DE4438124A1 - Highly flexible gas electrolysis and reaction system with modular construction - Google Patents

Highly flexible gas electrolysis and reaction system with modular construction

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DE4438124A1
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Wolfgang Dr Thiele
Knut Wildner
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    • C25B11/036—Bipolar electrodes

Abstract

The gas lift electrolysis and reaction system consists of bipolar divided and/or undivided cells, 1-2.5 m high, gassing from at least one electrode. The system is of flexible construction and potentially wide range of applications. Electrode plates form anodic and cathodic half cells, with electrolyte inlets and outlets on the end faces. These are coupled with external separation and reactor systems. The electrode foundations are impregnated graphite, serving for anode and cathode. These may have applied metal or metal composite backplate electrodes, in electrical contact, on one or both sides. Alternatively the foundations may be plastic with metal, graphite or metal composite electrodes, on both sides, linked by contacts. Also claimed is a further system.

Description

Die Erfindung beinhaltet Elektrolyse- und Reaktionssysteme, die eine breite Anwendung zur Herstel­ lung von Produkten sowie zum Abbau von Schadstoffen und zur Rückgewinnung von Wertstoffen ermöglichen, wenn dabei an mindestens einer Elektrode Gase entwickelt werden. Ihnen ist deshalb gemeinsam, daß die entwickelten Gase zur Erzielung einer günstigen Zellspannung möglichst schnell aus dem Elektrodenzwischenraum entfernt werden müssen, sie aber auch im Sinne einer Mammutpumpe zur Förderung und hydrodynamischen Kopplung von Elektrolytströmen verwendet werden können.The invention includes electrolysis and reaction systems that are widely used to manufacture development of products as well as the removal of pollutants and the recovery of valuable materials allow if gases are developed on at least one electrode. To you that's why common that the gases developed to achieve a favorable cell voltage if possible must be quickly removed from the gap between the electrodes, but also in the sense of a Mammoth pump used for pumping and hydrodynamic coupling of electrolyte flows can be.

Die diesem Zweck dienenden Gas-Lift-Zellen wurden in verschiedenen konstruktiven Lösungen für unterschiedliche Anwendungen bereits vorgeschlagen, wobei Konstruktion und Materialauswahl vor­ zugsweise auf den jeweiligen konkreten Anwendungsfall zugeschnitten wurden. Gemeinsam sind die ihnen zugrundeliegenden bekannten verfahrenstechnischen Prinzipien zur Erzielung eines für den Gas-Lift ausreichend großen Auftriebes durch die entwickelten Gase. Der damit bei ausreichend ho­ her Gasbildungsdichte erzeugte Auftrieb wird vorwiegend dazu genutzt, eine stationäre Umlaufströ­ mung zwischen den Elektrodenzwischenräumen und den innerhalb oder außerhalb der Zellen ange­ ordneten Rückströmkanälen zum Zwecke der Minimierung des Spannungsabfalls zu realisieren (z. B. DD 99 548, DE 42 11 555). Auch die hydrodynamische Kopplung mit außenliegenden Reaktoren und/oder Trennvorrichtungen ist für konkrete Anwendungsfälle bereits bekannt. So wurde z. B. in der DE 41 37 022 vorgeschlagen, den Auftrieb der entwickelten Gase dazu auszunutzen, kathodisch in Pulverform abgeschiedene Metalle zusammen mit dem Gas-Flüssigkeitsstrom aus den Kathoden­ räumen auszutragen und abzutrennen.The gas lift cells used for this purpose were used in various constructive solutions Different applications have already been proposed, with design and choice of materials were tailored to the respective specific application. Are common the known procedural principles on which they are based in order to achieve one for the Gas lift of sufficiently large buoyancy due to the gases developed. The so with sufficient ho The buoyancy generated by gas formation density is mainly used to create a steady circulation flow between the electrode gaps and those inside or outside the cells orderly arranged return flow channels for the purpose of minimizing the voltage drop (e.g. DD 99 548, DE 42 11 555). Also the hydrodynamic coupling with external reactors and / or separation devices are already known for specific applications. So z. B. in the DE 41 37 022 proposed to use the buoyancy of the developed gases to cathodically in Metals in powder form together with the gas-liquid flow from the cathodes clear out and separate.

Aber diese Anwendungen blieben bisher zugeschnitten auf bestimmte Anwendungsgebiete wie z. B. die Peroxodisulfat-Elektrolyse, für die ausgereifte und seit vielen Jahren genutzte und vervollkomm­ nete Elektrolyseurkonstruktionen mit integriertem Gas-Lift vorliegen. Eine breitere Anwendung bei der Herstellung von Elektrolyseprodukten, bei der Schadstoffentgiftung und bei der Rückgewinnung von Metallen und anderen Wertstoffen im Rahmen von Recyclingprozessen scheiterte bislang am Fehlen einer geeigneten, und leicht an die spezifischen Erfordernisse des betreffenden Prozesses anpaßbaren Elektrolysetechnik. Insbesondere bei kleintonnagischen Produktionen und bei Anwen­ dungen im Umweltschutz sowie beim Metallrecycling mußte ein unvertretbar hoher Entwicklungsauf­ wand in Kauf genommen werden, um für jeden Prozeß die geeignete, speziell angepaßte Elektro­ lyse- und Reaktionstechnik unter Nutzung des Gas-Lift-Prinzips zu entwickeln.But these applications have so far remained tailored to certain areas of application, such as. B. Peroxodisulfate electrolysis, for which mature and used and perfecting for many years There are electrolyser designs with an integrated gas lift. A wider application in the production of electrolysis products, pollutant detoxification and recovery of metals and other valuable materials in the context of recycling processes has so far failed on Lack of an appropriate, and easily adapted to the specific requirements of the process in question customizable electrolysis technology. Especially for small tonnage productions and for users Environmental protection and metal recycling had an unacceptably high level of development must be accepted in order to have the appropriate, specially adapted electrical system for each process To develop lysis and reaction technology using the gas lift principle.

Ein weiterer Nachteil der bisherigen speziellen Gas-Lift-Zellen liegt in der ungenügenden Kombinier­ barkeit unterschiedlicher Verfahrensschritte in einer Zelle bzw. unter Einbeziehung nachgeschalteter Reaktorsysteme. So erforderte die anodische Oxidation von Schadstoffen und die kathodische Me­ tallrückgewinnung vorwiegend getrennte Zellen. Auch Salzspaltungen, An- und Abreicherungspro­ zesse durch Elektrodialyse in Kobination mit elektrochemischen Elektrodenreaktionen erforderten meist getrennte Elektrolyse- und Reaktionstechnik mit zusätzlichen Förder- und Trennoperationen zwischen den einzelnen Teilschritten, beispielsweise Kombinationen von mehreren Elektrolysezellen und/oder von Elektrolyse- und Elektrodialysezellen.Another disadvantage of the previous special gas lift cells is the insufficient combination Availability of different process steps in a cell or including downstream ones Reactor systems. So the anodic oxidation of pollutants and the cathodic measurement required  metal recovery mainly separate cells. Also salt splits, enrichment and depletion pro processes by electrodialysis in combination with electrochemical electrode reactions mostly separate electrolysis and reaction technology with additional conveying and separation operations between the individual sub-steps, for example combinations of several electrolysis cells and / or of electrolysis and electrodialysis cells.

Der in den Patentansprüchen dargelegten Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein leicht kombi­ nier- und optimierbares Elektrolyse- und Reaktionssystem bereitzustellen, welches sich für eine Viel­ zahl von unterschiedlichen Anwendungen eignet und ohne besonderen Aufwand an die jeweilige spezielle Aufgabenstellung anpaßbar ist.The invention set out in the claims is based on the problem, a slightly combi Provide kidney and optimizable electrolysis and reaction system, which is for a lot Suitable for a number of different applications and without any special effort for the respective special task is customizable.

Dieses Problem wird, wie in den Ansprüchen 1 bis 13 angegeben, dadurch gelöst, daß bei gleichen Grundabmessungen der bipolaren Elektrodenplatten deren Ausgestaltung mit unterschiedlichen Elektroden, Elektrolytrahmen und deren Kopplung mit äußeren Trenn- und Reaktorsystemen in nahe­ zu beliebiger Weise eine Anpassung an den gewünschten Prozeß sowie die Realisierung verschie­ dener Verfahrensschritte innerhalb eines Elektrolyse- und Reaktorsystems unter weitgehender Nut­ zung des Gas-Lift-Prinzips ermöglicht.This problem is, as stated in claims 1 to 13, solved in that the same Basic dimensions of the bipolar electrode plates with different designs Electrodes, electrolyte frames and their coupling with external separation and reactor systems in close proximity any adjustment to the desired process and implementation whose process steps within an electrolysis and reactor system with an extensive groove enables the gas-lift principle.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt einer Vielzahl speziel­ ler Zellenkonstruktionen für unterschiedliche Anwendungen es durch Variation einer begrenzten An­ zahl von Baugruppen, Materialien und hydrodynamischen Schaltungen schnell und mit relativ gerin­ gem Aufwand möglich ist, vielfältige Aufgabenstellungen der chemischen und pharmazeutischen In­ dustrie sowie der Umwelttechnik, insbesondere des produktionsintegrierten Umweltschutzes, zu be­ arbeiten und zu lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß die unter­ schiedlich aufgebauten einzelnen Elektrodenplatten bzw. die äußeren Trenn- und Reaktorsysteme in vielfältiger Weise kombinierbar sind und so auch innerhalb einer Bipolarzelle unterschiedliche Ver­ fahrensstufen aufgebaut und mittels Gas-Lift miteinander gekoppelt werden können.The advantages achieved by the invention are in particular that instead of a variety of special cell designs for different applications by varying a limited number Number of assemblies, materials and hydrodynamic circuits quickly and with relatively little it is possible to do a variety of chemical and pharmaceutical tasks industry as well as environmental technology, in particular environmental protection integrated into production work and solve. Advantageous embodiments of the invention consist in that the under differently constructed individual electrode plates or the outer separation and reactor systems in can be combined in many ways and thus different ver also within a bipolar cell levels and can be coupled with each other using a gas lift.

Eine wesentliche Voraussetzung für eine maximale Förderung mittels der entwickelten Gase ist ne­ ben der Elektrodenhöhe auch die Aufteilung der spaltförmigen Elektrolyträume in senkrechte, parallel durchströmte Kanäle. Dem kann Rechnung getragen werden durch Einsatz von senkrechten Ab­ standsstreifen aus nichtleitendem Material, aber auch durch Verwendung profilierter Elektroden, meist in Form senkrechter, unterschiedlich geformter Rippen. In beiden Fällen können diese Ab­ standshalter auch die Ionenaustauschermembranen unterstützen und entsprechend positionieren.An essential prerequisite for maximum promotion using the gases developed is ne Ben the electrode height also the division of the gap-shaped electrolyte spaces into vertical, parallel flowed through channels. This can be taken into account by using vertical ab Standing strips made of non-conductive material, but also by using profiled electrodes, mostly in the form of vertical, differently shaped ribs. In both cases, this Ab stands also support and position the ion exchange membranes accordingly.

Die verwendeten Elektroden, wenn nicht selbst der Graphitgrundkörper als Elektrodenmaterial geeig­ net ist, können einseitig oder beidseitig als Bleche eingesetzt werden, wodurch der Graphitgrundkör­ per bei entsprechender Ausgestaltung der Zu- und Abführungsleitungen völlig vom Elektrolyten abge­ grenzt ist. Bei Verwendung von Verbundelektroden ist oft eine Anodenisolierplatte zwischen der nicht die gesamte Fläche des Elektrodengrundkörpers sicher abdeckenden Elektrode erforderlich, z. B. bei Verwendung von dünnen Edelmetallstreifen auf Unterlagen aus Tantal- oder Titanfolien.The electrodes used, if not the graphite base itself, are suitable as electrode material net, can be used on one side or on both sides as sheets, whereby the graphite base body by with the appropriate design of the supply and discharge lines completely abge from the electrolyte is bordered. When using composite electrodes, there is often an anode insulating plate between them  the entire surface of the electrode body securely covering electrode required, for. B. at Use of thin strips of precious metal on substrates made of tantalum or titanium foils.

Als Elektrodenmaterialien können im Prinzip alle Metalle verwendet werden, die als Bleche oder Fo­ lien zugänglich sind. Bevorzugt als Anoden werden aber die Ventilmetalle Titan, Tantal und Niob, entweder mit glatten Edelmetallfolien beschichtet oder mit hoch porösen Aktivschichten aus Edelme­ tallen, Edelmetalloxiden oder aus Mischoxiden, gebildet aus Oxiden der Edelmetalle und Oxiden von Metallen der IV. bis VI. Nebengruppe sowie aus Bleidioxid, Nickel oder Edelstählen verwendet. Be­ vorzugte Kathodenmaterialien sind Nickel, Edelstähle, Eisen, Blei oder dotiertes Zinndioxid.In principle, all metals can be used as electrode materials that are used as sheets or fo lien are accessible. However, the valve metals titanium, tantalum and niobium are preferred as anodes, either coated with smooth precious metal foils or with highly porous active layers from Edelme tallen, precious metal oxides or mixed oxides, formed from oxides of precious metals and oxides of Metals from IV. To VI. Sub group as well as lead dioxide, nickel or stainless steels used. Be preferred cathode materials are nickel, stainless steels, iron, lead or doped tin dioxide.

Von größter Bedeutung ist die Kontaktierung zwischen den Elektrodenmaterialien und den Elektro­ dengrundkörpern aus imprägniertem Graphit bzw. zwischen den Elektrodenmaterialien und Kon­ taktelementen bei Verwendung von Elektrodengrundkörpern aus nichtleitenden Materialien. Bewährt haben sich innerhalb der seitlichen Dichtflächen angeordnete Kontaktflächen, bei denen die Kontak­ tierung durch den Anpreßdruck beim Zusammenbau erfolgt. Bei Verwendung von Elektrodenmate­ rialien, die sich bei längerem Gebrauch mit weniger gut leitenden Schichten, beispielsweise mit Oxi­ den überziehen,. ist die Belegung der Kontaktflächen mit Kupfer, Silber oder Edelmetallen günstig (Metallfolien oder durch Galvanisieren, Bedampfen oder andere geeignete Verfahren aufgetragene dünne Schichten). Bei Verwendung von Elektrodengrundkörpern aus nichtleitendem Material ist auch eine Kontaktierung der anoden- und kathodenseitig aufgebrachten Elektroden mittels außerhalb der Grundkörper angebrachter Schraubverbindungen, die unabhängig vom Anpreßdruck beim Zusam­ menbau wirksam sind, möglich.The contact between the electrode materials and the electrical is of utmost importance the basic bodies made of impregnated graphite or between the electrode materials and con Clock elements when using electrode bodies made of non-conductive materials. Proven have contact surfaces arranged within the lateral sealing surfaces, in which the contact tion by the contact pressure during assembly. When using electrode mat rialien, with prolonged use with less conductive layers, for example with Oxi the overdraw. the contact areas with copper, silver or precious metals are favorable (Metal foils or applied by electroplating, vapor deposition or other suitable processes thin layers). When using electrode bodies made of non-conductive material is also contacting the electrodes applied on the anode and cathode sides by means of outside Basic body of attached screw connections that are independent of the contact pressure when together effective, possible.

Wenn auch der Gas-Lift vorrangig zur Förderung der Elektrolysemedien eingesetzt wird, so kann er doch in bestimmten Anwendungsfällen allein nicht ausreichen. Eine Unterstützung durch Umlauf­ pumpen kann beispielsweise bei der Umlaufförderung einer Suspension von Metall- bzw. Katalysa­ torpartikeln erforderlich werden. Dies kann ständig, in vorgegebenen zeitlichen Intervallen oder nur bei Bedarf, wenn z. B. die Förderleistung durch Ablagerung von Feststoffpartikeln in den Elektroly­ seräumen unter einen vorgegebenen Grenzwert absinkt, erfolgen. Aber auch eine Verstärkung des Gas-Liftes durch das Anbringen von Steigleitungen für das Gas-Flüssigkeitsgemisch zwischen Elek­ trolysezellenaustritt und äußeren Trenn- und Rückströmsystemen kann sich günstig auswirken.If the gas lift is primarily used to promote the electrolysis media, it can but not enough in certain applications. A support through circulation can pump, for example, when circulating a suspension of metal or catalytic converter gate particles are required. This can be constant, at predetermined time intervals or just if necessary, e.g. B. the delivery rate by depositing solid particles in the electroly spaces fall below a predetermined limit. But also a reinforcement of the Gas lifts by installing risers for the gas-liquid mixture between elec Trolysis cell outlet and external separation and backflow systems can have a favorable effect.

Um die Stromwärme abführen zu können bzw. um die Elektroden- bzw. nachgeschaltete chemische Reaktion bei vorgegebener Temperatur durchführen zu können, werden Wärmeaustauscher vor­ zugsweise entweder in die Elektrodengrundkörper, oder in die äußeren Trenn- und Reaktorsysteme integriert. Auch Regeneratoren zur Vorwärmung der eintretenden und Kühlung der austretenden Elektrolysemedien sind in solchen Anwendungsfällen, in denen eine thermische Aktivierung erforder­ lich ist, von Vorteil. Aber auch eine Aktivierung mittels Mikrowelle, UV-Strahlern oder Ultraschallge­ neratoren ist für spezielle Anwendungen vorteilhaft. Die entsprechenden Generatoren können in die äußeren Reaktoren integriert oder direkt am Zellenaustritt positioniert werden. Bei katalytischer Akti­ vierung kann ein Festbettkatalysator in das Reaktionssystem integriert werden oder eine Katalysator­ suspension wird innerhalb der Elektrolytkreisläufe zur Anwendung gebracht.In order to be able to dissipate the current heat or to remove the electrodes or the downstream chemical ones To be able to carry out the reaction at a given temperature, heat exchangers are required preferably either in the electrode base, or in the outer separation and reactor systems integrated. Also regenerators for preheating the incoming and cooling the outgoing Electrolysis media are used in those applications where thermal activation is required is an advantage. But also activation using a microwave, UV lamps or ultrasound Generators are advantageous for special applications. The corresponding generators can be in the  external reactors can be integrated or positioned directly at the cell outlet. With catalytic acti A fixed bed catalyst or a catalyst can be integrated into the reaction system suspension is used within the electrolyte circuits.

AusführungsbeispieleEmbodiments

Das der Erfindung zugrundeliegende Aufbauprinzip und dessen Variationsmöglichkeit soll anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt Querschnitte durch mehrere bipolare Elektro­ denplatten, bei denen die jeweiligen anodischen oder kathodischen Halbzellen hinsichtlich ihrer kon­ struktiven Gestaltung im Hinblick auf die Verwendung verschiedener Elektrodenmaterialien und einer unterschiedlichen Anzahl der Elektrolyträumen zur Ausbildung von Ein-, Zwei- und Mehrkammerzellen variiert wurde. Fig. 2 zeigt schematisch die verschiedenen Varianten der Kopplung mit äußeren Trenn- und Reaktorsystemen.The construction principle on which the invention is based and its possible variation will be explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 2. Fig. 1 shows cross sections through several bipolar electrode plates, in which the respective anodic or cathodic half cells with respect to their con structive design with regard to the use of different electrode materials and a different number of electrolyte spaces was varied to form one, two and multi-chamber cells. Fig. 2 shows schematically the different variants of the coupling with external separation and reactor systems.

Beispiel 1example 1

Fig. 1 zeigt das Aufbauprinzip anhand eines aus vier bipolare Elektrodenplatten (A bis D) bestehen­ den Ausschnittes aus einer Bipolarzelle. Dargestellt ist ein Querschnitt im Bereich der elektro­ chemisch-wirksamen Bereiche, wobei zur Vereinfachung auf Kühlkanäle, Dichtungen sowie Ein- und Austritte verzichtet wurde. Die von den vier Elektrodenplatten ausgebildeten drei Einzelzellen wurden hinsichtlich der anodischen und kathodischen Halbzellen in der Weise zusammengestellt, daß die wichtigsten im Anspruch 1 enthaltenen konstruktiven Varianten entweder auf der Anodenseite, oder auf der Kathodenseite enthalten sind. Dies betrifft sowohl die Verwendung der beiden Varianten der Elektrodengrundkörper aus imprägnierten Graphit oder aus Kunststoffen, als auch die Anordnung von unterschiedlichen Elektroden (glatt und profiliert, Bleche und Folien) sowie eine unterschiedliche Anzahl von Elektrolyträumen (Ein-, Zwei- und Dreikammerzelle). Fig. 1 shows the construction principle on the basis of a bipolar cell consisting of four bipolar electrode plates (A to D). A cross section is shown in the area of the electrochemically active areas, with cooling channels, seals and inlets and outlets being dispensed with for simplification. The three individual cells formed by the four electrode plates were put together with respect to the anodic and cathodic half cells in such a way that the most important structural variants contained in claim 1 are contained either on the anode side or on the cathode side. This applies both to the use of the two variants of the electrode base made of impregnated graphite or plastic, as well as the arrangement of different electrodes (smooth and profiled, sheets and foils) and a different number of electrolyte compartments (one, two and three chamber cells).

Die bipolare Elektrodenplatte A besteht aus einem Elektrodengrundkörper 1 aus imprägnierten Gra­ phit, der gleichzeitig als Anode (profiliert) und Kathode (glatt) dient. Die Elektrodenplatte B besteht aus einem Elektrodengrundkörper aus einem nichtleitenden Material 3 mit Kontaktelementen 7, wel­ che den elektrischen Kontakt zwischen der anodisch angeordneten glatten Metallelektrode 6 und der kathodischen profilierten Graphitelektrode 8 herstellen. Mit dem Elektrolytrahmen 4 und den Ab­ standshaltern 5 wird durch die Elektrodenplatten A und B eine ungeteilte Einzelzelle aufgebaut. Die Elektrodenplatte C besteht wieder aus einem Elektrodengrundkörper aus imprägniertem Graphit 2 mit anodisch eingelassener Kunststoffisolierplatte 11 und darauf angeordneter Metallverbund-Folien­ elektrode 10 (z. B. senkrechte Platinstreifen auf Tantalfolie aufgeschweißt). Kathodisch ist eine pro­ filierte Metallblechelektrode eingelassen. Mit den beiden zwischen den Elektrodenplatten B und C angeordneten Elektrolytrahmen 4, den beiden Ionenaustauschermembranen 9 und den Abstandshal­ tern 5 wird eine geteilte Zweikammerzelle ausgebildet. Die Membranen werden anodenseitig durch die Abstandshalter und kathodenseitig durch die Graphitrippen gehaltert bzw. zentriert. Die Elektro­ denplatte D besteht wiederum aus einem Grundkörper 1 aus imprägniertem Graphit, der gleichzeitig als Anode (profiliert) und Kathode (glatt) wirkt. Mit den in das Graphit eingearbeiteten Anodenräumen (in Form senkrechter Strömungskanäle), den beiden Elektrolytrahmen 4 und den beiden Ionenaus­ tauschermembranen 9 wird durch die Elektrodenplatten C und D eine Dreikammerzelle ausgebildet. Der Positionierung der Membranen dienen die Rippen auf den beiden Elektroden sowie ein in die Mittelkammer eingelegter Spacer 13.The bipolar electrode plate A consists of an electrode base 1 made of impregnated Gra phit, which serves as an anode (profiled) and cathode (smooth) at the same time. The electrode plate B consists of an electrode base made of a non-conductive material 3 with contact elements 7 , which provide the electrical contact between the anodically arranged smooth metal electrode 6 and the cathodic profiled graphite electrode 8 . With the electrolyte frame 4 and the spacers 5 , an undivided single cell is built up by the electrode plates A and B. The electrode plate C again consists of an electrode base made of impregnated graphite 2 with anodically embedded plastic insulating plate 11 and metal composite foil electrode 10 arranged thereon (e.g. vertical platinum strips welded onto tantalum foil). A per sheet metal plate electrode is embedded cathodically. With the two between the electrode plates B and C arranged electrolyte frame 4 , the two ion exchange membranes 9 and the spacers 5 a divided two-chamber cell is formed. The membranes are held or centered on the anode side by the spacers and on the cathode side by the graphite ribs. The electric denplatte D in turn consists of a base body 1 made of impregnated graphite, which acts simultaneously as an anode (profiled) and cathode (smooth). With the anode spaces worked into the graphite (in the form of vertical flow channels), the two electrolyte frames 4 and the two ion exchange membranes 9 , a three-chamber cell is formed by the electrode plates C and D. The ribs on the two electrodes and a spacer 13 inserted into the middle chamber serve to position the membranes.

Beispiel 2Example 2

In Fig. 2 sind jeweils drei geteilte, bipolar geschaltete Einzelzellen dargestellt. Die betreffende Schal­ tungsvariante wird lediglich am Beispiel einer Elektrolytlösung, Anolyt oder Katholyt, dargestellt. Die einzelnen Figuren zeigen:In Fig. 2 three divided, bipolar switched individual cells are shown. The relevant circuit variant is only shown using the example of an electrolyte solution, anolyte or catholyte. The individual figures show:

  • A. Äußere Trennvorrichtung Gas-Flüssig mit Gasaustrag und Austrag der Flüssigkeit oder einer Flüssigkeit mit suspendierten Feststoffanteilen.A. External separation device gas-liquid with gas discharge and discharge of the liquid or one Liquid with suspended solids.
  • B. Wie A, jedoch mit Rückführung der abgetrennten Flüssigkeit bzw. der Flüssigkeit mit suspen­ dierten Feststoffanteilen (Gas-Lift-Umlaufförderung).B. As A, but with return of the separated liquid or the liquid with suspen dated solids (gas lift circulation).
  • C. Trennvorrichtung Gas-Flüssig-Fest mit separatem Austrag der getrennten Phasen, jedoch ohne Umlaufförderung.C. Separation device gas-liquid-solid with separate discharge of the separated phases, however without circulation funding.
  • D. Trennvorrichtung Gas-Flüssig-Fest wie unter C, jedoch mit Flüssigkeitsrückführung.D. Gas-liquid-solid separator as under C, but with liquid return.
  • E. Nachgeschalteter Einkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung sowie mit Gas- und Flüssigkeitsaustrag, aber ohne Flüssigkeitsrückführung. Die hier beispielsweise dargestellte Reaktorvariante kann in beliebiger Weise durch andere Reaktoren ersetzt werden.E. Downstream single-chamber reactor with integrated gas separation and with gas and Liquid discharge, but without liquid return. The one shown here, for example The reactor variant can be replaced in any way by other reactors.
  • F. Wie unter E., jedoch mit Rückführung der Flüssigkeit oder eines Flüssigkeits-Feststoffgemi­ sches.F. As under E., but with recirculation of the liquid or a liquid-solid mixture nice.
  • G. Einkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung und Rückführung eines Flüssigkeits-Fest­ stoff-Gemisches, jedoch im Gegensatz zu F nur mit Austrag von Gas und Flüssigkeit. Der Feststoff, z. B. ein suspendierter Katalysator, verbleibt im umlaufenden Elektrolyten. Die Flüs­ sigkeit wird über ein integriertes Filter ausgekreist.G. Single chamber reactor with integrated gas separation and return of a liquid solid mixture of substances, but in contrast to F only with discharge of gas and liquid. Of the Solid, e.g. B. a suspended catalyst remains in the circulating electrolyte. The rivers liquid is removed via an integrated filter.
  • H. Mehrkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung und Flüssigkeitsrückführung von den Reaktorkammern zu den zugeordneten Elektrolyträumen. Die Gase treten aus allen Kammern nach oben aus. Die Flüssigkeit wird durch Überströmöffnungen durch die einzelnen Kammern geleitet und tritt aus der letzten Kammer aus. H. Multi-chamber reactor with integrated gas separation and liquid recirculation from the Reactor chambers to the assigned electrolyte rooms. The gases come from all chambers up out. The liquid is discharged through the individual chambers headed and exits the last chamber.  
  • I. Mehrkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung und Gasaustritt. Rückführung eines Flüs­ sigkeits-Feststoffgemisches aus den Reaktorkammern zu den zugeordneten Elektrolyträumen. Hydrodynamische Kopplung der einzelnen Kammern durch Überströmöffnungen am schräg angeordneten Reaktorboden. Austritt eines Flüssigkeits-Feststoffgemisches aus der letzten Kammer.I. Multi-chamber reactor with integrated gas separation and gas outlet. Return of a river liquid-solid mixture from the reactor chambers to the assigned electrolyte spaces. Hydrodynamic coupling of the individual chambers through overflow openings at an angle arranged reactor floor. A liquid / solid mixture emerges from the last one Chamber.
  • J. Mehrkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung und Gasaustritt. Rückführung eines Flüs­ sigkeits-Feststoffgemisches aus den Reaktorkammern zu den zugeordneten Elektrolyträumen. Hydrodynamische Kopplung der einzelnen Kammern durch Überströmöffnungen am schräg angeordneten Boden. Feststoffabtrennung und separater Austritt von Flüssigkeit und Feststoff.J. Multi-chamber reactor with integrated gas separation and gas outlet. Return of a river liquid-solid mixture from the reactor chambers to the assigned electrolyte spaces. Hydrodynamic coupling of the individual chambers through overflow openings at an angle arranged floor. Solid separation and separate discharge of liquid and solid.

Claims (15)

1. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme, bestehend aus dem Verwendungszweck ent­ sprechend kombinierten bipolaren geteilten und/oder ungeteilten Elektrolysezellen von 1 bis 2,5 m Höhe, ausgelegt für Gasentwicklung an mindestens einer Elektrode, deren bipolare Elektrodenplatten aus Elektrodengrundkörpern mit beidseitig aufgebrachten oder eingearbeite­ ten anodischen und kathodischen Halbzellen aufgebaut sind, deren an den Stirnseiten der Elektrodengrundkörper herausgeführte Ein- und Austritte für die Elektrolysemedien mit äuße­ ren Trenn- und Reaktorsystemen gekoppelt sind,
wobei der Elektrodengrundkörper:
  • - aus imprägniertem Graphit, der gleichzeitig als Anode und Kathode dient,
  • - aus imprägniertem Graphit, der gleichzeitig als Anode oder Kathode dient und auf dem, elektrisch leitend mit ihm verbunden, als Gegenelektrode eine Metall- oder Metallverbund­ elektrode aufgebracht ist,
  • - aus imprägniertem Graphit, auf dem beidseitig, elektrisch leitend mit ihm verbunden, Elek­ troden aus Metall oder einem Metallverbund aufgebracht sind,
  • - aus Kunststoff, auf dem beidseitig, durch Kontaktelemente untereinander elektrisch leitend verbunden, Elektroden aus Metallen, Graphit oder einem Metallverbund aufgebracht sind,
1. Gas-lift electrolysis and reaction systems, consisting of the intended use combined bipolar divided and / or undivided electrolysis cells from 1 to 2.5 m in height, designed for gas development on at least one electrode, the bipolar electrode plates made of electrode base bodies with applied on both sides or built-in anodic and cathodic half-cells are constructed, the inlets and outlets of which are led out on the end faces of the electrode base body for the electrolysis media are coupled to external separation and reactor systems,
the electrode body:
  • - made of impregnated graphite, which serves as both anode and cathode,
  • impregnated graphite, which also serves as an anode or cathode and on which, in an electrically conductive manner, a metal or metal composite electrode is applied as a counter electrode,
  • - Made of impregnated graphite, on both sides, electrically connected to it, electrodes made of metal or a metal composite are applied,
  • made of plastic, on which electrodes made of metals, graphite or a metal composite are applied on both sides, in an electrically conductive manner by contact elements,
besteht und die Anzahl der auf den Elektrodengrundkörpern einseitig oder beidseitig aufge­ brachten oder eingearbeiteten Elektrolytrahmen, die untereinander durch Separatoren, vor­ zugsweise Ionenaustauschermembranen, abgegrenzt: sind und die mit getrennten Zu- und Abführungen für die Elektrolytlösung verbunden sind,
  • - Einkammerzellen als ungeteilte Zellen,
  • - Zweikammerzellen als geteilte Zellen,
  • - Dreikammerzellen als geteilte Zellen mit einer zusätzlichen Mittelkammer,
  • - Mehrkammerzellen als geteilte Zellen mit zwei und mehr zusätzlichen Mittelkammern
exists and the number of electrolyte frames applied or incorporated on one or both sides of the electrode base bodies, which are delimited from one another by separators, preferably ion exchange membranes: and which are connected to separate inlets and outlets for the electrolyte solution,
  • Single-chamber cells as undivided cells,
  • - bicameral cells as divided cells,
  • - three-chamber cells as divided cells with an additional middle chamber,
  • - Multi-chamber cells as divided cells with two and more additional middle chambers
ergeben und die Austritte sowie bei Flüssigkeitsrückführung zusätzlich die Eintritte der ver­ schiedenen Kammern einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt mit äußeren Trenn- und Re­ aktorsystemen verbunden sind, wie:
  • - Trennvorrichtung Gas-Flüssig mit Gas- und Flüssigkeitsaustrag
  • - Trennvorrichtung Gas-Flüssig mit Flüssigkeitsrückführung sowie Gas- und Flüssig­ keitsaustrag
  • - Trennvorrichtung Gas-Flüssig mit Gasaustrag und Austrag eines Feststoff- Flüssigkeits­ gemisches
  • - Trennvorrichtung Gas-Flüssig mit Gasaustrag, Rückführung und Austrag eines Feststoff- Flüssigkeitsgemisches
  • - Trennvorrichtung Gas-Fest-Flüssig mit Gas-, Flüssigkeits-, und Feststoffaustrag
  • - Trennvorrichtung Gas-Fest-Flüssig mit Flüssigkeitsrückführung sowie mit Gas-, Feststoff- und Flüssigkeitsaustrag
  • - Einkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung sowie Gas- und Flüssigkeitsaustrag
  • - Einkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung, Flüssigkeitsrückführung sowie mit Gas- und Flüssigkeitsaustrag
  • - Einkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung, Rückführung eines Flüssigkeits-Fest­ stoff-Gemisches sowie mit Gasaustrag und Austrag eines Flüssigkeits-Feststoff-Gemi­ sches
  • - Einkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung, Rückführung eines Flüssigkeits-Fest­ stoff-Gemisches sowie mit Gas- und Flüssigkeitsaustrag, letzterer über ein integriertes Fil­ ter
  • - Mehrkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung und Flüssigkeitsrückführung inner­ halb der Kammern sowie Überströmöffnungen zur hydrodynamischen Kopplung der Kammern untereinander, mit Gasaustrag sowie Flüssigkeitsaustrag aus der letzten Kammer
  • - Mehrkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung und Gasaustritt, Flüssigkeits- und Feststoffrückführung innerhalb der Kammern sowie Überströmöffnungen zur hydrodyna­ mischen Kopplung der Kammern untereinander, Austritt des Flüssigkeits- Feststoffgemi­ sches aus der letzten Kammer
  • - Mehrkammerreaktor mit integrierter Gasabscheidung und Gasaustritt, Flüssigkeits- und Feststoffrückführung innerhalb der Kammern sowie Überströmöffnungen zur hydrodyna­ mischen Kopplung der Kammern untereinander, Feststoffabtrennung in der letzten Kam­ mer und getrennter Austritt von Flüssigkeit und Feststoff.
and the outlets and, in the case of liquid recirculation, the inlets of the various chambers are connected individually or in groups to external separation and reactor systems, such as:
  • - Gas-liquid separator with gas and liquid discharge
  • - Gas-liquid separator with liquid recirculation and gas and liquid discharge
  • - Separator gas-liquid with gas discharge and discharge of a solid-liquid mixture
  • - Gas-liquid separator with gas discharge, return and discharge of a solid-liquid mixture
  • - Separation device gas-solid-liquid with gas, liquid and solid discharge
  • - Separation device gas-solid-liquid with liquid return as well as with gas, solid and liquid discharge
  • - Single-chamber reactor with integrated gas separation as well as gas and liquid discharge
  • - Single-chamber reactor with integrated gas separation, liquid recirculation and with gas and liquid discharge
  • - Single-chamber reactor with integrated gas separation, recirculation of a liquid-solid mixture and with gas discharge and discharge of a liquid-solid mixture
  • - Single-chamber reactor with integrated gas separation, return of a liquid-solid mixture as well as with gas and liquid discharge, the latter via an integrated filter
  • - Multi-chamber reactor with integrated gas separation and liquid return inside the chambers as well as overflow openings for hydrodynamic coupling of the chambers to one another, with gas discharge and liquid discharge from the last chamber
  • - Multi-chamber reactor with integrated gas separation and gas outlet, liquid and solids return within the chambers and overflow openings for hydrodynamic coupling of the chambers to one another, exit of the liquid-solid mixture from the last chamber
  • - Multi-chamber reactor with integrated gas separation and gas outlet, liquid and solid return within the chambers as well as overflow openings for hydrodynamic coupling of the chambers to one another, solid separation in the last chamber and separate outlet of liquid and solid.
2. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb einer Bipolarzelle einzelne oder in Gruppen zusammengefaßte bipolare Elektroden­ platten unterschiedlich aufgebaut sind und/oder mit unterschiedlichen äußeren Trenn- und Re­ aktorsystemen gekoppelt sind.2. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claim 1, characterized in that single or grouped bipolar electrodes within a bipolar cell plates are constructed differently and / or with different external separation and re actuator systems are coupled. 3. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß glatte Elektroden eingesetzt sind und zur Abstandshaltung und/oder die zur Ausbildung senkrechter Strömungskanäle dienenden Einbauten aus nichtleitenden Materia­ lien, vorzugsweise aus Kunststoffen bestehen.3. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 and 2, characterized in that smooth electrodes are used and for spacing and / or for Formation of vertical flow channels internals made of non-conductive materia lien, preferably made of plastics. 4. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Abstandshaltung und/oder zur Ausbildung senkrechter Strömungskanäle die Elektroden profiliert sind.4. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the spacing and / or the formation of vertical flow channels Electrodes are profiled. 5. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Metallelektroden aus glatten oder profilierten Blechen, beispielsweise aus Eisen, Edelstahl, Nickel, Blei, Titan oder Niob bestehen.5. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 4, characterized in that the metal electrodes made of smooth or profiled sheets, for example Iron, stainless steel, nickel, lead, titanium or niobium exist. 6. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß als Metallverbundelektroden vorzugsweise Bleche oder Folien aus den Ventilme­ tallen Titan, Tantal oder Niob eingesetzt sind, die im elektrochemisch wirksamen Bereich ganz oder teilweise mit Edelmetallfolien beschichtet sind.6. Gas-lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 5, characterized in that, as metal composite electrodes, preferably sheets or foils from the Ventilme tallen titanium, tantalum or niobium are used, the whole in the electrochemically effective range or partially coated with precious metal foils. 7. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß Wärmeaustauschflächen in die Elektrodengrundkörper und/oder in die äußeren Trenn- und Reaktorsysteme integriert sind.7. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 6, characterized in that heat exchange surfaces in the electrode base body and / or in the outer Separation and reactor systems are integrated. 8. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet da­ durch, daß in die Reaktionssysteme Festbettkatalysatoren, Mikrowelle-, UV- oder Ultraschall­ generatoren integriert sind.8. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 7, characterized there through that in the reaction systems fixed bed catalysts, microwave, UV or ultrasound generators are integrated. 9. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Kontaktierung zwischen dem imprägnierten Graphit bzw. den Kontaktele­ menten und den Metall- bzw. Metallverbundelektroden innerhalb der Elektrodengrundkörper durch den Anpreßdruck beim Zusammenbau erfolgt.9. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 8, characterized characterized in that the contact between the impregnated graphite or the Kontaktele elements and the metal or metal composite electrodes within the electrode base body by the contact pressure during assembly. 10. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß zur Kontaktierung zwischen den Metall- bzw. Metallverbundelektroden und den Kontaktelementen außerhalb der Elektrodengrundkörper Schraubverbindungen angebracht sind. 10. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 9, characterized characterized in that for contacting between the metal or metal composite electrodes and the Contact elements outside the electrode base screw connections attached are.   11. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß bei Verwendung von Elektrodengrundkörpern aus imprägniertem Graphit und Elektroden aus Metallen oder Metallverbunden das graphitische Material durch Isolierplatten aus Kunststoffen zwischen dem Elektrodengrundkörper und den Elektroden sowie durch ein­ gearbeitete Kunststoffbauteile oder flüssigkeitsdicht mit den Elektroden verbundene Zuführun­ gen aus den verwendeten Elektrodenmaterialien geschützt sind.11. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 10, characterized characterized in that when using electrode base bodies made of impregnated graphite and Electrodes made of metal or metal composites the graphitic material through insulating plates made of plastics between the electrode base body and the electrodes and by a machined plastic components or liquid-tight supply connected to the electrodes are protected from the electrode materials used. 12. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß Umlaufpumpen angeordnet sind, die den Gas-Lift ständig oder in vorgegebenen zeitlichen Intervallen oder im Bedarfsfall unterstützen.12. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 11, characterized characterized in that circulation pumps are arranged, the gas lift constantly or in predetermined support time intervals or if necessary. 13. Gas-Lift-Elektrolyse- und Reaktionssysteme nach den Ansprüchen 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß Steigleitungen zwischen Elektrolysezelle und den äußeren Trenn- und Reakti­ onssystemen angebracht sind, die den Gas-Lift unterstützen.13. Gas lift electrolysis and reaction systems according to claims 1 to 12, characterized in that risers between the electrolysis cell and the outer separation and reacti on systems that support the gas lift.
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