DE2419204B2 - Mehrfach-elektrolysezelle mit jeweils durch ein vertikales diaphragma gegeneinander abgeteilten elektrodenkammern - Google Patents

Description

Bei elektrolytischen Prozessen tritt häufig eine Gasentwicklung an den Oberflächen der Elektroden auf. Das gilt beispielsweise für die Herstellung von Chlor und kaustischem Alkali durch Elektrolyse einer wäßrigen Alkalichlorid-Lösung oder für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser oder auch für die Herstellung von Persulfat und Wasserstoffperoxid durch Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure. Es ist bekannt, daß diese Gasentwicklung, die auf den gesamten Oberflächen der Elektroden stattfindet, den Wirkungsgrad einer Elektrolysezelle beträchtlich vermindert.

Das gilt besonders für Mehrfach-Elektrolysezellen aus elektrisch parallel geschalteten Zelleneinheiten mit jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Elektrodenkammern (Kathodenkammern und Anodenkammern) und darin angeordneten Elektroden (Kathoden bzw. Anoden). Da bei diesen Zellen die Kathoden und Anoden dicht an den Diaphragmen angeordnet sind, werden die entwickelten Gase nämlich nur sehr schlecht von den Oberflächen der Elektroden freigegeben. Außerdem steigen die in den unteren Bereichen der (ebenfalls durchweg vertikalen) Elektroden entstehenden Gase entlang der Elektroden nach oben, so daß sich die oberen Bereiche der Elektroden mit verhältnismäßig großen Gasmengen bedecken. Weiterhin kann auch ein Teil des entwickelten Gases in die Diaphragmen eindringen. Das alles führt zwangsläufig zu einer Verminderung des Wirkungsgrades der Elektrolysezellen, wobei sich generell sagen läßt, daß der Abfall des Wirkungsgrades um so stärker ist, je tiefer die Zelle ist oder je größer der Elektrodenstrom ist. Andererseits ist es wünschenswert, vom Standpunkt der Produktivität pro Grundflächeneinheit aus, bei einer Elektrolyse-Anlage tiefere Zellen und/oder höhere Stromdichten zu verwenden. Diese Möglichkeit ist bislang, infolge der geschilderten Nachteile, nicht realisierbar gewesen.

Zwar ist aus den US-PS 17 71091 und 3168 458 bereits bekannt, einzelne oder alle Elektroden mit Gas-Leitplatten zu versehen, die von den Elektroden ausgehend schräg nach oben gerichtet sind und in die zugeordnete Eiektrodenkammer hinweisen. Die Leitplatten sind dabei einstückig mit den Elektroden

ausgebildet, indem sie aus den Elektroden ausgestanzt und — unter Freilassung von Durchtrittslöchern in den Elektroden — nach außen gebogen sind Dies hat zur Folge, daß die Leitplatten auch an der Stromleitung in der Zelle teilnehmen, also ebenso wie der senkrechte

is Hauptteil der Elektroden als Elektrodenteil wirken. Da aber die Leitplatten, jeweils bezogen auf die Gegenelektrode, nach rückwärts weggebogen sind, bedeutet dies, daß der Elektrodenabstand bei jedem aus Anode und Kathode gebildeten Elektrodenpaar im Bereich der

Leitplatten beträchtlich größer ist als im Bereich der senkrechten Hauptteile der Elektroden. Somit vergrößert sich unvermeidlich die Zellenspannung und der Stromverbrauch, wodurch der an sich mit den Leitplatten erzielbare Vorteil wieder mehr oder

weniger stark zunichte gemacht wird. Hinzu kommi noch, daß die bekannten Leitplatten zwangsläufig nur einen bestimmten vertikalen Abstand voneinander und auch nur eine bestimmte Länge haben könnea je größer ihre Länge ist, desto größer wird auch ihr Abstand, und

desto kleiner wird der verbleibende vertikale Hauptteil der Elektroden. Es ist dadurch nicht möglich, die Leitplatten optimal entsprechend den Notwendigkeiten zur Gasblasenkontrolle auszubilden.

Aus diesen Gründen wurde überwiegend der Weg gegangen, auf die Anordnung von Gas-Leitplatten zu verzichten und statt dessen die Beeinträchtigung durch die Gasentwicklung einigermaßen dadurch zu kontrollieren, daß die Zellen nicht allzu tief gemacht wurden. Die Beeinträchtigung durch die Gasentwicklung nimmt nämlich mit größerer Zellentiefe zu, während die Beeinträchtigung durch den infolge der Leitplatten vergrößerten mittleren Elektrodenabstand auch schon

bei relativ flachen Zellen voll wirksam wird.

Mit der Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Gas-Leitplatten beseitigt werden, d.h. es soll eine Mehrfach-Elektrolysezelle mit jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Elektrodenkammern geschaffen werden, bei der die (grundsätzlich nicht vermeidbaren) Gasblasen durch die Gas-Leitplatten von den Elektroden abgeleitet werden, ohne daß dies mit einem verschlechterten Wirkungsgrad der Zelle erkauft werden muß.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Gas-Leitplatten aus einem Kunstharz bestehen und sich bis in den Bereich der Kammermitten hineinerstrecken, wo sie einen vertikalen Durchlaß für die Gasblasen freilassen.

Die erfindungsgemäßen Gas-Leitplatten bestehen somit nicht aus dem Elektrodenmaterial, nehmen also nicht an der Stromleitung teil. Sie üben deshalb ihre Funktion des Ableitens der Gasblasen von den Elektroden ohne jegliche Nebenwirkung hinsichtlich der Zellenspannung und des Stromverbrauchs aus, mit der Folge, daß sich der Wirkungsgrad der Zellen beträchtlich verbessert und die Zellen nunmehr tiefer gemacht bzw. mit höherer Stromdichte betrieben werden können als bisher.
Außerdem ist es möglich, die Gas-Leitplatten optimal

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an die jeweils gegebenen Erfordernisse anzupassen, beispielsweise derart, daß die Breite des vertikalen Durchlasses im Bereich der Kammermitte vom Boden der Kammern aus nach oben progressiv vergrößert ist, um dem erhöhten Anfall von Gasblast a im oberen Bereich der Elektrodenkammern Rechnung zu tragen. Weiterhin können auch die Gas-Leitplatten im unteren Bereich der Kammern einen größeren Abstand voneinander besitzen als im oberen Bereich der Kammern.

Die Gas· Leitplatten können eben oder gebogen ausgebildet oder mit Sicken versehen sein. Sie bestehen zweckmäßig aus chloriertem Polyvinylchlorid, das ausreichend stabil und wärmebeständig ist

Nachfolgend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert Dabei stellen dar

Fig. 1 perspektivisch und teilweise geschnitten einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäß "iusgebildeten Mehrfach-Zelfe,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab und stärker detailliert einen Querschnitt einer in der Zelle gemäß Fig. 1 verwendeten Anodenkammer.und

F i g. 3 schematisch im Querschnitt eine Mehrfachzelle, mit der Vergleichsversuche durchgeführt wurden.

Die in Fig. 1 dargestellte Mehrfach-Zelle 1 kann beispielsweise zur Elektrolyse einer chloridhaltigen Salzlösung bestimmt sein. Sie enthält mehrere Anodenkammern 2 und Kathodenkammern 3. Diese Kammern sind jeweils durch ein vertikales Diaphragma 4 voneinander getrennt. Als Anoden sind Platten 5 und als Kathoden sind Drahtnetze 6 vorgesehen. Die Anoden und die Kathoden befinden sich jeweils nahe an den Diaphragmen auf deren beiden Seiten.

Wie sich aus Fig.2 in größeren Einzelheiten entnehmen läßt, sind in jeder Anodenkammer 2 eine größere Anzahl von Gasblasen-Leitplatten 7 angeordnet und zwar übereinander jeweils mit einem Abstand in vertikaler Richtung. Diese Leitplatten 7 erstrecken sich von den Anodenplatten 5 (die die beiden gegenüberliegenden Seiten der Apodsnkammer bilden) aus mit leichter Aufwärts-Neigung zur Längsmittelebene der Anodenkammer hin, und sie haben solche Breite, daß zwischen ihnen in der Mitte der Anodenkammer ein vertikaler Durchlaß 8 für den Austritt der entstehenden Gasblasen freibUiibt.

Das während der Elektrolyse an den Anodenplatten 5 entwickelte Gas, ζ. B. Chlor, bewegt sich beim Aufsteigen entlang der Leitplatten 7 und sammelt sich dann in dem mittleren vertikalen Durchlaß 8. durch den hindurch es frei nach oben aufsteigen kann. Dadurch wird verhindert, daß die im unteren Bereich der Anodenplatten 5 entwickelten Gasblasen sich im oberen Bereich der Anodenplatten 5 sammeln und dort eine die Elektrolyse behindernde Gasschicht bilden können. Weiterhin induziert aber auch der frei durch den Durchlaß 8 hochsteigende Strom an Gasblasen ein Ablösen der noch an den Oberflächen der Anodenplatten 5 bzw. im Inneren der Diaphragmen 4 anhaftenden Gasblasen. Im Ergebnis wird somit durch die Leitplatten &o 7 der Wirkungsgrad der Elektrolyse außerordentlich stark erhöht.

Das äußere, den Seiten der Anoden-Kammer zugewandte Ende der Gasblasen-Leitplatten 7 kann an den Anodenplatten 5 befestigt sein oder einen geringen Abstand von den Anodenplatten 5 haben. Zweckmäßig bestehen die Leitplatten 7 aus einem chemisch stabilen, wärmebeständigen Kunstharz, wie z. B. chloriertem Polyvinylchlorid. Es ist aber auch möglich, die Leitplatten 7 aus dem gleichen elektrisch leitenden Material herzustellen, aus dem die Anodenplatten 5 bestehen. Dann nehmen die Leitplatten 7 teilweise an der Einleitung des Elektrolysestroms in die Kammer teil.

Die F i g. 1 läßt erkennen, daß auch in der Kathodenkammer eine Mehrzahl von Gasblasen-Leitplatten 7a vorgesehen sein können, und zwar in der gleichen Anordnung wie in der Anodenkammer Z In der Kathodenkammer erleichtern die Leitplatten 7a das Ablösen der Wasserstoff-Bläschen von den Oberflächen der Drahtnetz-Kathoden 6 unmittelbar nach Bildung dieser Bläschen.

Generell wird bevorzugt die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a sowohl in den Anodenkammern 2 als auch in den Küthodenkammern 3 anzuordnen. Es ist jedoch auch möglich, die Leitplatten nur entweder in den Anodenkammern oder den Kathodenkammern vorzusehen. Das kann in Frage kommen, wenn die in den Anodenkammern 2 oder den Kathodenkammern 3 entwickelten Gase extrem korrosiv sind, oder wenn ein gegen die Gas-Korrosion widerstandsfähiges Material sehr teuer ist, oder wenn die Anoden 5 bzw. die Kathoden 6 so konstruiert sind, daß sich die Gasblasen sehr leicht von ihnen lösen können, oder schließlich wenn in den Anodenkammern oder den Kathodenkammern keine Gasblasen in nennenswertem Umfang auftreten.

Die Anzahl, der Abstand und die Breite der Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a werden zweckmäßig in Anpassung an die Tiefe der Zelle und an die zu verwendende Stromdichte gewählt. Die optimalen Werte lassen sich dabei ohne weiteres leicht feststellen.

Es ist nicht unbedingt notwendig, die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a in vertikaler Richtung mit einem gleichen Abstand voneinander zu versehen. In manchen Fällen hat es sich vielmehr als wirksamer erwiesen, die Leitplatten im unteren Bereich der Elektroden in einem größeren Abstand voneinander anzuordnen und den Leitplatten im oberen Bereich der Elektroden einen geringeren Abstand voneinander zu geben. Weiterhin braucht auch der in der Kammermitte verlaufende vertikale Durchlaß 8 für die Gasblasen keine gleichförmige Breite zu haben. Bei tiefen Zellen, die mit hoher Stromdichte betrieben werden, kann es beispielsweise zweckmäßig sein, diesen Durchlaß 8 nach oben hin leicht breiter werden zu lassen, was durch entsprechende Bemessung der Breite der Leitplatten 7 und 7a erreicht werden kann. Im übrigen brauchen die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a auch nicht unbedingt schräg geneigt nach oben zu verlaufen, sondern können auch in horizontaler Lage an den Elektroden angeordnet sein. Schließlich brauchen die Leitplatten auch nicht unbedingt eben zu sein, sondern sie können eine leichte Biegung aufweisen oder in Längsrichtung oder kreuzweise gesickt sein.

Der Hauptvorteil, der sieh durch die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7a ergibt, wurde bereits erwähnt: Durch die Leitplatlen ergibt sich ein schnelleres Ablösen der Gasbläschen von den Oberflächen der Elektroden, und onßerdem wird verhindert, daß die in den unteren Bereichen der Zelle entstehenden Gasblasen in den oberen Bereichen eine die Elektrolyse behindernde Gasschicht bilden können. Als Folge davon werden die Elektrolyse-Bedingungen innerhalb der Zelle verbessert und dementsprechend wird die benötigte Zellenspannung vermindert. Dies bedeutet, daß beim Betrieb der Zelle mit hoher Stromdichte die Behinderungen, die durch die Gasentwicklung an den Elektroden bislang

entstanden sind, praktisch beseitigt wurden.

Die Erfindung hat aber noch andere Vorteile zur Folge. So wird das Bad innerhalb der Zelle durch den durch den vertikalen Durchlaß 8 aufsteigenden Strom an Gasbtesen sehr wirksam gerührt, wodurch sich keine hochkonzentrierten Produkte wie z.B. kaustisches Natron, lokal an den Oberflächen der Kathoden absetzen kann. Ein Eindringen von Gasblasen in das Diaphragma tritt ebenfalls in geringerem Umfang auf als bisher, was wieder dem Betrieb mit hoher Stromdichte zugute kommt. Als weiterer Vorteil schließlich tritt in Erscheinung, daß die Oberflächen der Anoden und/oder Kathoden durch die Leitplatten in schmale Sektionen unterteilt werden, deren Elektrolyse-Wirkungsgrad sich mit der Tiefe der Zelle nur sehr wenig ändert Dadurch wird es möglich, die Zelle sehr tief auszubilden und damit den Flächenbedarf e<«er Anlage zu vermindern, bzw. bei gleicher Anlagenfläche die Leistung zu erhöhen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Beispiel 1

Es wurde von einer Zelle zur Elektrolyse einer Salzlösung ausgegangen, bei der die Anodenkammern die in F i g. 2 gezeigte Konstruktion hatten. Die Anoden 5 bestanden dabei aus Graphit-Platten von 10 mm Dicke. 600 mm Höhe und 200 mm Breite In den Anodenplatten waren (was nicht weiter dargesiellt ist). Gaslöcher von 10 mm Durchmesser eingebohrt, und zwar in zick-zack-förmiger Anordnung und vom Diaphragma aus zur Zellenmitte hin 45^r aufwärts geneigt. Die Kathoden bestanden aus Weichstahl Netzen und waren mit ihrer Rückseite an Asbest-Diaphrag men befestigt. Der Abstand zwischen zwei Diaphragmen in der Krthodenkammer betrug 40 mm. und auf den beiden Seiten eines jeden Diaphragmas waren die Kathoden und die zugeordneten Anoden 10 mm voneinander entferm. Die in der Anodenkammer einander gegenüberliegenden Anoden hatten wiederum einen Abstand von 40 mm voneinander.

Die soweit beschriebene, also noch nicht mit den Leitplatten versehene Zelle wurde mit einer Stromdichte von 15 A'drn¹ betneben. Dabei stand die mittlere Zeflenspannung auf 3.46 Volt und zwar während einer Penode von 24 bis 48 Stunden nach Beginn der Elektrolyse

Anschließend wurden die einander in der Anoden kammer benachbarten Anoden mit einer Anzahl von

vetsehen. Dw aas ddeherteoi Potyvi nyfciblond. tarnen «ae AafwSro-Neigang *on 60¹' and waren in vertikaler Richtung in einem Abstand von 60 mm voneinander angeordnet. Der in der Kammermitte verbleibende vertikale Durchlaß für die Gasblasen war am Boden der Kammer 5 mm und am oberen Kammerende ! 5 mm breit.

Bei der Durchführung der Elektrolyse in dieser durch die Leitplatten verbesserten Zelle, aber umer sonst gleichen Bedingungen wie vorher, also wiederum mit einer Anoden-Stromdichte von 15 A/dm², zeigte sich eine mittlere Zellenspannung von 3,26 Volt während einer Periode von 24 bis 48 Stunden nach Beginn der Elektrolyse.

Beispiel 2

Es wurde von einer zur Elektrolyse von Wasser bestimmten Zelle gemäß Fig. 3 ausgegangen In dieser Zelle befanden sich zwei Kathoden 11 aus Weichsiahl. die jeweils 2 mm dick, 600 mm hoch und 200 mm breii waren und aufrecht angeordnet waren. In der Nähe der Außenseiten der beiden Kathoden 11 war jeweils ein Diaphragma 12 aus Asbest-Tuch angeordnet. Zwei Anoden 13 aus rostfreiem Stahl und mit den gleicher Abmessungen wie die Kathoden U waren m der Nähe der Außenseiten der beiden Diaphragmen 12 aufgestellt

S₅ Der Abstand zwischen einer Kathode Il und dem benachbarten Diaphragma betrug 8 mm. und dei Abstand zwischen diesem Diaphragma und der dami folgenden Anode betrug 10 mm. Sowohl dte Kathoder 11 als auch die Anoden 13 waren mit einer großer

Anzahl von Bohrungen 14 versehea die jeweils 10 mrr Durchmesser besaßen und m der Formation gleichseitiger Dreiecke mit einem lx>chabstand von I5mrr angeordnet waren.

Die soweit beschriebene, also ebenso wie irr Beispiel ! noch nicht mit den Gasblasen-lxitplatter versehene Zelle wurde mit emer 10 %ige . wäßriger Lösung von kaustischem Natron als Elektrolyt gefül! und mit einer Kathoden-Stromdichte von 20 A dm betneben Die Zellenspannung zeigte sich dabei zi

4© 3.65 Volt bei einer Temperatur von 35^C C

Anschließend wurden die Kathoden 11 und du Anoden 13 der Zelle auf ihren Rückseiten mn (in F ι g. J nicht mehr dargestellten) Gasbtesen-Leitplanen \x-rsc hen. und zwar in einer Rate von einer Platte für icof

_4S Reihe von Bohrungen M Die Platten waren um t>0 aufwärt geneigt, und der sich zwischen inner ausbildende vertikale Durchlaß für die Gasbtesen ws 15 mm breit. Wenn die solcherart verbesserte Zeil* unter den vorangehend erwähnten Bedingungen betne

9> ben wwde. verminderte sieh die ZeftenCTanneng «ι UO VMi bei Γ—

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mehrfach-Elektrolysezelle aus elektrisch parallel geschalteten Zelleneinheiten mit jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Elektrodenkammern (Kathodenkammern und Anodenkammern) und darin angeordneten Elektroden (Kathoden bzw. Anoden), wobei einzelne oder alie Elektroden mit Gas-Leitplatten versehen sind, die von den Elektroden ausgehend schräg nach oben gerichtet sind und in die betreffende Elektrodenkammer hineinweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Leitplatten (7, 7a) aus einem wärmebeständigen Kunstharz bestehen und sich bis in den Bereich der Kammermitten hineinerstrecken, wo sie einen vertikalen Durchlaß (8Jfür die Gasblasen freilassen.

2. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Lettplatten (7, 7a) aus chloriertem Polyvinylchlorid bestehen.

3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des vertikalen Durchlasses (8) im Bereich der Kammermitte vom Boden der Kammern aus nach oben progressiv vergrößert ist

4. Zelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Leitplatten (7, 7a) im unteren Bereich der Kammern einen größeren Abstand voneinander besitzen als im oberen Bereich der Kammern.