DE1567907A1

DE1567907A1 - Diaphragmenlose Elektrolysezelle fuer die Zersetzung von Alkalichloriden nach dem Amalgamverfahren

Info

Publication number: DE1567907A1
Application number: DE19651567907
Authority: DE
Inventors: Dr Gotthard Csizi
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1965-09-25
Filing date: 1965-09-25
Publication date: 1970-12-23
Also published as: BE687284A; US3481856A; SE300614B

Description

BADISCHE ANILIN- & SODA-FABRIK AG 1567907

Or. Expl.

Unser Zeichen: O.Z. 23 890 Ki/Wl Ludwigshafen am Rhein, 24.9.1965

Diaphragmenlose Elektrolysezelle für die Zersetzung von Alkalichloriden nach dem Amalgamverfahren

Es sind zwei Zellentypen für die elektrolytische Zersetzung von Alkalichloriden nach dem Amalgamverfahren unter Verwendung von Quecksilber als Kathode bekanntgeworden, wobei die Quecksilberkathode entweder horizontal oder vertikal angeordnet ist» Bei der Entwicklung dieser Elektrolysezellen hat man bisher das Hauptaugenmerk auf Zellen mit horizontal angeordneter Quecksilberkathode gerichtet. Dies liegt darin begründet, daß eine ebene Quecksilberfläche mit großen Abmessungen einfacher herzustellen ist, daß die Nachregulierung der aus Graphit hergestellten Anode leichter möglieh ist und daß die Kreislaufführung des Quecksilbers bei diesem Zellentyp mit bequemeren Mitteln erzielbar ist. Demgegenüber besitzen die vertikalen Zellen zwar den Vorteil eines geringeren Platzbedarfs, daneben aber einige entscheidende Nachteile, die ihre Einführung in die Praxis bisher verhindert haben. Das Quecksilber läuft an der Kathode entlang mit zu hoher Geschwindigkeit ab, wobei ihm nicht genügend Zeit bleibt, sich während der Elektrolyse zu Alkaliamalgam der gewünschten Konzen-

009852/ 1696

- 2 - O.Z. 25 890

tration umzusetzen. Ferner neigt das Quecksilber dazu« statt in dünner Schicht an den Kathodenwandungen nach unten zu fließen, sich in Form von Tropfen von diesen abzulösen. Dieses in den Tropfen in depolarisierter Form vorliegende Quecksilber wird jedoch vom Chlor angegriffen, so daß die Quecksilberverluste beim Betrieb einer solchen Zelle außerordentlich hoch sein können. Ferner steigt die Fallgeschwindigkeit des Quecksilbers mit zunehmender Höhe der Zelle stark an, so daß solche Zellen mit vertikalen Elektroden nur bis zu einer bestimmten Höhe gebaut werden können, wodurch ein wesentlicher Teil des Vorteils einer solchen Zelle wieder verloren geht.

Es sind bereits vertikale Quecksilberkathoden bekanntgeworden, durch die diese Nachteile teilweise vermieden werden. So ist beispielsweise eine Kathode bekannt, die aus einem als Kathodenträger dienenden, plattenförmigen Körper besteht, dessen vom Quecksilber abwärts durchflossen Fläche mit einem aufgelegten Geflecht aus elektrisch isolierendem Material versehen ist, das die in den Raum zwischen Kathodenträger und -wandung des Zellen-

gehäuses eingeschüttete, stückige Anodenmasse vom Kathodenträger trennt. Bei einer solchen Kathodenanordnung wird zwar die Fallgeschwindigkeit des Quecksilbers erheblich gebremst, jedoch muß die aus Graphitstücken bestehende Anodenmasse in gewissen Zeitabständen wieder nachgefüllt werden.

Ein Nachteil, der bei beiden Zellentypen auftritt, liegt darin begründet, daß für den Betrieb einer Zelle sehr viel Quecksilber

009852/1696

- 3 - O.Z. 23 890

aufgewendet werden muß, das sich in der eigentlichen Elektrolysezelle mit Amalgam belädt und das in einer gesondert angeordneten Zersetzerzelle mit Hilfe von Wasser in Wasserstoff und Natron- < lauge aufgespalten werden muß.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine diaphragmenlose Elektrolysezelle mit vertikaler Quecksilberkathode für die Zerlegung von Alkalichloriden nach dem Amalgamverfahren, deren Kathode aus einem vertikal angeordneten Trägerkörper besteht, an dessen Flächen das Quecksilber in dünner Schicht herabfließt, und deren Anode aus einem chlorbeständigen und korrosionsfesten Metall besteht, bei der die genannten Nachteile nicht auftreten. Diese zelle wird durch einen aus einem Hetallnetz bestehenden Trägerkörper in zwei voneinander getrennte Räume geteilt, deren einer mit der Anode ausgestattete Raum, in den die Salzsole eingeleitet wird, als Elektrolysersws cn^t und d@2»en anderer mit Wasser beschickte Raum mit einer mit der Quecksilberkathode in Kontakt stehenden Zersetzerelektrode ausgestattet ist und als Zersetzerraum für das gebildete Amalgam dient.

Erfindungsgemäß besteht der Kathodenträgerkörper aus einem Metallnetz, vorzugsweise aus einem Eisennetz. Dieses Netz weist etwa 10 bis 60 Maschen/cm , vorzugsweise 35 bis 45 Maschen/cm , auf. Die Drahtstärke beträgt etwa 0,2 bis 0,5 mm. Das Quecksilber wird mife-Hilfe einer geeigneten Vorrichtung am oberen Ende des Netzes aufgegeben» verschließt beim Herunterströmen die Maschen des Drahtnetzes und bildet somit die Kathodenfläche. - ; . ' -4-

009852/1696 \

BA0ÖRJ0JNAL

- 4 - O.Z. 23 890

Hierdurch wird die Zelle gleichzeitig in zwei flUssigkeitsdicht voneinander getrennte Räume aufgeteilt. Der eine Raum, in den die Alkalichloridlösung eingeführt wird, dient als Elektrolyseraum und ist mit einer Anode aus einem korrosionsbeständigen Metall, z.B. Platin, Tantal, Niob, Zirkon oder insbesondere Titan und deren Legierungen ausgestattet. Diese Elektrode kann beispielsweise netzförmig gestaltet sein.

Das Quecksilber wird auf seinem Wege vom oberen Teil des Trägerkörpers nach unten durch dauerndes Aufprallen auf die einzelnen Drähte des Drahtnetzes in seiner Strömungsgeschwindigkeit stark verlangsamt und andererseits durchwirbelt. In dem anderen Teil des durch die vertikale Kathode gebildeten Raumes ist eine Zersetzerelektrode angeordnet, die mit dem herabströmenden Quecksilber in direktem Kontakt steht. Durch diesen mit der Zersetzerelektrode ausgestatteten Raum wird Wasser geführt, wobei das an der Oberfläche der Kathode, die dem Elektrolyseraum zugekehrt ist, gebildete Amalgam, das infolge der dauernden Durchwirbelung des Quecksilbers an die andere dem Zersetzerraum zugekehrte Oberfläche der Kathode gelangt, unter Bildung von Wasserstoff und Natronlauge zersetzt wird. Da die Zersetzerelektrode, die beispielsweise aus Graphit bestehen kann, der sehr genau bearbeitet werden kann, mit dem Trägerkörper für die Quecksilberkathode an mehreren Stellen in Berührung gebracht wird und somit als Stütze für den Trägerkörper dient, erhält diese eine sehr ebene Oberfläche. Damit erhält auch die auf dem.Kathodenträger abfließende Quecksilberschicht eine sehr ebene Fläche. Hierdurch ist es mög- '

-5-009852/1696

BAD ORfGINAl, ^, . -? =

- 5■-·..-■ O.Z. 2> 890

lieh, die Anode in nur sehr geringem Abstand von der Kathode anzuordnen, ohne daß durch irgendwelche Unebenheiten ein Kurzschluß zwischen·. Anode und Kathode zu befürchten ist. Damit er-, gibt sich zum Unterschied von Zellen mit Elektroden vergleichbarer Größe, aber nicht so ebenen Oberflächen, die demzufolge einen größeren Elektrodenbestand aufweisen müssen, die Möglichkeit, entweder bei gleicher Spannung mit höherer Stromdichte oder bei gleicher Stromdichte mit entsprechend niedriger Spannung zu arbeiten. So ist es beispielsweise möglich, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zelle Stromdichten bis zu 15 kA/m anzuwenden bzw. bei üblichen Stromdichten von 8 kA/m Spannungen unter 4 Volt zu erreichen.

In den Figuren 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle beispielsweise und schematisch dargestellt. Hierbei stellt Figur 1 einen Längsschnitt durch eine solche Zelle und Figur 2 einen Querschnitt in Richtung der Linie A-B dar. In Figur J ist eine bevorzugte AusfUhrungsform der Anode im Längsschnitt vergrößert dargestellt.

Mit 1 ist das· Metalldrahtnetz veranschaulicht, das als Trägerkörper für das herabfließende Quecksilber dient. Das Metalldrahtnetz ist zwischen einem Rahmen vertikal hängend angeordnet. Dieser Rahmen besteht aus mehreren Teilen, nämlich den aus isolierendem Material, z.B. hartgummiertem Stahl, hergestellten Teilen 2 und den seitlichen Wandungen 18 und 19* die aus metallisch leitendem Material hergestellt sind. Die Wandung l8 ist

009852/1696 BAD ' ³ *

- 6 - . O.Z. 23

aus einem chlorbeständigen Material, z.B. Titan, und die Wandung 19 aus einem laugenbeständigen Material, z.B. Eisen oder Nickel, hergestellt. Das Quecksilber wird mit Hilfe der Verteilervorrichtung 5* die als Überlauf ausgebildet sein kann, gleichmäßig auf die gesamte Breite des Drahtnetzes aufgegeben und wird am unteren Ende des Drahtnetzes mit Hilfe einer Tauchung 8 aufgefangen. Von dort wird es abgezogen und mit Hilfe einer Pumpe 3 entlang der Wandung des Zersetzerraumes durch den Schlitz 4 nach oben gefördert und tritt von da wieder in den Überlauf 5 ein. -Das Quecksilber wird auf das Drahtnetz in einer solchen Menge aufgegeben, daß es sämtliche Maschen des Drahtnetzes verschließt und somit eine geschlossene Fläche ausgebildet wird, die den weiter unten noch zu erläuternden Elektrolyse- und Zersetzerraum voneinander trennt. In dem Zersetzerraum ist eine Zersetzerelektrode 6 angeordnet, die aus Graphit besteht und die mit vertikalen Schlitzen 9 (siehe Figur 2) versehen ist. Die Stege 10 und Schlitze 9 sind etwa gleich breit gewählt und sind vorzugsweise etwa 4 bis 6 mm breit. Die Stege dieser Elektrode berühren den Trägerkörper der Quecksilberkathode . Auf diese Weise wird der Trägerkörper gestützt und ihm außerdem über die Zersetzerelektrode strom ,zugeführt. In dem anderen durch die Quecksilberkathode gebildeten Raum ist die in Figur 3 näher erläuterte Anode 7 angeordnet. 11 stellen Stege für die Stromzuführung der Anode dar. Die Alkalichloridsole wird durch Leitung 12 in den Elektrolyseraum geführt, wobei an der Anode Chlor entwickelt und an der Kathode Natrium unter Bildung von Natriumamalgam abgeschieden wird. Die verbrauchte Sole wird zusammen mit dem Chlor im

-7-

009 8 52/1696
BAD ORfGJNAL

y-^U' - 7 - O.Z. 23 89O

Raum 13 gesammelt und von dort abgeführt. Das an der Kathode gebildete Natriumamalgam gelangt infolge der ständigen Durch-, mischung des Quecksilbers an die andere Seite der Kathode und wird dort an der Zersetzerelektrode 2 zu Natronlauge und Wässerstoff zersetzt. Durch Leitung 14 wird dieser Zersetzerraum mit Wasser beschickt und durch Leitung 15 die im Zersetzerraum gebildete Natronlauge sowie der Wasserstoff abgezogen. Das Wasser durchfließt die senkrechter Schlitze der Zersetzerelektrode und wird zusammen mit dem gebildeten Wasserstoff durch die schräg nach oben welsenden Bohrungen l6 nach außen geleitet und gelangt von dort in den Sammelraum 15. Mit 17 sind Stäbe für d.ie Stromzuführung der Zersetzerelektrode bezeichnet.

Die in Figur 3 näher veranschaulichte, in den Figuren 1 und 2 mit 7 bezeichnete Anode besteht aus einem feinmaschigen Metallnetz, z.B. aus Titan, dessen Oberfläche durch Aufbringen einer dünnen Edelmetallschicht, z.B. aus Platin, aktiviert sein kann. Das Netz ist zwischen zwei Rahmen 102 und 103 angeordnet. In diesem Rahmen sind in jeweils gleichen Abständen übereinander liegende und parallel zueinander verlaufende Leitbleche angeordnet, die von der Kathode aus gesehen schräg nach oben verlaufen. Die Leltbleche berühren mit ihrer dem Netz zugekehrten Längskante das Netz, wobei jedes Leitblech des einen Rahmens gegen ein Leitblech des anderen Rahmens gedrückt ist, so daß sie eine durch das Netz unterbrochene Fläche bilden. Auf diese Weise wird das Netz mechanisch versteift. Die Abstände zwischen den Leitblechen eines Rahmens betragen etwa 5 bis 10 ram. Die Alkali-

-8-

009852/1696 BAD ORIGINAL·

- 8 - O.Z, 12 890

1587907

chloridsole fließt in dem Raum zwischen Quecksilberkathode und dem Titannetz 101 nach oben. An dem aktivierten Titannetz wird Chlor in Freiheit gesetzt und wird zusammen mit der verbrauchten Sole durch die nachströmende Sole durch das Netz gedrückt, strömt in den Raum hinter dem Netz nach oben und wird in dein in Figur ! dargestellten Sammelraum IjS gesammelt.

Die Anodenanordnung wird beispielsweise durch Stifte* die mit den Stegen IX für die Stromzuführung verbunden sind. In ihrer Lage gehalten.

Diese Anodenanordnung bietet den Vorteil, daß das entwickelte Chlor sofort durch das Netz gedrückt wird und somit keine Ver« engung des freien Elektrolytquerschnitts zwischen Kathode und Anode durch die Ausbildung von Gasblasen, durch die der SJsrom·» durchgang zwischen den beiden Elektroden unterbrochen wird, ein·^ treten kann.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle liegen darin begründet, daß durch die sofortige Umsetzung des Natriujnamälgams ein von der Zelle getrennter eigener Zersetzer überflüssig wird. Dadurch ist es möglich, erhebliche Quecksilbermengen, die bisher bei Zellen mit von der eigentlichen Elektrolysezelle gesondert an<geordneten Zersetzern erforderlich waren, einzusparen. Dadurch, daß die Oberfläche der Quecksilberkathode, wie bereits erwähnt, sehr eben ist, ist es möglich, die Anode in nur geringem Abstand von der Kathode anzuordnen und somit bei niedriger Zellenspannung sehr hohe Stromdichten zu erzielen.

009852/1696 -9-'

BAD ORfOiMAL

:.-. .' , ■■■;-■ 9 - ;. ι ο.ζ. 23 890

Durch iitnteijeiiiajriderschalten der erfindungsgemäßen: Zellen. Ast _Jt es möglich». f.i;l_fterpressenartig zusammengesetzte Zellenaggreigate 25U konstruieren,,,: die^ sehp wenig Platz .benöt.igen. Die Zellen .. werden dafcei sa hi.ntereinandergesQhaltet_> dafl das entlang der . Zersetzerwandung nach «oben.gepumpte* Quecksilber als elektrischer Kontakt zwischen der Zerse.tzerelektrode der einen-Zelle und der Anode der anderen Zelle dient.

0 0985271

Claims

- 10 - O.Z. 23 890 Patentansprüche * ^^ λχε r;;

1. Diaphragmenlose Elektrolysezelle für die Zerlegung vbft chloriden nach dem Amalgamverfahren« deren Kathode aus einem vertikal angeordneten Trägerkörper besteht, an dessen Flächen das Quecksilber in dünner Schicht herabfließt, und deren Anode aus einem chlorbeständigen und korrosionsfesten Metall besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle durch den aus einem Metallnetz bestehenden Trägerkörper in zwei voneinander getrennte Räume geteilt wird, deren einer mit der Anode ausgestattete Raum, in den die Salzsole eingeleitet wird, als Elektrolyseraum dient und deren anderer Raum, der mit Wasser beschickt wird und mit einer mit der Quecksilberkathode in Kontakt stehenden Zersetzerelektrode ausgestattet ist, als Zersetzerraum für das gebildete Amalgam dient.

2. Diaphragmenlose Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quecksilberschicht mit Hilfe eines am oberen Ende des Trägerkörpers angeordneten Überlaufs erzeugt wird, wobei das Quecksilber in einer am unteren Ende des Trägerkörpers' angeordneten Tauchung gesammelt und von da mit Hilfe einer Pumpe in leitendem Kontakt entlang der den Zersetzerraum der Zelle begrenzenden Wandung zu den überlauf zurückgeführt wird. .*.";.

-11-

009852/169Θ

BAD ORIGINAL

. -si- ■■■.■* ii - ο.ζ. £3 390

3. Piaphragmenlpse Elektrolysezelle nach Ansprachen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem feinmaschigen ; zwischen TrÄgerkÖrper und Zellenwandung angeordneten parallelzu diesen verlaufenden Netz besteht, an dessen beiden gelten über die gesamte Netzbreite sich erstreckende, parallel zueinander verlaufende keltbteche mit waagrechter LBhgsaehse so übereinander angeordnet sind, dad die Leitbleche mit ihrer einen Utngskante das Netz bertthren und je zwei einander ge·» genUberliegende Leitbleche eine durch das Netz unterbrochene Fliehe bilden, die in Richtung von der dem Tr&gerkörper zugewandten Seite nach der Zellenwandung ansteigt.

BAPISCHI ANILIN- * SODA-FABRIK AG /

Zeiehn.

QQ$.8527:1 69