DE2434921C3 - Elektrolysezelle und Verfahren zur Elektrolyse ionisierbarer chemischer Verbindungen - Google Patents
Elektrolysezelle und Verfahren zur Elektrolyse ionisierbarer chemischer VerbindungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit einer
eine Anode enthaltenden Anodenkammer, einer eine Kathode enthaltenden Kathodcnkämmer und einer
perffisetektiven, praktisch flüssigkeits- Und gäSüii-
durchlässigen Trennwand zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer, die aus einem
hydrolysierten Copolymerisat eines perfluorierten Kohlenwasserstoffs und eines sulfonierten Perfluorvinyläthers
oder aus einem mit Styrol umgesetzten und sulfonierten, perfluorierten Äthylen-Propylen-Polymerisat
besteht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Elektrolyse ionisierbarer cherrrscher Verbindungen
in wäßriger Lösung, insbesondere von Alkalimetallhalogenid-Lösungen, unter Verwendung
dieser Elektrolysezelle.
Zahlreiche Handelschemikalien werden auf elektroiytischem
Wege hergestellt. So werden z. B. Chlor und Natronlauge im industriellem Maßstab durch
Elektrolyse von Natriumchloridlösung hergestellt. Üblicherweise erfolgt hierbei die Elektrolyse in einer
Zelle, die aus einer Anodenkammer und einer Kathodenkammer besteht, wobei beide Kammern durch ein
flüssigkeitsdurchlässiges Diaphragma, z. B. ein Asbestdiaphragma, voneinander getrennt sind. Die auf
dic:>c Weise hergestellte Natronlauge ist jedoch recht
verdünnt und wegen der Durchlässigkeit des verwendeten Diaphragmas mit verschiedenen Stoffen, z. B.
Natriumchlorid, Natriumchlorat und Eisen, verunreinigt. Um ein brauchbares Produkt zu erhalten, muß
die Natronlauge daher noch eingedampft und gereinigt werden.
In den verwendeten Elektrolysezellen kommt es darüber hinaus zu einer beträchtlichen Rückwanderung
der Hydroxylionen von der Kathodenkammer in die Anodenkammer, so daß Hypochlorite entstehen,
die ihrerseits zu Chloraten oxidiert werden. Hierdurch wird nicht nur die Chlorausbeute vermindert,
sondern auch die Natronlauge weiter verunreinigt. Außerdem sind, je nach der Herkunft des eingesetzten
Natriumchlorids Reinigungssysteme erforderlich, die bestimmte Ionen, z. B. Calciumionen. aus dem Elektrolyten
entfernen, da diese die flüssigkeitsdurchlässigen Diaphragmen verstopfen.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wurde bereits vorgeschlagen, beim Betrieb derartiger Diaphragmazellen
die flüssigkeitsdurchlässigen Asbestdiaphragmen durch lonenaustauschermembranen mit
selektiver Permeabilität zu ersetzen. Bei Verwendung derartiger Mi nbranen könnte es theoretisch gelingen,
nur Natriumionen von der Anodenkammer in die Kathodenkammer übertreten zu lassen, eine Verunreinigung
der Natronlauge in der Kathodenkammer zu vermeiden und die Rückwanderung der Hydroxylionen
in die Anodenkammer zu verhindern. Verschiedene Kunstharze wurden bereit für diese Zweck vorgeschlagen.
/. B. Kationenaustauscherharze vom Amberlite-Typ und sulfonierte Copolymerisate von
Styrol und Divinylbenzol. Beim Einsatz dieser Ionenaustauschermemhranen
mit selektiver Permeabilität zeigt sich jedoch, daß sie gegenüber den stark basischen
und'oder sauren Lösungen in den Zellen bei Betriebstemperaturen oberhalb 75 C nicht stabil
waren und daher nur relativ kurze Lebensdauer besaßen. Darüber hinaus stellte sich heraus, daß mit /urtchmender
NäOH-Konzentration im Katholyten,
ζ« B, oberhalb etwa 200 g/Liter, die joiicnselektivität
und die chemische. Verträglichkeit der Membran abnehmen, der Spannungsabfall durch die Membran
außerordentlich zunimmt und die Laugenausbeute des Elektrolyscverfahrens absinkt. In vielen Fällen sind
die verwendeten Kunstharze auch relativ kostspielig, w daß die Herstellungskosten def Membran recht
hoch liegen.
Aus der BE-PS 793 078 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Elektrolyse von wäßrigen Lösungen
ionisierbarer chemischer Verbindungen, insbesondere Natriumchloridlösungen bekannt. Die dort beschriebenen
Elektrolysezellen weisen eine Kathodenkammer
und eine Anodenkammer auf, die durch eine Membran mit selektiver Permeabilität gegenüber
Kationen voneinander getrennt sind. Die Membran besteht aus einem hydrolysierten Copolymerisat aus
Tetrafluoräthylen und einem fluorsulfonierten Perfluorvinyläther
mi: einem Äquivalentgewicht von etwa 900 bis 1600.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle sowie ein Elektrolyseverfahren
für wäßrige Lösungen ionisierbarer, chemischer Verbindungen, wie Alkaiimetallhalogenid-Lösungen,
zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch gelöst, daß zwischen der Anodenkammer
und der Kathodenkammer mindestens eine Puiferkammer angeurdnel ist, wubci einige oder
sämtliche Kammern durch die peimselckti\e Trennwand
voneinander getrennt sind.
Aus den US-PSen 3057794 und 3438879 ist es zwar bekannt, in Elektrolysezellen Pufferkammern
vorzusehen, doch ist in beiden Fällen zwischen der Anodenkammer einerseits und der Pufferkammer andererseits
eine poröse Trennwand angeordnet, durch die Elektrolyseflüssigkeit hindurchtreten kann. Demgegenüber
ist erfindungsgemäß eine nicht poröse, permselektive, praktisch flüssigkeits- und gasundurchlässige
Trennwand aus bestimmten Polymeren zwischen mindestens zwei Kammern der Elektrolysezelle
vorgesehen, so daß beispielsweise neben konzentrierter Natronlauge auch verdünnte Natronlauge
hergestellt werden kann. Durch Verwendung mehrerer Pufferkammern anstelle nur einer Pufferkammer
können so abgestuft verschieden konzentrierte Laugen erhalten werden. Darüber hinaus kann durch Regelung
^er aus der (den) Pufferkammer(n) und der
Kathodenkammer abgezogenen Laugenmenge je nach Bedarf die gewünschte Konzentration eingestellt
werden. Ferner weist die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ionenselektive Membranen auf.
Bei Verwendung derartiger Elektrolysezellen erhält man mit maximaler Stromaiisbeute hochkonzentrierte
Aikalilaugen von außerordentlich niedrigem Verunreinigungsgrad.
Die Trennwand kann z. B. aus einer Membran mit selektiver Permeabilität aus einem hydrolyisierteii
Copolymerisat von Tetrafluoräthylen und einem fliiprsu!ii>nii_ilcii Perfiunrvinyläther der Formel
FSO2CT2CF2OCF(CF,)CFjOCF = CF2
mit einem Äquivalentgewicht von etwa 900 bis 1600 bestellen. Die Membran ist i. Ii. auf ein Trägernetz aus Polytetrafluorethylen- oder Asbestfasern aufgebrnrht. Das Copolymerisat kann gegebenenfalls durch Oberflächenbehandlung, Umsetzen der Sulfongruppe oder auf andere Weise modifiziert und aktiviert werden.
mit einem Äquivalentgewicht von etwa 900 bis 1600 bestellen. Die Membran ist i. Ii. auf ein Trägernetz aus Polytetrafluorethylen- oder Asbestfasern aufgebrnrht. Das Copolymerisat kann gegebenenfalls durch Oberflächenbehandlung, Umsetzen der Sulfongruppe oder auf andere Weise modifiziert und aktiviert werden.
Der Zellkultur oder Behälter der erfindungsgemäßen
Elektrolysezelle ist aus Materialien gefertigt, die entweder als solche oder versehen mit einem geeigneten
Überzug elektrisch nicht leitend sind, den Betriebstemperaturen der Zelle standhalten und gegenüber
den in der Zelle verarbeiteten Verbindungen, wie Chlor* Natronlauge oder Salzsäure, widerstandsfähig
sind. Geeignete Materialien sind z. B. verschiedene Polymerstoffe, wie Hochtemperutur-Polyvinylchlorid,
Hartgummi oder Polyesterharze auf Base von HET-Säure. Ferner eignen sich z. B. Beton und Zement,
jedoch müssen in diesem Fall die Innenflächen s mit einem Überzug versehen werden, der gegenüber
Salzsäure, Chlor, Natronlauge oder ähnlichen SuN stanzen, mit denen die Oberfläche in Berührung
kommt, beständig ist. Der Zellkörper kann auch aus einem Metall, wie Stahl oder Titan, gefertigt sein, wo-
bei man die dem Angriff ausgesetzten Oberflächen mii einem Korrasionsschutzüberzug versieht und gegebenenfalls
elektrisch isoliert.
Die Elektroden der erfindungsgemäßen Elektrolysezellen können aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen
Material bestehen, das gegenüber den verschiedenen, in der Zelle vorhandenen Reaktanten und
Produkten, wie Chlor, Salzsäure und Alkalilauge, korrosionsbeständig ist. Geeignete Kathodenmaterialien
sind/. B. Graphit. Eisen und Stahl, tu>hei Stahl
im allgemeinen bevorzugt ist '.nc Anoden können
eb>.riiäi!->
aus Graphit odci einem Mciaii nesichen.
Unter den Metallanoden eignen sich besonders solche,
die aus einem »Ventilmetall« wie Titan. Tantal oder Niob bzw. Legierungen dieser Metalle mit einem
r> Vertümetall-Gehalt von mindestens etwa 90 Prozent
bestehen. Die Oberfläche des Ventilmirtalls kann
durch Beschichten mit einem oder mehreren Edelmetallen. Edelmetalloxiden oder Gemischen derartiger
Oxide untereinander oder mit anJeren Metalloxiden jo aktiviert werden. Geeignete Edelmetalle sind / B.
Ruthenium, Rhodium. Palladium. Iridium und Platin. Besonders bevorzugt sind Meallanoden aus Titan, die
einen Überzug aus Titanoxid'Rutheniumoxid aufweisen;
vgl. US-PS 3 632 498. Das Ventilmetall kann auch auf einen elektrisch besser leitenden Metallkern, wie
Aluminium. Stahl oder Kupfer, aufgenracht werden. Der Zellkörper wird zu mindestens einer Kammereinheit
geformt, die aus einer Anodenkamner. einer Kathodenkammer und mindestens einer Pufferkam-
4n mer zwischen der Anoden- und der Kathodenkammer
besteht. Üblicherweise ist die Elektrolysezelle aus mehreren dieser Kammereinheiten zusammengesetzt.
z. B. 20 bis 30 Einheiten, je nach der Zellengröße.
Die Kammern sind durch eine Trennwand oder Membran voneinander getrennt, die praktisch flüssigkeits-
und gasundurchlässig ist und im wesentlichen z. B. aus einem hydrolisierten Copolymerisat eines
perfluorierten Kohlenwasserstoffs und eines fluorsulfonierten Perfluorvinyläthers besteht. Als perfluorierter
Kohlenwasserstoff ist Tetrafluoräthylen bevorzugt, jedoch können auch andere perfluorierte, gesättigte
oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit 2 bis S Kohlenstoffatomen verwendet werden, unter denen
die monoolefinischen Kohlenwasserstoffe bevorzugt sind, insbesondere jene mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen,
vorzugsweise 2oder 3 Kohlenstoffatomen.wie Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen. Als sulfonierter
Perfluorvinyläther ist Perfluor-|2-(2-fluorsulfcnyläthoxy)-j.rt)pyl]-vinyläther:
FSO2CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF = Cf, bevorzugt.
Dieser bevorzugte Äther kann zu äquivalenten Monomeren modifiziert werden, indem man z. B. die
Perfluorsulfonylätheroxygruppe durch die entsprechende Propoxygruppe bzw. die Propylgruppe durch
die Äthyl- oder ßütylgruppe ersetzt, die Stellung des
Sulfonylsubstituenten verändert oder Isomere der perfluorierten niederen Alkylgruppen verwendet.
Die eingesetzten Copolymerisate besitzen zwar
Die eingesetzten Copolymerisate besitzen zwar
Äquivalentgewichte Vofi 900 bis 1600, iiisbcsöncterc
i 100 bis 1400, jedoch eignen sich auch Membranen mit einem Äquivalentgewicht von 500 bis 4000. Polymerisate
mit mittleren Äquivalentgewichten sind bevorzugt, da sie zufriedenstellende Festigkeit und Stabilität
besitzen, einen selektiveren Ionenaustausch
ermöglichen und geringeren tnnenwidcrstahcl besitzen.
Neben den genannten Copolymerisaten hat sich noch ein weiteres Membranmaterial als den bekannten
Membranen überlegen erwiesen. Obwohl offenbar Tctrafluoräthylcn-Polymcrisale.dic mit Slyrol umgesetzt
und dann sulfoniert worden sind, keine brauchbaren kationenaktiven Membranen mit selektiver
Permeabilität ergeben, hat sich gezeigt, daß perflunfierte
Äthylen-Propylcn-Polymerisate (FEP). die mit Styrol umgesetzt und dann sulfoniert worden sind.
niicn*>7;ifr!inf>tp \/I *»mHrii nt* η für Hue ArfinfliinDctip-"««e~~
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mäßc Elcktrolyseverfahrcn ergeben. Obwohl ihre Lebensdauer
nicht die der bevorzugten Copolymerisate erreicht (3 Jahre und mehr), zeigen sie z. B. überraschend
geringe Härtungsneigung.
Die Membranen werden vorzugsweise in Form dünner Folien entweder als solche oder aufgebracht
auf einen inerten Trager bzw. ein Substrat, z. B. ein
Gewebe aus Polytetrafluorethylen oder Glasfasern, eingesetzt. Die Dicke derartiger Trägermembranen
kann beliebig gewählt werden, beträgt jedoch üblicherweise etwa 0.0762 bis 0.381 mm. Die Membranen
können je nach der Gestalt der verwendeten Zelle beliebig geformt werden.
Die Anodenkammer jeder Kammereinheit wird mit einem F.inlaß für den Elektrolyten, z. B. eine wäßrige
Alkalimetallhalogenidlösung. und einem Auslaß für
die gasförmigen Reaktionsprodukte, z. B. Chlor, versehen.
Die Kathodenkammer jeder Kammereinheit wird mit einem Auslaß für die flüssigen Reaktionsprodukte,
z. B. die Alkalilauge, und einem Auslaß für die gasförmigen Nebenprodukte, wie Wasserstoff,
versehen. Gegebenenfalls kann in der Kathodenkammer, auch ein Einlaß für einen Elektrolyten, z. B.
Wasser oder verdünnte Alkalilauge, vorgesehen werden. Jede der Pufferkammern weist einen Einlaß für
den Elektrolyten, z. B. Wasser, und gegebenenfalls einen Auslaß für flüssige Reaktionsprodukte, z. B.
verdünnte Alkalilauge auf. Die Flüssigkeitseinlässe und die Auslässe für die gasförmigen Produkte werden
in den einzelnen Kammern vorzugsweise im oberen Bereich angeordnet, während die Flüssigkeitsauslässe
vorzugsweise im unteren Bereich angeordnet sind. Andere Anordnungen sind jedoch ebenfalls denkbar.
Die einzelnen Einheiten aus Anoden-, Puffer- und Kathodenkammern können auf beliebige Weise zu der
erfindungsgemäßen Elektrolysezelle zusammengesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
besitzt die Zelle einen sogenannten Filterpressen-Aufbau. Hierbei werden die Anoden, Kathoden und
Membranen in geeignete Einbau- oder Rahmenelemente eingesetzt, die mit geeigneten Dichtungsscheiben
versehen und so geformt sind, daß sie den gewünschten Abstand zwischen den Einzelbestandteilen
und damit die Anoden-, Kathoden- und Pufferkammern ergeben. Die Rahmenelemente sind mit den beschriebenen
Einlassen und Auslassen versehen und werden z. B. durch Riegel oder Bolzen zusammengehalten.
Em typischer Filterpressen-Aufbau ist in der US-PS 2 282058 beschrieben.
Als Zellkörper eignet sich aber auch eine Box aus
einem geeigneten Konsfruklionsmatcrial, in der die Anöde, die Kathode und die Membranen unter Ausbildung
der einzelnen Kammern eingebaut werden; Vgl. US-PS 3324023. Darüber hinaus kann die Zelle
auch 'L· B. wie eine übliche Chiorälkalizelle aufgebaut
sein, wobei das Asbestdiaphragma zwischen den Anöden Ufiel Kathoden durch die verschiedenen beschriebenen
Membranen ersetzt ist, die so die gewünschten Pufferkammern bilden. Ein derartiger
ίο Z-eilaufbäü ist z. B-, aus der US«PS 3458411 bekannt.
Die erfindungsgcmäße Elektrolysezelle wird anhand beispielhafter Ausfiihrungsformcn in den Zeichnungen
erläutert.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Zelle mit drei
Kammern schematisch dargestellt. Der Zellkörper 1 besteht aus einer Anodenkammer 3, einer Kathodenkammer
7 und einer Pufferkammer 11. die die AnndiMi-
und Kathndenkammern voneinander trennt. In der Anoden- bzw. Kathodenkammer sind eine
Anode 5 bzw. eine Kathode 9 angeordnet. Die Pufferkammer 11 ist von der Anodenkammer 3 und der
Kathodenkammer 7 durch die Trcnnsvände bzw. Membranen 13 und 15 getrennt. Die Trennwände
werden durch eine hydrat'sicrte Kationenaustauschcrharzmembran
gebildet, die aus einem fluorierten Copoiymerhiit mit Sulfonsäure-Seitengruppen besteht.
Die Anodenkammer 3 ist mit einem Einlaß 17 versehen,
durch den der Elektrolyt, z. B. Natriumchlnridsole. eingeleitet wird. Ferner weist die Anodenkammer
einen Auslaß 19 auf, durch den der verbrauchte Elektrolyt abgeleitet wird. Durch den
Auslaß 21 werden die bei der Elektrolyse entstehenden gasförmigen Zersetzungsprodukte, z. B. Chlor.
aus der Anodenkammer abgezogen. Auch die Pufferkammer 11 ist mit einem Einlaß 23 und einem Auslaß
27 versehen. Bei der elektrolytischen Herstellung von Chlor und Natronlauge aus Natriumchioridsole leitet
man Wasser durch den Einlaß 23 in die Pufferkammer und zieht gegebenenfalls verdünnte Natronlauge
durch den Auslaß 27 ab. Die Kathodenkammer 7 weist einen EiniaS 29 und einen AubiaG 25 am, uüi<-u
die bei der Natriumchloridelektrolyse Wasser oder verdünnte Natronlauge eingeleitet bzw. konzentrierte
Natronlauge von hoher Reinheit abgezogen wird. Die Kathodenkammer weist gegebenenfalls zusätzlich einen
nicht gezeigten Auslaß für gasförmige Nebenprodukte, wie Wasserstoff, auf. Die Ein- und Auslässe
der Anodenkammer, der Pufferkammer und der Kathodenkammer können gegebenenfalls in bel-'ibiger
anderer, als der in Fig. 1 gezeigten Anordnung angebracht werden.
In Fig. 2 ist eine Abwandlung der Elektrolysezelle aus Fig. 1 mit vier Kammern schematisch dargestellt.
Der Zellkörper 2 besteht aus einer Anodenkammer 4 und einer Kathodenkammer 8, die durch zwei Pufferkammern
12 und 14 voneinander getrennt sind. Eine Anode 6 und eine Kathode 10 sind in der Anodenkammer
4 bzw. der Kathodenkammer 8 angeordnet.
Eine Reihe von Trennwänden bzw. Membranen 16, 18 und 20 bildet die Pufferkammern 12 und 14 und
trennt diese von der Anodenkammer bzw. der Kathodenkammer. Alle drei Membranen bestehen aus einer
Folie eines fluorierten Copolymerisate mit Sulfon-
f)5 3CllAi«--*JW*~"ö·— ft
Die Anodenkammer ist mit einem Einlaß 22 und einem Auslaß 24 versehen, durch die der Elektrolyt,
z. B. Natriumchloridsole, eingeleitet und abgezogen
wird. Durch den Auslaß 26 künndn gasförmige Zersefzuhgsprodukle,
wie Chlor, abgeleitet werden. Die Puffefkamiriefn 12 und 14 sind mit den Einlassen 30
bzw. 32 und den Auslässen 36 bzw. 38 versehen. Zur
Natriuiitehloridelekf folyse wird üblicherweise Wasser
durch die Einlasse 30 und 32 eingeleitet, während verdiiniify:
Natronlauge durch die Auslässe 36 und 38 abgezogcrt
wird. Die Kathodcnkafnnier 8 ist mit einem
Einlaß 40 und einem Auslaß 34 versehen. Bei der Natriumchloridclektrolyse wird durch drft Ausiaß 34
eine konzentrierte Natronlauge von hoher Reinheit abgezogen, wahrend Wasser oder verdünnte Natronlauge
durch den Hinlaß 40 eingeleitet werden. Wie bei der Zelle aus f ig. I kann auch ein nicht gezeigter
Auslaß für gasförmige /.erscl/ungsprodukte. wie
Wasserstoff, in der Kathodenkammer vorgesehen
werden. Auch hier kann die Anordnung der verschiedenen Fm- und Auslässe ic nach den AnfnrcliTiinprn
beliebig verändert werden
In Fig. 3 ist eine Abwandlung der Zelle aus F ig 2
schematisch dargestellt. Der Zellkörper 1 besteht aus einer Anodenkammer 3 und einer Kathodenkammer
13. die beide durch vier Pufferkammern 5, 7. 9 und 11 voneinander getrennt sind. Eine Anode 15 und
eine Kathode 17 sind in der Anodenkammer 3 bzw. der Kathodenkammer 13 angeordnet Eine Reihe von
Membranen bzw. Diaphragma-Trennwänden 19. 21. 23. 25 und 27 bilden die Pufferkammern und trennen
diese gegen die Anoden- und Kathodenkammer ab. Die trennwände 19. 21 und 23 bestehen aus Membranfolien
eines fluorierten Copolymerisats mit SuI-fonsäure-Seitengruppen.
während die Trennwände 25 und 27 poröse Asbestdiaphragmen sind.
Die Anodenkammer ist mit einem Einlaß 29 und einem Auslaß 31 versehen, durch die der Elektrolyt,
z. B. Natriumchloridsole, eingeleitet bzw. abgezogen wird. Durch den Auslaß 33 können gasförmige Zersetzungsprodukte,
wie Chlor, abgeleitet werden. Die Pufferkammern 5, 7, 9 und 11 sind jeweils mit den
Einlassen 35,37.39 bzw. 41 sowie den Auslassen 45.
47, 49 bzw. 51. versehen. Bei der Natriumchlorideiekiroiyse wird üblicherweise wasser durch die Einlasse
eingeleitet, während verdünnte Natronlauge durch die Auslässe abgezogen wird. Die Kathodenkammer
13 ist mit einem Einlaß 43 und einem Auslaß 53 versehen. Bei der Natriumchloridelektrolyse wird
eine konzentrierte Natronlauge von hoher Reinheit durch den Auslaß 53 abgezogen, während Wasser
oder verdünnte Natronlauge durch den Einlaß 43 eingeleitet wird. Wie bei der Zelle aus Fig. 1 kann die
Kathodenkammer gegebenenfalls einen nicht gezeigten Auslaß für gasförmige Zersetzungsprodukte, wie
Wasserstoff, aufweisen. Die Anordnung der verschiedenen Ein- und Auslässe kann auch hier je nach den
Anforderungen beliebig verändert werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die zu elektrolysierende
Lösung einer ionisierbaren Verbindung in die Anodenkammer der Elektrolysezelle eingeleitet.
Beispielhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Elektrolyseverfahrens sind z. B. die Herstellung
von Alkalimetallhydroxiden und Halogenen aus wäßrigen Alkalimetallhalogenid-Lösungen, die Herstellung
von Wasserstoff und Chlor aus wäßriger Salzsäure, die Herstellung von Persulfaten au wäßrigen
A.rnrnor.iurr.su!fat!ösur.ger. und die Herstellung von
Perboraten aus wäßrigen Boraxlösungen. Die bevorzugte Anolytlösungen sind wäßrige Lösungen von Alkalimetallhalogeniden,
insbesondere Natriumchlorid, und wäßrige Salzsäure.
Jn einer anderer) Ausführungsföriti leitet man in
jede der mittleren Püfferkarnmern Wasser ein und zieht eine verdünnte Natronlauge ab. Diese Lösungen
sind üblicherweise verschieden· konzentriert* wobei
die verdünritcsten Lösungen aus den der Anödcnkarrimef
nächstliegenden Kammern stammen. Im allgemeinen
beträgt der Natriuinhydroxidgehait dieser Lösungen etwa 50 bis 200 g/Liter.
ίο Vorzügsweise leitet man eine oder mehrere dieser
verdünnten Natronlaugen gegebenenfalls zusammen mit zusatzlichem Wasser als Katholyt in die Kathodenkammer.
Hierzu werden die Lösungen entweder vereinigt oder getrennt in die Kathodenkammer eingeleitet.
Vorzugsweise macht jedoch die verdünnte Natronlauge aus den einzelnen Pufferkammern zumindest
einen Teil der Beschickung der anschließenden Pufferkammer und schließlich der Kathodenkammer
aus. Aus der Kathodenkammer wird eine konzentriertere Natronlauge mit einer NaOH-Konzentration
von etwa 150 bis 25Og Liter, meist etwa IM) g Liter, abgezogen. Zusätzlich erhält man in der
Anoden- und der Kathodenkammer Chlor bzw. Wasserstoff als gasförmige Produkte.
Nach einer weiteren Ausführungsform leitet man Wasser sowohl in die Pufferkammern als auch in die
Kathodenkammer und zieht aus den einzelnen Pufferkammern eine verdünnte Natronlauge, aus der Kathodenkammer
eine konzentriertere Natronlauge ab.
Bei dieser Verfahrensweise läßt sich die Menge der aus der Kathodenkammer abgezogenen Natronlauge
je nach dem Bedarf für die einzelnen Konzentrationsstufen regeln. Üblicherweise werden etwa 50 Prozent
des Natriumhydroxids als verdünnte Lösung aus den Pufferkammern abgezogen, während die übrigen 50
Prozent als konzentriertere Lösung aus der Kathodenkammer abgezogen werden. Die Konzentration
der verdünnten Lösungen liegt üblicherweise im oben angegebenen Bereich. Die konzentriertere Natronlauge
aus der Kathodenkammer besitzt üblicherweise eine Konzentration von etwa 200 bis 420 g/Liter.
nicihi eiwa 2SGgZLiIcI.
Bei der Natriumchloridelektrolyse leitet man üblicherweise eine Sole mit einem Gehalt an etwa 250
bis 325 g/Liter, vorzugsweise etwa 320 g/Liter, Natriumchlorid als Beschickung in die Anodenkammer.
Der pH-Wert der Anolyt-Beschickung beträgt üblicherweise etwa 1,0 bis 10,0, vorzugsweise etwa 3.5.
Diese pH-Werte in der Anodenkammer lassen sich
so durch Zusatz von Säure, vorzugsweise Salzsäure, einstellen. Der Anolytüberlauf bzw. der aus der Anodenkammer
abgezogene verbrauchte Anolyt enthält üblicherweise etwa 200 bis 295 g/Liter, meist etwa
250 g/Liter, Natriumchlorid. Bei einer Dreikammerzelle, d. h. einer Zelle mit einer oder mehreren Einheiten
aus einer Anodenkammer, einer Kathodenkammer und einer einzigen Pufferkammer, leitet man
Wasser in die Pufferkammer und zieht eine verdünnte Natronlauge ab. Im allgemeinen weist diese Lösung
einen Natriumhydroxidgehalt von etwa 50 bis 200 g/ Liter, meist etwa 100 g/Liter, auf. Diese verdünnte
Natronlauge wird vorzugsweise gegebenenfalls zusammen mit zusätzlichem Wasser als Katholyt in die
Kathodenkammer eingeleitet. Aus der Kathoden-
« kammer kann eine konzentriertere Natronlauge mit einer NaOH-Konzentration von etwa 150 bis 250 g/
Liter, meist etwa 160 g/Liter, abgezogen werden. Außerdem entstehen in der Anoden- und der Katho-
clcnkammcr Chlor- bzw. Wasserstoff als gasförmige
Produkte.
Nach einer anderen Verfahrensweise leitet man Wasser sowohl in die Puffcrkammcr als auch in die
kathodehkarnmer Li η el zieht aus der Püfferkammer
eine verdüniiie Natronlauge, aus der Kathodenkamftier
eine konzentriertere Natronlauge ab. Hierbei läßt sich die Menge der aus der Pufferkammer abgezogenen
verdünnten Natronlauge und die Menge der aus
der Kathöderikämmer abgezogenen konzentrierten
Natronlauge je nach dem Bedarf für die jeweilige
Konzentrationsstufe regeln. Üblicherweise zieht man etwa 50 Prozent des Natriumhydroxids als verdünnte
Lösung aus der Pufferkammer und die übrigen 50 Prozent als konzentriertere Losung aus der Kathodenkammer
ah. Die Konzentration der verdünnten Natronlauge liegt üblicherweise im Bereich von etwa
JO bis 200 g/Liter, meist etwa 100 g'Liter. Die konitctimci
icic Naiiiinuuige aus der Kaliiodcukariiiner
besitzt üblicherweise eine Konzentration von etwa 200 bis 420 g/Liter, meist etwa 280 g/Liter.
Die elektrochemische Zersetzung erfolgt im Verfahren der Erfindung üblicherweise bei einer Spannung
von etwa 3,4 bis 4,8 V, vorzugsweise etwa 4,2 V.
Die Stromdichte beträgt vorzugsweise etwa 0,31 A-cm'
Im allgemeinen wird die Zelle bei einer Temperatur von etwa 90 bis 105' C, vorzugsweise etwa
95 C. betrieben. Unter diesen Bedingungen erzielt
man eine Chlor- bzw. Anodenausbeute von mindestens etwa 96 Prozent und eine Kathoden- bzw. Laugenausbeute
von mindestens 85 Prozent, oft mehr als 90 Prozent. Die in der Kathodenkammer erhaltene
konzentrierte Natronlauge ist darüber hinaus von hoher Reinheit, sie enthält praktisch kein Natriumchlorat
und weniger als 1 g/Liter Natriumchlorid.
Bei Zellen aus sich wiederholenden Einheiten mit zwei oder mehr Pufferkammern wird das Verfahren
ähnlich durchgeführt. Auch hier kann Wasser sowohl ki die einzelnen Pufferkammern als auch in die Kathodenkammer
eingeleitet werden und ein Teil der Natronlauge kann entweder aus den Pufferkammern als
verdünnte I.nsiinph?.υ iiiisrlpr Kiithnripnknmmer ak
konzentriertere Lösung abgezogen werden. Vorzugsweise leitet man jedoch die verdünnte Natronlauge
•us den einzelnen Pufferkammern zumindest als Teil der Beschickung in die anschließende Pufferkammer
und schließlich in die Kathodenkammer, so daß man •us der Kathodenkammer eine konzentriertere Natronlauge
von hoher Reinheit abziehen kann.
Außer zur elektrolytischen Herstellung von Chlor Mnd Natronlauge aus Natriumchloridsole können die
erfindungsgemäßen Elektrolysezellen auch zur elektrolytischen Herstellung von Chlor und Wasserstoff
aus Salzsäure eingesetzt werden. In diesem Fall leitet man wäßrige Salzsäure als Anolyt in die Anodenkammer.
Die HCl-Konzentration beträgt üblicherweise etwa 10 bis 36 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa
15 bis 25 Gewichtsprozent. Obwohl auch Wasser in die Pufferkammern und die Kathodenkammer geleitet
werden kann, beschickt man vorzugsweise sowohl die Pufferkammern als auch die Kathodenkammer ebenfalls
mit wäßriger Salzsäure. Die hierbei angewandte HCl-Konzentration beträgt etwa 1 bis 10 Gewichtsprozent,
vorzugsweise 1 his 5 Gewichtsprozent. Zwar sollen die in die Anoden-, Puffer- und Kathorienkarm
mern eingeleiteten Lösungen vorzugsweise keine ionischen
Verunreinigung η enthalten, jedoch hat sich herausgestellt, daß durch Zusatz von Alkalimetallchloriden,
»'lic Natriumchlorid, zum Anolyten die
Korrosion vermindert werden kann, vor allem wenn Kathoden aus Stahl oder einem ähnlich korrodierbaren
Material verwendet werden. In diesem Fall werden dem Anolyten üblicherweise etwa 12 bis 25 Gewichtsprozent
Natriumchlorid zugesetzt.
Die Beispiele erläutern die Erfindung. Alle Teile und Prozente beziehen sich auf das Gewicht, falls
nichts anders angegeben ist.
Eine aus drei Kammern bestehende Laboratori-Umszelle
wird bei 120 A. einer Anodenstromdichte von 0.31 A'Cnv und einer Spannung von 4.1 Vbetrieben.
Die Zelle ist mit einer, einen Rutheniumoxidüberzug aufweisenden Titananode, einer Startkathode
und zwei Kationenaustauschermembranen ausgerüstet, die die Pufferkammer gegen die Anoden-
ist eine 0,254 mm dicke Folie aus einem hydrolysierten Copolymerisaf von Tetrafluoräthylen und einem
sulfonierten Perfluorvinyläther mit einem Äquivalentgewicht von etwa 1100, das nach dem Verfahren
der US-PS 3282875 hergestellt worden ist. Eine Sole
mit einem Natriumchloridgehalt von 320 g/Liter wird durch die Anodenkammer geleitet, während man sowohl
in die Pufferkammer als auch in die Kathodenkammer Wasser einleitet. Der Anolyt wird durch Zusatz
von Salzsäure bei einem pH von etwa 4,0
jo gehalten. Aus der Pufferkammer fließt eine Natronlauge
mit einer NaOH-Konzentration von etwa 116 g/Liter, aus der Kathodenkammer eine Natronlauge
mit einer NaOH-Konzentration von etwa 384 g/Liter ab. Durch Vermischen der beiden Lö-
J5 sungsströme erhält man eine Natronlauge mit einer
NaOH-Konzentration von etwa 197 g/Liter, die praktisch kein Natriumchlorat, und weniger als etwa
1 g/Liter NaCl enthält. Bei einer Betriebsdauer von 16'/, Stunden beträgt die Laugen- bzw. Kathodenstromausbeute
etwa 85,7 Prozent, die Chlor- bzw. Anodenstromausbeute etwa 97 Prozent.
Eine Dreikammerzelle der in Beispiel 1 beschriebenen Art von üblicher Betriebsgröße wird mit
15OkA, einer Anodenstromdichte von 0,31 A/cnr
und einer Spannung von 4,1 V bei etwa 96 ° C betrieben.
Man leitet eine wäßrige Sole mit einer NaCl-Konzentration von etwa 320 g/Liter in die Anodenkammer,
wobei ein Anolytüberlauf mit einem pH von etwa 3,5 erhalten wird, der etwa 250g/Liter NaCl enthält.
Durch Zusatz von Salzsäure hält man den pH des Anolyten bei etwa 3,5. In die Pufferkammer wird
Wasser eingeleitet, während eine Natronlauge mit einer NaOH-Konzentration von etwa 110 g/Liter abfließt.
Diese wird in die Kathodenkammer eingeleitet, wo eine Natronlauge mit einem Gehalt an 160 g/Liter
NaOH, 0,5 g/Liter NaCI und keiner nachweisbaren Menge (<0,l g/Liter) Natriumchlorat anfällt. Während
der gesamten Betriebsdauer beträgt die Kathodenstromausbeute 85 Prozent, die Anodenstromausbeute
96 Prozent.
Die Dreikammerzelle aus Beispiel 2 wird mit 150 kA eine Anodenstromdichte von 0,31 A/cm2 und
einer Spannung von 4,2 V bei etwa 94° C betrieben. Man leitet eine wäßrige Sole mit einer NaCI-Konzen-
ii
tration von etwa 320 g/Litcr in die Anodenkammer lind erhält einen Anolytüberlauf mit einem pH von
etwa 4,0, der etwa 250 g/Liier NaCI enthält. Durch Zusatz von Salzsäure wird der pH des Anolyten bei
etwa 4,0 gehalten. Sowohl in die Pufferkammer als auch die Anodenkammer wird Wasser eingeleitet.
Aus der Pufferkammer fließt eine verdünnte Natronlauge mit einer NaOH-Konzentration von etwa
100 g/Liter, aus der Kathodenkammer eine starke Natronlauge mit einer NaOH-Konzentration von
etwa 2RO g/Litcr ab. Die Zelle produziert etwa 2,3 Tonnen/TagNaOH als verdünnte Lauge und etwa 2,4
Tonnen/Tag NaOH als starke Natronlauge. Die Kathodenr.tromausbeute
beträgt 86 Prozent, die Anodenstromausbeute 9ft Prozent.
Es wird eine Laboratoriums-Elektrolysezelle aus 4 Kammern !icrgesieiii, <j. h. die Anuuenkanmier tinu
die Kathodenkammer sind durch zwei Pufferkammern voneinander getrennt. Die Anodenkammer besteht
aus einem Polyester auf Basis von HET-Säure (Handelsname: Hetron), die beiden Pufferkammern bestehen
aus Polypropylen und die Kathodenkammer aus Flußstahl. Die Anodenkammer und die erste Pufferkammer,
sowie die erste und die zweite Pufferkammer sind jeweils durch eine Kationenaustauschermembran
voneinander getrennt. Die Membran besteht aus einer 0,254 mm dicken Folie ein.°s hydrolysieren Copolymerisate
von Tetrafluoräthyleü und einem sulfonierten Perfluorvinyläther mit einem Äquivalentgewicht
von etwa 1100, der nach dem Verfahren der US-PS 3282875 hergestellt worden ist. Die zweite Pufferkammer
und die Kathodenkammer sind durch ein übliches Asbestdiaphragma voneinander getrennt.
Man leitet eine Sole mit einer NaCl-Konzentration von etwa 320 g/Liter durch die Anodenkammer, die
mit einer einen Rutheniumoxidüberzug aufweisenden Titananode ausgerüstet ist. In die erste Pufferkammer
wird Wasser geleitet. Der Ablauf aus der ersten Pufferkammer wird in die zweite Pufferkammer gepumpt.
Die in dieser Kammer enthaltene Lösung fließt durch das poröse Asbestdiaphragma in die Kathodenkammer,
die mit einer Stahlkathode ausgerüstet ist. Die Zelle wird mit 120 A, einer Anodenstromdichte von
0,31 A/cm2 und einer Spannung von 4,4 V betrieben. Die NaOH-Konzentration der Lösung in der ersten
Pufferkammer beträgt 120 g/Liter, in der zweiten Pufferkammer 187 g/Liter und in der Kathodenkammer
209 g/Liter, wobei der NaCI-Gehalt im letzten Fall bei etwa 0,5 g/Liter liegt. Unter den genannten
Bedingungen beträgt die anodische Chlorausbeute 96 Prozent, die kathodische Laugenausbeute 93 Prozent.
Durch Zusatz von Salzsäure zum Anol;'tenin stöchiomctrischer
Menge wird der Unterschied zwischen der Anoden- und der Kathodenausbeute kompensiert.
Gemäß Beispiel 4 wird die Zelle aus Beispiel 1 mit 1 20 A, einer Anodenstromdichte von 0,31 A/cm2 und
einer Spannung von 4,3 V betrieben. Die Lösung der ersten Pufferkammer enthält 140 g/Liter NaOH, die
Lösung in der zweiten Pufferkammer 226 g/Liter NaOH und die aus der Kathodenkammer fließende
Lösung 240 g/Liter NaOH sowie 0,6 g/Liter NaCI. Die anodische Chlorausbeute beträgt 96 Prozent, die
kathodische Laugenausbeute 90 Prozent.
Die Zelle aus Beispiel 4 wird modifiziert, indem man das Asbestdiaphragma zwischen der zweiten Pufferkammer
und der Kathodenkammer durch einr poröse Perfluorsulfonsäuremembran (»ESL323« von
duPont) ersetzt. Die Zelle wird nach dem Verfahren von Beispe! 1 betrieben, wobei die Laugenkonzentration
in der ersten Pufferkammer 100 g/Liter NaOH, in der zweiten Pufferkammer 140 g/Liter NaOH und
bei der aus der Kathodenkammer fließenden Lösung 213 g/Liter NaOH beträgt. Die anodische Chlorausbeute
beträgt 96 Prozente, die kathodische Laugenausbeute 94 Prozent.
Die Zelle aus Beispiel 4 wird modifiziert, indem man das poröse Asbestdiaphragma durch eine poröse
Polypropylenfolie (»Celgard«) ersetzt. Beim Betrieb der Zelle gemäß Beispiel 1 unter den folgenden Bedingungen
werden die nachstehend angegebenen Ergebnisse erzielt:
NaOK-Konzeniration (g/Liierj Kathoden-
1. Puffer- 2. Puffer- Kathoden- str.jnauskammer
kammer kammer beute
135
159
173
214
159
173
214
191
252
244
303
252
244
303
93
92
91
89
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Elektrolysezelle mit einer eine Anode enthaltenden Anodenkammer, einer eine Kathode
enthaltenden Kathodenkammer und einer permselektiven, praktisch flüssigkeits- und gasundurchlässigen
Trennwand zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer, die aus einem hydrolysierten Copolymerisat eines perfluorierten
Kohlenwasserstoffs und eines sulfonierten Perfluorvinyläthers oder aus einem mit Styrol umgesetzten
und sulfonierten, perforierten Äthylen-Propylen-Polymerisat
besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer mindestens eine
Pufferkammer angeordnet ist, wobei einige oder sämtliche Kammern durch die permselektive
Trennwand voneinander getrennt sind.
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Copoiymerisai ein Aquivaientgewicht
von etwa 1100 bis 1400 besitzt und etwa K) bis 30 Prozent der Ätherverbindung enthält.
3. Zelle nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das mit Styrol umgesetzte und sulfonierte
perfluorierte Äthy'en-Propylen-Polymerisat etwa I^ bis 18 Gewichtsprozent Styrol enthält
und etwa : ,bis1' ,„ der Phenylgruppen monosulfoniert
sind.
4. Verfahren zur Elektrolyse ionisierbarer chemischer Verbindungen in wäßriger Lösung, dadurch
gekennzeichnet, d--»ß man die Ausgangslösung
in die Anodenkammer einer Elektrolysezelle nach den Ansprüchen I bi>- 3, eine zweite wäßrige
Lösung in die Puffer- und Kathodenkammer der Zelle einleitet.
5. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet,
daß man eine wäßrige Lösung eines Alkalimetallhalogenids als erste wäßrige Lösung
in die Anodenkammer und Wasser als zweite wäßrige Losung in die Puffer- und Kathodenkammern
einleitet.
(S. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet,
daß man eine wäßrige Natriumchloridlösung verwendet und Chlor als Zersetzungsprodukt
an der Anode, eine verdünnte Natronlauge aus der (den) Pufferkammer(n) sowie
eine konzentrierte Natronlauge als Zersetzungsprodukt an der Kathode erhält.
7. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet,
daß man eine wäßrige Salzsäurelosung zur elektrolytischen Herstellung von Chlor
und Wasserstoff einsetzt.
S. Verfahren nach Anspruch h. dadurch gekennzeichnet,
daß man zumindest einen Teil der verdünnten Natronlauge aus jeder der Pufferkammern
in die nächste Pufferkammer und schließlich zumindest ein Teil des wäßrigen Katholyten in die
Kaihodenkammer einleitet.
ίο
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