mengen bis zu etwa 1 g/1 zugesetzt werden.In order to increase the rate of reoxidation, non-ionic, non-foaming wetting agents added. Butyl diglycol and in particular have proven particularly useful for this purpose Dibutyl diglycol, which are added to the electrolyte in amounts up to about 1 g / l.
Als oxydierendes Gas kann Luft verwendet werden.Air can be used as the oxidizing gas.
Die Rückoxydation wird beträchtlich beschleunigt, wenn als oxydierendes Gas Sauerstoff verwendet wird. Unter Verwendung von Sauerstoff als oxydierendes Gas und Zusatz von etwa 1 g/1 Dibutyldiglycol zum Elektrolyten gelangt man zu Stromdichten, wie sie auch bei herkömmlicher Betriebsweise erreicht werden, vwobei Stromausbeuten von über 90%· bei etwa halber Zellenspannung möglich sind.Reoxidation is considerably accelerated if oxygen is used as the oxidizing gas. Using oxygen as the oxidizing gas and adding about 1 g / 1 dibutyl diglycol to the Electrolytes one gets to current densities, as they are also achieved with conventional operation, v where current yields of over 90% are possible at about half the cell voltage.
Die Menge des in den Katholyten eingeleiteten oxydierenden Gases wird so bemessen, daß stets mindestens etwa 40% der anwesenden Metallionen in der höherwertigen Form vorliegen und daß das bei der Oxydation gebildete Wasser mit dem Gasstrom aus der Zelle ausgeblasen wird. Indem man die Konzentration der Salzsäure etwa auf der des azeotropen Gemisches hält, kann man das gleichzeitige Ausblasen von Chlorwasserstoff weitgehend zurückdrängen oder ganz unterbinden.The amount of oxidizing gas introduced into the catholyte is measured so that always at least about 40% of the metal ions present are in the higher-valued form and that at The water formed by the oxidation is blown out of the cell with the gas stream. By using the Concentration of the hydrochloric acid approximately on that of the azeotropic mixture, one can do the simultaneous To a large extent suppress or completely prevent the blowing out of hydrogen chloride.
Besonders günstige Ergebnisse erhält man nach dem Verfahren gemäß der Erfindung, wenn man die Konzentration des Elektrolyten bezüglich der Salzsäure durch Nachspeisen von Chlorwasserstoff in den Anolyten auf 22 bis 23% hält, dem Elektrolyten etwa 1 g/l Dibutyldiglycol und 1 bis 2 Mol je Liter Kupferionen zusetzt, und zur Rückoxydation des kathodisch gebildeten Kupfer(I) Sauerstoff in den Kathodenraum so einspeist, daß die Gasblasen in feiner Verteilung dicht an der Kathodenoberfläche entlangstreichen. Particularly favorable results are obtained according to the method according to the invention if the Concentration of the electrolyte with respect to the hydrochloric acid by replenishing hydrogen chloride in the Anolyte holds 22 to 23%, the electrolyte about 1 g / l dibutyl diglycol and 1 to 2 moles per liter of copper ions adds, and for reoxidation of the cathodically formed copper (I) oxygen in the cathode compartment feeds in such a way that the gas bubbles in fine distribution brush along close to the cathode surface.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Elektrodenräume flüssigkeitsseitig geschlossen sein und nur Einrichtungen zum Einspeisen von Chlorwasserstoff und von Sauerstoff bzw. Luft und zum Austragen von Chlor und Luft bzw. Sauerstoff und Wasserdampf besitzen.When carrying out the method according to the invention, the electrode spaces can be on the liquid side be closed and only facilities for feeding in hydrogen chloride and oxygen or air and for discharging chlorine and air or oxygen and water vapor.
Falls es zur Abführung der Wärme erforderlich ist, kann der Elektrolyt im Kathodenraum oder im Anodenraum oder in beiden Elektrodenräumen umgepumpt und über äußere Kühler geleitet werden.If it is necessary to dissipate the heat, the electrolyte can be in the cathode compartment or in the The anode compartment or in both electrode compartments are pumped around and passed through external coolers.
Zur Durchführung der im folgenden beschriebenen Beispiele diente eine Versuchszelle mit einer Elektrodenoberfläche von 2 dm2. Der Elektrodenabstand betrug 2 mm. Zwischen den Elektroden befand sich ein Diaphragma. Chlorwasserstoff wurde durch eine Fritte am unteren Rand der Anode in den Anolyten, Luft bzw. Sauerstoff durch eine Fritte am unteren Rand der Kathode in den Katholyten eingeblasen.A test cell with an electrode surface of 2 dm 2 was used to carry out the examples described below. The electrode spacing was 2 mm. There was a diaphragm between the electrodes. Hydrogen chloride was blown into the anolyte through a frit at the lower edge of the anode, and air or oxygen was blown into the catholyte through a frit at the lower edge of the cathode.
In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Elektrolyse bei herkömmlicher Betriebsweise (Versuch 1) und bei Betriebsweise gemäß der Erfindung, unter Verwendung von Sauerstoff und unter Zusatz von Dibutyldiglycol (Versuch 2) nebeneinandergestellt.Table 1 shows the results of the electrolysis in the conventional operating mode (experiment 1) and in Operating mode according to the invention, using oxygen and with the addition of dibutyl diglycol (Experiment 2) placed side by side.
ZusammensetzungElectrolyte-
composition
Dibutyl
diglycol
(g/i)additive
Dibutyl
diglycol
(g / i)
(A/dm2)Current density
(A / dm 2 )
(V)tension
(V)
Γ C)T
Γ C)
(Vh)oxygen
(Vh)
Ausbeute
(%)Chlorine electricity
yield
(%)
Katholyt - 23%ige Salzsäure
2. Anolyt = 22%ige Salzsäure mit
1,5 Mol/l Cu2+ :...1. Anolyte - 23% hydrochloric acid
Catholyte - 23% hydrochloric acid
2. Anolyte = 22% hydrochloric acid with
1.5 Mol / l Cu 2+ : ...
11
1
1 22
[maximal } -
1 22
[maximum
0,961.85
0.96
8080
80
92,597
92.5
0,7 Mol/l Cu2+; 0,3 Mol/l Cu1+
Versuchsdauer = 100 Stunden.■ Catholyte = 23% hydrochloric acid with
0.7 mol / l Cu 2+ ; 0.3 mol / l Cu 1+
Test duration = 100 hours.
Tabelle 2 zeigt das Ergebnis eines Versuchs, der unter sonst gleichen Bedingungen wie Versuch 2 im Beispiel 1, jedoch ohne Verwendung eines Netzmittels durchgeführt wurde.Table 2 shows the result of an experiment which, under otherwise identical conditions as experiment 2 in example 1, but was carried out without the use of a wetting agent.
ZusammensetzungElectrolyte k
composition
(g/i)additive
(g / i)
(A/dm2)Current density
(A / dm 2 )
(V)tension
(V)
cc) T
cc)
(l/h)oxygen
(l / h)
Ausbeute
(%)Chlorine electricity
yield
(%)
1,5 Mol/I Cu2+ Anolyte = 22% hydrochloric acid with
1.5 mol / l Cu 2+
maximal8th
maximum
Fortsetzungcontinuation
ZusammensetzungElectrolyte-
composition
(g/1)additive
(g / 1)
(A/dm2)Current density
(A / dm 2 )
(V)tension
(V)
(0C) T
( 0 C)
(l/h)oxygen
(l / h)
Ausbeute
(0Io) Chlorine electricity
yield
( 0 Io)
0,7 Mol/l Cu2+; 0,3 Mol/l Cu1 +
Versuchsdauer = 10 Stunden.Catholyte = 23% hydrochloric acid with
0.7 mol / l Cu 2+ ; 0.3 mol / l Cu 1 +
Test duration = 10 hours.
maximal8th
maximum
B ei s pi el 3
Tabelle 3 zeigt das Ergebnis von Vergleichsversuchen unter Verwendung von Luft als oxydierendes Gas.Example 3
Table 3 shows the result of comparative tests using air as the oxidizing gas.
ZusammensetzungElectrolyte-
composition
Dibutyl-
diglycol
(g/l)additive
Dibutyl
diglycol
(g / l)
(A/dm2)Current density
(A / dm 2 )
(V)tension
(V)
Γ C)T
Γ C)
(l/h)air
(l / h)
Ausbeute
(%)Chlorine electricity
yield
(%)
1,5 Mol/l Cu2+ 1. Anolyte = 22% hydrochloric acid with
1.5 mol / l Cu 2+
11
1
[maximal
3 1 π
[maximum
3
0,700.81
0.70
7070
70
1025th
10
etwa 6085
about 60
0,7 Mol/l Cu2 + ; 0,3 Mol/l Cu1 +
2. Wie 1 Catholyte = 23% hydrochloric acid with
0.7 mol / l Cu 2 + ; 0.3 mol / l Cu 1 +
2. Like 1
Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, der unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1, jedoch unter Verwendung von Butyldiglycol als Netzmittel durchgeführt wurde.Table 4 shows the results of an experiment carried out under the same conditions as in Example 1, however using butyl diglycol as a wetting agent.
Zusammensetzung"Electrolyte-
Composition"
Dibutyl-
diglycol
(»Dadditive
Dibutyl
diglycol
(»D
(A/dm2)Current density
(A / dm 2 )
(V) 'tension
(V) '
(0C) T
( 0 C)
(1/h)oxygen
(1 / h)
Ausbeute
(%)'Chlorine electricity
yield
(%) '
1,5 Mol/l Cu2+ Anolyte = 22% hydrochloric acid with
1.5 mol / l Cu 2+
11
1
maximal I «
maximum
0,7 Mol/l Cu2+; 0,3 Mol/l Cu1 +
Versuchsdauer = 8 Stunden.Catholyte = 23% hydrochloric acid with
0.7 mol / l Cu 2+ ; 0.3 mol / l Cu 1 +
Test duration = 8 hours.
Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem an Stelle von Kupferchlorid Eisenchlorid eingesetzt wurde.Table 5 shows the results of an experiment in which iron chloride was used instead of copper chloride became.
ZusammensetzungElectrolyte-
composition
Dibutyl-
diglycol
(g/i)additive
Dibutyl
diglycol
(g / i)
(A/dm2)Current density
(A / dm 2 )
(V)tension
(V)
r οr ο
(l/h)oxygen
(l / h)
Ausbeute
(%)Chlorine electricity
yield
(%)
1,2 Mol/l Fe3+ Anolyte = 24.8% hydrochloric acid with
1.2 mol / l Fe 3+
11
1
maximal11
maximum
0,53 Mol/l Fe2+; 0,47 Mol/l Fe3+ ....
Versuchsdauer = 8 Stunden.Catholyte = 19.8% hydrochloric acid with
0.53 mol / l Fe 2+ ; 0.47 mol / l Fe 3+ ....
Test duration = 8 hours.
Die Beispiele zeigen, daß insbesondere unter Verwendung von Kupfersalzen, Sauerstoff und einem Zusatz von Dibutyldiglycol Stromausbeuten von über 90% erreicht werden, wobei die erreichbare Stromdichte ebenso hoch ist wie bei herkömmlicher Betriebsweise. Ohne den Zusatz des Netzmittels geht die erreichbare Stromdichte und damit die Stromausbeute zurück.The examples show that in particular using copper salts, oxygen and a Addition of dibutyldiglycol current yields of over 90% can be achieved, with the achievable current density is just as high as with conventional operation. Without the addition of the wetting agent it works achievable current density and thus the current yield.
Claims (3)
Französische Patentschriften Nr. 1 208 508,
1304448;
USA.-Patentschrift Nr. 1 746 542.Considered publications:
French patents No. 1 208 508,
1304448;
U.S. Patent No. 1,746,542.
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