DE4417744C1 - Verfahren zur Herstellung stabiler Graphitkathoden für die Salzsäureelektrolyse und deren Verwendung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung stabiler Graphitkathoden für die Salzsäureelektrolyse und deren VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung stabiler Graphitkathoden so
wie die Verwendung dieser Kathoden in der Salzsäureelektrolyse.
Der Prozeß der technischen Salzsäure-Elektrolyse ist in Ullmanns Encyclopedia of
Industrial Chemistry Vol A 6, Seite 459 (1986) beschrieben. Zwischen Elektroden
aus Graphit befindet sich in der Elektrolysezelle ein Gewebediaphragma oder eine
Kationenaustauschermembran (Minz, Chemie, Anlagen, Verfahren (1992) S. 77).
Durch Zugabe bestimmter Salze in den Katholyten, z. B. Salze von Pt, Pd, Cu, Ni,
Sb, Ag, Mo, Co kann die Zellenspannung herabgesetzt werden (DE-AS 12 16 852,
FR-A 1 208 508, DD 3 725).
In der betrieblichen Praxis werden Edelmetallverbindungen der Platingruppe dem
Elektrolyten zugesetzt und damit eine Spannungsabsenkung von 300 bis 500 mV
erreicht (Winnacker-Küchler, Chemische Technologie I S. 280 (1969)).
Derart hervorgerufene Spannungsabsenkungen sind allerdings nicht dauerhaft, so
daß eine Dosierung von Edelmetallsalzen kontinuierlich oder diskontinuierlich auf
rechterhalten werden muß (DE-AS 12 16 852).
Nach der üblichen Bauweise der Elektrolyseure für Salzsäure wird der Katholyt
gemeinsam mit Wasserstoffgas und der Anolyt gemeinsam mit Chlorgas am Kopf
der Zelle in dafür angebrachte Kanäle abgezogen. Danach wird eine Gas/Salz
säuretrennung vorgenommen und die Salzsäure wird wieder mit Chlorwasserstoff
gas aufgesättigt und in die Zelle zurückgeführt.
Es wird angenommen, daß mit den Elektrolyt-Gasgemischen auch Edelmetalle
oder gelöste Edelmetalle aus der Zelle ausgetragen werden und daß diese sich so
auf das gesamte System verteilen. Eine Rückgewinnung der Edelmetalle ist in der
Literatur für die Salzsäureelektrolyse nicht beschrieben . . Sie ist auch aus wirt
schaftlichen Gründen nicht vertretbar, weil sich die Edelmetalle im gesamten, den
Zellen nachgeschalteten Apparatesystem gleichmäßig verteilt ablagern.
In einer Publikation von Gallone und Messner, Electrochemical Technology 3
(1965) 321 bis 326, wird, um den Edelmetallverlust zu vermeiden, eine oberfläch
liche Behandlung der Graphitelektroden mit einer 80% Pt/20% Ir-Legierung er
wähnt, wobei diese Legierung in einer Menge von 12,4 g/m² aufgebracht
("deposited") wird. Diese Maßnahme wird von Gallone und Messner selbst als
"small advantage" bezeichnet. Die Methode der Beschichtung selbst ist nicht be
schrieben, auch ist nicht angegeben, ob die Beschichtung vor Einbau der
Elektroden oder - wie in der Praxis üblich - durch in-situ-Zugabe von Edelmetall
salzen während der Elektrolyse erfolgte.
In DD-3725 werden Spritzbeschichtungen und Aufdampfungen von Metallen auf
Graphit beschrieben, um die Spannung in der Zelle abzusenken. Die nur sehr be
grenzte Haltbarkeit wird darauf zurückgeführt, daß die Haftung der Metallkristalle
zu schlecht ist und diese zu leicht von der Oberfläche des Graphits abbrechen.
EP-A 205 631 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Graphitkörpern, die
als Kathode in der Elektrolyse benutzt werden, indem der Graphitkörper mit einer
Lösung eines Platinmetallsalzes und eines weiteren Metallsalzes in Alkohol an der
Oberfläche getränkt und anschließend auf 250 bis 600°C erhitzt wird. Als
bevorzugte Alkohole werden Ethanol, Propanol und Butanol genannt. Die
Temperaturbehandlung erfolgt derart, daß der Graphitkörper insgesamt auf die ge
nannten Temperaturen erhitzt wird. Während der Aufheizphase wird der Alkohol
teilweise verdampft, so daß er bei der Reaktion nicht mehr zur Verfügung steht.
Dem Ofen, in dem der Graphitkörper der Temperaturbehandlung ausgesetzt wird,
muß eine Abgasanlage nachgeschaltet werden, um die Oxidationsprodukte des
Alkohols abzubauen.
Aufgabe war es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden, insbesondere
für die Salzsäureelektrolyse zur Verfügung zu stellen, das es gestattet, stabile,
korrosionsfeste, abriebfeste Elektroden mit einer geringen Überspannung herzu
stellen, und das einfach und kostengünstig ist.
Diese Aufgabe konnte durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Graphitkathoden
für elektrolytische Prozesse, insbesondere für die HCl-Elektrolyse, wobei in die
Poren des Graphitkörpers vor dessen Einsatz als Kathode eine Lösung von
Iridiumsalzen oder Rhodiumsalzen oder von Gemischen aus Iridiumsalzen oder
Rhodiumsalzen mit Salzen der übrigen Metalle aus der Platingruppe bestehend aus
Platin, Palladium, Osmium und Ruthenium in ein- oder mehrwertigen Alkoholen
mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen oder in Gemischen aus ein- oder mehrwertigen
Alkoholen mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen eingebracht wird, anschließend
gegebenenfalls mit ein- oder mehrwertigen Alkoholen mit 2 bis 4 Kohlen
stoffatomen oder einem Gemisch aus ein- oder mehrwertigen Alkoholen mit 2 bis
4 Kohlenstoffatomen gespült wird, dann erhitzt wird und anschließend abgekühlt
wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der getränkte Graphitkörper mit
offenen Gasflammen an der mit der Lösung getränkten Oberfläche in einer Tiefe
bis zu etwa 1 mm auf Temperaturen zwischen 200 bis 450°C innerhalb von 2 bis
10 Minuten, vorzugsweise 4 bis 6 Minuten, erhitzt wird, wobei die Gasflammen
erst dann von oben senkrecht nach unten auf den getränkten Graphitkörper ein
wirken, wenn der gesamte getränkte Graphitkörper sich unterhalb der Gasflammen
befindet.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante ist, daß in die Poren des Graphitkörpers
Lösungen der oben genannten Salze oder der oben genannten Salzgemische in 1,2-
Ethandiol oder in Glyzerin eingebracht werden und gegebenenfalls mit 1,2-
Ethandiol oder Glyzerin gespült wird.
Nach dem Erhitzen mit den offenen Gasflammen und nach der Abkühlung kann
der Graphitkörper erneut mit reinen, ein- oder mehrwertigen Alkoholen mit 2 bis 4
Kohlenstoffatomen behandelt werden, danach erneut der Gasflammenbehandlung
ausgesetzt werden und dann abgekühlt werden.
Die genannten Edelmetalle bzw. Legierungen liegen bevorzugt in einer Menge von
5 bis 20 g/projizierte Fläche von 1 m² vor.
Bevorzugt werden die erfindungsgemäß hergestellten Graphitkathoden bei der
Elektrolyse von Salzsäure in Zellen mit Diaphragma oder Ionenaustauscher
membran verwendet.
Besonders bevorzugt wird bei der Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten
Graphitkathoden in der Elektrolyse von Salzsäure beim Stillstand der Elektrolyse
in den Zellen ein Mindeststrom von 0,1 bis 1,5 mA/cm², vorzugsweise von 0,5 bis
0,75 mA/cm², aufrecht erhalten.
Als Ausgangsmaterial werden auf dem Markt erhältliche Graphitkathoden, die aus
speziellem Elektrodengraphit (graphite for technical elektrolytic processes) be
stehen, verwendet, wie z. B. Graphit
der Qualität AC oder Graphit der Qualitäten ES
und EH. Derartige Graphitsorten weisen üblicherweise eine arteigene Porosität
(acc. pore volume) von 12 bis 18% auf, der spezifische Widerstand liegt bei 7,5
bis 12,5 Ω·mm²/m, und die scheinbare Dichte (bulk density) beträgt 1,70 bis
1,77 g/cm³. Der Elektrodengraphit wird über allgemein bekannte petrochemische,
keramische und Veredlungsstufen hergestellt, wobei die artspezifische poröse
Oberflächenstruktur entsteht.
Gegenüber dem Stand der Technik weisen die erfindungsgemäß hergestellten
Graphitkathoden eine hohe Korrosionsfestigkeit auf sowie eine außergewöhnlich
hohe Lebensdauer, wobei die Spannungserniedrigung über die gesamte Lebens
dauer bestehen bleibt. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr energie
günstig und einfach durchzuführen. Eine nachgeschaltete Abgasaufbereitungs
anlage ist nicht erforderlich.
Die in-situ-Beschichtung wie auch die galvanische Vorbeschichtung in neutralem
Medium nach dem Stand der Technik führen zu einer Elektrokristallisation der
Edelmetalle auf der äußeren Graphitoberfläche, wobei diese Kristallagglomerate
weder chemisch noch physikalisch mit dem Graphit verbunden sind, sondern nur
locker angelagert sind und daher leicht abbrechen. Zudem erfolgt bei der in-situ-
Beschichtung die Edelmetallabscheidung an bevorzugten Stellen der Graphitober
fläche, so daß es nicht zu einer gewünschten gleichmäßigen Verteilung des Edel
metalls kommt. Die Spritzbeschichtung nach dem Stand der Technik, bei
spielsweise mit Hilfe eines Plasmabrenners, führt zu einer Abdeckung der poren-
und spaltenreichen, großen Graphitoberfläche, so daß eine oberflächenarme
Kathode entsteht, und die Metallschicht platzt sehr leicht ab.
Anstelle der oberflächlichen Metallabscheidung auf Graphitkörpern gelang es mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren, Graphitkathoden herzustellen, in denen die
Metalle in den Poren und Spalten des Graphits fest verankert (verplombt) vor
liegen.
Die gesamte Erhitzungsdauer beträgt zudem nur 2 bis 10 Minuten, vorzugsweise 4
bis 6 Minuten, und als Abgas entstehen lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf.
Betrachtet man die Dimensionen technischer Elektrolyseure mit Graphitelektroden
von z. B. 1,50×0,35×0,07 m, wobei ein einzelner Elektrolyseur bereits aus über 100
derartiger Elektroden aufgebaut ist, so wird ersichtlich, welches Einsparungs
potential durch das erfindungsgemäße Verfahren gegeben ist.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durch
geführt werden kann. Die getränkte Elektrodenplatte aus Graphit 1 ist mit
Längsschlitzen 2 versehen und liegt auf einem Tisch 3 auf. Über der Platte 1 sind
Gasbrenner 4 angeordnet, die über Leitungen 5 mit brennbarem Gas (z. B.
Propan/Butan-Gemisch) versorgt werden. Im Gehäuse 6 sind Regel- und Sicher
heitseinrichtungen untergebracht. Der Gasdruck und der Abstand des Gasbrenner
von der Graphitplatte werden so eingestellt, daß die Gasflammen 7 die Graphit
oberfläche vollständig abdecken.
Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Fig. 1.
Vorteilhaft werden Brenner eingesetzt, die üblicherweise zum Aufbringen von
Bitumen-Schweißbahnen im Dachdeckerhandwerk verwendet werden.
Die Graphitplatte wird unter die Gasbrenner gelegt, bevor die Gasbrenner gezündet
werden.
Die Erfindung soll anhand des nachfolgenden Beispiels näher erläutert werden.
In einer Elektrolysezelle mit Diaphragma nach Fig. 3 mit unbeschichteten
Graphitelektroden mit den Maßen (110×73) mm² und einem internen Umpump
von 0,1 l/h in beiden Elektrodenräumen wurde Salzsäure elektrolysiert. 1 stellt das
Zellengehäuse aus Polypropylen dar. Die Kathode 2 und die Anode 3 sind mit
Stromzuführungsbolzen 4 in das Gehäuse eingedichtet. Beide Zellenhälften sind
durch ein Diaphragma (bzw. eine Kationenaustauschermembran) 5 getrennt. Der
Elektrolyt kann in beiden Zellenhälften unter Variation des Durchsatzes
umgepumpt 7 werden. Diesen Kreisläufen wird frische 30%ige Salzsäure 8 über
Pumpen 9 zugeführt. Durch die Gas/Flüssigkeitsabscheider 6 verlassen die Gase
10, 11 und die verarmten Elektrolyte 12 die Zelle. Mit einem Stromversor
gungsgerät wurde eine Stromdichte von 3 kA/m² eingestellt. Die sich einstellende
Zellenspannung wurde mit 2 Graphitspritzen, in der Zuführung jeweils isoliert in
den Vorderkanten der Elektroden abgegriffen.
Nach einer Einfahrperiode von 5 Tagen betrug die Zellenspannung 2,10 Volt.
Durch Zudosierung einer wäßrigen Metallsalzlösung mit einem Gehalt von 0,3 mg
Pt und 0,6 mg Pd fiel die Spannung sofort um ca. 0,4 Volt ab. Auf diesem Niveau
verblieb die Spannung über etwa 100 Tage und stieg dann wieder langsam auf den
ursprünglichen Wert vor der Dotierung an. Die Vergrößerung der
Elektrolytdurchsätze auf 35 l/h führte zu einem schnelleren Wiederanstieg der
Spannung nach der Zudosierung der Lösung auf den Wert vor der Dotierung
innerhalb von 1 bis 2 Tagen. Dadurch ergab sich eine mittlere Spannung von ca.
1,90 Volt (Start: 2,10 Volt; Abfall auf 1,70 V; Wiederanstieg auf 2,10 Volt).
0,236 g IrCl₄·H₂O (Gehalt ca. 50,9% Ir) wurden in 1,0 ml 1,2-Ethandiol gelöst.
Mit dem Pinsel wurde diese Lösung auf eine Graphitplatte mit Rillen (Fig. 1) und
mit den äußeren Maßen (110×73) mm² gleichmäßig aufgetragen. Nach einer Zeit
von etwa 5 Minuten (Zeit zum Eindringen der Lösung in die Poren des Graphits)
wurde die mit der Lösung getränkte Seite (spätere Kathodenseite in der
Elektrolyse) mit einer die gesamte Oberfläche überdeckenden Flamme etwa
6 Minuten lang erhitzt, wobei die Starttemperatur von 180°C innerhalb von
wenigen Sekunden erreicht wurde und eine Temperatur von 450°C nach 6 Minuten
erreicht war und wobei die Platte bereits vor Zünden der Flamme unterhalb des
Brenners angeordnet worden war. Nach Erkalten wurde die Platte erneut mit 1 ml
reinem 1,2-Ethandiol gleichmäßig eingestrichen und die beschriebene Erhitzung
wiederholt. Die Graphitplatte wurde in die Elektrolysezelle eingebaut. Bei
Elektrolytdurchsätzen von 0,1 bis 35 l/h stellte sich eine über mehrere Monate
gleichbleibende Zellenspannung von 1,55 Volt ein. Während der Elektrolyse lag
die Korrosionsrate bei 1 µg Ir/l Elektrolyt, im stromlosen Zustand bei 400 µg Ir/l
Elektrolyt.
0,118 g IrCl₄·H₂O und 0,150 g H₂PtCl₆·6H₂O wurden in 1,0 ml 1,2-Ethandiol
gelöst, und diese Lösung wurde auf eine Graphitplatte (110×73) mm² gleichmäßig
aufgetragen. Die weitere Behandlung entsprach der des Beispiels 2.
Die Graphitplatte wurde als Kathode in eine HCl-Elektrolysezelle mit Diaphragma
(Fig. 3) eingebaut. Bei Elektrolytdurchsätzen von 0,1 bis 35 l/h stellte sich eine
über mehrere Monate gleichbleibende Zellenspannung von 1,45 Volt ein. Während
der Elektrolyse lag die Korrosionsrate bei 1 µg Pt/l und 2 µg Ir/l Elektrolyt, im
stromlosen Zustand bei 18 000 µg Pt/l und 20 000 µg Ir/l.
0,31 g RhCl₃·H₂O (Gehalt ca. 0,12 g Rh) wurden in 1,0 ml 1,2-Ethandiol gelöst.
Nach Pinselauftrag auf eine Graphitplatte erfolgte die Plombierung von Rh-Metall
in den Poren des Graphits entsprechend Beispiel 2. Diese Platte als Kathode
eingesetzt führte über 10 Tage zu einer gleichbleibenden Zellenspannung von
1,67 Volt.
0,236 g IrCl₄·H₂O wurden in 2 ml Glycerin gelöst und die Lösung gleichmäßig
auf die Graphitplatte aufgetragen. Die Erhitzung erfolgte entsprechend Beispiel 2.
Es stellte sich eine Zellenspannung von 1,60 Volt ein. Die Korrosionsrate
entsprach der des Beispiels 2.
Bei 2 Zellen mit je einer Kathode gemäß Beispiel 2 und 3 wurde bei Außer
betriebssetzung ein Reststrom von 0,63 mA/cm² Kathodenoberfläche, entsprechend
einer Restspannung von 1,1 bis 1,2 Volt belassen. Die Korrosionsrate in der Zelle
mit der Ir-beschichteten Kathode betrug 2 µg Ir/l, in der mit der Pt-beschichteten
Kathode 6 µg Ir/l und 3 µg Pt/l.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von Graphitkathoden für elektolytische Prozesse,
insbesondere für die HCl-Elektrolyse, wobei in die Poren des Graphit
körpers vor dessen Einsatz als Kathode eine Lösung von Iridium- oder
Rhodiumsalzen oder Gemischen aus Iridium- oder Rhodiumsalzen mit
Salzen der übrigen Metalle aus der Platingruppe bestehend aus Platin,
Palladium, Osmium und Ruthenium in ein- oder mehrwertigen Alkoholen
mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen oder in Gemischen aus ein- oder
mehrwertigen Alkoholen mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen eingebracht wird,
anschließend gegebenenfalls mit ein- oder mehrwertigen Alkoholen mit 2
bis 4 Kohlenstoffatomen oder einem Gemisch aus ein- oder mehrwertigen
Alkoholen mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen gespült wird, dann erhitzt und
anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der getränkte
Graphitkörper mit offenen Gasflammen an der mit der Lösung getränkten
Oberfläche in einer Tiefe von bis zu 1 mm auf Temperaturen zwischen 200
und 450°C innerhalb von 2 bis 10 Minuten erhitzt wird, wobei die
Gasflammen erst dann von oben senkrecht nach unten auf den getränkten
Graphitkörper einwirken, wenn der gesamte getränkte Graphitkörper sich
unterhalb der Gasflammen befindet.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Poren
des Graphitkörpers eine Lösung von Iridium- oder Rhodiumsalzen oder
Gemischen aus Iridium- oder Rhodiumsalzen mit Salzen der übrigen
Metalle aus der Platingruppe bestehend aus Platin, Palladium, Osmium und
Ruthenium in 1,2-Ethandiol oder in Glycerin eingebracht wird und
gegebenenfalls mit 1,2-Ethandiol oder Glycerin gespült wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem
Erhitzen mit den offenen Gasflammen und der anschließenden Abkühlung
die Graphitkörper erneut mit reinen, ein- oder mehrwertigen Alkoholen
mit 2-4 Kohlenstoffatomen gespült werden und anschließend nochmals mit
den Gasflammen erhitzt und danach abgekühlt werden.
4. Verwendung der nach den Ansprüchen 1 bis 3 hergestellten Kathoden bei
der Elektrolyse von Salzsäure in Zellen mit Diaphragma oder Ionen
austauschermembran.
5. Verwendung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Still
stand der Elektrolyse in den Zellen ein Mindeststrom von 0,1 bis
1,5 mA/cm², vorzugsweise von 0,5 bis 0,75 mA/cm² aufrecht erhalten
wird.
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