DE2429035A1 - Elektrochemische zelle mit rotierenden elektroden - Google Patents

Elektrochemische zelle mit rotierenden elektroden

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DE2429035A1
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Fritz Dipl Chem Dr Beck
Diethard Dipl Ing Francke
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BASF SE
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    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/034Rotary electrodes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/30Cells comprising movable electrodes, e.g. rotary electrodes; Assemblies of constructional parts thereof

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Description

  • Elektrochemische Zelle mit rotierenden Elektroden Die Erfindung betrifft eine neuartige elektrochemische Zelle, insbesondere fUr die »urchfhrung von elektrochemischen Reaktionen organischer Stoffe0 Es ist bekannt, daß durch eine geeignete Konstruktion die Wirksamkeit elektrochemischer Zellen verbessert und a,B, eine Verringerung des spezifischen Energiebedarfs und eine Verbesserung der Selektivität und der Raumzeitausbeute von Elektrodenprozessen erreicht werden kann.
  • Die sogenannte Kapillarspaltzelle ist ein Beispiel für eine Konstruktion, die den Erfordernissen der organischen Elektrosynthese besonders entgegenkommt0 Eine hängende Enorm dieser Zelle ist in der deutschen Offenlegungsschrift 1 804 809 beschrieben worden, während eine Plattenstapeltrelle, die von einer Basisplatte aus von unten nach oben aufgebaut ist, Gegenstand einer nicht vorveröffentlichten älteren Anmeldung ist.
  • Der grundsätzliche Vorteil solcher Kapillarspaltzellen besteht in der starken Rerabsetsung des spezifischen Zellwiderstandes (bei gegebener Elektrolytleitfähigkeit) und in der Möglichkeit, auf eine gegenseitige Isolierung der einzelnen Elektrolyträume zwischen den Elektroden &u verzichten. Durch die so erzielte kompakte Anordnung der Elektroden wird es möglich, diese bipolar, doho auf den sich gegenüberliegenden, im allgemeinen parallelen Flächen als Anode und Kathode aufzubauen.
  • Die bekannten Konstruktionen dieser - an sich sehr vorteilhaften - sogenannten Kapillarspaltzellen haben aber gewisse Nachteile, besonders was die Ausbildung bestimmter Strömungaprofile und damit die örtliche Strombelastung der Elektrodenoberfläche angeht, Die Folge ist gelegentlich unvorhersehbare örtliche Elektrodenkorrosion0 Aufgabe der Erfindung ist, eine neue Zellkonstruktion anzugeben, die diese Nachteile vermeidet, Es wurde nun eine neuartige elektrochemische Zelle gefunden, die flüssigkeitsundurchlässige, vorzugsweise bipolar aufgebaute Elektrodenplatten von zentralsymmetrischer, insbesondere greisflächenform, die zu mehreren ber- oder nebeneinander zu einem achsialsymmetrischen bzwQ zylindrischen Stapel zusammengefaßt sind, besitzt, wobei sich jeweils zwischen zwei Platten ein - gegebenenfalls von isolierenden Abstandshaltern gebildeter - Elektrolytraum befindet und der Abstand der Platten voneinander jeweils weniger als 10 mm beträgt0 Bei dieser Zelle besitzt erfindungsgemäß der achsialsymmetrische bzwO zylindrische Stapel eine achsial angeordnete hohle Welle, deren Hohlraum mit den Elektrolyträumen zwischen den Platten in Verbindung steht und die Platten sind wenigstens teilweise auf der Achse derart befestigt, daß sie bei Rotation der Welle mit der Welle um ihre Achse rotieren, Rotationszellen sind an und für sich nicht neu in der Elektrochemie. Udupa (Indian Rohem0 39, 238 (1963), verglO Electrochem.
  • echnO 2, 151 (1964)) hat mehrere Modelle mit vertikaler Achse vorgeschlagen, wobei die Mantelfläche eines Zylinders oder eine Reihe von parallel auf einer gemeinsamen Achse angeordneten Scheiben als Elektrode dienen, Diese Elektroden wurden in Trogzellen für elektroorganische Synthesen eingesetzt0 Honsberg (verglO Ullmanns EcyklO techno Chemie, 30 Auf,, Bd. 5, S. 359/ 61, München 1954) hat große Eisenscheiben, die teilweise in Quecksilber tauchten, um eine horizontale Achse rotieren lassen.
  • In diesen Zellen wurde die Chloralkalielektrolyse durchgeführt0 Alle bekannten Konstruktionen haben gemeinsam Monopolare Schaltung, ruhende Gegenelektrode, Massivachse, Die Rotationszelle der Erfindung unterscheidet sich von diesen Konstruktionen grundsätzlich durch die - normalerweise - Bipolarschaltung der Elektroden, durch die wenigstens teilweise Rotation beider Elektroden, durch die Flüssigkeitsströmung von innen nach außen und - im Ergebnis - durch die wesentlich höheren spezifischen MengenleistungenO Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wirkt die Zelle selbst als Pumpe, welche den Elektrolyten vom Innern des Stapels durch die Elektrodenzwischenräume nach außen fördert, Auf diese Weise kann eine separate Vorrichtung zur Bewegung des Elektrolyten eingespart werden0 Darüber hinaus stellen sich in der erfindungsgemäßen Zelle charakteristische Strömungsprofile ein, die mit einem ruhenden Plattenstapel nicht erreicht werden können, und die sich günstig auf Zellspannung, Selektivität und Raumzeitausbeute der Zelle auswirken.
  • Wie in der Regel auch bei stationären Zellen ist der Plattenstapel rotationssymmetrisch bzw. zentralsymmetrisch aufgebaut; die Form der Elektroden ist also im allgemeinen die kreisrunder, allenfalls vieleckiger bis sternförmiger Elektrodenplatten (Ronden). Die Elektrodenplatten besitzen eine zentrale Bohrund, Bis auf die den Stapel begrenzenden Endelektroden wirken die Ronden als BipolarelektrodenO Der Abstand zwischen den Elektroden wird im allgemeinen durch isolierende Abstandshalter eingestellt und aufrecht erhalten, die weiter unten detailliert beschrieben sind und beträgt zOBÕ 0,01 bis 10 mm. Diese Grenzwerte haben mit der Erfindung an sich nichts zu tun, sondern schließen lediglich die erfahrungsgemäß günstigsten Abstände ein, Eine natürliche Begrenzung der Abstände nach unten ist durch die Verweilzeit im Kapillarspalt gegeben und durch die technisch noch zu realisierende Planarität der Platten0 Die obere Grenze wird durch den mit zunehmendem Abstand abnehmenden Wirkungsgrad und den sich einstellenden Volumenfluß gegeben.
  • Bei kleinen Abständen ist die Flüssigkeitsströmung eindeutig von innen nach außen gerichtet; im allgemeinen strebt man Zelleu mit möglichst kleinem Elektrodenabstand an, Die Flüssigkeitsströmung in den Spalten des rotierenden Plattenstapels kommt durch Impulsübertragung über die Elektrodenflächen und gegebenenfalls auch über die Abstandshalter zustandeO Die Zelle kann getaucht, im Falle von Kapillarspalten aber auch nicht getaucht betrieben werden, weil die Kapillarspalte immer elektrolytgefüllt bleibt, Bei großen Elektroden wird die Zelle vorzugsweise getaucht betrieben, In Sonderfällen kann hier die Flüssigkeitsströmung an den Phasengrenzen nach außen und im Innern des Elektrodenspaltes nach innen gerichtet sein.
  • Die Drehzahl des Plattenstapels kann in weiten Grenzen variieren und richtet sich vor allem nach der Größe der Elektroden, Die Reynoldszahl bei einer rotierenden Scheibe ist nach Re = r2 ( = Winkelgeschwindigkeit,= = kinematische Viskosität) proportional zum Quadrat des Radius r0 Die Umfangsgeschwindigkeit (= Geschwindigkeit an der Peripherie der Scheibe) Vu kann in den Grenzen zwischen 0,1 und 1000 cm/sec variieren. Dies bedeutet bei einem Scheibenradius von 10 cm ein Drehzahlbereich von 0,1 bis 1000 Upm; bei einem Scheibenradius von 50 cm ist der Bereich entsprechend 0,02 bis 200 Upm, wobei sich jedoch bei den großen Drehzahlen schon sehr hohe Reynoldszahlen (bis 5.106) ergeben.
  • In Figo 1 ist eine mögliche Ausführungsform der rotierenden Kapillarspaltzelle schematisch wiedergegeben. Anhand dieser Zeichnung sollen Einzelheiten des mechanischen Antriebs, der Stromzuleitung und der Elektrolytführung besprochen werden.
  • Die Plattenstapelzelle besteht aus den beiden Endplatten (1) und (2) und den bipolaren Elektrodenplatten (3), zwischen denen die Elektrolytspalte (4) mit Hilfe von Abstandshaltern (s.uO) aufrechterhalten wird. Das ganze Elektrodenpaket wird mit Hilfe von außenliegenden isolierten Bolzen (5) zusammengehalten; Die Stromzuführung zu den Endelektroden erfolgt mit Hilfe der Leiter (6 a) und (6 b), die ihrerseits in den Schleifringen (7 a) und (7 b) enden, über die der Strom wie bei Elektromotoren mittels Bürsten zugeführt wird. Der Plattenstapel - jeweils isoliert - ist auf einer Hohlachae montiert mit einem beweglichen Teil (8 a) und einem feststehenden Teil (8 b).
  • Über diese Hohlachse wird der Elektrolyt angesaugt und in das Innere der Plattenstapelzelle geleitet. Der rotierende Teil ist mit Hilfe der Kugellager (9) gelagert; er wird huber die Keilriemenscheibe (oder Zahnrad) (10) angetrieben und ist gegen den feststehenden Teil mit einer Gleitringdichtung (11) abgedichtet. Der rotierende Plattenstapel ist im Innern eines Zellengehäuses (12) untergebracht0 Der Elektrolyt tritt bei (13) in die Hohlachse ein, strömt an ihrem oberen Ende in das Innere des Plattenstapels und durchströmt die Elektrolytspalten nach außen, wobei die Strömung durch die Rotation der Zelle bewirkt wird und verläßt bei (14) das ZellengehCuseO Gebildete Gase können über eine Öffnung im Zellendeckel (15) abgeführt werden0 Die Abstandshalter für die Elektroden sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur 1 weggelassen0 Sie bestehen naturgemäß aus isolierendem Material oder sind wenigstens von einer Isolierschicht überzogen; ihre wichtigsten Formen (16) sind in den Figuren 2 bis 5 in der Draufsicht dargestellt0 ZoBo können die Abstandshalter einfach radial ausgerichtete Streifen darstellen (Fig, 2)o Die Streifen können auch in einem Winkel zum Radius in und gegen die Rotationsrichtung angeordnet werden (Fig. 3)0 Da die Strömungslinien des Elektrolyten jedoch gekrümmt sind, besteht eine spezielle Ausführungsform der Abstandshalter in entsprechend gekrümmten Streifen (Fig. 4)o Die optimale Anpassung setzt jedoch hier eine bestimmte Drehzahl voraus, Grundsätzlich kann man die Distanzhaltung auch punktuell ausführen (Fig0 5). Bei den in Fig. 4 und 5 dargestellten Fällen wird die Flüssigkeit hauptsächlich durch Wechaelwirkung mit den Elektrodenflächen bewegt0 Außer der in Figo 1 gezeigten Anordnung sind selbstverständlich andere Anordnungen im Rahmen der Erfindung möglich, zoBo eine hängende, bei der Strom und Elektrolytzuführung von oben erfolgt, Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, daß nur ein Teil der Bipolarelektroden auf der Rotationsachse befestigt, während der Rest stationär angeordnet ist0 Besonders zwei Fälle sind hier technisch interessant: a) die Elektroden sind abwechselnd fest und rotierend angeordnet; b) die beiden Endelektroden sind fest, alle dazwischenliegenden Elektroden rotieren auf einer gemeinsamen Hohlachse, Auf diese Weise vereinfacht sich die Stromzuführung erheblich.
  • Im folgenden wird ein Anwendungsbeispiel aus der organischen Elektrochemie gegeben; die Zelle ist in ihrer Einsatzmöglichkeit natürlich nicht auf dieses Gebiet beschränkt. Beispielsweise kann man mit Hilfe der Zelle die elektrochemische Epoxidierung von Olefinen, die Herstellung hochgliedriger Ringe und langkettiger bifunktioneller Verbindungen (elektrochemische Dimerisierung) bewirkt werden. Auch anorganische Prozesse, z.B.
  • die Herstellung verdünnter Hypohalogenitlösungen, gelingen mit Vorteils Beispiel Eine Kapillarspaltzelle mit rotierenden Elektroden nach dem in Figo 1 dargestellten Prinzip wird verwendet. Der Elektrodenstapel besteht aus drei kreisrunden Scheiben aus Graphit von 117 mm Durchmesser und 10 mm Dicke. Die mittlere Elektrode wirkt als Bipolarelektrode; über die beiden Endelektroden wird der Strom zugeführt. Die beiden unteren Elektroden haben eine zentrale Bohrung von 30 mm für die Elektrolytzufuhr. Die Pläche der beiden Elektrodenpaare beträgt also je 1 dm2 Als Anode fungiert eine mit Hilfe einesgraphitgefüllten Schmelzklebers aufgeklebte 40 /u-Platinfolie, während auf der Kathodenseite entsprechend ein 1 mm starkes Edelstahlblech aufgeklebt ist0 Als Abstandshalter dienen je drei radial angeordnete Streifen aus 0,5 mm dicker Polypropylenfolie. Die Anordnung rotiert mit einer Drehzahl von 200 Upm0 Der Elektrolyt strömt über einen Wärmetauscher im Kreislauf.
  • Die für das Zellengehäuse und die sonstigen Bauteile verwendeten Werkstoffe sind vorzugsweise Glas und Polypropylen.
  • Zu Beginn der Elektrolyse wird das System gefüllt mit 1 kg einer 40 %igen methanolischen Lösung von Adipinsäuremonomethylester, der zu 5 Mol% mit Natriummethylat neutralisiert ist.
  • Die Stromdichte beträgt 25 A/dm2, so daß ein Strom von 50 A wirksam wird0 Die Temperatur wird auf 420C gehalten. Pro Zelle mißt man zu Beginn der Elektrolyse eine Spannung von 14,5 Volt, die gegen Ende auf 10,6 Volt abfällt, Nach 84 Ah, entsprechend einem 132 %igen theoretischen Stromumsatz des Halbesters, wird die Elektrolyse abgebrochen0 Die Aufarbeitung des klaren, farblosen Zellenaustrags erfolgt wie in der DI-OS 2 014 985, Beispiel 1, beschrieben, auf die hierin verwiesen wird0 Man erhält Sebacinsäuredimethylester entsprechend einer Materialausbeute von 86 % und einer Stromausbeute von 65 %0 Diese Werte sowie die Spannung sind also bei vergleichbaren Bedingungen (val.
  • D2-OS 2 014 985 Beispiel 1) günstiger als bei der stationären EapillarspaltzelleO

Claims (4)

  1. Patentansprtche Elektrochemische Zelle mit flüssigkeitsundurchlässigen, vorzugsweise bipolar aufgebauten Elektrodenplatten von zentralsymmetrischer, vorzugsweise greisflächenform, die zu mehreren über- oder nebeneinander zu einem achsialsymmetrischen bzwO zylindrischen Stapel zusammengefaßt sind, wobei sich jeweils zwischen zwei Platten ein - ggf.
    von isolierenden Abstandshaltern gebildeter - Elektrolytraum befindet und der Abstand der Platten voneinander jeweils weniger als 10 mm beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der achsialsymmetrische bzwo zylindrische Stapel eine achsial angeordnete hohle Welle besitzt, deren Hohlraum mit den Elektrolyträumen zwischen den Platten in Verbindung steht und die Platten wenigstens teilweise auf der Achse derart befestigt sind, daß sie bei Rotation der Welle mit der Welle um ihre Achse rotieren.
  2. 2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatten sämtlich rotieren.
  3. 3o Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatten alle bis auf die Eußersten-Platten des Stapels rotieren.
  4. 4. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatten abwechselnd rotieren und feststehen.
    Zeichn. L e e r s e i t e
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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