DE2437783B2 - Verfahren und zellenanordnung fuer die herstellung von chlor und alkalilaugen durch elektrolytische zersetzung von waessrigen alkalichloridloesungen - Google Patents

Description

^ist· , rinHiinsseemäßen Verfahren wird also die

^tedT,_e SS5nS»A» der Lauge erst im gewünschte ^Εη^^κ°"^ζ. _{letzten V}on einer größeren

i^ath°hf:ⁿon Ze.Se haften. Zweckmäßig betreibt man Anzahl von Zei.en c Konzentration über 4

_die Elektrolyse, «αdaß*jjf £ _{2QO/o ieben wird}

^biSK ^Zel _mt zw rf e Stmmausbeute von Zelle zu Zelle ^D,^aT Se fiS sie jedoch erheblich höher als bei der ab. Im Mittel liegt sie j Konzentration in

Herstellung von Lauge α^ ^ ^^ ^ einer einzigen « ^ ^. ^ _{der Vonej}, _daß

weniger Chlorat enthält und daß das w in geringerem Maß mit Sauerstoff, .„..cinff verunreinigt ist als bei der

Für die Herstellung von Chlor und Alkalilaugen durch Elektrolyse wäßriger Alkalichloridlösungen sind sowohl Amalgamzellen mit fließender Quecksilberkathode 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 lonenaustauscher-Membranwerkstoffe entwickelt werden, 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 g 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 hohem Energieaufwand eingedampft werden.

Es bestand daher ein Bedürfnis, in Elektrolysezellen mit Ionenaustauschermembran Laugen in einer verwertbaren Konzentration mit wirtschaftlich 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 erfin-Verfahrens besteht aus einer Gruppe

einstufigen Elektrolyse.

Beispiel

Verwendet wurde eine Laborzelle mit den Abmessun- « ν 37 χ 9 mm. Die Anode bestand aus aktiv.er^gen τ ,rnurecknetall 2 mm stark, mit einer Maschen^tem _t^ Z 4 * t mm Ms Kathode diente ein Edelstahl-I^Gleicher Dimension. Die Kathoden- und die !^eW?nf.£e warerT je ca. 0,1 Quadratmeter, der So ena^hbstand 9ⁿm^Jm. Als Membran diente eine r.npnTustauschermembran mit einem Aqu.valentge-S; von S (Du Pont Nafion XR 475). Der Anolyt bestand aus einer NaCl-Lösung mit e.ner Konzemrat.on J"! ™„ M₃Cl oro Liter. Diese Sole wurde dem

Versuch 1 gemäß Stand der Technik

Als Katholyt wurden 4,17 Liter Wasser eingesetzt. Es

wide 73 Stunden lang elektrolysiert Die Zellen,pjn-

c n,,n_ff sank bei einer Temperatur von 81 -82° C von 3,34 V

Sei Beginn de Versuches auf 3,14 V am Ende. Die st omdichte war ca. 2 kA/m>. Nach dieser Ze.t wurden als Katholyt 5,52 Liter NaOH mit e.ner Konzentration von 24^059 pro Liter und 1386 g Chlor erhalten. D.e

Stromausbeute beträgt 70,8%, bezogen auf Chlor und 62 50Γ bezogen auf NaOH. Dieser Versuch wurde mnfmal wiederholt. Im Mittel betrug d.e Stromausbeute 71 1% bezogen auf Chlor und 63,5% bezogen auf NaOH De? Energieverbrauch betrug 334OkWhZt

55 NaOH und 3364 kWh/l Cl₂.

Versuch 2 erfindungsgemäß

Der kontinuierliche, mehrstufige Betrieb wurde an 60 einer Zelle dadurch simuliert, daß bei Beginn des Versuches die dem 7fachen Stundendurchsatz entsprechende Wassermenge, der 1 g pro Liter NaOH zugesetzt war, als Katholyt eingesetzt wurde. Nach jeweils 7 Stunden wurde die Laugekonzentration und 6<i die erhaltene Chlormenge gemessen. Die gesamte Versuchsdauer betrug 35 Stunden, die Stromdichte wieder ca. 2 kA/m². Das Ergebnis zeigt die folgende Tabelle:

	Std.	Span nung (V)	Temp. (0C)	3	Lauge 0)	Ά	*	32,42 60,2	4	kWh/t Cl2	kWh/t NaOH	Stromausbeute	NaOH (°/o)
	7	3,42	79		__	24 37 783 Y	33,54 108,8	Energieverbrauch	27*5	2382	CL Ch)	96,4
	7	3,25	79		32,34	Erhalten	34,62 148,4	Cl2 Ah (g)	2869	2604	92,7	83,8
	7	3,20	79	Eingesetzt	33,48	g Lauge Konz. NaOH/1 0) (g/i)	35,71 184..0	1677,16 1367,5	2946	2905	85,8	73,9
Stufe/ Dauer	7	3,17	80	HSO (1)	34,56	1	36,84 216,4	1553,88 1368,5	3095	2994	82,3	71,1
	7	3,16	80	31,7	35,66	60,2		1483,40 1362,5	3279	3036	77,6	69,8
1				—		108,8	1407,45 1371,0			72,9
2			—		148,4	1315,62 1364,0
3			—		184,0
4
5

Die mittlere Stromausbeute, bezogen auf Chlor, beträgt 82,6%, die mittlere Stromausbeute, bezogen auf NaOH, beträgt 79%. Der mittle.e Energieverbrauch beträgt 2998 kWh/t Cl₂ und 2784 kWh/t NaOH. Gegenüber 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 pro Liter Natriumchlorat. Im erzeugten Chlorgas fanden sich 5,7 Volumenprozent Sauerstoff und 0.45 Volumenprozent Wasserstoff und Stickstoff. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren enthielt der Anolyt im Mittel 3.0 g Natriumchlorat pro Liter. Das erhaltene Chlorgas enthielt im Mittel 2,1 Volumenprozent Sauerstoff und 0,27 Volumenprozent 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. Β. 30-40% NaOH, 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen von Chlor und Alkahlauge durch Elektrolyse von wäßrigen Alkahchloridlösungen in mehreren Elektrolysezellen mit Ionenaustauschermembran, wobei dem Anodenraum Ider einzelnen Zelle frische Alkalichlondlosung zugeführt wird, dadurch gekennzeichne daß 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.

   ,oMtrher-Membranzellen. deren Kathovon ionenaustauschr Me _verbunden ^ ^

   ^denTTL KaiioWtaTauf der vorhergehenden Zelle Sem^atKSauf der folgenden Zelle verbunden