-
-
UNLÖSLICHE ELEKTRODE UND ELEKTROCHEMISCHE
-
VORRICHTUNG Vorliegende Erfindung betrifft eine unlösliche Elektrode
und eine elektrochemische Vorrichtung, in der diese unlösliche Elektrode als Anode
verwendet wird.
-
Gewöhnlich sind in der Elektrolyseindustrie, wo Elektrolysen von Metallen,
Wasserbehandlungselektrolysen und verschiedene andere Arten elektrolytischer Verfahren,
wie die Elektrolyse mit einer Ionenaustauschmembrane, durchgeführt werden, unlösliche
und rosthindernde Anodenplatten unentbehrlich. Bei der praktischen Anwendung solcher
Anodenplatten ist es aber auch erforderlich, die mechanische Festigkeit, die Anwendbarkeit,
die elektrische Leitfähigkeit, die Überspannung (Elektrodenpotential), etc. neben
den obenerwähnten Eigenschaften in die Überlegungen miteinzubeziehen.
-
Dieser Anodentyp ist bekannt als Anode, die durch Flammspritzen von
Metallen wie Titan, Tantal, Zirkonium, Niob oder Wolfram, oder einer Legierung,
eines Nitrids oder eines Carbids davon hergestellt- wird, wie in der Japanischen
Offenlegungsschrift Nr. 40676/73 beschrieben ist.
-
Diese Anode ist jedoch noch immer unbefriedigend in Bezug
auf
ihre Unlöslichkeit.
-
In Us-PS 4,140,813 ist eine Anode beschrieben, die durch Flammspritzen
von Titanoxid auf ein Metallsubstrat und durch Aufbringen eines Edelmetalls auf
die Titanoxidschicht erhalten wird; diese Anode ist aber ebenfalls unbefriedigend
wegen ihres hohen Elektrodenpotentials.
-
Ziel vorliegender Erfindung ist die Bereitstellung einer unlöslichen
Elektrode mit einem niedrigen Elektrodenpotential, d.h. mit einer niedrigen Sauerstoffüberspannung,
und einer elektrochemischen Vorrichtung, in der diese Elektrode zum Einsatz kommt.
-
Das Kennzeichen dz erfindungsgemäßen unlöslichen Elektrode ist eine
gleichmäßige Überzugs schicht aus einem Gemisch aus Titanoxid und einem Oxid eines
oder mehrerer Nichtedelmetalle (außer Gold, Silber und Elementen der Platingruppe),
die durch Flammspritzen auf ein elektrisch leitendes Substrat aufgebracht ist. Die
Beschichtung kann gegebenenfalls auch die obengenannten Edelmetalle enthalten. Die
herkömmlichen unlöslichen Elektroden, wie die gemäßUS-PS 4,140,8131können in einer
Hinsicht durch Aufbringen des Gemisches mittels Flammspritzen abgeändert werden.
-
Die elektrochemische Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte unlösliche Elektrode darin als Anode eingebaut
ist, wobei der Elektrolyt zwischen besagter unlöslicher Anode und der Kathode so
angeordnet ist, daß zwischen beiden Elektroden eine elektrochemische Reaktion stattfindet.
-
Die beigefügte Zeichnunc ist eine schematische Darstellung im Querschnitt
mit den Bestandteilen eines typischen
Beispiels für eine elektrochemische
Vorrichtung, in der die unlösliche Elektrode gemäß vorliegender Erfindung verwendet
wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Kathode (3) und das Anodensubstrat
(5), auf das eine Überzugsschicht (4) durch Flammspritzen aufgebracht ist, in einem
mit Elektrolyten (2) gefüllten Behälter (1) mit darin gelösten Ionen gegenüberliegend
angeordnet. Wenn die Anode und die Kathode mit einer Stromquelle (6) verbunden werden,
wandern die Anionen im Elektrolyten zur Anode, während die Kationen sich in Richtung
Kathode bewegen.
-
Ein gleichförmiges Gemisch aus Titanoxid und einem oder mehreren Nichtedelmetallen,
welches für die Verwendung in vorliegender Erfindung ein äußerst wirkungsvolles
Pulvermaterial darstellt, kann wie folgt hergestellt werden.
-
Beispielsweise wird Titanoxid in einem Elektroofen geschmolzen, der
Schmelze werden metallisches Niob oder Nioboxid, oder metallischer Nickel oder Nickeloxid
zugesetzt, und das Gemisch wird zum Erstarren gebracht und pulverisiert. In dem
obengenannten Verfahren können die betreffenden Stoffe zuerst gemischt, dann in
einem Elektroofen geschmolzen, und die Schmelze dann zum Erstarren gebracht und
pulverisiert werden.
-
Man kann das gewünschte Pulver auch dadurch erhalten, daß man die
porösen Titanoxidteilchen bzw. das Titanoxidpulver mit einer Niob- oder Nickelsalzlösung
imprägniert, das imprägnierte Material an der Luft oder in einer anderen geeigneten
Atmosphäre erhitzt, so daß sich das Niob- oder Nickelsalz zersetzt, und das so behandelte
Material pulverisiert.
-
Ein gewünschtes Pulver kann auch dadurch erhalten werden, indem man
ein Gemisch aus Titanoxidpulver und Pulver
eines Nichtedelmetalls
oder eine Verbindung davon einer Plasmaspritzbeschichtung unterwirft.
-
Durch Röntgenuntersuchung der so erhaltenen Elektrode wurde festgestellt,
daß das Nichtedelmetall, wie z.B.
-
Niob oder Nickel, des Spritzüberzugs im Titanoxid so gleichmäßig fein
verteilt wurde, daß man von einem "atomaren Zusta 8" sprechen kann.
-
Wie oben angegeben, ist der Spritzüberzug gemäß vorliegender Erfindung
nicht ein einfaches Gemisch aus Titanoxid und einem oder mehreren Nichtedelmetallen,
sondern weist die Struktur einer Festkörperlösung, eines zusammengesetzten Oxids
oder eines eutektischen Gemische beider genannten Kompone.lten auf, oder besteht
aus einer Kombination zweier oder mehrerer solcher Strukturen. Eine derartige Überzugsschicht
kann notwendigenfalls auch eine gewünschte Menge eines Edelmetalls (ausgewählt aus
den Elementen Gold, Silber und Elementen der Platingruppe) enthalten. In einer anderen
Verfahrensvariante wird das Plasmaspritzen des Titanoxids und des Nichtedelmetalls
angewandt, um die Merkmale der Edelmetallbeschichtung zu modifizieren.
-
Beispiele für solche als dritter Bestandteil in vorliegender Erfindung
verwendbare Edelmetalle sind Platin, Ruthenium und Iridium. Die Zugabe eines solchen
dritten Bestandteils erweist sich als zweckmäßig für die Senkung des Elektrodenpotentials.
Diese Zugabe eines dritten Bestandteils kann durch Plasmaspritzen auf den Titanoxid-Nichtedelmetalloxid-Uberzug
erfolgen. Dies ist einleuchtend, da die feinen Poren auf der Oberfläche des gleichförmigen
Spritzüberzugs mit der dritten Komponente aufgefüllt werden, so daß das Auftreten
irgendwelcher lokaler elektrolytischer Reaktion in den feinen Poren verhindert wird.
-
Dieser Vorgang wird in vorliegender Erfindung als Porenfüllbehandlung
bezeichnet. Beispielsweise kann die Porenfüllbehandlung mit Platin unter Verwendung
einer sehr eindringfähigen Chloroplatinsäurelösung oder dergleichen ausgeführt werden.
-
Hinsichtlich der in vorliegender Erfindung verwendeten Nichtedelmetalle
sind solche Gase wie Halogengas, inertes Gas, Wasserstoffgas und dergleichen für
vorliegende Erfindung ausgeschlossen. Alkalimetalle können in geringen Mengen in
dem Spritzüberzug bei bestimmten Anwendungsmöglichkeiten enthalten sein, da jedoch
durch Versuche nachgewiesen wurde, daß Alkalimetalle die Unlöslichkeit des Spritzüberzugs
nachteilig beeinflussen, ist die Verwendung von Alkalimetall im Elektrodenmaterial
nicht empfehlenswert, wenn eine hohe Unlöslichkeit erforderlich ist.
-
Als Nichtedelmetalle können in vorliegender Erfindung entweder Metalle
oder Metalloide verwendet werden. Beispiele für in vorliegender Erfindung verwendbare
Metalle sind Nb, Ni, Fe, V, Ta, Co, Cr, Ca, Sn, Mo, La, Ce, Mn, W, Sr, Al, Mg, Zn,
Ge, Y und Zr, und für Metalloide P, Se und B.
-
TiO2 hat gewöhnlich einen spezifischen Widerstand von 108 -n- cm,
der ungefähr dem von Isolatoren entspricht.
-
Wenn es zum Plasmaspritzen eines Überzugs unter Verwendung von Wasserstoffgas
und eines inerten Gases verwendet wird, wird es zu TiO x reduziert, wobei es von
der Stöchiometrie abweicht unter Senkung des spezifischen Widerstandes. Beispielsweise
ergibt sich bei der Verwendung von TiO2-Pulver, welches Siebe mit Maschenweiten
von 200-400 mesh passiert, ein Spritzüberzug mit einem spezifischen Widerstand von
ungefähr 60 1n- cm. Auch bei der Verwendung von TiO2-Pulver, welches ein 325-mesh-Sieb
passiert, und welches
eine Korngröße von über 5 µm hat, wird der
spezifische Widerstand in dem Maße wie der Ausstoß an Plasma zunimmt, auf l01 bis
10 2 # cm verringert. Wenn TiO2 gleichförmig in einem Nichtedelmetall dispergiert
wird, bleibt der niedrige spezifische Widerstand des TiO2-x-Spritzüberzugs konstant,
und das Wasserstoffüberpotential wird verringert, wodurch der für die elektrochemischen
Reaktionen erforderliche Stromverbrauch vermindert werden kann. Es wird ar nommen,
daß das genannte Nichtedelmetall in das TiO2-x-Gitter eindringt, um die Ti-Atome
zu ersetzen oder um die Gitterfehlstellen des TiO2 x aufzufüllen.
-
Es ist auch möglich, den spezifischen Widerstand des Spritzüberzugs
durch geeignetes Auswählen der Flammspritzbedingungen und/ocer der Spritzüberzugszusammensetzung
einzustellen. Die richtige Größe des spezifischen Widerstandes hängt vom Verwendungszweck
des Produktes ab.
-
Die passende Auswahl der Spritzberzugsdicke hängt ebenfalls vom Verwendungszweck
ab. In der Regel ist es wünschenswert, daß der Spritzüberzug so dick ist, daß die
Oberfläche des elektrisch leitenden Substrats nicht bloßgelegt wird, d.h., er soll
eine Dicke von nicht weniger als 0,05 mm, vorzugsweise von nicht weniger als 0,3
mm aufweisen. Jede andere-Dicke über 0,5 mm erweist sich als wenig wirtschaft ,
und tatsächlich wird eine Dicke unter 0,5 mm als ausreichend für übliche Verwendungszwecke
angesehen.
-
Ein Flammspritzüberzug aus Titanoxid und einem Nichtedelmetal einer
Anode hat ein niedrigeres Elektrodenpotential als ein herkömmlicher Titanoxid-Spritzüberzug
und ermöglicht deshalb eine Reduzierung des Stromverbrauchs. Außerdem ist gefunden
worden, daß der Spritzüberzug vorliegender Erfindung eine sehr geringe Löslichkeit
im Elektrolyten hat. So beträgt beispielsweise der
Lösungsgrad
des 5 bis 15 Gew.-% Titan-Niob enthaltenden 2 Spritzüberzugs 0,1 mg/cm , bezogen
auf Nb203, während der Lösungsgrad der Titanoxid enthaltenden Spritzüberzüge, die
kein Niob enthalten, bei gleichen Bedingungen 0,6 mg/cm beträgt.
-
Ein aus einem gleichförmigen Gemisch aus Titanoxid und Nickel bestehender
Spritzüberzug ist, obgleich er im wesentlichen die gleiche Unlöslichkeit wie einer
aus einem Titanoxid-Niob-Gemisch besitzt, insofern vorteilhafter, als sein Elektrodenpotential
niedrig ist. Dies gestattet einen verringerten Energieverbrauch, insbesondere bei
der elektrolytischen Ausfällung von Metallsalzen.
-
Nachstehend sind die Elektrodenpotentiale (V) der Anodenmaterialien
vorliegender Erfindung und der verschiedenen bekannten Anodenmaterialien aufgezeigt.
-
Elektrodenpotential (mit Material (Gew.-%) Bemerkungen in Klammern)
(l) Ti02 2,88 V (2) Ti02-Nb (15%) 2,3 V (3) Ti02-Ni (5%) 1,7 V (4) pt 1,83 V (sehr
kostspielig) (5) Graphit 1,67 V (äußerst löslich) (6) Ferrit 2,33 V (kostspielig)
Die oben aufgezeigten Elektrodenpotentialwerte wurden durch Eintauchen der Anode
in 6N H2S04 (200 ml) bestimmt, wobei eine Aluminiumplatte als Kathode verwendet
und ein Strom mit 0,5 A/dm2 bei einer Temperatur von 30,5 bis 25,5 OC durchgeleitet
wurde, und wobei die eingetauchte 2 Fläche der Anode 19 cm betrug.
-
Der Gehalt an Nichtedelmetall(en),wie Niob oder Nickel, kann nach
Belieben gewählt werden, vorausgesetzt, er beträgt nicht weniger als 0,1 Gew.-%
des Titanoxids. Um die Eigenschaft der Unlöslichkeit des Titanoxids bestrnöglichst
auszunützen, soll das Titanoxid den Hauptbestandteil bilden, jedoch soll vorzugsweise
der Gehalt an Nichtedelmetall nicht höher als 35 Gew.-% sein.
-
Der Flammspritz-Überzug weist, wenn auch nur in geringer Anzahl, feine
Risse und Poren auf. Wenn ein Flammspritz-Überzug auf ein Elektrodensubstrat, welches
in der Regel eine bessere elektrische Leitfähigkeit als der Überzug hat, aufgebracht
ist, können die Risse und Poren auf der Überzugsschicht bei der Wasserbehandlungselektrolyse
sich nachteilig auswirken, wenn nämlich die Lösung den Spritzüberzug durchdringt,
dabei in Kontakt mit der Substratoberfläche kommt und somit die Korrosion und Elution
des Substrats und anschließend das Abblättern des Spritzüberzugs verursacht. Um
dies zu verhindern, ist deshalb eine Porenfüllbehandlung unter Anwendung eines Harzes
oder eines Chelates angebracht. Untersuchungen dieser Porenfüllbehandlung haben
gezeigt, daß eine Aufschlämmung eines SiO2-Glases oder ein Chelatbildner des Aluminium-
oder Titantyps zweckmäßig sind.
-
Der Spritzüberzug vorliegender Erfindung kann durch Plasmaspritzbeschichtung
gebildet werden. Bei der Durchführung dieser Spritzbeschichtung wird ein möglichst
feines und in der Korngröße möglichst gleichförmiges Titanoxid-Niob-Pulver oder
Titanoxid-Nickel-Pulver hergestellt und dieses Pulver in der in der vorstehend erwähnten
Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 40676/73 oder der US-PS 4,140,813 beschriebenen
Art und Weise durch Spritzen aufgebracht.
-
Dabei wird bevorzugt ein Pulver, welches ein Sieb mit einer Maschenweite
von 150 mesh passiert, verwendet. Noch geeigneter ist ein Pulver, das ein Sieb mit
Maschenweite
325 mesh passiert. Doch sollten zu kleine Teilchen
entfernt werden. Es ist zweckmäßig, daß die Pulverpartikel nicht kleiner als 5 um
sind, da sonst nur schwer ein gleichförmiger Spritzüberzug erhalten werden kann.
Durch die Einwirkung der Wasserstoffatome in der Plasmaflamme wird die Anzahl der
Sauerstoffatome im erhaltenen Spritzüberzug geringer als der stöchiometrische Gehalt,
wobei die elektrische Leitfähigkeit des Spritzüberzugs erhöht wird. Es wird angenommen,
daß, wenn das Nichtedelmetall, wie z.B. Niob oder Nickel oder ein anderes Element,
in geeigneter Weise, z.B. durch Reduktion des betreffenden Materials zu einer Feststoff
lösung, gleichförmig mit Titanoxid vermischt wird, das betreffende Element an das
Sauerstoffatom im Titanoxid gebunden wird, um die Gitterfehlstellen zu vermehren,
und dadurch eine höhere elektrische Leitfähigkeit bewirkt wird.
-
Das mit dem Spritzüberzug zu versehende elektrisch leitende Substrat
soll einen geringeren spezifischen Widerstand als der Überzug haben, da sonst die
Anode zu viel Hitze erzeugt, und dies einen Energieverlust bedeutet.
-
Wenn für ein solches elektrisch leitendes Substrat Titan verwendet
wird, wird, selbst wenn der Elektrolyt die feinen Poren des Spritzüberzugs durchdringen
und an die Substratoberfläche gelangen sollte, die Auflösung des Substrats verhindert,
da ein äußerst unlöslicher TiO2-Uberzug auf der Anodenoberfläche entsteht.
-
Beispiel 1 Auf ein 0,8 mm dickes Titanrohr, auf ein 1 mm dickes, rostfreies
Stahlrohr und auf ein 1 mm dickes Aluminiumrohr, die alle einen inneren Durchmesser
von 20 mm und eine Länge von 150 mm hatten, wurde, wie nachstehend, beschrieben,
durch Plasmaspritzbeschichtung ein Titanoxid-Niob-Überzug aufgebracht.
-
Unter Verwendung von vier Typen von Titanoxid-Niob-Pulver im Teilchengrößenbereich
von (i) -150 bis +325 mesh, (ii) -270 bis +400 mesh, (iii) -325 mesh bis +25 pm
und (iv) -25 um bis +5 rm und unter Verwendung eines Gasgemisches aus 100 cfh Argongas
und 7-15 cfh Wasserstoffgas wurde die Spritzbeschichtung bei einem Plasmastrom mit
Stromstärke 950 bis 1000 A bis zum Erhalt einer Uberzugsdicke von 0,8 bi 1,0 mm
durchgeführt. Unter Verwendung jeder der so hergestellten beschichteten Rohre als
Anode wurde ein Elektrolysetest in einer 0,5%-igen NaCl-Lösung 2 bei einer Stromdichte
von 32 mA/cm über einen Zeitraum von 20 Stunden durchgeführt und die Löslichkeit
oder der Gewichtsverlust der Elektrode in jedem der vier Fälle (i) bis (iv) unte
sucht. Die Resultate zeigten einen Gewichtsverlust von 1,0 mg/cm² bei (i), 0,95
mg/cm² bei (ii), 0,7 mg/cm² bei (iii) und 0,7 mg/cm² bei (iv). Dies macht deutlich,
daß die Überzüge unter Verwendung von Titanoxid-Niob-Pulver mit Teilchengrößen unter
325 mesh wenig Verlust und hohe Beständigkeit aufweisen.
-
Ein ähnlicher Versuch wurde durchgeführt, bei dem Titanoxid-Nickel-Pulver,
welches ein Sieb mit einer Maschenweite von 325 mesh (aber größer als 5 rm) passiert,
zugesetzt wurde. Es zeigte sich, daß der durch Auflösung verursachte Gewichtsverlust
der Elektrode im wesentlichen dem entsprach, der im Falle des Titanoxid-Nickel-Pulvers
auftrat. Die Ergebnisse zeigten außerdem auf, daß der Gewichtsverlust der Elektrode
durch die Stromdichte beeinflußt wird,, d.h., der Gewichtsverlust verringert sich
in dem Maße, in dem die Stromdichte verringert wird, und die unter Zusetzen von
Nioboxid hergestellten Elektroden erleiden fast keinen Gewichtsverlust, wenn der
angewandte 2 Strom weniger als 20 mA/cm hat.
-
BeisPiel 2
Unter Verwendung eines Titanstranges,
eines rostfreien Stahlstranges und eines Aluminiumstranges als Substrate wurde Titanoxid(TiO2)-Pulver
mit Teilchengrößen von -325 mesh bis 10m durch Spritzbeschichtung auf die Oberflächen
jedes der erwähnten Substrate bis zu einer Schichtdicke von 0,3 bis 0,5 mm in einem
Gasgemisch aus 100 cfh Argon und 7 cfh Wasserstoffgas und bei einem Plasmastrom
von 1000 A aufgebracht, woraufhin die Porenfüllbehandlung mit (i) einem Phenolharz,
(ii) einem Epoxyharz, (iii) einem 5-10%-igen Aluminiumchelat, (iv) einem 3-10%-igen
Titanchelat und (v) einem 1OX-igen Quarzglas erfolgte. Bei der Verwendung eines
Chelatbildners wurde eine einstündige Hitzebehandlung bei jeweils 100°, 220°, 300°
und 400°C nach der Spritzbeschichtung durchgeführt. Unter Verwendung jeder der so
erhaltenen Elektroden als Anode wurde elektrischer Strom bei einer Stromdichte von
1,1 A/dm² in einer 1%-igen Natriumsulfatlösung angewandt und die Menge an aus der
Elektrode eluierten Ti, Fe und Al in jedem einzelnen Fall gemessen..
-
Das Eluat war geringer in denjenigen Elektroden, die durch Chelatbehandlung
des plasmastrahlbeschichteten Titansubstrats hergestellt worden waren, als in den
Elektroden, die durch allein auf dem Aluminium- bzw. rostreien Stahlstrang durchgeführten
Plasmaspritzbeschichtung oder durch zusätzliche Porenfüllbehandlung mit einem Harz
erhalten wurden, und in den auf rostfreiem Stahl und Aluminium basierenden Elektroden,
welche einer Porenfüllbehandlung mit einem Titanchelat oder mit einem Quarzglas
unterzogen worden waren.
-
Die Ergebnisse der anderen Beispiele sind in nachstehender Tabelle
aufgezeigt, in welcher die Mengen der jeweilig zugegebenen Nichtedelmetalle in Prozenten
der in der Tabelle aufgezeigten Oxide ausgedrückt sind. Es ist jedoch noch nicht
bekannt, ob die Zusätze in der Plasmaspritzbeschichtung als beständige Oxide, wie
aus der Tabelle ersichtlich,
vorliegen.
-
Nr. Pulver Spritzbeschichtungs- Überzugs- Elektroden bedingungen (Strom,
dicke potential Atmosphäre) (mm) (V) 1 TiO2 1000 A, Ar-H2 0,05 2,85 2 0,10 2,78
3 " " 0,40 2,78 4 " 600 A, Ar-H2 0,20 2,88 5 TiO2-5%NiO 1000 A, Ar-H2 0,10 1,72
6 TiO2-lOtNb203 II 0,20 1,68 7 TiO2-5%NiO " 0,20 1,67 8 TiO2-5%Fe2O3 II 0,20 1,67
9 TiO2-5%B2O3 II 0,20 2,28 10 TiO2-5%V2O5 II 0,20 2,48 11 TiO2-5%Ta2O5 " 0,20 1,78
12 TiO2-5%Cr2O3 " 0,10 1,92 13 TiO2-10%NiO " 0,20 1,77 14 TiO2-2,5%NiO " 0,20 2,06
15 TiO2-5%NiO " 0,20 1,605 16 TiO2-10%CoO " 0,20 1,57 17 TiO2-3%WO2 " 0,20 1,78
18 TiO2-3%MoO3 " 0,20 1,76 19 TiO2-3%CaO " 0,20 1,6 20 TiO2-7%P2O5 II 0,20 1,73
21 TiO2-3%SnO2 0,20 1,60 22 TiO2-3%La2O3 1 0,20 1,63 23 TiO2-3%Ce2O3 Ii 0,20 1,71
24 TiO2-5%Nb2O3-5%NiO " 0,20 1,67 25 TiO2-5%Fe2O3-2%V2O5 II 0,20 1,62 26 TiO2-10%NiO-2%P2O5
0,20 1,67 27 TiO2-10%CoO-0,1%Pt II 0,20 1,55 28 TiO2-10%CoO-0,2%Ir " 0,20 1,60 29
TiO2-50%CoO-5%NiO " 0,20 1,59
L e e r s e i t e