DE3241609C2

DE3241609C2 - Elektrolytische Zelle für ein Ionenaustausch-Membranverfahren

Info

Publication number: DE3241609C2
Application number: DE3241609A
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: 1985-03-28
Also published as: JPS5891179A; GB2111079B; FR2516945B1; DD204948A5; GB2111079A; US4417970A; PL138927B1; FR2516945A1; PL239167A1; JPS6144155B2; CA1198393A; DE3241609A1

Abstract

Eine elektrolytische Zelle für das Kationenaustausch-Membranverfahren umfaßt einen Hauptkörper (1), eine Vielzahl von porösen rohrförmigen Kathoden (2) innerhalb des Hauptkörpers, eine Bodenplatte (3) mit darin befindlichen Öffnungen (7), eine Vielzahl von elektrisch leitenden, durch die genannten Öffnungen verlaufenden elektrisch leitenden Stangen (6), an denen jeweils eine Anode (10) einer Vielzahl von Anoden befestigt ist, wobei sich die Anoden Seite an Seite zu einer Kathode befinden, eine Vielzahl von sackförmigen Formen (11), welche zumindest in den auf die Anoden und Kathoden weisenden Abschnitten aus der Kationenaustauschmembran bestehen und unten geschlossen sowie oben offen sind, wobei eine Trennplatte (13) an der Oberseite des Hauptkörpers befestigt ist, welche entsprechend der Anzahl der Formen eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, die jeweils durch ein Deckelteil geschlossen sind. Jede der genannten Formen nimmt eine oder mehrere Anoden auf.

Description

M)

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Zelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Elektrolyse von Sole wurde bisher das Mcmbranverfahiren neben dem Quecksilberverfahren verwendet, und zwar unter Heranziehung einer elcktrolytischen Zelle, die einen Anodenraum und einen Kathodenraum umfaßt, die durch eine poröse neutrale Membran aus Asbest oder dergl. voneinander gelrennt sind. Dieses Membranverfahren hat jedoch den Nachteil, daß hochreine Alkalimetallhydroxide nicht erzielt werden können. So wurde ein Ionenaustausch-Membranverfahren entwickelt, welches eine Katioaenaustauschmembran verwendet, um hochreine Alkalimetallhydroxyde zu erzeugen (US-PS 4268 372). Bei einer derartigen Zelle sind die Membranen als zylindrische Elemente ausgebildet, welche die Kathoden umgeben und dabei oben und unten offen sind. Die Ränder der zylindrischen Membranen sind zwischen den Öffnungsrändern einer oberen Trennplatte und einer Montageleiste eingeklemmt, und zwar an der Oberseite und an der Unterseite. Die gesamte Anordnung ist dann von oben her mit einem gemeinsamen Deckel abgedeckt

Diese Konstruktion eignet sich in nicht-zufriedenstellender Weise für den Einsatz einer Ionenaustauichmembran, so daß die Aufgabe der Erfindung darin besteht, eine elektrolytische Zelle für das lonenaustausch-Membranverfahren zu schaffen, welches sich für diesen Einsatz auf besondere Weise eignet Dabei soll die elektrolytische Zelle 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 die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Ausführungsformen der Zelle nach Anspruch 1 werden in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.

Die elektrolytische Zelle hat einen konstruktiven Aufbau, der für das Umgestalten einer bisher für das Membranverfahren verwendeten elektrolytischen Zelle in eine elektrolytische Zelle für das Ionenaustausch-Membranverfahren geeignet ist Bei der erfindungsgemäßen elektrolytischen Zelle ist die Anode von einer sackförmigen Form umgeben, bei der zumindest der auf die Anode und die Kathode gerichtete Abschnitt aus einer Kationenaustauschmembran besieht. Der Boden der genannten Form ist mittels des Flansches der elektrisch leitenden Stange an der Bodenplatte der Zelle befestigt. Das obere Ende der Form ist mit einem oberen Deckelteil des Anodenraumes an der zugehörigen öffnung der obenliegcnden Trennplatte befestigt So kann die Kationenaustauschmembran im geschlossenen Zustand ohne Relaxation in Lage gehalten werden. Da die Anode in enge Berührung mit der Kationenaustauschmembran gebracht werden kann, und war durch Verwendung einer Anode der Konstruktion, die der Anodenwirkungsfläche erlaubt, in Kathodenrichtung zu. verlaufen bzw. sich auszudehnen, in Kathodenrichtung zu verlaufen bzw. sich auszudehnen, ist die Erfindung als besonders geeignetes Gebilde für das loncnaustausch-Membranverfahren vorteilhaft.

Durch die Verwendung von korrosionsbeständigem Material wenigstens für den oberen und unteren Abschnitt der Form, also den Abschnitten neben dem Kationcnaustauschbereich, kann eine Beschädigung der Kationenaustauschmembran durch scharfe Teile des Anodcncndabschnittcs 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 anodcnseitigen Gases mit dem kathodenseitigen Gas, sogar wenn eine Gaslcckagc zwi-

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sehen der Trennplatte des oberen Abschnittes des M Hauptkörpers der elektrolytischen Zelle und dem offe- ·(§ nen Ende der Form auftritt, oder zwischen dem oberen ί| Deckellei! des Anodenraumes und dem offenen Ende % der Form, weil die Außenseite zur Luft hin offen ist.
Hj Um die Form dagegen zu schützen, daß sie am unter-

Wf cn Abschnitt der Anode dadurch bricht, daß von der B Kathodenseile auf die Anodenseite während der Elek-•3 trolyse ein Druck ausgeübt wird, ist es bevorzugt, einen ■; Schutzrahmen vorzusehen, welcher den unteren Ab- = | schnitt der Anode umschließt. Der Schutzrahmen beil steht aus einem korrosionswiderstandsfähigem Materi- % al, wie beispielsweise Fluorharz. Die Form des Schutzrahmens soll dabei in jedem Falle den unteren Abschnitt ;.* der Anode umschließen und an die Form der sackarti- '% gen Form angepaßt sein.

B Die Zelle wird in der nachfolgenden Beschreibung

■, anhand der in den Zeichnungen rein schematisch darge-S stellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt
' 3 Fig. 1 eine fragmentarische Längsschnittansicht ei-

k ner Ausiührungsform der elektrolytischen Zelle gemäß i,v der Erfindung.

\}; F i g. 2 eine teilweise weggebrochen dargestellte perspektivische Ansicht eines Anodenteils,
^;, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der elektrolyti-

-■'■.'. sehen Zelle,

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

F i g. 7 eine vergrößerte Teilansicht der Oberseite der elektrolytischen Zelle mit der Darstellung der Methode des Anbringens des Deckels an der Oberseite des Anodenraumes.

An einem Hauptkörper 1 einer elektrolytischen Zelle sind eine Vielzahl von porösen und hohlen, rohrförmigen Kathoden 2 so angeordnet, daß sie von einer inneren Seitenwand des Hauplkörpers I zur gegenüberliegenden inneren Seitenwand desselben verlaufen. Eine Bodenplatte 3 der elektrolytischen Zelle umfaßt eine Versorgungrplatte 4 für die elektrische Energie und eine Antikorrosionsschicht 5, welche auf der Platte 4 vorgesehen ist. und eine Vielzahl von öffnungen 7. 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, die zumindest teilweise auf die Anode und die Kathode gerichtet 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 versehen, durch die die Stange 6 verläuft. Die Form 11 nimmt eine oder mehrere Anoden 10 in einem geschlossenen Kontaktverhältnis zu dem Abschnitt ouf, welcher durch die Kaiionenauslauschmembran der Form 11 gebildet wird. Die Form 11 ist zusammen mit der Stunge 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 Anpdenraum 12 ist am oberen Abschnitt jedes Anoden-

raumes 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 Anods der Konstruktion zu verwenden, die eine Ausdehnung der Anode in Kathodeaichtung erlaubt (US-PS 36 74 676).

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 i-ir 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.

Entsprechend F i g. 3 ist eine Leitung 19 dargestellt die die Versorgung mit einem Anolyt vorsieht Die Leitung 19 hat eine Vielzahl von Rohren 20 kleinen Darchmessers, die der Versorgung mit dem Anolyt dienen, wohei 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 Vielzah! 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 1 ausgebildet und es wird verdünntes Alkali oder Wasser d\irch ein Versorgungsrohr 26 für ein Katholyt in den Kathodenraum eingebracht. Die vom Käthödcnfäum an der Oberseite des Hauptkörpers 1 überströmende Flüssigkeit und das dort vom FLatnodenraum überströmende Gas werden durch Auslässe 27 bzw. 28 abgezogen.

h5 Die hierin verwendete Form ist so ausgebildet, daß zumindest die auf die Anode und die Kathode gerichteten Abschnitte aus einer Kationenaustauschmembran bestehen. Verschiedene Ausführungsformen werden

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von der Erfindung eingeschlossen, und zwar eine Ausführungsform gemäß F i g. 4, bei der die gesamte Form aus einer Kationenaustauschmembran 29 besteht; eine in F i g. 5 dargestellte Ausführungsform, bei der der Boden einer Form, welche an der Bodenplatte 3 befestigt s 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 Ma- is terial.

Es ist für die sackartige Form ausreichend, daß sie zumindest an den Abschnitten aus einer KationenaustauschmCFribran b?s'?ht. 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 2s sind sie beispielsweise durch Heißkleben bzw. Heißversiegeln miteinander verbunden Wenn die gesamte Form aus einer Kationenaustauschmembran besteht, werden Abschnitte, die mit dem unteren Endabschnitt der Anode in Berührung kommen, beschädigt. Daher wird der jo zuvor beschriebene Schutzrahmen 18 zum Schutz der Form bedeutsam.

Fig.7 ist eine vergrößerte Teilansichi des oberen Abschnittes der elektrolytischen Zelle mit der Darstellung einer Methode zum Befestigen des Anodenraum- y> Deckelteils 15. Entsprechend F i g. 7 ist das obere Dekkelteil 15 durch einen Klemmbolzen 32 an einem Dekkelteil-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 erfolgt mittels eines Bolzens.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

45

so

Claims

31 41 Patentansprüche:

1. Eiektrolvtische Zeile für das lonenaustausch-Membranverfahren mit einem Hauptkörper (1), einer Vielzahl von im Inneren des Hauptkörpers (1) angeordneten porösen und rohrförmigen Kathoden (2), einer Bodenplatte (3), in der eine Vielzahl von öffnungen (7) ausgebildet sind, einer Vielzahl von elektrisch leitenden Stangen (6), weiche an ihrem to 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, einer Vielzahl von porö- is sen Anoden (10), die in einem Seite-an-Seite-Verhältnis zur Kathode (2) vertikal angeordnet sind, und die allein oder in Kombination miteinander zwischen den Kathoden angeordnet sind, wobei zwischen jeder Kathode und Anode jeweils eine Kationenaustauschinembrsn angeordnet ist, mit einer oberen Abdeckung und einer oben liegenden, eine Vielzahl von öffnungen aufweisenden Trennplatte (13), dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (10) mit jeweils einer elektrisch leitenden Stange (6) verbunden sind, daß eine Vielzahl von sackförmigen Formen (11),vorgesehen sind, deren zumindest auf die Anoden und Kathoden gerichteten Abschnitte die genannte Kationenaustauschmembran (29) bilden, welche Form (11) am Boden mit einer Öffnung versehen ist., durch die die elektrisch leitende Stange (6) geführt ist, und an der Oberseite offen ist, daß die Trennplatte (13) die Vielzahl von öffnungen an Stellen aufweist, die den obenliegenden öffnungen der Formen (U) entsprechen und daß die Abdeckung von einer Vielzahl von Deckelteilen (15) gebildet ist, die 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 (11) durch das Deckelteil (15) an der öffnung der Trennplatte (13) befestigt ist.

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

3. Zelle nach Anspruch I oder 2, 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.