DE60216430T2

DE60216430T2 - Anodenkonstruktion für elektrolysezellen mit quecksilberkathode

Info

Publication number: DE60216430T2
Application number: DE60216430T
Authority: DE
Inventors: Giovanni Meneghini
Original assignee: Industrie de Nora SpA
Current assignee: Industrie de Nora SpA
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: RU2280105C2; IL157051A0; ATE346966T1; EP1373601A2; US20040074765A1; ITMI20010643A0; US7214296B2; CZ302184B6; PT1373601E; HUP0303626A3; BR0208437A; RU2003131335A; IL157051A; PL369501A1; DE60216430D1; WO2002077326A2; WO2002077326A3; CZ20032613A3; HU229644B1; ES2275861T3

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Metallstruktur (im Folgenden als gitterartige Anordnung bezeichnet) für gasfreisetzende elektrochemische Reaktionen und insbesondere für anodische Reaktionen zur Chlorgasfreisetzung in einer Quecksilberkathodenzelle zur Elektrolyse von Natriumchlorid unter Erzeugung von Chlorgas und Natriumhydroxid. Ziel der Erfindung ist einerseits die Verringerung des Energieverbrauchs der Elektrolysezelle und andererseits die Verringerung der Kosten zur Wiederherstellung der elektrokatalytischen Beschichtung zur Chlorgasfreisetzung wenn letztere deaktiviert wird.
Die (Chloralkali-) Herstellung von Chlorgas und Natriumhydroxid, etwa 45 Millionen Tonnen Chlorgas pro Jahr, wird in unterschiedlichen Arten von elektrolytischen Zellen durchgeführt, unter denen elektrolytische Zellen mit Quecksilberkathoden eine besonders bedeutende Stellung einnehmen und zu einer Produktion von etwa 12 Millionen Tonnen Chlorgas pro Jahr beitragen.
In 1 ist eine typische Konstruktion einer derartigen Zelle dargestellt, die aus einem Eisengehäuse (1) besteht, an dessen Boden (2) das die Kathode bildende Quecksilberamalgam (3) fließt. Die Anode besteht aus zahlreichen Elektroden, die in einer gitterartigen Anordnung (4) ausgebildet sind und von beweglichen Rahmen (5) getragen werden, die vorzugsweise durch Mikroprozessoren gesteuert werden, deren Aufgabe es ist, den Spalt zwischen den Polen zu regulieren, der während des Betriebs der Zelle variieren kann.
Da 12 Millionen Tonnen Chlorgas pro Jahr mit Zellen unter den folgenden durchschnittlichen Betriebsbedingungen produziert werden:

Stromdichte: 10 kA/m²

Anoden/Kathoden-Spannung: 4,05 V

Faradaysche Ausbeute: 96 %

Energieverbrauch: 3.185 kWh/Tonne Cl₂,

ist diese Art der Technologie mit einem Energieverbrauch von etwa 38 Millionen MW/h pro Jahr verbunden.
Unter Berücksichtigung des hohen damit verbundenen Energieverbrauchs und der stetig steigenden Elektrizitätskosten, wurde die Zellentechnologie im Laufe der Jahre beträchtlich weiterentwickelt, um den Energieverbrauch zu reduzieren, welcher den wichtigsten Posten bei den Herstellungskosten ausmacht.
Unter den zahlreichen technologischen Innovationen, die am meisten zur Verringerung des Energieverbrauchs beigetragen haben, muss insbesondere der Ersatz der Opferanoden aus Graphit durch metallische Anoden hervorgehoben werden: Letztere bestehen üblicherweise aus Titan oder einem anderen Ventilmetall, das mit einem elektrokatalytischen Material beschichtet ist, welches üblicherweise auf Edelmetallen und/oder deren Oxiden basiert. Dieser Anodentyp, von dem ein Beispiel in US 3,711,385 beschrieben ist, wird von der Firma De Nora Elettrodi S.p.A., Italien, noch immer unter der Marke DSA^® vertrieben.
Sie besteht aus einer Metallstruktur, die, sich überlappend und miteinander verschweißt oder anderweitig fixiert, einen Rahmen und eine gitterartige Anordnung umfasst. Der Rahmen dient als mechanischer Träger und als Element zur Verteilung von elektrischem Gleichstrom an die Oberfläche der gitterartigen Anordnung, welche mit einem für die Chlorfreisetzungsreaktion spezifischen elektrokatalytischen Film beschichtet ist und die aktive Oberfläche der Anode bildet.
Die Geometrie der gitterartigen Anordnung spielt eine wichtige Rolle für die Effizienz des Elektrolyseprozesses und den Energieverbrauch einer Zelle, da sie in entscheidender Weise sowohl die Spannung als auch die Faradaysche Ausbeute des Prozesses beeinflusst. So kann die Anoden/Kathoden-Spannung einer Zelle (ausgedrückt in Volt) anhand der folgenden Beziehung berechnet werden: VAnode/Kathode = 3,15 + Kf × J,wobei J die aufgeprägte Stromdichte zur Durchführung des elektrolytischen Prozesses ausgedrückt in kA/m² ist und der Term K_f (oder „Schlüsselfaktor") alle auf Widerstände zurückgehenden Beiträge umfasst. Die wichtigsten Faktoren solcher Widerstandsbeiträge, nämlich der Spannungsabfall innerhalb der Anodenstruktur, der Spannungsabfall im Elektrolyten aufgrund von Blasenbildung und der Spannungsabfall im Elektrolyten aufgrund des Elektrodenabstandes hängen alle von der Anodengeometrie ab. Eine der Hauptaufgaben der Erfindung ist es daher, insbesondere die beiden letztgenannten Faktoren zu minimieren.
Der Blaseneffekt ist ein Maß für den Anstieg des ohmschen Widerstandes im Elektrolyten aufgrund von Gasbläschen, die sich auf der Anodenoberfläche der gitterartigen Anordnung bilden und Kontinuität innerhalb des Elektrolyten selbst unterbrechen. Der Blaseneffekt hängt insbesondere von der Anzahl und Größe der Gasbläschen ab, die auf der Anodenoberfläche der gitterartigen Anordnung gebildet werden und in deren unmittelbarer Nähe zwischen der Anode und der Kathode stagnieren. Er hängt außerdem von der Geschwindigkeit, mit welcher die Bläschen aufsteigen, und auch von der Geschwindigkeit, mit welcher der entgaste Elektrolyt hinunterfließt, ab.
Insgesamt hängt der Bläscheneffekt von der momentanen Stromdichte auf der Anodenoberfläche (welche die Menge der Bläschen bestimmt, die sich pro Zeiteinheit bilden), von der Geometrie der gitterartigen Anordnung (welche sowohl das Verhältnis zwischen tatsächlicher Arbeitsfläche, auf welcher Gas freigesetzt wird, und der projizierten Oberfläche, als auch den Widerstand für die Ableitung des Gases bestimmt), und von den gegebenenfalls zusätzlich vorgesehenen Einrichtungen ab, welche der Verbesserung der Fluiddynamik dienen. Insbesondere ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Geometrie für eine anodische gitterartige Anordnung bereitzustellen, welche den Blaseneffekt minimiert.
Selbst ohne Blaseneffekt ist der Spannungsabfall im Elektrolyten direkt proportional zum Abstand zwischen den Polen, so dass es extrem wichtig ist, die Anodenoberfläche so dicht wie möglich an die Quecksilberkathode heranzuführen, um so den Abstand zwischen den Anoden- und Kathodenoberflächen immer weiter zu verringern. Es ist jedoch notwendig, einen gewissen Sicherheitsabstand einzuhalten, um zu verhindern, dass Quecksilber an einigen Stellen die Anodenoberfläche berührt, was zu gefährlichen Kurzschlussereignissen führen kann. Aus diesem Grund kann der Elektrodenabstand um so kleiner gehalten werden, je besser die Planarität der Anodenstruktur ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Geometrie der anodischen gitterartigen Anordnung bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Planaritätseigenschaften aufweist.
Bei neuesten industriellen Zellen, die unter idealen Bedingungen arbeiten, liegt K_f, abhängig von der Elektrodengröße, dem Anodentyp und dem System zur Einstellung des Elektrodenabstandes, mit welchem die Zelle ausgestattet ist, üblicherweise zwischen 0,065 und 0,085 V m²/kA, wovon:

– 0,0070–0,0080 V m²/kA auf den Spannungsabfall innerhalb der Anodenstruktur zurückgehen;
– 0,0310–0,0410 V m²/kA auf den Blaseneffekt an der Anodenoberfläche zurückgehen;
– 0,0270–0,0360 V m²/kA auf den Spannungsabfall im Elektrolyten als Funktion des Abstandes zwischen den Polen zurückgehen.

Anders ausgedrückt gehen etwa 10 % des Wertes von K_f auf die Anodenstruktur, etwa 50 % auf den Blaseneffekt und die verbleibenden 40 % auf den Abstand zwischen den Polen zurück.
Für eine gegebene Zelle und unter vorgegebenen Prozessbedingungen ist der minimal erreichbare Wert von K_f eine Anodeneigenschaft, die hauptsächlich von den Merkmalen der gitterartigen Anordnung abhängt (in der Größenordnung von etwa 90 %), da er von der Ausdehnung des durch den Blaseneffekt beeinflussten Bereichs und von der Planarität der gitterartigen Anordnung selbst abhängt.
Aus diesem Grund war die gitterartige Anordnung selbst seit der Einführung von Metallanoden Gegenstand zahlreicher Erfindungen, von denen an die folgenden aufgrund ihrer industriellen Bedeutung erinnert werden soll:

– Die bereits genannte Metallanode aus US 3,711,385 , die in den frühesten industriellen Ausführungsformen eine aus Netzen bestehende gitterartige Anordnung umfasste, oder die, noch üblicher, aus zahlreichen Titanstäben mit etwa 3 mm Durchmesser und 4,5 mm Abstand zueinander bestand, die parallel angeordnet und von einem Stromverteilerrahmen getragen wurden, der selbst wiederum aus rechteckigen Titanleitern bestand. Obwohl zum Zeitpunkt der Einführung sehr erfolgreich, wies diese Anordnung einige größere Einschränkungen auf, die sowohl auf den Blaseneffekt als auch auf den Abschirmungseffekt der Stangen auf die Kathodenoberfläche zurückgingen, was mit Schwierigkeiten bei der Elektrolytzirkulation und der Gasableitung beim Betrieb mit hohen Stromdichten und geringen Elektrodenabständen verbunden war. Die besten industriellen Ergebnisse mit derartigen Anoden, die üblicherweise als „stangenartige Anode" bezeichnet werden, sind beim Betrieb mit 10 kA/m² wie folgt:

Anoden/Kathoden-Spannung:	4,00 V
K_f:	0,085 V m²/kA
Faradaysche Ausbeute:	∼ 96 %
Energieverbrauch:	3.146 kWh/Tonne Cl₂

Um diese Nachteile zu überwinden schlägt das US-Patent 4,263,107 den Einsatz von hydrodynamischen Ablenkblechen vor, die im oberen Bereich der gitterartigen Anordnung montiert werden und die eine Konvektionsströmung erzeugen, um so den Blaseneffekt zu verringern, die Fluiddynamik zu verbessern und eine wirksame Erneuerung des Elektrolyten zu gewährleisten.
Der Abschirmungseffekt der Stangen wurde anschließend durch Einführung der US 4,364,811 beschriebenen Erfindung verringert, gemäß welcher eine gitterartige Anordnung aus zahlreichen, als Leisten bezeichneten, rechteckigen Streifen mit etwa 1,5 mm Dicke, 5 mm Höhe und 4,0 mm Abstand, die senkrecht zur Kathode angeordnet sind, mit dem Rahmen des Standes der Technik verbunden wurde. Die besten mit diesem Anodentyp erhältlichen industriellen Ergebnisse waren beim Betrieb mit 10 kA/m² wie folgt:

Anoden/Kathoden-Spannung: 3,90 V

K_f: 0,075 V m²/kA

Faradaysche Ausbeute: ∼ 96 %

Energieverbrauch: 3.067 kWh/Tonne Cl₂
Noch bessere Resultate konnte man dadurch erzielen, dass man die hydrodynamischen Mittel aus US 4,263,107 mit einer aus dreieckigen Streifen bestehenden gitterartigen Anordnung verbunden hat, deren Spitzen zur Quecksilberkathode gerichtet waren, wie dies im italienischen Patent Nr. 1.194.397 beschrieben ist. Mit dieser neuartigen Konfiguration, bei welcher die dreieckigen Streifen typische Abmessungen von 2,2 mm Basislänge, 3,7 mm Höhe, abgerundete Spitzen mit 0,5 mm Durchmesser und einen Abstand (gemessen als Abstand zwischen den Achsen von zwei aufeinanderfolgenden Streifen) von 3,5 mm aufwiesen, führte zu einer beträchtlichen Verringerung des Blaseneffektes und des Abschirmungseffektes der Stangen, sowie zu einer merklichen Verbesserung der Fluiddynamik.
Die mit diesem Anodentyp, der noch immer von De Nora Elettrode S.p.A. unter der Marke RUNNER^® vertrieben wird, betrugen bei 10 kA/m²:

Anoden/Kathoden-Spannung: 3,80 V

K_f: 0,065 V m²/kA

Faradaysche Ausbeute: ∼ 96 %

Energieverbrauch: 2.988 kWh/Tonne Cl₂
Eine alternative Lösung wurde im US-Patent US 5,589,044 vorgeschlagen, in welchem ein ähnlicher Rahmen wie in den vorhergehenden Fällen beschrieben wurde, der mit einer gitterartigen Anordnung aus zahlreichen rechteckigen Streifen verbunden ist, die speziell dahingehend ausgestaltet waren, die tatsächliche Oberfläche auf den vertikalen Flächen zu erhöhen und den Effekt stagnierender Bläschen an der zur Kathode gerichteten Fläche zu verringern. Obwohl die mit einer solchen gitterartigen Anordnung erzielten Ergebnisse besser sind als diejenigen, die man mit der gitterartigen Anordnung aus US 4,364,811 erzielen kann, sind sie dennoch schlechter als die mit der gitterartigen Anordnung aus IT 1.194.397 erzielten Ergebnisse.
Die oben beschriebenen gitterartigen Anordnungen des Standes der Technik, die zwar hinsichtlich ihrer hydrodynamischen Eigenschaften, hinsichtlich des Blaseneffekts und hinsichtlich des Abschirmungseffekts auf die Kathode unterschiedlich sind, stimmen dennoch in zwei unterschiedlichen Aspekten überein:

– die Planarität der Anodenoberfläche ist insgesamt aufgrund der Tatsache beeinträchtigt, dass die Toleranzen der zahlreichen die gitterartige Anordnung bildenden Bauelemente (Stangen, Leisten oder Streifen) und der zur Befestigung der letzteren am Rahmen erforderlichen Schweißstellen zu den Toleranzen des Rahmens selbst hinzukommen. Bei allen gitterartigen Anordnungen des Standes der Technik betragen die üblichen Toleranzen entlang der Anodenoberfläche, obwohl auf kontrollierte und ausgefeilte (und daher kostenträchtige) Bearbeitungsmethoden zurückgegriffen wird, zwischen 0,5 und 1 mm.
– Die Wiederherstellung der katalytischen Eigenschaften von verbrauchten Elektrodenstrukturen (die, abhängig von den Betriebsbedingungen der Anlage, in Zyklen im Bereich von 2 bis 5 Jahren wiederholt werden muss ist mit komplexen und sehr teuren Arbeiten verbunden, die aus der Beseitigung der verbrauchten Schicht mit mechanischen (Sandstrahlen) und chemischen (Ätzen) Methoden bestehen, die häufig mechanische Verformungen hervorrufen. In einigen Fällen sind daher vor (oder nach) dem Auftragen einer neuen katalytischen Schicht zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich, um die Planarität der gitterartigen Anordnung wiederherzustellen,. Die Leistungsfähigkeit einer reaktivierten Anode entspricht praktisch nie derjenigen einer neu konstruierten Anode, weil die Wiederherstellung der Planarität niemals perfekt gelingt und weil die Beseitigung der verbrauchten Beschichtung manchmal nicht vollständig durchgeführt werden kann oder weil das die gitterartige Anordnung selbst bildende Material morphologischen Veränderungen unterliegt, die nicht vollständig reversibel sind. Schließlich ist es zwingend erforderlich, die gesamte elektrokatalytische Beschichtung selbst dann zu beseitigen, wenn nur ein Teil davon verbraucht ist, um die vollständige Betriebsfähigkeit der aktiven Oberfläche wiederherstellen zu können. Damit ist ein beträchtlicher und überflüssiger Verbrauch von Material verbunden, das aus extrem teuren Edelmetallen wie beispielsweise Ruthenium, Iridium, Platin usw. besteht.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue gitterartige Anordnung bereitzustellen, welche die Probleme des Standes der Technik überwindet, die vom Blaseneffekt, der Fluiddynamik, der Planarität der Anodenoberfläche und den mit der Reaktivierung von verbrauchten Elementen verbundenen Nachteilen herrühren.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, welche eine axonometrische Ansicht einer anodischen gitterartigen Anordnung zeigt.
Letztere umfasst zahlreiche Leisten (6) aus Ventilmetall, beispielsweise reinem oder legiertem Titan, die im allgemeinen parallel zueinander angeordnet und senkrecht an mehreren Trägerelementen, beispielsweise Stäben (7) befestigt sind, welche vorzugsweise aus dem gleichen Ventilmetall wie die Leisten (6) bestehen. Auf letzteren ist vorzugsweise eine für die Chlorgasentwicklung spezifische elektrokatalytische Beschichtung aufgebracht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrokatalytische Beschichtung wenigstens auf den senkrechten Wänden der Leisten oder wenigstens einem Teil davon aufgebracht. Die elektrokatalytische Beschichtung ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, nur auf einem Teil der Fläche der gitterartigen Anordnung oder auf ihrer gesamten Fläche aufgetragen.
Die erfindungsgemäße gitterartige Anordnung muss an einem entweder neuen oder gebrauchten Rahmen fixiert werden, der als mechanischer Träger und als Stromleiter/verteiler zur gitterartigen Anordnung selbst dient. Die Größe der neuen gitterartigen Anordnung kann entsprechend den Abmessungen des Rahmens, an welchem sie fixiert werden muss, und der Größe der Zelle, in welcher sie installiert werden muss, variieren. Rein exemplarisch sieht ein Rahmen gemäß Stand der Technik die Verwendung einer Fläche der der gitterartigen Anordnung von etwa 700 mm × 800 mm vor. Die Dicke der Leisten (6) liegt zwischen 0,2 und 1 mm und besonders bevorzugte Werte liegen zwischen 0,3–0,5 mm. Die Höhe der Leisten liegt im Bereich von 8 bis 20 mm, vorzugsweise 12 mm. Die Abstand zwischen zwei benachbarten Leisten liegt im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm, und vorzugsweise bei 2,0 mm. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Leisten (6) bei einer gitterartigen Anordnung mit einer Fläche von 700 mm × 800 mm senkrecht mit deren oberem Bereich mit 4 Titanstäben von 2–3 mm Durchmesser, die dann als Trägerelemente (7) dienen, verschweißt. Die Anzahl, Abmessungen und Art der Trägerelemente (7) können jedoch in Abhängigkeit von den Abmessungen der gitterartigen Anordnung, der Art des stromverteilenden Rahmens und anderen, mit den Prozessparametern zusammenhängenden Aspekten variieren.
Die beschriebene Anordnung hat sich als überraschend wirksam im Hinblick auf die Minimierung des Blaseneffektes und die Verbesserung der Fluiddynamik herausgestellt. Außerdem hat die besondere Geometrie der Leisten einen positiven Einfluss auf die Planarität der Elektrode und beseitigt gleichzeitig die Notwendigkeit, kostenträchtige und schädliche Reaktivierungen durchzuführen. So stellt man fest:

– Der spezielle Typ der gitterartigen Anordnung mit langen und voneinander beabstandeten Leisten, die auf ihren vertikalen Wandflächen katalytisch aktiviert sind, ermöglicht das Abschleifen ihrer Oberflächen nach dem Zusammenbau und der Aktivierung. Anders ausgedrückt: Statt die Toleranzen des Rahmens, der die gitterartige Anordnung bildenden Elemente und der entsprechenden Schweißverbindungen zur Festlegung der Gesamttoleranz aufzusummieren, ist es nun möglich, die vorab aktivierte gitterartige Anordnung mit dem Rahmen zusammenzubauen und die später zur Kathode gerichtete Oberfläche insgesamt abzuschleifen (oder in äquivalenter Weise mechanisch zu bearbeiten), so dass die Gesamttoleranzen 0,2 mm (± 0,1 mm) nicht übersteigen. Damit ist es möglich, die Abstände zwischen den Polen sehr klein zu halten, ohne gefährliche und schädliche lokale Kurzschlussereignisse zu riskieren. Die beschriebene Maßnahme ist zwar mit einer Abtragung von Leistenmaterial verbunden, wobei auch katalytisches Beschichtungsmaterial auf der zur Quersilberkathode gerichteten Oberfläche beseitigt wird (welche der Dicke der Leisten entspricht). Diese Beseitigung stellt kein Problem dar, da die wirksame katalytische Beschichtung praktisch nur diejenige ist, welche auf den senkrechten Wänden der Leisten abgeschieden wurde.
– Die Länge der Leisten führt dazu, dass nur ein Teil der aktivierten vertikalen Oberfläche eine aktive Arbeitsfläche darstellt und somit nur ein Teil der elektrokatalytischen Beschichtung einem Verbrauch unterliegt. Sobald dieser Teil der Beschichtung, welcher auf der Leiste einigen Millimetern entspricht, verbraucht ist, reicht es aus, die Leisten neu abzuschleifen, so dass der verbrauchte Teil beseitigt wird, statt die Anode einer Reaktivierung mit all den oben beschriebenen damit zusammenhängenden Nachteilen zu unterziehen. Dieses Vorgehen ermöglicht beträchtliche Einsparungen hinsichtlich der elektrokatalytischen Beschichtung und eine beträchtliche Verringerung der Herstellungsdauer, wobei insbesondere zu berücksichtigen ist, dass dieser Vorgang mehr als einmal wiederholt werden kann, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Gesamtlebensdauer der Anode, zu extrem verringerten Herstellungskosten und zu Anoden/Kathoden-Zellspannungen beiträgt, die sich während des gesamten Anodenlebenszyklus praktisch nicht verändern.

Bei einer Stromdichte von 10 kA/m², lieferte eine gitterartige Anordnung von 700 mm × 800 mm mit den oben beschriebenen bevorzugten Abmessungen (Leisten 12 mm hoch, 0,3 mm dick, im Abstand von 2,0 mm), welche mit den hydrodynamischen Mitteln zur Erzeugung einer konvexen Strömung gekoppelt ist, wie sie in US 4,263,107 beschrieben wurden, die folgenden Ergebnisse:

Anoden/Kathoden-Spannung: 3,60 V

K_f: 0,045 V m²/kA

Faradaysche Ausbeute: ∼ 96 %

Energieverbrauch: 2.832 kWh/Tonne Cl₂,

was einer Gesamteinsparung von etwa 150 kWh/Tonne Cl₂ verglichen mit den besten Leistungsdaten der RUNNER^®-Elektrode und von etwa 250 kWh/Tonne Cl₂, verglichen mit den leistenartigen Anoden des Standes der Technik (gemäß der Lehre der US 4,364,811 ) entspricht. Ohne die Erfindung an eine bestimmte Theorie binden zu wollen, können die folgenden Gründe für diese völlig überraschende Leistung in Betracht gezogen werden:

– Eine geringere Leistenfläche liegt dem Quecksilber gegenüber: 0,3 mm gemäß dem Beispiel der Erfindung, gegenüber 1,5 bzw. 0,5 mm bei der gitterartigen Anordnung aus US 4,364,811 und der RUNNER^®-Elektrode gemäß ihrer bekannten industriellen Ausführungsform. Dieser Faktor ermöglicht geradezu eine Verringerung der Bläschenstagnation in dem zur Kathode gerichteten Bereich der Anodenoberfläche, was zu einer Verbesserung der Faradayschen Ausbeute bei minimalem Elektrodenabstand führt.
– Der Spannungsverlust im Elektrolyten wird verringert, da aufgrund der verbesserten Ebenheit der gitterartigen Anordnung, die durch die längsgerichteten Teile der Leisten begrenzt wird, welche zur Kathode gerichtet sind und eine maximale Toleranz von 0,2 mm gegenüber 0,5–1 mm, die bestenfalls mit gitterartigen Anordnungen des Standes der Technik erreichbar waren, aufweisen, ein geringerer Abstand zwischen den Polen aufrechterhalten werden kann.
– Eine größere tatsächliche Anodenoberfläche ist einerseits durch Erhöhung der Anzahl der Leisten pro projizierter Flächeneinheit (2,3 mm Gitterabstand gemäß hier beschriebenem Beispiel, gegenüber 3,5–4,0 mm im Stand der Technik) und andererseits durch den verringerten Effekt der Blasenstagnation, der diesen Faktor ebenfalls beeinflusst, möglich.
– Verbesserte Fluiddynamik aufgrund der Höhe der Leisten: 12 mm gemäß dem vorliegenden Beispiel gegenüber typischerweise 5,0 und 3,7 mm bei den gitterartigen Anordnungen aus US 4,364,811 und IT 1.194.397 (RUNNER^®). Die größere Höhe führt zu einem wirksamen „Kamineffekt" mit damit einhergehender schneller Erneuerung des Elektrolyten an der Elektrodenoberfläche und einer weiteren Reduzierung des Blaseneffektes aufgrund der höheren Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen.

Claims

Anode zur Chlorfreisetzung bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse mit Quecksilberkathode, bestehend aus einem stromverteilenden Rahmen und einer gitterartigen Anordnung aus Titan oder einer Titanlegierung oder einem anderen Ventilmetall oder einer Ventilmetalllegierung, welche zahlreiche im Allgemeinen parallele Leisten umfasst, die an zahlreichen Trägerelementen befestigt sind, wobei die Leisten eine Dicke zwischen 0,2 und 1 mm und eine Höhe zwischen 8 und 20 mm aufweisen und der Abstand zwischen einer Leiste und der folgenden zwischen 1,5 und 2,5 mm beträgt, wobei wenigstens die senkrechten Hauptflächen der Leisten mit einer elektrokatalytischen Beschichtung zur Chlorfreisetzung versehen sind und wobei die der Quecksilberkathode zugewandten Flächen der Leisten mechanisch so bearbeitet sind, dass eine Ebene definiert wird, die eine Toleranz von höchstens 0,2 mm aufweist
Anode gemäß Anspruch 1, wobei die Dicke der Leisten zwischen 0,3 und 0,5 mm beträgt.
Anode gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Oberseite der gitterartigen Anordnung hydrodynamische Mittel zur Erzeugung von Konvektionsbewegungen umfasst.
Anode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trägerelemente aus Stäben bestehen.
Anode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leisten eine Höhe von 12 mm aufweisen, der Abstand zwischen benachbarten Leisten 2,0 mm beträgt und die Trägerelemente als Stäbe mit einem Durchmesser zwischen 2 und 3 mm ausgebildet und senkrecht an der Oberseite der Leisten befestigt sind.
Anode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zahlreichen Leisten durch Verschweißen an den zahlreichen Trägerelementen befestigt sind.
Verfahren zur Herstellung der Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei man die Leisten mit der elektrokatalytischen Beschichtung aktiviert, die gitterartige Anordnung zusammenbaut und anschließend die Oberfläche der gitterartigen Anordnung, welche zur Quecksilberkathode gerichtet sein soll, mechanisch so bearbeitet, dass die Planarität der Oberfläche gewährleistet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die mechanische Bearbeitung ein Schleifvorgang ist.
Verfahren zur Reaktivierung der Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei man einen Bereich der Leisten mechanisch entfernt, in welchem die elektrokatalytische Beschichtung verbraucht ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das mechanische Entfernen durch Abschleifen erfolgt.
Verwendung einer Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Natrumchloridzelle mit Quecksilberkathode zur Herstellung von Chlorgas.