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Die Erfindung bezieht sich auf die
Konstruktion einer elektrochemischen Zelle zum Entfernen von Metallen
aus Lösungen,
z.B. um schädliche
Metalle aus Abfällen
zu entfernen, um diese für
die Entsorgung umweltverträglich
zu machen und wertvolle Metalle aus Lösungen rückzugewinnen.
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Eine Menge elektrochemischer Zellen
sind für
die Rückgewinnung
von Metallen aus im Allgemeinen verdünnten Lösungen wie Schmutzwasser oder
andere Abwasser durch elektrolytische Abscheidung von Metallen aus
Lösungen
bekannt. Eine solche Zelle wird z.B. in der US-A-5.690.806 (Sunderland
et al.) offenbart. Diese Zelle beinhaltet ein rohrförmiges Außengehäuse, das
eine Kathodenanordnung in Form eines zylindrisch geformten Kohlenstofffasermaterials,
das um ein röhrenförmiges Gitterhalterungselement
mit einer allgemein offenen Struktur gewickelt ist, aufnimmt. Ein
langer Stromzubringer, der über
die Länge
des röhrenförmigen Halterungselements
verläuft,
versorgt die Kohlenstofffaserkathode mit Strom. Die Kathodenanordnung
ist von einer konzentrischen röhrenförmigen Anode
umgeben, die von der Kathode beabstandet ist. Die Elektrolytlösung, aus
der das Metall entfernt werden soll, wird durch einen Einlass in
die Zelle eingeführt und
strömt
entlang eines Strömungswegs,
der diese durch die poröse
Kohlenstofffaserkathode zu einem Auslass führt, während sich die betroffenen
Metalle auf den Oberflächen
der Kohlenstofffasern, aus denen die Kathode besteht, ablagern.
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Im Allgemeinen ist die maximale Stromdichte normalerweise
durch die ionische Erschöpfung
des Elektrolyten unmittelbar in der Nähe der Oberfläche der
Elektrode, auf der das Material abgelagert wird, beschränkt. In
der Zelle der US-A-5.690.806 z.B. stellt die poröse Kohlenstofffaserkathode
einen deutlich vergrößerten Oberflächenbereich
in einer im Allgemeinen effizienten Konfiguration bereit, um Metallionen
aus der Elektrolytlösung
zu entfernen. Trotz der verbesserten Effizienz und Leistung dieser
Zelle sind immer noch gewisse praktische Verbesserungen für die effiziente
industrielle Verwendung bei großen
Volumen notwendig. Die vorliegende Erfindung stellt gewisse praktische
Verbesserungen der Zelle aus der vorhergehenden erwähnten US-A-5.690.806 bereit.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine elektrochemische Zelle mit einer Stromzubringeranordnung
mit verbesserter Funktionalität
bereitzustellen. Diesbezüglich
ist es ein Ziel der Erfindung eine Stromzubringeranordnung bereitzustellen,
die das Entfernen verbrauchter Kathoden erleichtert.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung
eine Zelle bereitzustellen, die eine Anodenanordnung aufweist, die
das Einschließen
von Gas entlang der Zylinderwand hinter der Anode verhindert.
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Ein anderes Ziel der Erfindung ist
es, eine verbesserte getrennte Zellanordnung bereitzustellen, die
ein leicht entfernbares modulartiges Trennelement aufweist, das
zwei getrennte Zirkulationswege um die Kathode und um die Anode
ermöglicht,
und das beständiger
gegen Degradation in aggressiven Umgebungen ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht
im Bereitstellen einer Zelle mit einer modulartigen austauschbaren
Endkappenanordnung, so dass dieselbe Zelle auch für unterschiedliche
Strömungsanordnungen
verwendet werden kann, ohne die Kathoden- oder Anodenanordnung verändern zu
müssen.
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Diese und andere Ziele können mittels
einer modifizierten elektrochemischen Zelle, wie sie in der oben
erwähnten
US-A-5.690.806 beschrieben ist, erreicht werden, welche eine poröse Kohlenstofffaserkathode
aufweist, die von einem länglichen
Halterungselement mit offener Struktur gehalten wird. Gemäß der Erfindung
umfasst der Kathodenstromzubringer eine Vielzahl an Zubringerstreifen,
die sich jeweils im Wesentlichen entlang der Länge der porösen Kathode erstrecken, wobei
die Zubringerstreifen im Wesentlichen gleichmäßig um das längliche
Kathodenhalterungselement angeordnet sind. Die Zubringerstreifen
weisen eine zusammen gefasste Gesamtbreite auf, die zumindest etwa
20 % der charakteristischen Umfangsdimension des Kathodenhalterungselements
ausmacht. Zusätzlich
können
die Zubringerstreifen so ausgebildet sein, dass sie der Krümmung des
Kathodenhalterungselements entsprechen, um eine ungewollte galvanische
Metallabscheidung an den Stromzubringerstreifen sowie andere wegstehende
Elemente, die das Entfernen einer verbrauchten Kathode aus dem Halterungselement behindern,
zu vermeiden. Die Zelle der vorliegenden Erfindung kann zudem mit
einer Anode versehen sein, die von der Innenwand des Außengehäuses mit einem
Abstand von zumindest 2,5 mm beabstandet ist, wodurch ein wirksames
Mittel bereitgestellt wird, um ein Ansammeln von Gas zwischen der
Anode und dem Außengehäuse zu verhindern.
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Die Zelle der vorliegenden Erfindung
kann zudem mit einer verbesserten mikroporösen Trennelementanordnung ausgestattet
sein, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist, um
getrennte Anolyt- und Katholytströmungskammern zu definieren.
Die Trennelementanordnung umfasst eine mikropoöse Membran, die sich in Sandwichanordnung
zwischen zwei porösen
Halterungsmuffen befindet, die die Membran enthalten, schützen und festklemmen,
so dass Biegungsbewegungen unter Veewendungsbedingungen begrenzt
werden und dadurch das Leben der Membran verlängert wird.
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Die Zelle gemäß der Erfindung kann zudem mit
gewissen modulartigen Konstruktionen versehen werden, die hierin
untenstehend detaillierter beschrieben werden und dazu dienen, die
Zelle leicht an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten anzupassen.
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Andere Aspekte, Vorteile und neuartige Merkmale
der Erfindung werden untenstehend beschrieben oder sind für Fachleute
auf dem Gebiet aus den folgenden Spezifizierungen und Abbildungen
illustrativer Ausführungsformen
ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Gesamtansicht einer Ausführungsform der elektrochemischen Zelle
gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in 1.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, bei der Teile einer Ausführungsform
einer Kathodenanordnung gemäß der Erfindung
herausgeschnitten sind.
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4 ist
eine Schnittansicht der Ausführungsform
aus 3.
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5A ist
eine Querschnittsansicht der Kathodenanordnung entlang der Linie
5A-5A in 3.
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5B ist
eine Querschnittsansicht der Kathodenanordnung, wobei eine alternative
Ausführungsform
der Kathodenstromzubringerstreifen veranschaulicht wird.
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6A und 6B sind Vorderansichten,
die eine alternative Ausführungsform
der Endkappen zum Befestigen der Trennanordnung in Einzelteilen darstellen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 und 2 zeigen Außen- und
Innenansichten einer Ausführungsform
einer elektrochemischen Zelle, die die Verbesserungen der vorliegenden
Erfindung aufweist. Die Zelle ist in einem Außengehäuse 10 mit im Allgemeinen
röhrenförmiger Gestalt
enthalten, das an seinen Enden durch Endkappen 11 und 12 abgeschlossen
ist. Mittig in der Endkappe 11 ist ein Strömungseinlass 13 (ersichtlich
in 2) angeordnet, und
in der Endkappe 12 befindet sich ein Strömungsauslass 14.
Die zu behandelnde Lösung
tritt durch kontinuierliches Strömen
durch Einlass 13 in die Zelle ein, wo sie einer elektrolytischen
Reaktion unterzogen wird, um die jeweiligen Metalle oder Metallionen
zu entfernen, und tritt dann durch den Auslass 14 aus.
In
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1 ebenso
ersichtlich sind eine Vielzahl von Kniehebelbolzen 16,
durch die die obere Endkappe 12 am Gehäuse 10 befestigt wird,
Kathodenstromzubringerelemente 17, Anodenstromzubringerelemente 18 und
ein Anolytströmungsauslass 19, der
in einer möglichen
Ausführungsform
der Zelle vorgesehen ist, die untenstehend detaillierter beschrieben
wird. Zu erwähnen
ist, dass sämtliche
der mechanischen Elemente 16–19 an der Endkappe
so angeordnet sind, dass sie seitlich nicht wesentlich über die
Außenfläche der
Endkappe hinausragen, und keine dieser mechanischen Elemente von
den röhrenförmigen Seiten
des Gehäuses 10 vorstehen. Dies
ist äußerst praktisch,
um ein Brechen während der
Verwendung der Zelle, wie z.B. während
dem Transport, der Installation oder dem Austauschen von Kathodenelementen
innerhalb der Zelle zu vermeiden.
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Die elektrochemische Zelle enthält eine
Kathodenanordnung 21, eine Anode 22 und eine Trennanordnung 23,
die zwischen der Kathodenanordnung 21 und der Anode 22 angeordnet
ist, um den Innenraum der Zelle in zwei getrennte Kammern für getrennte
Ströme
vorbei an der Kathodenanordnung 21 und der Anode 22 zu
teilen. Die Trennanordnung 23 ist eine optionale Komponente,
die in Anwendungen eingesetzt wird, bei denen verhindert werden
möchte,
dass der Katholyt der Anode ausgesetzt ist. In gewissen Anwendungen
kann z.B. an der Anode toxisches Chlorgas entstehen, wobei aus Sicherheitsgründen die
Erzeugung dieses Gases verhindert werden sollte. In der veranschaulichten
Ausführungsform
ist die Trennanordnung 23 modulartig und kann einfach in
die Zelle eingeführt
werden, wenn die Anwendungen dies erforderlich machen, und entfernt werden,
wenn sie nicht mehr benötigt
wird. Die Struktur und Betriebsart der Trennanordnung 23 wird
untenstehend detaillierter beschrieben.
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Die Kathodenanordnung 21 wird
nun mit Verweis auf die 3–5 erläutert. Die Kathodenanordnung
umfasst ein poröses
Kathodenelement 26, das von einem porösen länglichen Halterungselement 27 gehalten
wird, sowie eine Vielzahl von Kathodenstromzubringerstreifen 28,
die einen elektrischen Kontakt mit dem Kathodenelement 26 herstellen. Das
Kathodenelement 26 selbst besteht aus einem bekannten Element,
wie es z.B. in der US-A-5.690.806 (Sunderland et al.) erläutert wird.
Es ist aus einem porösen
Kohlenstofffasermaterial ausgebildet, das aufgrund seiner porösen Struktur
ein großes
Oberfläche:
Volumen-Verhältnis
aufweist. Das Kohlenstofffasermaterial kann in Form eines flachen
Filzes oder einer Mattierung bereitgestellt werden, die auf einer
Rolle angeordnet ist und auf die jeweilige Größe zugeschnitten wird und um
das Halterungselement 27 gewickelt wird. Alternativ kann
das Kohlenstofffasermaterial als Hohlzylinder vorgeformt werden,
dessen Größe und Form
für die
Installation auf dem Halterungselement 27 angepasst ist.
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In der veranschaulichten Ausführungsform ist
das Halterungselement 27 im Allgemeinen röhrenförmiger Gestalt, und ist, wie
in den 2, 4 sowie 5A und 5B ersichtlich,
ein Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt.
Das Halterungselement 27 ist ausreichend porös, um ein
Strömen
der Elektrolytlösung durch
das Halterungselement zu ermöglichen.
Wie hier gezeigt wird, wird die Porosität dadurch bereitgestellt, dass
die röhrenförmige Wand
des Halterungselements 27 als offene Gitterstruktur oder
Netzprofil ausgeführt
ist. Es können
jedoch auch alternative Konstruktionsformen verwendet werden. Das
Halterungselement kann z.B. einen perforierten Zylinder umfassen
oder aus einem porösen
Polyethylen ausgebildet sein oder ein geeignetes Filtertuch umfassen,
das von einer offenen Struktur gehalten wird, so dass die erwünschten
Durchflussbedingungen durch die Auswahl des Filtertuchs gesteuert
werden können.
In der vorliegenden Ausführungsform
wird nahegelegt, dass das Halterungselement 27 nicht leitend ist,
obwohl es in anderen Ausführungsformen
leitend sein könnte,
wobei das Halterungselement in diesem Fall auch die Stromzubringerfunktion
unterstützen würde.
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„Porös" steht in seiner Verwendung hierin im allgemeinen
Sinn für „durchlässig". Somit bezieht sich
der Begriff poröses
Halterungselement auf ein Halterungselement, das geeignet große Öffnungen aufweist,
durch die die Elektrolytlösung
je nach gewünschten
Strömungsbedingungen
dringen kann. Die „Poren" des Halterungselements
können
durch große
gitterartige Zellen wie in den Abbildungen dargestellt ausgebildet
sein oder durch große
oder kleine Perforationen in der Wand des Halterungselements oder
durch kleine Poren eines Filtertuchs geformt werden.
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Das Kohlenstoffkathodenelement ist
ebenso porös,
damit die Elektrolytlösung
in das Kohlenstoffmaterial eindringen kann. Die „Poren" des porösen Kohlenstoffkathodenelements
können
sich in einem Bereich von klein bis groß bewegen, je nach für das Kathodenelement
ausgewähltem
Material und werden im Allgemeinen nicht dieselbe Größe oder
Gestalt wie die Poren des Kathodenhalterungselements aufweisen.
Es wird allgemein nahegelegt, dass die Poren des Kathodenelements
kleiner sind als die des Halterungselements und durch die Hohlräume und Lücken im
Kohlenstofffasermaterial, aus dem das Kathodenelement besteht, ausgebildet
werden.
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Der Stromzubringer stellt die elektrische
Verbindung zum Kathodenelement her. Auf dem Gebiet gilt es als erwiesen
(siehe z.B. US-A-5.690.806, Sunderland et al.), dass es für eine effiziente
Elektrolyse und insbesondere für
eine gleichmäßigere Ablagerung
von Metall auf dem Kathodenelement wünschenswert ist, eine im Allgemeinen
gleichmäßige Stromverteilung
zum Kathodenelement bereitzustellen. Es hat sich bei der vorliegenden
Erfindung herausgestellt, dass eine verbesserte Leistung erzielt werden
kann, wenn der Kathodenstromzubringer mit einer Vielzahl von länglichen
leitenden Streifen 28 versehen ist, die im Wesentlichen
gleichmäßig um die
Umfangsaußenfläche des
Kathodenhalterungselements 27 angeordnet sind und im Wesentlichen über die
Länge des
Kathodenelements 26 verlaufen sowie im Vergleich zur Umfangsdimension,
d.h. die Strecke um die Umfangsaußenfläche, des Halterungselements 27 eine
markante zusammengefasste Breite aufweisen. Genauer gesagt, hat
sich herausgestellt, dass die zusammengefasste Breite der Streifen
zumindest 20% der charakteristischen Umfangsabmessung des Halterungselements 27 betragen
sollte. In der Praxis hat sich eine zusammengefasste Breite von
etwa 25% der Umfangsabmessung als besonders wirksam erwiesen. Diese
Anordnung stellt eine gleichmäßigere Stromverteilung
und folglich eine größere Metallablagerung
und geringere Wärme
aufgrund geringerer Ohm-Verluste in den Stromstreifen bereit.
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Die veranschaulichte Ausführungsform
verwendet zwei solcher Streifen 28, die um die Kreisaußenfläche des
Halterungselements 27 in diametral gegenüberliegenden
Positionen angeordnet sind, wie in den 5A und 5B ersichtlich
ist. Es können auch
mehr als zwei Streifen verwendet werden. In der Ausführungsform
in 5A sind die Streifen 28A flach
und weisen jeweils eine charakteristische Breite w auf. Die zusammengefasste
Gesamtbreite beträgt 2w
und soll mehr als etwa 20 % des Umfangs des Halterungselements 27 ausmachen.
In der Ausführungsform
in 5B sind die Streifen 28B gekrümmt, um
der Umfangsaußenfläche des
Halterungselements 27 zu entsprechen. Der Zweck dieser
Krümmung
ist folgender: Bei der Inbetriebnahme lagern sich die jeweiligen
Metalle auf den Oberflächen
der Lücken
des porösen
Kohlenstoffkathodenelements ab. Nach einer gewissen Betriebszeit
ist das Kathodenelement mit abgelagerten Metallen beladen und muss
ausgetauscht werden. Dies erfolgt durch das Öffnen der Zelle an der Endkappe 12 und
durch Entfernen der gesamten Kathodenanordnung. Das beladene Kathodenelement 26 wird
dann vom Halterungselement 27 abgestreift und durch ein
sauberes Kathodenelement ersetzt. In manchen Anwendungsformen neigt
das beladene Kathodenelement jedoch dazu, an den Kanten des Halterungsstreifens 28A in 5A hängen zu bleiben. Die Ursache
dafür liegt teilweise
darin, dass sich eine kleine Menge an Metall an der freiliegenden
Unterseite des Streifens 28A ablagern kann. In diesem Fall
kann das beladene Kathodenelement leichter entfernt werden, indem
die Streifen 28B an die Form des Halterungselements 27 angepasst
werden, wie in 5B ersichtlich.
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Obwohl das Halterungselement 27 hierin
zylindrisch dargestellt ist, um das Entfernen eines beladenen Kathodenelements
zu erleichtern, kann das Halterungselement auch leicht konisch gestaltet
werden. In diesem Fall, wenn das Kathodenelement in einer hohlen,
im Allgemeinen zylindrischen Form vorgeformt ist, sollte zumindest
die Innenwand des Zylinders auch leicht verjüngt werden, um der konischen
Gestalt des Halterungselements zu entsprechen. Die Umfangsabmessung
des Halterungselements wird in diesem Fall je nach Stelle der Messung entlang
der Länge
des Halterungselements variieren. Es ist jedoch nur eine geringe
Verjüngung
notwendig, wodurch auch die Schwankung in der Umfangsabmessung klein
sein wird. Hierbei kann ein beliebiger Umfangswert, z.B. der Wert
bei halber Länge,
als charakteristische Umfangsabmessung herangezogen werden, um eine
geeignete zusammengefasste Breite der Stromzubringerstreifen 28 zu
ermitteln.
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Das Kathodenelement 26 ist
durch eine im Allgemeinen röhrenförmige Mantelhülle 29,
die in 3 fragmentarisch
dargestellt ist, am Halterungselement 27 befestigt. Die
Verwendung einer solchen Hülle
ist bekannt und wird z.B. in der US-A-5.690.806 offenbart, die die
Verwendung einer Kunststoffgitterhülle oder wenn Kunststoffverbindungsstücken lehrt, um
das Kathodenelement am Halterungselement zu befestigen. Es hat sich
herausgestellt, dass ein besserer elektrischer Kontakt und eine
bessere Stromverteilung erzielt werden kann, wenn die Mantelhülle aus
einem Elastomermaterial besteht und größenmäßig so gestaltet ist, dass
die Hülle
das Kathodenelement gleichmäßig gegen
die Stromzubringerstreifen 28 drückt. Die Verwendung einer Elastomer-Mantelhülle 29 leistet
stärkeren
Widerstand gegen die Belastungen, denen das Kathodenelement 26 während dem
Betreiben ausgesetzt ist, und kann diesen stärker entgegenwirken.
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Den Abschluss der Kathodenanordnung 21 bildet
ein ringförmiges
Endstück 31 an
der Einlassseite der Kathodenanordnung, das eine seitlich vorstehenden
Fläche
aufweist, um das Kathodenelement 26 einzuspannen. Der Einlass 13 erstreckt
sich durch die Mitte des ringförmigen
Endstücks 31 in
die Mitte des Halterungselements 27. Ein Ende der Stromzubringerstreifen 28 ist
am Endstück 31 durch kleine
Schrauben befestigt. Ein Vorteil der vorliegenden Konstruktion ist
es, dass das Endstück 31 durch Entfernen
dieser Schrauben und Abnehmen des Endstücks vom Ende des Halterungselements
leicht entfernt werden kann. Dies ermöglicht ein einfaches Entfernen
eines verbrauchten Kathodenelements 26, das dann vom Halterungselement
abgestreift werden kann.
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Am anderen Ende der Kathodenanordnung 21 ist
eine erste ringförmige
Ablenkplatte 32 und ein zweites ringförmiges Endstück 33 angeordnet,
das von der Ablenkplatte 32 beabstandet ist. Das poröse Halterungselement 27 erstreckt
sich durch die Ablenkplatte 32 bis zum Endstück 33.
Der Auslass 14 erstreckt sich durch das Loch im ringförmigen Endstück 33.
Auf diese Weise wird die Elektrolytlösung durch den Einlass 13 in
die Mitte des Halterungselements 27 eingeführt und
durch die Ablenkplatte 32 daran gehindert, direkt durch
den Auslass 14 hinauszuströmen. Die Elektrolytlösung wird
somit dazu gezwungen, durch die Öffnungen
im porösen
Halterungselement 27 sowie durch das Kathodenelement 26,
wo die Metalle abgelagert werden, in den Zwischenraum außerhalb
des Kathodenelements 26 zu fließen. Die Lösung, deren Metallanteile dadurch
im Wesentlichen abgereichert wurden, fließt durch das poröse Halterungselement
in den Bereich zwischen der Ablenkplatte 32 und dem Endstück 33 zurück, wie
durch Pfeil 34 in den 2 und 3 angedeutet ist, und tritt
durch den Auslass 14 aus.
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In der Kathodenanordnung 21 sind
ebenfalls zwei Kathodenstromzubringerelemente 17 enthalten, um
eine elektrische Verbindung zu den Stromzubringerstreifen 28 auszubilden.
Die Elemente 17 sind an der Endplatte 33 mit den
Streifen 28 verschraubt und erstrecken sich in der zusammengebauten
Zelle durch die Endkappe 12, um mit einer Stromzufuhr verbunden
zu werden.
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Die Anode 22 wird durch
einen leitenden Zylinder bereitgestellt, der die Kathodenanordnung 21 umgibt
und im Allgemeinen zu dieser konzentrisch ist. Die Konstruktionsweise
einer solchen Anode sowie die geeignete Materialauswahl sind auf
dem Gebiet weithin bekannt und müssen
hier nicht detailliert erläutert
werden. Eine Anodenkonstruktion wie in der US-A-5.690.806 (Sunderland
et al.) wird hier im Allgemeinen ausreichen, wobei folgende Modifikation notwendig
ist. Die in der US-A-5.690.806
offenbarte Anode ist konzentrisch mit der Innenwand des röhrenförmigen Außengehäuses und
stößt an dieses
an. Es hat sich herausgestellt, dass eine verbesserte Leistung erzielt
werden kann, wenn die Anode 22 von der Innenwand des Außengehäuses 10 mit
einem charakteristischen Abstand beabstandet ist. Der Grund dafür liegt
scheinbar in dem geringen Ausmaß an
Strömung,
das dann hinter der Anode 22 erfolgen kann, das ausreicht,
um die durch die ohmschen Verluste erzeugte Wärme abzulassen und das Ausbilden von
Gaseinschlüssen
zwischen der Anode 22 und der Innenwand des Gehäuses 10 zu
verhindern. Ein Abstand von zumindest 2,5 mm hat sich als ausreichend
erwiesen, wobei ein Abstand von etwa 5 mm bevorzugt wird. In der
veranschaulichten Ausführungsform
wird der Abstand durch Abstandhalter 36 erzielt. In 2 sind die Abstandhalter 36 durch
den Kopf eines Bolzens bereitgestellt, der auch zum Befestigen der
Anode 22 an leitenden Armen 37 dient. Die leitenden
Arme wiederum sind mit den Anodenstromzubringerelementen 18 verbunden.
Die Elemente 18 sind zu diesem Zweck an ihren Anodenenden
mit einem Gewinde versehen. Die Elemente 18 erstrecken
sich durch die Endkappe 12 durch Verschlussstücke 38,
um mit der Stromzufuhr verbunden werden zu können.
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In manchen Systemen ist es erwünscht, die elektrochemische
Zelle an einander gegenüberliegenden
Enden der Zelle mit Anoden- und Kathodenverbindungen zu versehen.
Um ein solches System in derselben Zelle bereitzustellen, wird die
Endkappe 11 mit einem alternativen Paar an Anodenstromzubringeröffnungen 39 versehen,
die in Bezug auf die Öffnungen
in der Endkappe 12 symmetrisch angeordnet sind. Die Anode 22 zusammen
mit den Anodenstromzubringerelementen 18 und den Befestigungsarmen 37 können hierbei
einfach umgedreht werden und das nicht verwendete Paar an Stromzubringeröffnungen
wird hineingesteckt.
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Wie oben erklärt wurde, kann, wenn das Bereitstellen
getrennter, sich nicht vermischender Ströme für die Katholytlösung um
die Kathode und für
die Anolytlösung
um die Anode erwünscht
ist, optional eine Trennanordnung 23 zwischen die Anoden-
und die Kathodenanordnung eingeführt
werden. Die vorliegende Trennanordnung schließt, wie andere Trennanordnungen
nach dem Stand der Technik, eine mikroporöse Membran 41 ein,
die wasserundurchlässig
ist jedoch die Migration bestimmter Ionen durch die Membran zulässt. In
der Vergangenheit hat sich herausgestellt, dass die mikorporösen Membrane
im Zuge der Verwendung dazu neigen, häufiger als erwünscht schwach
zu werden und zu brechen. Die vorliegende Erfindung stärkt die
Membran und erhöht
ihre Nutzungsdauer unter den Verwendungsbedingungen, indem die Membran 41 auf beiden
Seiten durch ein Paar an inneren und äußeren porösen Halterungsmuffen 42 und 43 gehalten wird.
Die Halterungsmuffen können
eine offene Gitterstruktur oder perforierte röhrenförmige Kunststoffelemente aufweisen,
die koaxial zur Membran 41 angeordnet sind, welche sich
in Sandwichanordnung zwischen diesen befindet, so dass die inneren
und äußeren Muffen
die Membran 41 von beiden Seiten pressen und einspannen.
Auf diese Art minimieren die Muffen die Biegungsbewegung der Membran
im Zuge der Verwendung.
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In der Ausführungsform in 2 schließt die Trennanordnung 23 ringförmige Endstücke 44 und 45 an
jedem Ende ein. Die Endstücke 44 und 45 sind gestuft
ausgebildet, so dass die innere Muffe 42 und die Membran 41 an
einer ersten Stufe anstoßen,
und sich die äußere Muffe 43 über diese
hinaus erstreckt, um an die nächste
Stufe im Endstück 44 anzustoßen. Beim
Endstück 45 erstreckt
sich die innere Muffe, wie in 2 ersichtlich, über die äußere Muffe
hinaus. Die Membran und die Muffen werden durch einen geeigneten
wasserfesten Klebstoff in Position gehalten. Die Endstücke 44 und 45 bilden
wasserundurchlässige
Dichtungen gegen die Einlässe
und Auslässe
aus, die sich durch die mittigen Öffnungen in den ringförmigen Endstücken erstrecken.
Geeignete Dichtungen können
z.B. mit O-Ringen
ausgebildet werden. Siehe z.B. O-Ring 46 am Endstück 44 in 2.
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Es hat sich jedoch herausgestellt,
dass sich die Klebstoffe zum Befestigen der Membran 41 und der
Muffen 42 und 43 in ihrer Position in manchen korrodierenden
Umgebungen abbauen können,
und die Trennanordnung letztendlich zu lecken beginnt. Die 6A und 6B zeigen eine alternative Ausführungsform
der Endstücke,
die mit den Bezugszeichen 44' und 45' bezeichnet
sind. Das Endstück 45' beinhaltet
ein Paar ineinandergeschobener ringförmiger Elemente 48 und 49,
die übereinstimmende geneigte
Wände 51 und 52 aufweisen.
Die geneigte Wand 51 des inneren ringförmigen Elements 48 trägt einen
oder mehrere O-Ringe 53. Die Membran 41 (in 6A zu Illustrationszwecken
teilweise dargestellt) ist über
die O-Ringe 53 gespannt
und wird durch das äußere ringförmige Element 49 in
Position gedrückt. Die
ringförmigen
Elemente 48 und 49 werden durch ein drittes ringförmiges Element 56 zusammengedrückt und
verschlossen, und die Anordnung wird durch Bolzen 57 in
Position gehalten. Die Kappe 56 ist mit Bohrungslöchern 58 für die Anodenstromzubringerelemente 18 versehen.
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Das untere Endstück 44' ist ähnlich dem oberen Endstück 45' konstruiert,
mit der Ausnahme, dass das ringförmige
Kappenelement 56' nicht
so breit sein muss wie das Kappenelement 56 im Endstück 45' und somit keine
Vorkehrung für
die alternative Positionierung der Anodenstromzubringerelemente
getroffen werden muss. In der 6B sind vergleichbare
Elemente mit ähnlichen
Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei ein Apostroph hinzugefügt wurde.
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Um die Zelle der vorliegenden Erfindung
flexibler für
die Verwendung in unterschiedlichen Anwendungen zu gestalten, sind
die Endkappen 11 und 12 mit einer modulartigen
Struktur ausgebildet, die es ermöglicht,
diese problemlos an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten anzupassen.
Die Endkappe 11 ist mit einem entfernbaren modulartigen Einsatzelement 61,
das den Einlass 13 definiert, ausgestattet. Um einen anderen
Eingangskanal bereitzustellen, ist es lediglich notwendig, das Einsatzelement 61 durch
ein vergleichbares Element mit einer unterschiedlichen Einlassbohrung
zu ersetzen. Ähnlich
kann die Endkappe 12 mit einem entfernbaren modulartigen
Einsatzelement 62 ausgestattet sein, das die Bohrung des
Auslasses 14 definiert. Diese Konstruktion hat den Vorteil,
dass sie es dem Endnutzer ermöglicht,
das System zu Instandhaltungszwecken schnell und einfach durch einfaches
Auswechseln des Einsatzes bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit, und somit
rascher, zu spülen.
Die modulartige Konstruktion verringert zudem die Herstellungs-,
Transport- und Materialkosten, da dieselbe Basiszelle für unterschiedliche
Anwendungen herangezogen werden kann und lediglich die Einsätze ausgewechselt
werden müssen.
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Die obigen Beschreibungen und Abbildungen
offenbaren beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung. Unter Berücksichtigung
des Vorteils dieser Erfindung werden Fachleute auf dem Gebiet anerkennen,
dass auch zahlreiche Modifikationen, alternative Konstruktionen
und Äquivalente
zur Erzielung der Vorteile der Erfindung eingesetzt werden können. Beispielsweise
kann das Halterungselement 27, obwohl es hierin mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt
ist, und dieses Profil aufgrund der resultierenden symmetrischen
Anordnung des Kathodenelements und somit des resultierenden elektrischen Felds
im Allgemeinen bevorzugt wird, auch andere Querschnittsprofile aufweisen,
um unterschiedliche Zellgeometrien, z.B. um die jeweiligen Anforderungen
einer Anwendungsform zu erfüllen,
auszubilden. Hierbei werden die Stromzubringerstreifen geeignet um
das neue Halterungselementprofil angeordnet, um eine im Wesentlichen
gleichmäßige Stromverteilung
an das Kathodenelement bereitzustellen. Für Fachleute auf dem Gebiet
sind auch andere Form- und Materialanpassungen unter Berücksichtigung des
Vorteils dieser Offenbarung vorstellbar, die zu elektrochemischen
Zellen führen,
bei denen sich Details von den oben dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
unterscheiden, aber dennoch die Vorteile der Erfindung gegeben sind.
Aus diesem Grund ist die Erfindung nicht auf die obige Beschreibung
und die Abbildungen beschränkt,
sondern ist durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.