DE3043013A1

DE3043013A1 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE3043013A1
Application number: DE19803043013
Authority: DE
Inventors: Yoshio Takasago Hyogo Hatta; Tokuzo Kobe Hyogo Iijama; Toshiji Kano; Kazuo Takasago Hyogo Kishimoto; Yasushi Kakogawa Hyogo Samejima; Kiyoshi Kobe Hyogo Yamada
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1979-11-14
Filing date: 1980-11-14
Publication date: 1981-05-27
Also published as: GB2063917B; CA1145708A; IT8050134A0; FR2469472B1; IT1188964B; IN153340B; GB2063917A; FR2469472A1; US4459196A; JPS5678875U; IT8050134A1

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Elektrolysezelle, insbesondere eine Elektrolysezelle mit vertikalem, monopolarem und kastenförmigem Aufbau, bei der die Konzentration der Anodenlösung, d.h. der Sole, und der Kathodenlösung, d.h. der Ätzalkalien (Natronlauge) räumlich und zeitlich konstant ist. Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird die Diffusion von entwickeltem Chlorgas durch eine Kationenaustauschermembran in eine Kathodenkammer verhindert, und es ist ein Betrieb bei niedriger Spannung möglich, während die Gefahr eines Leckens von Wasserstoffgas in eine Anodenkammer beseitigt wird.

Es wurde kürzlich ein Verfahren zur Elektrolyse eines Alkalimetallchlorids unter Verwendung einer Kationenaustauschermembran vorgeschlagen. Eine derartige Kationonaustau-Schermembran ist beispielsweise in einer Filterpressenelektrolysezelle verwendbar.

Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines Alkalimetallhydroxide unter Verwendung einer Filterpressenelektrolysezelle mit einer Kationenaustauschermembran als Separator hat jedoch, wie nachstehend erläutert, zahlreiche Nachteile und ist deshalb für eine industrielle Verwendung sehr ungeeignet.

(1) Wegen der geringen Produktivität pro Zelle müssen eine große Anzahl von Zellen betrieben und gesteuert werden.

(2) Um eine räumlich und zeitlich konstante Konzentration der Anoden- und Kathodenlösung in jeder Zelle zu erreichen, muß jeder Zelle eine große Menge Anoden- bzw. Kathodenlösung zugeführt bzw. in der Zelle umgewälzt

werden;

dadurch werden die Anlagenkosten erhöht.

(3) Jede Zelle hat zahlreiche Verbindungsteile, an denen ein Lecken auftreten kann.

(4) Die Rückführung des Anolyten oder Katholyten verursacht elektrischen Stromverlust, was zu einer Verringerung der Stromausbeute und zu Korrosion in der Anlage führt.

(5) Das Abtrennen des Chlorgases ist in Elektrolysezellen nach dem Filterpressenprinzip schwierig, da die Chlorgasblasen enthaltende Anodenlösung aus der Zelle abgeführt und zu einem Gas-Flüssigkeits-Separator überführt werden muß, in dem das Chlorgas von der Anodenlösung getrennt wird.

(6) In Elektrolysezellen nach dem Filterpressenprinzip ist die Anodenkammer mit dem Gas-Flüssigkeits-Separator über eine Leitung verbunden, deren Durchmesser kleiner als der Querschnitt der Anodenkammer ist, so daß das Chlorgas dazu neigt, darin zu verweilen. Das zurückbleibende Chlorgas führt zu einer Erhöhung der Zellenspannung und gelangt durch die Kationenaustauschermembran in die Kathodenkammer, wodurch die Qualität des in der Kathodenkammer hergestellten Alkalimetallhydroxids verschlechtert wird. Eine Kathodenaustauschermembran, wie "NAFION" der Firma E. I. Du Pont de Nemours & Company, erlaubt im wesentlichen keinen hydrodynamischen Durchfluß, wohl aber den Durchgang von Chlorgas durch Diffusion. Wenn also die Chlorgaszone mit der Kationenaustauschermembran in Kontakt steht, diffundiert das Chlorgas in die Kathodenkammer, in der die folgenden Reaktionen stattfinden:

Cl₂ + 2NaOH $ NaCl + NaOCl +

NaOCl + H₃ > NaCl + H₂O

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^ Infolgedessen nimmt der NaCl-Anteil in der Kathodenlösung zu und führt zu einer Verschlechterung der Qualität der Natronlauge. Somit haben, wie vorstehend ausgeführt, Elektrolysezellen nach dem Filterpressenprinzip zahlreiche Nachteile in Bezug auf die Verfahrensregelung und die Qualität des hergestellten Erzeugnisses.

Die JP-OS 109 899/1975 beschreibt ein Elektrolyseverfahren einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung unter Verwendung ¹" einer Kationenaustauschermembran. Die Elektrolyse wird bei diesem Verfahren derart durchgeführt, daß eine Kationenaustauschermembran näher bei einer Anode als bei einer Kathode angeordnet wird. Zu diesem Zweck wird ein Überdruck (positiver Druck) zwischen 0,69 und 137 kPa (70 und 14 000 mm WS bzw. 0,1 und 20 psi) auf die Kathodenseite ausgeübt.

Bei der erfindungsgemäßen, vertikalen und monopolaren kastenförmigen Elektrolysezelle ist demgegenüber eine Kationenaustauschermembran direkt an einem oberen Membranhal-

ter befestigt und auf der Kathodenseite der Membran befindet sich ein Raum mit Viasserstoff gas. Das Ausüben eines hohen positiven Drucks auf die Kathodenseite führt immer zu einer Zunahme der Gefahr des Leckens von Wasserstoffgas in die Anodenkammer, so daß bei der industriellen Anwendung

derartiger Elektrolysezellen mit positivem Druck auf die Kathodenseite keine ausreichende Sicherheit gegeben ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile zu beseitigen und eine Elektrolysezelle

mit hoher Sicherheit und niedriger Zellenspannung bereitzustellen, bei der die Konzentration der Anoden- und Kathodenlösung einfach räumlich und zeitlich konstant gehalten wird, und kein Chlorgas in der Nähe der Membran zurückbleibt, um somit die Diffusion des Chlorgases durch die Membran in

die Kathodenkammer zu verhindern. Weiterhin soll, um ein Lecken von Wasserstoffgas in die Anodenkammer zu verhindern,

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der auf den Wasserstoffgas enthaltenden Raum der Kathodenkammer ausgeübte Nettodruck (tatsächlicher Druck) möglichst klein gehalten werden.

Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die erfindungsgemäße, vertikale und monopolare kastenförmige Elektrolysezelle zur Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchloridlösung weist eine Kationenaustauschermembran als Separator zwischen Anoden- und Kathoden, eine Anodenkammer mit mindestens einer Anodenlösungs-Einlaßöffnung, mindestens einer Anodenlösungs-Austrittsöffnung und mindestens einer Anodengas-Austrittsöffnung sowie eine Kathodenkammer mit mindestens einer Kathodenlösungs-Einlaßöffnung, mindestens einer Kathodenlösungs-Austrittsöffnung und mindestens einer Kathodengas-Austrittsöffnung auf. Die Anodenlösungs-Austrittsöffnung ist derart angeordnet, daß das Verhältnis zwischen der Höhe des Niveaus der Anodenlösung und des Niveaus der Kathodenlösung größer als 1 ist, d.h. daß die Oberfläche der Anodenlösung sich oberhalb der Oberfläche der Kathodenlösung befindet, und daß das Produkt der Höhendifferenz zwischen dem Niveau der Anodenlösung und demjenigen der Kathodenlösung mit dem spezifischen Gewicht der Anodenlösung kleiner ist, als die Differenz der Absolutwerte des Innendrucks der Anodenkammer und des Innendrucks der Kathodenkammer während des Betriebs der Elektrolysezelle bzw. kleiner als die Suture des positiven numerischen Wertes des gegebenen "negativen" Innendrucks der Anodenkammer und des "positiven" Innendrucks der Kathodenkammer. Die Beqriffe "positiver" und "negativer" Druck sowie die in diesem Zusammenhang angegebenen Zahlenwerte sind durchgehend als Pelativdrucke zu einem gegebenen (Außen) -druck zu verstehen.

Bei einer derartigen Elektrolyse werden die vorstehenden, bei einer herkömmlichen Elektrolysezelle nach dem Filterpressenprinzip auftretenden Nachteile vollständig beseitigt und hervorragende und überraschende Ergebnisse erzielt. Es wird nicht nur die Konzentration der Anoden- und der Kathodenlösung räumlich und zeitlich konstant gehalten, sondern es wird auch eine Diffusion des Chlorgases in die Kathodenkammer während des Betriebs der Zelle verhindert; ferner werden Ätzalkalien (Natronlauge) hoher Qualität hergestellt, während

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gleichzeitig ein sicherer Betrieb bei niedriger Zellenspannung gewährleistet ist.

In der Kathoden- bzw. Anodenkaimner der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle sind jeweils mindestens eine Kathodenlösungs- bzw. Anodenlösungseinlaßöffnung angeordnet. Eine derartige Einlaßöffnung kann zwar in jedem Teil der jeweiligen Kammer angebracht sein, sie sollte aber im unteren Teil der jeweiligen Kammer angeordnet sein, um eine Lösung des entwickelten Gases in die Anoden- bzw. Kathodenlösung zu verhindern, die Konzentration der Anoden- bzw. Kathodenlösung auszugleichen (räumlich konstant zu machen) und ferner diese Lösungen durch das entwickelte Gas wirkungsvoll umzuwälzen.

Es ist hinreichend, eine Eintrittsöffnung für jede Kammer vorzusehen, aber vorzugsweise sind zwei oder mehr Eintrittsöffnungen für die jeweiligen Kammern vorgesehen, um eine gleichmäßige Konzentration der Anoden- bzw. Kathodenlösung zu erzielen und eine Umwälzströmung (Zirkulation) beider Lösungen zu bewirken.

Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle sind mindestens eine Kathodenlösungs- bzw. Anodenlösungs-Austrittsöffnung in der jeweiligen Kammer vorgesehen. Die Anodenlösungs-Austrittsöffnung ist in der Anodenkammer derart angeordnet, daß das Verhältnis zwischen der Höhe des Niveaus der Anodenlösung und der Höhe des Niveaus der Kathodenlösung größer als 1 ist und das Produkt der Höhendifferenz der beiden vorstehenden Niveaus mit dem spezifischen Gewicht der Anodenlösung kleiner ist als die Differenz der Absolutwerte des Innendrucks der Anodenkammer und des Innendrucks der Kathodenkammer während des Betriebs der Zelle (vgl. S. 6, Abs. 2).

Beim industriellen Betrieb der Zelle steht die Anodenkammer unter einem negativen Druck (Unterdruck) zwischen etwa 100 und 300 Pa (10 und 30 mm WS), um ein Lecken des Chlorgases

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aus der Zelle heraus zu verhindern. Umgekehrt steht die Anodenkammer unter einem positiven Druck (überdruck) zwischen etwa 500 und 1500 Pa (50 und 150 "mm WS), um ein Eindringen von Luft und Vermischen mit dem Wasserstoffgas zu verhindern. Wenn die Elektrolyse unter derartigen Bedingungen durchgeführt wird, wird ein tatsächlicher Netto-Überdruck zwischen etwa 600 und 1800 Pa (60 und 180 mm WS) auf die Kationenaustauschermembran oberhalb der Oberfläche der Kathodenlösung (d.h. im Wasserstoffgas enthaltenden Raum) und auf den Teil des oberen Membranhalters, an dem die Membran befestigt ist, ausgeübt. Es ist beim industriellen Betrieb gefährlich, einen derart hohen Druck auf den im Kontakt mit dem Wasserstoffgas enthaltenden Raum stehenden Teil der Membran und des Halters auszuüben. Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird deshalb der aus einer Höhendifferenz des Niveaus der Anodenlösung und des Niveaus der Kathodenlösung resultierende hydrostatische Druck zur Abschwächung (Kompensation) des vorstehenden positiven Drucks (Überdrucks) verwendet.

Die Position der Anodenlösungs-Austrittsöffnung wird deshalb so gewählt, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:

0< (p + η ) - h χ Ρ < 30 mm WS (294,3 Pa)

~* C el J —

wobei

ρ = Kathoden-Wasserstoffgasdruck (überdruck) in mm WS c

bzw Pa

-positiver numerischer Wert)

ρ = Anoden-Chlorgasdruck (Unterdruck / in mm WS bzw. Pa a

3Oh= Höhendifferenz der Niveaus der Anodenlösung bzw. der

Kathodenlösung in mm
f = spezifisches Gewicht der Anodenlösung.

Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ist die Anodenlösungs-Austrittsöffnung derart in der Anodenkammer angeordnet, daß das in der Anodenkammer entwickelte Chlorgas

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rasch und ohne in Kontakt mit der Kationenaustauschermembran in der Anodenlösung zu verweilen hochsteigt und dann aus der Anodenlösung ausgeschieden wird, wobei lediglich ein geringer Druck von weniger als 30 mm WS (294,3 Pa) auf die im Kontakt mit Wasserstoffgas stehende Kationenaustauschermembran und dem mit der Membran verbundenen Teil des oberen Membranhalters ausgeübt und dadurch ein sicherer Zellenbetrieb gewährleistet wird. Bei der Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallhalogenidlösung und Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird ein positiver Druck zwischen O und 30 mm WS (0 und 294,3 Pa) zuzüglich des aus der Differenz der spezifischen Gewichte resultierenden hydrostatischen Drucks auf den mittleren und unteren Teil der Kationenaustauschermembran ausgeübt, wenn die Kathodenlösung derart eingestellt wird, daß ihr spezifisches Gewicht immer größer als dasjenige der Anodenlösung ist.

Es genügt zwar, eine Austrittsöffnung für die jeweiligen Kammern vorzusehen, es sind aber vorzugsweise zwei oder mehr Austrittsöffnungen pro Kammer vorzusehen, da dadurch die Trennung des Chlorgases von der Anodenlösung beschleunigt und als Folge davon die Diffusion von Chlorgas in die Kathodenlösung noch wirkungsvoller verhindert wird. Die Kathodenlösungs-Austrittsöffnung kann in jedem Teil der Kathodenkammer angeordnet sein, es ist aber bei der industriellen Verwendung vorteilhaft, sie im unteren Teil der Kammer anzubringen, da dadurch die Trennung des in der Kathodenkammer erzeugten Wasserstoffgases von der Kathodenlösung im Innern der Kathodenkammer möglich ist und somit weder ein Gas-Flüssigkeits-Separator noch eine Gas-Flüssigkeits-Trennung erforderlich ist. Eine einzige Kathodenlösungs-Austrittsöffnung kann hinreichend sein, vorzugsweise sind aber im Hinblick auf die Gas-Flüssigkeits-Trennung, die zeitliche und räumliche Konstanz der Konzentration der Kathodenlösung und ihre Um-Wälzströmung zwei oder mehr Austrittsöffnungen vorzusehen.

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-ιοί Weiterhin ist in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle in der jeweiligen Kammer eine Gasaustrittsöffnung vorgesehen. Die Gasaustrittsöffnungen zum Abziehen -des in der Anodenkammer erzeugten Gases (Chlorgas) und des in der Kathodenkammer entwickelten Gases (Wasserstoffgas) sind jeweils im obersten Teil der Anoden- bzw. Kathodenkammer angeordnet, wodurch ein gleichzeitiges Abfließen von Anoden- bzw. Kathodenlösung verhindert wird. Eine Gasaustrittsöffnung für

auch jede Kammer kann hinreichend sein, es können aber /zwei oder mehr Gasaustrittsöffnungen vorgesehen sein, um das vorstehend erwähnte Abfließen oder Mitströmen der Lösungen wirkungsvoller zu verhindern.

Die Aufgabe der Erfindung kann auch dann gelöst werden, wenn keine spezielle Gasaustrittsöffnung in der Anodenkammer vorgesehen ist und das entwickelte Gas zusammen mit der Anodenlösung durch die Anodenlösungs-Austrittsöffnung abgezogen wird.

Die Erfindung weist deshalb, besonders bei industrieller Verwendung, große Vorteile auf, da die Gas-Flüssigkeits-Trennung innerhalb der Elektrolysezelle vollzogen, der Betrieb bei konstanter Konzentration der Anoden- bzw. Katodenlösung durchgeführt, ein Durchtritt des Chlorgases durch die Kationenaustauschermembran und die damit verbundene Verschlechterung der Qualität der Kathodenlösung verhindert und ein sehr sicherer Betrieb bei niedriger Zellenspannung ermöglicht wird.

Wie vorstehend erwähnt, wird in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle aIs Separator (Scheidewand) eine Kationenaustauschermembran verwendet. Typische Beispiele dafür sind Kationenaustauschermembranen mit teilweise oder ganz durch Carboxylsäuregruppen substituierten Perfluorsulfonsäure- oder Sulfonsäuregruppen als Kationenaustauschergruppen, beispielsweise die unter dem Handelsnamen "NAFION" von E. I. Du Pont de Nemours & Co. hergestellten und verkauften Produkte.

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Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ist insbesondere für die Elektrolyse wäßriger Alkalimetallchloridlösungen geeignet. Als Alkalimetallchlorid werden beispielsweise Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Lithiumchlorid oder dergl.

verwendet. Als zu elektrolysierende Lösung wird eine diese Metallchloride enthaltende wäßrige Lösung der Anodenkammer zugeführt. Andererseits dient die bei der Elektrolyse hergestellte wäßrige Alkalimetallhydroxidlösung als Kathodenlösung in der K^thodenkammer. Als Verdünnungslösung für den Katholyten wird der Kathodenkammer demzufolge Wasser oder eine verdünnte Alkalimetallhydroxidlösung zugeführt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise längsgeschnittene perspektivische Ansicht des Kathodenkastens der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle,

Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt einer fertigen Elektrolysezelle und

Fig. 3 einen Längsschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.

In den Fig. 1 und 2 sind Anoden 1, Kathoden 2, Kationenaustauschermembranen 3 mit oberem Halter 4b und unterem Halter 4a, ein Zellendeckel 6 und eine Seitenwand 7 der Elektrolysezelle dargestellt. Die Anoden 1 sind jeweils in gleichem Abstand voneinander auf einer Grundplatte 5 der Zelle angeordnet, die auch als elektrisch leitender Teil dient. Die Kationenaustauschermembran 3 ist an den inneren Umfangsflächen von Rändern (Umschlägen) 15 befestigt. Die Umschläge sind entlang den Umfangskanten von öffnungen der Halter 4a und 4b der Kationenaustauschermembranyangeordnet. In die vorstehenden Öffnungen werden die Anoden 1 eingeführt und sind darin zunächst von der Kationenaustauschermembran 3 und dann von der Kathode 2 umgeben, wodurch eine Anodeneinheit 9, d.h. ein Bereich, in dem die Kationenaustauschermembran 3

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die Anode 1 einschließt, bzw. eine Kathodeneinheit 10 ausgebildet wird. Die Anodeneinheiten 9 sind miteinander an ihren oberen und unteren Abschnitten verbunden, und die Kathodeneinheiten 10 sind miteinander an ihrem Umfang verbunden. Die Anodenkammer (der Anodenraum) / und die Kathodenkaituner (der Kathodenraum)/sind voneinander durch den unteren Halter 4a und den oberen Halter 4b der Kationenaustauschermembranen 3 und die an die Ränder 15 der Halter montierte Kationenaustauschermembran 3 getrennte Weiterhin sind eine Dichtung^ 13 und eine zwischen den Flanschen des Kathodenkastens und den Membranhaltern angeordnete Isolierplatte 17, eine Druckplatte 27, eine Dichtung 28, sowie Balzen 14 vorgesehen, mit denen die Kationenaustauschermembran 3 an den Rändern 15 der Membranhalter 4a und 4b befestigt ist.

Als Anodenmaterial kann beispielsweise plattiertes Titan bzw..Titanhülse mit einer dünnen Beschichtung eines Platingruppenmetalls, eines Oxids eines Platingruppenmetalls oder dergl. verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Anode verwendet, die sich während der Elektrolyse zur Kathode ausdehnt. Als Kathodenmaterial können beispielsweise Eisen, Nickel oder Hülsen dieser Metalle mit einer dünnen Beschichtung eines Platingruppenmetalls oder poröses Nickel und dergl. zur Minimalisierung der Wasserstoff-überspannung verwendet werden. Diese Materialien könnert iiv verschiedenen Formen verwendet werden, beispielsweise als Streckmetall, als Drahtnetzwerk, als perforierte Platte, als Stab oder dergl.. Als Material für den Kathodenkasten wird vorzugsweise Eisen oder rostfreier Stahl verwendet. Die den Anodenraum 11 umschließende innere Oberfläche des Zellendeckels besteht aus einem chlorbeständigen Material, wie mit Gummi oder Kunststoffen auf Fluorbasis beschichtetem Eisen. Vorzugsweise kann ein chlor— und wärmebeständiger Kunststoff, wie glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und chloriertes Polyvinylchlorid (Chlor-PVC) verwendet werden.

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Wie in Fig. 3 dargestellt, sind eine Einlaßöffnung 18 für die Anodenlösung, d.h. eine Einlaßöffnung für eine wäßrige Alkalimetallchloridlösung, eine Einlaßöffnung 19 für die Kathodenlösung, d.h. eine Einlaßöffnung für eine verdünnte Alkalimetallhydroxidlösung oder Wasser zum Verdünnen^ und eine Zufuhrleitung 23 für die wäßrige Alkalimetallchloridlösung vorgesehen. Die Lösungs—Einlaßöffnungen sind jeweils im unteren Teil der jeweiligen Kammer angeordnet. Eine Austrittsöffnung 2O für die Anodenlösung, d.h. für die verbrauchte Sole, ist im oberen Teil der Anodenkammer angebracht. Eine Austrittsöffnung 21 für die Kathodenlösung, d.h. für das hergestellte Alkalimetallhydroxid, ist tiefer als die Oberfläche A der Kathodenlösung in der Kathodenkammer 12 angeordnet. Weiter sind eine Austrittsöffnung 22 für das Kathodengas, d.h. den Wasserstoff, und eine Austrittsöffnung 24 für das Anodengas, d.h. das Chlorgas, vorgesehen. Die Austrittsöffnung 22 ist im oberen Teil der Kathodenkammer 12 und die Austrittsöffnung 24 im oberen Teil der Anodenkammer, d.h. im Zellendeckel 6, angebracht. Während der Elektrolyse steigt die Oberfläche A der Kathodenlösung nicht bis zur Höhe der Kathodengas-Austrittsöffnung 22 an, weil die Kathodenkammer 12 unter erhöhtem Wasserstoffgasdruck gehalten wird. Der erhöhte Druck wird durch Verwendung eines Wasserverschlusses (einer Wassertasse), eines Regelventils oder dergl. verursacht.

Weiterhin ist eine Stromschiene 25 für die Anodenkammer und eine Stromschiene 26 für die Kathodenkammer vorgesehen, während die Oberfläche der Anodenlösung in Fig. 3 durch B angezeigt ist.

Nachstehend wird die Elektrolyse einer wäßrigen Natriumchloridlösung vorwiegend anhand Fig. 3 erläutert.

Eine gesättigte wäßrige Natriumchloridlösung wird durch die Einlaßöffnung 18 zugeführt, passiert das Zufuhrrohr 23 und

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gelangt in den unteren Teil der Anodenkammer. Die Lösung wird dann an der Anode 1 einer Elektrolyse unterworfen, wobei sich Chlorgas entwickelt. Die Natriumionen durchqueren die Kationenaustauschermembran 3 und gelangen in die Kathodenkammer und werden dort mit den zusammen mit Wasserstoffgas an der Kathode 2 erzeugten Hydroxylionen zu Natriumhydroxid umgesetzt. Das auf diese Weise erhaltene Natriumhydroxid wird mit durch die Kathodenlösungs-Einlaßöffnung zugeführtem reinem Wasser zu einer 20prozentigen wäßrigen Natriumhydroxidlösung verdünnt. Der elektrische Strom wird von der Stromschiene 25 der Anodenkammer zur Stromschiene 26 der Kathodenkammer geführt.

Die in einer Anodeneinheit einer Elektrolyse unterzogene Anodenlösung, d.h. verbrauchte Sole, und das entwickelte Chlorgas steigen nach oben bis über das obere Ende der Kathodenkammer, d.h. das obere Ende der Kathodeneinheit hinaus, wobei an der Oberfläche B der Anodenlösung eine Gas-Flüssigkeit-Trennung stattfindet. Das ausgeschiedene Chlor-

gas wird durch die Anodengas-Austrittsöffnung 24 und die verbrauchte Sole durch die Anodenlösung-Austrittsöffnung 20 abgezogen.

Da die Anodenlösungs-Austrittsöffnung 20 oberhalb des obe-

ren Endes der Kathodenkammer, d.h. des oberen Endes der Kationenaustauschermembran, angeordnet ist, kann das in der Anodeneinheit 9 entwickelte Chlorgas nicht die Kationenaustauschermembran passieren und in die Kathodenlösung übergehen. Da die Zufuhrleitung 23 der Anodenlösung in den unteren

Teil der Anodenkammer eintritt, wird eine gute Zirkulation

(Umwälzung) der Anodenlösung erzielt und die Konzentration der Anodenlösung sowohl in der Anodenkammer 11 als auch in den Anodeneinheiten 9 räumlich und zeitlich konstant gehalten.
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Andererseits wird eine verdünnte wäßrige Natriumhydroxidlösung oder die Kathodenlösung verdünnendes Wasser durch die Kathodenlösungs-Einlaßöffnungen 19 eingeführt und fließt vom unteren Teil der Kathodenkammer 12 in die Einheitskathoden 1O_# in denen die durch die Elektrolyse in den Anodeneinheiten erzeugten und durch die Kationenaustauschermembran in die Kationeneinheiten gelangten Natriumionen mit Hydroxylionen zu Natriumhydroxid umgesetzt werden, wobei gleichzeitig Chlorgas entwickelt wird. Die 20prozentige wäßrige Natriumhydroxidlösung wird durch die Kathodenlösungs-Austrittsöffnung 21 abgezogen, und das entwickelte Wasserstoffgas steigt zum oberen Teil der Kathodenkammer 12 auf, wird dann an der Oberfläche A der Kathodenlösung von der Kathodenlösung getrennt und danach über die Kathodengas-Äustritts-Öffnung 22 abgeführt.

Die Kathodenlösungs-Austrittsöffnung 2% ist in der Nähe des unteren Teils der Kathadenkairaner \2, d.h. niedriger als: die oberfläche A der Kathodeniösung angeordnet, so da& die Trennung des in den Kathodeneinheiten to entwickelten Wasserstoffgases von der Kathodenlösung in einem höher liegenden Teil der Kathodenkammer T 2 stattfindet. Somit sind weder Trennvorgänge außerhalb der Elektrolysezelle noch ein Gas-Flüssigkeits-Separator erforderlich, was für die industrielle Anwendung^ außerordentlich vorteilhaft ist. Da außerdem die Kathodenlösungs-EinlaßÖffnung 19 im unteren Teil der Kathodenkammer 12 angeordnet ist, wird nicht nur die Konzentration der Kathodenlösung sowohl in der Kathodenkammer 12 als auch in den Kathodeneinheiten 1O räumlich und zeitlich konstant gehalten, sondern es wird auch für eine gute Umwälzung der Kathodenlösung gesorgt.

Das Chlorgas wird mit einem Unterdruck von etwa 294,3 Pa (30 mm WS) abgesaugt, während das Wasserstoffgas unter einem Überdruck von etwa 1177,2 Pa (120 mm WS) steht. Die Höhendifferenz zwischen der Oberfläche B der Anodenlösung und der

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Oberfläche A der Kathodenlösung beträgt 130 mm und die Dichte der Anodenlösung beträgt 1,05 g/cm³.

Somit wird auf den Teil C in Fig. 3, d.h. den Wasserstoffgas enthaltenden Raum oberhalb des obersten Endes der Kationenaustauschermembran, ein tatsächlicher Druck (Nettodruck) ausgeübt, der folgendermaßen berechnet werden kann:

(120 + 30) mm WS - (130 χ 1,05) mm WS =13,5mm WS (1177,2 + 294,3) Pa - (1275,3 x1,05) Pa = 132,4 Pa.

Es wird also lediglich ein Nettodruck von 132,4 Pa (13,5 mm WS) auf die Kathodenkammer ausgeübt. Dadurch tritt im wesentlichen kein Lecken von Wasserstoffgas aus dem abgedichteten Bereich der Ränder 15 der oberen Membranhalter 4b und der Kationenaustauschermembran 3 auf, was eine sichere Arbeitsweise zur Folge hat.

In der vorstehenden Ausführungsform sind jeweils nur eine Lösungseinlaßöffnung, eine Lösungsauslaßöffnung und ein Gasaustritt für jede Kammer vorgesehen, aber es können auch jeweils zwei oder mehr Lösungseinlaßöffnungen, zwei oder mehr Lösungsauslaßöffnungen und zwei oder mehr Gasaustritte für jede Kammer vorgesehen sein, wodurch erfindungsgemäß eine wäßrige Alkalimetallhydroxxdlosung höherer Qualität erhalten wird.

Weiterhin ist vorzusehen, daß die Anodenlösungs-Austrittsöffnung auch als Anodengas-Austrittsöffnung dient. 30

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Claims

VOSSlUS VOSSlUS TAUCHNER · HEUNEMANN · RAUH PATE NTAN WALTE ... SIEBERTSTRASSE 4 8OOO MÜNCHEN 86 · PHONE: (O 8 θ) A 7 Vo Τβ j CABLE: BENZOLP AT ENT MÖNCHEN TELEX 6-29453VOPAT D u.Z.: P 884 (He/GH/kä) 14. November 1980 Case: T-55/ID-Method-13 KANEGAFUCHI KAGAKU KOGYO K.K., Osaka, Japan 10 " Elektrolysezelle " Priorität: 14. November 1979, Japan, Nr. 158 516/1979 (Gbm) Patentansprüche

1. Elektrolysezelle, insbesondere zur Elektrolyse wäßriger Alkaliuetallchloridlösungen, mit vertikalem, monopolarem, kastenförmigem Aufbau und einer Kationenaustauschermembran als Separator zwischen Anoden und Kathoden, gekennzeichnet durch

(a) eine Anodenkammer (11) mit mindestens einer Anodenlösungs-Einlaßöffnung (18), mindestens einer Anodenlösungs-Austrittsöffnung (20) und mindestens einer Anodengas-Austrittsöffnung (24) und

(b) eine Kathodenkammer (12) mit mindestens einer Kathodenlösungs-Eintrittsö'ffnung (19), mindestens einer Kathodenlösungs-Austrittsöffnung (21) und mindestens einer Kathodengas-Austrittsöffnung (22),

wobei die Anodenlösungs-Austrittsöffnung (20) derart angeordnet ist, daß sich die Oberfläche (B) der Anodenlösung oberhalb der Oberfläche (A) der Kathodenlösung befindet und das Produkt der Höhendifferenz zwischen der Oberfläche (B) der Anodenlösung und der Oberfläche (A) der Kathodenlösung

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und dem spezifischen Gewicht der Anodenlösung kleiner ist als die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck der Anodenkammer (11) und dem Innendruck der Kathodenkammer (12) während des Betriebs der Elektrolysezelle.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenlösungs-Austrittsöffnung (20) im oberen Teil der Anodenkammer (21) oberhalb des oberen Endes der Kationenaustauschermembran (3) angeordnet ist.

3. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenlösungs-Einlaßöffnung (19) und die Kathodenlösungs-Austrittsöffnung (21) im unteren Teil der Kathodenkammer (12) angeordnet sind.

4. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenlösungs-Austrittsöffnung (20) auch als Anodengas-Austrittsöffnung dient.