DE3132108A1

DE3132108A1 - "elektrolysezelle fuer ein ionenaustauschmembran-verfahren

Info

Publication number: DE3132108A1
Application number: DE19813132108
Authority: DE
Inventors: Teruo Ichisaka; Tadao Tamano Ikegami; Kenzo Tokyo Yamaguchi
Original assignee: Chlorine Engineers Corp Ltd
Current assignee: ThyssenKrupp Nucera Japan Ltd
Priority date: 1980-08-22
Filing date: 1981-08-13
Publication date: 1982-04-01
Also published as: JPS5741386A; CA1165727A; US4409084A; JPS6143437B2; GB2082633A; DD201919A5; PL232747A1; DE3132108C2; GB2082633B; FR2488914A1; FR2488914B1; PL129891B1

Description

Elektrolysezelle für ein lonenaustauschmembran-Verfahren

^rei

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle für ein Ionenaustauschmembran-Verfahren insbesondere zur Gewinnung von Holgenen und Alkalimetall-Hydroxiden durch Elektrolyse einer wässrigen Lösung eines Alkalimetallhalogenids, insbesondere natriumchlorid.

Für die Elektrolyse von Kochsalzlösung oder Sole wurde bisher anstelle des Quecksilberverfahrens ein Trennwandverfahren angewendet, bei welchem eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer durch eine poröse Trennwand aus neutralem Material, z.B. aus Asbest, voneinander getrennt sind. Ein solches Trennwandverfahren kann jedoch für die Gev^rinnung von Alkalimetall-Hydroxiden von hoher Reinheit nicht angewendet werden. Für die Gewinnung von Alkalimetall-Hydroxiden hoher Reinheit durch Elektrolyse von Sole wurde deshalb ein mit einer kationischen Austauschmembrane arbeitendes sogenanntes Ionenaustauschmembranverfahren entwickelt.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer für das Ionenaustauschmembran-Verfahren geeigneten Elektrolysezelle durch Abwandlung einer bisher für das Trennwandverfahren verwendeten Elektrolysezelle, somit also die Schaffung einer Elektrolysezelle, welche unter weitgehender Verwendung von für nach dem Trennwandverfahren arbeitenden Elektrolysezellen verwendeten Teilen und Vorrichtungen herstellbar ist. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle bietet den weiteren Vorteil, daß bei ihrer Verwendung im Ionenaustauschraembranverfahren keine Gefahr des Austritts von Flüssigkeit besteht und die Zellenspannung auf einem niedrigen Hiveau gehalten werden ' kann.

Die Erfindung schafft also eine Elektrolysezelle für das I önenau s t au schm eltranverfahren, mit einem Zellengehäuse, einem das Zellengehäuse vollständig überdeckenden Deckel, einer Anzahl von im Gehäuse angeordneten, porösen und rohrförmig-hohlen Kathoden, einem von mehreren Öffnungen durchsetzten Boden des Zellengehäuses, einer Anzahl von durch die Öffnungen des Bodens hindurch in das Zellengehäuse hineinragenden, jeweils mittels eines am unteren Teil angeordneten Flansche am Boden befestigten, elektrisch leitenden Stäben, einer Anzahl von mit den elektrisch leitenden Stäben verbundenen, aufrecht stehend zwischen den Kathoden angeordneten, porösen Anoden, einer Anzahl von oben offenen, beuteiförmigen Elementen, von denen wenigstens die den Anoden und den Kathoden zugewandten Bereiche aus einer Ionenaustauschmerabrane gebildet sind und deren Boden jeweils wenigstens eine Öffnung zum hindurchführen eines der elektrisch leitenden Stäbe aufweist, und mit einer auf dem Zellengehäuse angeordneten, von Öffnungen durchsetzten TJnt erteilungsplatte, wobei gemäß der Erfindung ferner vorgesehen ist, daß in jedem der beutelförraigen Elemente eine oder mehrere Anoden angeordnet sind, daß der Boden jedes beuteiförmigen Elements mittels des HLanschs des die jeweilige Öffnung durchsetzenden elektrisch leitenden Stabs am Boden des Zöllengehäuses befestigt ist, so daß in dem beuteiförmigen Element eine Anodenkammer gebildet ist, und daß das offene obere Ende des beuteiförmigen Elements mittels einer Dichtung und eines Dichtungseinsatzes in einer

Öffnung der Unterteilungsplatte befestigt ist. 30

Das gemäß der Erfindung vervrendete beuteiförmige Element kann in seiner Gesamtheit aus einer Kationenaustauschmembrane geformt sein. In einer anderen Ausführungsform kann das beutelförraige Element einen Rahmen aus

einem korrosionsbeständigen Werkstoff, z.B. Polytetrafluoräthylen, haben, an dessen den Anoden und/oder Kathoden zugewandten Seiten jeweils eine Kationenaus-

tauschmembrane stoffschlüssig befestigt ist. Ferner kann das beuteiförmige Element so geformt sein^ daß es sich in enger Anlage an den darin untergebrachten Anoden befindet.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansieht einer Elektrolysezelle in einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht einer Elektrolysezelle gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Schrägansicht eines vollständig aus einer Kationenaustauschmembrane geformten beuteiförmigen Elements für die Verwendung im Hahmen der Erfindung und

Fig. 4 bis 6 Schrägansichten von beuteiförmigen Elementen in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.

Eine in Fig. 1 dargestellte Elektrolysezelle hat ein

Zellengehäuse 1 mit einem dieses vollständig überdeckenden Deckel 2. Das Zellengehäuse 1 enthält eine Anzahl von porösen und hohlen Kathoden 3» welche sich jeweils von einer Seitenwand zur anderen des Zellengehäuses 1 erstrecken. Ein Boden 4 des Zellengehäuses i ist jeweils

zwischen einander benachbarten Kathoden 3 von Öffnungen für die Aufnahme jeweils eine elektrisch leitenden Stabs 5 durchsetzt. An der Innenseite hat der Boden 4 einen Korrorsions-Sohutsbolap; 7 etwa aus Gummi, einem Fluorhara od. dergl.. Jeder elektrisch leitende Stab 5 iiat am unteren Teil einen Flansch 8 und ist mittels dieses Flansche 8 und einer Mutter 9 derart in der jeweiligen Öffnung 6 des Bodens 4 befestigt, daß er in das Innere

des Zellengehäuses 1 hineinragt. Eine mit dem elektrisch leitenden Stab 5 verbundene Anode 10 ist jeweils aufrecht stehend zwischen zwei einander benachbarten Kathoden 3 angeordnet.

Die gemäß der Erfindung verwendeten Anoden können aus einem Metall der Gruppe Titan, Tantal, Mob usw. mit einer Beschichtung aus einem Oxid eines Metalls der Platingruppe sein. Geeignete Werkstoffe für die Kathoden sind u.A. Flußstahl, rostfreier Stahl, Nickel, vernickelter Stahl usw..

Jeweils eine oder mehrere Anoden 10 sind von einem oben offenen beuteiförmigen Element 11 umgeben. Das beutelförmige Element 11 hat einen Boden 12, welcher an einer der Öffnung 6 des Bodens 4· des Zellengehäuses entsprechenden Stelle von einer Öffnung 13 zum Hindurchführen des elektrisch leitenden Stabs 5 durchsetzt ist. Mittels des Flansche 8 des die Öffnungen 13und 6 im Boden 12 des beuteiförmigen Elements 11 bzw. im Boden 4- des Zellengehäuses 1 durchsetzenden elektrisch leitenden Stabs 5 ist das beuteiförmige Element 1.1 am Boden 4- des Zellengehäuses befestigt. Das Innere des beuteiförmigen Elements 11 stellt eine Anodenkammer 14- für die Aufnahme einer oder mehrerer Anoden 10 dar. Die Anoden 10 können zylindrisch sein oder eine zu den Kathoden hin verbreiterte Oberfläche haben, an v/elcher sich die Wandung des beuteiförmigen Elements 11 in enger Anlage befindet.

"30 Eine auf der Oberseite des Zellengehäuses 1 angeordnete Unterteilungsplatte 15 ist oberhalb jeder Anodenkammer 14-von einer Öffnung 16 durchsetzt.

Das Zellengehäuse 1, der Deckel 2, der Boden 4- und die

^ΟΌ Unterteilungsplatte 15 können aus jedem geeigneten Material sein, z.B. aus Stahl. Die elektrisch leitenden. Stäbe 5 können aus jedem elektrisch leitenden und auch anderweitig geeigneten Material sein, z.B. aus mit Titan

1 oder einem ähnlichen Metall besc hichtetem Kupfer.

In die Öffnung 16 der Unterteilungsplatte 15 ist eine Dichtung 17 mit einer entlang dem gesamten Umfang umlaufenden, ebenen Schrägfläche 18 eingesetzt. Ein Dichtungseinsatz 19 befindet sich mit einer ebenen Schrägfläche 20 in Anlage an der Schrägfläche 13 der Dichtung 17 und ist im mittleren Bereich offen. Der Hand des offenen oberen Endes des beuteiförmigen Elements 11 ist zwischen der Schrägfläche 18 der Dichtung 17 und der Schrägfläche 20 des Dichtungseinsatzes 19 eingeklemmt und festgehalten..Um eine sichere Befestigung des beuteiförmigen Elements 11 zu erzielen und einem Austritt von !flüssigkeit vorzubeugen, ist die Dichtung 17 vorzugsweise aus einem schmiegsamen Material, z.B. Gummi, während der Dichtungseinsatz vorzugsweise aus einem steiferen Material» z.B. Polytetrafluoräthylen ist.

Gegebenenfalls kann zwischen dem beutelxörmigen Element n und der jeweiligen Kathode 3 ein Abstandhalter angeordnet sein. Dieser dient dazu, einen etwa 1 bis 5 rom, vorzugsweise etwa 2 bis 3 rom breiten Zwischenraum zu schaffen, in welchem das kathodenseitig freigesetzte Gas ungehindert aufsteigen kann, so daß sich die Zellenspannung auf einem relativ niedrigen Wert halten läßt.

Die Elektrolysezelle wird über eine Solezuleitung 21 mit Sole gespeist. Ein seitlich am Deckel 2 angeordneter Soleauslaß 23 bestimmt die Standhöhe der Sole über der

Unterteilungsplatte 15» <3.er Dichtung 17 und dem Dichtungseinsatz 19- Das untere Ende einer inneren Solezuleitung 22 liegt in einer Höhe zwischen dem Soleauslaß 23 und der Unterteilungsplatte 15? d.h. also unterhalb des Solespiegels in der Elektrolysezelle. Am oberen Teil

hat der Deckel 2 einen Auslaß 24 für das an den Anoden freigesetzte Gas, im Falle der Elektrolyse von Kochsalzlösung also für Chlorgas. Das Zellengehäuse 1 hat einen

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Einlaß 25 für eine Kathodenflüssigkeit, bei der Elektrolyse von Kochsalzlösung Wasser oder eine verdünnte wässrige Lösung von Natriumhydroxid, welcher so ausgebildet ist, daß die Flüssigkeit sämtlichen durch die beutelförmigen Elemente 11 begrenzten Kathodenräumen zufließt. Ein Auslaß 26 für die elektrolytisch behandelte Kathodenflüssigkeit, bei der Elektrolyse von Kochsalzlösung eine konzentrierte wässrige Lösung von Natriumhydroxid, ist mit einer Leitung 27 verbunden, welche so ausgebildet und angeordnet ist, daß der Spiegel der Kathodenflüssigkeit auf einer bestimmten Höhe gehalten wird. Im oberen Teil einer Seitenwand hat das Zellengehäuse 1 ferner einen Auslaß 28 für das an den Kathoden freigesetzte Gas, im Falle der Elektrolyse von Kochsalzlösung Wasserstoffgas.

Anstelle der vorstehend beschriebenen Anordnung für die Solezufuhr kan ein mit dem Soleeinlaß 21 verbundener Verteiler vorgesehen sein, von welchem dünnere Leitungen zu den einzelnen Anodenkaramern führen.

Das beuteiförmige Element 11 kann, wie in Fig. 3 dargestellt , vollständig aus einer Kationenaustauschmembrane geformt oder auch in der in Fig. 4- bis 6 dargestellten Weise ausgeführt sein. Als Material für die Kationenaustauschmembrane eignen sich Copolymere mit einem fluorierten Olefinmonomer und ein Fluorvinylmonomer mit Karboxylsäuregruppen, Sulfonsäuregruppen oder in

derartige Säuregruppen umwandelbaren Funktionsgruppen. 30

In der Ausführungsform nach Fig. 4- sind das am Boden des Zellengehäuses zu befestigende untere Teil sowie das zwischen der Dichtung und dem Dichtungseinsatz festzuhaltende obere Teil des beuteiförmigen Elements 11 aus

einem korrosionsbeständigen Material, z.B. Polytetrafluoräthylen od. dergl., während das den Anoden und , Kathoden zugewandte mittlere Teil 30 aus der Kationenaustauschmembran geformt ist.

\ In den Ausführungsformen nach. Fig. 5 und 6 sind nur die den Anoden und Kathoden zugewandten Teile des beuteiförmigen Elements 11 aus der Kationenaustauschmembrane gebildet, während die Rahmenteile 29 aus einem korrosionsbeständigen Material cind. In der Ausführungsform nach Fig. 6 weist das untere Teil des beuteiförmigen Elements 11 besondere Ausbildungen für die Aufnahme der die Öffnungen des Bodens dos Zellengehäuses durchsetzenden elektrisch leitenden Stäbe auf.

Das im Rahmen der Erfindung verwendete beuteiförmige Element ist nicht, auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es kommt lediglich darauf an, daß wenigstens die den Kathoden und Anoden zugewandten Bereiche des Elements aus der Kationenaustauschmembrane geformt sind. Die übrigen Teile können aus irgend einem korrosionsbeständigen Material sein und eine der Anordnung der Elektroden angepaßte Form haben.

Bei der Herstellung des beuteiförmigen Elements aus einer Kationenaustauschmembrane und Teilen aus einem korrosionsbeständigen Material können die beiden Werkstoffe etwa durch Schmelzschweißen miteinander verbunden werden.

lieben den oberen und unteren Teilen des beuteiförmigen Elements können vorzugsweise auch die mit Ecken oder Kanten der Anoden in Berührung kommenden Bereiche desselben aus einem korrosionsbeständigen Material geformt sein, um damit die empfindliche Kationenaustauschmembrane vor Beschädigungen zu schützen.

Der vorstehend beschriebene Aufbau der- erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ermöglicht den Umbau einer bisher für das Trennwandverfahren verwendeten Elektrolysezelle für die Verwendung nach dem Ionenaustauschmembranverfahren. Bei einer für das Trennwandverfahren gebräuchlichen Elektrolysezelle, in welcher eine Trennwand aus

neutralem Material, z.B. Asbest, Verwendung findet, wird das Trennwandmaterial, z.B. Asbest, aus poröse, rohrförmig-hohle Kathoden aufgebracht, so daß jeweils eine -Katliodcnkammer gebildet wird, und eine auf eineta elektrisch leitenden Stab sitzende Anode ist zwischen mit dem Trennwandmaterial bedeckten Kathoden angeordnet. Somit können verschiedene Teile der für das Trennwandverfahren verwendeten Elektrolysezelle, z.B. das Zellengehäuse, der Deckel, Kathoden und Anoden für den Bau der Elektrolysezelle gemäß der Erfindung verwendet werden.

Gemäß der Erfindung ist die Kationenaustauschmembrane zu einem beutelartigen Gebilde gerformt; mit ihrem Boden ist sie mittels des Flanschs des elektrisch leitenden Stabs am Boden der Elektrolysezelle befestigt; der Rand der oberen öffnung des beuteiförmigen Gebildes ist mittels der Dichtung und des Dichtungseinsatzes in einer Öffnung der auf dem Zellengehäuse angeordneten Unterteilungsplatte befestigt. Auf diese Weise ist die Kationenaus- tauschmembrane sicher und zuverlässig abdichtend befestigt. Da die Kationentauschermembrane dabei in satte Anlage an den Anoden gebracht x^erden kann, läßt sich die Zellenspannung stabilisieren und auf einem niedrigen Wert halten. Damit eignet sich die Elektrolysezelle mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau hervorragend für die Verwendung im Ionenaustauschmembranverfahren.

Durch die zusätzliche Verwendung von Abstandhaltern zwischen den Kathoden und der Kationenaustauschmembrane läßt sich der notwendige Abstand zwischen den Elektroden bzw. zwischen den Kathoden und der Inonenaustauschmembrane genau einhalten.

Das Festklemmen des Randes der oberen Öffnung des beutelförmigen Elements zwischen den Schrägflächen der Dichtung und des Dichtungseinsäzes stellt eine einfache und sichere Befestigung der Kationentauschermembrane dar. Um eine besonders sichere Befestigung der Kationenaustausch-

membrane zu gewährleisten, ist die Dichtung vorzugsweise aus einem schmiegsamen Material, z. B. Gummi, geformt, wobei der Dichtungseinsatz dann aus einem steiferen Material sein kann.

Die erfindungsgeinäße Elektrolysezelle ermöglicht auf einfache V/eise die Elektrolyse von Alkalimetallhalogenidlösungen unter Anwendung herkömmlicher Arbeitsbedingungen, z.B. einer Zellenspannung von etxva 2,8 bis 3₅7 V, einer Stromdichte von etwa 20 bis 30 A/dm und einer Temperatur von etwa 50 bis 90 ⁰G.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erlaubt die verschiedensten Abwandlungen derselben im Rahmen der Ansprüche.

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Claims

PATENTANWÄLTE REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE A. GRUNECKER 0IPL-ING. H. KINKELDEY OH-ING W. STOCKMAIR QH-ING ■ ArtlCALTECM K. SCHUMANN OH REA NAT. - D(PU-PHVS P. H. JAKOB CHPL-ING: G. BEZOLD CR RER NAT-DiPL-CHiM 8 MÜNCHEN 22 MAXIMILIANSTRASSE 43 10 P 16 565 13- August 1981 15 CHLOBINE ENGINEERS CORP., LTD. No. 1-1, !Toranomon 2-chome, Minato-ku, Tokyo, Japan 2025 Elektrolysezelle für ein Ionenaustauschmembran-Verfahren 30 35

1. Elektrolysezelle für das Ionenaustauschmembranverfahren, gekennzeichnet durch ein
Zellengehäuse (1), durch einen das Zellengehäuse vollständig überdeckenden Deckel (2), durch eine .Anzahl von im Zellengehäuse angeordneten, porösen und rohrförmig-hohlen Kathoden (3), durch einen von mehreren Öffnungen (6) durchsetzten Boden (4) des Zellengehäuses, durch eine Anzahl von durch die Öffnungen des Bodens hindurch in das Zellengehäuse hineinragenden, jeweils mittels eines am unteren Teil angeordneten Flanschs (8) am Boden befestigten, elektrisch leitenden Stäben (5)r

durch, eine Anzahl von mit den elektrisch leitenden Stäben verbundenen, aufrecht stehend zwischen den Kathoden angeordneten, porösen Anoden (10), durch, eine Anzahl von oben offenen, beutelförmigen Elementen (11), von denen wenigstens die den Anoden und den Kathoden zugewandten Bereiche aus einer Ionenaustauschmembrane gebildet sind und deren Boden (12) jeweils wenigstens eine Öffnung (13) zum Hindurchführen eines der elektrisch leitenden Stäbe aufweist, und durch eine auf dem Zellen- -gehäuse angeordnete, von Öffnungen (16) durchsetzte Unterteilungsplatte (15)j sowie ferner dadurch, daß in jedem der beutelförraigen Elemente eine oder mehrere Anoden angeordnet sind, daß der Boden jedes beutelförmigen Elements mittels des Flansche des die jeweilige Öffnung durchsetzenden elektrisch leitenden Stabs am Boden des Zellengehäuses befestigt ist, so daß in dem beutelförmigen Element eine Anodenkammer gebildet ist, und daß das offene obere Ende des beutelförmigen Elements mittels einer Dichtung (17) und eines Dichtungs-

*® einsatzes (19) in einer Öffnung der Unterteilungsplatte befestigt ist.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß der Sand des offenen oberen Endes des beutelförmigen Elements (11) entlang seinem gesamten Umfang zwischen der Dichtung (17) und dem Dichtungseinsatz (19) festgehalten ist, daß die Dichtung eine entlang dem Umfang der Öffnung (16) der Unterteilungsplatte (15) anbringbare Schrägfläche (18) aufweist und daß der Dichtungseinsatz in seinem mittleren Bereich offen ist und eine unter Zwischenlage des Randes des offenen Endes des beutelförmigen Elements in Anlage an der Schrägfläche der Dichtung bringbare Schrägfläche aufweist (20).

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennz eichnet, daß zwischen dem beutel-

förmigen Element (11) und der Kathode (5) ein Abstandhalter angeordnet ist, welcher das beuteiförmige Element in einem Abstand zur Kathode und in engem Kontakt zur Anode hält.
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4. Elektrolysezelle nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (17) aus einem schmiegsamen und der Dichtungseinsatz (19) aus einem steifen Werkstoff ist.

5". Elektrolysezelle nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Unterteilungsplatte (15) ein Soleauslaß (23) angeordnet ist und daß das Ende einer SoIezuleitung (22) in einer Höhe zwischen der Unterteilungsplatte und dem Soleauslaß angeordnet ist.

6. Elektrolysezelle nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennz e i chnet, daß die Solezuleitung (21, 22) an einen Verteiler angeschlossen ist, von welchem aus sich dünne Eohre in jede Anodenkammer hinein erstrecken.

7. Elektrolysezelle nach wenigstens einem der An- ^ZD sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (10) zylindrisch ist und gegebenenfalls eine zur Kathode (5) hin erweiterte Wirkfläche aufweist.