DE2438832C3 - Festbett- oder Fließbett-Elektrodensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Festbett- oder Fließbett-Elektrodensystem aus einer Kammer, einer in der Kammer enthaltenen Hauptelektrode aus einem teilchenförmigen Material und einer Hilfselektrode.

Die Möglichkeiten und Vorteile der Verwendung von Fließbettelektroden zur Durchführung von verschiedenen elektrochemischen Verfahren, wie beispielsweise bei der elektrischen Gewinnung von Metallen oder bei der Elektrosynthese von organischen Materialien, werden in zunehmendem Maße genutzt. Die in der Literatur beschriebenen diesbezüglichen Fließbett-Elektrodensysteme weisen die verschiedensten Anordnungen von Anoden und Kathoden auf, beispielsweise Seite an Seite, konzentrisch oder in parallelen Ebenen. Bei jeder dieser Anordnungen müssen die Hauptelektrode und die Hilfselektrode voneinander getrennt sein, um zwischen den entgegengesetzt geladenen Elektroden Kurzschlüsse zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird in der Regel eine poröse Membran verwendet, beispielsweise im Falle der Seite an Seite oder konzentrisch angeordneten Elektroden. Es ist aber auch möglich, die Hilfselektrode in einem ausreichenden Abstand oberhalb der Hauptelektrode (Fließbettelektrode) anzubringen, wie dies im Falle einer Anordnung in parallelen Ebenen der Fall ist.

Aus der US-Patentschrift 3 457 152 ist ein Elektrodensystem mit einer aus Teilchen bestehenden Hauptelektrode und einer Hilfselektrode für die Verwendung in einem Festbett- oder Fließbett-System bekannt. Die darin verwendete Hilfselektrode wird in eine poröse Membran eingesetzt, die ihrerseits in die teilchenförmige Hauptelektrode eingeführt wird. Dabei ist die poröse Membran nicht Teil der Hilfselektrode, sondern Teil des Zellenaufbaus.

Ein wesentlicher iv.chteil dieser bekannten Elcktri)dca.->ysteme ist der, daß durch die Verwendung einer porösen Membran zwischen der Hauptelektrode und der Hilfselektrode ein Abfand in der Größenordnung von 2,5 bh 5 cm vorliegt, der die Ursache für einen beträchtlichen Spannungsabfall innerhalb der Zelle ist, der einen wirtschaftlichen und störungsfreien Betrieb dieser Zelle verhindert.

Andererseits ist es erforderlich, das Teilchenbett, aus dem die Hauptelektrode besteht, in einem Fließzustand zu halten, weil durch die Erhöhung der Bewegung die an die Elektrodenoberfläche angrenzende Diffusionsschicht unterdrückt werden kann, so daß hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erzielbar sind, und andererseits dadurch eine Agglomerierung der Teilchen vermieden wird, die bei einer Metallabscheidung in den statischen Teil des Fließbettes als Folge einer Verschweißungswirkung auftreten würde. Wenn keien Metallabscheidung durch die elektrochemische Reaktion bewirkt wird, sondern eine partielle Reduktion oder Oxidation der Ionen zu verschiedenen Reduktions- oder Oxidationszuständen erfolgt, tritt keine Auflösung der Metalle ein, die das aus Einzelteilchen bestehende Fließbett bilden, oder tritt keine organisch-elektrochemische Oxidations- oder Reduktionsreaktion an der Oberfläche der Teilchen ein, die zu gasförmigen oder löslichen Produkten führt, dann brauchen die das Bett bildenden Teilchen nicht in einen Fließzustand versetzt zu werden. In diesem Falle kann das Festbett so beschaffen sein, daß es von der Fließrichtung des Elektrolyten durch die Zelle hindurch abhängig ist.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Festbettoder Fließbett-Elektrodensystem zu entwickeln, bei dem in einer eine Hauptelektrode und eine Hilfselektrode enthaltenden Kammer die Spannung herabgesetzt und außerdem der Energieverbrauch als Folge des Spannungsabfalls in der Lösung zwischen Anode und Kathode vermindert wird durch Verringerung des Abstandes zwischen Hauptelektrode und Hilfselektrode.

Diese Aufgabe wird mit einem Festbett- oder Fließbett-Elektrodensystem des eingangs genannten Aufbaus erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hilfselektrode, die in das teilchenförmige Material eingebettet ist, aus einem elektrisch leitenden Grundmaterial und einem elektrisch nicht-leitenden Gittermaterial besteht, das teilweise in das elektrisch leitende Grundmaterial eingebettet ist, wodurch die Hilfselektrode gegenüber der Hauptelektrode isoliert wird, wobei das elektrisch nicht-leitende Gittermaterial eine Maschenöffnung aufweist, die nicht mehr als der Hälfte der Größe der Teilchen des Fest- oder Fließbettes entspricht, so daß jeder physikalische Kontakt zwischen den Teilchen des Fest- oder Fließbettes und der Hilfselektrode vermieden wird.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene direkte Einführung der Hilfselektrode in die poröse Hauptelektrode ohne jeden Abstand dazwischen bei gleichzeitiger Gewährleistung, daß kein Kurzschluß zwischen den Elektroden auftritt, werden insbesondere die folgenden Vorteile erzielt:

(a) Der Abstand zwischen der Hilfselektrode und der Hauptelektrode wird so gering wie möglich gehalten, ohne daß ein elektrischer Kurzschluß zwischen den Elektroden auftreten kann;

(b) durch den geringen Abstand zwischen den beiden Elektroden wird der Spannungsabfall zwischen der Hauptelektrode und der Hilfselektrode minimal gdultcn;

(c) durch die Lunbettungstechnik kann die Hilfs-

lcktrodc auf einfache ^Wi- ? in die teilchenförmige Hauptelektrode eingeführt werden, wodurch der Aufbau des ElektrodcnsvsiLins ver-

einfacht wird; und

(d) da das Gittermaterial, welches den äußeren Abschnitt der Hilfselektrode bildet, mindestens zum Teil in die teilchenförmige Hauptelektrode eingebettet ist, wird die Gasentwicklung erleichtert, da nunmehr kein Raum mehr verfügbar ist, in dem das Gas eingeschlossen werden könnte. Auch können sehr feine Feststoffteilchen, die in der teilchenförmigen Hauptelektrode enthalten sein können, nicht hinter dem Gitter eingeschlossen werden, wenn dieses teilweise in die Hauptelektrode eingebettet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beseht das nicht-leitende Gittermaterial aus einem synthetischen organischen Fasergittertuch, bei dem es sich vorzugsweise um ein Gittertuch aus einem Polyamid, Polyester, Polyäthylen, Polypropylen oder Polytetrafluorethylen handelt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat die Hilfselektrode die Form eines Bleches.

Die erfindungsgemäß verwendete Hilfselektrode, die aus einem elektrisch leitenden Grundmaterial und einem elektrisch nicht-leitenden Gittermaterial besteht, kann direkt in die Fest- oder Fließbettelektrode (Hauptelektrode) eingeführt werden. Das elektrisch leitende Grundmaterial besteht gewöhnlich aus Blei oder Bleilegierungen, und außer der Form eines Bleches kann die Hilfselektrode auch jede andere beliebige Form haben, die an die geometrischen Anforderungen der Kammer angepaßt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fließbett-Elektrodensystems mit einer erfindungsgemäß verwendeten Hilfselektrode,

Fig. 2 eine andere Seitenansicht des Fließbett-Elektrodensysiems gemäß Fig. 1, die ebenfalls die erfindungsgemäß verwendete Hilfselektrode wiedergibt,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 durch die Fig. 1, und

Fig. 4 und 5 ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Hilfselektrode.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein erfindungsgemäßes Fließbett-Elektrodensystem, in dem eine erfindungsgemäß verwendete Hilfselektrode eingesetzt wird. Die Kammer besteht aus drei Gehäuseteilen 12, 14 und 16, die auf irgendeine geeignete Weise miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Bolzen 18. Die Abdichtungen erfolgen durch Dichtungen 20. Das Gehäuse kann natürlich auch aus einer geringeren oder größeren Anzahl von Teilen bestehen, und zwar je nach Größe der Kammer und je nach Herstellungsmöglichkeiten. Das Gehäuse besteht normalerweise aua einem elektrisch nicht-leitenden Material, das korrosionsbeständig ist, oder aus einem Metall, das zur elektrischen Isolierung mit einem elektrisch nicht-leitenden Material überzogen ist. Ein poröses unteres Stützelement 22 v-i ·■ ischen den Teilen 12 und 14 vorgesehen. Ein derartiges Stützelement wird dazu verwendet, eine poröse Platte 24 zu halten, die mit gestrichelten Linien dargestellt ist und aus einem nicht-leitenden Material, wie beispielsweise Polyäthylen oder Polypropylen, mit einer Maschengröße von nicht mehr als ungefähr der Hälfte der Größe der Teilchen des Bettes besteht. Das Bett 25 aus Einzelteilchen, welches die in einen Hießzustand versetzte Elektrode darstellt, wird von der porösen Platte 24 gehalten. Die Teilchen des Bettes können aus Kügelchen aus Metallen oder aus mit Metallen überzogenem Glas oder Kunststoff bestehen und einen Durchmesser zwischen 100 und 1000 um besitzen, und zwar je nach spezifischem Gewicht der Teilchen. Das Gehäuse wird von einem Deckel 28 verschlossen, welcher die Hilfselektroden sowie die Metallspeisekabel trägt, die in die Fließbettelektrode eingeführt werden. Die zu behandelnde Elektrolytlösung wird durch Einlasse 26 in die Kammer eingeführt und fließt aus der Kammer durch Auslässe. 36 ab, die in dem Bodenteil eines kleinen Behälters 38 vorgesehen sind, der mit der Kammer in Verbindung steht. Im Falle der dargestellten Ausführungsform wird eine solche Lösung auch zum Fluidisieren des Bettes verwendet. Eine getrennte Fluidisierung des Bettes kann jedoch auch in der Weise bewerkstelligt werden, wie dies in der DE-OS 2438831 beschrieben ist. Ein Gitter 40 trennt die Kammer von dem Behälter 38 und hält die Teilchen des Bettes in der Kammer zurück. Die Maschengröße des Gitters 40 sollt höchstens gleich der Hälfte des Durchmessers der Teilchen des Bettes sein.

Bei der durch die Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Ausführungsform ist die Hilfselektrode 30 mit einer positiven Spannungsquelle verbunden, während die Speisekabel 32 mit einer negativen Spannungsquelle in Verbindung stehen. Die Teilchen des Bettes bilden auf diese Weise die Kathode der Elektrolysezelle. Würden die Teilchen des Bettes die Anode der Zelle bilden, dann wären die Polaritäten natürlich umgekehrt.

Die Hilfselektrode 30 hat die Form eines Bleches und setzt sich aus einem Grundmaterial aus Blei oder einer Bleilegierung sowie einem nicht-leitenden Gittermaterial zusammen, das unter Druck auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgepreßt worden ist. Das nicht-leitende Gittermaterial kann aus einem Gittertuch aus einem synthetischen organischen Fasermaterial bestehen, das gegenüber der Elektrolytlösung widerstandsfähig ist, beispielsweise aus einem Polyamid, einem Polyester, einem Polyäthylen, einem Polypropylen oder Polytetrafluoräthylen. Während des Aufpressens muß dafür Sorge getragen werden, daß der Druck nur in der Weise ausgeübt wird, daß das Gittertuch nur zu ungefähr 50% in das Blei eingedrückt wird, damit verhindert wird, daß Teilchen des Bettes das Blei oder die Bleilegierung der Hilfselektrode kontaktieren. Gewöhnlich ist ein Druck von 175 bis 245 bar ausreichend, um eine entsprechende Bedrukkung oder Imprägnierung im Falle von reinen Bleihilfselektroden zu erzielen. Die Maschenöffnung des Tuchs hängt von der Größe der Teilchen des Fließbettes ab, sollte jedoch vorzugsweise nicht mehr als ungefähr die Hälfte der Größe der Teilchen des Fließbettes betragen. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, kann das Gittertuch 42 um das Grundmaterial kerumgewickelt und an der Stelle 44 angeleimt oder angebunden werden. Die Hilfselektrode wird anschließend zwischen zwei Walzen 46 durchgeführt, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind, so daß eine entsprechende Aufimprägnierung oder ein entsprechendes Aufdrücken erfolgt. Die in Ellechform hergestellte, mit einer Aufimprägnierung versehene Elektrode kann dann in jede gewünschte Form überführt werden, und zwar durch sorgfältiges Verformen, um sie den geometrischen Anforderungen der Kammer

anzupassen.

Es wurde gefunden, daß die vorstehend geschilderte, erfindungsgemäß verwendete Hilfselektrode eine Herabsetzung der Kammerspannung und damit eine Verminderung des Energieverbrauchs der Kammer ermöglicht. Bei Verwendung der vorstehend geschildertem imprägnierten Hilfselektrode wurde beispielsweise während der Durchführung von Versuchen zur elektrischen Gewinnung von Kupfer aus verdünnten Lösungen en Energieverbrauch von 1,2 bis 1,6 kWh/450 g gemessen, während bei Einsatz der gleichen Elektrolytlösung, jedoch unter Verwendung üblicher Elektroden, die oberhalb des Bettes angebracht waren, der Energieverbrauch 4,9 kWh/450 g betrug.

Wenn auch die erfindungsgemäß verwendete Hilfselektrode vorstehend im Zusammenhang mit einem Fließbett-Elektrodensystem beschrieben worden ist, so kann sie selbstverständlich auch in einem Festbett-Elektrodensystem eingesetzt werden, in dem die Teilchen des Bettes nicht in einen Fließzustand versetzt werden müssen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Festbett- oder Fließbett-Elektrodensystem aus einer Kammer, einer in der Kammer enthaltenen Hauptelektrode aus einem teilchenförmigen Material und einer Hilfselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode, die in das teilchenförmige Material eingebettet ist, aus einem elektrisch leitenden Grundmaterial und einem elektrisch nicht-leitenden Gittermaterial besteht, das teilweise in das elektrisch leitende Grundmaterial eingebettet ist, wodurch die Hilfselektrode gegenüber der Hauptelektrode isoliert wird, wobei das elektrisch nicht-leitende Grundmaterial eine Maschenöffnung aufweist, die nicht mehr als der Hälfte der Größe der Teilchen des Fest- oder Fließbettes entspricht, so daß jeder physikalische Kontakt zwischen den Teilchen des Fest- oder Fließbettes und der Hilfselektrode vermieden wird.