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Die
Erfindung bezieht sich auf Elektrodialysatoren.
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Sie
bezieht sich insbesondere auf Kästen, die
an den Enden der Dialysatoren angeordnet sind und die Elektroden
enthalten.
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Elektrodialysatoren
sind elektrochemische Anlagen, die aus einem Stapel von selektiv
für Ionen durchlässigen Membranen
und Separatorenrahmen zwischen zwei Endkästen gebildet sind, welche
die Elektroden enthalten. Die Endkästen haben normalerweise ein
Gehäuse,
und in diesem sind eine vertikale Elektrode und eine Membrane angeordnet,
die für
Ionen selektiv durchlässig
ist, wobei die Membrane der Elektrode vertikal gegenüberliegt.
Die schematische Darstellung eines Elektrodialysators, die in Ingeniertechnik
3-1988, Seite J2840-13, 18, gegeben wird, zeigt einen solchen
Elektrodialysator. Während
des Betriebes des Elektrodialysators werden die Elektroden an die
Klemmen einer Gleichstromquelle angeschlossen, und Elektrolyt wird
in die zwischen den Membranen definierten Abteile sowie in die Endkästen eingeführt, um
elektrochemische Reaktionen im Inneren des Elektrolyten hervorzurufen.
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Die
elektrochemischen Reaktionen, die in den Endkästen stattfinden, verursachen
im allgemeinen die Entstehung eines Gases an den Elektroden, beispielsweise
Sauerstoff und Stickstoff im Falle eines wäßrigen Elektrolyten. Es ist
wichtig sicherzustellen, daß ein
regelmäßiger Austrag
dieses Gases stattfindet, was üblicherweise
durch Zirkulation des Elektrolyten in einem Kreislauf zwischen den
Endkästen
und einer Entgasungskammer erreicht wird (EP-A-0081092, Seite 8, Zeilen 11 bis 16).
Man hat auch vorgeschlagen, metallische Bleche zu verwenden, die
den Elektroden zugeordnet sind, und eine Kammer hinter dem Blech
für die
Zirkulation von Elektrolyt und Gas vorzusehen (EP-A-0724904 [SOLVAY]).
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Während des
Betriebes des Elektrodialysators beobachtet man üblicherweise, daß sich die elektrische
Stromdichte in den Membranen heterogen verteilt, wobei sie im unteren
Teil der Membranen höher
ist und nach oben hin abnimmt. Dieses Phänömen betrifft insbesondere Membranen,
die den Endkästen am
nächsten
liegen, speziell die Membrane, die an einen solchen Endkasten angrenzt.
Dies stört die
Funktionsweise des Dialysators.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, diesen Nachteil der bekannten Dialysatoren
zu vermeiden und einen Endkasten mit neuer Konzeption zu schaffen,
der unter Beibehaltung aller anderen Merkmale die Homogenität der Stromdichte
in den Elektrodialysatoren wesentlich verbessert.
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Folglich
betrifft die Erfindung einen Endkasten für einen Elektrodialysator,
der eine vertikale Elektrode und eine für Ionen selektiv permeable Membrane
aufweist, die gegenüber
der Elektrode vertikal angeordnet ist, wobei der Endkasten dadurch gekennzeichnet
ist, daß ein
vertikaler Durchgang vorgesehen ist, welcher die Elektrode von der
Membrane trennt.
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Die
Elektrode des Kastens gemäß der Erfindung
muß aus
einem elektrisch leitenden Material bestehen und mit der erwünschten
Reaktion der betreffenden Elektrode kompatibel sein. Ihr Aufbau
ist nicht kritisch. Sie weist vorteilhaft ein metallisches Blech
auf. Das metallische Blech kann beispielsweise ein ebenes Blech
sein, ein durchbrochenes Blech, eine entfaltete Metallfolie, eine
durchsichtige Platte oder ein Gitter. Die Elektrode ist im wesentlichen
vertikal angeordnet.
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Unter
einer Membrane, die selektiv für
Ionen permeabel sein soll, versteht man eine dünne Folie, die im wesentlichen
für den
wäßrigen Elektrolyten
impermeabel, aber für
bestimmte Ionen permeabel ist. Die selektiv für Ionen permeable Membrane
kann eine Membrane sein, die selektiv für Anionen permeabel ist, oder
eine Membrane, die selektiv für
Kationen permeabel ist.
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In
dem Kasten gemäß der Erfindung
sind die Elektrode und die Membrane normalerweise in einem Gehäuse angeordnet,
das durch ein Grundgestell begrenzt ist, dessen Form und Aufbau
für die
Erfindung nicht kritisch sind. Informationen betreffen das Grundgestell,
sind insbesondere in Ingenieurtechnik 3-1988, Seite J2840-13, 18 und im EP-A-0724904 (SOLVAY) enthalten.
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Gemäß der Erfindung
sind die Elektrode und die Membrane durch einen vertikalen Durchgang voneinander
getrennt. Der Durchgang erstreckt sich über die gesamte Höhe der Elektrode
und der Membrane und vorteilhaft im wesentlichen über die
gesamte Länge
der Elektrode und der Membrane. Der Durchgang ist dazu bestimmt,
eine aufsteigende Zirkulation des Elektrolyten und des an der Elektrode während des
Normalbetriebes des Elektrodialysators erzeugten Gases zu gestatten.
Die Breite des Durchganges (seine Dimension quer zur Membrane und zur
Elektrode) muß ausreichend
groß sein,
damit die vorerwähnte
Zirkulation des Elektrolyten und des Gases im wesentlichen ohne
Hindernis stattfinden kann.
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Die
optimale Breite hängt
von verschiedenen Parametern ab, insbesondere von den Dimensionen der
Elektrode (hauptsächlich
ihrer Höhe),
von der Dichte des elektrischen Stromes und dem in dem Kasten verwendeten
Elektrolyten. Sie muß deshalb jedes
Mal für
jeden besonderen Fall durch eine Routinearbeit im Labor bestimmt
werden. In der Praxis wird, wenn die Elektrode ein Blech ist, vorgeschlagen,
daß die
Breite des Durchganges größer als
das 0,002-fache der Blechhöhe
ist, wobei das Verhältnis zwischen
Breite des Durchganges und Höhe
des Bleches vorzugsweise zwischen 1:200 und 1:50 beträgt.
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In
dem Kasten gemäß der Erfindung
kann jedes geeignete Mittel angewendet werden, um den Durchgang
zu bilden. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Durchgang zwischen der Elektrode und einer
vertikalen Lochplatte begrenzt, welche die Membrane trägt und von der
Elektrode durch Abstandhalter im Abstand gehalten wird. Bei dieser
Ausführungsform
der Erfindung müssen
die Abstandhalter so ausgebildet werden, daß sie kein Hindernis für die aufsteigende
Zirkulation des Elektrolyten und des Gases in dem Durchgang während des
Betriebes des Kastens darstellen. Zu diesem Zweck können sie
vertikale Lamellen sein, die mit ihren Rändern an der Elektrode und
an der Platte befestigt sind.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
die nachfolgend beschrieben wird, ist es zweckmäßig zu vermeiden, daß die Platte
als Ort für die
Ablösung
des Gases während
des Betriebes des Kastens in einem Elektrodialysator ist. Dieses
Ziel wird durch verschiedene Mittel erreicht. Gemäß einem
ersten Mittel wird die Platte aus einem inerten Material hergestellt,
das elektrisch nicht leitfähig
ist. Gemäß einem
zweiten Mittel wird die Platte aus einem elektrisch leitfähigen Material
hergestellt, dessen Überspannung
gegenüber
einer Ablösung
des Gases, das an der Elektrode erzeugt wird, größer als jene der Elektrode
ist. Gemäß einem
dritten Mittel, das bevorzugt wird, wird die Platte aus einem elektrisch
leitfähigen
Material hergestellt, und die Zwischenschicht, welche sie mit der
Elektrode verbindet, besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Elektrodialysator, der in an sich
bekannter Weise eine Folge von vertikalen Membranen, die selektiv
für Ionen
permeabel sind, und von Separatoren aufweist, wobei diese Anordnung
zwischen zwei Endkästen
angeordnet ist, von denen zumindest einer gemäß der Erfindung ausgebildet
ist.
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Bei
dem Elektrodialysator gemäß der Erfindung
können
die selektiv für
Ionen permeablen Membranen, die zwischen den zwei Kästen angeordnet sind,
Membranen enthalten, die selektiv für Anionen permeabel sind, Membranen,
die selektiv für
Kationen permeabel sind, und bipolare Membranen.
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Bei
dem Elektrodialysator gemäß der Erfindung
definieren die Membranen, die selektiv für Ionen permeabel sind, und
die Seperatoren, die zwischen den Membranen zwischengeschaltet sind, Elektrodialyseabteile,
die in Verbindung mit Zuleitungen und Austragleitungen für den Elektrolyten
stehen. In der Praxis sind zur Bildung der Abteile die Separatoren
als Rahmen ausgebildet, die an der Umfangszone der Membranen angeordnet
sind. Die Anzahl der Elektrodialyseabteile ist nicht kritisch. Sie
ist normalerweise größer als
zehn und kann üblicherweise
bis zu mehreren Hunderten zwischen den beiden Endkästen betragen.
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Der
Elektrodialysator gemäß der Erfindung hat
verschiedene Anwendungsformen, die im Stand der Technik der Elektrodialyse
gut bekannt sind. Er eignet sich speziell für Elektrodialyseverfahren,
bei denen im Elektrodialysator eine elektrische Stromdichte angewendet
wird, die kleiner als 3 kA/m2 ist und die
vorzugsweise 2,5 kA/m2 nicht übersteigt.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Elektrodialyseverfahren, bei
dem ein Elektrodialysator gemäß der Erfindung
angewendet wird, wobei bei diesem Elektrodialysator eine elektrische
Stromdichte von kleiner als 3 kA/m2 verwendet
wird. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
wählt man
vorzugsweise eine Stromdichte, die 2,5 kA/m2 nicht übersteigt,
wobei die Werte 0,1 bis 2,0 kA/m2 besonders vorteilhaft
sind und jene von 0,5 bis 1,5 kA/m2 bevorzugt
werden.
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Beim
Verfahren gemäß der Erfindung
wird die elektrische Stromdichte bezüglich der Oberfläche einer
Membranseite des Endkastens des Elektrodialysators ausgedrückt. Im
Falle, daß die
Membranen der beiden Endkästen
nicht die gleiche Oberfläche haben,
wird die Stromdichte bezüglich
der Membrane ausgedrückt,
die die kleinste Oberfläche
hat.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
findet vorteilhaft spezielle Anwendung für die Elektrodialyse von wäßrigen Lösungen von
Natriumsalzen, wie Natriumchlorid, Natriumkarbonat, Natriumphosphat oder
Natriumsulfat. Sie ist speziell für die Herstellung von wäßrigen Natriumhydroxidlösungen durch Elektrodialyse
von wäßrigen Lösungen von
Natriumchlorid oder Natriumkarbonat bestimmt.
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Merkmale
und Details der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
gemäß den angeschlossenen
Zeichnungen hervor.
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1 ist ein gesprengter vertikaler
Längsschnitt
einer besonderen Ausführungsform
des Elektrodialysators gemäß der Erfindung;
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2 ist eine analoge Ansicht
wie 1 eines Endkastens
des Elektrodialysators nach 1.
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In
den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf identische Elemente.
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Der
Elektrodialysator nach 1 umfaßt in an
sich bekannter Weise für
Ionen selektiv permeable Membranen 1, 2, 3,
die vertikal zwischen zwei Endkästen
angeordnet sind und mit vertikalen Separatoren 4 abwechseln.
Jeder Endkasten ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet.
Die Separatoren 4 sind dünne Rahmen, welche Elektrodialyseabteile 7 zwischen
den Membranen 1, 2 und 3 begrenzen.
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2 zeigt in größerem Maßstab einen
Endkasten 5. Gemäß der Erfindung
weist der Endkasten 5 eine rechteckige vertikale Basisplatte 6,
eine Elektrode 7, einen Rahmen 8, eine vertikale
Platte 9 aus Lochmetall und eine Membrane 10 auf,
die für
Ionen selektiv permeabel ist (beispielsweise eine Membrane, die
für Kationen
selektiv permeabel ist). Gegenüber
dem Rahmen 8 hat die Basisplatte 6 einen vorspringenden
Umfangsrand 11. Die Basisplatte 6 und ihr Rahmen 11 begrenzen
einen vertikalen Hohlraum, in dem eine Elektrode 7 angeordnet
ist. Diese besteht aus einem vertikalen Metallblech, das im wesentlichen
in Ausrichtung mit der freien Seite des Randes 11 angeordnet
ist. Das Blech 7 ist an vertikale metallische Längsträger 12 gelötet, die
ihrerseits mit zylindrischen horizontalen Stangen 13 verlötet sind,
welche die Basisplatte 6 durchsetzen. Die Stangen 13 werden
an eine Gleichstromquelle angeschlossen, die nicht gezeigt ist.
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Der
vertikale Rahmen 8 liegt an dem Rand 11 der Basisplatte 6 an
und trägt
eine Lochmetallplatte 9. Die Platte 9 ist kleiner
als der Rahmen 8 und liegt in einer Hinterschneidung des
auskragenden Umfangsrandes 14. Zylindrische Zapfen 15,
deren Länge
im wesentlichen gleich der Dicke des Rahmens 8 ist, sind
an der Platte 9 befestigt. Die Zapfen 15 bestehen
aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus
Polytetrafluorethylen. Sie dienen dazu, die Platte 9 im
Abstand vom Blech 7 zu halten. Ihre Länge ist im wesentlichen gleich
der Dicke des Rahmens 8, vermindert um die Dicke der Platte 9.
Sie liegt beispielsweise im Bereich von 10 mm. Die Membrane 10 liegt
an der Platte. 9 und an ihrem Umfang aus Rand 14 des
Rahmens 8 an. Ein vertikaler Durchgang 19 wird
auf diese Weise in dem Kasten 5 zwischen der Elektrode 7 und
der Membrane 10 gebildet.
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Die
Basisplatte 6, der Rahmen 8, die Rahmen 4 und
die Membranen 10, 1, 2 und 3 sind
mit Querdurchtrittsöffnungen 16 versehen
(in den Membranen nicht sichtbar), die ausgerichtet sind, um Leitungen
für die
Zirkulation des Elektrolyten während des
Betriebes des Elektrodialysators zu bilden.
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In
dem Endkasten 5 begrenzt die Basisplatte 6 und
ihr Rand 11, der Rahmen 8 und die Membrane 10 zwischeneinander
eine Elektrolysekammer, welche die Elektrode 7 enthält. Die
Elektrode 7 ist eine Anode in einem der Kästen 5 und
eine Kathode in dem anderen Kasten 5. Kanäle 17 und 18,
die in der Basisplatte 6 ausgebildet sind, dienen für die Zufuhr eines
Elektrolyten zur Elektrolysekammer und für den Austrag der Produkte
der Elektrolyse.
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Während des
Einsatzes des Elektrodialysators nach den 1 und 2 zirkuliert
Elektrolyt in den Abteilen, welche zwischen den Membranen 1, 2 und 3 gebildet
sind, über
die Kanäle 16.
Man verbindet die Stangen 13 der Elektroden 7 mit
den Klemmen einer Gleichstromquelle, und man führt Elektrolyt (beispielsweise
eine wäßrige Lösung von
Natriumhydroxid) in die Endkästen 5 über die
Kanäle 17 ein.
Der Elektrolyt wird in Berührung
mit den Elektroden 7 zersetzt, wobei ein Gas freigesetzt
wird (im allgemeinen Sauerstoff an der Anode und Stickstoff an der
Kathode). Das Gas steigt in dem Durchgang 19 hoch, indem
es den zersetzten Elektrolyt mit sich reißt und tritt über den
Kanal 18 aus.
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Bei
der besonders vorteilhaften Ausführungsforrn
des Elektrodialysators, die in den Figuren dargestellt ist, ist
die Membrane 1 eine bipolare Membrane, die Membrane 2 eine
für Kationen
selektiv permeable Membrane, und die Membrane 3 eine Membrane,
die für
Anionen selektiv permeabel ist. Diese Anordnung aus drei Membranen
bildet einen Einsatz oder eine elementare Elektrodialysezelle und wiederholt
sich in mehreren Exemplaren (beispielsweise in etwa hundert Exemplaren)
zwischen den beiden Kästen 5.
Der Elektrodialysator gemäß dieser Ausführungsform
der Erfindung findet bei der Herstellung einer wäßrigen Natriumhydroxidlösung Anwendung,
ausgehend von einer wäßrigen Natriumchloridlösung.