DE2419204C3 - 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 Pcrsulfat 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 Mchrfach-Elektrolysezellcn 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 Stromdichte!! zu verwenden. Diese Möglichkeit ist bislang, infolge der geschilderten Nachteile, nicht realisierbar gewesen.

Zwar ist aus den DS-PS 17 71091 und 3ibK4^r>8 bereits bekannt, einzelne oder alle Elektroden mit Gas-Leitplatlen zu versehen, tue von den Elektroden ausgehend schräg nacli oben gerichtet sind und in die zugeordnete Elektrodenkammor hinweisen. Die l.ei;-plalten sind dabei einstückig mil den Elektroden ίο ausgebildet, indem sie aus den Elektroden ausgestanzt und — unter Freilassung von Dtirchiritislöchern in den Elektroden — nach außen gebogen sind. Dies hat zur Folge, daß die l.eilplalten auch an der Stromleitung in der Zelle teilnehmen, also ebenso wie der senkrechte Hauptteil der Elektroden als Hlektrodenteil wirken. Da aber die Leilplalten, 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 kommt noch, daß die bekannten Leitplalten zwangsläufig nur einen bestimmten vertikalen Abstand voneinander und auch nur eine bestimmte Länge haben können. 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 Gasblascnkontrolle 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

im die jeweils gegebenen Ki fordernisse anzupassen, beispielsweise derart, daß die Breite des vertikalen Durchlasses im Bereich tier Kammenniiie vom Hoden der Kammern aus nach oben piogressiv vergrößert ist, um dem erhöhten Anfall von Gasbinsen im oberen Bereich der Klcktriulcnkammcrn Rechnung /u tragen. Weilerhin können auch die Gas-I.eilplaiten im unleren Bereich der Kammern einen größeren Absland voneinander besilzen als im oberen Bereich der Kammern.

Die Cias-I.eitplatten 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 Frfindun;; in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei ■,teilen dar

Fig. 1 perspektivisch und teilweise geschniiien einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäß ausgebildeten Mehrfach-Zelle,

F i g. 2 in vergrößertem Maßslab und stärker detailliert einen Querschnitt einer in der Zelle gemäß Fig. I verwendeten Anodenkammer,und

F i g. 3 schemalisch im Querschnitt eine Mehrfach/eile, mil der Vergleichsversuche durchgeführt wurden.

Die in Fig. I dargestellte Mehrfach-Zelle I kann beispielsweise zur Elektrolyse einer chloridhalügen Salzlösung bestimmt sein. Sie enthält mehrere Anodenkanimern 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 aiii deren beiden Seiten.

Wie sich aus F i g. 2 in größeren Einzelheiten entnehmen laßt, sind in jeder Anodenkammer 2 eine größere Anzahl von Gasblasen-Leitplattcn 7 angeordnet, und zwar übereinander jeweils mit einem Absland in vertikaler Richtung. Diese Lcitplattcn 7 erstrecken sich von den Anodenplatten 5 (die die beiden gegenüberliegenden Seiten der Anodenkammer 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 freiblcibt.

Das während der Elektrolyse an den Anodcnplatten 5 entwickelte Gas, z. B. Chlor, bewegt sich beim Aufsteigen entlang der Leilplatten / 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 Leitplattcn 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 Leitplattcn 7 aus einem chemisch stabilen, wärmebeständigen Kunstharz, wie z. B. chloriertem Polyvinylchlorid. Fs isl aber auch möglich, die Leitplatten 7 aus dem gleichen elektrisch leitenden Material herzustellen, aus dem die Anodenplallen 5 bestehen. Dann nehmen die l.eilplallen 7 teilweise an

S der Finleilung des Klekirolysestroins in die Kammer teil.

Die F'i g. I läßt erkennen, dali auch in der

Kathodenkammer eine Mehrzahl von Gasblasen-Leiiplanen 71\ vorgesehen sein können, und /war in der gleichen Anordnung wie in tier Anodenkammer 2. In der

ίο Kalhodenkammer erleichtern die l.eitplatien 7u das Ablösen der Wasserstoff-Bläschen von den Oberflächen der Drahtnetz Kathoden 6 unmittelbar nach Bildung dieser Bläschen.

Generell wird bevorzugt, die Gasblnsen-Leitplatten 7 und 7;i sowohl in den Anodenkammern 1 als auch in den Kathodenkammern .3 anzuordnen. Fs ist jedoch auch möglich, die Leitplallen nur entweder in den Anotlenkammern oder den Kathodenkammern vorzusehen. Das kann in Frage kommen, wenn die in den Anodenkammern 2 oder den Kaihodenkammern J entwickelten Gase extrem korrosiv sind, oder wenn ein gegen die Gas-Korrosion widerstandsfähiges Material sehr teuer ist, oder wenn die Anoden 5 bzw. die Kaihoden (S so konstruiert sind, daß sich die Gasblasen sehr leicht von ihnen lösen können, oder schließlich wenn in den Anodenkammern oder den Kalhodenkammern keine Gasblasen in nennenswertem Umfang auftreten.

Die Anzahl, der Abstand und die Breite der Gasblasen-Leitplatten 7 und 711 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 isl nicht unbedingt notwendig, die Gasblasen-Leitplattcn 7 und 7u in vertikaler Richtung mit einem gleichen Abstand voneinander zu versehen. In manchen Fällen hai es sich vielmehr als wirksamer erwiesen, die Leitplatten im unteren Bereich der Elektroden in einem größeren Abstand voneinander anzuordnen und den Leilplatten im oberen Bereich der Elektroden einen geringeren Absland 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 Lcitplatten 7 und 7,7 erreicht werden kann. Im übrigen brauchen die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7n 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 sich durch die Gasblasen-Leitplatten 7 und 7;j ergibt, wurde bereits erwähnt: Durch die Leitplatten ergibt sich ein schnelleres Ablösen der Gasbläschen von den Oberflächen der Elektroden, und außerdem 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 Gasblasen 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 einer Anlage zu vermindern, bzw. bei gleicher Anlagcnfläche die Leistung zu erhöhen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispicle der Erfindung erläutert.

Beispiel I

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 dargestellt ist), Gaslöcher von 10 mm Durchmesser eingebohrt, und zwar in zick-zack-förmigcr Anordnung und vom Diaphragma aus zur Zcllenmitte hin 45° aufwärts geneigt. Die Kathoden bestanden aus Weichstahl-Nctzcn und waren mit ihrer Rückseite an Asbest-Diaphragmen befestigt. Der Abstand zwischen zwei Diaphragmen in der Kathodenkammer betrug 40 mm, und auf den beiden Seiten eines jeden Diapgragmas waren die Kathoden und die zugeordneten Anoden 10 mm voneinander entfernt. Die in der Anodcnkammer einander gegenüberliegenden Anoden hatten wiederum einen Abstand von 40 mm voneinander.

Die soweit beschriebene, also noch nicht mix den Lcitplatten versehene Zelle wurde mit einer Stromdichte von 15 A/dm² betrieben. Dabei stand die mittlere Zcllenspannung auf 3,46 Voll, und zwar während einer Periode von 24 bis 48 Stunden nach Beginn der Elektrolyse.

Anschließend wurden die einander in der Anoclenkammcr benachbarten Anoden mit einer Anzahl von 2 mm dicken Gasblasen-Leitplatten versehen. Die Leitplatten bestanden dabei aus chloriertem Polyvinylchlorid, hatten eine Aufwarts-Ncigung von W)" und

waren in vertikaler Pachtung 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 15 mm breit.

Bei der Durchführung der Elektrolyse in dieser durch die Lcitplattcn verbesserten Zelle, aber unter 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 F i g. 3 ausgegangen. In dieser Zelle befanden sich zwei Kathoden 11 aus Weichstahl, die jeweils 2 mm dick, 600 mm hoch und 200 mm breit 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 gleichen Abmessungen wie die Kathoden 11 waren in der Nähe der Außenseiten der beiden Diaphragmen 12 aufgestellt.

Der Abstand zwischen einer Kathode 11 und dem benachbarten Diaphragma betrug 8 mm, und der Abstand zwischen diesem Diaphragma und der dann folgenden Anode betrug 10 mm. Sowohl die Kathoden 11 als auch die Anoden 13 waren mit einer großen Anzahl von Bohrungen 14 versehen, die jeweils 10 mm Durchmesser besaßen und in der Formation gleichseitiger Dreiecke mit einem Lochabstand von 15 mm angeordnet waren.

Die soweit beschriebene, also ebenso wie im Beispiel 1 noch nicht mit den Gasblasen-Leitplattcr versehene Zelle wurde mit einer 10%igcn wäßriger Lösung von kaustischem Natron als Elektrolyt gefülli und mit einer Kathoden-Stromdichte von 20 A/dm^: betrieben. Die Zcllenspannung zeigte sich dabei zi 3,65 Volt bei einer Temperatur von 35° C.

Anschließend wurden die Kathoden 11 und die Anoden 13 der Zelle auf ihren Rückseiten mit (in F i g. 1 nicht mehr dargestellten) Gasblasen-Leitplatten verse hen, und zwar in einer Rate von einer Platte für jcdi

Reihe von Bohrungen 14. Die Platten waren um 60' aufwärts geneigt, und der sich zwischen inner ausbildende vertikale Durchlaß für die Gasblasen wa: 15 mm breit. Wenn die solcherart verbesserte Zeil« unter den vorangehend erwähnten Bedingungen betrie

ben wurde, verminderte sich die Zellenspaniiung au 3.50 Voll bei 35°C.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Pn (cn tanspriichu:

   I. Mehrfach-Elektrolysezelle mis elektrisch parallel geschalteten Zelleneinheiten mil jeweils durch ein vertikales Diaphragma gegeneinander abgeteilten Elektrodenkammern (Kaihodenkammern und Anodenkammern) und darin ungeordneten Elektroden (Kathoden bzw. Anoden), wobei einzelne oder alle 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-Leitplatlen (7, 7,i) aus einem wärmebeständigen Kunstharz bestehen und sich bis in den Bereich der Kammermitten hineinerstrecken, wo sie einen vertikalen Durchlaß (8) für die Gasblasen freilassen.
2. 2. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Leitplatten (7, 7,/) aus chloriertem Polyvinylchlorid bestehen.
3. 3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, d;iß die Breite des vertikalen Durchlasses (8) im Bereich der Kammermilte vom Boden der Kammern aus nach oben progressiv vergrößert ist.
4. 4. Zelle nach Anspruch I, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Leitplaiten (7, 7;/) im unteren Bereich der Kammern einen größeren Abstand voneinander besitzen als im oberen Bereich der Kammern.