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Herstellung von Diaphragmen für Einrichtungen zur Herstellung von
Sauerstoff und Wasserstoff Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Diaphragmen für Einrichtungen, die zur elektrolytischen Herstellung von Sauerstoff
und U'asserstoff durch Zerlegung von Wasser in einer alkalischen Lösung dienen und
bei denen das Diaphragma zwischen Anode und Kathode angeordnet ist.
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Die für diese Zwecke bisher benutzten Diaphragmen bestehen entweder
aus Asbestgeweben oder einem mit äußerst feinen Öffnungen versehenen Metallblech
aus elektrolvtischem Nickel oder aus Silber. Nur diese beiden Metalle widerstehen
der Einwirkung der siedenden alkalischen Stoffe. Alle diese Diaphragmen sind jedoch
außerordentlich kostspielig.
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Dieser Nachteil wird nach der Erfindung dadurch vermieden, daß auf
dem an sich gasdurchlässigen Träger des Diaphragmas durch Elektrolyse eines im Elektrolyten
fein verteilten Hydrogels eine für Gase undurchlässige Schicht abgeschieden wird.
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Man versteht unter Hydrogel jeden anorganischen oder organischen Körper,
der in dem Wasser oder einem anderen Elektrolyten bzw. Lösungsmittel fein suspendiert
ist, wobei seine Korngröße zwischen einem tausendstel und einem millionstel Millimeter
Durchmesser schwanken kann. Derartig fein suspendierte Körper besitzen die Eigenschaft,
unter der Einwirkung des Stromes ihre Lage in dem elektrischen Feld zu verändern.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei einem Verfahren zur elektrolytischen
Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff dem Elektrolyten Magnesiumhydroxyd zuzusetzen.
Dieses Magnesiumhydroxyd soll aber in dem Elektrolyten schwebend bleiben, damit
sich die Gasperlen zu größeren Blasen vereinigen und in der Nähe der Elektroden
emporsteigen. Die Trennung der Gase kann bei dem bekannten Verfahren durch Anordnung
eines gewöhnlichen Diaphragmas noch begünstigt werden. Demgegenüber soll beim Verfahren
nach der Erfindung das Hydrogel des kolloidalen Stoffes nicht in dem Elektrolyten
schwebend bleiben, sondern bei der Elektrolyse nach diesem Träger wandern, um sich
auf ihm abzusetzen. Der auf dem Träger aufgetragene bzw. niedergeschlagene Stoff
behält beim Erfindungsgegenstand seinen kolloidalen Zustand im Betriebe bei.
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Beim Verfahren nach der Erfindung ist gegenüber dem erwähnten bekannten
Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff auf einfache
Weise eine zuverlässigere Trennung der Gase erzielt, während der Durchtritt der
Flüssigkeit durch das Diaphragma infolge des bleibenden kolloidalen Zustandes des
niedergeschlagenen Stoffes nicht verhindert
wird. In dieser Hinsicht
unterscheidet sich das Verfahren nach der Erfindung: uch von bekannten, zur Elektrolyse
von Kochsalzlösungen bestimmten Verfahren, bei denen kolloidale Stoffe zwar zur
Herstellung eines Diaphragmas benutzt werden, aber das Diaphragma derartig ausgebildet
sein muß, daß es den Durchtritt der Flüssigkeit verhindert.
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Das nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte Diaphragma
ist für die während der Elektrolyse entwickelten Gase vollständig undurchlässig
und ohne große Kosten herstellbar, denn der zur Anfertigung des Diaphragmas verwendbare
Träger ist, da er mit verhältnismäßig großen Öffnungen versehen sein kann, billig
herstellbar, und auch die Beschaffung des Hydrogels ist mit geringen Kosten verbunden.
Der mit dem Verfahren erzielte Überzug ist infolge der Möglichkeit der Verwendung
eines > Metallgerüstes besonders haltbar und macht die Zerlegung des Wassers durch
Elektrolyse erst wirtschaftlich möglich.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Wasserstoff bei der
Herstellung von Sauer-; Stoff und Wasserstoff durch Elektrolyse in einer alkalischen
Lösung farblos, der Sauerstoff dagegen immer zusammen mit einem weißlichen Dampf
entweicht. Diese Erscheinung beruht darauf, daß sich bei der Elektrolyse des Wassers
zwei Vorgänge gleichzeitig abspielen. Es findet eine Bewegung geringer Mengen Wasserstoff
in Form von Bläschen und gleichzeitig eine solche des alkalischen Stoffes (NaOH
oder KOH) zur Anode statt. Dieser alkalische Stoff bildet die weißlichen Dämpfe,
die in der Austrittsöffnung für den Sauerstoff zu beobachten sind. Diese Dämpfe
dringen durch jedes Hindernis hindurch und können nur sehr schwer gebunden und zurückgehalten
werden.
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Es hat sich auch gezeigt, daß nicht nur die Alkalien, sondern die
meisten Stoffe bei der Elektrolyse die vorher geschilderten Ergebnisse liefern,
d. h. die löslichen Stoffe entweichen mit dem Sauerstoff in Form von Rauch, während
die unlöslichen Stoffe in fein verteiltem Zustand eine kolloidale Form annehmen
und an der Anode haftenbleiben.
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Die obenerwähnten beiden Vorgänge treten stets gleichzeitig auf, und
zwar sowohl bei der gewöhnlichen Elektrolyse als auch bei der Elektrophorese. Erstere
ist nach den neuesten Forschungen eine Elektrolyse, die in der Bewegung isolierter
Ionen besteht, während die Elektrophorese eine Elektrolyse darstellt, die in der
Bewegung von Ionen- oder Molekularaggregaten besteht.
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Diese Aggregate sind schwerer und weniger beweglich als die isolierten
Ionen. In beiden Fällen handelt es sich jedoch um eine rein elektrolytische Erscheinung.
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Zur Schaffung eines für Flüssigkeiten und den elektrischen Strom durchlässigen,
für die zu entwickelnden Gase jedoch vollkommen undurchlässigen Diaphragmas genügt
es, zwischen die Kathode und die Anode einen Träger einzuschalten (beispielsweise
Metallblech), auf dem sich das Gel auf seinem Wege zur Anode festsetzt. Nach einer
kurzen Zeit entsteht ein vollkommen neues Diaphragma.
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Die folgenden anorganischen bzw. organischen Hydrogele, welche nur
beispielsweise und ohne Einschränkung angeführt sind, geben gute Erfolge: Magnesiumsilikate,
Eisensilikate, Kaoline, Ferrihydrate, natürlicher und künstlicher gelber Ocker,
Limonite, Tone, Phosphate von Magnesium und von Aluminium, Kohlenstoff in Gestalt
von Graphit, Blutkohle (Knochenkohle), Hydrate der Erden (Erdalkalien) und diejenigen
der seltenen Erden, ausflockende Metalle, wie Kupfer und Nickel usw. Als organischer
kolloidaler Stoff kommt noch kolloidaler Kohlenstoff in Betracht.
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Wenn der Elektrolyt aus einer Lösung von Natrium- oder Kaliumkarbonat
besteht, erhält man ein gutes Diaphragma durch Verwendung eines Gels von Magnesium-Hydro-Karbonat.
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Die Menge dieser dem Elektrolyten zuzufügenden Hydrogele ist im allgemeinen
gering. Bei Ingebrauchnahme der Vorrichtung wird jedem Liter des Elektrolyten für
gewöhnlich eine Menge von 5 bis io °/o, bezogen auf das Trockengewicht, zugefügt.
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Das kolloidale Diaphragma kann auf folgende Weise hergestellt werden,
wobei die Eigenschaft der kolloidalen Stoffe ausgenutzt wird, als ! Elektrolyten
zu wirken und daher an der Elektrolyse teilzunehmen und sich in dem elektrischen
Felde zu verschieben.
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In einer Stromzersetzungswanne beliebiger Form werden die beiden Elektroden,
d. i. die positive und die negative, angeordnet und durch ein noch unvollständiges
Diaphragma (Metallgitter aus Stahldraht Nr. 3o bis 50) getrennt. Hierauf wird der
Elektrolyt (eine 15- bis 25 prozentige wässerige Lösung von Ätznatron oder Ätzkali)
zugefügt, in dem das gewählte Hydrogel, das anorganischer oder organischer Art sein
kann, zum Suspendieren gebracht ist. Dieses Hydrogel braucht nur die Eigenschaft
zu besitzen, durch den elektrischen Strom mitgeführt zu werden, der es nach und
nach infolge von Adsorption auf dem Diaphragma absetzt. Es ist natürlich notwendig,
daß dieses Hydrogel bei den Temperatur- und Verdünnungsverhältnissen, unter welchen
die Elektrolyse des Wassers bei alkalischer Lösung vor sich geht, durch den Elektrolyten
nicht angegriffen wird.
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Sobald das Hydrogel infolge der elektrolytischen Bewegung in den Maschen
des metallischen Gitters abgelagert ist, wo es einen gelatineartigen, mit außerordentlich
feinen Öffnungen
versehenen Schwamm bildet, klärt sich das Bad
von dem auf dem Diaphragma abgelagerten Stoff ab, und die Gase entstehen in vollkommener
Reinheit.
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Von Zeit zu Zeit wird eine gewisse Menge Hydrogels zugefügt, falls
sich das auf dem metallischen Gitter abgelagerte Hydrogel durch Zufall ablösen und
auf den Boden der Stromzersetzungswanne fallen sollte.
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Soll die Stromzersetzungsvorrichtung für längere Zeit zerlegt oder
außer Dienst gestellt werden, so darf das Diaphragma nicht eintrocknen, da es sonst
seine Wirksamkeit verlieren würde. Das Diaphragma wird einfach in Wasser gewaschen,
um es von dem Elektrolyten zu befreien, dann in ein 5oprozentiges Wasser-Gly cerin-Gemisch
getaucht, worauf man die Flüssigkeit einfach abtropfen läßt.
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Das neue, den Gegenstand der Erfindung bildende Diaphragma kann ebensogut
bei den mit einem Diaphragma arbeitenden Strornzersetzungsvorrichtungen wie bei
reit Platten nach Art der Filterpressen ausgerüsteten Vorrichtungen angewendet werden.
Das Verfahren ist insofern für diese letzteren vorteilhaft, als nach Belieben sehr
minderwertiges und infolgedessen billiges Asbestgewebe verwendet werden kann, das
ohne die Schicht von kolloidalem Hydrogel nicht verwendbar wäre.