DE2003885B2

DE2003885B2 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2003885B2
Application number: DE2003885A
Authority: DE
Inventors: Carl William Corpus Christi Tex. Raetzsch (V.St.A.)
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Inc
Priority date: 1969-01-30
Filing date: 1970-01-29
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2003885C3; FR2029723A1; NL7000558A; SE384540B; DE2003885A1; GB1258716A; BE745134A; CA928245A; JPS4937357B1

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrolysezelle für die Herstellung von Alkalimetallchloraten aus Alkalimetallchloriden aus

einer Anode mit einer undurchlässigen Metallplatte aus Titan mit einem elektrisch leitenden anodisch wiederstandsfähigen Überzug,

einer Kathode aus einer Rückenplatte aus eisenhaltigem Metall und einer durchlässigen Metallplatte, die von der Rückenplatte getragen wird und mit ihr elektrisch verbunden ist, wobei die durchlässige Platte im Abstand zwischen der Rückenplatte und der Anode angeordnet ist,

Isolier- und Verschlußmitteln zwischen den äußeren Teilen der Anode und der Rückenplatte der Kathode unter Bildung eines Flüssigkeit aufnehmenden Raumes, Ein- und Auslässen zum Einführen von Flüssigkeit in diesen Raum und zum Abziehen aus diesem Raum,
Vorrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Anode und Kathode,

die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anode, die Rückenplatte und die durchlässige Platte der Kathode im wesentlichen parallel zueinander und in einem zur Senkrechten sich nach oben öffnenden Winkel angeordnet sind und die Kathode über der Anode liegt.

Bei der Elektrolyse von Alkalimetallchloriden unter Bildung von Chloraten werden Hydroxylionen an der Kathode und freies Chlor wird an der Anode gebildet. Beim Vermischen der Hydroxylionen mit dem freien Chlor entsteht eine Hypochloritlösung. Das Hypochlorit wird anschließend zum Alkalimetallchlorat oxydiert. Am Beispiel des Natriumchlorids kann die Gesamtreaktion durch folgende Gleichung wiedergegeben werden.

3 H₂O + NaCl — NaClO₃ + 3 H₂T

Man hat bereits verschiedene Vorkehrungen zum Vermischen der bei der Chloratherstellung entstehenden Zwischenprodukte getroffen. Zum Beispiel sieht der in der US-PS 33 50 286 beschriebene Zellentyp eine

ίο Pumpe vor, welche die Lösung zwischen die Elektroden und dann in einen Behälter drückt, wo die Lösung bis zur Beendigung der Oxydation verbleibt Ein anderer, und zwar in der US-PS 33 85 779 beschriebener Zellentyp bewirkt die Zirkulation des Elektrolyten zwischen der Elektrolysezelle und einem angrenzenden Behälter durch die Produktgase, hauptsächlich Wasserstoff, der zwischen der Kathode und Anode aufsteigt Eine andere, in der CA-PS 7 40 862 beschriebene Zelle weist eine Vielzahl rohrförmiger Kathoden auf, wobei sich durch jede Kathode im Abstand eine stabförmige Anode erstreckt Die Produktgase bewirken, daß während der Elektrolyse der Elektrolyt im Zwischenraum zwischen der Anode und Kathode aufsteigt. Zwischen benachbarten Kathoden sind offene Rohre angeordnet, wodurch der das obere Ende der Elektroden verlassende Elektrolyt zum unteren Ende der Elektroden und erneut durch diese geführt wird.

In der DE-PS 8 18 640 werden elektrolytische Wasserzersetzer mit bipolaren Diaphragmenzellen beschrieben, wobei die Zellen mit gemeinsamen Hauptelektroden in senkrechter Richtung in mehrere Kammern unterteilt sind und oberhalb jeder Kammer Abzugskanäle für das Gaslaugegemisch vorgesehen sind, während unterhalb der Kammer die Zuführungska-

r> näle für die Lauge angeordnet sind. Weiterhin können hinter Vorblechen, die für jede Kammer vorgesehen sein können, zur Konzentration und Ableitung von Gasblas;n Leitbleche und Sammelkanäle angeordnet sein. Die Kammern liegen elektrisch parallel und mechanisch angrenzend aneinander vor.

Aus der DE-PS 8 58 841 sind Wasserzersetzer der Filterpressenbauart mit vorzugsweise waagerecht und/oder senkrecht unterteilten Zellen bekannt. Bei diesen Zellen sind an den Hauptelektroden Vorbleche

•r> befestigt und können zur Förderung der Führung des Emulsionsstromes und Konzentration und Ableitung der Gase zwischen den Vorblechen und den Hauptelektroden Leitbleche vorgesehen sein. Durch die Vorbleche wird zwischen einer Oberfläche der die polaren

^r>o Elektroden darstellenden Platten und dem Diaphragmentuch eine Kammer gebildet.

Gemäß der CH-PS 197 856 wird ebenfalls ein bipolarer elektrolytischer Wasserzersetzer vom Typ der Diaphragmenzellen beschrieben, in welchem zum schnellen Ausgleich der während der Elektrolyse auftretenden Konzentrationsunterschiede des Elektrolyten durch Steigerung der Aufwärtsbewegung des Wasserstoffs im Kathodenraum der Kathodenraum jeder Zelle kleiner als der Anodenraum dimensioniert

bo ist. Das wird gemäß dieser CH-PS dadurch erreicht, daß nur die Anodenseite jeder bipolar geschalteten Elektrode eine mit dieser stromleitend verbundene Vorelektrode aufweist.

Die CH-PS 3 12 582 betrifft ebenfalls einen bipolaren

b5 Elektrolyseur vom Typ von Diapbragmazellen, insbesondere für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und ■ Sauerstoff, welcher Vorelektroden aus perforiertem Blech enthält, deren Oberflächen Ausbuchtungen

aufweisen, wobei die zwischen letzteren befindlichen Blechteile in derselben Ebene liegen und eine mechanische Versteifung der Vorelektroden bewirken und zur Abstützung und Distanzierung der Vorelektroden gegenüber dem Diaphragma dienen. Gemäß dieser CH-PS geht es offensichtlich in erster Linie darum, die Neigung des Diaphragmas, sich auf die Kathode oder auf die Anode aufzulegen, wodurch die Zirkulation im Elektrolyseur und das Entweichen der entwickelten Gase in den Raum hinter der Vorelektrode behindert wird, zu vermeiden.

Allen oben beschriebenen Zellenstrukturen ist ein Nachteil gemeinsam, nämlich der, daß die Produktgase zwischen der Kathode und Anode nach oben steigen können oder müssen. Hierdurch wird der als »gas blinding« oder »Gasumhüllung« bezeichnete Effekt hervorgerufen. Mit anderen Worten, die Ansammlung großer Mengen Gasblasen und anderer Zellenprodukte im Raum zwischen den Elektroden verdrängt den Elektrolyten aus diesem Raum, wodurch der elektrische Widerstand zwischen der Kathode und Anode und hierdurch die notwendige Spannung wesentlich erhöht und die Leistung der Zelle verringert wird. Das Problem der Gasumhüllung ist bedeutend größer bei Zellen, die bei hohen Temperaturen und mit hoher Stromdichte arbeiten, da hier die Gasentwicklung je Zeiteinheit wesentlich stärker und rascher vor sich geh;. Solche Zellen können z. B. Natriumchlorat in einer Menge von 300-800 g/l enthalten, Natriumchlorid in einer Menge von 60 —200 g/l und bei einer Temperatur von 70—120⁰C sowie einer Stromdichte von etwa 0,155 — 0,62 A/cm² des Kathodenbereichs arbeiten. Gas, das am unteren Ende der Kathode gebildet wird, steigt im Raum zwischen den Elektroden auf und vereinigt sich mit dem Gas, das am oberen Ende der Kathode entsteht, so daß, wie zu erwarten, die Gasumhüllung an den oberen Enden der Elektroden stärker in Erscheinung tritt. Diese Umhüllung der Elektroden mit Gas begrenzt die Höhe einer wirtschaftlich arbeitenden Zelle in starkem Maße und erfordert einen größeren Abstand zwischen Anode und Kathode.

Erfindungsgemäß wird eine Elektrolysezelle für die Herstellung von Chloraten bereitgestellt, die diese Nachteile nicht aufweist und bei der die Elektrolyten innerhalb der Zelle in Umlauf gebracht, gemischt und vollständig umgesetzt werden können. Die Elektrolyse erfolgt im Raum zwischen der Anode und der durchlässigen Platte. Gasförmige Produkte, die in der Nähe der durchlässigen Platte gebildet werden, passieren sofort die öffnungen in der durchlässigen Platte und werden aus dem Bereich, in dem die Elektrolyse stattfindet, entfernt. Hierdurch wird eine Umhüllung der Elektroden mit Gas verhindert und bewirkt, daß die Lösung innerhalb der Zelle zirkuliert und zurückgemischt wird.

Die Zirkulation wird erfindungsgemäß durch die aufsteigenden gasförmigen Produkte bewirkt. Die gasförmigen Produkte werden außerdem sofort aus dem kritischen Raum zwischen Kathode und Anode entfernt. Erfindungsgemäß wird somit eine leistungsfähigere Zelle zur Verfügung gestellt und werden Zellen größerer Höhe (z.B. von mehr als 1,22m und bei technischen Zellen von selten weniger als 0,915 m) und ferner ein geringerer Abstand zwischen Anode und Kathode ermöglicht.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 zeigt die Ausführungsform der F i g. i in perspektivischer auseinandergezogener Form;

Fig.3 zeigt einen Querschnitt durch die Ausführungsform nach F i g. 1 längs der Linie HI-IIl;

F i g. 4 zeigt einen Querschnitt längs der Linie IV-IV derFig.3;

F i g. 5 zeigt in Vergrößerung einen Teil der F i g. 3;
Fig.6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung;
Fig.7 zeigt in auseinandergezogener Form eine

ι ο bipolare Ausführungsform der Erfindung;

Fig.8 zeigt in auseinandergezogener Form eine monopolare Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Elektroden;
Fig.9 zeigt graphisch die Zellenspannung bei verschiedenen Neigungswinkeln;

Fig. 10 zeigt eine ähnliche graphische Darstellung wie Fig.9 jedoch bei einem anderen Elektrodenabstand.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezeile für die Herstellung von Chloraten aus Chloriden weist eine im wesentlichen parallele Kathode und Anode auf. Die Kathode besteht aus einer Rückenplatte und einer durchlässigen Platte, die zwischen der Rückenplatte der Kathode und der Anode angeordnet ist. Die durchlässige Platte ist zur Senkrechten geneigt, so daß freigesetzte gasförmige Produkte sofort durch die öffnungen oder Kanäle in der durchlässigen Platte in einen Raum zwischen der Rückenplatte und der durchlässigen Platte und damit aus dem kritischen

je Bereich zwischen der durchlässigen Platte und der Anode treten können. Die erfindungsgemäße Zelle kann als monopolare oder als bipolare Zelle konstruiert sein. Ferner kann der Fluß der Lösung durch Ausführungsformen mit mehreren Elektroden in Reihe oder parallel vor sich gehen.

Die erfindungsgemäße Chloratzelle (10), von der eine Ausführungform in den F i g. 1 — 5 gezeigt ist, kann in beliebiger geeigneter Weise gelagert sein, z. B. auf die in Fig. 1 gezeigte Weise. Das Traggerüst (15) umfaßt ein Paar im Abstand befindlicher waagrechter Teile (11) und (12) und ein Paar sich nach oben erstreckender Seitenteile (13) und (14). Die Zelle (10) ist zwischen den Seitenteilen (13) und (14) angebracht und kann an diesen in beliebiger herkömmlicher Weise, z. B. mit (nicht gezeigten) Bolzen befestigt sein.

Die Zelle (10) — siehe F i g. 2 — besteht aus einer Anode (18) und einer Kathode bzw. Kathodenanordnung (19). Die Anode (18) kann in beliebiger üblicher Weise konstruiert sein und besteht aus einer Titangrundplatte mit einem elektrisch leitenden anodisch widerstandsfähigen Überzug. Der Überzug kann z. B. aus einem Platinmetall, wie Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium oder Platin, oder einem Gemisch dieser Metalle bestehen. Der Überzug kann auch aus einem Oxid eines Platinmetalls, einem Gemisch von Platinmetalloxiden, einem Gemisch aus einem Platinmetall und einem Oxid eines elektrolytischen filmbildenden Metalls, wie Titan, oder einem Gemisch aus einem Platinoxid und einem anderen Metalloxid

bo bestehen. Zum Beispiel ergibt ein Gemisch aus Rutheniumoxid und Titanoxid einen ausgezeichneten Eltktrodenüberzug. Zur Aufbringung des Überzugs auf die Titangrundplatte können zahlreiche Methoden angewandt werden, vor allem chemische, thermische oder elektrolytische Verfahren zum Ausfällen der Metalle oder Metalloxide.

Die Kathode bzw. Kathodenanordnung (19) — siehe Fig. 2 —5 — besteht aus einer Rückenpiaiie (22) und

einer durchlässigen Platte (23). Die Rückenplatte weist mehrere Außenwände (24), (25), (26) und (27) auf, welche die Rückenplatte (22) im Abstand von der Anode (18) halten und einen flüssigkeitsdichten Raum umschließen. Die durchlässige Platte (23) kann aus einem beliebigen ■> geeigneten Material bestehen, z. B. aus Eisen, Stahl oder Nickel mit den erforderlichen elektrisch leitenden Eigenschaften. Die durchlässige Platte (23) ist so konstruiert, daß fließfähige Materialien leicht durch sie hindurchtreten können. Zum Beispiel kann die durchlassige Platte aus Stäben zusammengesetzt sein, aus einem Metallgitter, erweiterten Metallsieb, einer perforierten oder einer geschlitzten Platte bestehen. Die durchlässige Platte (23) ist im Abstand zwischen der Rückenplatte (22) und der Anode (18) angeordnet. Falls gewünscht >> kann die durchlässige Platte (23) von den senkrechten Außenwänden (24) und (26) getragen werden, oder sie kann über Metallstreben (28) und (29), die aus Stahl sein können, an der Rückenplatte (22) befestigt sein, wie in F i g. 4 gezeigt wird. Es kann vorteilhaft sein, wenn die durchlässige Platte (23) an einer Stelle endet, die sich im Abstand unterhalb der oberen Außenwand (25) befindet, um so die Zirkulation der Lösung innerhalb der Zelle zu erleichtern.

Vorzugsweise beträgt der offene Bereich der >> durchlässigen Platte (23) 40 — 80% und insbesondere 50 — 70% des gesamten Bereichs der Platte. Innerhalb dieser bevorzugten Bereiche wird eine verbesserte Leistung erzielt. Der »offene Bereich« der Platte stellt den Anteil der Platte dar, durch den die fließfähigen jo Materialien der Zelle treten können. Der gesamte Bereich der Platte umfaßt den offenen Bereich und den Anteil der Platte, durch den die fließfähigen Materialien nicht treten können. Zum Beispiel ergibt eine Platte mit Löchern von 3,97 mm und Zentren von 5,56 mm eine s^r> Platte mit einem offenen Bereich von 43%, wie aus Tabelle I hervorgeht und eine durchlässige Platte aus Draht mit einer Stärke von etwa 0,9 mm bei einer lichten Maschenweite von 62 mm einen offenen Bereich von 45%.

Wenn die Rückenplatte (22) innerhalb eines bestimmten Abstandes von der durchlässigen Plette angeordnet ist, kann die Rückenplatte aus einem eisenhaltigen Material bestehen, das durch elektrische Energie, die zwischen der Rückenplatte und der Anode durch den offenen Bereich der durchlässigen Platte fließt, kathodisch geschützt wird. Das Fließen elektrischer Energie von der Rückenplatte durch den offenen Bereich der durchlässigen Platte zur Anode wird nachfolgend als »elektrischer Durchschlag« bezeichnet. Eine hochwirtschaftliche Zellkonstruktion erreicht man dadurch, daß man die gesamte Zelle, außer der Anode und den Isolierungen, aus einem eisenhaltigen Metall herstellt und die ausgesetzten inneren eisenhaltigen Metalloberflächen kathodisch schützt

Der Abstand, in dem ein kathodischer Schutz auftritt hängt mindestens zum Teil vom gesamten elektrischen Potential der Zelle und vom prozentualen Anteil des offenen Bereichs in der durchlässigen Platte ab. Wenn die durchlässige Platte einen ausreichend großen e>o offenen Bereich aufweist muß das zur Erzielung des kathodischen Schutzes erforderliche elektrische Potential zwischen der Rückenplatte und der Anode nicht groß sein.

Die an die Rückenplatte einer Chloratzelle gegen eine b5 Wasserstoff-Bezugselektrode angelegte Spannung braucht nur 03V zu betragen und verleiht dennoch Schutz. Die maximale an die Rückenplatte anzulegende Spannung wird nur durch die maximale zufriedenstellende Spannung der Zellenkathode festgelegt, die gegenüber der genannten Bezugselektrode im Bereich von 1,5 —3,0 V liegen kann. So kann die an die Ruckenplatte angelegte Spannung z.B. 0,3-3,OV bei. 'gen. Wenn die Zelle unter den nachfolgend beschriebenen normalen Bedingungen arbeitet, sollte die an die Rückenplalte angelegte Spannung im allgemeinen mindestens 0,7 V betragen und vorzugsweise mindestens 0,9 V. Der beste Schutz wird erreicht, wenn an der zu schützenden Oberfläche Wasserstoff freigesetzt wird.

Unter Berücksichtigung bestimmter Prinzipien läßt die Konstruktion der durchlässigen Platte, insbesondere die Größe der öffnungen, weitgehende Variationen zu. Die öffnungen und die Metallteile der durchlässigen Platte müssen klein genug sein, um eine gleichmäßige Stromverteilung zur Anode zu ermöglichen. Auf der anderen Seite müssen die Metalldrähte bzw. das Metallgewebe der durchlässigen Platte stark genug sein, um die notwendige Festigkeit zu verleihen. Eine perforierte Platte, die sich als sehr zufriedenstellend erwies, war eine Stahlplatte mit öffnungen von 6,75 mm und Zentren von 7,94 mm, die damit einen offenen Bereich von etwa 66% aufwies.

Falls gewünscht, kann die Rückenplatte (22) mit einem chemisch widerstandsfähigen Überzug, insbesondere aus Kunststoff oder Kautschuk, versehen und in einem solchen Fall der Abstand zwischen der Rückenplatte (22) und der durchlässigen Platte (23) vergrößert werden.

Die Anode kann ebenfalls mit einer durchlässigen Platte (23A), ähnlich der Platte (23), versehen werden, wie in F i g. 6 gezeigt ist. Eine solche Anode (tSA) muß jedoch mit einem geeigneten beständigen Elektrodenmaterial, insbesondere einem Edelmetall, wie Platin, auf der aktiven Oberfläche der Anode (23A) überzogen werden. Durchlässige Elektroden haben bei gegebener äußerer Zellendimension eine größere Elektrodenoberfläche als aus festen Platten bestehende Elektroden. Außerdem ermöglichen sie eine Variation des Flüssigkeitsvolumens der Zelle sowie die Konstruktion von Zellen mit größerer Tiefe, was hinsichtlich der leichteren Anbringung von Rohrleitungen erwünscht ist.

Bei der vorliegenden Ausführungsform dienen die Anode (18) und die Kathode (19) als Zellbehälter. Ein getrennter Zellbehälter könnte jedoch vorgesehen sein. Die Anode (18) und die Kathode (19) sind durch die Isolierscheiben (32), die aus einem Chloropren-Kautschuk, z. B. Neopren oder einem Fluorkohlenwasserstoff-Harz, wie Teflon, bestehen können, gegeneinander elektrisch isoliert Die Anode (18) und die Kathode (19) sind in beliebiger geeigneter Weise, z.B. durch elektrisch isolierte Bolzen (35) oder Klammern aneinander befestigt

Die Anode (18) und die Kathode (19) sind mit den üblichen Stromzuführungen (37) und (38) verbunden. Die Elektrolyse findet im Raum (33) zwischen der Anode (18) und der durchlässigen Platte (23) der Kathode (19) statt Der Raum (33) hat vorzugsweise eine Tiefe von 2^54-12,7 mm, z.B. von etwa 6,4mm. Ein anderer Raum (34) liegt zwischen der Rückenplatte (22) und der durchlässigen Platte (23), durch welche Lösung und Gas treten kann. Der Raum (34) hat falls eine bei hoher Temperatur arbeitende Chloratzelle vorliegt eine Tiefe von vorzugsweise 76,2—228,6 mm.

Die Anode (18) und die Kathode (19) sind im wesentlichen parallel zueinander und in solcher Weise

angeordnet, daß sie in einem sich nach oben öffnenden Winkel zur Senkrechten geneigt sind. Es wurde gefunden, daß die besten Ergebnisse erhallen werden, wenn der Neigungswinkel zwischen 5° und 45°, vorzugsweise zwischen 10° und 25°, z.B. 15° bis 20°, beträgt, obgleich die erfindungsgemäßen Vorteile auch mit größeren oder kleineren Winkeln erzielt werden können. So könnte die Zelle waagrecht mit der durchlässigen Platte (23) über der Anode angeordnet werden.

In der Zelle (10) ist ein Einlaß (39) vorgesehen, durch welchen Lösung in die Zelle eingeführt werden kann, ferner ein Auslaß (40), durch den Zellenprodukte, wie Wasserstoffgas und Natriumchloral enthaltende Lösung aus der Zelle entfernt werden können.

Eine Natriumchlorid enthaltende Lösung kann durch den Einlaß (39) in die Zelle (10) eingeführt werden, bis diese im wesentlichen gefüllt ist. Die Lösung kann aus Mutterlauge von einer außerhalb liegenden Produkt-Kristallisationsvorrichtung stammen. In diesem Fall enthält die Lösung neben Natriumchlorid andere Materialien, wie Natriumchlorat. Die Lösung kann auch zur Temperatur- und pH-Kontrolle durch einen äußeren Kreislauf geführt werden. In typischer Weise wird die Zelle unter den folgenden Bedingungen betrieben:

Konzentration der Lösung

in der Zelle

Natriumchlorat 300-800 g/l

Natriumchlorid 60 - 200 g/l

Temperatur 70 -120° C

(vorzugsweise
90-105° C)

Stromdichte 0,107-0,646 A/cm²

(vorzugsweise
mindestens 0,323 A/cm²)

Die Anode (18) und die Kathode (19) sind mit (nicht gezeigten) elektrischen Stromquellen verbunden. Ein Potential wird hauptsächlich zwischen der Anode (18) und der durchlässigen Platte (23) der Kathode (19) errichtet. Während der Wanderung des Wassers und des Natriumchlorids zwischen der Anode (18) und der durchlässigen Platte (23) erfolgt Elektrolyse. Es werden Wasserstoffgas und Natriumchlorat erzeugt.

Wie in Fig. 5 durch kleine Bläschen (41) gezeigt ist, entstehen in der Zelle Wasserstoff, Wasserdampf, etwas Sauerstoff und Chlor, die durch die durchlässige Platte (23) hindurchtreten und im Raum (34) aufwärts zum oberen Ende der Zelle gelangen. Auf diese Weise werden die Gase sofort aus dem kritischen Raum (33), in dem die Elektrolyse stattfindet, entfernt, so daß eine Umhüllung der Elektrode mit Gas verhindert oder weitgehend verringert wird. Darüber hinaus wird mit dem Aufsteigen der Gase, wie die Pfeile in Fig.5 anzeigen, eine Zirkulation der Lösung in der Zelle bewirkt, so daß eine Verarmung an Chlorionen im kritischen Raum (33) sowie eine zu starke Ansammlung von Hypochlorit- und Chlorationen in der Nähe der Anode verhindert wird.

Die aufsteigenden Gase drücken die gelösten Zellenprodukte, insbesondere die Hypochlorit- und Chlorationen aus dem Raum zwischen der Anode (18) und der durchlässigen Platte (23) durch die durchlässige Platte (23) zum Raum (34).

Der Raum (34) ist vorzugsweise von Wänden umgeben, die gegenüber einer Wasserstoff-Bezugselektrode ein kathodisches Potential von mindestens 03 V, gewöhnlich von mindestens 0,7 V und vorzugsweise von mindestens 0,9 V aufweisen. Diese kathodischen Wände umfassen z. B. die Rückenplatte (22), die durchlässige Platte (23) und die Außenwandungen (24), (25), (26) und (27).

■-, Der Produktstrom aus der Zelle kann durch eine außerhalb angeordnete Produkt-Kristallisiervorrichtung geführt werden, wo ein Teil des Natriumchlorats entfernt wird. Die Mutterlauge aus der Kristallisiervorrichtung wird mit Natriumchlorid angereichert, wieder

ι (i erhitzt und zur Elektrolyse zurück in die Zelle geführt.

Die oben beschriebenen Zellen (10) können auch als Zellen mit einer Vielzahl von Elektroden ausgebildet sein, wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist. Die Zelle (110) — siehe Fig.7 — stellt eine bipolare Zelle mit einer Vieizahi von Elektroden(iil),(lliA;,(illBjund(illQ dar. Die Elektrode (111) dient als halbe Kathodenzelle und die Elektrode (11IQ als halbe Anodenzelle. Die dazwischenliegenden Elektroden, (HiA) und (UiB), haben jeweils eine Vorderseite (112), die als Anode und eine Rückseite (113), die als Kathode dient. Jede eine Kathode liefernde Elektrode umfaßt eine durchlässige Platte (114), die mit einer der oben beschriebenen durchlässigen Platten (23) identisch sein kann. Diejenigen Teile der Elektroden (11 MJl(IIlB; und (11IQ die als Anoden dienen, können aus Titan oder einem anderen Material bestehen, das anodischen Bedingungen entspricht und mit einem geeigneten Elektrodenmaterial überzogen ist, z. B. mit einem Platinüberzug. Zweckmäßig verwendet man für die Elektroden (111)

jo und (11IQ Stahlplatten mit einer Titanmetallauflage, wobei das Titan platiniert ist und als Anode dient. »Titanmetall« bedeutet in diesem Fall eines der anodischen, selbstschüizenden Metalle, einschließlich Tantan, Niob und Titan.

ji Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann die Zelle (110) so konstruiert sein, daß die Lösung zwischen den verschiedenen Elektroden parallel fließt. Der Fluß der Lösung durch die mehrere Elektroden aufweisende Zelle kann jedoch, falls gewünscht, in Reihe geführt werden, indem man lediglich die Auslaßleitungen so verschiebt, daß sie sich zwischen den Zellenabteilungen erstrecken und so die Lösung nacheinander durch alle Abteilungen der Zelle fließen muß.

Eine mehrere Elektroden aufweisende Zelle (210) kann auch als monopolare Zelle ausgebildet sein, wie in F i g. 8 gezeigt ist. Die Zelle (210) umfaßt eine Vielzahl von Anoden (211), (211a,}, (21 IB) und eine Vielzahl von Kathoden (212), (2i2A), (2i2B). In diesem Fall sind Paare von Isolierscheiben vorgesehen, wobei an jeder Seite der Elektroden jeweils eine Scheibe angeordnet ist, welche sie von den benachbarten Elektroden trennt. Zum Beispiel ist die Anode (211) durch die Isolierscheibe

(214) von der Kathode (212) und durch die Isolierscheibe

(215) von der Kathode (212Λ;getrennt Wie in Fig.8 gezeigt ist, sind die Anoden (211), (21 IA^und (211B;mit einer elektrischen Stromquelle positiven Potentials verbunden und die Kathoden (212), (2\2A) UHd (2i2B) mit einer elektrischen Stromquelle negativen Potentials. Die Zelle (210) kann so konstruiert sein, daß die Lösung parallel oder in Reihe fließt

Beispiel 1

Die graphischen Darstellungen 9 und 10 zeigen die Wirkung, weiche die Neigung der Zelle auf die Spannung der Zelle (d.h. die Potentialdifferenz zwischen der Anode und der durchlässigen Platte) hat Die Ergebnisse der graphischen Darstellung 9 wurden in einer Zelle, die im wesentlichen der in den F i e. 1 bis 5

abgebildeten entsprach, erhalten. Die inneren Dimensionen der Zelle waren:

Breite:

Tiefe:

Höhe:

30,5 cm
4,4 cm
1,22 m.

Die Zelle hatte einen aktiven Anodenbereich von 10,2 χ 76,2 cm bzw. von 777 cm².

Die Kathode wies ein Maschengitter mit einem offenen Bereich von 37% auf. Die Anode bestand aus einer platinierten Titanelektrode. Der Zwischenraum zwischen den Elektroden war 3,2 mm tief, und die Stromdichte betrug etwa 0,54 A/cm². Die Zelle wurde in der Weise betrieben, daß ihr kontinuierlich ein Beschickungsstrom zugeführt und kontinuierlich aus ihr ein Produktstrom abgezogen wurde. Die Konzentrationen des Beschickungsstromes waren:

Natriumchlorat:
Natriumchlorid:

502 g/l
119 g/l

Die Konzentrationen der Lösung innerhalb der Zelle wurden im folgenden Bereich gehalten:

Natriumchlorat:
Natriumchlorid:

600-800 g/l
90-100 g/l

Der pH-Wert der Beschickung wurde auf zwischen 6,1 und 6,3 gehalten. Die Beschickungslösung wurde auf etwa 95⁰C erhitzt, so daß die etwa 10 cm unterhalb des oberen Endes der Zelle gemessene Temperatur zwischen 100 und 105⁰C betrug. In diesem Beispiel wurden die besten Spannungen bei einer Neigung von etwa 25° bis 30° zur Senkrechten erzielt, obgleich ein wesentlicher Effekt bereits bei einer Neigung von 5° zur Senkrechten festgestellt wurde.

Beispiel 2

Die Ergebnisse der graphischen Darstellung 10 wurden in der in Beispiel 1 verwendeten Zelle unter ähnlichen Bedingungen erhalten, mit der Abweichung, daß der Abstand zwischen den Elektroden auf 6,35cm erhöht wurde. Die Konzentrationen des Beschickungsstromes betrugen:

Natriumchlorat:
Natriumchlorid:

581 g/l
108 g/l

Der pH-Wert des Beschickungsstromes lag zwischen 6,1 und 6,3. Die Konzentration des Natriumchlorats innerhalb der Zelle wurde im Bereich zwischen 600 und 800 g/l gehalten, die des Natriumchlorids im Bereich zwischen 90 und 100 g/l und die Temperatur in der Zelle auf zwischen 100 und 105⁰C. Bei diesem Beispiel trat der durch die Neigung erzielte Effekt insbesondere bei Neigungen von zwischen etwa 10° und 25° auf; die besten Ergebnisse wurden bei Neigungen von etwa 15°-20° zur Senkrechten erzielt Der Spannungsvorteil betrug hier etwa 0,15.

Beispiel 3

Das folgende Beispiel zeigt, welche Wirkung ein verschieden großer offener Bereich in der durchlässigen Platte auf das Potential der durchlässigen Platte und das Potential der Rückenplatte hat Es zeigt ferner die Wirkung eines verschieden großen Abstandes zwischen der durchlässigen Platte und der Rückenplatte. Eine kleine Laboratoriumszelle wurde bei einem Neigungswinkel der Kathode von 23° zur Senkrechten betrieben. Die Testelektroden waren rund mit einem Durchmesser von 4,6 cm. Der Abstand zwischen der Anode und der

durchlässigen Platte betrug 3,2 mm und der Abstand von der durchlässigen Platte zur Rückenplatte 15,2 cm. Die Anodenstromdichte betrug 0,54 A/cm² der durchlässigen Platte. Die Temperatur der Zelle betrug 105° C.

-, Die Lösung hatte einen Gehalt von 46,5% Natriumchlorat und 6,1 % Natriumchlorid.

Die in dieser Zelle unter Verwendung verschiedener durchlässiger Platten mit verschieden großen offenen Bereichen erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Die besten Ergebnisse wurden bei einem offenen Bereich der durchlässigen Platte von 66% erzielt.

_!5 Tabelle I

Art der durchlässigen Platte

Offener Potential Potential Bereich der durch- der

lässigen

Platte

Rückenplatte

V*)

Perforierte Platte
3,97 mm Öffnungen

5,56 mm Zentren 43 1,67 0,64

2,54 mm Dicke

Perforierte Platte
7,94 mm Öffnungen

11,10 mm Zentren 46 1,61 0,90

1,69 mm Dicke

Perforierte Platte

7,94 mm Öffnungen

9,53 mm Zentren 61 1,57 0,91

1,83 mm Dicke

Perforierte Platte

6,75 mm Öffnungen

7,94 mm Zentren 66 1,54 0,99

1,40 mm Dicke

*) Die Messung des Elektrodenpotcntials erfolgte in üblicher Weise unter Verwendung einer Ag/AgCI-Bezugselektrode und eines mit Elektrolyt gefüllten eng ausgezogenen Glasrohrs vom Eintrittsdurchmesser unter 1 mm, das sich von der Oberfläche der zu messenden Elektrode zu einem Reservoir und dann zu einer »Salzbrücke« mit 18% Natriumchlorat und 6% Natriumchlorid erstreckte. Die Spannung wurde mit einem Digitalvoltmeter hoher Selbstinduktion, das auf 1 mV ansprach, gemessen. Der gemessene Wert wurde auf ein Potential gegen eine Wasserstoff-Bezugselektrode umgerechnet, indem man zu dem gemessenen Wert0,22 V addierte. Die angegebenen Werte stellen umgewandelte Werte dar. Die Temperatur der Bezugselektrode betrug 25 C.

Die vorstehend beschriebene Zelle, die mit einer durchlässigen Platte mit einem offenen Bereich von 66% arbeitete, wurde bei verschiedenen Abständen zwischen Rückenplatte und durchlässiger Platte untersucht Alle übrigen Bedingungen waren die gleichen. Bei einem Abstand von 12,70 cm betrug das Potential der Rückenplatte 1,01 V, bei einem Abstand von 15,24 cm 0,99 V und bei einem Abstand von 20,32 cm 0,88 V. In jedem Falle wurde die Rückenplatte ausreichend kathodisch geschützt, so daß eine Korrosion des eisenhaltigen Materials verhindert wurde.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

ί. Elektrolysezelle für die Herstellung von Alkalimetallchloraten aus Alkalimetallchloriden aus einer Anode mit einer undurchlässigen Metallplatte aus Titan mit einem elektrisch leitenden anodisch widerstandsfähigen Überzug,
einer Kathode aus einer Rückenplatte aus eisenhaltigem Metall und einer durchlässigen Metallplatte, die von der Rückenplatte getragen wird und mit ihr elektrisch verbunden ist, wobei die durchlässige Platte im Abstand zwischen der Rückenplatte und der Anode, angeordnet ist,

Isolier- und Verschlußmitteln zwischen den äußeren Teilen der Anode und der Rückenplatte der Kathode uiuer Bildung eines Flüssigkeit aufnehmenden Raumes,

Ein- und Auslassen zum Einführen von Flüssigkeit in diesen Raum und zum Abziehen aus diesem Raum,
Vorrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Anode und Kathode,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anode, die Rückenplatte und die durchlässige Platte der Kathode im wesentlichen parallel zueinander und in einem zur Senkrechten sich nach oben öffnenden Winkel angeordnet sind und die Kathode über der Anode liegt.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Metallplatte aus einem Metallgitter, erweiterten Metallsieb oder einer perforierten Metallplatte besteht.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich nach oben öffnende Winkel 10 bis 25° beträgt.