DE3241609A1

DE3241609A1 - Elektrolytische zelle fuer ein ionenaustausch-membranverfahren

Info

Publication number: DE3241609A1
Application number: DE19823241609
Authority: DE
Inventors: Teruo Ichisaka; Tadao Tamano Okayama Ikegami; Isao Tokyo Kumagai; Kenzo Tokyo Yamaguchi
Original assignee: Chlorine Engineers Corp Ltd
Current assignee: ThyssenKrupp Nucera Japan Ltd
Priority date: 1981-11-24
Filing date: 1982-11-10
Publication date: 1983-06-09
Also published as: DD204948A5; FR2516945A1; GB2111079B; GB2111079A; US4417970A; JPS5891179A; JPS6144155B2; CA1198393A; PL138927B1; PL239167A1; DE3241609C2; FR2516945B1

Description

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H-A BRAUNS · DIPL.-ING. K. GORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

37 720 p/hl

CHLORINE ENGINEERS CORP., LTD.,
Tokyo / Japan

Elektrolytische Zelle für ein Ionenaustausch-Membran verfahr en

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolytische Zelle für die Verwendung bei der Praktizierung eines Ionenaustausch-Membran-Elektrolyseverfahrens. Mehr insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine elektrolytische Zelle, die für die Herstellung von Halogen- und Alkalimetall-Hydroxide durch Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Alkalimetallhalogeniden geeignet ist.

Für die Elektrolyse von Sole wurde bisher das Membranverfahren (diaphragm method) anstatt des Quecksilberverfahrens verwendet, und zwar unter Heranziehung einer elektrolytischen Zelle, die einen Anodenraum und einen Kathodenraum umfaßt, die durch eine poröse neutrale Membran aus Asbest oder dergl. voneinander getrennt sind. Dieses Membranverfahren hat jedoch den Nachteil, daß hochreine Alkalimetallhydroxide nicht erzielt werden können. So wurde ein Ionenaustausch-Membranverfahren entwickelt, welches eine Kationenaustauschmembran

ARABELLASTRASSE A ■ D-SOOOMaNGHENSl · TELEFON CO 8SJ SI 10 67 ■ TELEX O5-29619 CPATHEJ · TELEKOPiERER 9183

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verwendet, um hochreine Alkalimetallhydroxide zu erzeugen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrolytische Zelle zu schaffen, die für die Verwendung beim Ionenaustausch-Membranverfahren geeignet ist und erzeugt werden kann durch Umgestaltung einer elektrolytischen Zelle, die bisher beim Membranverfahren verwendet worden ist. Darüber hinaus soll die elektrolytische Zelle gemäß der Erfindung durch Verwendung einer in der elektrolytischen Zelle für das Membranverfahren verwendeten Ausrüstung zusammengesetzt werden können. Die elektrolytische Zelle soll frei von einer Flüssigkeitsleckagegefahr sein und die Herstellung von hochkonzentrierten Alkalimetallhydroxiden und das Halten einer Zellenspannung auf einem niedrigen Niveau erlauben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrolytische Zelle gelöst, welche gekennzeichnet ist durch a) einen Hauptkörper der elektrolytischen Zelle;

b) eine Vielzahl von porösen und rohrförmigen Kathoden, welche im Inneren des Hauptkörpers angeordnet sind;

c) eine Bodenplatte der elektrolytischen Zelle, in der eine Vielzahl von öffnungen ausgebildet sind;

d) eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stangen, welche an ihrem unteren Abschnitt mit einem Flansch versehen sind, welche Stangen durch die jeweilige öffnung der Bodenplatte in das Innere des Hauptkörpers eingesetzt und durch den Flansch an der Bodenplatte befestigt sind;

e) eine Vielzahl von porösen Anoden ,* die jeweils mit der elektrisch leitenden Stange verbunden und in einem Seite-an-Seite-Verhältnis zur Kathode vertikal angeordnet sind, und die allein oder in Kombination miteinander zwischen den Kathoden angeordnet sind;

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f) eine Vielzahl von sackförmigen Formen, deren zumindest auf die Anoden und Kathoden gerichteten Abschnitte auf einer Kationenaustauschmembran gebildet sind, welche Form am Boden mit einer Öffnung versehen ist, durch die die elektrisch leitende Stange geführt ist und an der Oberseite offen ist;

■ g) eine Trennplatte, die an der Oberseite des Hauptkörpers der elektrolytischen Zelle vorgesehen ist, und die eine Vielzahl von Öffnungen an Stellen aufweist, die den obenliegenden öffnungen de." Formen entsprechen und

h) eine Vielzahl von Deckelteilen, welche jeweils eine öffnung der Form abdecken, wobei jede Form eine oder mehrere Anoden aufnimmt, wobei der Boden der Form zusammen mit der elektrisch leitenden Stange, die durch die Öffnung im Boden der Form verläuft, durch den Flansch der Stange so mit der Bodenplatte der elektrolytischen Zelle fest verbunden ist, daß ein Anodenraum innerhalb der sackförmigen Form gebildet ist, und wobei der obere Öffnungsrand der Form durch das Deckelteil an der Öffnung der Trennplatte befestigt ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Fig. 1 eine fragmentarische Längsschnittansicht einer Ausführungsform der elektrolytischen Zelle gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht eines Anodenteils,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der elektrolytischen Zelle,

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Fig. 4-6 jeweils eine perspektivische Ansicht einer sackförmigen Form, die im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet wird und

Fig. 7 eine vergrößerte Teilansicht der Oberseite der

elektrolytischen Zelle mit der Darstellung der Methode des Anbringens des Deckels an der Oberseite des Anodenraumes.

Die Erfindung wird anschließend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

An einem Hauptkörper 1 einer elektrolytischen Zelle sind eine Vielzahl von porösen und hohlen, rohrföririqen Kathoden 2 so angeordnet, daß sie von einer inneren Seitenwand des Hauptkörpers 1 zur gegenüberliegenden inneren Seitenwand desselben verlaufen. Eine Bodenplatte 3 der elektrolytischen Zelle umfaßt eine Versorgungsplatte 4 für die elektrische Energie und eine Antikorrosionsschicht 5, welche auf der Platte 4 vorgesehen ist, und eine Vielzahl von öffnungen Jede der Öffnungen befindet sich an einer Stelle unmittelbar zwischen zwei benachbarten Kathoden 2. Durch jede öffnung verläuft eine elektrisch leitende Stange 6. Diese Stange 6 verläuft durch jeweils eine Öffnung 7 der Bodenplatte 3 in das Innere des Hauptkörpers 1 und ist am unteren Abschnitt mit einem Flansch 8 versehen. Die elektrisch leitende Stange 6 ist mit dem Flansch 8 durch eine Befestigungsmutter 9 an der Bodenplatte 3 befestigt. Eine poröse Anode 10 ist an einem oberen Abschnitt der elektrisch leitenden Stange 6 angeschlossen und ist Seite an Seite mit der Kathode 2 vertikal abgestützt, sowie befindet sich an einer Stelle zwischen zwei benachbarten Kathoden 2.

Eine Form 11 wird von der Kationenaustauschmembran gebildet, 5 die zumindest teilweise auf die Anode und die Kathode ge-

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richtet ist und eine sackähnliche Form hat, so daß sie eine oder mehrere Anoden 10 aufnehmen kann. An der Oberseite ist die Form 11 offen. Die Form 11 ist an einer Stelle entsprechend der Öffnung 7 der Bodenplatte 3 mit einer Öffnung ver-5 sehen, durch die die Stange 6 verläuft. Die Form 11 nimmt eine oder mehrere Anoden 10 in einem geschlossenen Kontaktverhältnis zu dem Abschnitt auf, welcher durch die Kationenaustauschmembran der Form 11 gebildet wird. Die Form 11 ist. zusammen mit der Stange 6, die durch die Öffnung im Boden der Form 11 verläuft, mittels des Flansches 8 an der Bodenplatte 3 befestigt. Auf diese Weise wird in der Form 11 ein Anodenraum 12 gebildet.

An der Oberseite des Hauptkörpers 1 befindet sich eine Trennplatte 13 mit einer Öffnung an einer Stelle entsprechend der oberen Öffnung der Form 11. Eine Schicht 14 aus elastischem Material, wie Gummi, befindet sich zwischen der Trennplatte 13 und der oberen Öffnung der Form 11. Ein oberes Deckelteil 15 für den Anodenraum 12 ist am oberen Abschnitt jedes Anodenraumes 12 vorgesehen und deckt die obere Öffnung der Form 11 ab. Die obere Öffnung der Form 11 ist an jeder Öffnung der Trennplatte 13 am Deckelteil befestigt. Eine Schicht 16 aus elastischem Material, wie Gummi, befindet sich zwischen dem Deckelteil 15 und dem oberen öffnungsende der Form 11. Diese Schicht 16 dient dem Schutz der Form 11 und wirkt darüber hinaus als Dichtungsmaterial.

Die Form 11 und die Anode 10 befinden sich so dicht wie möglich in Berührung miteinander. Es ist bevorzugt, eine Anode der Konstruktion zu verwenden, die eine Ausdehnung der Anode in Kathodenrichtung erlaubt. Ein Beispiel von Anoden, welche in Richtung der Kathode ausgedehnt werden können, ist beispielsweise in der Japanischen Patentveröffentlichung 35031/75 beschrieben (entsprechend der US-PS 3 674 676).

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Wenn nötig, befindet sich ein Abstandhalter 17 zwischen der Form 11 und der Kathode 2. Es wird bevorzugt, die Breite des Raumes, welcher zwischen der Form 11 und der Kathode 2 durch Zwischenschaltung eines Abstandhalters gebildet wird, im Bereich von ungefähr 1 bis 3 mm zu halten.

Um die Form 11 dagegen zu schützen, daß sie am unteren Abschnitt der Anode dadurch bricht, daß von der Kathodenseite auf die Anodenseite während der Elektrolyse ein Druck ausgeübt wird, ist es wünschenswert, einen Schutzrahmen 18 vorzusehen, welcher den unteren Abschnitt der Anode umschließt. Der Schutzrahmen 18 besteht aus einem korrosionswiderstandsfähigen Material, wie beispielsweise Fluorharz. Die Form des Schutzrahmens ist nicht kritisch, solange sie den unteren Abschnitt der Anode umschließt und die Form der sackartigen Form hält.

Entsprechend Fig. 3 ist eine Leitung 19 dargestellt, die die Versorgung mit einem Anolyt vorsieht. Die Leitung 19 hat eine Vielzahl von Rohren 20 kleinen Durchmessers, die der Versorgung mit dem Anolyt dienen, wobei diese Rohre in jedes obere Deckelteil 15 des Anodenraumes 12 verlaufen. Das Anolyt wird durch jedes Rohr 20 in jeden Anodenraum eingebracht. Um die Strömungsmenge des Anolyts zu steuern, hat das Rohr 20 eine Spiralform oder ist mit einem Öffnungsmesser versehen. Das Deckelteil 15 ist mit einem Abgaberohr 21 kleinen Durchmessers versehen, welches sich am Seitenabschnitt des Deckelteils 15 befindet, so daß Flüssigkeit und Gas vom Anodenraum durch das Rohr 21 überströmen können. Ebenso ist eine Leitung 22 vorgesehen, mit der die Vielzahl von Abgaberohren 21 verbunden ist. Die vom Anodenraum abgegebene Flüssigkeit und das vom Anodenraum abgegebene Gas werden in die Leitung 22 eingebracht, wo sie voneinander getrennt werden. Die Flüssigkeit wird von einem Auslaß 23 und das Gas von einem Auslaß 24 abgezogen.

Ein Kathodenraum 25 ist außerhalb der Form 11 im Hauptkörper T ausgebildet und es wird verdünntes Alkali oder Wasser durch ein Versorgungsrohr 26 für ein Katholyt in den Kathodenraum eingebracht. Die vom Kathodenraum an der Oberseite des Hauptkörpers 1 überströmende Flüssigkeit und das dort vom Kathodenraum überströmende Gas werden durch Auslässe 27 bzw. 28 abgezogen.

Die hierin verwendete Forir. ist so ausgebildet/ daß zumindest die auf die Anode und die 'kathode gerichteten Abschnitte aus einer Kationenaustauschmembran bestehen. Verschiedene Ausführungsformen werden von der Erfindung eingeschlossen, und zwar eine Ausführungsform gemäß Fig. 4, bei der die gesamte Form aus einer Kationenaustauschmembran 29 besteht; eine in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform, bei der der Boden einer Form, welche an der Bodenplatte 3 befestigt ist, und der obere Abschnitt der Form, welcher zwischen der Trennplatte 13 und dem Deckelteil 15 in Lage gehalten wird, aus einem korrosionsbeständigen Material 30, beispielsweise Fluorharz, und die auf die Anode und die Kathode gerichteten Mittelabschnitte aus einer Kationenaustauschmembran 29 besteht; und eine in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform, bei der nur die auf die Anode und die Kathode gerichteten Abschnitte aus einer Kationenaustauschmembran 29 gebildet sind. Der Rahmen besteht aus einem korrosionsbeständigen Material.

Die Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen beschränkt. Es ist für die sackartige Form ausreichend, daß sie zumindest an den Abschnitten aus einer Kationenaustauschmembran besteht, die auf die Anode und die Kathode gerichtet sind. Die anderen Abschnitte können aus einem korrosionsbeständigen Material bestehen und haben verschiedene Formen, in Abhängigkeit von der Konstruktion jeder Elektrode. Wenn eine Kationenaustauschmembran und ein korrosionsbeständiges Material für die Ausbildung der Form verwendet wird, so sind sie beispielsweise durch Heißkleben bzw. Heißversiegeln miteinander verbunden. Wenn die gesamte

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₄ a a β ο ο s ο β

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Form aus einer Kationenaustauschmembran besteht, werden Abschnitte, die mit dem unteren Endabschnitt der Anode in Berührung kommen, beschädigt. Daher wird der zuvor beschriebene Schutzrahmen 18 zum Schutz der Form bedeutsam.

Fig. 7 ist eine vergrößerte Teilansicht des oberen Abschnittes der elektrolytischen Zelle mit der Darstellung einer Methode zum Befestigen des Anodenraum-Deckelteils 15. Entsprechend Fig. 7 ist das obere Deckelteil 15 durch einen Klemmbolzen 32 an einem Deckelteil-Befestigungsglied 31 angebracht. Beide Enden des Deckelteil-Befestigungsgliedes 31 sind an Vorsprüngen 33 befestigt, die an jeder Seite des Hauptkörpers 1 vorgesehen sind. Das Befestigen erfolqt mittels eines Bolzens.

Die elektrolytische Zelle gemäß der Erfindung hat eine Konstruktion, die für das Umgestalten einer bisher für das Membranverfahren verwendeten elektrolytischen Zelle in eine elektrolytische Zelle für das Ionenaustauschmembranverfahren geeignet ist. Bei der üblichen elektrolytischen Zelle für das Membranverfahren, bei dem eine neutrale Membran aus Asbest verwendet wird, wird eine poröse und hohle, rohrförmige Kathode durch die Asbestmembran abgedeckt, um dadurch einen Kathodenraum zu bilden. Eine auf einer elektrisch leitenden Stange abgestützte Anode befindet sich zwischen den von der Membran abgedeckten Kathoden. In Übereinstimmung mit der Erfindung kann durch Verwendung von Teilen der elektrolytischen Zelle für das Membranverfahren, wie den Hauptkörper der elektrolytischen Zelle, das Deckelteil, die Kathoden und Anoden, eine elektrolytische Zelle mit einer ausgezeichneten Konstruktion hergestellt werden, die beim Ionenaustauschmembranverfahren verwendet werden kann.

Bei der elektrolytischen Zelle gemäß der Erfindung ist eine Anode von einer sackförmigen Form umgeben, bei der zumindest

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auf die Anode und die Kathode gerichtete Abschnitte aus einer Kationenaustauschmeinbran bestehen. Der Boden der genannten Form ist mittels eines Flansches einer elektrisch leitenden Stange an einer Bodenplatte einer elektrolytischen Zelle befestigt. Das obere Ende der Form ist an einem oberen Deckelteil des Anodenraumes an einer Öffnung einer Trennplatte befestigt, die am oberen Abschnitt des Hauptkörpers der elektrolytischen Zelle vorgesehen ist. So kann die Kationenaustauschmeinbran im geschlossenen Zustand ohne Relaxation in Lage gehalten werden. Da die Anode in enger Berührung mit der Kationenaustauschmembran gebracht werden kann, und zwar durch Verwendung einer Anode der Konstruktion, die der Anodenwirkungsfläche erlaubt, in Kathodenrichtung zu verlaufen bzw. sich auszudehnen, ist die Erfindung als ein ausgezeichnetes Gebilde für das Ionenaustauschmembranverfahren vorteilhaft.

Durch Verwendung von korrosisionsbeständigem Material für den oberen und unteren Abschnitt der Form kann eine Be-Schädigung der Kationenaustauschmeinbran durch scharfe Teile des Anodenendabschnittes verhindert werden. Weiterhin kann die Form durch Umgeben des unteren Endabschnittes der Anode mit einem Schutzrahmen geschützt werden.

Bei der Konstruktion der vorliegenden elektrolytischen Zelle besteht keine Explosionsgefahr aufgrund des Vermischens des anodenseitigen Gases mit dem kathodenseitigen Gas, sogar wenn eine Gasleckage zwischen der Trennplatte des oberen Abschnittes des Hauptkörpers der elektrolytischen Zelle und dem offenen Ende der Form auftritt, oder zwischen dem oberen Deckelteil des Anodenraumes und dem offenen Ende der Form, weil die Außenseite zur Luft hin offen ist.

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Claims

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN . DIPL.-ING. W. LEHN

. K. FDCHSLE ■ DR. RER. NAT B HANSEN DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS ■ DIPL-INQ. K. GORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN ■ RECHTSANWALT A NETTE

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CHLORINE ENGINEERS CORP., LTD.,
Tokyo / Japan

Elektrolytische Zelle für ein Ionenaustausch-Membranverfahren

Patentansprüche

1. Elektrolytische Zelle für das Ionenaustausch-Membranverfahren ,gekennzeichnet durch

a) einen Hauptkörper (1) der elektrolytischen Zelle;

b) eine Vielzahl von porösen und rohrförmigen Kathoden

(2), welche im Inneren des Hauptkörpers (1) angeordnet sind;

c) eine Bodenplatte (3) der elektrolytischen Zelle, in der eine Vielzahl von Öffnungen (7) ausgebildet sind;

d) eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stangen (6) , welehe an ihrem unteren Abschnitt mit einem Flansch (8) versehen sind, welche Stangen durch die jeweilige Öffnung (7) der Bodenplatte (3) in das Innere des Hauptkörpers (1) eingesetzt und durch den Flansch (8) an der Bodenplatte (3) befestigt sind;

e) eine Vielzahl von porösen Anoden (10), die jeweils mit der elektrisch leitenden Stange (6) verbunden und in einem Seite-an-Seite-Verhältnis zur Kathode (2) vertikal angeordnet sind, und die allein oder in Kombination

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miteinander zwischen den Kathoden angeordnet sind;

f) eine Vielzahl von sackförmigen Formen (11), deren zumindest auf die Anoden und Kathoden gerichteten Abschnitte auf einer Kationenaustauschmembran (29) gebildet sind, 5 welche Form am Boden mit einer Öffnung versehen ist, durch die die elektrisch leitende Stange (6) geführt ist und an der Oberseite offen ist,-

g) eine Trennplatte (13), die an der Oberseite des Hauptkörpers

(I) der elektrolytischen Zelle vorgesehen ist, und die eine Vielzahl von Öffnungen an Stellen aufweist, die den

obenliegenden Öffnungen der Formen (11) entsprechen und h) eine Vielzahl von Deckelteilen (15), welche jeweils eine Öffnung der Form (11) abdecken, wobei jede Form (11) eine oder mehrere Anoden (10) aufnimmt, wobei der Boden der

Form (11) zusammen mit der elektrisch leitenden Stange (6), die durch die Öffnung im Boden der Form (11) verläuft, durch den Flansch (8) der Stange (6) so mit der Bodenplatte (3) der elektrolytischen Zelle fest verbunden ist, daß ein Anodenraum (12) innerhalb der sackförmigen Form (11) gebildet ist, und wobei der obere Öffnungsrand der Form

(II) durch das Deckelteil (15) an der Öffnung der Trennplatte (13) befestigt ist.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Versorgungsleitung (22) für das Anolyt und ein Anolyt-Versorgungsrohr (20) kleinen Durchmessers vorgesehen sind, welches von der Anolyt-Versorgungsleitung (19) zum oberen Dekkelteil (15) jedes Anodenraumes (12) verläuft.

303. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin ein Abgaberohr (22) kleinen Durchmessers vorgesehen ist, durch welches Flüssigkeit und Gas, die vom Anodenraum (12) in den Seitenabschnitt des oberen Deckelteils des Anodenraumes überströmen, und daß eine Leitung (23, 24) vorgesehen ist, an die jedes Rohr kleinen Durchmessers angeschlossen ist.

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4. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Deckelteil-Befestigungsglied (31) vorgesehen ist, an dem das obere Deckelteil (15) jedes Anodenraumes (12) befestigt ist, und welches seinerseits am Hauptkörper (1) der elektrolytischen Zelle fest angeschlossen ist.

5. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schutzrahmen (18) zum Schutz der Form (11) vorgesehen ist, welcher Rahmen sich im Inneren der Form (11) befindet und den unteren Endabschnitt der Anode (10) einschließend umgibt.

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