DE2413943A1

DE2413943A1 - Bipolare elektrode und ihre verwendung in elektrolysevorrichtungen

Info

Publication number: DE2413943A1
Application number: DE2413943A
Authority: DE
Inventors: Umberto Dr Giacopelli
Original assignee: Solvay SA
Current assignee: Solvay SA
Priority date: 1973-03-28
Filing date: 1974-03-22
Publication date: 1974-10-03
Also published as: FR2223083B1; NO138455B; CA1052731A; IT1003565B; NO138455C; ATA253874A; AT329082B; SE391347B; NO740852L; BE812704A; BR7402468D0; CH587355A5; US3945909A; ES423838A1; JPS49128880A; NL7403097A; FR2223083A1

Description

PATENTANWÄLTE

DR. ING. A. VAN DERWERTH DR. FRANZ LEDERER

21 HAMBURG 9O 3 MÖNCHEN 8O

WJLSTORFER STH 32 TEL. 1040) 77 OS 61 LUCIIE-GRAHN-STR. 2a - TEL. 10891 4729

München, 19. Februar 1974 Cas S.73/8

SOLVAY & CIE.

33j Rue du Prince Albert, Brüssel, Belgien

Bipolare Elektrode und ihre Verwendung in Elektrolysevorrichtungen

Die Erfindung betrifft Verbesserungen von Elektrolysezellen, insbesondere von Zellen, welche zur Erzeugung von Chlor aus wäßrigen Lösungen von Alkalimetallchloriden bestimmt sind.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine bipolare Elektrode für eine Elektrolysezelle, wobei diese Elektrode eine praktisch senkrechte Stützwand umfaßt, welche auf einer Seite in Querrich- ■ tung praktisch senkrechte und parallele Anodenplatten und auf der anderen Seite praktisch senkrechte und parallele Kathoden in Form von Taschen mit durchbrochenen Wänden, .welche sich mit den Anoden abwechseln, trägt.

Bei bekannten, bipolaren Elektroden dieser Art, z. B. den in der belgischen Patentschrift 752 380 beschriebenen Ausführungsformen, wird die Stützplatte durch ein Stahlblech gebildet, an welchem

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die Anoden (die von mit einem katälytischen Überzug bedeckten Titanplatten gebildet werden.) und die Kathoden (in Form von Taschen mit durchbrochenen Wänden, welche zur Aufnahme eines Diaphragmas bestimmt sind) durch Anschweißen, Annieten oder Schraubverbindungen befestigt sind. Auf der Anodenseite ist das Stahlblech mit einem Schutzüberzug gegen Korrosion durch den Elektrolyten und die Elektrolyseprodukte bedeckt.

Solche bekannten, bipolaren Elektroden weisen zahlreiche Nachteile auf. Ihr Aufbau ist schwierig, insbesondere wegen der Behinderung, welche durch das Tragblech verursacht wird, das üblicherweise große Abmessungen besitzt. Der Zusammenbau von Anoden und Kathoden auf diesem Blech wird ferner durch die Notwendigkeit erschwert, daß das Blech vollkommen eben bleiben und darüber hinaus eine regelmäßige und genaue Verteilung von Anoden und Kathoden auf diesem Blech erfolgen muß.

Ein weiterer bemerkenswerter Nachteil solcher vorbekannten, bipolaren Elektroden liegt in der Schwierigkeit, sie wieder auseinander zu bauen, z. B. um die eine oder die andere zerstörte Anode oder Kathode zu ersetzen.

Um den Zusammenbau bzw. die Verbindung von Titananoden an dem Tragblech zu erleichtern und den elektrischen Widerstand einer solchen Verbindung herabzusetzen, verwendet man manchmal ein Tragblech in Form eines Verbindbleches, das aus einem Stahlbandmaterial und einem Titanbandmaterial zusammengesetzt ist,, welche gegeneinander gelegt sind und miteinander fest verbunden wurden, z. B. durch Explosionsschweißen. Die Anodenplatten aus Titan können dann leicht an dem Titanbandmaterial befestigt werden.

Es wurde jedoch gefunden, daß solche Verbundbleche aus Stahl-Titan bei der Anwendung rasch durch Bildung von Titanhydrid in dem Titanbandmaterial als Folge einer Diffusion von an der

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Kathodenoberfläche gebildetem, atomarem Wasserstoff zerstört werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Behebung solcher Nachteile bei vorbekannten, bipolaren Elektroden. Die Erfindung betrift daher eine bipolare Elektrode für eine Elektrolysezelle, wobei eine solche bipolare Elektrode eine praktisch senkrechte Stützwand umfaßt, welche auf einer Seite in Querrichtung praktisch senkrechte und parallele Anodenplatten und auf der anderen Seite praktisch senkrechte und parallele Kathoden in Form von Taschen mit durchbrochenen Wänden trägt. Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Teil der Stützwand durch praktisch senkrechte Längsbalken gebildet, welche die Kathodentaschen tragen, und wovon jede zwischen zwei Anodenplatten angeordnet ist, wobei öffnungen in diesen Längsbalken angebracht sind, um die Kathodentaschen miteinander in Verbindung zu"setzen.

Die erfindungsgemäße, bipolare Elektrode weist den Vorteil auf, daß sie einfach und rasch zusammengebaut und wieder auseinandergebaut werden kann. Darüber hinaus kann sie aus vorgefertigten Elementen konstruiert werden, welche in einer mehr oder minder großen Anzahl entsprechend den für die Elektrode geforderten Abmessungen zusammengebaut werden.

Bei der erfindungsgemäßen, bipolaren Elektrode können die Längsbalken der Stützwand aus Stahl bestehen, welche auf der Anodenseite mit einem Schutzüberzug gegenüber Korrosion durch den Elektrolyten bedeckt sind. Die Anoden werden vorzugsweise aus Titanplatten gebildet, welche zwischen den Längsbalken aus Stahl eingefaßt sind, wobei diese Titanplatten wenigstens teilweise mit einem katalytischen Überzug bedeckt sein können, z. B. einem leitfähigen Oberzug, der ein Metall oder eine Verbindung eines Metalls der Platingruppe enthält. Es wurde gefunden, daß bei einer solchen Ausführungsform der bipolaren Elektrode gemäß der Erfindung die

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Titananoden kein Ort für eine Titanhydridbildung darstellen, dies ist ein zusätzlicher, bemerkenswerter Vorteil. Darüber hinaus erleichtert.die Möglichkeit, solchen Anodenplatten eine praktisch ebene Form zu erteilen, in starkem Maße die Ablagerung des katalytischen Überzuges.

Erfindungsgemäß sind die Oberflächen einer jeden Anodenplatte, welche sich in Kontakt mit den Längsbalken der Stützwand befinden, vorzugsweise mit einem Elektrizität besser als Titan leitenden Überzug bedeckt, z. B. aus Platin.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen, bipolaren Elektroden der oben beschriebenen Art in einer Diaphragmaelektrolysevorrichtung vom Serientyp, welche wenigstens zwei aufeinanderfolgende Elementarzellen umfaßt, wovon jede mit sich mit Kathoden abwechselnden Anoden, welche praktisch vertikal und parallel sind, ausgerüstet ist, wobei die Anoden einer Zelle und die Kathoden der anderen Zelle in Querrichtung an einer gemeinsamen, praktisch senkrechten Stützwand befestigt sind, welche eine Trennwand von zwei Zellen bildet und mit den hieran befestigten Anoden und Kathoden eine bipolare Elektrode bildet, wobei jede Elementarzelle in Verbindung mit einer Zuführungsleitung für eine zu elektrolysierende Lösung und mit Abführungsleitungen für Elektrolyseprodukte steht.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Elektrolysevorrichtung wird eine bipolare Elektrode verwendet, welche zwei Außenlängsbalken umfaßt, welche wenigstens einen Teil von zwei Längswänden einer der Elementarzellen bilden.

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Ana/ere Besonderheiten und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, wobei auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen wird. Diese stellen schematisch und beispielhaft einige Ausführungsformen der bipolaren Elektrode und der Elektrolysevorrichtung gemäß der Erfindung dar.

Die Fig. 1 zeigt teilweise, im waagerechten Schnitt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, bipolaren Elektrode;

die Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt längs der Schnittebene II-II von Fig. 1;

die Fig. 3 zeigt eine Variante der Ausführungsform von Fig. 1;

die Fig. 4 bis 8 sind Teilansichten im waagerechten Schnitt von fünf weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen, bipolaren Elektrode;

die Fig. 9 zeigt schematisch im waagerechten Schnitt eine besondere Ausführungsform einer Diaphragmaelektrolysevorrichtung gemäß der Erfindung.

In diesen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische Elemente.

Bei einer ersten, in den Fig. Λ und 2 dargestellten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße, bipolare Elektrode eine allgemein mit dem Bezugszeiehen 1 gekennzeichnete Stützwand. Diese Stützwand 1 umfaßt eine Eeihe von senkrechten Längsbalken 2, z. B. aus Stahl, zwischen denen Anodenplatten 3 eingefügt sind. Diese Anodenplatten können aus Titan bestehen, wobei sie auf wenigstens einem Teil ihrer beiden Flächen mit einem katalytischen Überzug überzogen sind, der ein Wetall oder eine Verbindung eines Metalls der Platingruppe enthält. Die Längsbalken 2

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und die Anoden 3 sind gegeneinander unter Bildung eines starren Verbundes fest mit Hilfe einer Reihe von Schraubenbolzen 4- und nicht dargestellten Muttern zusammengepreßt. Dichtungen 5 können zwischen den Längsbalken 2 in der Verlängerung der Anoden 3 eingesetzt sein.

Jeder Längs"balken 2 weist auf seiner den Anoden 3 gegenüberliegenden Seite zwei senkrechte Querverlängerungen 6 auf, an denen eine profilierte Kathode 7 in Form einer Tasche mit durchbrochenen Wänden befestigt ist. Diese können z. B. aus einem Metallgitter, aus durchbohrten Blechen oder Streckmetallen bestehen.

Die Kathodentaschen 7 sind aufeinanderfolgend miteinander durch durchbrochene Seitenflansche 9 verbunden, welche durch Biegen der Längswände 8 der Kathodentaschen 7 erhalten werden können, und welche eine gegen die andere, vorzugsweise elastisch, aufgelegt sind.

Die Kathodentaschen 7» ihre Seitenflansche 9 und die Längsbalken 2 begrenzen auf diese Weise eine Kathodenkammer der bipolaren Elektrode. Um die Zirkulation der Elektrolyseprodukte in der peripheren Zone 10 dieser Kathodenkammer sicherzustellen, weisen die zuvor genannten Querverlängerungen 6 abgeschnittene Teile 11 und 12 auf.

Die Wände der Kathodentaschen 7 und ihre durchbrochenen Seitenflansche 9 sind zur Aufnahme eines Diaphragmas auf ihrer Außenseite zu der vorgenannten Kathodenkammer bestimmt.

Die Längsbalken 2 sind auf der Anodenseite mit einem Schutzüberzug 16 gegenüber Korrosion durch den Elektrolyten und das Chlor überzogen, z. B. mit einer Betonschicht auf Basis eines chlorfesten Polyesters.

Um die Dichtheit des Zusammenbaues der Anoden 3 und der Längsbalken 2 zu verbessern und darüber hinaus den Kontaktwiderstand

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zwischen diesen Anoden und diesen Längsbalken herabzusetzen, ist es vorteilhaft, zwischen diese Anoden 3 und diese Längsbalken 2 eine Schicht 27 eines an sich bekannten, Elektrizität gut leitenden und korrosionsfesten Bindemittels anzuordnen.

Gemäß einer in der Fig. 3 wiedergegebenen Variante der Ausführungsform der Fig. Λ und 2 befindet sich jede Kathodentasche 7 um eine Verlängerung 6· eines Längsbalkens 2 im Eingriff und ist an dieser Verlängerung 6 befestigt. Eine solche Verlängerung 6 kann durch ein Mittelblech 26 verlängert sein, welches an dem oberen Teil und dem unteren Teil der Kathodentasche 7 derart befestigt ist, daß das Fließen des elektrischen Stromes erleichtert wird.

Gemäß einer anderen, nicht dargestellten Variante entspricht das entfernbare Einspannorgan für die Längsbalken 2 und die Anodenplatten 3 der in der belgischen Patentschrift 755 900 der Anmelderin beschriebenen Vorrichtung. Eine solche Vorrichtung umfaßt eine Heihe von hohlen Schraubenbolzen, welche jeweils durch die Längsbalken 2 hindurchführen und ineinander eingeschraubt sind. Ein jeder dieser Schraubenbolzen umfaßt einerseits einen Kopf, der sich auf eine Schulter des Längsbalkens 2, durch den er hindurchführt, aufstützt, und andererseits einen mit Gewinde versehenen Körper, der sich' in einer in dem Kopf einer benachbarten Mutter befindlichen, mit .Gewinde versehenen öffnung im Eingriff befindet.

Beiderin der Fig. 4- dargestellten Ausführungsform, werden die Kathodentaschen 7» welche denen der Ausführungsform der Fig. analog sind, durch innenliegende Mittelbleche 26 getragen, .welche sich zwischen den Anodenplatten 3 ausdehnen. Praktisch senkrechte Metallstäbe 2 sind zwischen diesen Blechen 26 und den Anodenplatten 3 zwischengelegt und fest eingespannt. Querstreben 29 können zwischen den Mittelblechen 26 und den Längs— wänden 8 der Kathodentaschen zur Verbesserung ihrer Steifigkeit angeordnet werden.

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Bei der in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind die senkrechten Längswände 8 der Kathodentaschen 7 in der Nähe der Stützwand 1 aufeinander zu gefaltet, so daß ein Paar von Mittelverlängerungen 15 ausgebildet wird, welche zwischen zwei senkrechten Längsbalken 2 der Stützwand 1 eingesetzt und festgespannt sind. Die durchbrochenen Seitenflansche 9 sind direkt auf den durchbrochenen Wänden 8 der Kathodentaschen aufgesetzt.

Eine Leiterplatte 28 ist vorzugsweise zwischen den Verlängerungen 15 eingesetzt und erstreckt sich in das Innere der Kathodentaschen 7» so daß hierin das Fließen des elektrischen Stromes erleichtert wird.

In der Fig. 6 ist schematisch eine andere Ausführungsform einer bipolaren Elektrode gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform liegen die Anoden in Form von senkrechten, jeweils ein Paar von beiderseits eines senkrechten, zwischengelegten Stabes 13 angeordneten Platten 3 umfassenden Kästen vor. Die zwischengelegten Stäbe 13 bilden einen integrierenden Teil der Stützwand 1, worin sie sich mit den Längsbalken 2 abwechseln, welche die Kathoden 7 unter Zuhilfenahme der Verlängerungen 6 tragen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 6 können die Platten 3 massiv oder durchbrochen in der Zone sein, die nicht in der Stützwand 1 eingebaut ist.

Gemäß einer anderen, teilweise in der Fig. 7 dargestellten Variante ist das Paar der Platten 3) welche Jeden Anodenkasten bilden, auf der Fußplatte eines senkrechten T-Profiles 14 befestigt, dessen Steg zwischen zwei Längsbalken 2 der Stützwand 1 eingesetzt ist.

In der Fig. 8 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen, bipolaren Elektrode dargestellt. Hierbei liegen die Anoden in Form von Kästen vor und umfassen jeweils ein Paar

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von Platten 3» welche beiderseits eines senkrechten Längsbalkens 2 der Stützwand angeordnet sind. Die Kathodentaschen 7 sind mit Seitenflanschen 9 verlängert, welche z. B. durch Falten der äußeren Enden ihrer Wände 8 erhalten wurden. Die Kathodentaschen 7 sind paarweise unter Zwischenschaltung der Seitenflansche 9 an Verlängerungen 25 der senkrechten Längsbalken 2 befestigt. Jede Kathodentasche 7 wird auf diese Weise durch zwei Längsbalken der Stützwand getragen. Zwischenstäbe 13 sind zwischen aufeinanderfolgenden Paaren der Platten 3 zwischengelegt.

Bei der bipolaren Elektrode der Fig. 8 können die Kathodentaschen 7 und ihre Seitenflansche 9 z. B. insgesamt aus einer wellenförmigen, durchbrochenen Struktur gebildet werden.

Die Ausführungsform der Fig. 8 weist den Vorteil auf, daß die von den Kathoden zu den Anoden durch die Stützwand 1 verlaufenden Linien des elektrischen Stromes verkürzt werden.

In der Fig. 9 ist schematisch im waagerechten Schnitt eine bevorzugte Ausführungsform einer Diaphragmaelektrolysevprrichtung gemäß der Erfindung dargestellt.

Diese umfaßt fünf Elementarelektrolysezellen 17> welche voneinander durch senkrechte Quertrennwände 1 getrennt werden, wovon jede eine Stützwand für eine bipolare Elektrode gemäß der Erfindung, wie sie zuvor beschrieben wurde, darstellt. Diese Trennwand oder Stützwand 1 umfaßt, wie zuvor beschrieben, eine Reihe von senkrechten Längsbalken 2, welche jeweils gegeneinander unter Zwischenschaltung von senkrechten Anodenplatten 3 gepreßt werden. Diese senkrechten Längsbalken 2 tragen Kathodentaschen 7 aus Metallgittern, welche sich mit den Anoden 3 einer benachbarten Elementarzelle 17 abwechseln.

Gemäß der Erfindung umfassen die Außenlängsbalken 18 einer jeden Stützwand 1 seitliche Verlängerungen 19, welche jeweils die beiden senkrechten Seitenwände einer Elementarzelle 17

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angrenzend an die Trennwand 1 bilden. Geeignete Dichtungen 20
sind zwischen diesen Verlängerungen 19 und der folgenden Trennwand 1 angebracht.

Die beiden Außentrennwände 21 und 22 der Elektrolysevorrichtung sind in analoger Weise mit der Trennwand 1 verbunden, jedoch
mit dem einzigen Unterschied, daß diese unipolar sind, entweder kathodisch oder anodisch. Auf ihrer Außenfläche zu der Elektrolysevorrichtung sind sie mit Stromsammeischienen 23 ausgerüstet.

Die Gesamtheit der Quertrennwände 1, die Außentrennwände 21 und 22 und die Seitenwände 19 sind abdichtend auf einem nicht
dargestellten Unterbau befestigt, welcher den Boden der Elementarzellen bildet. Darüber hinaus sind diese mit einem nicht
dargestellten Deckel abgedeckt.

Die Elektrolysevorrichtung der Fig. 9 umfaßt darüber hinaus
nicht dargestellte Leitungen zum Zuführen der zu elektrolysierenden Lösung in die Elementarzellen und zum Herausführen der
Elektrolyseprodukte aus ihnen.

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Claims

Patentansprüche

1. Bipolare Elektrode für eine Diaphragmaelektrolysevorrichtung, wobei die Elektrode eine praktisch senkrechte Stützwand umfaßt, welche auf einer Seite in Querrichtung praktisch senkrechte und parallele Anodenplatten und auf der anderen Seite praktisch senkrechte und parallele Kathoden in Form von Taschen mit durchbrochenen Wänden, welche sich mit den Anoden abwechseln, trägt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Stützwand durch praktisch senkrechte Längsbalken gebildet wird, welche die Kathodentaschen, wovon jede zwischen zwei Anodenplatten angeordnet ist, tragen, wobei Öffnungen in diesen Längsbalken angebracht sind, um die Kathodentaschen miteinander in Verbindung zu setzen.

2. Bipolare Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kathodentasche durch zwei Längsbalken, bezogen aufeinander, getragen wird, und daß jede Anode wenigstens ein Paar von Platten umfaßt, welche einander gegenüber beidseitig eines Längsbalkens angeordnet sind, der mit zwei aufeinanderfolgenden Eathodentaschen verbunden ist.

3. Bipolare Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' daß jeder Längsbalken eine einzige Kathodentasche trägt und zwischen einem Paar von Anodenplatten angeordnet ist, welche zu zwei verschiedenen Anoden gehören.

4. Bipolare Elektrode nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Längsbalken ein innenliegendes Mittelblech für die Kathodentasche, welche es trägt, umfaßt, wobei sich dieses Blech zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anodenplatten unter Zwischenanordnung eines praktisch senkrechten Stabes zwischen dem Blech und jeder Anodenplatte abreite*. 4₀₃₈₄₀/0830

5. Bipolare Elektrode nach einem der Ansprüche 1 "bis 4-, dadurch gekennz eichnet, daß die Eathodentaschen aufeinanderfolgend miteinander in der Nachbarschaft der Stützwand durch 'praktisch senkrechte Seitenflansche verbunden sind.

6. Bipolare Elektrode nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflansche von aufeinanderfolgenden Xathodentaschen durchbrochen und elastisch eine gegen die andere gegengelegt sind.

7. Bipolare Elektrode nach einem der Ansprüche 1 "bis 4-, dadurch gekennz eichnet, daß die Kathodentaschen eine wellenförmige, durchbrochene Struktur umfassen.

8. Bipolare Elektrode nach einem der Ansprüche 1 "bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich "bekanntes, Elektrizität leitendes und korrosionsfestes Bindemittel zwischen den Anodenplatten und den Längsbalken bzw. den Stäben zwischengelegt ist.

9. Bipolare Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennz eichnet, daß Dichtungen zwischen aufeinanderfolgenden Längsbalken in der Verlängerung der Anodenplatten zwischengelegt sind.

10. Bipolare Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9_S dadurch gekennzeichnet, daß die Längsbalken aus Stahl bestehen und auf der Anodenseite einen Korrosionsschutzüberzug tragen.

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11. Verwendung von bipolaren Elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Diaphragmaelektrolysevorrichtung vom Serientyp, welche wenigstens zwei aufeinanderfolgende Elementarzellen umfaßt, wovon jede mit sich mit Kathoden abwechselnden Anoden,"welche praktisch vertikal und parallel sind, ausgerüstet ist, wobei die Anoden einer Zelle und die Kathoden der anderen Zelle in Querrichtung an einer gemeinsamen, praktisch senkrechten Stützwand befestigt sind, welche eine Trennwand von zwei Zellen bildet und mit den hieran befestigten Anoden und Kathoden eine bipolare Elektrode bildet, wobei jede Elementarzelle in Verbindung mit einer Zuführungsleitung für eine zu elektrolysierende Lösung und mit Abführungsleitungen für Elektrolyseprodukte steht.

12. Ausführungsform nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Elektrode zwei Außenlängsbalken umfaßt, welche wenigstens einen Teil von zwei Seitenwänden einer der Elementarζeilen bilden.

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Le e rs e i te