DE2735239A1 - Elektrode - Google Patents
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Description
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Mappe 24315
IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED London / Großbritannien
Elektrode
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Sie Erfindung betrifft eine Elektrode und eine diese enthaltende
Elektrolysezelle» insbesondere eine Elektrode für eine monopolare Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ» die
sich für die Elektrolyse wäßriger Lösungen von Alkalihalogeniden» insbesondere Alkalichloriden (Chloralkalielektrolyse)
eignen.
Monopolare Filterpressen-Elektrolysezellen weisen bekanntlich eine Endanode» eine Endkathode und mehrere alternierend
zwischen den beiden endständigen Elektroden angeordnete Kathoden und Anoden auf. Zwischen Jeder benachbarten
Anode und Kathode befindet sich eine Trenn- bzw. Scheidewand (z.B. ein Diaphragma oder eine Membran), welche die
Zelle in mehrere Anoden- bzw. Kathodenkammern unterteilt. Jede Anodenkammer besitzt einen Einlaß, durch welchen der
Elektrolyt eingespeist werden kann» sowie einen Auslaß oder mehrere Auslässe, durch den (die) Flüssigkeiten und Gase
abgeführt werden können. Analog weist jede Kathodenkammer einen Auslaß oder mehrere Auslässe sowie nötigenfalls einen
Einlaß auf, durch welchen sie mit Flüssigkeit (z.B. Wasser) beschickt werden kann. Sie Anoden der Zelle sind ferner jeweils
mit Anschlüssen bzw. Verbindungen für die Stromzufuhr zur Zelle ausgestattet, während die Kathoden jeweils Verbindungen
für die Stromableitung von der Zelle aufweisen.
Beim Betrieb einer Diaphragmen- oder Membranen-Zelle des monopolaren Fllterpressen-Typs ist es von Vorteil, mit
einer möglichst geringen Distanz zwischen einer Anode und der benachbarten Kathode (dem Anode/Kathode-Abstand bzw.
-Spalt) zu arbeiten, um die Ohmschen Verluste (und damit die Zellenspannung) bei einem Minimalwert zu halten. Monopolare
Zellen jüngerer Bauweise beinhalten eine Anode, die zweckmäßig die Form einer Platte aus einem filmbildenden
Metall (gewöhnlich Titan) mit einem elektrokatalytisch akti-
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ven Überzug (z.B. aus einem Platingruppenmetalloxid) aufweist» sowie eine Kathode» die zweckmäßig die Form einer
perforierten (z.B. mit Löchern versehenen) Platte aus einem Metall (gewöhnlich Flußstahl) besitzt.
Die Diaphragmen oder Membranen stehen im allgemeinen in Kontakt mit der durchlöcherten Kathode. Um einen geringen
Anode/Kathode-Abstand zu wahren» ohne gleichzeitig das Diaphragma oder die Membran zu schädigen» muß sorgfältig
darauf geachtet werden, Anoden mit einem geeigneten Grad von Ebenheit zu erzeugen und diese ebene Form bei der
Hitzebehandlung im Rahmen der Aufbringung eines elektrokatalytisch
aktiven Überzugs auf die Anode beizubehalten. Ferner muß beim Einbau der Elektroden in eine Elektrolysezelle
sehr darauf geachtet werden» daß die Diaphragmen oder Membranen nicht beschädigt werden.
Die Erfinder haben nunmehr eine für eine monopolare Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ geeignete Anode
entwickelt» die die Anwendung sehr geringer oder sogar Null betragender Anode/Kathode-Abstände in solchen Zellen
ohne Schädigung der Diaphragmen oder Membranen gestattet.
Gegenstand der Erfindung ist eine für eine moriopolare
Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ geeignete Elektrode»
die eine Gruppe von länglichen Metallelementen aufweist, welche elektrisch leitend derart an mindestens einer Oberfläche
eines Metallblechs bzw. einer Metallplatte angebracht sind und von dieser Oberfläche abstehen bzw. vorspringen»
daß ein Teil der Elemente in einer seitlich im Abstand von der Blech- bzw. Plattenoberfläche liegenden und
zu dieser Oberfläche im wesentlichen parallel verlaufenden Ebene liegt» wobei die Elemente flexibel ausgebildet sind.
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gesetzt werden sollt besteht sie zweckmäßig aus einem filmbildenden Metall» d.h. einem der Metalle Titan» Zirkonium»
Niob» Tantal oder Wolfram oder einer Legierung» die hauptsächlich aus einem dieser Metalle besteht und Polarisationseigenschaften aufweist» welche mit jenen des entsprechenden
Metalls vergleichbar sind bzw. diesen Eigenschaften ungefähr entsprechen. Man verwendet vorzugsweise Titan allein
oder eine Titanlegierung mit entsprechenden Polarisationseigenschaften wie Titan. Beispiele für solche Legierungen
sind Titan/Zirkonium-Legierungen mit bis zu 14 # Zr» Titanlegierungen mit bis zu 5 1* eines Platingruppenmetalls (wie
Pt» Rh oder Ir) sowie Legierungen von Titan mit Niob oder Tantal» die bis zu 10 £ des Legierungsbestandteile enthalten. Wenn die Elektrode als Anode dienen soll» wird sie
zweckmäßigerweise auch mit einem elektrokatalytisch aktiven
Oberzug versehen.
Wenn die Elektrode als Kathode in einer Elektrolysezelle eingesetzt werden soll» kann für sie ein beliebiges» geeignetes Metall» das von dem filmbildenden Metall der Anode
verschieden ist» verwendet werden» vorausgesetzt» daß das Metall eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist
und gegenüber dem in der Elektrolysezelle zu verwendenden Elektrolyt resistent ist. Wenn die Elektrode als Kathode in
einer Zelle zur Elektrolyse von wäßrigen Alkalihalogenidlösungen dienen soll» eignet sich als Elektrodenmetall
Eisen oder Stahl (z.B. Flußstahl); man kann jedoch auch andere Metalle» wie Nickel» verwenden.
Die länglichen Elemente der Elektrode weisen vorzugsweise die Form von Drähten oder Stäben bzw. Stangen auf. Sie
können durch Einstellung ihrer Form und Abmessungen (z.B. der Sicke) flexibel bzw. biegsam eingestellt werden. Im
wesentlichen gerade Drähte oder Stäbe» die an einem Ende nahe der Stelle der Anbringung am Metallblech der Elektrode
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gebogen bzw. gekrümmt sind» können z.B. praktisch steif sein, während man für Flexibilität sorgen kann» indem man
die Drähte oder Stäbe an zwei oder mehr Stellen (beispielsweise zu Schleifen) biegt. Die Flexibilität des Drahts oder
Stabes ist ferner umso größer» je geringer seine Dicke
ist.
Die Drähte oder Stäbe weisen zweckmäßig Dicken von 1 bis 6 mm» vorzugsweise von 2 bis 4 mm» z.B. von 3 mm» auf.
Wenn die Elektrode als Endanode in einer Elektrolysezelle eingesetzt werden soll» wird lediglich eine Seite des Metallblechs
mit einer Gruppe von länglichen» flexiblen Metallelementen ausgestattet; analoges gilt für den Fall» daß
die Elektrode als Endkathode dienen soll.
Die erfindungsgemäßen Elektroden können als mindestens eine
der Elektrodenarten (d.h. als Anode und/oder Kathode) alternierend in der Elektrolysezelle zwischen der Endanode
und -kathode verwendbar sein. In diesem Falle sind zweckmäßig beide Oberflächen des Metallbleche mit einer Gruppe
von länglichen Metallelementen ausgestattet» die elektrisch leitend an der Blechoberfläche angebracht sind und von dieser
Oberfläche abstehen bzw. vorspringen und in Ebenen liegen» die praktisch parallel zu und seitlich im Abstand von
den Oberflächen des Bleche verlaufen» wobei die länglichen Elemente in mindestens einer der Gruppen flexibel ausgebildet
sind. Die länglichen Elemente können in den betreffenden Gruppen auf beiden Seiten des Blechs flexibel sein;
gewünschtenfallβ kann man jedoch auch nur die Elemente
einer Gruppe flexibel und die Elemente der anderen Gruppe steif ausbilden. Wenn die länglichen Metallelemente einer
Gruppe steif sind» besitzen sie zweckmäßig die Form von steifen bzw. starren Drähten oder Stäben; man kann jedoch
auch andere Arten von steifen bzw. starren Elementen einsetzen (insbesondere im Falle von Anoden)» beispielsweise
Schaufeln bzw. Blätter» mit Schlitzen versehene Elemente
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(z.B. jalousieartig ausgebildete Elemente) oder Streckmetall (expandiertes Metall).
Wenn die erfindungsgemäßen Elektroden in der vorstehend beschriebenen Weise in einer Elektrolysezelle eingesetzt werden» weisen die als Kathoden dienenden Elektroden vorzugsweise
eine Gruppe von flexiblen Elementen an einer Oberfläche des Metallblechs der Elektrode (im Falle einer Endkathode) oder
eine Gruppe von flexiblen Elementen an beiden Oberflächen des Metallblechs (im Falle einer inneren Kathode) auf. Bei einer
solchen Elektrolysezelle können die länglichen Elemente der als Anode eingesetzten Elektrode steif bzw. starr sein. Eine
derartige Anordnung wird bevorzugt, da man im Hinblick auf den höheren Preis des für die Anode verwendeten filmbildenden Metalls im Verhältnis zum Kathodenmetall (z.B. Eisen oder
Stahl) und die im allgemeinen geringere Leitfähigkeit der filmbildenden Metalle möglichst kurze Elemente aus dem filmbildenden Metall verwendet, die wegen ihrer relativen Kürze im allgemeinen steif sind. Wahlweise können die länglichen Elemente
an der Anode ebenfalls flexibel sein.
Da die als Anode und/oder Kathode einer Elektrolysezelle verwendeten erfindungsgemäßen Elektroden mindestens eine Gruppe
von flexiblen länglichen Elementen aufweisen, können die Elektroden in einer Weise in die Zelle eingebaut werden» daß
das zwischen den Elektroden befindliche Diaphragma oder die entsprechende Membran nur wenig oder gar nicht beschädigt
wird» wenn die Elemente mit dem Diaphragma oder der Membran in Berührung kommen. Im Falle eines Kontakte kann die Schädigung des Diaphragmas oder der Membran vermindert oder sogar
vermieden werden» da die länglichen Elemente dazu in der Lage sind» sich in Richtung des einen Teil der Elektrode bildenden Metallblechs zu verbiegen.
In der Elektrode ist vorzugsweise ein wesentlicher Teil jedes der länglichen Elemente seitlich im Abstand vom und im wesent-
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lichen parallel zum Metallblech der Elektrode angeordnet. Die in einer Ebene liegenden Teile der länglichen Elemente
verlaufen vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander.
Die länglichen Elemente können am Metallblech der Elektrode durch Schweißung (beispielsweise Kondensatorentladungsschweißung)
befestigt werden.
Wenn die Elektrode als Anode in einer Zelle zur Elektrolyse von wäßrigen Alkalihalogenidlösungen eingesetzt werden sollt
wird sie zweckmäßig mit einem elektrokatalytisch aktiven Überzug versehen» d.h. einem Überzug, der gegenüber dem
elektrochemischen Angriff widerstandsfähig, jedoch hinsichtlich des Elektronentransports zwischen dem Elektrolyt
und der Anode aktiv ist. Zumindest jene Teile der länglichen Elemente der Anode, die seitlich im Abstand vom Metallblech
(z.B. aus einem filmbildenden Metall) angeordnet sind, tragen vorteilhafterweise einen elektrokatalytisch
aktiven Überzug. Nach Bedarf kann die Gesamtheit der länglichen Elemente und gegebenenfalls auch das Metallblech
einen elektrokatalytisch aktiven überzug aufweisen.
Das elektrokatalytisch aktive Material besteht zweckmäßig aus mindestens einem Platingruppenmetall, d.h. Platin»
Rhodium, Iridium, Ruthenium Osmium und Palladium und/oder Legierungen dieser Metalle und/oder deren Oxiden, oder
einem anderen Metall oder einer Verbindung, das (die) als Anode wirken kann und gegenüber der elektrochemischen Auflösung
in der Zelle widerstandsfähig ist; Beispiele für diese Substanzen sind Rhenium, Rheniumtrioxid, Magnetit·
Titannitrid und die Boride, Phosphide und Silicide der Platingruppenmetalle. Der Überzug kann aus einem oder mehreren
Platingruppenmetall(en) und/oder deren Oxiden im Gemisch mit einem oder mehreren Nicht-Edelmetalloxid(en) bestehen.
Wahlweise kann der Überzug aus einem oder mehreren
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Nicht-Edelmetalloxid(en) allein oder einem Gemisch von einem
oder mehreren Nicht-Edelmetalloxid(en) und einem Nicht-Edelmetall-Chlorid-Entladungskatalysator
bestehen. Geeignete Nicht-Edelmetalloxide sind z.B. Oxide der filmbildenden Metalle
(Titant Zirkoniunif Niob, Tantal oder Wolfram), Zinndioxid,
Germaniumdioxid und Antimonoxide. Beispiele fUr geeignete Chlorentladungskatalysatoren sind die Difluoride
von Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel sowie Gemische davon. Erfindungsgemäß besonders gut geeignete elektrokatalytisch
aktive Überzüge beinhalten Platin selbst oder basieren auf Rutheniumdioxid/Titandioxid oder Rutheniumdioxid/Zinndioxid/Titandioxid.
Weitere Beispiele für geeignete Überzüge sind in der GB-PS 1 402 414 und in der GB-Patentanmeldung 49898/73
(BE-PS 821 470) beschrieben. Bei diesen Überzügen ist ein nicht-leitendes, teilchenförmiges oder faseriges, hitzebeständiges
Material in einer Matrix aus einem elektrokatalytisch aktiven Material (des vorgenannten Typs) eingebettet.
Geeignete nicht-leitende, teilchenförmige oder faserige Materialien sind z.B. Oxide, Fluoride, Nitride
und Sulfide. Beispiele für geeignete Oxide (einschließlich komplexer Oxide) sind Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid,
Siliciumdioxid, Thoriumoxid, Titandioxid, Cer(IV)-oxid, Hafniumoxid, Ditantalpentoxid, Magnesiumaluminat (z.B.
Spinell MgO.Al2O5), Aluminiumsilikate (z.B. Müllit
(Al2O,),(SiO2)2), Zirkoniumsilikat, Glas, Calciumsilikat
(z.B. Bellit (CaO)2SiO2), Calciumaluminat, Calciumtitanat
(z.B. Perovskit CaTiO,), Attapulgit, Kaolinit, Asbest, Glimmer, Codierit und Bentonit. Ein Beispiel für geeignete
Sulfide ist Dicertrisulfid. Beispiele für geeignete Nitride
sind Bornitrid und Siliciumnitrid, während Calciumfluorid ein Beispiel für ein geeignetes Pluorid darstellt. Als
nicht-leitendes, hitzebeständiges Material bevorzugt wird ein Gemisch aus Zirkoniumsilikat und Zirkoniumoxid, z.B.
aus Zirkoniumsilikatteilchen und Zirkoniumoxidfasem.
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Jene Teile der erfindungsgemäßen Elektroden» die mit einem
elektrokatalytisch aktiven Überzug versehen werden sollen»
können nach der Anstrich- und Brennmethode beschichtet werden. Bei dieser Methode wird ein Überzug aus einem Metall
und/oder Metalloxid auf der Elektrodenoberfläche (z.B. der Oberfläche der flexiblen länglichen Elemente)
erzeugtf indem man eine Schicht eines Anstrich- bzw.
Überzugsmittels, welches thermisch zersetzliche Verbindungen
jedes der für den fertigen Überzug vorgesehenen Metalle in einem flüssigen Medium enthält* auf die Oberfläche
der Elemente aufbringt, die Anstrichmittelschicht durch Abdampfen des flüssigen Mediums trocknet und die getrocknete
Schicht durch Erhitzen der überzogenen Elektrode (zweckmäßig auf 250 bis 8000C) brennt, um die Metallverbindungen
des Anstrichmittels zu zersetzen und den gewünschten Überzug herzustellen. Wenn hitzebeständige Teilchen oder
Fasern im Metall und/oder Metalloxid des Überzugs eingebettet werden sollen, kann man diese Teilchen oder Fasern in
das vorgenannte Anstrich- bzw. Überzugsmittel vor dessen Aufbringung auf die Elektrode einmischen. Wahlweise können
die hitzebeständigen Teilchen oder Fasern auf eine Schicht des Anstrichmittels aufgebracht werden, während dieses sich
noch im fließfähigen Zustand auf der Elektrodenoberfläche befindet. Die Anstrichmittelschicht wird dann durch Abdampfen
des flüssigen Mediums getrocknet und in üblicher Weise gebrannt.
Der elektrokatalytisch aktive Überzug der Elektrode wird vorzugsweise durch Aufbringung mehrerer Anstrichschichten
auf die Elektrode, wobei jede Schicht vor der Aufbringung der nächsten Schicht getrocknet und gebrannt wird, aufgebaut.
Sie Erfindung betrifft ferner eine monopolare Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ mit
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a) einer End-Metallanode (z.B. aus einem filmbildenden Metall)» die an einer Oberfläche einen elektrokatalytiech
aktiven überzug aufweiet»
b) einer End-Metallkathode (z.B. aus Eisen oder Stahl)»
die zur Anode im wesentlichen parallel ist· und
c) einer Trenn- bzw. Scheidewand (z.B. einem Diaphragma oder einer Kationenaustauschmembran)» die zwischen der
Anode und der Kathode angeordnet ist und dadurch eine Anoden- und Kathodenkammer bildet»
wobei die Anode und/oder die Kathode aus einem Metallblech besteht (bestehen)» das eine Gruppe von länglichen Metallelementen aufweist» die elektrisch leitend derart an einer
Oberfläche des Metallblechs angebracht sind und von dieser Oberfläche vorspringen» daß ein Teil der Elemente in einer
seitlich im Abstand von und im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Blechs verlauf enden Ebene liegt, wobei die Elemente
flexibel sind und die Anodenkammer einen Einlaß für den Elektrolyt und Auslässe für Flüssigkeiten und Grase und die Kathodenkammer Auslässe fUr Flüssigkeiten und Gase aufweisen.
Die Elektrolysezelle kann mindestens eine innere Kathode und mindestens eine innere Anode» die alternierend zwischen und im wesentlichen parallel zur Endanode und Endkathode angeordnet sind» sowie eine Trenn- bzw. Scheidewand (z.B. ein Diaphragma oder eine Membran)» die zwischen
jeder benachbarten Anode und Kathode angeordnet ist» so daß in der Zelle mehrere Anoden- und Kathodenkammern geschaffen werden» aufweisen.
Die Anoden und Kathoden können beliebige der hier beschriebenen Formen aufweisen.
Die Trennwand kann ein poröses Diaphragma oder eine Kationenau8tau8chmembran sein.
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Man kann jedes beliebige· geeignete Diaphragmamaterial einsetzen;
vorzugsweise verwendet man jedoch Diaphragmen auβ
porösen Fluorpolymeren, z.B. Polytetrafluoräthylen. Geeignete Diaphragmen können aus wäßrigen Dispersionen von Polytetrafluoräthylen
und einem entfernbaren Füllstoff nach den in den GB-PSen 1 081 046 und 1 424 804 beschriebenen
Methoden hergestellt werden. Man kann den Füllstoff vor dem Einbau des Diaphragmas in die Zelle entfernen» z.B.
durch Behandlung des Diaphragmas mit einer Säure zur Auflösung des Füllstoffs. Wahlweise kann der Füllstoff vom
Diaphragma in situ in der Zelle abgetrennt werden; vgl. z.B. die GB-PS 1 468 355. gemäß welcher der Füllstoff entweder
mit Hilfe einer einen Korrosionsinhibitor enthaltenden Säure herausgelöst oder elektrolytisch beseitigt wird.
Wahlweise kann das Diaphragma aus Flächengebilden bzw. Folien aus einem porösen Polymeren bestehen» das von Tetrafluoräthylen
abgeleitete Einheiten enthält und eine durch über Fibrillen verbundene Knoten gekennzeichnete Mikrostruktur
aufweist. Dieses Polymere und seine Herstellung sind in der GB-PS 1 355 373 beschrieben; die Verwendung
des Polymeren als Diaphragma in Elektrolysezellen wird in den GB-Patentanmeldungen 23275/74 und 23316/74
(BE-PS 829 3&8) erläutert.
Das Diaphragma kann auch nach einem elektrostatischen Spinnverfahren
erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist in der GB-Patentanmeldung 41273/74 (BE-PS 833 912) beschrieben.
Bei dieser Methode wird eine Spinnflüssigkeit, die ein organisches faserbildendes Polymeres (z.B. ein fluorhaltigee
Polymeres, wie Polytetrafluoräthylen) enthält, in ein elektrisches Feld eingeführt, wodurch Fasern aus der Flüssigkeit
zu einer Elektrode abgezogen werden. Die auf diese Weise an der Elektrode erzeugten Fasern werden in Form
eines porösen Produkte oder einer Matte gesammelt.
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Für die Membran eignet sich jedes beliebige Kationenaustauschmembranmaterial. Diese Materialien sind im allgemeinen synthetische organische Polymere» auf die Kationenaus tauechgruppen (z.B. Sulfonat-, Carboxylat- oder SuIfonamidgruppen) aufgepfropft wurden. Besondere gut geeignet
sind synthetische Fluorpolymere» die den in der Zelle herrschenden Bedingungen langzeitig widerstehen» beispielsweise die von E.I. Du PONT DE NEMOURS AND COMPANY
unter dem Warenzeichen "NAFION" in den Handel gebrachten und auf Cοpolymeren von Tetrafluoräthylen und fluorhaltigen Vinyläthern basierenden Perfluorsulfonsäuremembranen.
Solche Membranen sind z.B. in den US-PSen 2.636 851.
3 017 338, 3 496 077. 3 560 568, 2 967 807 und 3 282 875
sowie in der GB-PS 1 184 321 beschrieben.
Venn die Zelle mit einer Katlonenaustauschmembran ausgestattet ist, weisen die Kathodenkammemjeweils einen Flüssigkeit seinlaß auf.
Der Anode/Kathode-Abstand beträgt zweckmäßig 3 mm bis zum Nullwert, vorzugsweise 1 mm bis zum Nullwert. Wenn der
Anode/Kathode-Abstand null beträgt, stehen die länglichen Elemente der Anoden und der Kathoden (d.h. der zwischen der Endanode und Endkathode befindlichen Anoden und Kathoden sowie der
Endanode und Endkathode) in Kontakt mit den angrenzenden Trennwänden.
Ein Vorteil der Erfindung bei Verwendung von Membranen (z.B. "NAFION") besteht darin, daß die Membran zwischen
den länglichen Elementen der Anode und der Kathode unterstützt werden kann, wodurch verhindert wird, daß sich die
Membran übermäßig verformt, wenn bei ihrem Einsatz in
einer Elektrolysezelle eine Quellung erfolgt.
Sie Endanode und -kathode sowie die innere(n) Anode(n) und.
Kathode(n) der Zelle können mit beliebigen, zweckmäßigen Mit-
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teln (z.B. Schrauben, Klammern oder hydraulischen oder pneumatischen
Vorrichtungen) zusammengehalten werden.
Die Elektrolysezelle eignet eich insbesondere für die Herstellung
von Chlor durch Elektrolyse von wäßrigen Alkalichloridlösungen, insbesondere Natriumchloridlösungen
(Chloralkalielektrolyse).
Die Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Von diesen zeigen:
Fig. 1 einen Aufriß (im Querschnitt) eines Teils einer erfindungsgemäßen Elektrode;
Fig. 2 eine bildliche Darstellung einer Seite der in Fig.1
gezeigten Elektrode;
Fig. 3 einen Aufriß (im Querschnitt) eines Teils einer abgewandelten erfindungsgemäßen Elektrode;
Fig. 4 einen Aufriß (im Querschnitt) eines Teils einer
monopolaren Elektrolysezelle, die eine Elektrode der in Fig. 1 dargestellten Art enthält; und
Fig. 5 einen Aufriß (im Querschnitt) eines Teils einer monopolaren Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ,
die eine Elektrode des in Fig. 1 gezeigten Typs und eine Elektrode dee in Fig. 3 gezeigten
Typs enthält.
Die in Fig. 1 gezeigte Elektrode, welche eine Ausführungsform einer als Endkathode in einer monopolaren Elektrolysezelle
einsetzbaren Elektrode darstellt» enthält ein Blech aus Eisen oder Stahl und mehrere 3 mm dicke Eisen- oder
Stahldrähte 2» die durch Kondeneatorentladunge-Bolzenechweie-
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sung bei 3 mit dem Blech 1 verbunden wurden. Sie Drähte besitzen gerade Teile 4» 5 und 6 sowie Krümmungen bei 7 und 8»
die eine dem Draht Flexibilität verleihende Schleife bilden. Die geraden Teile 4* 5 und 6 liegen jeweils in einer Sbene»
verlaufen praktisch parallel zur Oberfläche des Blechs 1 und sind seitlich im Abstand zu diesem angeordnet. Gemäß
Fig. 2 weist die Elektrode eine Gruppe von praktisch parallel zueinander verlaufenden und in fünf Reihen angeordneten länglichen Elementen auf.
Die In den Fig. 1 und 2 gezeigte Elektrode kann eine Anode
sein» welche zur Verwendung in einer monopolaren Elektrolysezelle geeignet ist; in diesem Falle bestehen das
Blech 1 und die Drähte 2 aus einem filmbildenden Metall (z.B. Titan) und zumindest die geraden Teile 4 weisen
einen elektrokatalytisch aktiven Überzug auf.
Die in Flg. 3 gezeigte Elektrode» welche eine Aueführungeform einer in einer monopolaren Elektrolysezelle als innere
Kathode einsetzbaren Elektrode darstellt, besteht aus einem Blech 9 aus Elsen oder Stahl» das an beiden Seiten bzw.
Oberflächen mit mehreren Eisen- oder Stahldrähten 10» 11 des im Hinblick auf Flg. 1 beschriebenen Typs ausgestattet ist,
wobei die Schleifen in den Drähten für Flexibilität sorgen. Wie im Falle der in Fig. 1 gezeigten Elektrode kann auch
die Elektrode von Fig. 3 als Anode in einer monopolaren Elektrolysezelle eingesetzt werden; in diesem Falle bestehen das Blech 9 und die Drähte 10» 11 aus einem filmbildenden Metall (z.B. Titan)» wobei die Drähte einen
elektrokatalytisch aktiven überzug aufweisen.
Flg. 4 zeigt einen Teil einer monopolaren Elektrolysezelle mit einer Anode in Form eines Titanblechs 12» das mehrere
3 mn starke» praktisch steife Titandrähte 13 trägt» welche gerade Teile 14 aufweisen» die in einer seitlich im Abstand
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vom Blech 12 befindlichen und zu diesem Blech praktisch parallel verlaufenden Ebene liegen. Die Drähte 13 weisen
keine Schleife auf und sind relativ steif bzw. starr. Die geraden Teile 14 weisen einen elektrokatalytiech aktiven
Überzug auf. Die Zelle enthält ferner eine Kathode 15 aus Eisen oder Stahl des im Hinblick auf Fig. 1 beschriebenen
Typs.
Zwischen den Drähten der Anode 12 und den Drähten der Kathode
15 befindet sich eine Trennwand 16f die mit den Drähten
in Kontakt stehen kann und die Zelle in eine gesonderte Anoden- und Kathodenkammer unterteilt. Die Trennwand kann
ein poröses Diaphragma oder eine Kationenaustauschmembran darstellen.
Fig. 5 zeigt eine monopolare Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typt
die eine Endanode 17 (mit derselben Bauart wie die im Hinblick auf Fig. 4 beschriebene Anode) und
eine Endkathode 18 (mit derselben Bauart wie die im Hinblick auf die Fig. 1 und 2 beschriebene Kathode) aufweist.
Zwischen der Endanode und -kathode befinden sich eine Kathode 19 (mit derselben Bauart wie die im Hinblick
auf Fig. 3 beschriebene Kathode) und eine Anode aus einem Titanblech 20, das an beiden Oberflächen bzw. Seiten
mehrere 3 mm starke, praktisch steife Titandrähte 21, 22 trägt, welche gerade Teile 23, 24 aufweisen, die in seitlich
im Abstand vom Blech 20 befindlichen und praktisch parallel zu diesem Blech verlaufenden Ebenen liegen und einen
elektrokatalytlsch aktiven Überzug aufweisen.
Zwischen den Drähten von benachbarten Anoden und Kathoden befinden sich Trennwände 25, 26 und 27, welche die Zelle in
gesonderte Anoden- und Kathodenkammern unterteilen. Obwohl dies in Fig. 4 nicht gezeigt wird, werden die Anodenkammern
beim Gebrauch verbunden und mit Einlassen für den Elektrolyt
sowie Auslässen für Flüssigkeiten und Gase ausgestattet»
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während die Kathodenkammern verbunden und mit Auslässen
für Flüssigkeiten und Gase sowie gegebenenfalls Einlassen für Flüssigkeiten versehen werden. Außerdem wird jede Anode
mit einem Anschluß- bzw. Verbindungselement (nicht dargestellt) ausgestattet, die zu einer Stromquelle führt, während jede Kathode mit einem Anschluß- bzw. Verbindungselement (nicht dargestellt) für die Stromableitung von der
Zelle versehen wird.
Die Trennwand kann ein poröses Diaphragma oder eine Kationenaue tauschmemb ran sein.
Die Erfindung wird durch das nachstehende Beispiel näher
erläutert.
Eine Labor-Membranen-Zelle des teilweise in Fig. 4 gezeigten Typs wird zusammengebaut. Die Anode besteht aus einem
970,5 mm langen und 300 mm breiten Titanblech, das an einer
Seite sechs Reihen von Titandrähten aufweist. Jede Reihe enthält 32 Drähte, und jeder Draht weist einen 154 mm langen, geraden Teil mit einem Durchmesser von 3 mm auf. Die
Drähte sind mit einem elektrokatalytisch aktiven überzug
versehen.
Die Kathode besteht aus einem Flußstahlblech mit fünf Reihen von flexiblen, mit Schleifen versehenen Flußstahldrähten eines Durchmessers von 3 mm (jede Reihe weist 32 Drähte
auf). Die Schleifen verleihen den Drähten Flexibilität. Die Abstände zwischen dem Titanblech 12 und der Membran 16 (d.h.
die Breite der Anodenkammer) sowie zwischen dem Flußstahlblech 15 und der Membran 16 (d.h. die Breite der Kathodenkammer) betragen jeweils 28 mm.
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Die Membran 16 ist eine Perfluorsulfoneäuremembran auf der Grundlage von Copolymeren von Tetrafluoräthylen und fluorhaltigen Vinyläthern (Handelsprodukt 11NAPION11 von DU PONT).
Die Membran grenzt sowohl an die Kathode als auch an die Anode an, d.h. der Anode/Kathode-Abetand beträgt null.
Man beschickt die Anodenkammer bei einem Durchsatz von 6 Ltr./Std. mit Natriumchloridlösung (NaCl-Konzentration
300 g/Ltr.). In die Kathodenkammer speist man entionisiertes Wasser ein. Die Temperatur der Zelle wird bei 850C gehalten.
Man leitet einen Strom von 300 A (entsprechend einer Stromdichte von 1,8 kA/m ) durch die Zelle. Die Zellenbetriebsspannung beträgt 2,9 V. Das erzeugte Chlorgas enthält
94 Gew.-Jt Cl2 und weniger als 0,1 Gew.-36 Hg. Die hergestellte Natronlauge enthält 10 Gew.-^ NaOH. Die Zelle arbeitet bei einer Natriumhydroxid-Stromauebeute von 86 Ί».
Die Membran wird durch die Drähte der Anode und Kathode nicht beschädigt.
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Claims (29)
1. Elektrode mit Eignung zur Verwendung in einer monopolaren
Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ mit einer Gruppe von länglichen Metallelementen (2; 10,
11), die elektrisch leitend derart an mindestens einer Oberfläche eines Metallblechs (1; 9) angebracht
sind und von diesem Blech vorspringen» daß ein Teil der Elemente in einer seitlich im Abstand von der und
im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Blechs (1» 9) verlauf enden Ebene liegt, wobei die Elemente (2;
10» 11) flexibel sind.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß sie eich als Anode eignet und aus einem filmbildenden
Metall besteht.
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Metall Titan ist.
4. Elektrode nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet,
daß sie einen elektrokatalytisch aktiven Überzug
aufweist.
5. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich al8 Kathode eignet und aus Eisen oder Stahl
besteht.
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6. Elektrode nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet» daß die länglichen Elemente (2; 10» 11) die Form von
Drähten oder Stäben aufweisen.
7. Elektrode nach Anspruch 6» dadurch gekennzeichnet» daß
die Drähte oder Stäbe Schleifenform aufweisen.
8. Elektrode nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet» daß die Stäbe oder Drähte eine Dicke von 1 bis 6 mm aufweisen.
9. Elektrode nach Anspruch 8» dadurch gekennzeichnet» daß die Drähte oder Stäbe eine Dicke von 2 bis 4 mm aufweisen.
10. Elektrode nach Anspruch 1 bis 4 oder 6 bis 9» dadurch gekennzeichnet» daß sie sich als Endanode fUr eine monopolare
Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ eignet und auf einer Seite bzw. Oberfläche des Metallblechs (1)
eine Gruppe von länglichen» flexiblen Metallelementen (2) aufweist.
11. Elektrode nach Anspruch 1 oder 5 bis 9» dadurch gekennzeichnet»
daß sie sich als Endkathode für eine monopolare Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ eignet
und auf einer Seite bzw. Oberfläche des Metallblechs (9) eine Gruppe von flexiblen» länglichen Metallelementen
(10, 11) aufweist.
12. Elektrode nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet» daß beide Oberflächen des Metallblechs (9) jeweils
mit einer Gruppe von länglichen Metallelementen (10» 11) ausgestattet sind» die elektrisch leitend an
den Oberflächen des Blechs (9) angebracht sind und von diesen Oberflächen vorspringen sowie in im wesentlichen
parallel zu und seitlich im Abstand von den Oberflächen
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des Blechs verlaufenden Sbenen liegen» wobei die länglichen Elemente (10» 11) in mindestens einer der Gruppen
flexibel sind.
13. Elektrode nach Anspruch 12» dadurch gekennzeichnet» daß die länglichen Elemente (10» 11) in einer Gruppe steif
und in der anderen Gruppe flexibel sind.
14. Elektrode nach Anspruch 12» dadurch gekennzeichnet» daß
die länglichen Elemente (10» 11) in beiden Gruppen flexibel sind.
15. Elektrode nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet» daß
sie sich als Kathode für eine monopolare Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ eignet.
16. Elektrode nach Anspruch 1 bis 15» dadurch gekennzeichnet»
daß die in einer Ebene liegenden Teile der länglichen Elemente (2; 10» 11) im wesentlichen parallel zueinander
verlaufen.
17. Elektrode nach Anspruch 1 bis 16» dadurch gekennzeichnet» daß sie durch Kondensatorentladungsschweißung am Blech
(1; 9) angebracht wurde.
18. Monopolare Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ mit
a) einer End-Metallanode (12; 17)»
b) einer End-Metallkathode (15; 18)» die zur Anode im
wesentlichen parallel verläuft und
c) einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten und dadurch eine Anoden- und Kathodenkammer erzeugenden Trennwand (16; 25» 26» 27)»
wobei die Anode und/oder Kathode aus einem Metallblech
besteht (bestehen)» das eine Gruppe von länglichen Me-
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tallelementen aufweist. die elektrisch leitend derart
an einer Oberfläche des Netallbleche angebracht sind und von dieser Oberfläche vorspringen, daß ein Teil der
Elemente in einer seitlich Im Abstand von und praktisch
parallel zu der Oberfläche des Blechs verlaufenden Ebene liegt» wobei die Elemente flexibel sind und die Anodenkammer einen Einlaß für den Elektrolyt und Auslässe
für Flüssigkeiten und Gase sowie die Kathodenkammer Auslässe für Flüssigkeiten und Gase aufweisen.
19. Elektrolysezelle nach Anspruch 1Ö» dadurch gekennzeichnet, daß sie eine oder mehrere innere Kathode(n) (19) und
eine oder mehrere innere Anode(n) (20), welche alternierend zwischen und im wesentlichen parallel zu der
Endanode (17) und der Endkathode (18) angeordnet sind» und jeweils eine Trennwand (25» 26» 27) zwischen jeder
benachbarten Anode und Kathode» so daß in der Zelle mehrere Anoden- und Kathodenkammern geschaffen werden»
aufweist.
20. Elektrolysezelle nach Anspruch 18 oder 19» dadurch gekennzeichnet» daß sie eine Endanode (12; 17) gemäß
einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4» 6 bis 10» 16 und 17 aufweist.
21. Elektrolysezelle nach Anspruch 18 oder 19» dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Endkathode (15j 18) gemäß
einem beliebigen der Ansprüche 5 bis 9, 11» 16 und 17 aufweist.
22. Elektrolysezelle nach Anspruch 17 bis 21» dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine innere Anode
(20) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4» 6 bis 9» 12 bis 14, 16 und 17 aufweist.
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23. Elektrolysezelle nach Anspruch 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet»
daß sie mindestens eine innere Kathode(19) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 5 bis 9 und 12
bis 17 aufweist.
24. Elektrolysezelle nach Anspruch 18 bis 23» dadurch gekennzeichnet»
daß die Trennwand bzw. die Trennwände (16; 23» 26» 27) (jeweils) ein poröses Diaphragma ist
(sind).
25. Elektrolysezelle nach Anspruch 24» dadurch gekennzeichnet»
daß das poröse Diaphragma aus einem Fluorpolymeren besteht.
26. Elektrolysezelle nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet»
daß das Fluorpolymere Polytetrafluorethylen ist.
27. Elektrolysezelle nach Anspruch 18 bis 23» dadurch gekennzeichnet»
daß die Trennwand bzw. die Trennwände (16; 25» 26» 27) (jeweils) eine Kationenaustauschmembran
ist (sind).
28. Elektrolysezelle nach Anspruch 27» dadurch gekennzeichnet» daß die Kationenaustauschmembran aus einer Perfluor
sul fonsäure auf Basis eines Copolymeren von Tetrafluoräthylen
und einem fluorhaltigen Vinyläther besteht .
29. Elektrolysezelle nach Anspruch 18 bis 28» dadurch gekennzeichnet»
daß der Anode/Kathode-Abstand im Bereich von 3 mm bis zum Nullwert liegt.
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| D2 | Grant after examination | ||
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