DE3032473A1

DE3032473A1 - Fingerhandschuhartige diaphragmastruktur zur verwendung in elektrolytischen zellen, sowie ein verfahren zum zusammenbau einer derartigen diaphragmastruktur

Info

Publication number: DE3032473A1
Application number: DE19803032473
Authority: DE
Inventors: Steven Jeffrey Mentor Ohio Specht
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1979-08-30
Filing date: 1980-08-28
Publication date: 1981-03-26
Also published as: US4229277A; FR2464312B1; GB2057013A; FR2464312A1; GB2057013B; DE8022980U1

Description

^:Fingerhaö,(a4chwh;arfcige ^: Piaphragmastruktur zur Verwendung in. eleKtrolytischen Zellen, sowie ein Verfahren zum Zus^imenbau einer derartigen Diaphragmastruktur

Die Erfindung bezieht sich auf synthetische Diaphragmastrukturen zur Verwendung in elektrolytischen Zellen und insbesondere auf eine nicht haftende , fingerhandschuhartige Diaphragiriastrttktur zur Vervendung in solchen Zellen, sowie auf ein Verfahren zum Zusammenbau einer derartigen Diaphragmastruktur.

Die Besorgnis um die gesundheitliche Gefährdung durch Äsbestdiaphragmen iiat zur Entwicklung synthetischer Diaphragmen als Ersatz geführt, die sich in elektrolytischen Zellen des Diaphragmatypsverwenden lassen. Diese Entwicklung hat auch dazu, geführt, daß nun mehrere wirtschaftlich hergestellte Ionenaustausch- Diaphragmeniaaterialien verfügbar sind_r die in Form, von Flachstacken produziert werden. Bei allen neuen wirtschaftlichen Anlagen, die von solchen synthetischen Diaphragmen: oder Membranen Gebraucn machen, werden aufgrund der einfachen Einbauweise des Abscheiders Filterpresszellen verwendet.

Zur Zeit wird jedoch eine große Anzahl elektroIytischer Zellen unter Verwendung von Asbestdiaphragmen, betrieben, wie z.B. die in der US-PS 3 904 504 gezeigte Hooker H-4 Zelle. Es ist

BAD ORIGINAL·:

wünschenswert eine Möglichkeit zu schaffen, für diese Zellen, anstatt der Asbestdiaphragmen, synthetische Diaphragmen oder Membranen zu verwenden, um somit die durch ,Asbest für die Gesundheit entstehende Gefahr zu reduzieren, sowie die Umgebung vor einer Asbestverseuchung zu schützen. Eine Möglichkeit läge darin, die herkömmlichen Diaphragmazellen durch neue synthetische Diaphragma- oder Membranzellen des Filterpress-Typs zu ersetzen. Vom wirtschaftlichen Standpunkt her ist diese Alternative für aie meisten Herstellungssituationen nicht durchführbar. Die andere Alternative besteht darin, die herkömmlichen Diaphragmazelle!! in irgendeiner Weise zu modifizieren, so daß sie für die Vervendung syntnetischer Diaphragmen oder Membranen geeignet sind.

üin Verfahren zur Umwandlung einer Diaphragma-Elektrolysezelle in eine Menibran-Elektrolysezelle ist in US-PS 4 112 149 vorgescnlagen. jtsei dieseia Verfahren wira eine Membran auf einer herkömmlichen plax^hragmazellenkathode gebildet, indem ein mattenbildendes Material in einem flüssigen Medium suspendiert und dann durch Vakuumniederschlagung auf die Oberfläche der Kathode aufgebracht wird. Danach wird das iia Vakuum niedergeschlagene mattenbildende Material mit einer Schicht aus thermoplastischem Kationenaustauschermaterial überzogen. Durch Brennen der Kathode in einem Ofen wird dann das thermoplastische Material in eine aiinne una gleichraäßige Schicht auf der Oberfläche des mattenbildenden Materials geschmolzen. Falls notwendig, kann die gebrannte thermoplastische Schicht hydrolisiert v/erden, um somit

13G013/128S BAD

aie thermoplastische Form in eine Kationenaustauschform umzuwandeln. Bei diesem Verfahren v/erden jedoch Asfaestfasern als mattenbilaendes Material verwendet, und somit weist dieses Verfahren genau, die Wachteile, für die Umwelt auf, die auch bei herkömmlichen Asbestdiaphragmen auftreten.

Diese Probleme werden erfindungsgemäß.durch die Schaffung einer nicht haftenden, fingerhandschuhartigen Diaphragma-Struktur, wie diese in Anspruch 1 beschrieben ist, gelöst.

Weiterhin sieht die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau einer Diaphragma-Elektroiysezelle vor, wie im Anspruch 14 angegeben.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht die Schaffung einer nicht haftenden,, fingerhandschuhartigen. Diaphragmastruktur zur Verwendung in einer Elektrolysezelle vor. Die Diaphragmastruktur weist ein Fingerelement mit einem offenen oberen Ende, einem geschlossenen unteren Ende, .sowie einem mittleren Abschnitt auf, der das obere und das untere Ende miteinander verbindet. Das untere Ende ist perforiert, so daß ein Anodenhalter durch die Perforationen in diesem Ende aufgenommen weruen kann. Weiterhin weist die Diaphragmastruktur einen Rand auf, der zur Befestigung des Fingerelements an dem oberen Rand der Kathode dient, um auf diese Weise die Kathode von der Anode und dem Anolyten der elektrolytischen Zelle zu trennen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unterahsprücheii. 1 ¹Q υ 0 1 3 / 1 2 8 8

BAD ORIGINAL ^;\

Die Erfindung and Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden an Hand teilweiser schematischer Darstellungen eines Ausfahrungsbeispiels noch näher erläutert.Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer typischen Diaphragmazelle, in der die Erfindung verwendbar ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt entlang der Linien 2-2 der Fig. 1, und zwar entlang der Mittellinie einer Anode der Fig. 1, unter Darstellung der erfindungsgemäßen Diaphragma-Struktur,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Diaphragmastruktur, die sich auf der Kathode der Zelle der Fig. 1 befindet,

Fig. 4 einen Längsschnitt entlang der Linien 4-4 der Fig. 3, in dem die Lage der erfindungsgemäßen Diaphragmastruktur in einer im übrigen herkömmlichen elektrolytischen Zelle gezeigt ist,

Fig. 5 eine isometrische Ansicht der erfindungsgemäßen Diaphragmastruktur, in der die gefalteten Lappen sowie die aarin vorsehbaren Anodenständerüffnungen gezeigt sind,

Fig. 6 eine isometrische Ansicht . eines gefalteten Diaphragmaflachstücks unmittelbar vor der dichtenden Verbindung desselben zur Bildung der erfindungsgemäßen Diaphragmastruktur, und

Fig. 7 eine Vorderansicht des Diaphraginaf lachstücks der Fig. 6 nach der dichtenden Verbindung, unter Darstellung der räumlichen Anordnung der Dichtverbindungen.

130013/1288

BAD

Fig. 1 ist eine Seitenansichtvon außen einer herkömmlichen elektrol^tiscnen Chlor-Alkali-Zelle TOj in der die Erfindung verwendbar ist. Die Zelle 10 weist eine gitterartige Kathodenstruktur 12 auf, die auf einem Zellenboden 14 angeordnet ist und voneinera Zeilenöberteil bzw. -abdeckung 16 abgedeckt ist. Der Zeiienböden 14 kann wiederum von einer doppelfußartigen unterstützung 18 getragen werden, die wiederum auf dem Boden einer typiscnen Chlor-Alkali-Anlage angeordnetist. Hin geeignetes Dichtungselement 20 ist zwischen dem Zellenoberteil und der Kätlioxienstruktür 12 vorgesehen* In ähnlicher Weise ist ein geeignetes -Didhtüngseleiaent 22 zwischen der Kathodenstruktur und dem Zellenboden 14 angeordnet. Ebenfalls zwischen der Kathodenstruktur: 12 und dem Zellenboden 14 ist eine Anoden— Stromschienenstruktur 24 vorgesehen, die zur Leitung eines Stroms zu den Anöden 32 (siehe Fig> 4) der Zelle 10 dient. Aus diesem Grund ist das ,Dichtungselement 22 bevorzugterweise zwischen der Stromschiene 24 und ,der Kathodenstruktur 12 angeordnet, um somit diese beiden Elemente voneinander zu isolieren. Die Kathoaenstruktur 1:2 ist bevorzugterv/eise mit Kathodenstromschienen 2 6, 28 und 30 versehen, die zu. einer gleichmäßigeren Verteilung aes StromsVxiinerhalb der Kathodenstruktur 12 besonders ausgebildet sein .Können-.. Von außen betrachtet erscheint der Aufbau der Zelle TO herkummliciier Art zu sein, und aus diesem Grund wird l-'ic,'. 1 als "Stand der -Technik" bezeichnet, obwohl der innere Aufbau der Zelle ;i:ö nicht herkömmlicher Art ist...

13 Oi013/128 8

BAD ORIGINAL

Um aas Aussehen der erfindungsgemäßen Diaphragmastruktur innernalo der Zelle 10 zu veranschaulichen, wird auf Fig. 2 isezug genommen, bei der es sich um einen Schnitt längs der vertikalen Mittellinie einer Anode 32 der Zelle 10 handelt. Bei allen Figuren der Zeichnungen beziehen sich, falls nicht anciers angegeben, gleiche Bezugs zeichen auf gleiche Elemente. Das Innere der Kathodenstruktur 12 ist von der erfindungsgemäßen Diaphragmastruktur 34 umgeben. Die Diaphragmastruktur 34, die am deutlichsten in Fig. 5 zu erkennen ist, wird nachstehend beschrieben.

Huniaehr wird v/ieder auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Diaphragmastruktur 34 weist ein fingerartiges Element 3 6 sowie ein Randelement 3δ auf. Das fingerartige Ulernent 36 umgibt die Anoden 32, wänrenu sich das Randelement 38 zwischen dem Zeilenoberteil imu der Kathodenstruktur 12 erstreckt, um somit die Kathodenstruktur 12 von eier Anode 32 und dem mit den Anoden 32 in Kontakt befinalichen Anolyten (nicht gezeigt) zu trennen. Die Konfiguration der Kathodenstruktur 12 ist in einigen Einzelheiten in Fig. 2 gezeigt. Das Hauptelement der Struktur 12 bilden üer hohle periphere Durchflußkanal 40, der am besten in Fig, 4 zu erkennen ist, und die Kathodenfinger 42, die am besten in den Fig. 3 und 4 zu sehen sind. Der Kanal 40 dient zur Führung eines kaustischen Produkts zu einem Auslaß (nicht gezeigt) fdr dieses Produkt und zur Führung von Wasserstoffgas zu einem Wasserstoffgasauslaß 43, der am besten in Fig. 3 zu sehen ist.

130013/1288 ORIGINAL

Fig. 3 ist eine Draufsicht, die zur Erläuterung sowohl ein herKüroinlicnes Diaphragma 44 des haftenden Typs auf der linken unteren Seite der Fig. 3, als auch die erfindungsgemäße Diapiiragmastruktur 34 auf. der unteren rechten Seite der Fig. 3 zeigt. In Wirklichkeit wird bei der Erfindung das Diaphragma 44 vollständig von der Struktur 34 ersetzt. Die Kathodenstruktur 12 ist gitterartig ausgebildet und weist den peripneren Durchflußkanal 40 sowie quer verlaufende,, parallele und voneinader beabstandete Kathodenfinger 42 auf. Damit die Diaphragmastruktur 34 zwischen die Kathodenfinger 42 paßt und diese umgibt.,ist es notwendig, üaß die Diaphragmästruktur 34 eine ziemlich komplizierte Forin hat. Die Möglichkeit ,eine derartige komplizierte Form herzustellen ist nun aufgrund der Erkenntnis gegeben, daß die Kationenaustausch-

forra von Karionenaustauschermaterialien erfolgreich heißgesiegelt werden kann, ohne daß dabei die Ionenaustauscheigenschaften aer Membran zerstört werden. Das haftende Diaphragma des Standes der Technik wurde normalerweise durch Vakuumnieaerschlagung eines* schlammartigen Materials auf den Durchflußkanal 40 und die quer verlaufenden Finger 42 der Kathoden-Struktur 12 aufgebracht, wobei der Schlamm aus einem geeigneten Diaphragmamaterial bestand. Dann wurde das Diaphragma gebrannt um somit das Diaphragmamaterial auf die Kathodenstruktur 12 aufzutrocknen. Die offensichtliche Lösung für die llotwendig-•keit einer Möglichkeit zur Umwandlung eines Diaphragmainaterials in ein Kationenaustauscher-Membranmaterial wäre die Herstellung einer schlammartigen Masse aus Kationenaustauscher-

130013/1288 BAD ORIGINAL

material und das Auftrennen dieses Materials auf das iierKUKunlicäe Diaphragma. Zur Zeit sind jedoch Xationenaustauscnermaterialien in einer für die Herstellung eines ocuiamms für die iCationenaus tauscher-Flachstückmaterialien geeigneten Form nicht im Handel erhältlich, und diejenigen, die verfügbar sind,müssen modifiziert werden, damit sie für die Katnodenstruktur 12 geeignet sind.

Der in Fig. 4 gezeigte Längsschnitt stellt dar,auf welche ,Veise dieses Problem unter Verwendung der Erfindung gelöst werden kann. Zuerst wird eine Diaphragmastruktur, wie sie nachstellend in Fig. 5 beschrieben ist, in der im folgenden jjesciiriebenen Weise hergestellt und dann in die Zelle 10 eingesetzt. Genauer gesagt wird nach Herstellung der fingernanuscnuhartigen Struktur eine Gummi- bzw. Kautschukzwiocnenlage oder Dichtung 22 auf die Stromschiene 24 gelegt, uie wieaerum auf dem Zellenaoden 14 angeordnet ist. Die Katiiodenstruktur 12 wird dann auf dem Zellenbouen angeordnet uiia die Diapnragmastruktur 34 wird über den Durchflußkanal unu uie quer verlaufenden Finger 42 der Kathodenstruktur 12 gesetzt ., wobei die Perforationen 46 mit den Löchern 48 in der Stromschiene 24 ausgericntet sind. Dann werden die Anoden zwischen angrenzenden Katnodenfingern 42 und zwischen den .uatnoaenfingern 42 und dem Durchflußkanal 40 eingesetzt. Die Anodeiiiialter sü der Anoden 32 werden durch die Perforationen 46 und aie Lücner 48 eingeführt. Eine Dichtung 52 sowie eine üicntung 54 können oberhalb und unterhalb der Perforation 4u vorgesehen sein. Der Anodenhalter 50 v/eist einen Flansch

130013/1288

BAD

auf ,eier j~>ei Befestigung des Anodenhalters 50 innerhalb aer Stromschiene 24die Dichtungen 52 und 54 in abdichtender Weise"um uie Perforation 46 drückt. Diese Befestigung wird unter Verwendung eines geeignetes Defestigungsmittels, wie z.ü. Gewindemuttern''', durciig.eführt. Jachcem der 7-inodenhalter so gefestigt wurde,, daß er die Perforation 4 6 abdichtet, "wird eine Dicnfcung.ßu über den oüeren Flansch der Kathodenstruktur gelegt, und uie Iiappen .66 der Diaphragmastruktur 34 werden über die Dientung 6ü gefaltet. Eine weitere.Dichtung 64, die genauso, ausgebildet seih kann v/ie die Dichtung 60, wird über den gefalteten Lappen 66 gelegt, und das Zellenoberteil 16 v/ird ür>er die Kathodenstruktur 12 gesetzt und mittels Federn (nicht gezeigt) befestigt, die die Dichtungen 60 und 64 gegen den j-iappen 66 cirücxen,um somit das Diaphragma am Kathodenflansch abzüüicnten.

I-ig. 5 zeigt eine isometrische Ansicht der Diaphragmastruktur 34, die zur besseren Darstellung der unteren Enden 82 der ■fingerartigen Elemente 36 um 90 aus ihrer Normallage gedreht wurde. Es ist zu erKeniien, daß die Struktur 34 fingerhandschuhartig, ausgebildet ist und ein Randelement 38 aufweist, von laem aus sich mehrere Fingerelemente 36 nach unten erstrecken. Diese Fingerelemente 36 enden unten an einem geschlossenen unteren Lndeb2, aaslait menreren Perforationen 46 versehen ist. Liie Anzahl der Perforationen 46 pro Finger element 36 ist durch aie JirizaulVder Anodennalter 50 pro Anode 32 bestimmt. Bevorzugterweise werden die Perforationen 46 vor Ausführung der FaIt- und Diciitverjjindungsyorgänge der Fig. 7 und 8 in ein Diapliragmaflachstack: eihgebracnt.

13001371288

^. ; BAP ORIGINAL

Die tiers teilung äer Diaphragmastruktur 34 ist am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 zu verstehen, die jeweils das Falten und dichtende Verbinden des LappenaDscnnitts 66a, G6b, sowie des Kantenabschnitts 68a und 68b eines Fingerelements 3 6 der Diapnragmastruktur 34 zeigen. Jacn aer Perforierung zur Bildung der Perforationen 4 6 v/ird ein langes Flachstück aus Kationenaustauschermaterial nach vorne und nach hinten gefaltet um somit mehrere Falten zu bilden, deren Länge ausreicht,um aber die quer verlaufenden Kathodenfinger 42 und unter die Anoden 32 zu passen. Der untere Abschnitt .jeder Falte v/ird dann entfernt bzw. abgetrennt, so daß aas gefaltete Flachstück nun T-formig ausgebildet ist, v/ie in Fig. 6 gezeigt. Dann werden die Kanten 68a mit den Kanten 68b, der Lappenabschnitt 66a mit dem Lappenabschnitt 66b, die Lappenabschnitte 70a mit den Lappenabschitten 70b, und der Kantenacschnitt 7 2a mit dem Kantenabschnitt 72b dicritena verbunden, um die dichtend verbundenen Kanten 66, bb, 7ü und 11 zu bilden, v/ie in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Als Alternative hierzu können die Dichtverbindungen 74, 76, und 80 jeweils in dem Abschnitt 66, der Seite 68, der Seite und in dem Lappenabschnitt 70 erstellt werden bevor die Diaphragmastruktur 34 in die in Fig. 7 gezeigte T-förmige Konfiguration gebracht wird.

uei uetrieb der Zelle 10 ist es möglicherweise wünschenswert, ein Abstandseiement zwischen der Anode 32 und der Diaphragmastruktur 34 vorzusehen um somit einen Abrieb entweder der OLerfläcne aer Diaphragmastruktur 34 oder der Oberfläche der

130013/1288 BAD ORIGINAL

Aiioae 32 zu verhindern. Im allgemeinen besteht die Oberflache aer Anode 3 2 aus einem katalytiscnen Überzug, der gegen einen Abriet durcnaie Diaphragmastruktur 34 anfällig ist. Die Form eines derartigen Abstandselements ließe sich genauso ausbilden ."wie axe eier -Diaphragmastruktur 34. Dieses Abstandselement kann unmittelbar auf tiie entsprechenden Teile der Diaphragmastruktur 34 gelegt weruen. Zum Zweck der Veranschaulichung dieser Art von Abstandselement wird auf die Fig. 2, 3 und 4 der US-PS 4 115 23 7 verwiesen.

Jun wird wieder auf Fig. 4 Bezug genommen. Bei der Diaphragmastruktur 34 Handelt es sich um eine nicht haftende, fingerhandscnuhartige Struktur zur Verwendung in der Elektrolysezelle Die Zelle 10 enthält wie üblich eine Anolyt-Lösung, die die Anoden 32 innerhalb, der Filterelemente 3 6 umgibt. Weiterhin entiiält die Zelle 10 eine Katholyt-Lüsung, die sich unter der Diaphragmastruktur 34 sowie innerhalb der Kathodenstruktur 12 una insbesondere der Kathodenfinger 42 befindet und diese umgibt. Es ist ersichtlich, daß es sich bei der Kathodenstruktur um eine gitterartige iCathodenstruktur handelt, die einen von der oberen Flacne des Flansches G2 bestimmten oberen Rand aufv/eist. Ebenfalls erkennt man, daß es sich bei der Elektrolysezelle Ίϋ um eine vertikale Elektrolysezelle handelt, die zueinanuer parallel ausgerichtete Kathodenfinger 42 und Anoden aufweist. Die Anoden 32 erstrecken sich ausgehend von ihrem Befestigungspunkt an der Stromschiene 24 des Zellenbodens 14 nacn ouen durcn die Kathodenstruktur 12. Die Diaphragmastruktur

130013/1288

BAD ORIGINAL

303247

umfaßt die Fingerelemente 3 6 zum Umgeben der Anode sowie das Randelement 38 zur Dichtverbindung urn die Kathodenstruktur· Das Fingerelement 36 v/eist weiterhin ein offenes oberes Ende 86, ein geschlossenes unteres Ende 82, sowie einen mittleren Abschnitt 84 auf, der das obere Ende 86 mit dem unteren Ende verbindet. In diesem Aufbau erstreckt sich das Fingerelement 3 nach unten aurch die gitterartige Kathodenstruktur 12 und lose um, sowie unter, die Anoden 32,um auf diese Weise die Anoaen 32 von der Kathodenstruktur 12 zu trennen, /vußerdem v/eist aas Fingerelement 3 6 Abschnitte auf, in denen wenigstens eine öffnung oder "Perforation" im unteren Ende 82 vorgesehen ist, üurcn aie ein Anodenstänaer bzw. -halter 50 in abdichtender weise durchgeführt werden kann. Die Dichtungen 52 und 54 dienen zur Abuicntung der öffnungen oder Perforationen 46 nach der Durcnfünruag des Anodenständers bzw. -halters 50. Das Randeleraent 3 8 der Dia^hragmastruktur 34 ist mit dem oberen Ende 86 dichtend verbunden und erstreckt sich zwischen dem Zellenoberteil 16 und dem oberen Rand oder der oberen Fläche des Flansches 62 der Kathodenstruktur 12, um somit den oberen Rand des Durchflußkanals 40 und den oberen Rand des Flanscnes 62 von den Anoden 32 und jeglichem in der Zelle 10 befindlichen Anolyten zu trennen. Wie bereits erwähnt können die I'ingereleniente 3 6 im wesentlichen aus Kationenaustausciiermemoran-Flachstdckmaterial bestehen, unabhängig davon, ob aas Ranaelement 3 8 ebenfalls aus Kationenautauschermembran-1-lacnstJckiaaterial besteilt oder nicht. Bevorzugterweise besteht aas Randelei.ient 33 jedoch ebenfalls im wesentlichen aus Kationenaustauscnermembran-Flachstückmaterial. Der mittlere /ujscnnitt 84 des Fingerelements 3 6 besteht bvorzugterweise aus

130013/1288

U..ORIGINAL

zwei plan ar en Flächstücken aus syntn.etisch.em Diaphragmamaterial und zwei linearen Seitenflanschen oder "Seiten" 68, 72, aie die Verbindung der Seiten der beiden Flachstücke bilden. Diese Kanten werden als "Flansche" bezeichnet, da diese, wenn sie -verbunden sind, in einer Ebene liegen, die sich ungefähr auf halbem \vege zwischen der Ebene eines jeden der die Fingerelemente 3 6 bildenden Flachstücke befindet. Falls gewünscnt können anstatt des einen nach hinten und nach vorne gefalteten Flachstücks mehrere Flachstücke verwendet werden. Bei Verwendung von mehreren Flachstücken können diese entweder aiii unteren Linue 82 oder am oberen Ende 86 in überlappender Weise zusammengefügt werden. Es wäre jedoch zu bevorzugen, diese sich am unteren Ende 82 überlappen zu lassen, um eine doppelte Festigkeit an den Perforationen 46 zu erzielen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das untere Ende 82 durch ein zusätzliches getrenntes Stück aus Kationenaustauschermaterial zu verstärken, UKi auf diese Weise eine Verstärkung der Perforationen 46 zu erreichen. Das untere Ende 82 und der mittlere Abschnitt eines jeden Fingerelements 36 v/eisen ein einzelnes ü-föriniges Flachst Jck auf, das schlaufenartig unter den unteren Rand einer. Anode 32 und zu den linearen Seitenflanschen oder Dichtverbinuungen 76, 73, mit denen die Seiten 63, 72 des gefalteten Flachstücks -verbunden werden, geführt wird. Bevorzugterweise kann aas Dichtungselement 20 die Unterelemente eines Teils des zwischen 'dem Zeilenoberteil 16 und dem Flansch 62 der Kathodenstruktur 12 befindlicnen Randeleinents 33 aufweisen, nämlich eine Dichtung 64, die zwischen dem Zellenoberteil 16 und dem Ranuelement 38 abdichtet, eine Dichtung 60, die zwischen dem

130013/1288

RAD ORIGINAL

Ranueiement 3b und dem Flansch 62 abdichtet, und einen Übergangsbereicn aus synthetischen Diaphragmamaterial zur Verbindung der Fingereleiaente 36 mit dem Randelement 38, um somit die Trennung der Kathodenstruktur 12 von den Anoden und jeglicnem die Anoden 32 umgebenden Anolyten innerhalb eier Zelle 10 zu vervollständigen.

Wie am deutlichsten in den Fig. 5 und 7 zu erkennen ist, v/eist axe Diaphragmastruktur 34 bevorzugterweise mindestens zwei Lcken auf, die durch die Verbindung, des Lappenabschnitts bzw. 70 mit den Seiten 68 bzw. 72 gebildet v/erden. Die Lappenabschnitte 66 und 70 sind, verdrillbar und dienen somit als die bereits erwähnten Übergangsbereiche zwischen Fingerelement 3 und Randelement 3S an der Verbindung der Lappen 66 und 70 mit den Seiten 68 und 72. Die Lappenabschnitte 6 6 und 70 sind so ausgebildet, daß sie in dichtend verbundener und verdrillter Lage gegen das Randelement 38 und zwischen den Zellenoberteil und dem Flansch 62 der Kathodenstruktur 12 gehalten werden.

Die Dichtverbindungen 76 und 78 sind bevorzugterweise zwei vertikale, lineare Seitendichtverbindungen entlang den gegenüberliegenden Seiten 68 und 72 des Fingerelemeftts 36. Bei den Dichtverbinuungen 74 und 80 handelt es sich bevorzugterweise um seitliche, lineare Dichtverbindungen, die in einem Winkel zu den Dichtverbindungen 7 6 und 78 verlaufen. Die Dichtverbindungen 74 und 80 lassen sich in eine verdrillte Lage bringen, in der sie teilweise am Randelement 33 anliegen. Bevorzugterweise werden die Dichtverbindungen 74, 76, 78, und 80 heiß-

130013/1288

BAD ORIGINAL

gesiegelt bzw, unter Wäxmeeinfluß dichtend verbunden.

Bei .der Anode■-;Handelt es sich bevorzugterweise um eine nicht auflösbare Elektrode, -z.B.; aus einem Metall aus der Platingruppe, Titan"mit einem überzug "aus _:einem Metall aus der Platingruppe,; oder Titan mit einem Überzug aus einem Metalloxid aus der Platingruppe, ;_;Bevorzugterweise besteht die Kathode aus Eisen,; nicht rostendem Stahl; oder Nickel. Die Form der Elektro- den; kann als flache perforierte Platte, flaches Sieb bzw. Gitter, jalousienartige Platte/ jalousienartiges Sieb bzw* Gitter, oder eine andere geeignete Form mit zufriedenstellender Gasabfuhr ausgebildet sein. Bei den Diaphragmen handelt es sich bevorzugterweise um kationendurchläss ige Membranen, die oxidationsbeständig sowie; chlorbeständig sind und aus einer chlorbeständigen, polymerartigen Kationenaustauschermembran bestehen, wie ζ .B.- ein Copolymer "aus Tetrafluoräthylen und einem sulfonierten; Perf luorvinylather oder ein Copolymer aus Tetrafluoräthylen und einem' carboxylierten Perfluorvinylather, und ähnliches. Bevorzugterweise werden die .letztgenannten Kationenaustauschermembranen; verwendet. Zur Verwendung als solche "Carboxylatmembranen" sind die; von der japanischen Firma "Asahi Glass Company" produzierten Membranen geeignet. Eine weitere geeignete "Carboxylatmembran" -ist in der US-PS 4 .151 053 beschrieben. Eine; solche Carboxylatmembran weist bevorzugterweise ein Fluorkohlenstoff polymer.'"auf, das Carbonsäuregruppen der Formel OCFpCQQH und_; Derivate derselben in den Seitengliedern enthält. Es wurde;festgestellt-, daß Carboxylatmembranen eine ca. 35 gewichtsprozentige,: wässrige Natriumhydroxidlösung bei mehr

13 0 0 1 3 /12 88

als 90 % Stromausbeute erzeugen. Eine alternative Kationenaustauschermembran ist eine mit einem Fluorkohlenstoffpolymer, das sich durch das Vorhandensein von SuIfonsäuregruppen der Formel OCF-SCUH und Derivaten derselben in den Seitengliedern kennzeichnet. Es wurde festgestellt, daß diese "SuIfonsäure"-Membran eine ca. 25 prozentige, wässrige Natriumhydroxidlösung bei ca. 75 % bis 80 % Stromausbeute erzeugt. Wird eine solche "SuIfonsäure"-Membran auf der kaustischen Seite mit Äthylendiamin auf eine Tiefe von ca. 38 μπι behandelt, so steigt die Stromausbeute auf ca. 85 % an. Es ist also offensichtlich, daß in bezug auf Chlor-Alkali-Zellen die Carboxylatmembran der Membran des Sulfonsäure-Typs zur Zeit überlegen ist.

Es versteht sich, daß die Dichtung 22 auch zur elektrischen Isolierung der Stromschiene 24 von der Kathodenstruktur 12 dient. Für die Dichtung 22 kann die Form eines Gummi- bzw. Kautschukflachstücks vorgesehen sein, das die gesamte obere Fläche der Stromschiene 24 abdeckt und das Perforationen aufweist, die mit den Löchern 48 in der Stromschiene 24 ausgerichtet sind. Weist die Dichtung 22 eine solche flachstückartige Form auf, könnte auf die Dichtungen 54 verzichtet werden. Stattdessen ist das Diaphragma dann direkt mit der oberen Fläche der die Löcher 48 umgebenden Dichtung 22 dichtend verbunden. Bei einem derartigen Vorgehen könne die Notwendigkeit wegfallen, die Dichtungen 54 mit den Löchern 48 auszurichten, bevor die Anoden 32 zwischen den vertikalen Kathodenfinger 42 angeordnet und die Anodenhalter 50 durch die ausgerichteten Perforationen 46 und die Löcher 48 hindurch eingesetzt werden.

130013/1288

Weiterhin versteht sich auch, daß die obere Fläche des Flansches C2 bevorzugterweise planar ist, so daß das Ranüelement 33 der Diaphragmastruktur 34 entlang einer .jlanaren Fläche mit der Kathodenstruktur 12 dichtend verbunaen v/erden kann. Eine weitere Alternative liegt darin-, die Perforationen 46 nicht durch ein Kationenaustauschermaterial sondern durch die Verwendung eines inerten Materials zu verstärken, da das untere Ende 82 keine Ionenaustauscheigenschaften aufweisen muß und somit nicht für Kationen durchlässig sein muß, wie dies bei dem mittleren Abschnitt der Fall ist. -

130013/1288 BAD ORlGiNAL

Leerseite

Claims

:· DR; Phil, üiebwSM: ■ - - ^:: .'/. 80C3 MÖNCHEN 40, 28. August 1980

G ER HARD B. HÄG EN dp. phil telegramm/cable: invent München

PETER HIRSCH DiPL-WG.: ^:r - TELEX: 5-29 686

PATENTANWÄLTE Λ -..-"^: ■ -^ . *5 f] "5 O / "7 O

PROFESSiONALREPRESENTATIVESBEFORETHEEUROPEANPATENTOFFICE VVV 4« *T / V

(ΗΪ/fi/k)

OLIN _;

New Haven, Gönneeitieüt -. Q 6511 , V. St. A.

Fingerhandschuhartige' Diaphragmastruktur zur Verwendung in elektrolytisGheh -Zällen, sowie ein Verfahren zum Zusammenbau einer derartigehDiagphragmastruktur

Priorität;: ^-3Q.; August 1979 - V,St.A. - Nr, 071 ,204

Pat en t a ns ρ r ü c h e

1 ·. Nicht hartende, fihgerhandscliuhartige Diaphragmastruktur zur.νβΓνβηύμη^,in einer Elektrolysezelle der Art, die einen Anolyten, einen Katholyten., eine gitterartige Kathodenstruktur mit eiaiem oberen Rand, einen die Kathodenstruktur tragenden Zelienbodeh, wenigstens einen an dem Zeilenboden befestigten Anodenständer, wenigstens eine an den Änodenständern befestigte und sieh nach oben durch die Kathodenstruktur erstreckende Anode," sowie ein Zellenoberteil zum Abschließen des oberen Teils "der: ZeI lev aufweist,. ·

dadurch "g e k e η η ζ eic h ή e t , daß die Diaphragmastruktur (34) folgende Elemente aufweist:

.wenigsten.s ein Finger element (36) , das ein offenes oberes Ende: (86) , ein geschlossenes unteres Ende (82) und einen das obere (86) mit dem unteren Ende (82) verbindenden mittleren

PÖSTSCHECkKÖMÖ:; MÖNCHEN 5W7S-809 · BÄYSKKQNTQ: DlUTSCHi BANK A.Q: MÖNCHEN, LEOPOLDSTRASSE 71, KONTO-NR. 60/35794

Abschnitt (84) aufweist und. sich nach unten durch die gitterartige Kathodenstruktur (12), sowie lose um und unter die Anode (32) erstreckt, um somit die Anode (32) von der Kathodenstruktur (12) zu trennen, und das weiterhin Bereiche aufweist, in denen wenigstens eine Öffnung (46) im unteren Ende (82) desselben ausgebildet ist, durch die sich die Anodenständer (50) in abdichtender Weise erstrecken können; und

ein Randelement (38) , das in abdichtender Weise am oberen Ende (86) des Fingerelements (36) befestigt ist und sich zwischen dem Zellenoberteil 4.Λ6) und dem oberen Rand der Kathodenstruktur (12) erstreckt, um somit den oberen Rand der Kathode von der Anode (32) und dem Anolyten zu trennen.
2. Diaphragmastruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzei-cTinet , daß das Fingerelement (36) im wesentlichen aus Kationenaustauschermembran-Flachstückmaterial besteht.
3. Diaphragmastruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Randelement (38) im wesentlichen aus Kationenaustauschermembran-Flachstückmaterial besteht.
4. Diaphragmastruktur nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der mittlere Abschnitt (84) außerdem folgende Unterelemente aufweist: zwei planare Flachstücke aus synthetischem Diaphragmamaterial und

zwei lineare,: dichtend verbundene Seitenflansche (68, 7-2) , die die Seiten der beiden Flachstücke verbinden. -

5. Diaphragmastruktur nach Anspruch 4, dadurch

g e k en η ze i c" h net , daß das untere Ende (82) überlappende, dichtend verbundene untere Abschnitte der beiden Fläehstücke aufweist.;

6. Diaphragmastruktur nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch ge ken η ζ eic h η et , daß der untere Abschnitt (82) sowie der mittlere; Ab.schnitt .(84) weiterhin folgende

Unterelernente aufweisen:_: . ■

ein einzelnes U-förmiges Flachstück, das schlaufenartig unter dem Boden der Anode (32) hindurchgeführt ist, und zwei lineare, dichtend verbundene Seitenflansche (76, 78), die die Seiten der F-la.chst_:ücke verbinden.

7.. Diaphragmastruktur nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Randelement

(38) folgende Unterelemente.aufweist:

ein Dichtverbindungsabschnitt-Element (20), das sich zwischen dem Zellenoberteil (16) und der Kathodenstruktur (12) erstreckt, ein erstes Dichtungselement (64) zur Abdichtung zwischen dem Zellenoberteil (16) und dem Randelement (38), ein zweites Dichtungselement (60) zur Abdichtung zwischen dem Randabschnitt' (38) und der Kathodenstruktur (12), sowie ein Übergangsbereich-Element (66, 70) aus synthetischem Diaphragmamateriar zur Verbindung des Fingerelements (36) mit dem Randabschnitt-Element (38), um somit die Trennung der

11001,3/1 2S8

Kathode von dem Anolyten und der Anode (32) zu vervollständigen

8. Diaphragmastruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das obere Ende (86) des Fingerelements (36) wenigstens zwei Ecken aufweist, und das Übergangsbereich-Element (66, 70) an der Verbindung der beiden Ecken mit dem Randelement (38) wenigstens zwei verdrillbare Lappenelemente (66, 70) aufweist, die in dichtend verbundener und verdrillter Lage gegen den Dichtverbindungsabschnitt sowie zwischen dem Zellenoberteil (16) und der Kathodenstruktur (12) gehalten werden.

9. Diaphragmastruktur nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Fingerelement (36) zwei planare Flachstücke aufweist, die durch zwei vertikale lineare Seitendichtverbindungen (76, 78) entlang gegenüberliegenden Seiten (68, 72) desselben verbunden sind, und daß jeder der Übergangsbereiche (66, 70) ein seitliches, lineares Dichtverbindungselement (74, 80) aufweist, das sich in einem Winkel zu einer der Seitendichtverbindungen (76, 78) erstreckt und in eine verdrillbare Lage bringbar ist, in der es teilweise an dem Dichtverbindungsabschnitt anliegt.

10. Diaphragmastruktur nach einem der Ansprüche 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß es sich bei den Dichtverbindungen (74, 76, 78, 80) um heißgesiegelte Dichtverbindungen handelt.

130013/1288

i1. Diaphrägmastrüktur nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch g.^:e :k e h n_z eic h η et ,' daß das Diaphrägma-Fingereiemerit (36) eilig Kafeiönenäustauschermembran ist und aus einem KatiöheMaüStäüscherharz;mit CarbOnsäuregruppen als vorherrselende iönenäustausehgruppe besteht. "

12._ ßiäphrägmastrujktür nach einem der Ansprüche T bis 10, dadurch g'eiienii ζ e i c Ii η e t , daß das Diaphragma (34) eine Katiöne~na.u^:stäüsGhermembran aus Kationenaustauscherharz mit SuIforiaKiidgruppJen als Ionenaustauschgruppe ist.

13. Diaphragmäätfüfctur^ riäch einem der Ansprüche 1 bis TO, dadurch g e ic en h ζ e i c h η e t , daß das Diaphragma (34) eine KatiönenÄusiauschermembran aus einem Kationenaustauscherharz: mit^;Sülfohsäuregruppen ist. ■

14. Verfahren zum Zusammenbau einer Diaphragma-Elektrolysezelle der Art₇ die einen Zeiieriboden, -ein Zellenoberteil, eine gitterartige Käthodenstrüktur mit mehreren vertikalen Kathodenfingern, mehrere sich iiach oben durch die Kathodenstruktur erstreckende vertikale Anoden, mehrere mit einem Flansch versehene Anodenhalter, die die Anoden mit dem Zellenboden verbinden Und die sich in Löcher in dem Boden erstrecken, sowie ein zwischen der KathodenstrulcturVund den Anöden befindliches Diaphragma aufweist,- g'ek: en η ze ic h η e¹ t durch folgende Verfahrensschritte: Herstellen einer nicht haftenden Diaphragmastruktur (34) mit darin ausgebildeten Lochern (46) für die Anodenhalter (50),

Auflegen eines isolierenden D ichtungs element s^; (22) auf den Zellenboden (14)-,

Auflegen der gitterartigen Kathodenstruktur (12) auf das dichtungselement (22) und isolierendes Befestigen des Zellenbodens (14) an der Kathodenstruktur (12),

loses Einsetzen einer nicht haftenden Diaphragmastruktur (i2) in die Öffnungen (48) in der gitterartigen Kathodenstruktur (12), Ausrichten der Löcher (46) in der Diaphragmastruktur (34) mit den Löchern (48) in dem Zellenboden (14) , Einsetzen der Anoden (32) zwischen die vertikalen Kathodenfinger (42) , . "

Einführen der Anodenhalter (50) durch die ausgerichteten Löcher (46) des Diaphragmas (34) und Einsetzen derselben in die Löcher (48) des Zellenbodens (14),

Befestigen der Anodenhalter (50) , um die Anoden -(32) festzulegen und gleichzeitig den Flansch (56) gegen die Abschnitte der Diaphragmastruktur (34) , die die ,Löcher {46) der Diaphragmastruktur (34) umgeben, und gegen den Zellenboden (14) zu drücken,

Einlegen eines Dichtungselements (64) zwischen Kathodenstruktur (12) und Zellenoberteil (16),

Hineinfalten von Abschnitten (66, 70) der Diaphragmastruktur (34) in das Dichtungselement (64>, sowie Zusammendrücken des Randabschnitts (38) der Diaphragmastruktur (34) zwischen dem Zellenoberteil· (16) und der Kathodenstruktur (12) , um somit die Trennung der Kathodenstruktur (12) von den Anoden (32) und dem Zellenboden (14) zu vervollständigen.

130013/128B

15. Verfahren nacn Arispruch 14, .dadurch . .

g e k e η η ζ e ic h η et , daß die Diaphragniastruktur (34} entlang einer pl.anaren Fläche mit der Kathodenstruktur (12) aichtend verbunden wird.

16. Verfahren nach Anspruch .14 oder 15, dadurch

g e k e η η ζ eic h η e t , daß die Abschnitte der,Diaphragmas truktur (34)_, die die darin ausgebildeten Löcher (46) umgeben, mit zusätzlichem Diaphragmamaterial verstärkt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch

g e k e η η ζ ei c ii net, daß die Abschnitte der Diaphragmastruktur .(34) , die die darin ausgebildeten Löcher (46) umgeben, mit inertem Material verstärkt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch g e k e η η ζ e lehnet , daß das Diaphragma (34) aus synthetischem Kationenaustauscherraembran-Flachstückmaterial hergestellt wiru.

19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch

gekennzeichnet , daß das Kationenaustauscherina·" terial aus einem fluorierten Copolymer mit "einer· entweder in einer Säure, einem Ester, oder einem Salz endenden Carboxylgruppe als Ionenaustauschgruppe besteht.

1 30013/1288

ORiGiNALINSPECTED-'

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Kationenaustauschernaterial aus einem Copolymer aus einen sulfonierten Perfluorvinyiüther und Tetrafluoräthylen besteht.

130013/1288 ORIGINAL INSPECTED