DE3132108C2 - Elektrolysezelle für das Ionenaustauschermembranverfahren - Google Patents

Abstract

Elektrolysezelle für das Ionenaustauschmembranverfahren, mit einem Zellengehäuse, einem das Zellengehäuse vollständig überdeckenden Deckel, einer Anzahl von im Zellengehäuse 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 Flanschs 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, beutelförmigen Elementen, von denen wenigstens die den Anoden und den Kathoden zugewandten Bereiche aus einer Ionenaus tausch membrane 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 Unterteilungsplatte, wobei ferner vorgesehen ist, daß in jedem der beutelförmigen Elemente eine oder mehrere Anoden angeordnet sind, daß der Boden jedes beutelförmigen Elements mittels des Flanschs 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 und eines Dichtungseinsatzes in ..

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle mit Trennwand zwischen Anoden- und Kathodenkammer für das Ionenaustauschermembranverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Elektrolysezelle ist beispielsweise aus den DE-OSen 21 09 091, 24 48 187 und 28 28 892 bekannt.
• Für die Elektrolyse von Kochsalzlösung oder Sole wird das Trennwandverfahren angewendet, bei welchem die Anodenkammer und die Kathodenkammer durch eine poröse Trennwand aus neutralem Material, z. B. Asbest, voneinander getrennt sind. Um Energieverluste wegen des hohen elektrischen Widerstands der Elektrolytflüssigkeit klein zu halten, ist bei solchen Elektrolysezellen der Abstand zwischen der Anodenoberfläche und der Kathodenoberfläche möglichst klein zu halten. Das Diaphragma aus Asbest ist bei den bekannten Elektrolysezellen daher auf den äußeren Oberflächen der Anoden oder Kathoden angeordnet.
• Das Asbestverfahren hat jedoch den Nachteil, daß es unmöglich ist, einen Durchtritt von Chlorionen aus der Anodenkammer in die Kathodenkammer zu verhindern, was zu einer Verunreinigung des Natriumhydroxyds, das in der Kathodenkammer erzeugt wird, mit Natriumchlorid führt.
• Um diesen Nachteil zu überwinden, wird der Verwendung einer Ionenaustauschermembran anstelle von Asbest der Vorzug gegeben, weil sie den Durchtritt von Chlorionen verhindert. Es wäre jedoch nicht wirtschaftlich, deshalb die bereits vorhandenen, nach dem Asbestverfahren arbeitenden Elektrolysezellen wegzuwerfen.
• Aus der DE-OS 28 35 800 ist eine Elektrolysezelle nach dem Trennwandverfahren bekannt, bei dem die Membran über einen Flansch eines leitenden Stabes eingespannt ist. Die US-PS 41 74 259 beschreibt, wie bei einer Elektrolysezelle ein bestimmter Abstand zwischen Anode und Kathode eingehalten werden kann. Die DE-OS 26 31 252 zeigt eine Elektrolysezelle, bei der die Ionenaustauschermembran und die Anoden nicht einzeln herausgenommen werden können.
• Aus der US-PS 41 75 024 ist eine Elektrolysezelle bekannt, bei der die Elektroden liegend angeordnet sind. Die Membran ist unmittelbar mit einer der Elektroden verbunden, sie hüllt sie ein und kann nur zusammen mit der zugehörigen Elektrode ausgewechselt werden. Aus der DE-OS 29 32 197 ist die Befestigung einer schlauchförmigen Membran, die an ihren Enden Kragen aufweist, mittels einer Vielzahl von Schrauben und einem Flanschring an einer Platte bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Trennwandverfahren arbeitende Elektrolysezelle, wie sie insbesondere bislang nach dem Asbestverfahren arbeitende, so umzuwandeln, daß sie nach dem Ionenaustauschverfahren arbeiten kann, und somit einen Weg aufzuzeigen, mit welchem bereits vorhandene Elektrolysezellen für das Ionenaustauschverfahren nutzbar gemacht werden können.
• Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Erfindung schafft eine Elektrolysezelle, die eine beutelförmige Membran enthält, die in ihr getrennt von Anode und Kathode austauschbar befestigt ist. Es werden nur einige wenige zusätzliche Teile benötigt, nämlich eine kragenförmige Dichtung und ein wie ein Klemmstöpsel wirkendes Dichtungselement, das in die Beutelöffnung eingesteckt wird und den oberen Beutelrand an der Dichtung festklemmt. Der Beutelboden weist einen Durchtritt für den die Anode tragenden Stab auf und ist mittels dieses Stabes am Zellenboden befestigt.
• Wenn man die Asbestschicht bei einer bekannten Elektrolysezelle mit Hilfe eines starken Wasserstrahls oder dergleichen von der sie tragenden Elektrode, beispielsweise der Anode entfernt, und man die Anode in der beutelförmigen Austauschmembran unterbringt, läßt sich eine bereits vorhandene Elektrolysezelle für das Ionenaustauscherverfahren nutzbar machen.
• Das gemäß der Erfindung verwendete beutelförmige Element kann in seiner Gesamtheit aus einer Kationenaustauschmembran geformt sein. In einer anderen Ausführungsform kann das beutelförmige Element einen Rahmen aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, z. B. Polytetrafluoräthylen, haben, an dessen den Anoden und/oder Kathoden zugewandten Seiten jeweils eine Kationenaustauschmembran abgedichtet befestigt ist.
• Ferner kann das beutelförmige 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 zeigt
• Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht 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 beutelförmigen Elements für die Verwendung im Rahmen der Erfindung und
• Fig. 4 bis 6 Schrägansichten von beutelförmigen 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. Eine Bodenplatte 4 des Zellengehäuses 1 ist jeweils zwischen einander benachbarten Kathoden 3 von Öffnungen 6 für die Aufnahme jeweils eines elektrisch leitenden Stabs 5 durchsetzt. An der Innenseite hat die Bodenplatte 4 einen Korrosions-Schutzbelag 7 etwa aus Gummi oder einem Fluorharz. Jeder elektrisch leitende Stab 5 hat am unteren Teil einen Flansch 8 und ist mittels dieses Flanschs 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 und Niob mit einer Beschichtung aus einem Oxid eines Metalls der Platingruppe sein. Geeignete Werkstoffe für die Kathoden sind u. A. Flußstahl, rostfreier Stahl, Nickel oder vernickelter Stahl.
• Jeweils eine oder mehrere Anoden 10 sind von einem oben offenen beutelförmigen 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 Flanchs 8 des die Öffnungen 13 und 6 im Boden 12 des beutelförmigen Elements 11 bzw. im Boden 4 des Zellengehäuses 1 durchsetzenden elektrisch leitenden Stabs 5 ist das beutelförmige Element 11 am Boden 4 des Zellengehäuses befestigt. Das Innere des beutelförmigen 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 welcher sich die Wandung des beutelförmigen Elements 11 in enger Anlage befindet.
• 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, die Bodenplatte 4 und die Unterteilungsplatte 15 können aus jedem geeigneten Material sein, z. B. aus Stahl. Die elektrisch leitenden Stäbe 5 können aus jedem elektrisch leitenden geeigneten Material sein, z. B. aus mit Titan oder einem ähnlichen Metall beschichtetem 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 18 der Dichtung 17 und ist im mittleren Bereich offen. Der Rand des offenen oberen Endes des beutelförmigen 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 beutelförmigen 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 beutelförmigen Element 11 und der jeweiligen Kathode 3 ein Abstandhalter angeordnet sein. Dieser dient dazu, einen etwa 1 bis 5 mm, vorzugsweise etwa 2 bis 3 mm 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, der 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 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 kann ein mit dem Soleeinlaß 21 verbundener Verteiler vorgesehen sein, von welchem dünnere Leitungen zu den einzelnen Anodenkammern führen.
• Das beutelförmige 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.
• 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 beutelförmigen Elements 11 aus einem korrosionsbeständigen Material, z. b. Polytetrafluoräthylen, 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 beutelförmigen Elements 11 aus der Kationenaustauschmembrane 30 gebildet, während die Rahmenteile 29 aus einem korrosionsbeständigen Material sind. In der Ausführungsform nach Fig. 6 weist das untere Teil des beutelförmigen Elements 11 besondere Ausbildungen für die Aufnahme der die Öffnungen des Bodens des Zellengehäuses durchsetzenden elektrisch leitenden Stäbe auf.
• Das im Rahmen der Erfindung verwendete beutelförmige 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 beutelförmigen Elements aus einer Kationenaustauschmembrane und Teilen aus einem korrosionsbeständigen Material können die beiden Werkstoffe etwa durch Schmelzschweißen miteinander verbunden werden.
• Neben den oberen und unteren Teilen des beutelförmigen 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.
• Das Festklemmen des Randes der oberen Öffnung des beutelförmigen Elements zwischen den Schrägflächen der Dichtung und des Dichtungseinsatzes stellt eine einfache und sichere Befestigung der Kationentauschermembrane dar. Um eine besonders sichere Befestigung der Kationenaustauschmembrane 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 erfindungsgemäße Elektrolysezelle ermöglicht auf einfache Weise die Elektrolyse von Alkalimetallhalogenidlösungen unter Anwendung herkömmlicher Arbeitsbedingungen, z. B. einer Zellenspannung von 2,8 bis 3,7 V, einer Stromdichte von 20 bis 30 A/dm² und einer Temperatur von 50 bis 90°C.

Claims (4)

1. Elektrolysezelle mit Trennwand zwischen Anoden- und Kathodenkammer für das Ionenaustauschermembranverfahren, mit einem von einem Deckel verschlossenen Zellengehäuse, in dem eine Mehrzahl poröser und rohrförmiger Kathoden angeordnet ist und durch dessen Bodenplatte sich elektrisch leitende Stäbe erstrecken, die an der Bodenplatte abgedichtet jeweils mittels eines am Stab ausgebildeten Flansches befestigt sind und die jeweils mit einer porösen Anode verbunden sind, die aufrecht und im Abstand zu den Kathoden angeordnet ist, und einer das Zellengehäuse abdeckenden, eine Mehrzahl von Öffnungen aufweisenden Unterteilungsplatte, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils wenigstens eine der aufrecht stehenden Anoden (10) in einem von einer Vielzahl von beutelförmigen Elementen (11) untergebracht ist, von denen zumindest Teile aus einer Kationenaustauschmembran gebildet sind, und daß der Boden (12) jedes beutelförmigen Elementes (11) mittels des Flansches (8) des in ihm angeordneten, die Anode (10) tragenden Stabes (5) an der Bodenplatte (4) derart befestigt ist, daß das beutelförmige Element (11) eine Anodenkammer bildet, und daß der obere Rand jedes der oben offenen beutelförmigen Elemente (11) in einer der Öffnungen (16) der Unterteilungsplatte (15) mittels einer in der Plattenöffnung (16) angeordneten Dichtung (17) und eines in die Beutelöffnung eingesteckten Dichtungseinsatzes (19) festgeklemmt ist.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Rand 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 (19) in seinem mittleren Bereich offen ist und eine unter Zwischenlage des Randes des offenen Endes des beutelförmigen Elements (11) in Anlage an der Schrägfläche (18) der Dichtung (17) bringbare Schrägfläche (20) aufweist.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem beutelförmigen Element (11) und der Kathode (5) ein Abstandhalter angeordnet ist, welcher das beutelförmige Element in einem Abstand zur Kathode und in engem Kontakt zur Anode hält.

4. Elektrolysezelle nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (17) aus einem schmiegsamen und der Dichtungseinsatz (19) aus einem steifen Werkstoff ist.