DE29819451U1 - Vorrichtung zur kathodischen Abscheidung von Metallen und/oder zur anodischen Oxidation von Organica und Schadstoffen - Google Patents
Vorrichtung zur kathodischen Abscheidung von Metallen und/oder zur anodischen Oxidation von Organica und SchadstoffenInfo
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Description
Vorrichtung zur kathodischen Abscheidung von Metallen und/oder zur anodischen
Oxidation von Organica und Schadstoffen
Oxidation von Organica und Schadstoffen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit welcher sowohl die kathodische Metallabscheidung,
als auch die anodische Oxidation von Schadstoffen bzw. von organischen Verunreinigungen in Prozeßlösungen und Abwässern der Galvanotechnik und der
Metallchemie durchgeführt werden kann.
Zum Stand der Technik gehören Plattenzellen in den verschiedensten Ausführungsvarianten,
bei denen kathodisch das abzureichernde Metall vorzugsweise an Kathoden aus Edelstahl oder aus dem abzureichernden Metall selbst abgeschieden wird,
während zum anodischen oxidativen Abbau von Schadstoffen und von unerwünschten organischen Verbindungen vorzugsweise Anoden aus mit Platin oder Edelmetalloxiden
beschichtetem Titan eingesetzt werden. Dabei können je nach den zu realisierenden
Stromdichten die Kathoden- und/oder die Anodenplatten aus massiven Blechen bestehen oder eine durchbrochene Oberflächenstruktur besitzen, z. B. können
sie aus Streckmetall bestehen oder aus Metallstreifen zusammengesetzt sein.
In vielen Fällen reicht es aus, solche Plattenelektrolysezellen ungeteilt, das heißt ohne
Trennung der Anoden- und Kathodenräume durch geeignete Separatoren einzusetzen. In den Fällen, in denen die kathodischen und/oder anodischen Elektrodenprozesse
reversibel verlaufen, so daß die gewünschte Elektrodenreaktion an der Gegenelektrode
umgekehrt ablaufen und damit wieder rückgängig gemacht werden kann, müssen die Elektrodenplatten entweder durch mikroporöse Diaphragmen, oder
durch lonenaustauschermembranen voneinander getrennt werden.
Ungeteilte oder geteilte Plattenelektrolysezellen werden insbesondere in der Galvanotechnik
und Metallchemie zur Rückgewinnung von Metallen, auch in Kombination mit dem Abbau von Schadstoffen, z. B. der Oxidation von Cyaniden, eingesetzt. Bei
solchen Abreicherungsprozessen an mindestens einer Elektrode ist eine wichtige Voraussetzung für die Erzielung ausreichend großer Stromausbeuten, daß der Stofftransport
zu den Elektroden durch geeignete Maßnahmen begünstigt wird. Das kann einerseits durch die Erhöhung der Elektrodenoberfläche bei gegebener Stromstärke,
andererseits durch eine Erhöhung der Relativgeschwindigkeit Elektrode-Elektrolyt erreicht
werden.
Bei der Metallabscheidung kommt noch hinzu, daß zur Erzielung fest haftender Beläge
ohnehin mit niedrigen kathodischen Stromdichten und/oder hohen Strömungsgeschwindigkeiten
entlang der Kathode gearbeitet werden muß. In der Regel sind deshalb
solche Platten-Elektrolysezellen mit Umlaufpumpen zur Realisierung eines ausreichend
großen Elektrolytumlaufes ausgestattet. Aber auf Grund des meist erforderlichen großen Strömungsquerschnittes zwischen den Elektrodenplatten kommt es
selbst bei großen Elektrolytumlaufmengen nur zu einer geringfügigen Erhöhung der
Elektrolytgeschwindigkeit entlang der Elektrodenoberfläche. Der Elektrolytumlauf
bewirkt deshalb meist nur eine gewisse Durchmischung des Elektrolyten, kaum jedoch
wird dadurch der Stofftransport zur Elektrodenoberfläche merklich begünstigt. Dies gilt prinzipiell auch für die anodischen Oxidationsreaktionen.
Die zur Verbesserung der kathodischen Metallabscheidung bzw. der anodischen
Schadstoffabreicherung durchgeführten Maßnahmen, wie der Einsatz von Partikelelektroden
mit großer spezifischer Oberfläche oder die Erhöhung der Relativge-
• ·
schwindigkeit Elektrode-Elektrolyt durch geeignete mechanische Mittel, z. B. durch
den Einsatz von rotierenden Kathoden, sind aber sämtlich sehr kostenaufwendig im
Vergleich zu einer einfachen Plattenelektrolysezelle.
Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, eine auf dem einfachen Prinzip
der Plattenelektrolysezelle beruhende Vorrichtung zu schaffen, die sich ohne die
Anwendung mechanischer Mittel durch einen deutlich verbesserten Stofftransport
auszeichnet und den unterschiedlichen betrieblichen Anforderungen, auch als geteilte
Zelle, leicht angepaßt werden kann.
Zur Lösung dieses Problems ist der Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung für
die elektrochemische Abscheidung von Metallen und/oder den oxidativen anodischen
Abbau von Organica oder Schadstoffen in Prozeßlösungen und Abwässern der Galvanotechnik
und Metallchemie, bestehend aus einer ungeteilten oder durch Separatoren geteilten Plattenelektrolysezelle,
- wobei die Elektrodenplatten mindestens 80 cm hoch sind und im Abstand von 1
bis 5 cm angeordnet sind,
wobei einseitig oder beidseitig der Elektrodenplatten durch Trennwände von diesen
abgegrenzt, Rückströmkanäle angeordnet sind,
wobei die Rückströmkanäle durch unten und oben in den Trennwänden befindliche
Überströmöffnungen mit den Elektrodenzwischenräumen zu Umlaufsystemen verbunden sind,
wobei mittels einer geeigneten Vorrichtung unterhalb der Zwischenräume zwischen
den Elektroden bzw. bei geteilten Zellen zwischen den Anoden und/oder Kathoden und den Separatoren, feinverteiltes Gas bzw. ein mit fein verteiltem
Gas angereicherter Elektrolyt zugeführt wird.
Unter diesen Bedingungen kommt ein optimierter Gas-Lift zustande kommt, der eine
starke Umlaufströmung bewirkt und dadurch den Stofftransport zu den Plattenelektroden
deutlich zu verbesst.
Dabei kann der Eintrag des fein dispergieren Gases mittels einer Vorrichtung erfolgen,
die aus Gasverteilern besteht, die unterhalb der Elektroden angeordnet sind und die ganz oder teilweise aus mikroporösen Materialien bestehen. Besonders vorteilhaft
kann aber auch der Eintrag eines mit feinverteiltem Gas angereicherten Elektrolyten
unterhalb der Elektroden erfolgen mittels einer meist ohnehin vorhandenen Umlaufpumpe, kombiniert mit einem Injektor, um Fremdgas anzusaugen und im umgepumpten
Elektrolyten zu dispergieren. In diesem Fall können Verteilereinrichtungen
für das Gas in der Zelle entfallen und es gelingt, Gasanteile von bis zu 50 % mit
dem Elektrolyten den Elektrodenzwischeräumen zuzuführen.
Bei solchen Anwendungen, bei denen die Trennung der Elektroden durch Separatoren
erforderlich ist, sind Anoden oder Kathoden in separat mit Elektrolytlösungen beschickbaren
Taschen untergebracht, deren den Elektrodenplatten zugewandten Längsseiten durch mikroporöse Diaphragen oder durch lonenaustauschermembranen
ausgebildet sind. In diesem Falle ist es vorteilhaft, außerhalb der mit Separatoren
ausgestatteten Taschen die Anoden oder Kathoden anzuordnen, an denen die
• · I
gewünschte Hauptreaktion abläuft. Das fein dispergierte Gas ist dann in die Zwischenräume
zwischen den Taschen und den Gegenelektroden einzubringen.
Wenn die Abreicherung und Abscheidung von Metallen das Hauptziel des Elektrolyseprozesses
ist, sollten die Anodenplatten in den Separatorentaschen angeordnet werden und die Rückströmkanäle können sich wie bei ungeteilten Zellen beidseitig
der Plattenstapel befinden. Es ist auch möglich, zusätzlich den Stofftransport zu den
sich innerhalb der Separatorentaschen befindlichen Elektroden mittels Gas-Lift zu
intensivieren, indem in die Taschen unterhalb der Elektrodenplatten zur Einspeisung
fein dispergieren Gases die Taschen einseitig unten und oben mit einem der seitlich
angeordneten Rückströmkanäle verbunden sind, während sich die Elektrolytlösungen
der außerhalb der Taschen befindlichen Elektrodenplatten mit den auf der anderen
Seite angeordneten Rückströmkanal in einem Kreislaufsystem befinden.
In den meisten Fällen ist es vorteilhaft, die Abreicherung im Batch Betrieb vorzunehmen
und die Elektrolytlösung von einem Ausgleichsbehälter mittels einer Umlaufpumpe über die Elektrodenzwischenräume im Kreislauf zu führen. Hierbei überlagert
sich der interne Gas-Lift-Umlauf mit diesem "äußeren" Kreislauf. Durch Überläufe,
die einseitig oder beidseitig an den Rückströmkanälen angeordnet sind, gelangt nur
der durch die Umlaufpumpe geförderte Volumenteilstrom wieder zurück in den Zwischenbehälter.
Besonders günstig ist es in diesem Fall, wenn der mittels Umlaufpumpe geförderte Volumenstrom über einen Injektor mit dem zum Antrieb des Gas-Lift-Umlaufes
erforderlichen fein dispergieren Gas angereichert wird.
In den meisten Fällen wird das einzuleitende bzw. zu dispergierende Gas der Umluft
zu entnehmen sein. Die Vorrichtung kann jedoch auch mit Fremdgasen wie Sauerstoff,
Wasserstoff, Stickstoff oder Schwefeldioxid betrieben werden, wenn z. B. eine Aufoxidation von Bestandteilen der Elektrolytlösung vermieden werden muß (Stickstoff,
Wasserstoff) oder wenn das zum Betrieb des Gas-Liftes eingesetzte Gas gleichzeitig an der elektrochemischen Reaktion beteiligt ist (z. B. Schwefeldioxid,
Wasserstoff zur Anodendepolarisation, Sauerstoff zur Kathodendepolarisation).
Die Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der neuen Vorrichtung. Sie besteht aus dem
Zellengefäß 1, dem Ausgleichsbehälter 2, der Elektrolytumlaufpumpe 3 und dem Gebläse
(Kompressor) 4. In der Zelle befinden sich der Elektrodenplattenstapel 5, bestehend
aus abwechselnd im Abstand von 30 mm angeordneten Anoden- und Kathodenplatten mit den seitlich herausgeführten Stromzuführungen zu den Kathoden 6
und den Anoden 7. Durch zwei Trennwände 8 abgeteilt sind beidseitig Rückströmkanäle
9 ausgebildet die oben und unten durch Überströmöffnungen 10, 11 mit dem
Elektrodenplattenstapel zu einem Umlaufsystem verbunden sind. Mittels der Umlaufpumpe
wird Elektrolyt aus dem Ausgleichsbehälter in die Elektrolysezelle gefördert und unterhalb des Elektrodenplattenstapels eingeleitet. Über den Überlauf 12 fließt
der Elektrolyt zurück in den Ausgleichsbehälter. Mittels des Gebläses werden aus
dem Zellengefäß oberhalb des Flüssigkeitsspiegels Gase angesaugt und über die Gasleitung 13 und das Verteilersystem 14 unterhalb des Elektrodenplattenstapels in
die Zelle in fein verteilter Form eingetragen. Auf Grund des Auftriebes der spezifisch
leichteren Gas-Elektrolyt-Mischung kommt es in den Elektrodenzwischenräumen zu
einer aufwärts gerichteten Strömung. Nach Trennung des Gas-Elektrolyt-Gemisches
im oberen Bereich der Zelle strömt der Elektrolyt über die beiden Rückströmkanäle
zurück, der Gas-Lift-Kreislauf ist geschlossen. Der interne Gas-Lift-Umlauf wird vom
externen Elektrolytumlauf mittels der Umlaufpumpe in Sinne einer Verstärkung der
aufwärts gerichteten Strömung überlagert. Durch die Abgasleitung 15 wird lediglich
der Gasüberschuß abgesaugt und der Gaswäsche zugeführt, während die Hauptmenge der zur Aufrechterhaltung des Gas-Lift-Umlaufes erforderlichen Gase intern
im Kreislauf geführt werden.
Eine gemäß Beispiel 1 aufgebaute Gas-Lift-Metallabscheidezelle war mit einem Kathodenblech
aus 0,5 mm starkem Kupfer und zwei beidseitig angeordneten, durchbrochenen Anoden aus platziertem Titan ausgestattet. Die Zelle wurde mit einer
Stromstärke von 300 A betrieben. Beidseitig von den ca. 1 m hohen Elektroden war
je ein Rückströmkanal angeordnet, von dem elektrochemisch wirksamen Bereich durch senkrechte Zwischenwände, die mit unteren und oberen Überströmöffnungen
versehen waren, abgeteilt. Die kathodische Stromdichte lag bei 2,8 A/dm2.
Elektrolysiert wurden im Batch-Betrieb 210 I einer schwefelsauren Kupfersulfatlösung
mit einem Ausgangs-Kupfergehalt von 10,4 g/l. Der Kupfergehalt wurde verfolgt und
die Elektrolyse beendet, nachdem ein Kupferrestgehalt von 1 g/l erreicht war. Über
einen Verteiler aus mikroporösem Kunststoff wurden während der Elektrolysedauer 1,6 m2/h fein verteilte Luft unterhalb der Elektrodenzwischeräume eingetragen. Es
kam eine intensive Umlaufströmung aufwärts in den Elektrodenzwischenräumen und nach erfolgter Gasabtrennung abwärts in den Rückströmkanälen zustande. Die mittlere
Zellspannung lag bei 3,7 V. Nach einer Elektrolysedauer von 7 h war der Kupferrestgehalt
von 1 g/l erreicht (Stromeintrag 2100 Ah = 10,0 Ah/I). Daraus ergibt sich
eine Stromausbeute von 79,3 % und ein spezifischer Elektroenergieverbrauch von 3,94 kWh/kg Cu.
Bei einem Vergleichsversuch ohne Gas-Lift unter sonst vergleichbaren Elektrolysebedingungen
war eine Elektrolysedauer von 9 h erforderlich, einem Stromeintrag von 2700 Ah (12,9 Ah/I) entsprechend. Die Zellspannung lag unverändert bei 3,7 V. Daraus
errechnet sich eine Stromausbeute von 61,7 % und ein spezifischer Elektroenergieverbrauch
von 5,07 kWh/kg Cu.
Durch den optimierten Gas-Lift konnte also bei gleichem Kupferrestgehalt von 1,0 g/l
die Stromausbeute um 17,3 % erhöht werden, einer Elektroenergieeinsparung von
22,3 % entsprechend.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur kathodischen Abscheidung von Metallen und/oder zum oxidativen
anodischen Abbau von Organica oder Schadstoffen in Prozeßlösungen und Abwässern der Galvanotechnik und Metallchemie, bestehend aus einer ungeteilten
oder durch Separatoren geteilten Plattenelektrolysezelle, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Elektrodenplatten mindestens 80 cm hoch sind und im Abstand von 1 bis 5
cm angeordnet sind,
einseitig oder beidseitig der Elektrodenplatten durch Trennwände von diesen abgegrenzte
Rückströmkanäle angeordnet sind,
die Rückströmkanäle durch unten und oben in den Trennwänden befindliche
Überströmöffnungen mit den Elektrodenzwischenräumen zu Umlaufsystemen verbunden sind,
eine geeignete Vorrichtung unterhalb der Zwischenräume zwischen den Elektroden
bzw. bei geteilten Zellen zwischen den Anoden und/oder Kathoden und den Separatoren zur Zuführung fein verteilter Gase bzw. des mit fein verteiltem Gas
angereicherten Elektrolyten angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum
Eintrag des fein dispergieren Gases aus Gasverteilern gebildet wird, die unterhalb
der Elektroden angeordnet sind und die ganz oder teilweise aus mikroporösen
Materialien bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum
Eintrag eines mit feinverteiltem Gas angereicherten Elektrolyten unterhalb der Elektroden aus einer Umlaufpumpe für den Elektrolyten verbunden mit einem
Injektor zum Ansaugen und Dispergieren des Gases besteht.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Separatoren
mikroporöse Diaphragmen oder lonenaustauschermembranen eingesetzt werden.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich
zum internen Gas-Lift-Elektrolytumlauf eine Umlaufpumpe zur Umlaufförderung des Elektrolyten zwischen einem innerhalb oder außerhalb des Zellenkörpers
befindlichen Ausgleichsbehälter und dem Elektrolysezellensegment angeordnet ist.
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29819451U1 (de) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2889178A1 (fr) * | 2005-05-27 | 2007-02-02 | Saint Gobain Seva Sa | Procede et dispositif de traitement d'un fluide par electrolyse, notamment pour decarbonater l'eau |
| DE102013010217A1 (de) * | 2013-06-20 | 2014-12-24 | Eilenburger Elektrolyse- Und Umwelttechnik Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemischen Oxidation von sulfidhaltigen Abwässern |
| DE102013013094A1 (de) | 2013-08-07 | 2015-02-12 | Eilenburger Elektrolyse- Und Umwelttechnik Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur effektiven Durchführung stofftransportkontrolliert ablaufender elektrochemischer Prozesse, insbesondere zur Metallrückgewinnung in geteilten oder ungeteilten Elektrolysezellen mit Plattenelektroden |
-
1998
- 1998-10-31 DE DE29819451U patent/DE29819451U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2889178A1 (fr) * | 2005-05-27 | 2007-02-02 | Saint Gobain Seva Sa | Procede et dispositif de traitement d'un fluide par electrolyse, notamment pour decarbonater l'eau |
| DE102013010217A1 (de) * | 2013-06-20 | 2014-12-24 | Eilenburger Elektrolyse- Und Umwelttechnik Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemischen Oxidation von sulfidhaltigen Abwässern |
| DE102013013094A1 (de) | 2013-08-07 | 2015-02-12 | Eilenburger Elektrolyse- Und Umwelttechnik Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur effektiven Durchführung stofftransportkontrolliert ablaufender elektrochemischer Prozesse, insbesondere zur Metallrückgewinnung in geteilten oder ungeteilten Elektrolysezellen mit Plattenelektroden |
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