DE3936964A1 - Elektrodenanordnung fuer elektrolytische zwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für elektrolytische Zwecke, insbesondere zur elektrolytischen Abscheidung von Metallen aus Metallionen enthaltender Flüssigkeit, bestehend aus einer in einem Rahmen aus elektrisch isolierendem, korrosionsbeständigem Kunststoff, mit parallelen Seitenteilen angeordneten plattenförmigen Anode, und dazu beidseitig im Abstand von der Anode angeordneten Kathode und deren Verwendung.

Aus der EP-OS 36 640 ist eine Elektrodenanordnung in einer Metall-Rückgewinnungszelle zur Reinigung von industriellen Prozeßlösungen und Abwässern in einem Behälter bekannt, welche zur Halterung von plattenförmigen Elektroden einen offenen Rahmen aus parallelen Seitenstreifen als Abstandselemente aufweist, der aus elektrisch isolierendem, korrosionsbeständigem Kunststoff besteht; beidseitig der Anode sind Kathoden in einem durch den Rahmen vorgegebenen Abstand angeordnet, wobei keine Diaphragmen oder Membranen zwischen den Elektroden vorgesehen sind.

Die Zelle ist im Behälter integriert, wobei der Ein- und Auslauf zum Elektrolyseraum zwischen den Elektroden freigehalten wird, um eine durch Gasblasen bewirkte Zirkulation zwischen Behältervolumen und Elektrolyseraum zu erzielen. Der Abstand zwischen den Elektroden muß einerseits groß genug sein, um Platz für abgeschiedene Metalle freizuhalten, andererseits nicht zu groß, damit eine ausreichende Metallabscheidung bis zu einer Restkonzentration von bis zu 5 ppm Metallionen erreicht wird.

Weiterhin ist es aus der US-PS 43 99 020 bekannt, zur Rückgewinnung bzw. Abscheidung von Metallen aus Lösungen in einem Trog aus elektrisch isolierendem Material eine Vielzahl von wechselweise angeordneten plattenförmigen Anoden und Kathoden mit schwammartiger Struktur ohne Diaphragma oder Membran einzusetzen, wobei die Kathoden im wesentlichen senkrecht zu ihrer Plattenfläche von einer Abwasserlösung durchströmt werden. Dabei werden aus dem Abwasser die Kationen der im Abwasser enthaltenen Metalle auf den Kathoden abgeschieden. Mit zunehmender Betriebsdauer der Zelle werden die Poren der Kathode nach und nach durch Metallabscheidungen zugesetzt, woraus sich eine stetige Reduktion der tatsächlichen kathodischen Fläche und damit in gleichem Maße steigende spezifische kathodische Stromdichte ergibt. Daraus resultiert eine Begrenzung der erreichbaren Metallendkonzentration unter ökonomischen Bedingungen. Da außerdem die verstopften, ehemals schwammförmigen, Kathoden die Durchströmung der Zelle blockieren, müssen sie häufig erneuert werden.

Weiterhin ist aus der US-PS 47 86 384 eine elektrolytische Zelle zur elektrolytischen Abscheidung von Metallen aus Metallionen enthaltender Flüssigkeit bekannt, bei der eine Vielzahl von plattenförmigen ebenen Elektroden in einem Trog angeordnet sind, wobei unterhalb der Elektroden eine Gaseinblas-Vorrichtung vorgesehen ist, die für einen Elektrolyt-Umlauf zwischen den Elektrodenplatten sorgt.

Als problematisch erweist sich bei den bekannten Anordnungen, daß beladene Kathoden ohne Zellenabschaltung nur unter Schwierigkeiten zu entnehmen sind. Zur Abtrennung des auf den Kathoden abgeschiedenen Materials ist die Zelle auseinanderzunehmen, wobei die Rahmenstruktur mechanisch aufgelöst wird, so daß eine rasche Austauschbarkeit der Elektroden nicht ohne weiteres möglich ist. Darüber hinaus sind zur Montage und Demontage der Zellen aufgrund ihrer komplizierten Struktur fachmännische Kenntnisse erforderlich. Weiterhin ist es problematisch, die bisher bekannten Elektroden für die jeweiligen Zwecke anzupassen, da aufgrund der bisher üblichen Konstruktionen eine leichte Austauschbarkeit und damit Anpassung an den jeweiligen Zweck nicht immer gegeben ist.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Elektrodenanordnung zu schaffen, die neben einem einfachen Elektrodenwechsel geringe Kosten für das Kathodenmaterial sowie eine kostengünstige und leicht zu handhabende Halterung aufweist und eine sichere, einfache Elektrodenkontaktierung ermöglicht. Dabei soll eine sehr geringe Restkonzentration von Metallionen erzielt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathode aus flexiblem Material gebildet und an den im wesentlichen parallel geführten Seitenteilen des Rahmens gehaltert ist, daß die beiden Enden wenigstens eines Seitenteils seitlich bewegbar gehaltert sind und daß die Anode als federndes Blech ausgebildet ist, welches zur Spannung der flexiblen Kathode die Seitenteile auseinander drückt.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die flexible Kathode aus einem umlaufenden Endlos-Band, das auf den aus einem U-förmig ausgebildeten Profil bestehenden Rahmen aufgeschoben wird; wenigstens eins der beiden Seitenteile des Rahmens ist dabei mit einer Nut versehen, in der die flexible Kathode mittels eines Stabes mit elektrisch leitender Oberfläche klemmend und elektrisch kontaktierend gehaltert ist.

Die flexible Kathode besteht vorzugsweise aus einem metallisierten Gewebe oder einer metallisierten Folie, diese kann aus nichtleitendem Kunststoff bestehen; es ist jedoch auch möglich, eine flexible Kathode aus einer elektrisch leitenden Kunststoff-Folie zu verwenden; diese kann zusätzlich Graphit-Faser oder Kohlenstoff-Faser enthalten; es ist weiterhin möglich, eine flexible Kathode aus einer Metallfolie einzusetzen. Die Anode besteht aus Titan oder einer Titanbasislegierung und weist die Form eines Blechs oder Streckmetalls auf; sie ist mit einer Aktivierungsschicht versehen, die beispielsweise aus Oxiden der Platinmetallgruppe besteht.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in einer Metallrückgewinnungszelle ist diese in einem Zellentrog oberhalb eines Abwasserbehälters angeordnet; der Zellentrog weist an sich gegenüberliegenden Seitenwänden Nuten zur Aufnahme der mit Führungsnasen versehenen Elektrodenanordnung sowie der äußeren Anoden auf. Unterhalb der Elektroden ist im Zellentrog eine Flüssigkeitsverteilervorrichtung vorgesehen. Die Flüssigkeitsverteilervorrichtung besteht aus einem oder mehreren unterhalb der Elektroden angeordneten Einleitungsrohren, die in ihrer Wand mit Öffnungen versehen sind; sie wird durch eine im Abwasserbehälter befindliche Pumpe bzw. mit dem Abwasserbehälter verbundene Pumpe mit Lösung versorgt.

Als vorteilhaft erweist sich der verhältnismäßig kompakte Aufbau der Elektrodenanordnung, welcher wiederum einen kompakten Zellenaufbau ermöglicht. Aufgrund der leichten Austauschbarkeit aller Elektroden ist die Zelle auf einfache Weise dem jeweiligen Prozeß anzupassen. Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß eine Abreicherung von Kupfer aus chloridischen und sulfatischen Elektrolyten auf Werte kleiner 1 ppm möglich ist.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung, wobei zwecks besserer Übersicht die flexible Kathode in ihrer Kontur durch strichpunktierte Linien dargestellt wurde;

Fig. 2 zeigt die gleiche Elektrodenanordnung in einer Draufsicht, wobei zusätzlich die Seitenwände des Zellentroges erkennbar sind und die beidseitig die Kathode umgebenden äußeren Anodenplatten.

In Fig. 3 ist in einer perspektivischen Darstellung eine aufgeschnittene Zelle mit teilweise eingeschobener Elektrodenanordnung dargestellt.

Fig. 4 zeigt in einer Längsschnittsdarstellung einen kompletten Elektrolysetrog mit aufgesetzter Elektrolysezelle.

Gemäß Fig. 1 weist die Elektrodenanordnung 2 einen aus isolierendem Material bestehenden Rahmen 3 auf, der aus zwei Jochteilen und zwei Seitenteilen 4, 5 besteht, wobei letztere durch die Jochteile miteinander verbunden sind; die rohrförmigen Seitenteile 4, 5 sind durch einen als Mittelsteg 6 ausgebildetes Jochteil gehaltert bzw. zu einem U-förmigen Bauelement miteinander verbunden. Die über die Seitenteile 4, 5 hinausragenden Teile 7, 8 des Mittelsteges 6 dienen zur Führung im Zellentrog, der zwecks besserer Übersicht nicht dargestellt ist. Die Seitenteile 4, 5 weisen in den zwischen ihnen liegenden Raum gerichtete Nuten 9, 10 auf, welche als Führungsschienen zur Aufnahme der Seitenränder einer plattenförmigen Anode 11 dienen. Die Seitenteile 4, 5 sind seitlich bewegbar gehaltert; sie werden nach Einführung der Anode in entgegengesetzte Richtungen gepreßt und spannen eine um diese Seitenteile herumgeführte flexible Kathode 12 aus Bandmaterial auf; das Seitenteil 4 enthält einen spaltförmigen Hohlraum 13, in dem sich ein kathodisches Stromzuführungs- und Klemmelement 14 befindet, welches von der flexiblen Kathode 12 zwecks Stromleitung und Arretierung teilweise umschlossen wird; das Stromzuführungs- und Klemmelement weist eine metallische Oberfläche auf.

Die in die Nuten 9, 10 eingeschobene Anode 11 ist an ihrer Oberkante mit einem Stromzuleiter 15 versehen, auf den ein Kontaktierungselement 16 aufschiebbar bzw. aufklemmbar ist. Die Anode 11 wird bis zum Anschlag 17 eingeschoben und dient, wie bereits erläutert, zur flächenhaften Aufspannung der flexiblen Kathode. Zur endgültigen Arretierung der Anode 11 wird auf die beiden freien Enden der Seitenteile 4, 5 ein plattenförmiges Jochteil 19 aufgeschoben, das an seinen beiden Enden Hohlräume 20, 21 aufweist, die in ihrer Form als aufsteckbare Hülsen ausgebildet sind. Zur Sicherung sind die Hohlräume 20, 21 ebenso wie die freien Enden der Seitenteile 4, 5 mit Durchgangsbohrungen 22, 23 zur Aufnahme von Sicherungsstiften 24, 25 vorgesehen.

Zwecks besserer Übersicht ist die flexible Kathode 12 nur in ihrer Kontur durch strichpunktierte Linien dargestellt. Die Polarität der Elektroden ist durch Plus- bzw. Minus-Symbole bezeichnet.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Zellentroges 1 mit seinen beiden Seitenwänden 30, 31 und den Trogboden 32. Das in einer Aufsicht dargestellte Elektrodenelement 2 ist mit seinen Teilen 7, 8 des Mittelsteges 6 bzw. den Jochenden 28, 29 des Jochteils 19 in die Nuten 33, 34 der Seitenwände 30, 31 eingeschoben. Zwecks besserer Übersicht ist das Elektrodenelement 2 teilweise im Querschnitt dargestellt. Vom Elektrodenelement sind die beiden Seitenteile 4, 5 erkennbar, wobei im Seitenteil 4 der spaltförmige Hohlraum 13 zu sehen ist, in den ein Teil der flexiblen Kathode 12 schleifenförmig eingeschoben ist, und durch das Stromzufuhr- und Klemmelement 14 arretiert wird. Die Kathode 12 umgibt auf beiden Seiten die Anode 11, wobei die aktiven Elektrodenflächen wenigstens annähernd zueinander parallel angeordnet sind.

Das Elektrodenelement 2 ist auf beiden Seiten von äußeren Anoden 35, 36 umgeben, welche in die Nuten 37, 38 bzw. 39, 40 der Seitenwände 30, 31 des Zellentroges 1 eingelassen sind.

Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Elektrodenelement 2 nach Art einer Explosionszeichnung, wobei Teile des Zellentroges 1, der flexiblen Kathode 12 und des unterhalb des Zellentroges 1 befindlichen Abwasserbehälters 45 zwecks besserer Übersicht im Aufriß dargestellt sind. Auch die zugehörige Strömungsvorrichtung 42 ist im Aufriß dargestellt.

Das Elektrodenelement 2 ist hier mit seinem, die Seitenteile 4, 5 aufweisenden U-förmigen Rahmen 3 dargestellt, wobei die Seitenteile durch den Mittelsteg 6 gehalten werden, welcher mit seinen äußeren Teilen 7, 8 zum Einschub in die Nuten 33, 34 der Zellengehäusewand vorgesehen ist. Der U-förmige Rahmen 3 ist von der flexiblen Kathode 12 in Form einer bandförmigen Folie bzw. eines Gewebes umhüllt, wobei ein Teil dieser Umhüllung in den spaltförmigen Hohlraum 13 mit Hilfe des Kontakt- und Klemmelementes 14 eingeklemmt ist. Der Zwischenraum im U-förmigen Rahmen 3 wird durch die in seitlichen Führungsnuten 9, 10 eingeschobene plattenförmige Anode 11 gespannt, so daß die ebenen Flächen der flexiblen Kathode 12 in einer Ebene parallel zur Anode 11 verlaufen.

Oberhalb des Rahmens 3 ist das Jochteil 19 dargestellt, welches jeweils eine Öffnung zur Durchführung des Stromzuleiters 15 für Anode 11 und des Kathodenstromleiters 14 enthält. Die Enden des Jochteils sind mit Hohlzylindern 28, 29 zum Aufstecken auf die Enden der Seitenteile 4, 5 des Rahmens 3 versehen. Weiterhin weisen die Jochenden jeweils nach außen gerichtete Führungselemente 26, 27 auf, mit welchen sie in den Nuten 33, 34 der Wände 30, 31 des Zellentroges 1 geführt werden. Zur Befestigung des Jochs 19 dienen die Sicherungsstifte 24, 25.

Unter dem Elektrodenelement 2 befindet sich im Zellentrog 1 eine Strömungsvorrichtung 42 zur Erzeugung der Elektrolytzirkulation im Zellentrog 1. Die als perforiertes Rohr ausgebildete Strömungsvorrichtung 42 ist an eine Pumpe angeschlossen, welche aus dem darunterliegenden Lösungsvorratsbehälter die Flüssigkeit in den Zellentrog 1 pumpt. Nach Durchlaufen des Zellentroges 1 wird die Lösung wiederum dem unterhalb des Zellentroges 1 angeordneten Lösungs-Vorratsbehälter 45 zugeführt.

Fig. 4 zeigt im Längsschnitt den Lösungsvorratsbehälter 45 und den darauf befindlichen Zellentrog 1. Gemäß dieser Figur befindet sich im Lösungs-Vorratsbehälter 45 eine Pumpe 43, welche über einen mit einem Kugelhahn absperrbaren Ventil 44 dem Zellentrog 1 über die Strömungsvorrichtung 42 jeweils frische Lösung zuführt, während die abgereicherte Lösung über einen Rücklauf 46 in den Vorratsbehälter zurückgeführt wird. Der Zellentrog 1 weist auf seinem Gehäusedeckel 48 einen Absaugstutzen 47 für die entstehenden Gase auf. Im Zellentrog 1 befinden sich insgesamt 12 durch strichpunktierte Linien symbolisch dargestellte Elektrodenelemente 2, welche jeweils von den bereits vorstehend beschriebenen äußeren Anoden umgeben sind, so daß insgesamt 13 äußere Anodenelemente vorgesehen sind.

Als Material für die Anode haben sich je nach Verwendungszweck Stahl, Edelstahl sowie Ventilmetall wie z. B. Titan erwiesen, welches mit Oxiden der Platinmetall-Gruppe aktiviert ist. Die Kathoden bestehen aus einer geschlossenen Materialbahn aus elektrisch leitfähigem Kunststoff bzw. metallisiertem Kunststoffgewebe oder Folien aus dem abzuscheidenden Metall. Weiterhin ist es möglich, für die innenliegende Anode sowie für die äußeren Anoden, Streckmetalle zu verwenden, beispielsweise Titan-Streckmetalle. Der U-förmige Rahmen sowie das aufsetzbare Jochteil bestehen aus einem für die Lösung unempfindlichen Kunststoff wie beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen oder bei der Reinigung von Prozeßabwassern mit hohen Temperaturen aus hochtemperaturbeständigem Polytetrafluoräthylen. Die Kontaktierung erfolgt über Kabelschuhe direkt an den Stromableitern, so daß keine Stromschienen bzw. Stromsammelschienen, welche hohe Kosten verursachen, einzusetzen sind. Die äußeren Anoden erhöhen einerseits die Effektivität andererseits bilden sie einen Korrosionsschutz gegen Auflösung der Ablagerungen von der Rückseite der Kathoden. Die Zeitdauer der Behandlung kann so lange durchgeführt werden bis eine hohe Reinheit von beispielsweise 1 ppm Kupfer, d. h. Trinkwasserqualität, erreicht ist. Die Anwendung der Erfindung ist insbesondere auf die Galvanotechnik, Beizereien und die Herstellung von Leiterplatten auf Kupferbasis bezogen.

Aufgrund der baukastenartigen Ausstattung ist ein rascher Austausch der passiven und aktiven Teile möglich, so daß die Elektrolysezellen den jeweiligen Erfordernissen der Praxis rasch angepaßt werden können. Die Stromdichte ist im Bereich von 100 Ampere/m² bis 0 Ampere regelbar, wobei in einer Zelle mit 12 Elektrodenelementen eine Leistung von ca. 21 Ampere je Einzelelement erreicht wird.

Claims (11)

1. Elektrodenanordnung für elektrolytische Zwecke, insbesondere zur elektrolytischen Abscheidung von Metallen aus Metallionen enthaltender Flüssigkeit, bestehend aus einer in einem Rahmen aus elektrisch isolierendem, korrosionsbeständigem Kunststoff, mit parallelen Seitenteilen angeordneten plattenförmigen Anode, und dazu beidseitig im Abstand von der Anode angeordneten Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (12) aus flexiblem Material gebildet und an den im wesentlichen parallel geführten Seitenteilen (4, 5) des Rahmens (3) gehaltert ist, daß die beiden Enden wenigstens eines Seitenteils seitlich bewegbar gehaltert sind und daß die Anode (11) als federndes Blech ausgebildet ist, welches zur Spannung der flexiblen Kathode die Seitenteile auseinander drückt.

2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kathode (12) aus einem endlosen Band besteht.

3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder beide Seitenteile (4, 5) des Rahmens (3) mit einer Nut (13) versehen sind, in der ein Teil der flexiblen Kathode (12) mittels eines Stabes (14) mit elektrisch leitender Oberfläche elektrisch kontaktierend eingeklemmt ist.

4. Elektrodenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kathode (12) aus einem metallisierten Gewebe oder einer metallisierten Folie besteht.

5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe oder die Folie aus elektrisch nichtleitendem Kunststoff besteht.

6. Elektrodenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kathode (12) aus einer elektrisch leitenden Kunststoff-Folie besteht.

7. Elektrodenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kathode (12) Graphit- oder Kohlenstoff-Faser enthält.

8. Elektrodenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Kathode (12) aus einer Metall-Folie besteht.

9. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus Titan oder einer Titanbasislegierung besteht, welche mit einer Aktivierungsschicht versehen ist.

10. Elektrodenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) aus zwei Jochteilen und zwei Seitenteilen besteht, wobei letztere durch die Jochteile miteinander verbunden sind.

11. Verwendung der Elektrodenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 in einer Prozeßabwasser enthaltenden Metallrückgewinnungszelle als Abscheidevorrichtung für Metallionen aus dem Prozeßabwasser.