DE2741956A1 - Elektrolyse von natriumsulfat unter verwendung einer ionenaustauschermembranzelle mit festelektrolyt - Google Patents

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Dr. rer. not. Horst Schüler 3 ^^Χ^Γ^''" *' PATENTANWALT TeXn(WU)₂₃₅₅₅₅

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Elektrolyse von Natriumsulfat unter Verwendung einer Ionenaustauschermembranzelle mit I^;estcl ektrolyt

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Elektrolyse von Alkalisalzen zur Herstellung von kaustischer Soda (NaOH) und insbesondere ein Gerät und ein Verfahren zur Elektrolyse von Natriumsalzen, beispielsweise Natriumsulfat, zur Herstellung von kaustischer Soda unter Verwendung einer Zelle, welche eine Ionenaustauschermembran enthält.

Die industrielle Herstellung von Metallhydroxiden, das heisst kaustischer Soda (NaOH"), durch die Elektrolyse von Natriumsalzen, beispielsweise Na₂SO., NaIICO,,hat seit

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vielen Jahren bei der chemischen Industrie grosses Interesse geweckt. Die Elektrolyse von Natriumsulfat zur Erzeugung von kaustischer Soda und Schwefelsäure hat möglicherweise die grösste Beachtung gefunden, da Natriumsulfat ein übliches Nebenprodukt in der Kunstfaserindustrie ist. Die Herstellung der kaustischen Soda aus einem Natriumsalz, beispielsweise Na-SO., erfolgte dabei naturgemäss durch Elektrolyse unter Verwendung eines der beiden Ilauptverfahren der Elektrolyse - der Elektrolyse in einer Zelle mit Diaphragma oder der Elektrolyse in einer Quecksilberzelle. Der Aufbau und die Arbeitsweise von Zellen mit Diaphragma und von Quecksilberzellen wird vollständig abgehandelt in dem Werk von Mantell, "Electrochemical Engineering", McGraw Hill, New York (196o), und es wird hiermit bezüglich der Beschreibung der Verfahren und Zellen für die Elektrolyse von Halogeniden und Sulfaten ausdrücklich Bezug genommen auf die Seiten 3o4 bis 3o6. Der Aufbau, die Arbeitsweise und die chemischen Vorgänge von Quecksilber-Zellen und Zellen mit Diaphragma werden auch noch ausführlich behandelt in dem Werk von Hampel, "Encyclopedia of Electrochemistry", Reinhold Publishing Corp., New York (1964) auf den Seiten 175 ff. und den Seiten 1.065-1.068.

Zusammengefasst sind in einer Diaphragmen-Zelle die Anode und die Kathode von zwei Sätzen aus perforierten Diaphragmen umgeben. Die Natriumsulfat-Lösung wird in den Zwischenraum zwischen den beiden Diaphragmen eingeleitet und strömt durch die Diaphragmen zu einer Anode und Kathode, wodurch jeweils die Wanderung der Wasserstoff-Ionen und der Hydroxylionen verhindert wird. An der Anode werden Wasserstoff-Ionen und Sauerstoff erzeugt und an der Kathode wird Wasser zersetzt unter Bildung von Hydroxylionen und molekularem Wasserstoff. Die Natriumionen werden zur Kathode transportiert und verbinden sich dort zur Bildung

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von kaustischer Soda, während sich die an der Anode verbleibenden Wasserstoffionen mit dem Sulfat zur Erzeugung von Schwefelsäure verbinden. Dabei besitzt das Verfahren mit DiaphragmenzelIe zur Herstellung von kaustischer Soda aus Natriumsulfat eine Anzahl von Nachteilen, welche die industrielle Entwicklung von Verfahren für die Elektrolyse von Natriumsulfatlösungen zur Herstellung kaustischer Soda verzögert haben. Eine dieser Schwierigkeiten besteht darin, dass diese bekannten Verfahren durch einen hohen Energieverbrauch gekennzeichnet sind. So ist beispielsweise bei Zellen mit Diaphragmen ein Energieverbrauch von 1,7 Kilowattstunden pro o,45 kg NaOH oder darüber nicht ungewöhnlich. Weiterhin ist es in Zellen mit Diaphragmen sehr schwierig, den Anolyten (die Anode umgebender Elektrolyt) und den Katholyt (die Kathode umgebender Elektrolyt) getrennt voneinander zu halten. Dabei ergibt sich einerseits eine Verringerung des Coulomb¹sehen Wirkungsgrades des Verfahrens und andererseits auch noch die Schwierigkeit der Herstellung einer kaustischen Soda mit hoher Güte. Die erste dieser Schwierigkeiten entsteht, da die Diphragmen häufig nicht besonders wirkungsvoll sind, welche benutzt werden, um die an der Anode erzeugten Wasserstoffionen daran zu hindern, die Kathode zu erreichen. Das Ergebnis ist, dass Wasserstoff-Kationen zur Kathode wandern und dort entladen werden, das heisst, sie werden reduziert, und es wird daher ein Teil des Kathodenstroms zur Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff und nicht zur Erzeugung von kaustischer Soda verwendet. Jedes zur Entladung eines Wasserstoff-Kations (H ) und zur Erzeugung von Wasserstoffgas (H-) oder zur Oxydation eines Ilydroxids zur Erzeugung von Wasser aufgewendete Elektron vermindert den Coulomb¹sehen Wirkungsgrad des Verfahrens und vergrössert den Energieverbrauch pro Kilogramm hergestellten Natriumhydroxids. Die zweite Schwie-

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rigkeit, das lieisst, die Schwierigkeit der Herstellung einer kaustischen Soda mit hoher Güte an der Kathode, ist auf eine Anzahl von Ursachen zurückzuführen; eine dieser Ursachen kann jedoch in der Wanderung des eingeleiteten stark konzentrierten Natriumsulfats zur Katholytsci'e bestehen und eine mit Sulfat verunreinigte kaustische Soda ergeben.

Andererseils besitzt die Quecksilberzelle eine bessere Leistung als die Zelle mit Diaphragma bezüglich des Energieverbrauchs. Sie besitzt jedoch ebenfalls Nachteile, welche ihre Brauchbarkeit einschränken. Die Quecksi1berzelle unterscheidet sicli von der Zelle mit Diaphragma dadurch, dass nur ein einziges Diaphragma zwischen der Kathode und der Anode vorhanden ist und die Kathode eine Elektrode aus fliessendem Quecksilber ist. Die durch das Diaphragma transportierten Natriumionen werden in Form eines Amalgams von Natrium und Quecksilber herausgeführt. Dieses wird dann in eine Zersetzungsanlage gebracht und dort mit Wasser zur Darstellung von kaustischer Soda und Wasserstoff in Verbindung gebracht und zur Regenierung des Quecksilbers. Der erforderliche Energieverbrauch in kWli pro o,45 kg kaustischer Soda für eine Queksilberzelle liegt im Bereich von etwa 1,41 bis 1,39 kWh (s. Seite 3oü des oben angeführten Werks "Electrochemical Engineering") und daher besitzen Quecksilberzellen einen höheren Energiewirkungsgrad als die Zellen mit Diaphragma. Das System ist jedoch komplizierter und benötigt eine Amalgam-ZcrsetzungszelIe zur Regeneration des Quecksilbers und zur Herstellung der kaustischen Soda. Weiterhin verwendet dieses Verfahren Quecksilber, eine sehr gefährliche Substanz. Die Tage der Quecksilberzelle sind daher nahezu vorüber wegen der strengen Vorschriften bezüglich der Umweltverschmutzung bei Verwendung von

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Quecksilber in irgendeinem industriellen Verfahren. Wegen dieser verschiedenen Schwierigkeiten mit den Verfahren mit Diaphragmenzelle und Quecksilberzelle war bisher kein besonderes Wachstum der Industrie zur Elektrolyse von Natriumsulfat zu verzeichnen. In dem vorgenannten Werk, "Encyclopedia of Electrochemistry", werden die Schwierigkeiten sehr treffend auf S. 1o65, Spalte 1 durch folgenden Absatz zusammengefasst:

"Die Elektrolyse einer Natriumsulfatlösung zur Umwandlung in kaustische Soda und Schwefelsäure ist noch nicht industriell durchgeführt worden, während andererseits die Elektrolyse von Natriumchlorid einen starken elektrochemischen Industriezweig darstellt. Die Schwierigkeiten der Trennung von Anolyt und Katholyt untereinander, der Mangel an guten Materialien für die Anoden und Diaphragmen, der hohe Energieverbrauch und andere ungelöste Probleme haben die Entwicklung der Elektrolyse einer Natriumsulfatlösung verzögert."

Auf S, 1o66, Spalte 5, 5. vollständiger Absatz der gleichen Literaturstelle wird auch noch ausgeführt:

"Die Klemmenspannung der IG-Zellen beträgt etwa 6 Volt für die Zellen mit Diaphragma und auf 5,5 bis 6,ο Volt für die Amalgam-Zelle und eine Stromdichte

von 1o Ampöre/dm , wie zuvor erwähnt. Die Klemmenspannung der Sulfatzelle war dabei bedeutend höher als die Klemmenspannung der Chlorzelle. Sie ist einer der schwachen Punkte der Elektrolyse der Natriumsulfat-Lösung."

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Der erforderliche höhere Kostenaufwand infolge der hohen Klemmenspannungen für die bekannten Zellen zur Natriumsulfat-Elektrolyse besteht darin, dass die Abmessungen der Zellen vergrössert werden und Einheiten mit mehrfachen Zellen benutzt werden müssen, um die gewünschte Menge an kaustischer Soda herzustellen.

Zusammengefasst besitzen die bekannten Verfahren zur Elektrolyse von Natriumsulfat zur Erzeugung von Schwefelsäure und kaustischer Soda viele schwerwiegende Nachteile. Die Ilauptnachteile bestehen dabei möglicherweise in dem hohen Energieverbrauch und dem hohen Risiko für die Umgebung bei der Verwendung von Quecksilber. Da der Energieverbrauch (oder der Verbrauch pro Mengeneinheit NaOH) der grösste Einzelposten in den Betriebskosten für ein Elektrolyseverfahren darstellt, sind diese Zellen vom wirtschaftlichen Standpunkt nicht attraktiv. Die Quecksilberzelle erfordert auch noch ein Verfahren mit zwei Stufen, nämlich einer Zersetzungsstufe, und der Natur der Sache nach 1st ein 2-Stufen-Verfahren und ein 2-Stufen-System kostspieliger als ein einstufiges Verfahren vom Standpunkt der Kapitalinvestition. Weiterhin sind die Betriebskosten für die Quecksilberzelle in dieser Hinsicht sehr hoch, obwohl sie einen geringfügig besseren Energiewirkungsgrad besitzen kann als die Diaphragmenzelle. Es bestellt daher ein Bedarf für ein Verfahren zur Elektrolyse von Natriumsulfat zur Herstellung von kaustischer Soda, das einfach und wirksam ist und einen guten Energiewirkungsgrad und geringere Kosten als die vorhandenen Verfahren besitzt. Das Verfahren sollte dabei im Stande sein, kaustische Soda mit einem hohen Reinheitsgrad dadurch herzustellen, dass der Anolyt vom Katholyt getrennt ist und der Transport von an der Anode erzeugten Wasserstoff-Kationen zur Kathode und von an der Kathode erzeugten Hydroxyl-Anionen

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zur Anode verhindert wird. Gleichzeitig sollte die katalytische Anodenelektrode eine sehr geringe Überspannung für Sauerstoff besitzen und gegen die Sulfatlösung und den an der Anode erzeugten Sauerstoff beständig sein, so dass die Lebensdauer der Anodenelektrode beträchtlich verlängert wird.

Gemäss der Erfindung wurde gefunden, dass zahlreiche Natriumsalze, einschliesslich Natriumsulfat, leicht zur Herstellung von kaustischer Soda bei bedeutend geringerem Energieverbrauch (in Kilowattstunden pro Mengeneinheit Natriumhydroxid) als in vorbekannten Verfahren elektrolysiert werden können und gleichzeitig eine gute Trennung zwischen Anolyt und Katholyt aufrecht erhalten werden kann und dabei kaustische Soda mit hohem Reinheitsgrad hergestellt werden kann.

Die verschiedenen Vorteile der Erfindung werden in einer Ausführung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung von kaustischer Soda und Schwefelsäure aus einer hochkonzentrierten wässrigen Lösung von Natriumsulfat (Natriumsalz) erreicht, wobei eine Kationen-Austauscher-Membran als Ionentransportmittel für Alkalimetall-Ionen, beispielsweise Natrium, benutzt wird und auch noch zur Trennung des Anolyten von dem Katholyten zur Verhinderung des Transports von Wasserstoff-Kationen zur Kathode und von Hydroxyl-Anionen von der Kathode zur Anode. Weiterhin ist die Kationenmembran so beschaffen, dass sie einen Transport des an der Kathode erzeugten Natriumhydroxids durch Diffusion oder Permeation durch die Membran zur Anode verhindert. Als Ergebnis wird an der Kathode Natriumhydroxid mit hoher Qualität und an der Anode Schwefelsäure gebildet, und weiterhin stellt der Wirkungsgrad des Systems einmal vom Standpunkt des Coulomb'sehen Wirkungsgrades und der verbrauchten Energie (ausgedrückt in KiIo-

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Wattstunden pro Mengeneinheit des hergestellten Natriumhydroxids) eine bedeutende Verbesserung gegenüber den vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen dar. Zu diesem Zweck besteht die bei der Durchführung dieses Verfahren verwendete Elektrolysezelle aus einer Anolytkammer und einer Katholytkammer, welche durch eine kationische Ionenaustauschermembran voneinander getrennt werden. In einer bevorzugten Ausführungs form sind an entgegengesetzten Oberflächen der Ionenaustauscher-Membran kathalytische Anoden-Elektroden und Kathoden-Elektroden eingebettet und zwischen die beiden Elektroden wird eine Gleichspannungsquelle geschaltet. Der Anolyt besteht aus stark konzentrierter wässriger Lösung von Natriumsulfat, vorzugsweise in einem Konzentrationsbereich zwischen einer gesättigten Lösung und 1o bis 4o Gewichtsprozent Natriumsulfat, und wird in die Anolytkammer eingeleitet. In die Katholytkammer wird Wasser eingeleitet und wirkt einmal als Katholyt und andererseits zur Verdünnung der an der Kathode gebildeten kaustischen Soda. An der Anode erfolgt eine stark saure Reaktion, in der das Wasser als Teil der wässrigen Lösung des Natriumsulfats zur Erzeugung von Wasserstoff-Kationen und Sauerstoff elektrolysiert wird. In der Lösung zersetzt sich das Natriumsulfat in Natrium-Kationen (Na ) und Sulfat-Anionen (SO₄--). Die Konzentration des Natriumsulfat ist gross genug, so dass eine starke Konzentration von Natrium-Ionen an der Grenzfläche mit der Anodenelektrode und der Kationen-Austauschermembran vorhanden ist. Infolgedessen werden die Natrium-Kationen durch die Kationenmembran transportiert und bevorzugt gegenüber den Wasserstoff-Ionen, welche sich mit den Sulfat-Anionen zur Erzeugung von Schwefelsäure H-SO. verbinden. Die Reaktion an der Kathode ist eine stark basische Reaktion, bei der das Wasser des Katholyten elektrolysiert wird zur Erzeugung von Hydroxyl (OH )-Anionen und Wasserstoff-Kationen zur

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Bildung von Wasserstoffgas reduziert werden. Die durch die Membran transportierten Natrium-Kationen Na verbinden sich dann mit den Hydroxyl-Anionen OH zur Bildung von kaustischer Soda (NaOII) an der Kathode. Durch Aufrechterhaltung einer hohen Konzentration des Natriumsulfat ergibt sich auch ein hohes Verhältnis der Kationen Na⁺/H Daher wird der Transport von H -Ionen über die Membran zur Kathode auf ein Minimum reduziert und hierdurch wird der Coulomb'sehe Wirkungsgrad der Reaktion optimal gestaltet. Hierdurch wird wiederum der Energieverbrauch beträchtlich verringert.

Ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Arbeitsweise und weiterer Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Natriumsalz-Elektrolysezelle.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Kationen-Austauschermembran und der Elektroden und zeigt schematisch die darin ablaufenden chemische Reaktionen.

Die Figur 3 zeigt eine auseinander gezogene Darstellung der Bestandteile einer Elektrolysezelle zur Elektrolyse eines Natriumsalzes, welche eine Ionenaustauscher-Membran mit Festkörper-Polymer als Elektrolyt verwendet.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Hauptbestandteile einer Elektrolysezelle mit Ionenaustauscher-Membran zur Herstellung von kaustischer Soda und Schwefelsäure aus Natriumsalzen, beispielsweise Natriumsulfat und dergleichen und zeigt die räumlichen Beziehungen dieser

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einzelnen Bauteile. Die Zelle besitzt zwei Endplatten 1 und 2, die vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Metall hergestellt sind, beispielsweise Titan, und sowohl als Endplatten wirken und die Zelle zusammenhalten und ausserdem noch als Stromsammler wirken. Die Endplatten müssen jedoch nicht als Stromsammler dienen, wie dies beispielsweise in der Zelle nach Figur 4 gezeigt ist. Wenn sie je-» doch als Stromsammler dienen, dann werden sie vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigem Material hergestellt, beispielsweise aus Titan. Metallstreifen 3 und 4 werden durch Schweissen oder auf andere geeignete Weise an den Endplatten 1 und 2 befestigt und dienen zum Anschluss dieser Endplatten und Stromsammler an eine Gleichspannungsquelle. Zwischen die Endplatten 1 und 2 ist eine Kationen-Austauschermembran 5 aus einem Festkörper-Polymer eingespannt durch Dichtungen 6 aus gefülltem Gummi des Typs, wie er unter dem Handelsnamen EPDM von der Irving Moore Co. (Cambridge, Mass.) erhältlich ist, zur Bildung einer Anolytkammer 7 und einer Katholytkammer 8. Die Dichtung 6 ist beständig gegen Natriumshydroxid, Schwefelsäure und Natriumsulfat. Die Endplatten 1 und 2 werden mit Hilfe geeigneter isolierter Schrauben oder dergleichen befestigt, welche nicht gezeigt sind, und diese spannen die Endplatten gegeneinander und befestigen die Kationen-Austauscher-Membran fest zwischen den Gummidichtungen 6. Die Kationen-Austauscher-Membran wird noch nachstehend ausführlich beschrieben und dient als räumliche Trennwand zwischen der in der Anolytkammer 7 eingeleiteten Anolytlösung und der Katholytlösung in der Katholytkammer 8. Weiterhin gestattet die Kationenaustauscher-Membran den Durchgang von Natrium-Kationen aus der Anolytkammer in die Katholytkammer, wo sich die Natriumionen mit Hydroxylionen zur Bildung von kaustischer Soda verbinden, das heisst NaOH, In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Kationen-

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Austauscher-Membran 5 eine katalytische Anodenelektrode 9, die noch nachstehend ausführlich beschrieben wird. Diese Elektrode 9 ist in der Oberfläche der Ionenaustauscher-Membran benachbart zur Anolytkammer eingebettet und befestigt, und eine ebenfalls nachstehend ausführlich beschriebene katalytische Kathodenelektrode 1o ist ebenfalls in der Oberfläche des Ionenaustauschermembran eingebettet und befestigt, benachbart zu der Katholytkammer. Die Anodenendplatte 1 der Zelle besitzt eine Einlassöffnung 11 zum Einlass einer wässrigen Natriumsulfat-Lösung und eine Auslassöffnung 12 zum Abführen des Sauerstoffs und der Schwefelsäure (IUSO.) , welche an der Anode gebildet werden, sowie der verbrauchten Natriumsulfatlösung. Die Endplatte besitzt eine Einlassöffnung 13 zum Einleiten von Wasser in die Katholytkammer. Das Wasser wird einmal als Katholyt-Lösung und zum anderen zum Spülen der Oberfläche der Kathode verwendet, um dadurch die Konzentration des Natriumhydroxids zu verringern. Eine Auslassöffnung 14 ist vorgesehen zum Abziehen der kaustischen Soda und des Wasserstoff-Gases, das an der Kathode der Elektrolysezelle gebildet wirdiund dient weiterhin zum Abziehen von überschüssigem Wasser. An entgegengesetzten Seiten der Kationen-Austauscher-Membran 5 mit Festkörperpolymer als Elektrolyt sind Anoden und Kathoden- Diffusor - Netze 15 und 16 angeordnet und bestehen aus mehreren gedehnten Niob-Netzen, welche durch Punktschweissen an Niobringen 17 befestigt sind. Die Netze 15 und 16 ergeben eine Leitung des elektrischen Stroms von der Elektrode zu den Stromsammler-Endplaten. Die Netze in der Anolytkammer und der Katholytkammer dienen auch noch zu einer geeigneten Verteilung der Flüssigkeiten, so dass ein wirksamer Kontakt zwischen der Anolyt-Lösung und der Katholyt-Lösung und den Elektroden-Oberflächen hergestellt wird und weiterhin eine ausreichende Diffusion vorhanden ist für den an der Anode er-

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zeugten Sauerstoff und den an der Kathode erzeugten Wasserstoff. Es ist daher ersichtlich, dass eine Anolyt-Lösung bestehend aus einer wässrigen Lösung eines Natriumsalzes, beispielsweise Natriumsulfat, in die Anolytkammer durch den Einlass 11 und destilliertes Wasser in die Katholytk a miner durch den Einlass 13 eingeleitet werden. Sauerstoff und Schwefelsäure werden aus der Anolytkammer durch die Auslassleitung 12 abgezogen und kaustische Soda und Wasserstoff werden aus der Katholyt-Kammer durch die Auslassleitung 14 entfernt. Alle diese Leitungen oder öffnungen sind mit geeigneten Ventilen ausgestattet und gestatten dadurch ein selektives Einleiten und Abziehen der Gase und Lösungen, welche in der Anolyt- und Katholyt-Kammer enthalten sind.

Die Ionen-Austauscher-Membran 5, welche die Zelle in die Anolyt-Kammer und die Katholyt-Kammer unterteilt, ist gekennzeichnet durch eine Selektivität für den Ionen-Transport. Da sie eineKationen-Austauscher-Membran ist, gestattet sie den Durchgang von positiv geladenen Ionen, das heisst Anionen. Es gibt verschiedene Klassen von Ionen-Austauscher-Kunstharzen, aus denen Membranen hergestellt werden können, um einen selektriven Kationen-Transport zu erhalten. Zwei breite Klassen solcher Kunstharze sind die sogenannten Sulfonsäure-Kationen-Austauscher-Harze und Karbonsäure-Kationen-Austauscher-Harze. Bei den Sulfonsäure-Ionen-Austauscher-Harzen sind die Ionen-Austauschergruppenhydrierte Sulfonsäure-Radikale, SO_H " XH2O, welche an dem Polymergerüst durch Sulfonieren des Polymers gebunden werden, und bei den Karbonsäure-Harzen ist die Ionen-Austauscher-Gruppe-COOH. Diese Ionen-Austauscher-Säure-Radikale werden fest mit dem Gerüst des Polymers durch Sulfonieren und auf andere Weise verbunden und ergeben dadurch die Ionen-Austauscher-Eigenschaft.

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Die Konzentration des Elektrolyten bleibt jedoch konstant, da der Elektrolyt, das heisst das Säure-Radikal , an dem Polymergerüst gebunden ist und nicht in der Membran beweglich ist.

Obwohl Kationen-Austauscher Membranen beider Arten für die Erfindung verwendet werden können, wird der Membrantyp aus sulfoniertem Polymer bevorzugt. Es gibt viele Arten von sulfonierten polymeren Harzen, welche für die Herstellung von Kationen-Austauscher-Membranen verwendet werden können. Beispielsweise sind Membranen aus sulfoniertem, quer vernetztem Polystyrol, sulfoniertem PoIyphenelenoxid und sulfoniertem Perfluorkarbon erhältlich und können als Austauscher-Membrane für Kationen verwendet werden. Von den verschiedenen Elektrolyten aus sulionierten Polymeren werden die Perfluorkarbon-Sulfonsäure-Membranen bevorzugt, da sie nicht nur einen ausgezeichneten Kationen-Transport ergeben, sondern auch in hohem Masse stabil sind, von Säuren und starken Oxydationsmittel nicht beeinträchtigt werden und eine ausgezeichnete thermische Stabilität besitzen. Neben den ausgezeichneten chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Kationen-Membranen sind sie auch noch weiterhin durch die Tatsache ausgezeichnet, dass sie zeitlich beständig sind und sich daher nicht mit der Zeit verschlechtern. Eine bevorzugte Kationen-Austauscher-Membran aus Polymer ist eine solche Membran, in der das Polymer ein hydriertes Copolymer von Polytetrafluoräthylen (PTFE) und Polysulfonylfluorid-Vinyläther ist, welcher seitliche Gruppen von Sulfonsäure enthält. Die Sulfonsäure-Gruppen sind chemisch an das Gerüst aus Perfluorkarbon gebunden. Nach der Einstellung eines Gleichgewichtes in der Membran zur Hydrierung durch Einweichen in Wasser von loo⁰ C 3o Minuten lang besitzt das sulfonierte Perfluorkarbon die folgende

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Struktur: [(CF₂CF₂)X(CF₂CF)I η [ÖCF₂CF(CF) ^X

Die Ionen-Leitfähigkeit ergibt sich durch die Beweglichkeit der hydratisierten Wasserstoff-Ionen (II *XH_?O). Die Wasserstoff-Kationen oder Natrium-Kationen bewegen sich durch die Polymer-Platte dadurch hindurch, dass sie sich von einer Sulfonsäure-Gruppe zur nächsten SuI-fonsäure-Gruppe bewegen, wobei diese SuIfonsäure-Gruppen festgelegt sind und sich nicht bewegen, so dass die Konzentration der Säure in der Membran konstant bleibt. Obwohl die Membran ursprünglich in der Wasserstoff-Form vorliegt, kann sie in gleichem Masse auch ursprünglich in der Natriumform vorliegen, in dem sie mit einer ο,οΐ normalen Natrium-Hydroxid-Lösung behandelt wird, abgefiltert und in destilliertem Wasser gewaschen und dann nach dem Lufttrocknen gelagert wird. Wenn diese Membran jedoch mit Natriumsulfat benutzt wird, wobei Natrium-Ionen über die Membran transportiert werden, dann wandelt sich die Membran in kurzer Zeit in die Natriumform um, da einige der Natrium-Ionen Wasserstoff-Ionen ersetzen und in der Membran verbleiben, gebunden an das Sulfonsäure-Radikai, so dass die Membran schnell in die Natriumform umgewandelt wird.

Eine Membran dieses Typs wird selbstverständlich viele Arten von Kationen transportieren; beispielsweise Natrium, Wasserstoff usw. Im Falle des Vohandenseins von Wasserstoff und Natrium-Kationen zeigt jedoch die Membran einen bevorzugten Austausch für das Natriumkation gegenüber dem Wasserstoff-Kation. Wenn daher beide Kationen Natrium und Wasserstoff an der Membranoberfläche vorhanden sind, dann wird eine Tendenz zum schnelleren Austausch der Natrium-Ionen in die Membran bestehen. Weiterhin kann das Verhältnis von Na /H so eingerichtet werden, dass

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gilt: Na <^>H , und dann erfolgt praktisch nur ein Natrium-Kationen-Transport und der Wasserstoff-Ionen-Transport wird unterbunden. In einem Verfahren zur Herstellung von kaustischer Soda aus Natriumsulfat ist diese Bevorzugung des Natrium-Ionen-Transports selbstverständlich günstig, da durch Unterdrückung des Wasserstoff-Ionen-Transports zur Kathodenseite der Coulomb¹sehe Wirkungsgrad für die Natriumhydroxid-Herstellung vergrössert wird, da kein Strom zur Entladung des transportierten Wasserstoff-Ionen zur Bildung von molekularem Wasserstoff an der Kathode aufgewendet werden muss, und lediglich an der Kathode Wasserstoffgas durch Dissoziation des Katholyten Wasser erzeugt wird zur Bildung von Hydroxylionen und Wasserstoffgas.

Die Ionen-Austauscherkapazität IEC einer gegebenen SuI-fonsäure-Kationen-Austauscher-Membran ist abhängig von dem Milli-Äquivalent des Radikals SO," pro Gramm des trockenen Polymers. Daher ist die lonen-Austauschkapazität um so grosser, je grosser die Konzentration der Sulfonsäure-Radikalen ist, und damit ist die Fähigkeit der hydratisierten Membran zum Transport von Natrium-Ionen oder anderen Kationen grosser. Mit der Vergrösserung der Ionen-Austausch-Kapazität IEC der Membran steigt jedoch auch der Wassergehalt entsprechend an und die Fähigkeit der Membran zur Zurückweisung von Salzen nimmt ab. Daher wird die Fähigkeit der Membran zur Verhinderung des Transports von Natrium-Hydroxid von der Kathodenseite zur Anodenseite durch eine Diffusion oder Permeation, welche zu unterscheiden ist von dem Ionen-Austauschvorgang, durch die lonen-Austauscher-Kapazität und den Wassergehalt beeinflusst. Das heisst, die Salzabweisungs-Kapazität der Membran ist um so niedriger, je grosser der Wassergehalt ist. Die Beziehung zwischen dem Membran-

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Wassergehalt, der Ionen-Austauschkapazität IEC und der Zurückweisung von Salz ist in der nachstehenden Tabelle dargestellt:

Membranaufbau und Salzabweisung

IEC H₇O Vol. Anteil NaCl Abweisung (mÄq/g) Gehalt H₂O (\)

1,82 o,3o1 o,34o 96

2,o5 o,383 o,427 92

2,28 o,4o5 o,449 92

2,67 o,512 o,56o 89

Im allgemeinen ergeben Membranen mit niedriger Ionen-Austauschkapazität IEC und geringem Wassergehalt eine gute Salzabweisung. Normalerweise üben die kationische Membran und insbesondere die negativen Sulfonsäure-Radikale eine abstossende Kraft auf das OH~-Anion des Natriumhydroxid-Moleküls (N OH ) aus und besitzen dadurch eine Tendenz das Hydroxid abzuweisen und verhindern seinen Transport zu rück in die Anoden-Kammer. Wenn jedoch die Konzentration von Natriumhydroxid auf der Kathodenseite sehr hoch wird, dann besitzen die durch den Konzentrationsgradienten erzeugten osmotischen Kräfte eine Tendenz zur Erzeugung einer Permeation oder Diffusion durch die Membran. Mit anderen Worten können die osmotischen Kräfte gross genug werden, um die durch Ionen oder elektrostatische Ursachen erzeugten abstossenden Kräfte der negativen SO₃ -Radikale zu überwinden und ein Teil des Natriumhydroxid kann bis zur Anodenseite durchdringen, jedoch nicht durch Ionenleitung, sondern durch Permeation oder Diffusion. Durch Verringerung der Ionenaustauschkapazität und damit des Wassergehaltes der Membran kann die

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Bewegung des Natriumhydroxid durch Permeation von der kathodischen Seite zur anodischen Seite reduziert werden. Es muss daher ein Gleichgewicht erreicht werden zwischen der Ionen-Austauschkapazität der Membran für die gewählte Kationenbeweglichkeit, das heisst für den raschen Transport des Natrium-Kations zur Kathode, und der Selektivität der Membran für den Durchgang des Natriumhydroxids in Folge der Permeation und Diffusion. Wie bereits vorstehend aufgezeigt, kann durch Steuerung des Wassergehaltes die Permeation oder Diffusion von Natriumhydroxid zurück zu der Anodenseite verringert werden, da durch die Reduzierung der Ionen-Austauschkapazität ILC die Salzabweisung durch die Membran vergrössert wird. Weiterhin kann durch Steuerung der Konzentration von Natrium-Hydroxid an der Kathode auch noch der Konzentrationsgradient reduziert werden, welcher die osmotische Kraft erzeugt, welche die Permeation oder Diffusion des Natriumhydroxid durch die Membran bewirkt. Daher wird, wie noch nachstehend ausgeführt, das an der Kathoden-Elektrode gebildete Natriumhydroxid, welches Konzentrationswerte in der Grössenordnung von 1o bis 15 N besitzen kann, dadurch reduziert, dass ein kontinierlicher Strom von destilliertem Wasser über die Kathode geleitet wird zur Verringerung der Konzentration des Natrium-Hydroxid und damit der Wahrscheinlichkeit einer Permeation oder Diffusion des Natriumhydroxid durch die Membran zur Anode.

Die Anoden-Elektrode ist eine Edelmetall-Elektrode mit grossem Wirkungsgrad, grosser Stabilität, hoher spezifischer Oberfläche, porös und gasdurchlässig. In dieser Elektrode sind die Edelmetallteilchen mit hydrophoben Teilchen eines hydrophoben Polymers verbunden, beispielsweise Polytetrafluoräthylen. Die gasdurchlässigen Verbund-

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Elektroden werden in die Oberflächen der Kationen-Austauschermembran eingepresst. Die Anoden-Elektrode besteht vorzugsweise aus einem verbundenen Gemisch des reduzierten Oxydes einer Platin-Iridium-Legierung oder Platin-Ruthenium-Legierung, das mit hydrophoben Teilchen aus Polytetrafluoräthylen verbunden ist. Eine Elektrode dieser Art ist stabil, wird nicht von Sauerstoff oder Natriumsulfat oder Schwefelsäure angegriffen und korrodiert, kann bei hohen Stromdichten und bei niedrigen Sauerstoff-Überspannungen arbeiten, das heisst die Anodenreaktion bei der Elektrolyse von Na SO. beinhaltet die Aufspaltung von H_?0 zur Bildung von H -Kationen und O2. Der Vorteil der Verwendung von reduzierten Pt-Ir oder Pt-Ru-Legierungen wird beschrieben in der deutschen Patentanmeldung P 26 55 070.9 .

Der Aufbau und die Eigenschaften von Elektroden, welche ein Gemisch aus Teilchen eines Gas absorbierendes Edelmetalls, verbunden mit Teilchen aus einem hydrophoben Material enthalten, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, wird im einzelnen beschrieben in den U.S.Patentschriften No. 3.432.355 und 3.297.484.

Ein Katalysator zur Sauerstoffentwicklung, welcher aus reduzierten Oxyden von Platin-Iridium-Legierungen besteht, ist gekennzeichnet durch einen Betrieb mit gutem Wirkungsgrad und durch sehr geringe Sauerstoff-Oberspannungen. Solche Platin-Iridium-Katalysatoren werden hergestellt durch thermische Zersetzung von gemischten Metallsalzen. Das tatsächliche Herstellungsverfahren besteht in einer

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Abwandlung des Verfahrens nach Adams zur Herstellung von Platin, bei dem ein thermisch zersetzbares Iridium-Halogenid zugefügt wird, beispielsweise Iridium-Chlorid. Als ein Beispiel wird dazu ein feinteiliges Halogensalz von Platin und Iridium im gleichen Gewichtsverhältnis von Platin und Iridium gemischt, wie es in der fertigen Legierung gewünscht wird. Ein Überschuss Natrium wird beigegeben und das Gemiscli wird in einem Quarzgefäss bei 5oo° C 3 Stunden lang geschmolzen. Der Rückstand wird dann gründlich gewaschen, um die vorhandenen Nitrate und Halogenide zu entfernen. Die resultierende Suspension der gemischten Oxyde wird bei Zimmertemperatur reduziert unter Verwendung eines elektrochemischen Reduktionsverfahrens· Das Produkt wird gründlich getrocknet, gemahlen und durch ein Nylonnetz gesiebt. Die auf diese Weise hergestellte reduzierte Platin-Iridium-Legierung wird dann gemäss dem in den vorgenannten U.S.Patentschriften beschriebenen Verfahren mit den hydrophoben Teilchen aus Polytetrafluoräthylen verbunden.

Die Verbundelektrode in Form eines aufziehbaren Films (Abziehbild) (decal) oder dergleichen wird dann integral mit der Oberfläche der Kationen-Austauscher-Membran verbunden und in ihr eingebettet. Ein Verfahren zur Verbindung einer Elektrode mit der Oberfläche einer Ionen-Austauscher-Membran aus polymerem Material wird ausführlich beschrieben in der U.S.-Patentschrift 3.134.697. Zusammengefasst wird dabei die Elektrodenstruktur auf die Oberfläche einer teilweise polymerisierten Ionen-Austauscher-Membran gedrückt und dadurch wird das Gas absorbierende hydrophobe Teilchengemisch integral mit der Oberfläche der )onen-Austauscher-Membran verbunden und ihr eingebettet.

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Andererseits besteht die Kathoden-Elektrode aus Teilchen von Platin schwarz gemischt mit hydrophoben Teilchen, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, wie dies in der vorgenannten U.S.-Patentschrift beschrieben wird. Die Kathoden-Elektrode wird ebenfalls mit der Oberfläche der Kathodenseite der Kationen-Membran verbunden und in ihr eingebettet unter Verwendung des in der vorgenannten U.S.-Patentschrift 3.134.697 beschriebenen Verfahrens. Daher bestehen die in einer Elektrolyse-Zelle zur Elektrolyse von Natrium-SuI fat und zur Erzeugung von kaustischer Soda und Schwefelsäure verwendeten Elektroden aus einem verbundenen Gemisch von reduziertem Platin-Iridium-Oxyd (5 bis 5o^? ₀) und Teilchen aus Pulytetraf 1 uoräthylen auf der Anodenseite einer sulfonierten Perfluorkarbon-Kationen-Austauschermembran und aus einem verbundenen Gemisch von Platin schwarz und Polytetrafluoräthylen-Teilchen auf der Kathodenseite, wobei die Elektroden mit der Oberfläche der Kationen-Austauschermembran integral verbunden und in ihr eingebettet sind.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Kationen-Membran und der Elektroden und erleichtert das Verständnis der elektrochemischen und chemischen Vorgänge, welche stattfinden, wenn eine wässrige Natriumsulfat-Lösung in die Anolyt-Kammer und ein Katholyt aus destilliertem Wasser in die Katholytkammer eingeleitet wird und eine Gleichspannungsquelle zwischen der Anode und der Kathode angeschlossen wird. Die Membran 5 ist dabei eine Kationen-Austauschermembran, vorzugsweise eine Membran aus sulfoniertem Perfluorkarbon des Typs, wie sie handelsmässig von der duPont Company unter dem Handelsnamen Nafion erhältlich ist. Dabei werden homogene oder zusammengesetzte Filme mit einer niedrigen Ionen-Austauscherkapazität IEC (o,6o bis o,7o)

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und/oder geringem Wassergehalt bevorzugt. Die Membran unterteilt die Zelle in eine Anolyt-Kammer und eine Katholytkainmer und verhindert dadurch die Vermischung des Anolyt und des Katholyt. Die Membran 5 verhindert auch das Wandern der in einer Kammer gebildeten Gase in die andere Kammer, das heisst, H₉ in der Katholyt-Kammer und O₂ in der Anolyt-Kammer. Die Kationen-Austauschermembran 5 besitzt eine Kathodenseite mit niedrigem Wassergehalt und hierdurch wird das Wandern von kaustischer Soda von der Kathode zur Anode auf ein Minimum gebracht. Die Anodenelektrode 9 auf einer Oberfläche der Ionen-Austauschermembran ist wie bereits dargestellt, ein verbundenes Gemisch von gasdurchlässigen Teilchen einer Edelmetall-Legierung, beispielsweise reduzierte Oxyde von Platin-Iridium, mit einem hydrophoben Bindemittel, beispielsweise Polytetrafluorethylen. Die Kathode 1o ist ein verbundenes Gemisch uu;> 'leilchen einer Edelmetall-Legierung, beispielsweise Platin schwarz. Eine Gleichspannungsquelle 18 wird zwischen Anode 9 und Kathode 1o angeschlossen, wobei der positive Anschluss der Spannungsquelle mit der Anode und der negative Anschluss mit der Kathode verbunden wird. Eine wässrige Lösung eines Natriumsalzes, beispielsweise Natriumsulfat, wird in die Kammer eingeleitet, wie dies symbolisch durch den Pfeil auf der rechten Seite dargestellt ist.

Die erste Reaktion, welche stattfindet, ist die Elektrolyse von Wasser an der Anode, da die Gleichspannung von der Quelle 18 grosser ist als die theoretische Zersetzungsspannung von 1,23 Volt für das Oxydations-/Reduktionspaar H_O/H O₂, so dass die erste Reaktion ist: Anode: H₇O = 2H⁺ + 1/2 O₉ + 2e~ (1)

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In Wasser gelöst ist das Natriumsulfat ein schwacher Elektrolyt und zersetzt sich in die Ionen wie folgt:

Anode: Na₃SO₄ = 2Na⁺ + SO₄"" (2)

Die elektrochemisch erzeugten Wasserstoff-Kationen in der Anolyt-Kammer und die Anionen SO₄ vereinigen sich unter Bildung von Schwefelsäure

2H⁺ + SO₄"" = H₂SO₄ (3)

Die Natrium-Ionen beginnen durch die Kationen-Austauscher Membran zu wandern, welche in ihrer sulfonierten Form eine hohe Selektivität für Natrium gegenüber Wasserstoff besitzt. Daher werden nahezu alle Wasserstoff-Kationen zur Erzeugung von Schwefelsäure aufgebraucht und die Natrium-Ionen wandern durch die Ionen-Austauschermembran zur Kathodenseite. Damit ergibt sich folgende Gesamtreaktion an der Anode :

Anode: (Gesamtreaktion) Na₃SO₄ + H₂O = 2Na⁺ + H₂SO₄ + 1/2 O₂ + 2e" (4)

Es ist erwünscht, eine hohe Konzentration an Natriumsulfat beizubehalten, so dass die Konzentration der Natrium-Ionen an der Membran-Oberfläche hoch ist und der grösste Teil der durch die Membran tramsportierten Kationen Natrium-Kationen sind und nur sehr wenige Wasserstoff-Kationen transportiert werden.

Wie durch den Pfeil 19 auf der linken Seite angedeutet, wird ein Katholyt, bestehend aus destilliertem Wasser, in die Katholytkammer eingeleitet und wird in einer alkalischen Reaktion zersetzt zur Bildung des Hydroxyl-Anions und von Wasserstoffgas.

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Kathode: 211 0 + 2e = 20Il" + H₉ (5)

Die Ionen-Leitfähigkeit für die Kationen wird erhalten durch die Beweglichkeit der hydratisierten Natrium-Ionen, welche sich dadurch durch die Polymerplatte bewegen, dass sie von einer SuIfon-Säure-Gruppe zur nächsten SuI-fonsäure-Gruppe weiter gereicht werden. Die Sulfonsäure-Gruppen sind dabei festgelegt und bewegen sich nicht, so da'ss die Konzentration der Säure in der Membran festgelegt bleiben muss. Wie bereits zuvor ausgeführt, wird durch Aufrechterhaltung einer hohen Konzentration von Natrium-Ionen an der Anoden-Oberfläche der Membran die Austauschreaktion

Membran: R SO₃" H⁺ + Na⁺ = R SO₃" Na⁺ + H⁺ (6) begünstigt, wodurch die Wanderung von H -Kationen auf ein Minimum gebracht wird, welche den Coulomb¹sehen Wirkungsgrad für die Erzeugung von kaustischer Soda verringern kann.

An der Kathode wurde der Katholyt aus destilliertem Wasser in das Hydroxyl-Anion (OH ) und molekularen Wasserstoff zersetzt. Die Hydroxy1-Anionen können nicht durch die Ionen-Austauschermembran transportiert werden, da ein Sulfonsäure-Radikal SO₃ der Kationen-Austauschermembran eine negative Ladung besitzt und daher die negativ geladenen Hydroxyl-Anionen abstösst. Wenn das Natrium-Kation und etwa daran anhaftende Wasserraoleküle an der Kathode ankommen, dann verbindet sich das Natrium-Kation mit dem Hydroxyl-Ion zur Bildung kaustischer Soda, das heisst Natriumhydroxid. Die Gesamtreaktion für die Natriumsulfat-Elektrolyse unter Verwendung einer Zelle mit einem Elektrolyt aus Festkörperpolymer in Form einer Ionen-Austauschermembran ergibt sich daher wie folgt:

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Gesamtreaktion: Na₂SO₄ + 3H₂O = 2NaOH + 1/2 O₂ + H₂ + H₂SO₄ (8)

Zusammengefasst wird wässriges Natriumsulfat und Wasser zugeführt und die Elektrolyse-Produkte sind kaustische Soda und molekularer Wasserstoff auf der Kathodenseite und molekularer Sauerstoff und Schwefelsäure auf der Anodenseite.

Die kaustische Soda, welche auf der Kathodenseite durch den elektrochemischen Transport der Natrium-Kationen und des Wassers durch die Membran gebildet wird, liegt in Konzentrationsbereichen von 1o bis 15 Normal. Hierdurch wird die Möglichkeit vergrössert. dass der osmotische Druck durch die hohe Konzentration der kaustischen Soda einen Transport von Natrium-Hydroxid zurück zur Anode durch eine Permeation oder Diffusion durch die Membran ergeben kann. Daher wird, wie bereits zuvor angedeutet, die Konzentration der kaustischen Soda an der Kathodenfläche der Ionen-Austauschermembran reduziert, um die Permeation oder Diffusion des Natrium-Hydroxids zu erschweren, und hierzu wird ein ständiger. Strom von destilliertem Wasser an der Kathode entlang aufrecht erhalten, um auf diese Weise eine Konzentration von NaOH von weniger als 6 Normal aufrecht zu erhalten. Hierdurch wird der osmotische Druck auf die Membran verringert und dadurch wird die Möglichkeit einer Permeation der kaustischen Soda durch die Membran in die Anolyt-Kammer auf ein Minimum reduziert oder beseitigt.

Die theoretische Spannung für diese Elektrolyse von Natriumsulfat kann berechnet werden und ist dann gleich der Summe der theoretischen Spannung des Redox-Paars für Wasser/Sauerstoff, welche 1,23 Volt beträgt,

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und der Spannung zur Reduktion des Hydroxyl-Anions und des Natrium-Kations zur Erzeugung von kaustischer Soda, welche 0,80 Volt beträgt, so dass die theoretische Spannung für das Verfahren 2,o3 Volt beträgt. Die theoretische Spannung berücksichtigt jedoch nicht das Öberspannungsverhalten der einzelnen Elektroden, den Widerstand der Ionen-Austauschermembran oder die Möglichkeit von an den Elektroden stattfindenden anderen Reaktionen. Durch Verwendung von Elektroden mit niedrigen Sauerstoff-Oberspannungen, beispielsweise der vorstehend beschriebenen l'latin-Iridium-Elektrode, ist es jedoch möglich, eine recht gute Annäherung an die theoretische Spannung zu erreichen. Selbstverständlich ist das Verfahren um so wirkungsvoller und besser im Hinblick auf den Energieverbrauch und letztendlich im Hinblick auf die Grosse einer Anlage für eine gegebene Produktionsgeschwindigkeit für NaOH, je stärker man sich der theoretischen Spannung nähern kann. Ein anderer erwünschter Gesichtspunkt besteht in einem Betrieb bei hohen Strom-

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dichten (o,1o bis o,21 A/cm ) (I00 bis 2oo A/ft ), wodurch weniger Zellen und geringere Investitionskosten für die Anlage benötigt werden. Wie noch nachstehend in Verbindung mit bestimmten Betriebsdaten für die Zellen gezeigt wird, können durch die ausgewählte Kombination von Elektroden und Kationen-Austauschermembran Zellenspannungen von 2,3 Volt bis 3,5 Volt erreicht werden. Dies deutet darauf hin, dass die Elektroden eine sehr geringe Überspannung besitzen und dass das Verfahren einen guten Wirkungsgrad aufweist, da es der theoretischen Spannung relativ nahe kommt, im Gegensatz zu Diaphragmen-Zellen und Quecksilberzellen, welche gemäss der angeführten Literaturstelle aus "Electrochemical Engineering" Klemmenspannungen zwischen 5 und 6 Volt für Diaphragmen-Zellen und zwischen 5,5 bis 6 Volt für

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Quecksilber-Zellen bei Stromdichten von 1o Ampdre pro dm benötigen. Daher ist die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren bezüglich seines Betriebsverhaltens den vorbekannten Diaphragmen-Zellen und QueckisIber-Zellen weit überlegen.

Die Figur 3 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung einer Elektrolyse-Zelle, wie sie zur Elektrolyse von Natriumsalzen, beispielsweise Natriumsulfat, verwendet wurde und zeigt die Beziehung zwischen den verschiedenen Bauteilen der Zelle, einschliesslich der Endplatten, Dichtungen, Stromsammler, Membranen usw., das heisst alle einzelnen Bauteile, aus denen die Zelle besteht. Auf der linken unteren Seite ist eine anodenseitige Endplatte 25 abgebildet, welche aus einem Material wie Aluminium oder dergleichen hergestellt ist. Die Endplatte muss nicht aus einem korrosionsbeständigen Material hergestellt sein, das heisst aus einem gegen Natriumsalze, Schwefelsäure beständigen Material, wenn die Endplatten auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite nicht den korrodierenden Materialien ausgesetzt sind, wie dies hier der Fall ist. Die Endplatte auf der Anodenseite unterscheidet sich von der Endplatte 7o auf der Kathodenseite dadurch, dass die Einlass-Leitungen und Auslass-Leitungen für die Anolyt-Kammer und auch für die Katholyt-Kammer beide durch die Endplatte 25 auf der Anodenseite eingeführt werden. Die Leitungspaare für die Kammern sind die Anolyt-Einlass-Leitung 26 und die Katholyt-Einlass-Leitung 27. Die entsprechenden Auslass-Leitungen für die Anolytkammer und die Katholyt-Kammer sind bei 28 bzw. 29 abgebildet. Die Leitungen selbst bestehen aus Titan oder einem anderen korrosionsbeständigem Material, da sie den korrodierenden Materialien ausgesetzt sind. Die Leitungs-

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paare werden jeweils durch Öffnungen 3o in der Endplatte geführt und werden durch Anschweissen oder Anlöten an einer öffnung in dem Anodenstromsammler 31 befestigt, welcher noch beschrieben wird. Eine Anzahl von Schraubenlöchern 32 in der Endplatte 25 nehmen die Schrauben 33 auf, welche in isolierende Hülsen 34 passen. Die Schrauben sind durch die Schraubenlöcher geführt und werden durch bei 34 gezeigte Muttern befestigt, um beim Zusammenbau der Zelle die Endplatten und alle dazwischen liegenden Bauteile fest miteinander zu verspannen.

Eine Platte aus isolierendem Material 35 mit der gleichen Form und den gleichen Abmessungen wie die Endplatte ist zwischen die Endplatte 25 und den Anoden-Stromsammler 31 eingefügt. Der Isolator 35 ist zwischen dem Stromsammler und die Endplatte eingefügt, um einen Kurzschluss des Stromsammlers zur Endplatte zu verhindern und ausserdcm die Anoden-Endplatte 25 gegen den Kontakt mit einem korrodierenden fliessfähigem Mittel zu schützen. Der Isolator 35 kann aus irgendeinem Material bestehen, welches die Isolationseigenschaften besitzt, die zur Verhinderung eines Kurzschlusses des Stromsammlers zur Endplatte benötigt werden und noch gegen die korrodierenden fliessfähigen Mittel beständig ist·* Ein beispielhaftes Material ist Polysulfon. Der Isolator 35 besitzt eine Anzahl von Schraubenlöchern 36, welche mit den Schraubenlöchern in der Endplatte ausgerichtet sind und die Durchführung der isolierten Befestigungsschrauben zum Zusammenbau der Zellen gestatten. In ähnlicher Weise sind auch noch vier Leitungsöffnungen so angeordnet, dass die Leitungen für den Transport von Gasen und Flüssigkeiten in und aus der Anolyt- und Katholyt-Kammer durchgeführt werden können.

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Der Stromsammler 31 besteht aus einer Niob-Platte mit allgemein rechteckiger Form und mit einem Anschluss-Stück 37, das durch Anschweissen, Hartlöten oder auf andere Weise an der Platte befestigt ist. Die Stromsammlerplatte gestattet den Stromfluss von der Anodenelektrode durch das Anschluss-Stück 37, das mit dem positiven Pol einer Cleichspannungsquelle verbunden ist, beispielsweise einem Akkumulator. Die Stromleitung zwischen der Gleichspannungsquelle zur Versorgung der Zelle und den Anoden-Elektroden erfolgt dabei durch den Stromsammler 31 und ein Diffusor/Verteiler-Netz 38, das noch nachstehend beschrieben wird und in stoff schlüssigem Kontakt mit dem Stromsammler und der Elektrode auf der Ionenaustauscher-Membran ist und daher das Fliessen von Elektronen zwischen diesen verschiedenen Bauelementen zur Unterstützung des Elektrolysevorgangs gestattet.

Der Stromsammler 31 besitzt auch noch eine Anzahl von Schraubenlöchern, die mit den Schraubenlöchern in der Isolatorplatte 35 und der Endplatte 25 ausgerichtet sind. Eine Anzahl von öffnungen führen durch den Stromsammler 31 und sind mit den Leitungsöffnungen in der Isolatorplatte und mit den Einlass- und Auslass-Leitungen ausgerichtet, welche durch die Anoden-Endplatte 25 herausgeführt sind. Die Einlass- und Auslass-Leitungen führen durch diese öffnungen und sind an dem Stromsammler durch Hartlöten, Anschweissen oder dergleichen befestigt. Auf der anderen Seite des Stromsammlers 26 befindet sich eine Dichtung 4o für die Anoden-Kammer, die allgemein kreisförmig gestaltet ist. Die Dichtung 4o dichtet die Anodenkammer gegen das Austreten von Flüssigkeit und Gas ab, wenn die Zelle zusammengebaut ist. Sie kann aus irgendeinem geeignetem Material bestehen, welches zur Erzielung der Dichtungswirkung zusammengedrückt werden kann

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und gleichzeitig beständig ist gegen die korrodierende Ι-'lüssigkeit, beispielsweise Schwefelsäure und Natriumsulfat usw. Eine Material form, welche für eine solche Dichtung als brauchbar gefunden wurde, ist Silicongummi ohne Füllstoffe, welcher sowohl die federnde Eigenschaft als auch die Eigenschaft der Zusammenpressbarkeit besitzt und gleichzeitig gegen diese verschiedenen korrodierenden Flüssigkeiten beständig ist. Die Dichtung 4o besitzt einen Haupt teil 41, das allgemein eine Kreisform und eine mittlere öffnung 42 besitzt, welche mit dem Diffusor/ Flüssigkeitsverteiler-Netz 38 aus gestrecktem Metall ausgerichtet ist. Die Dichtung 4o für die Anolyt-Kammer bildet auch noch das Mittel zur Einleitung der Anolyt-Flüssigkeit in die Anoden-Kammer und gestattet noch das Abziehen von Gas und verbrauchtem Anolyt und von Schwefelsäure aus der Auslass-Leitung. Zu diesem Zweck besitzt die Anoden-Dichtung 4o einen Ansatz 43 für die Anoden-Kammer-Einlassleitung mit einer öffnung 44, welche allgemein mit den Leitungsöffnungen in der Endplatte, der Isolatorplatte und den Stromsammlern ausgerichtet ist, so dass der durch die Einlass-Leitung eingeführte einlassseitige Anolyt durch die Isolationsplatte und den Stromsammler und die öffnung in dem Einlassansatz der Dichtung geführt wird. Dabei steht der Durchlass 44 noch in Verbindung mit der mittleren öffnung 42 und damit mit dem Diffusor/Flüssigkeitsverteiler-Netz 38. Dies gestattet den Durchgang der über die Einlassleitung hereinkommenden Flüssigkeit zur Anolyt-Kammer und zu der in der Ionen-Austauschermembran eingebetteten Elektrode. Die Dichtung besitzt auch noch einen Auslassansatz 45 für die Anoden-Kammer mit einem Durchlass 46, welcher zu der mittleren öffnung 42 führt und den Durchgang von verbrauchtem Anolyt, Sauerstoff und Schwefelsäure in die öffnung 46 gestattet. Diese ist mit der Auslassleitung ausgerich-

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S?

tet und gestattet den Austritt von Flüssigkeit und Gasen aus der Anolyt-Kammer durch die Auslassleitung.

Ein Paar von Le tungsansätzen 4 7 und 48 für die Kathoden-Kammer besitzen kreisförmige Öffnungen 49 und 5o, welche mit den Einlassleitungen bzw. Aus lass leitungen für die Kathodenkaminer ausgerichtet sind. Die Öffnungen 49 und besitzen jedoch keine Durchlassverbindung mit der

mittleren öffnung 42 und daher wird der über die Kathoden-Einlassleitung hereingeführte Katholyt von der Anolyt-Kamme r getrennt durch das Dichtungsleiste rial zwischen der öffnung 49 und der mittleren Öffnung 42 der Dichtung 4o. In ähnlicher Weise durchsetzt der verbrauchte Katholyt, das Wasserstoffgas und die kaustische Soda, welche aus der Kathoderikammer herausgeführt werden, die Öffnung 5o zu der Kathoden-Auslassleitung und wird von der Anolyt-Kammcr abgesperrt durch das Dichtungsmaterial zwischen der öffnung 5o und der mittleren Öffnung 42. Wie noch nachstehend im Zusammenhang mit dem Aufbau der Kathoden-Kammer ausgeführt, besitzt die Dichtung für die Katholyt-Kammer ähnliche Ansätze mit folgenden Ausnahmen: Die Öffnungen, welche mit dem Einlass und Auslass der Kathoden-Kammer ausgerichtet sind, besitzen Durchlässe zum mittleren Teil der Dichtung und damit zur Kathoden-Kammer, während die mit den Einlass- und Auslassleitungen der Anoden-Kammer ausgerichteten Öffnungen lediglich kreisförmige Öffnungen sind und keinen solchen Durchlass zum mittleren Teil besitzen, wodurch sie den den Durchtritt von Anolyt in die Kathodenkammer sperren.

In der mittleren Öffnung 42 der Anoden-Dichtung 4o ist das aus einem gedehnten odei gestreckten Metall bestehende Netz 38 als Diffusor/Tlüssigkeitsverteiler angeordnet und ergibt eine gleichmässige Verteilung der Anolyt-

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Flüssigkeit über die Oberfläche der Anoden-Elektrode und gestattet auch noch die Diffusion des als Teil der Elektrolyse des Anolyten erzeugten Sauerstoffs. Das Diffusornetz 38 ist auch noch, wie bereits erwähnt, in direktem Kontakt mit der Anode und dem Stromsammler 31, so dass durch das Diffusornetz 38 ein durchgehender Eeitungsweg geschaffen wird und die Elektronen von der Anoden-Elektrode zum Stromsammler fliessen können. Das Netz besteht aus einem äusseren Niobring 51, an den eine Anzahl von gedehnten Netzen 52 aus Niobmetall angeschweisst sind. Ein Paar von Befestigungsansätzen 53 ragen an dem Ring 51 heraus und enthalten Schraubenöffnungen, durch welche die Schrauben hindurch geführt sind, um das Netz bei zusammengebauter Zelle in seiner Lage zu halten. Der Ring 5 1 besitzt einen Durchmesser, der etwas grosser ist als die Öffnung 42 in der Dichtung 4o, so dass im zusammengebauten Zustand der Ring 51 fest gegen die Dichtung 4o gedrückt ist.

Benachbart zur Anoden-Dichtung 4o und dem Netz 38 ist die Anordnung 54 mit Festkörper-Polymer-Elektrolyt und Elektroden angeordnet. Sie umfasst eine dünne Kationen-Austauschermembran, mit einer Dicke von beispielsweise von etwa o,3 mm (12/1ooo Zoll) oder dergleichen, welche vorzugsweise aus einem sulfonierten Fluorkohlenstoff besteht, beispielsweise aus einem sulfonierten Copolymer von Polysulfonylfluorid-Vinyläther und Polytetrafluoräthylen. Eine solche sulfonierte Fluorkohlenstoff-Kationen-Austauschermembran wird handelsmässig unter der Bezeichnung Nafion von der duPont des Nemours Co. vertrieben. Einige der bevorzugten Membranen sind diejenigen mit einer Seite mit einem geringen Wassergehalt, an welcher der Kathoden-Katalysator aufgebracht werden kann. Beispiele hierfür sind die Membrantypen Nafion 15o, 315, 39o.

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if

In der Mitte der Ioneri-Austauschermembran ist eine Anoden-Elektrode 55 angebracht, welche integral mit einer Oberfläche der Kationen-Membran verbunden und in ihr eingebettet ist. Die Anode 55 besteht vorzugsweise aus einem verbundenen Gemisch von Teilchen aus einem hydrophoben Material, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, und Teilchen eines Edelmetall-Katalysators, und enthält in einer bevorzugten Ausführungsform reduzierte Oxyde von PJ.atin-5o$ Iridium. Eine Kathoden-Elektrode (nicht gezeigt) ist auf der entgegengesetzten Seite der Membran 53 angebracht und besteht vorzugsweise aus einem verbundenen Gemisch von Teilchen eines hydrophoben Materials, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, und Teilchen eines Edelmetall-Katalysators, in diesem Fall Platin" schwarz.

Die Membran-Elektrode 54 besitzt wie die Dichtung unu der Stromsammler eine Anzahl von vorstehenden Ansätzen für die Schraubenlöcher, welche geeignete Öffnungen besitzen, die mit den Schraubenlöchern in der Endplatte, dem Anodenstromsammler, der Anodendichtung usw. ausgerichtet sind, um einen Durchgang der Schrauben zu gestatten, mit denen die Zelle zusammengebaut wird. Die Membrananordnung 54 enthält auch noch ein Paar von Ansätzen 57, welche mit den Einlassleitungen und Auslassleitungen für Anolyt und Katholyt ausgerichtet sind. Die Ansätze besitzen öffnungen 58, welche den Durchfluss des Katholyten von der Einlassleitung durch die öffnung und in Richtung der Katholytkammern gestatten. Die Elektrolyse-Produkte in der Katholyt-Kammer strömen durch die Öffnung 58 in dem unteren Ansatz. 57 zur Auslassleitung für die Katholytkammer und werden dort abgeführt. Der Anolyt wird dabei am Durchtritt in die Katholyt-Kammer gehindert, da die Dichtung auf der Katholytseite keinen

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Durchlass für Anolyt besitzt.

Auf der anderen Seite der Membran-Elektrode 54 befindet sich die Katholyt-Kammerdichtung 59, welche die gleiche allgemeine Form wie die Anolyt-Kammerdichtung 4o mit der bereits dort erwähnten einen Ausnahme besitzt. Sie ist ebenfalls aus einem Material hergestellt, welches gegen die Elektrolyse-Produkte in der Katholyt-Kammer beständig ist, nämlich kaustische Soda und Wasserstoff, und kann beispielsweise aus einem Silicongummi ohne Füllstoff wie die Anodendichtung hergestellt werden. Die Dichtung besitzt eine mittlere öffnung 60, eine Anzahl von Ansätzen 61 für die Schraubenlöcher, welche am Umfang der Dichtung herausragen, und eine Anzahl von Ansätzen, welche mit den Einlassleitungen und Auslassleitungen für die Kathoden-Kammer und die Anoden-Kammer ausgerichtet sind. In der Dichtung 59 besitzen jedoch die mit der Einlassleitung und Auslassleitung der Katholytkammer ausgerichteten beiden Ansätze Durchlässe 62 und 63, die in Verbindung mit der mittleren öffnung 60 der Dichtung stehen und einen Durchlass von Gas aus den öffnungen in diesen Ansätzen zur mittleren öffnung 60 gestatten, und dadurch eine Einleitung von Katholyt in die Katholyt-Kammer und die Abführung der Elektrolyse-Produkte gestatten. Die Ansätze 65, welche mit den Einlassleitungen und Auslassleitungen für die Anolytkammer ausgerichtet sind, sind jedoch entweder ohne mit diesen Leitungen ausgerichtete öffnungen gestaltet, so dass ein Anolyt von der Einlassleitung durch die Ansätze 65 am Eindringen in die Katholyt-Kammer gehindert wird. Alternativ kann gemäss der abgebildeten Form kein Durchlass zur mittleren öffnung vorhanden sein. Ein Netz 66 aus gedehntem Metall als Diffusor/Flüssigkeitsverteiler ist benachbart zur öffnung 60 in der Dichtung 59 angebracht

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und führt eine ähnliche Funktion aus, wie das in der Anodenkammer angeordnete Netz. Das heisst, neben der Stromleitung ergibt das Netz noch eine richtige Verteilung des Katholyten, welcher in diesem Falle aus kaustischer Soda besteht und ergibt auch noch eine gute Diffusion des Wasserstoffs, welcher in der Katholytkammer erzeugt wird. Da in der Katholytkammer kaustische Soda erzeugt wird, bestellt das Netz aus einem Material, welches gegen kaustische Soda beständig ist. Daher besteht das Netz aus einem äusseren Nickelring 67 und einer Anzahl von gedehnten Nickelnetzen 68, welche durch Schweissen oder auf andere Weise am Ring befestigt sind. Nickel wird anstelle von Niob verwendet, weil Niob leicht durch kaustische Soda angegriffen ist, während andererseits Nickel völlig beständig gegen kaustische Soda ist. Das Netz 66 wird unmittelbar gegen die Kathodenelektrode auf einer Seite der Kationen-Austauschermembran gedrückt und wird auch noch fest gegen eine Nickelschutzplatte 71 gedrückt, welche zwischen den Stromsammler 69 und die Dichtung 59 eingefügt ist. Die Platte 71 besteht aus Nickel und schützt dadurch den Stromsammler vor dem Angriff durch kaustische Soda. Der Stromsammler 69 besteht aus Titan und besitzt eine identische Form wie der Anodenstromsammler 26 und führt die gleiche Funktion aus. Der Stromsammler 69, die Schutzplatte und die Kathoden-Endplatte 71 enthalten jeweils eine Anzahl von Schraubenlöchern, welche mit den Löchern in der Anodenendplatte und den Dichtungen, Stromsammlern usw. ausgerichtet sind, so dass die Befestigungsschrauben durch alle diese Elemente durchgeführt werden können, wenn die Zelle zusammengebaut wird.

Die Vorrichtung und das Verfahren gemäss der Erfindung, bei denen ein Natriumsalz an der Anode einer Elektrolyse-

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Zelle elektrolysiert wird, welche eine Kationen-Austauschermembran enthält, zur Bildung von kaustischer Soda mit hohem Reinheitsgrad an der Kathode ist auch geeignet für andere Salze neben Natriumsulfat. Beispielsweise ist das Verfahren und die Vorrichtung auch geeignet für die Elektrolyse verschiedener Natriumkarbonate zur Herstellung von kaustischer Soda mit hohem Reinheitsgrad. Beispielsweise kann als Anolyt wässriges Bikarbonat (NaHCO₃) verwendet werden mit destilliertem Wasser als Katholyt zur Herstellung von Natriumhydroxid und Wasserstoff an der Kathode und von Kohlendioxyd und ...merstof f an der Anode. Wenn die wässrige Lösung von NaHCO₃ in die Anolytkammer und destilliertes Wasser in die Katholytkammer eingeleitet werden, dann besteht die Anfangsreaktion an der Anode in der Elektrolyse von Wasser gemäss der folgenden Gleichung:

Anode: H₂O = 2H⁺ + 1/2 0_£ + 2 e" (8)

Die durch die Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoff-Ionen reagieren mit dem NaHCO₃ gemäss der folgenden Gleichung

Anode: 2H⁺ + NaHCO₃ = Na⁺ + H⁺ + H₂O + CO₂ (9) unter Erzeugung von Natrium-Kationen, Wasserstoff-Kationen, Kohlendioxyd und Elektronen. Die Gesamtreaktion an der Anode ist wie folgt:

Gesamtreaktion an der Anode: NaHCO₃ = Na⁺ + H⁺ + CO₂ +

1/2 O₂ + 2e (1o)

An der Kathode wird das destillierte Wasser in einer alkalischen Reaktion elektrolysiert zur Erzeugung von Hydroxyl-Anionen und molekularem Wasserstoff gemäss der nachstehenden Gleichung:

Gesamtreaktion an der Kathode: 2H₂O + 2e = 2 OH" +H₂ (11)

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Die Natrium-Kationen und Wasserstoff-Kationen werden durch die Ionen-Austauschermembran transportiert. Die an der Kathode eintreffenden Natrium-Kationen reagieren mit den Hydroxyl-Anionen unter Bildung von kaustischer Soda und einige der durch die Membran transportierten Wasserstoff-Ionen reagieren mit den übrigen Hydroxyl-Ionen unter Bildung von Wasser. Daher ergibt sich die folgende Gesamtreaktion:

Gesamtreaktion der Zelle: NaHCO₃ + H₂O = NaOH + CO₂ +

1/2 O₂ + H₂ (12)

Dieses Verfahren besitzt einen etwas geringeren Wirkungsgrad als das Natriumsulfat-Verfahren, da hier ein Transport der H -Kationen zur Kathode erfolgt. Die Entladung, das heisst die Reduktion der H -Kationen,verringert den Coulomb'schen Wirkungsgrad.

Ein weiteres elektrochemisches Verfahren mit Natrium-Salzen zur Herstellung von NaOH benutzt als eingeleitetes Material Na-CO,. Dabei ergeben sich die folgenden Anodenreaktionen:

H₂O = 2H⁺ + 1/2 O₂ + 2 e (13)

2H⁺ + 2 Na₂CO₃ = 2Na⁺ + 2NaHCO₃ (14)

Gesamtreaktion Anode: 2Na₂CO₃ + H₂O = 2Na⁺ + 1/2 O₂ +

2NaHCO₃ + 2e (15)

Gesamtreaktion Kathode: 2H₂O + 2e = 20H~ + H⁺ (16) Gesamtreaktion Zelle: 2Na₂CO₃ + 3H₂O = 2NaOH + 1/2 O₂ +

2NaHCO₃ (17)

In diesem Verfahren muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass sich keine starke Konzentration des Bikarbonats (NaHCO₃) aufbauen kann, da sonst die in den Glei-

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chungen (8) (12) dargestellten Reaktionen ablaufen, welche einen Transport von Wasserstoff-Kationen (H ) zur Kathode beinhalten und damit einer Verringerung des Coulomb'sehen Wirkungsgrades.

Beispiel I

Zur Prüfung des Wirkungsgrades der Elektrolyse-Zelle und des Verfahrens zur Herstellung von NaOH aus einem Natrium-Salz, beispielsweise Na-SO₄, wurde eine Zelle aufgebaut unter Verwendung einer Folie oder Platte aus Perfluorkarbonsulfonsäure mit einer Dicke von etwa o,3 mm (etwa I2/I000 Zoll), welche gemäss der vorstehenden Beschreibung ein sulfoniertes Copolymer von Polytetra-Fluoräthylen (PTFE) und Polysulfonyl-Vinyläther ist. Die Konzentration der angefügten SuIfonsäuregruppen betrug o,38 meq von SO ~/g des Copolymers. Die Membran wurde durch Einweichen in Wasser bei loo C für 3o Minuten ins Gleichgewicht gebracht. An einer Oberfläche der Membran wurde eine Anodenelektrode befestigt und eingebettet mit einer Fläche von etwa 46 cm (etwa o,o5 ft ), welche aus einem verbundenen Gemisch von Teilchen reduzierter Oxyde von Pt-5ol Ir und Teilchen von PTFE bestand. Auf der anderen Oberfläche der Membran wurde eine Kathoden-Elektrode fest verbunden und einge-

2 bettet, welche ebenfalls eine Fläche von etwa 46 cm

(etwa o,o5 ft ) besass und aus einem verbundenen Gemisch von Teilchen aus Platinschwaras und Teilchen aus PTFE bestand. Wässrige Lösungen von verschiedenen Natrium-Salzen einschliesslich Natrium-Sulfat in verschiedenen Konzentrationen wurdenjeingeleitet und die Zelle wurde mit dieser eingesetzten Menge so lange betrieben, bis die Lösung von Na-SO- oder dergleichen zur Hälfte abgereichert war. Der Coulomb¹sehe Wirkungsgrad, ausge-

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drückt in Kathodenstromstärke und Wirkungsgrad in Prozent, Leistungsverbrauch in kWh/o,456 kg NaOH, die Zellenspannung und die Konzentration des erzeugten NaOII wurden für verschiedene Stromdichten bestimmt. Weiterhin wurde eine Zelle identisch zu der vorbeschriebenen Zelle aufgebaut, wobei jedoch die Anoden-Elektrode aus Pt-Edelmetall-Katalysatorteilchen bestand, anstelle von reduzierten Oxyden von Pt-5o^? ₀ Ir und dann die gleiche Prüfsequenz ausgeführt. Die folgende Tabelle I zeigt alle Ergebnisse für die Elektrolyse dieser verschiedenen Natrium-Salze.

	Strom	A/dni	UOOJ	Tabelle	T	2,8	Kathoden-	Ende	NaOH	kWh/kg ί	Ende
	dichte o	(A/ft2)	(200)	Zellen-		3,2	stromwirk-	(1/2	Konz.		1/2
Zugeführter	in		(100)	EMK	EMK	2,7	ungsgrad %	Konz	bei	JaOH	Konz.
A μ λ 1 . #4-			Pt-50Ji			An	55Jt	1/2	(kWh/lb ")	3,15
Anolyt	10	(200)	Ir	Pt-	3,1	fang	KD*	Konz.		(1,44) KD*
	21	(100)	Anode Anode	KD*		KD*	**	An-	KD*
	10				60%		0,3N	fung
NaHCO- 5 Gew %		(200)	2,5 V	KD*	KD*	80Ji			2,26 (1,03)
O (anfangs 0.6N auf 0,3N )	21	(100)	2,8 V	2,8	89#	KD*	KD*	2,89	KD*
Na2CO3	10		2,3					(1,32) KD*
12 Gew.%				89Jt	50Ji	0,9N	1,8	3,88 (1,77)
(anfangs 2,24N ... auf 1,35N)	21	2,6		63Ji	KD*	KD*	(0,82)	2,47
Na2SO4	10	2,5				2,0 (0,92)	(1,13)
10 Gew. %			63%		0,8N	2,74
(anfangs 1,4N ... auf 0,6N)		2,8	85%	KD*	(1,25)
Na0SO.		2,5			3,0 (1,40)
			2,04
		(0,93)

(anfangs 5,5N ... auf 3,3N)

21 (200) 2,8 3,2

85JS 70Ji 2,2N 2,27 2,76 (1,04) (1,26)

Anmerkung: KD* = keine Daten ermittelt

** = 1/2 Konz. ist hier die Hälfte der Anfangskonzentration des zugeführten Anolyten

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Aus den Werten der oben stehenden Tabelle ist ersichtlich, dass die Elektrolyse von Natrium-Sulfat und anderen Natrium-Salzen zur Herstellung von kaustischer Soda mit hohem Reinheitsgrad bei Leistungswerten führt, welche beträchtlich unter den Leistungswerten liegen, wie sie für die bekannten Verfahren mit Diaphragmen-Zelle und Quecksilber-Zelle benötigt werden. Weiterhin ist ersichtlich, dass die für das erfindungsgemässe Verfahren benötigte Zellenspannung eine bedeutende Verbesserung gegenüber den bekannten Verfahren darstellt, welche gemäss den Angaben in den vorgenannten Literaturstellen "Enyclopedia of Electrochemistry" und "Electrochemical Engineering" Zellenspannungen von 5 bis 6 Volt benötigen. Bei Verwendung von Platin-Iridium-Katalysatoren für die Anode ergeben sich sogar noch bessere Zellenspannungen, so dass in dem nicht kontinuierlichen Verfahren gemäss dem vorstellenden Beispiel sehr hohe Wirkungsgrade und sehr geringe Zellenspannungen erreicht werden.

Beispiel II

Es wurde eine Zelle ähnlich der Zelle nach Beispiel I aufgebaut, wobei erneut eine kathalytische Verbund-Anode mit Platin-5oS Iridium und eine kathalytische Verbundkathode mit Platinschwarz verwendet wurden. Dabei besassen die Anode und die Kathode jeweils eine

2 2

Elektrodenfläche von etwa 46 cm (o,o5 ft ). Als Membran wurde eine von der Firma duPont unter dem Handelsnamen Nafion 315 vertriebene Membran verwendet und bestand aus einer Sulfonsäure-Kation-Membran aus Fluorkarbon mit einer Dicke von etwa o,25 mm (I0/I000 Zoll) und mit etwa o,83 Milli-Äquivalent Gewicht des SO^ /pro Gramm des Polymers. Diese Membran war an der Kathoden-

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M?

Seite mit einer Schicht der Dicke o,o5 mm (2/1ooo Zoll) aus einer Kationen-Austauschermembran aus sulfonisiertem Fluorkarbon bedeckt, welche 0,66 Milli-Äquivalent Gewicht von SO, pro Gramm des Polymers enthielt. Diese o,o5 mm dicke Schicht auf der Kathodenseite ergibt eine bessere Abweisung der kaustischen Soda und daher eine höhere Konzentration der kaustischen Soda auf der Kathodenseite. Die Zelle wurde kontinuierlich betrieben und es wurde eine Natrium-Sulfatlösung mit 3o Gewichtsprozent, das heisst eine 4,2 normale Lösung, kontinuierlich durch die Anolyt-Kammer geleitet bei Zimmertemperatur und

2 verschiedenen Stromdichten, das heisst, 21 A/dm (2oo

A/ft²) und 1o A/dm² (loo A/ft² oder ASF). Die Konzentration des an der Kathode erzeugten Natriums-Hydroxids wurde verändert durch Veränderung des Wasserdurchflusses durch die Katholyt-Kammer zur Verdünnung der Konzentration des Natrium-Hydroxids im gewünschten Masse.

	EMK	Tabelle	71	II	NaOH	16)	Kathoden
Strom	(V)	Kathoden	61	Konz.		strom
dichte		strom-Wir	72	(äqu.		in kWh/kg
in A/dm2		kungsgrad	68			kaustischer
(A/ftZ)		(5)			Soda
					(KWH/lb)
	4,o6		1,8		3,8 (1,73)
21 (I00)	3,93	3,3		4,28(1,95)
1o (2oo)	3,36	1,o		3,11(1,42)
1o (I00)	3,38	2,2	3,09(1,41)
1o (I00)

Wie aus diesen Daten ersichtlich, verringert sich der Wirkungsgrad in Prozent für den Kathoden-Strom mit der Erhöhung der Konzentration der kaustischen Soda für irgendeine gegebene Stromdichte und der Wirkungsgrad des Ka-

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thodenstroms in Kilowattstunden pro Mengeneinheit kaustischer Soda nimmt ebenfalls ab, so dass eine grössere Leistung zur Herstellung eines Kilogramms der kaustischen Soda benötigt wird. Es wird angenommen, dass dies auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass mit Ansteigen der Konzentration der kaustischen Soda eine stärkere Permeation oder Diffusion des Natrium-Hydroxids in die Anolyt-Kammer stattfindet. Hierdurch wird der Wirkunsgrad des Verfahrens in dem Sinne verringert, dass die Stromstärke und die Leistung, die zur Erzeugung der in die Anolyt-Kammer diffundierten kaustischen Soda benutzt wurde, verloren geht, so dass sie keine verwendbare kaustische Soda in der Katholyt-Kammer erzeugt. Andererseits ergeben sich wirtschaftliche Vorteile durch die Erhöhung der Konzentration des Natrium-Hydroxid. Infolgedessen besteht ein wirtschaftliches Gleichgewicht zwischen diesen Parametern. Es ist jedoch ersichtlich, dass der Wirkungsgrad des Verfahren immer noch bedeutend besser ist als für die vorbekannten Verfahren, besonders bei niedrigen Stromdichten.

Die Zellenspannung ist ebenfalls bedeutend geringer als die für vorbekannte Systeme benötigte Zellenspannung, obwohl sie geringfügig grosser ist als die im Beispiel I angeführten Zellenspannungen. Die grössere Zellenspannung ist teilweise zurückzuführen auf die Tatsache, dass eine engere Membran verwendet wird, welche eine grössere Zurückweisung für kaustische Soda besitzt, und dadurch in Folge der vergrösserten Zurückweisung von Salz den Wirkungsgrad zu einem gewissen Masse vergrössert. Der Widerstand der Membran steigt jedoch ebenfalls an und daher ist die erforderliche EMK für die Zelle grosser, so dass stets ein Gleichgewicht zwischen Stromdichte, Zellenspannung und Wir-

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kungsgrad des Systens besteht. Durch Vergrösserung der Stromdichte wird offensichtlich die für ein gegebenes System benötigte Anzahl der Zellen reduziert. Dies hat wirtschaftliche Vorteile vom Standpunkt der Kapitalinvestition für das System. Andererseits wird durch Ver-

die

wendung geringerer Stromdichten'Zellenspannung verringert und hierdurch werden die Betriebskosten günstig beeinflusst. Das heisst, die Betriebskosten ausgedrückt in der "benötigten Leistung, das heisst kWh/kg NaOH wird bei niedrigeren Zellenspannungen verringert. Bei der

2 niedrigeren Stromdichte, das heisst bei etwa 1o A/dm (1oo ASF) ist die zur Erzeugung von 1 kg NaOH benötigte Leistung bedeutend geringer als bei der Stromdichte von etwa 21 A/dm . Der Grund für die höhere EMK bei höherer Stromdichte besteht offensichtlich darin, dass bei niedrigeren Stromstärken die Elektroden-Potentiale näher an den theoretischen Spannungswerten für das Elektrolyse-Verfahren liegen. Mit dem Ansteigen der Stromstärke sinkt die Spannung in Folge der Oberspannungen an der Elektrode, der Membranwiderstand und der Kontakwiderstand vergrössern sich dadurch und führen Verluste in das System ein, welche sich in der für das Verfahren benötigten höheren EMK für die Zelle widerspiegeln. Im Vergleich zu den im Beispiel I beschriebenen Verfahren ergibt die Vergrösserung der EMK der Zelle (obwohl die Wirkungsgrade für den Kathodenstrom in Prozent etwa gleich sind) eine höhere benötigte Leistung in Kilowattstunden pro Kilogramm der erzeugten kaustischen Soda. Die benötigte Leistung ist jedoch immer noch sehr günstig im Vergleich zu den vorbekannten Verfahren und ist tatsächlich weit überlegen der Leistung für die vorbekannten Verfahren und dies ergibt bedeutend günstigere Betriebskosten für dieses Verfahren.

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so

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Beispiel III

Eine Zelle des in Beispiel II beschriebenen Typs wurde hergestellt mit der einzigen Ausnahme, dass in der Anodenseite der Membranoberfläche keine Katalysator-Anode eingebettet war. Die Anoden-Elektrode bestand einfach aus einem mit Edelmetall beschichtetem Niob-Netz. Die Kathode bestand andererseits auch hier aus einem verbundenen Gemisch von Platinschwarz und hydrophoben Teilchen. Die Anolyt-Lösung des Beispiels II, nämlich eine Lösung von 3o Gewichtsprozent oder 4,3 Normal von Natrium-Sulfat bei Umgebungstemperatur wurde kontinuierlich durch die Anolyt-Kammer geleitet. Die Zelle wurde mit verschiedenen Stromdichten und Zellenspannungen betrieben und der Wirkungsgrad für den Kathodenstrom in Prozent und der Wirkungsgrad für den Kathodenstrom in Kilowattstunden pro Kilogramm kaustischer Soda wurde bestimmt für verschiedene Konzentrationen der kaustischen Soda auf der Kathodenseite, Das heisst, die Konzentration der kaustischen Soda wurde auchihier verändert <1urch Veränderung des Wasserdurchflusses durch die Katholyt-Kammer, so dass die Konzentration durch Änderung der Verdünnungswirkung des Wassers gesteuert wurde.

	EMK (V)	Tabelle HT	NaOH Konz. (äqu.	Kathoden strom in 16) kWh/kg kau stischer Soda (KWH/lb)
Stromdichte in A/dm (A/ ft*)	4,52 4,52	Kathodenstrom- Wirkungsgrad (5)	2,2 2,4	3,79 (1,73) 3,92 (1,79)
21 (2oo) 21 (2oo)	8o 77 - 44 - 809812/0934

Stromdichte in A/dm (A/f O

21 (2oo) 21 (2oo) 1o (1oo)

EMK Kathodenstrom-(V) Wirkungsgrad (5)

4,49 4,55

3,72

73 81 75

NaOH Kathoden-Konz. strom in (aqu. 16) kWh/kg kaustischer Soda (KWH/lb)

4,3 4,o7 (1,86)

1.8 3,75 (1,71)

1.9 3,46 (1,58)

Aus diesen Daten ist erneut ersichtlich, dass der Wirkungsgrad des Systems in Kilowattstunden pro Kilogramm Hydroxid bei niedrigeren Stromdichten besser ist aus dem Grund, wie er vorstehend im Zusammenhang mit Beispiel III beschrieben wurde. Der Wirkungsgrad ist ebenfalls um so niedriger, je grosser die Konzentration des Natrium-Hydroxid ist. Die EMK der Zelle ist grosser als die für das Beispiel II benötigte EMK, hauptsächlich wegen der Elektrodenüberspannung an der Anode, welche bedeutend grosser ist als bei einer in der Oberfläche eingebetteten Katalysator-Elektrode. Der Kathodenstrom-Wirkungsgrad für die verschiedenen Konzentrationen ist grosser als für das Beispiel II. Der Grund für den höheren Kathodenstrom-Wirkungsgrad in Prozent für die Zelle und das Verfahren nach Beispiel II ist möglicherweise der Folgende: Wenn die Anoden-Elektrode benachbart zur Oberfläche der Membran ist und nicht in diese eingebettet ist, dann erzeugt die Elektrolyse des Wassers der wässrigen Anolyt-Lösung Wasserstoff-Kationen benachbart zur Elektrode und nicht unmittelbar an der Oberfläche der Ionen-Austauschermembran, so dass der Wasserstoff-Kationen-Transport durch die Membran zur Kathode verringert ist. Hierdurch wird der Wirkungsgrad für die Stromstärke in Prozent vergrössert, da nur ein geringerer Strom zur Entladung der Wasserstoff-Kationen

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sz

und zur Erzeugung von Wasserstoff-Gas benutzt wird, das heisst die durch die Membran transportierten Kationen sind im wesentlich nur die Natrium-Kationen, und hierdurch wird der Kathodenstrom vorwiegend zur Erzeugung von Natrium-Hydroxid anstelle der Erzeugung von Wasserstoff ausgenutzt. Obwohl das Betriebsverhalten der Zelle und des Verfahrens nach Beispiel III schlechter ist als das Betriebsverhalten der Zelle und des Verfahrens nach Beispiel II und nach Beispiel I, ist es trotzdem noch eindeutig überlegen dem Betriebsverhalten der vorbekannten Systeme mit Diaphragmen-Zelle und Quecksilber-Zelle, sowohl bezüglich der Zellenspannung als auch bezüglich des Leistungsverbrauchs in Kilowattstunden pro Kilogramm kaustischer Soda (besonders bei niedrigen Stromdichten). Es ist daher ersichtlich, dass die hier beschriebenen Zellen und Verfahren gemäss der Erfindung eine bedeutende Verbesserung gegenüber den vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen für die Elektrolyse von Natrium-Salzen darstellen und insbesondere für die Elektrolyse von Natrium-Sulfat. Sie ergeben nicht nur eine Verbesserung im Betriebsverhalten. Es ist vielmehr auch möglich, diese verbesserten Ergebnisse mit einem bedeutend einfacheren Zellenaufbau zu erreichen, welcher nicht eine Vielzahl von Diaphragmen erfordert, wie dies bei einer Diaphragmen-Zelle der Fall ist, und keine Amalgam-Zersetzung benötigt, wie sie bei Quecksilber-Zellen benötigt wird. Weiterhin beseitigt sie die Verwendung von in hohem Masse giftigen und bezüglich der Umgebungs\^rerschmutzung schwierigen Metallen wie Quecksilber.

Die vorliegende Erfindung stellt daher einen bedeutenden und günstigen Fortschritt auf dem Gebiet der Elektrolyse von Natrium-Salzen und in der Herstellung von Natrium-

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Hydroxid durch die Elektrolyse dieser Natrium-Salze dar.

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Claims (2)

Dr. rer. not. Horst Schüler PATENTANWALT 16. 9.1977 WK/Vo/We. όϋΟΟ Frank.'urt/Main 1, Kaiserstraße 41 Telefon (0611) 23 5ι Telex: 04-16759 Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt-M Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M. 4347-52-EE-O162 GENERAL· ELECTRIC COMPANY I River Road SCHENECTADY, N.Y./U.S.A. Elektrolyse von Natriumsulfat unter Verwendung einer Ionenaustauschermembranzelle mit Festelektrolyt Patentansprüche: (1) Elektrolyse-Zelle zur Erzeugung von kaustischer Soda aus einer wässrigen Lösung von Natrium-Salzen, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: a) ein Gehäuse b) eine Kationen-Membran (5), die das Gehäuse unterteilt in:

1) eine Anolyt-Kammer (7), die einen Anolyten, bestehend aus konzentrierter wässriger Lösung eines Natrium-Salzes enthält, und

2) eine Katholyt-Kammer (8), welchen einen Katholyten, bestellend aus Wasser enthält, wobei diese Membran zur Verhinderung einer gegen-

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seitigen Vermischung von Anolyt und Katholyt eingerichtet ist,

c) ein Paar von Elektroden (19) auf entgegengesetzten Oberflächen der Kationen-Austauschermembran, wobei mindestens einer dieser Elektroden (9, 1o) eine Katalysator-Elektrode ist und ein verbundenes Gemisch aus hydrophoben Teilchen und Teilchen eines Edelmetall-Katalysators enthält, das mit der Oberfläche der Kationen-Austauscher-Membran (5) verbunden und in ihr eingebettet ist,

d) eine Gleichstromquelle,

e) Stromsammler (1,2), welche in der Anolyt-Kamnier (7) und in der Katholyt-Kammer (8) in Strom leitender Verbindung mit der Elektrode (19) in der jeweiligen Kammer sind,

f) Vorrichtungen (3, 4) zur Verbindung des positiven Anschlusses der Gleichspannungsquelle mit dem Stromsammler (1) in der Anolyt-Kammer (7) und des negativen Anschlusses mit dem Stromsammler (2) in der Katholyt-Kammer (8),

g) wobei die genannte Gleichspannungsquelle eine solche Grosse der Spannung besitzt, dass das Potential an der Elektrode (9) in der Anolyt-Kammer gross genug ist zur Elektrolyse des Wassers in der wässrigen Lösung des Natriumsulfats oder eines anderen Natrium-Salzes zur Erzeugung von Sauerstoff und Natrium-Kationen,

h) die Grosse der Spannung von der Gleichspannungsquelle geeignet ist zur Elektrolyse des Katholyten zur Erzeugung von Wasserstoff-Gas und Hydroxyl -An ionen,

wobei noch die Kationen-Austauschermembran (5) eingerichtet ist zum freien Durchgang von Natrium-

Kationen durch Ionen-Austausch von der Anolyt-Kammer (7) zur Katholyt-Kammer (8) zur Erzeugung von kaurtischer Soda aus den Hydroxyl-Anionen und den durch die Membran hindurch tretenden Natrium-Kationen.

(2) Elektrolyse-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (19) Katalysator-Elektroden sind und ein verbundenes Gemisch aus hydrophoben Teilchen und Teilchen eines Edelmetall-Katalysators enthalten, welche mit entgegengesetzten Oberflächen der Membran (5) verbunden und in diesen eingebettet sind.

(3) Elektrolyse-Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen aus Edelmetal 1-Kat;iIysator, welche einen Teil der in der Membranoberfläche in der Katholyt-Kammer (8) eingebetteten Elektrode (1o) bilden, Teilchen aus Platinschwarz sind, und die Teilchen des Edelmetall-Katalysators als Teil der in der Membran-Oberfläche in der Anolyt-Kammer (7) eingebetteten Elektrode (9) Teilchen aus reduzierten Oxyden einer Platin-Iridium-Legierung sind.

(4) Elektrolyse-Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierten Oxyde der Platin-Iridium-Legierung aus einer Legierung von Platin und 5o% Iridium hergestellt sind.

(5) Elektrolyse-Zelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie jede der Kammern (7, 8) ein Strom leitendes Diffusor-Netz (15, 16) enthält, welches in Kontakt mit dem jeweiligen Stromsamm-

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ler (1, 2) und den Elektroden (9, 1o) in jeder der Kammern (7, 8) ist und den Stromfluss zwischen jeder der Elektroden und dem zugeordneten Stromsammler gestattet sowie eine gute Verteilung des Anolyten und des Katholyten auf die Elektroden in der jeweiligen Kammer.

(6) Elektrolyse-Zelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Vorrichtungen (13, 14) zur Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Wasserstroms durch die Katholyt-Kammer (8) zur Steuerung der Konzentration der kaustischen Soda enthält.

(7) Elektrolyse-Zelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der Kationen-Austauschermembran (5) in der Katholyt-Kammer (8) eine Katalysator-Elektrode (1o) fest verbunden und in ihr eingebettet ist.

(8) Elektrolyse-Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen des Edelmetall-Katalysators als Teil des verbundenen Gemisches Teilchen aus Platinschwarz sind.

(9) Verfahren zur Herstellung von kaustischer Soda aus Natrium-Salzen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

a) ein Anolyt in Form einer wässrigen Lösung eines Natrium-Salzes wird in Kontakt mit einer Anoden-Elektrode an einer Seite einer Kationen-Austauschermembran gebracht,

b) ein Katholyt in der Form von Wasser wird in Kontakt mit einer Kathoden-Elektrode an der anderen

Seite der Kationen-Austauscher-Membran gebracht, wobei diese Membran den Anolyten und den Katholyten räumlich voneinander trennt,

c) an der Anodenelektrode, welche benachbart zu der einen Seite der Membran angebracht ist, wird ein Potential angelegt zur Erzeugung von Sauerstoff und Natrium-Kationen aus der wässrigen Lösung auf der Anodenseite der Kationen-Austauscher-Membran,

d) an der Kathoden-Elektrode benachbart zur anderen Seite der Kationen-Austauschermembran wird ein Potential zur Erzeugung von Wasserstoff-Gas und Hydroxyl-Anionen auf der Kathodenseite der Membran angelegt, wodurch die Natrium-Kationen auf der Anodenseite der Membran durch die Kationen-Austauschermembran hindurch zur Kathodenseite transportiert werden und sich auf der Kathodenseite mit den Hydroxyl-Anionen zur Bildung von kaustischer Soda (NaOH) verbinden.

(10) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anolyt in Kontakt mit einer kathalytischen Anoden-Elektrode gebracht wird, welche auf der genannten einen Oberfläche der Kationen-Austauscher-Membran fest verbunden und eingebettet ist,und der Katholyt in Kontakt mit einer kathalytischen Kathoden-Elektrode gebracht wird, welche auf der genannten anderen Seite der Kationen-Austauschermembran verbunden und in ihr eingebettet ist.

(11) Verfahren nach Anspruch 9 oder 1o, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt der Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Wasserstroms entlang der Kathoden-Elektrode zur Steuerung der

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Konzentration der auf der Kathodenseite erzeugten kaustischen Soda.

(12) Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Natrium-Salz-Anolyt eine wässrige Lösung vonNa~SO. ist und die Produkte des Verfahrens auf der Anodenseite Sauerstoff, Schwefelsäure und Natrium-Kationen sind, oder der Anolyt eine wässrige Lösung von NaHCO ist und die Produkte des Verfahrens auf der Anodenseite Sauerstoff, Kohlendioxyd und Natrium-Kationen und Wasserstoff-Kationen sind oder der Anolyt eine wässrige Lösung von Na_?C0, ist und die Produkte des Verfahrens auf der Anodenseite Sauerstoff und NaHCO₃ sind.

(13) Verfahren nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Katholyt in Kontakt mit einer kathalytischen Elektrode gebracht wird, welche auf der Kathodenseite der Membran fest verbunden und eingebettet ist.

(14) Verfahren nach Anspruch 9 bis 13, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt der Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Wasserstroms an der Kathoden-Elektrode vorbei zur Steuerung der Konzentration der auf der Kathodenseite erzeugten kaustischen Soda.

(15) Verfahren nach Anspruch 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katholyt in Kontakt mit einer katalytischen Kathodenelektrode gebracht wird, welche ein verbundenes Gemisch von hydrophoben Teilchen und Teilchen aus Platinschwarz enthält.

(16) Verfahren nach Anspruch 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anolyt in Kontakt mit einer katalytischen Anodenelektrode gebracht wird, welche ein verbundenes Gemisch von hydrophoben Teilchen und Teilchen aus reduzierten Oxyden eines Platin-Iridium-Katalysators gebracht wird, wobei diese Elektrode in der Anodenseite der Kationen-Austauschermembran verbunden und ihr eingebettet ist.

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