DE2437783A1

DE2437783A1 - Verfahren und zellenanordnung fuer die herstellung von chlor und alkalilaugen durch elektrolytische zersetzung von waessrigen alkalichloridloesungen

Info

Publication number: DE2437783A1
Application number: DE2437783A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Bergner; Helmut Dr Hund
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1974-08-06
Filing date: 1974-08-06
Publication date: 1976-03-04
Also published as: NL7509210A; BE832180A; IT1040461B; AU8368675A; NO752750L; SE7508820L; JPS5141698A; ES439910A1; BR7504980A; FR2281440B3; FR2281440A1; ZA754732B; DE2437783B2; FI752209A; GB1452880A; ATA601775A

Description

Verfahren und Zellenanordnung für die Herstellung von Chlor und Alkalilaugen durch elektrolytische Zersetzung von wäßrigen Alkalichloridlö sungcn

Für die Herstellung von Chlor und Alkalilaugen durch Elektrolyse wäßriger Alkalichloridlösungen sind sowohl Ainalgamzellen mit fliessender Quecksilberkatode als auch Diaphragmen- oder Membranzellen in Gebrauch. Der Vorteil der Amalgamzelle liegt darin, daß sie eine nahezu chloridfreie Lauge von sehr hoher Konzentration liefert.

Bei Diaphragmenzellen wurde die Qualität der gewonnenen Alkalilauge lange Zeit dadurch beeinträchtigt, daß.sie verhältnismässig stark durch Chlorid verunreinigt war und sich deshalb für viele Verwendungszwecke nicht eignete, sofern nicht ein aufwendiger Reinigungsprozeß angeschloßen wurde.

In neuerer Zeit sind jedoch Ionenaustauscher-Membranwerkstoffe entwickelt worden, die die Wanderung von Chloridionen in den Katholyten weitgehend verhindern und die Herstellung chloridarmer Laugen gestatten. Mit zunehmender Konzentration der Lauge, im Katholyten nimmt allerdings bei Ionenaustauscher-Membranen die Wanderung von Hydroxylionen in den Anodenraum zu, wodurch die Stromausbeute mit zunehmender Laugekonzentration stark abnimmt. Unter sonst gleichen Bedingungen erreicht man zum Beispiel bei einer Laugekonzentration von 130 S NaOH pro Liter, entsprechend ca. 11,5 $ NaOH, eine Stromausbeute von ca. 83 $, bei einer - wirtschaftlich interessanten - Laugekonzentration von 250 g NaOH pro Liter entsprechend ca. 20 $ NaOH aber nur noch eine Stromausbeute von ca. 68 $. Laugen geringerer Konzentration sind für die meisten Zwecke nicht brauchbar und müssen mit

609810/0349

Z437783

hohem Energieaufwand eingedampft werden.

Es bestand daher ein Bedürfnis, in Elektrolysezellen mit Ionenaustauschermembran Laugen in einer verwertbaren Konzentration mit wirtschaftuch vertretbarer Stromausbeute herzustellen.

Dies gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß man die Elektrolyse in mehreren Zellen durchführt, wobei dem Anodenraum jeder einzelnen Zelle frische Alkalichloridlösung zugeführt wird, während als Katholyt der ersten Zelle Wasser und jeder folgenden Zelle der Katholyt der vorhergehenden Zelle zugeführt wird, so daß die Elektrolyse mit von Zelle zu Zelle steigender Konzentration an Alkalilauge im Katholyten erfolgt.

Die Zellenanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einer Gruppe von Ionenaustauscher-Membranzellen, deren Kathodenräume durch Leitungen so verbunden sind, daß jeweils der Katholytablauf der vorhergehenden Zelle mit dem Katholytzulauf der folgenden Zelle verbunden ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die gewünschte Endkonzentration der Lauge erst im Kathodenraumablauf der Letz ten von einer größeren Anzahl von Zellen erhalten. Zweckmäßig betreibt man die Elektrolyse so, daß die Lauge-Konzentration über 4 bis 6 Zellen ansteigend auf etwa 20 *f> getrieben wird. Dabei nimmt zwar die Stromausbeute von Zelle zu Zelle ab. Im Mittel liegt sie jedoch erheblich höher als bei der Herstellung von Lauge derselben Konzentration in einzigen Zelle. Neben der Erhöhung der Stromausbeute ergibt sich dabei noch der Vorteil, daß der Anolyt weniger Chlorat enthält, und daß das erzeugte Chlor in geringerem Maße mit Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff verunreinigt ist als bei der einstufigen Elektrolyse.

Ü09810/0349

ORIGINAL INSPECTED

Bei -spiel

Verwendet wurde eine Laborzelle mit den Abmessungen $2 χ 37 x 9 mm. Die Anode bestand aus aktiviertem Ti tanstxOckino LaLl, 2 mm stark, mit einer Maschenweite von h χ 6 mm. Als Katode diente ein Edelstahlgewebe gleicher Dimension. Die Katoden- und die Anodenfläche waren je ca. 0,1 Quadratmeter, der Elektrodenabstand 9 mn. Als Membran diente eine Ionenaustauschornienibran mit einem Äquivalentgewicht von 1200 ^Du Pont Nafion XR 475)· D°^r Anolyt bestand aus einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 300 g NaCl pro Liter. Diese Sole wurde dem Anodenraum bei allen Versuchen in einer Menge von 10 Liter pro Stunde zugeführt. Der pH-Wert der SqIe war 9·

Versuch 1 gemäß Stand der Technik:

Als Katholyt wurden 4,17 Liter V/asser eingesetzt und umgepumpt. Es wurde 7»5 Stunden lang elektrolysiert. Die Zellenspannung sank bei einer Temperatur von 81 - 82 C von 3· 3^ V bei Beginn des Versuches auf 3· 14 V am Ende. Die Stromdichte war ca. 2 KA/m . Nach dieser Zeit wurden als Katholyt 5>52 Liter NaOII mit einer Konzentration von 2*10,59 pro Liter und 1386 g Chlor erhalten. Die Stromausbeute beträgt 70,8 ^ bezogen auf Chlor und 62,5 /& bezogen auf NaOH. Dieser Versuch wurde fünfmal wiederholt. Im Mittel betrug die Stromausbeute 71·1 i° bezogen auf Chlor und 63.5 $ bezogen auf NaOH. Der Energieverbrauch betrug 33^0 K¥h/t NaOH und 3364 KVh/1 Cl₂.

Versuch 2 erfindungsgemäß:

Der kontinuierliche, mehrstufige Betrieb wurde an einer Zelle dadurch simuliert, daß bei Beginn des Versuches die dem 7-fachen Stundendurchsatz entsprechende Ttfassermenge, der 1 g pro Liter NaOH zugesetzt war, als Katholyt eingesetzt wurde. Nach jeweils 7 Stunden wurde die Laugekonzentration und die erhaltene Chlor-

V menge gemessen. Die gesamte Versuchsdauer betrug 35 Stunden,

die Stromdicht gondo Tabelle:

die Stromdichte wieder ca. 2 KA/m . Das Ergebnis zeigt die fol-

609810/0349

ORIGINAL SNSPECTED.

	STUFE/	Std.	Spannung	V	Temp.	H₂O(I)	EINGESETZT	.34 48	gNaOH/1	1	Lauge(l)	.42	ERHALTEN	.2	ci₂(i	5)	DNERGIEVER-	KTVh/1	KTVh/1	STROMAUS	4> 2' f	MaOH ?.	.4
	DAUER			.42	°C			56		.2 .8		■ 54 62		8 4			3RAUCH	^C12	NaOH	BEUTE			CO ON
		7	3	25 20	79	31.7		66		4	32	71		0	1677.	16	A h	2795	2382	Cl	.7	96	1
		7 7	3 3.	17	79 79	—	Lauge(l)		60 108	0	33 34.	84	Konζ.(g/l)	4	1553. 1483.	88 40		2869 2946	2604 2905		VJ 00	83 73.	8
	1	7	3.	16	80	-			148.		35.			14O7.	45	1367.5	3095	2994	92	6	71.
-aw» ■ml/ > •X»	2 3	7.	3.		80	-			184.		*36.*	60		1315.	62	1368.5 1362.5	3279	3036	85- 82.	9	*69.*
	4				32 33-				108 148.		Ι37ΙΛ		77.
-t * 60	5			34.		184.		I354.O	72.
	35.	216.

Die mittlere Stromausbeute bezogen auf Chlor beträgt 82.6 <?υ, <j i ο mittlere Stromausbeute bezogen auf .NaOII beträgt 79 $· ^D(^^r mittlere Energieverbrauch beträgt 2998 K¥h/t Cl₂ und 2784 KWh/t NaOII. Gegonüber dem einstufigen Verfahren ergibt sich eine Ersparnis von 11 # bzw. 17 $·

Bei dem ersten Versuch nach dem Stand der Technik enthielt der Anolyt nach Abschluß der Elektrolyse 4. 2 g pro Liter Natriunichlorat. Im erzeugten Chlorgas fanden sich 5,7 Volumen $> Sauerstoff und 0,45 Volumen $ Wasserstoff und·Stickstoff. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren enthielt der Anolyt im Mittel 3.O g Natriumchlorat pro Liter. Das erhaltene Chlorgas enthielt im Mittel 2.1 Volumen # Sauerstoff und 0.27 Volumen $ Wasserstoff und Stickstoff.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Herstellung von ca. 20 ^iger Lauge beschränkt. Mit verbesserten Ionenaustauscher-Membranen mit höherem Äquivalentgewicht ist die Herstellung höherer Laugekonzentrationen, ζ. B. 30 - ho ^o NaOII, bei vergleichbaren Stromausbeutegewinnen möglich, weil die mittlere Stromausbeute beim mehrstufigen Verfahren stets höher ist als beim Einstufenverfahren.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß die Produktionskapazität bestehender Anlagen mit geringfügigen Umbauten entsprechend der verbesserten Stromausbeute gesteigert werden kann.

Ein Schema für die erfindungsgemäße Zellenanordnung ist in der Zeichnung wiedergegeben. In den Anodenraum jeder der 3 gezeichneten Stufen wird frische Sole gepumpt, die nach dem Durchlaufen der Elektrolyse als Anolyt zum Aufkonzentrieren zurückgeführt wird. In den Kathodenraum der ersten Stufe wird Wasser eingespeist. Die in den einzelnen Kathodenräumen gebildete Lauge wird vom Ablauf der Stufe 1 zum Zulauf der Stufe 2 und vom Ablauf der Stufe 2 zum Zulauf der Stufe 3 usw. gefördert. Ihre Konzentration nimmt dabei von Stufe zu Stufe zu. Gasförmiges Chlor und gasförmiger Wasserstoff werden in üblicher Weise aus den Zellen abgezogen.

-609810/0349 ORiGlMAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche;

1) Verfahren zum Herstellen von Chlor und Alkalilaugo durch Elektrolyse von wäßrigen Alkalichloridlösungon in Elcktrolysezellen mit Ionenaustauschermembran, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrolyse in mehreren Zollen durchführt, wobei dem Aiiodenraura jeder einzelnen Zelle frische Alkalichloridlösung zugeführt wird, während als Katholyt der ersten Zelle Wasser und als Katholyt jeder folgenden Zelle der Katholyt der vorhergehenden Zelle zugeführt wird, so daß die Elektrolyse mit von Zelle zu Zelle steigender Konzentration an Alkalilauge im Katholyten erfolgt.

2) Zellenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1) bestehend aus einer Gruppe von Ionenaustauschermembranzellen, deren Katliodenräume durch Leitungen so verbunden sind, daß jeweils der Katholytablauf der vorhergehenden Zelle mit dem Kathdytzulauf der folgenden Zelle verbunden ist.

609810/0349

ORIGINAL INSPECTED