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Kathodeneinheit für eine Diaphragmaelektrolysezelle Die Erfindung
betrifft die Verbesserung von Diaphragmazellen zur Elektrolyse von Alkalimetallhalogenidlösungen.
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Insbesondere betrifft sie eine Kathodeneinheit für eine Diaphragmazelle
mit. senkrechten Elektroden.
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Zur Elektrolyse von Alkal imetallhalogenidlö sungen, z. B. einer Natriumchloridlauge,
ist die Verwendung von monopolaren Zellen mit senkrechten Elektroden bereits bekannt.
Solche bekannten Zellen umfassen ganz allgemein eine Einheit von senkrechten und
parallelen Anoden, welche -von einem Stahlbehälter umgeben sind, an welchem Kathoden
in Form von durchlöcherten Taschen befestigt sind, die sich jeweils zwischen den
Anoden erstrecken.
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Bei diesen monopolaren Zellen wird der Kathodenstrom zu den durchlöcherten
Kathodentaschen üblicherweise unter Euhilfenahme von einer oder mehreren iieiterschienen
zugefÜhrt, welche direkt an wenigstens einer Wand des Metallbehälters, mit welchem
diese Kathodentaschen verbunden sind, befestigt sind.
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Anordnungen für Zellen dieser Art sind insbesondere in den US-Eatentschriften
2 447 547 und 3 464 912 beschrieben.
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Ferner ist es bereits bekannt, zur Elektrolyse Reihendtaphragmazellen
zu verwenden, welche durch die Nebeneinanderanordnung einer Reihe von bipolare Elektroden
umfassenden Elem.entarzellen gebildet werden. Solche bipolaren Elektroden weisen
eine praktisch senkrechte, leitfähige Wand auf, welche eine Trennwand zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Elementarzellen bildet und auf einer Fläche praktisch senkrechte
Anodenpiatten und auf der anderen Fläche praktisch senkrechte, durchlöcherte Kathodentaschen
trägt.
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Bei solchen Reihenzellen spielen die Anodenplatten einer Elementarzelle
die Rolle der Leiterschienen für die Eathoden der benachbarten Elementarzellen.
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In der folgenden Beschreibung ist unter dem Ausdruck "Sanmelwand"
jede elektrisch leitende Wand zu verstehen, deren eine Fläche in Querrichtung mit
durchlöcherten Kathodentaschen verbunden ist und deren andere Fläche direkt an wenigstens
einer Leiterschiene befestigt ist. Im Falle einer bipolaren Elektrode wird eine
solche Leiterschiene durch eine Anodenplatte einer solchen bipolaren Elektrode gebildet.
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Um die Leitung des elektrischen Stromes durch die durchlöcherten Kathodentaschen
zu erleichtern und ebenfalls um deren-Festigkeit zu erhöhen, ist es bereits aus
den zuvor genannten beiden US-Patentschriften-bekannt, im Inneren dieser Taschen
elektrisch
leitende Mittelblechesz. B. aus Stahl, anzuordnen, welche an der oben genannten
Sammelwand befestigt sind und annähernd den gesamten Längsschnitt dieser Taschen
belegen, wobei sie in elektrischem Kontakt hiermit gehalten werden.
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Das Vorhandensein von solchen Blechen im Inneren der Kathodentaschen
weist jedoch verschiedene Nachteile auf, indem sie die Kathodeneinheit schwer machen
und darüber hinaus sowohl die Zirkulation des Elektrolyten im Kathodenraum als auch
die Freisetzung der an den Kathoden entwickelten Gase behindern.
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Darüber hinaus nimmt die Stromdichte für jedes Kathodenblech, welche
in der Zone des Hittelblethes ihren Maximalwert besitzt, angrenzend an die Sammelwand-In
dem Naße ab, wie man sich von dieser Sammelwand entfernt. Hieraus ergibt sich bei
den bekannten Zellen eine schlechte Äusnutzung des diese leitfähigen Bleche bildenden
Materials.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese geschilderten Nachteile zu vermeiden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Kathodeneinheit für eine
Diaphragmaelektrolysezelle mit senkrechten Elektroden, welche durchbrochene, praktisch
senkrechte und parallele Netalltaschen umfaßt, die in Querrichtung mit mindestens
einer Sammelwand verbunden sind und im Inneren jeweils durch ein an der Sammelwand
befestigtes, leitendes Mittelblech verstärkt sind, gelöst, die sich dadurch auszeichnet,
daß wenigstens ein Teil des oben genannten Bleches einen mit dem Abstand von der
Sammelwand abnehmenden Querschnltt aufweist.
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Die erfindungsgemäße Eathodeneinheit weist den Vorteil au, daß die
die oben genannten Mittelblecke der Kathodentasche bildende MaterialrJenOe wesentlich
herabgesetzt wird, wodurch die Kathodeneinheit leichter wird, ihr jedoch eine ausreichende
Steifigkeit
immer noch erhalten bleibt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodeneinheit
wird die Verminderung des Querschnitt es des Hittelbleches der Kathodentaschen dadurch
herbeigeführt, daß in ihr eine oder mehrere Öffnungen ausgespart werden. Diese besondere
Ausführungsform ist deshalb vorteilhaft, da sie die Zirkulation des Elektrolyten
im Kathodenraum und die Freisetzung des an den Kathoden erzeugten Gases erleichtert.
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Die Abnahme des Querschnitt es wird vorteilhafterweise so eingestellt,
daß längs des gesamten Mittelbleches ein praktisch konstantes Verhältnis zwischen
der Stromdichte und dem genannten Querschnitt aufrecht erhalten wird.
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Die Erfindung ist ohne Unterschied auf Kathodeneinheiten, welche zur
Ausrüstung von monopolaren Zellen dienen, und auf den Kathodenteil von bipolaren
Elektroden anwendbar. Hierzu kann die Erfindung für den Aufbau einer bipolaren Elektrode
für eine Diaphragmaelektrolysezelle verwendet werden, welche eine praktisch senkrechte,
leitfähige Wand, praktisch senkrechte Anodenplatten, welche in Querrichtung an einer
Fläche dieser Wand befestigt sind, und durchbrochene, praktisch senkrechte Metalltaschen,
welche in Querrichtung mit der anderen Fläche dieser Wand so verbunden sind, daß
sie hiermit eine erfindungsgemäße Kathodeneinheit bilden, umfaßt, wobei die zuvor
genannte, senkrechte, leitfähige Wand eine Sammelwand bildet.
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Die Erfindung ist ebenfalls auf eine monopolare Diaphragmazelle zur
Elektrolyse einer Lösung eines Halogenids von wenigstens einem Alkalimetall anwendbar,
wobei diese Zelle einen Unterteil, eine Einheit von praktisch senkrechten und parallelen
Anoden oberhalb des Unterteiles, einen Metallbehälter um die Anoden, der auf dem
Unterteil ruht und der mit einer Kathodeneinheit mit durchbrochenen Rathoden, welche
sich jeweils zwischen
den Anoden erstrecken und mit einem Diaphragma
bedeckt sind, und einen auf dem Behälter ruhenden Deckel umfaßt, wobei diese Ausführungsform
dadurch gekennzeichnet ist daß die Kathodeneinheit den erfindungsgemäßen, zuvor
beschriebenen Aufbau besitzt.
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Besonderheiten und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in der beispielhaft
einige Ausführungsformen der Eathodeneinheit-der Zelle und der bipolaren Elektrode
gemäß der Erfindung gezeigt sind, Die Fig. 1 zeigt einen teilweise senkrecht geschnittenen
Queraufriß einer monopolaren Diaphragmazelle, die mit einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kathodeneinheit ausgerüstet ist; die Fig. 2 zeigt in Längsaufriß
das Mittelblech einer Kathodentasche der Zelle der Fig. 1 und seine Anordnung in
dem Kathoden--behälter; die Fig. 3 ist eine teilweise Ansicht des waagerechten Schnittes
einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgeräßen Kathodeneinheit; die Fig. 4
ist eine der Fig. 2 analoge Ansicht der Kathodeneinheit der Fig. 3; die Fig. 5 zeigt
im senkrechten Querschnitt eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen,
bipolaren Elektrode, In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische
Elemente, Die in der Fig. 1 dargestellte, erfindungsgemäße Zelle ist beispielsweise
zur Elektrolyse einer Natriumchloridlösung bestimmt.
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Sie umfaßt auf einer Fußfläche 1 aus Beton einen senkrechte und parallele
Anoden 3 tragenden Sockel 2. Ein Behälter 4 aus Stahl ist auf dem sockel 2 rings
um die Anoden 3 aufgelegt, und
trägt die sich mit den Anoden 3 abwechselnden
und mit einem nicht dargestellten Diaphragma bedeckten, durchlöcherten Kathodentaschen
5. Dieser Behälter 4 wird von einem nur teilweise dargesteilten Deckel 6 überragt,
der zum Auffangen des an den Anoden 3 während der Elektrolyse erzeugten Gases, z.
B.
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des Chlors, bestimmt ist.
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Die durchlöcherten Kathodentaschen 5 werden in an sich bekannter Weise
aus einem Stahlgitter gebildet. Jede hiervon erstreckt sich über die gesamte Breite
des Behälters 4 zwischen den Anoden 3 und ist jeweils mit den zwei gegenüberliegenden
Wänden 7 und 8 des Behälters-verbunden.
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Um ihren Anschluß an dem negativen Pol einer angemessenen Gleichstromquelle
oder an den anoden einer benachbarten Zelle sicherzustellen, ist der Behälter 4
mit mehreren senkrechten Beiterschienen 9 auf seiner Wand 7 derart versehen, daß
diese Wand 7 für die Einheit der Kathoden 5 die zuvor beschriebene Sammelwand bildet.
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Die Schienen9 bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Sie können an der
Stahlwand 7 des Behälters 4 mittels jedem angemessenen Schweiß- bzw. Lötverfahren
befestigt werden.
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Gemäß einem bevorzugten Lötverfahren überzieht man die Kupferschienen
zunächst mit Nickel, dann führt man eine Winkellötung dieser Schienen an dem Behälter
durch, z. B. nach dem an sich bekannten hIG-Verfahren, wobei Nickel als Lötmetall
verwendet wird.
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Jede Kathodentascne 5 ist mit einem Verstarkungsmittelblech 10 aus
Stahl ausgerüstet, welches an-dem Gitter der Kathode längs seiner waagerechten Kanten
angelötet bzw. angeschweißt ist.
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Solche Bleche 5 werden in Querrichtung an der Sammelwand 7 des Behälters
4 derart angelötet bzw. angeschweißt, daß das Fließen des elektrischen Stromes von
den Kathoden zu der Sammelwand 7 und den Leiterschienen 9 sichergestellt ist. Senkrechte
Rippen 11 verbinden jedes Blech 10 mit den durchlöcherten, senkrechten Flächen der
Kathodentaschen 5, so daß das elektrische Potential dieser Flächen gleichförmig
gemacht und die Steifigkeit der Kathe d enta s chen erhöht werden.
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Erfindungsgemäß ist jedes Blech 10 von einem dreieckförmigem Ausschnitt
12 durchbrochen, der quer über sein an die Wand 8 des Behälters 4 angrenzendes Ende
seine Öffnung aufweist. Auf diese Weise nimmt der Gesamtquerschnitt des Bleches
10 in Richtung von der Sammelwand 7 zur Wand 8 ab.
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Die freien Enden der zwei Teile des Bleches 10, welche den Ausschnitt
12 begrenzen, ruhen freilauf zwei U-Trägern 13, welche auf der Wand 8'des Behälters-
4 befestigt sind.
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Die Rippen 11, welche sich- in bezug auf einander auf der Höhe des-
dreieckförmigen Ausschnittes 12 befinden, sind miteinandex durch prismatische Querstreben
14 Verbunden.
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Die in der Fig. 3 dargestellte Kathodeneinheit umfaßt im Inneren eines
Stahlbehälters 4 zwei Reihen von durchlöcherten Kathodentaschen 15 und 16. Die Taschen
15 sind mit der Wand 7 des Behälters 4 und die Taschen 16 mit der gegenüberliegenden
Wand 8 dieses Behälters verbunden. Die Taschen 15 und 16 werden durch leitfähige
Mittelbleche 17, z. B. aus Stahl, verstärkt, welche jeweils an den Wänden 7 bzw.
8 befestigt sind. An diesen Wänden 7 und8 sind darüber hinaus Leiterschienen 19
befestigt, welche insgesamt mit Stromsammelschienen 20 verbunden sind. Die Wände
7 und 8 des Behälters 4 stellen auf diese Weise Sammelwände für die Kathodentaschen
15 bzw. für die Kathodentaschen 16 dar.
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Die Fig. 4 zeigt Einzelheiten der Mittelbleche 17 der beiden Taschen
15 und 16, welche in der Verlängerung voneinander angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist jedes Blech 17 von einer dreieckförmigen Offnung
21 durchbohrt, welche sich von einem Punkt in der Nachbarschaft der Sammelwand 7,
8 welche mit diesem Blech 17 verbunden ist, zu dem freien Ende dieses Bleches 17
erweitert.
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Bei einer Variante kann jede dreieckförmige Offnung 21 durch eine
Aufeinanderfolge von Offnungen mit wachsender Höhe in Rich--tung zu dem freien Ende
des Bleches 17 ersetzt werden.
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In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen, bipolaren
Elektrode dargestellt. Eine solche Elektrode umfaßt in an sich bekannter Weise eine
leitfähige, senkrechte Wand 22, welche auf einer Fläche Anodenplatten 23 und auf
der anderen Fläche durchlöcherte Kathodentaschen 24 trägt. Jede Kathodentasche 24
ist durch ein leitfähiges Mittelblech 25 verstärkt, welches an der Wand 22 angelötet
bzw. angeschweißt wird. Gemäß der Erfindung besitzt das Blech 25 praktisch die Form
eines Dreiecks, derart, daß sein abnehmender Querschnitt sich von der Wand 22 entfernt.
Dieses stellt in der Tat für die Kathoden--taschen 24 eine Sammelwand dar, wie sie
zuvor definiert wurde.