DE2929755A1 - Kathodenelement - Google Patents

Description

Bei der Chloralkali-Elektrolyse, zum Beispiel bei der Elektrolyse von Kaliunichloridsolen oder Natriumchloridsolen, zur Herstellung von Chlor und des entsprechenden Alkalihydroxids als Kalilauge oder Natronlauge kann eine elektrolytische Zelle verwendet werden, bei der die Anode von der Kathode durch einen geeigneten Separator beziehungsweise eine geeignete Trenneinrichtung getrennt ist. Eine derartige Zelle, die als Zelle mit einer permionischen Membran oder als Diaphragmazelle bezeichnet wird, hat als Anolyten eine saure, chlorhaltige Sole, die an Chlor gesättigt ist. Die Anolytflüssigkeit enthält etwa 125 bis 250 g Natriumchlorid pro Liter oder etwa 220 bis 320 g Kaliumchlorid pro Liter und hat ein pH von etwa 1,5 bis etwa 5,5.

Die Katholytflüssigkeit, die auch als Zellflüssigkeit bezeichnet wird, ist eine alkalische Lösung des Alkalihydroxids, zum Beispiel von Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid. In einer permionischen Membranzelle ist die Katholytflüssigkeit oder die Zellflüssigkeit im wesentlichen frei von Chlorid und enthält etwa 10 bis etwa 50 Gew% Alkalihydroxid, wogegen in einer Diaphragmazelle die Katholytflüssigkeit etwa 15 bis etwa 25 Gew%

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Natriumchlorid oder etwa 19 bis etwa 35 Gew% Kalitimchlorid enthält.

Bei den hier in Betracht kommenden Zellen ist der Anolyt von dem Katholyten durch einen Separator getrennt. Der Separator kann ein Asbestdiaphragma sein, das heisst, dass der Separator aus faserförmigem und kleinteiligem Asbest besteht, der aus einer Aufschlämmung in der Zellflüssigkeit abgeschieden worden ist. Ein derartiges Diaphragma ist durchlässig für den Elektrolyten und ergibt einen Katholyten, der Natriumchlorid und Natriumhydroxid enthält beziehungsweise Kaliumchlorid und Kaliumhydroxid bei der Elektrolyse von Kaliumchlorid.

Es ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, einen synthetischen Separator statt eines Asbestseparators zu verwenden. Die synthetischen Separatoren, die typischerweise aus polymeren Materialien hergestellt werden, können entweder mikroporöse Diaphragmen oder permionische Membranen sein. Mikroporöse Diaphragmen sind durchlässig für den Elektrolyten und ergeben eine Katholytflüssigkeit, die etwa 15 bis etwa 25 Gew% Natriumchlorid und etwa 10 bis etwa 15 Gew% Natriumhydroxid bei der Elektrolyse von Natriumchlorid oder etwa 19 bis etwa 35 Gew% Kaliumchlorid und etwa 13 bis etwa 20 Gew% Kaliumhydroxid bei der Elektrolyse von Kaliumchlorid enthält,

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Permionische Membranen unterscheiden sich von mikroporösen Diaphragmen dadurch, dass sie polymere Säuregruppen enthalten, die eine Kationenselektivität ergeben. Die permionische Membran ist infolgedessen durchlässig für Kationen und undurchlässig für Anionen, so dass in permionischen Membranzellen der Katholyt typischerweise frei von Chlorid ist und etwa 10 bis etwa 50 Gew% Alkylihydroxid und weniger als etwa 1 Gew% und bevorzugt weniger als etwa 0,1 Gew% Kaliumchlorid oder Natriumchlorid enthält.

Die synthetischen Separatoren für elektrolytische Zellen für die Elektrolyse von Alkalichloriden bestehen beispielsweise aus halogenierten polymeren Materialien. Die halogenierten polymeren Materialien schliessen Halogenkohlenstoffpolymere ein, wie Fluorkohlenstoffpolymere, Chlorfluorkohlenstoff polymere, Kohlenwasserstoff-Fluorkohlenstoffpolymere und Copolymere von Kohlenwasserstoffchlorfluorkohlenstoffen. Unter "Fluorkohlenstoffpolymeren" werden Polymere verstanden, die als Homopolymere, Copolymere oder Terpolymere oder Polymere mit noch mehr monomeren Anteilen perfluorierte Molekülanteile enthalten, wie Perfluoräthylen, Hexafluorpropylen und Perfluoralkylvinyläther. Chlorfluorkohlenstoffpolymere sind bei-

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spielsweise Chlortrifluoräthylencopolymere und Terpolymere davon mit zum Beispiel Perfluoräthylen, Hexafluorpropylen und Perfluoralkylvinyläther. Kohlenwasserstoff-Fluorkohlenstoffpolymere sind solche von Vinylfluorid, Vinylidenfluorid, Copolymere von Vinylfluorid, Vinylidenfluorid, Perfluoräthylen und Hexafluorpropylen mit Äthylen, Copolymere von Vinylfluorid und Vinylidenfluorid mit anderen Monomeren, wie Tetrafluoräthylen, Hexafluorpropylen und Vinylalkyläthern. Kohlenwasserstoff chlorfluorkohlenstoffpolymere sind beispielsweise Copolymere von Vinylfluorid, Vinylidenfluorid, Äthylen, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid mit Chlortrifluoräthylen und auch Copolymere von Vinylchlorid und Vinylidenchlorid mit Perfluoräthylen, Hexafluorpropylen, Vinylfluorid, Vinylidenfluorid und Perfluoralkylvinyläthem.

Wenn der synthetische Separator ein mikroporöses Diaphragma ist, kann das Polymere im wesentlichen frei von aktiven Säuregruppen sein. Wenn aber der synthetische Separator eine permionische Membran ist, besitzen die halogenierten Polymeren kationenselektive Gruppen, wie zum Beispiel Säuregruppen. Typische Säuregruppen sind Sulfonylgruppen und ihre Derivate, wie Sulfonamide und SuI fonsäuregruppen, Carbonsäuregruppen und ihre Derivate, wie

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Ester, Phosphonsäuregruppen und Gruppen der phosphorigen Säure. Wenn der synthetische Separator eine permionische Membran ist, wird meistens ein perfluoriertes Polymeres verwendet und die Säuregruppe ist entweder eine Sulfonsäuregruppe oder eine Carbonsäuregruppe.

Es ist berichtet worden, dass überlegene Ergebnisse bei der Elektrolyse von Alkalichloriden in elektro-Iytisehen Zellen mit synthetischen Separatoren erhalten werden, wenn der synthetische Separator im Abstand von der aktiven kathodischen Elektrode angeordnet ist. Synthetische Separatoren, d. h. Platten aus synthetischem polymerem Material, müssen aber geschweisst oder in anderer Weise verbunden werden, um Separatoren zu ergeben, die für elektrolytische Zellen mit fingerförmigen Elektroden geeignet sind. Das Verschweissen erfordert aber die Anwendung von Wärme, stark sauren Lösungen oder stark alkalischen Lösungen. Derartige Massnahmen sind aber für die Anode nachteilig, wenn irgendeine Stufe des Verschweissungsverfahrens durchgeführt wird, nachdem der synthetische Separator auf der Anode montiert ist. In ähnlicher Weise sind derartige Verschweissverfahren für die Kathode nachteilig, wenn ein wesentlicher Teil des Verschweissens durchgeführt wird, nachdem der synthetische Separator auf der Kathode montiert worden ist.

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Es wurde nun gefunden, dass eine besonders vorteilhafte Elektrodenkonfiguration mit einem im Abstand von der Kathode angeordneten synthetisehen Separator erreicht werden kann. Die Elektrode ist gekennzeichnet durch einen hohlen, im wesentlichen nicht leitenden Finger mit einem synthetischen Separator an seiner ausseren Oberfläche und einer kathodischen Elektrode innerhalb des hohlen, im wesentlichen nicht leitenden Fingers. Eine derartige Kathodeneinheit kann entweder in einer monopolaren oder einen bipolaren Zelle verwendet werden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, die folgendes zeigen:

Figur 1

ist eine teilweise weggeschnittene isometrische Ansicht einer bipolaren ElektrοIysiereinrichtung.

Figur 2

ist eine teilweise weggeschnittene isometrische Ansicht eines bipolaren Elements, das heisst einer bipolaren Elektrode.

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Figur 3

ist eine Ansicht eines bipolaren Elementes von Figur 2 entlang der Schnittebene 3'-3'.

Figur 4

ist eine Ansicht eines bipolaren Elementes von Figur 2 entlang der Schnittebene 4'-4'.

Figur 5

ist eine isometrische Ansicht eines zum Teil weggeschnittenen Kathodenelements.

Figur 1 zeigt eine Kathodenstruktur nach der Erfindung in einer elektrοIytischen Zelle, zum Beispiel in einer bipolaren Elektrolysiereinrichtung.

Die bipolare Elektrolysiereinrichtung 1 hat eine Vielzahl von einzelnen elektrolytischen Zellen 11, zum Beispiel 2 bis 100 oder noch mehr. Jede Zelle 11 schliesst eine Anodeneinheit 51 einer bipolaren Einheit 21 und eine kathodische Einheit 71 der benachbarten bipolaren Einheit 21 ein.

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Jede Zelle hat eine anodische Seite 51 mit einer Zuführung 31 der Sole, nicht gezeigten Abscheidungseinrichtungen 33 und einem Chlorauslass 35. Die Zelle enthält ferner eine anolytbeständige Platte 24 an der Rückplatte 23 der bipolaren Einheit 21 und einen anolytbeständigen Überzug 28 an den Zellwänden 25, 26 und 27 der bipolaren Einheit 21. Die Anodenblätter 53 erstrecken sich nach aussen von der anolytbeständigen Platte 24 der Rückplatte 23 innerhalb der bipolaren Einheit 21.

Die kathodische Seite 71 der elektrolyt!sehen Zelle 11 hat eine Einrichtung 37 zur Zuführung von Wasser, eine Einrichtung 39 zur Rückgewinnung der Zellflüssigkeit, eine Einrichtung 41 zur Gewinnung von Wasserstoff, ein Kathodenelement 81 und einen Rückschirm 73. Der Rückschirm 73 ist im Abstand von der Platte 23 angeordnet.

Das wesentliche Bauelement 22 der bipolaren Einheit 21 wird in allgemeiner Weise in Figur 1 und im Detail in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigt. Die Rückplatte 22 trennt die anodische Seite 51 der bipolaren Einheit 21 von der kathodischen Seite 71 der bipolaren Einheit 21.

Die Rückplatte 22 hat zwei Teile: eine schwere, katholytbeständige Platte 23 und ein dünnes, anolytbestän-

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diges Blech 24. Ausserdem bedeckt eine dünne anolytbeständige Schicht, Oberzug oder Blech die innere Seite des Oberteils 26, des Bodens 27 und der Wände 25 der bipolaren Einheit 21 in dem Anolytraum, das heisst, dort, wo der Baukörper mit der Anolytflüssigkeit in Berührung kommt.

Die Anoden 53 erstrecken sich nach auswärts von der Rückplatte 22. Die Kathoden 81 erstrecken sich nach aussen von der entgegengesetzten Seite der bipolaren Einheit 21.

Die Kathodeneinheit 71 der bipolaren Einheit 21 schliesst eine Vielzahl von einzelnen Kathodenelementen 81, einen synthetischen Separator 101 ausserhalb des Kathodenelements 81 und einen Rückschirm 73 im Abstand von der Rückplatte 22 und im wesentlichen parallel zu der Rückplatte 22 ein. Der Rückschirm 73 und die Rückplatte 22 definieren ein Volumen zwischen ihnen, das heisst, ein Volumen für die Aufnahme der KathoIytflüssigkeit. Der Rückschirm 73 kann aus dem gleichen Material wie die kathodische Oberfläche 91 oder dem gleichen Material wie der hohle Finger 83 bestehen oder aus einem durchlässigen, festen Metall, das die Funktion des synthetischen Separators erlaubt. Alternativ kann der Rückschirm 73 im wesentlichen aus einem undurchlässigen Material bestehen, so dass er den Durchgang des Elektrolyten oder von Ionen verhindert.

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Das einzelne Kathodenelement 81 schliesst einen hohlen Finger 83 ein, der im wesentlichen nicht-leitend ist. In der Regel besteht er aus einem verstärkten oder harten oder halbharten Kunststoff oder aus einem keramischen Material oder aus einem mit Harz beschichteten Metall, so dass er keine elektrisch aktive Oberfläche gegenüber dem Elektrolyten besitzt. Der hohle Finger 83 hat zwei Seitenwände 84, die im wesentlichen parallel zueinander und durchlässig für den Fluss des Elektrolyten sind. Die Seitenwände 84 können porös, perforiert oder mit Löchern versehen sein und haben in der Regel einen Bereich an offener Fläche von etwa 20 bis etwa 80 %. Der Hohlfinger 83 dient zum Tragen des synthetischen .'Separators 101. Das Oberteil 86, der Boden 87 und die Leitkante (leading edge) 88 des Hohlfingers 83 können durchlässig für den Elektrolyten und mit einem synthetischen Separator bedeckt sein. Alternativ können das Oberteil 86,der Boden 87 und die Leitkante 88 des hohlen Fingers 83 geschlossen sein. Ein Vorteil des hohlen Fingers 83 besteht darin, dass: das Oberteil 86, der Boden 87 und die Leitkante Bi offen sein können, wodurch der synthetische Separator 101 in diesen Bereichen funktionieren kann. Dies beruht darauf, dass der hohle Finger 8 3 kein elektrokatalytisches Material auf seiner Ot erflache besitzt, so dass er die Bedingungen ertrage ι kann, die beim Verschweissen oder Verbinden von Segmenten des synthetischen Separators auftreten.

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Zwischen dem hohlen Finger 83 und dem Rückschirm 73 ist eine elektrolytdichte Abdichtung vorhanden, wobei das Volumen innerhalb des hohlen Fingers 83 und zwischen dem Rückschirm 73 und der Rückplatte 22 im Kontakt miteinander über die Öffnungen 90 stehen und wobei das KathoIytvolumen in der bereits angegebenen Weise definiert wird.

Der synthetische Separator 101 auf der äusseren Oberfläche des Hohlkörpers 83 kann, wie bereits ausgeführt wurde, auch auf der äusseren Oberfläche des Rückschirms 73 vorhanden sein. Der synthetische Separator 101 kann ein getrenntes Gebilde sein oder ein Film von synthetischem Separatormaterial auf dem Rückschirm, um eine einzelne Installation und Entfernung der Kathodenelemente 81 auf beziehungsweise von der Kathodeneinheit 21 zu ermöglichen.

Die kathodische Elektrode 91 befindet sich innerhalb des Hohlfingers 83 und hat eine leitende Basis 93 und eine elektrisch leitende Einrichtung 95.

Die kathodische Elektrode 91 entspricht der leitenden Einrichtung 97 in der Rückplatte 22, so dass bei einer bevorzugten Ausführungsform einzeln entfernbare Kathodenelemente vorhanden sind. Die leitenden Einrichtungen 95 und 97 können eine Kupferfeder

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(spring copper) 95 sein, die der Kupferfeder 97 entspricht, und sich nach aussen von einem Leiter 99 erstreckt, der durch die Rückplatte 22 geht.

Die kathodische Elektrode 91 ist hinsichtlich ihrer Form oder Struktur beschränkt wie in bekannten elektrolytischen Diaphragmazellen. Sie kann die Form einer Platte, eines Blechs, einer Wand oder eines Schirms haben, der im wesentlichen parallel mit den Wänden des hohlen Fingers 81 ist. Die kathodische Elektrode 91 kann eine oder zwei parallele Wände haben. Alternativ kann die kathodische Elektrode 91 ein poröser elektrisch leitender Körper sein, der auch einen Katalysator enthalten kann. Ferner kann die kathodische Elektrode Einrichtungen besitzen, um ihrer aktiven Oberfläche Luft zuzuführen.

Die kathodische Einheit 71 kann eine Seite der bipolaren Einheit 21 bilden. Alternativ kann die kathodische Einheit 71 eine Oberfläche einer monopolaren Zelle sein.

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Claims (10)

Dr. Michael Hann (1244) H / W Patentanwalt Ludwigstrasse 67 dessen PPG Industries, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania, USA KATHODENELEMENT Priorität: 27. Juli 1978 / USA / Ser. No. 928 647 Patentansprüche:

1. Kathodenelement,

gekennzeichnet durch einen hohlen, im wesentlichen nicht-leitenden Finger mit zwei im wesentlichen parallelen, perforierten Seitenwänden, einem oberen Teil, einem unteren Teil und einer leitenden Kante, einen synthetischen Separator auf der äusseren Oberfläche des Fingers und

eine kathodische Elektrode im Inneren des hohlen Fingers.

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2. Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrode im Abstand und im wesentlichen parallel zu den Seitenwänden des hohlen Fingers angeordnet ist.

3. Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrode ein einziges elektrisch-leitendes Blatt besitzt.

4. Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrode ein Paar von elektrisch leitenden Blättern besitzt, die parallel und im Abstand voneinander angeordnet sind.

5. Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrode einen elektrisch leitenden porösen Körper besitzt.

6. Kathodeneinheit,
gekennzeichnet durch

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(a) ein Kathodenelement mit

(1) einem hohlen, im wesentlichen nicht-leitenden Finger mit zwei im wesentlichen parallelen, perforierten Seitenwänden, einem oberen Teil, einem unteren Teil, einer leitenden Kante und einer offenen Rückkante,

(2) einem synthetischen Separator an der ausseren Oberfläche des hohlen Fingers, und

(3) einer kathodischen Elektrode im Inneren des hohlen Fingers, wobei diese kathodische Elektrode eine Basis und elektrische Leiteinrichtungen an der Basis hat,

(b) eine Rückplatte in elektrischem Kontakt mit der kathodischen Elektrode durch die elektrische Leiteinrichtung und

(c) einen Rückschirm im Abstand und im wesentlichen parallel zu der Rückplatte, wobei die hohlen Finger und der Rückschirm eine dichte Absiegelung gegenüber dem Elektrolyten besitzen, so dass sie ein Volumen innerhalb des hohlen Fingers und zwischen dem Rückschirm und der Rückplatte definieren.

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7. Kathodeneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrode im Abstand und im wesentlichen parallel zu den Seitenwänden des hohlen Fingers angeordnet ist.

8. Kathodeneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrode eine einzige elektrisch leitende Platte besitzt.

9. Kathodeneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kathodische Element ein Paar von elektrisch leitenden Platten besitzt, die parallel und im Abstand voneinander angeordnet sind.

10. Kathodeneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Elektrode einen elektrisch leitenden porösen Körper aufweist.

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