-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Elektrochemische
Zellkonstruktionen werden als ungeteilt bezeichnet, wenn die Lösung, die elektrolytisch
zersetzt wird, frei an der Anode und der Kathode vorbeiströmt, oder
werden als geteilt bezeichnet, wenn die Kathode und die Anode voneinander
durch eine ionendurchlässige
Membran getrennt sind, die ein Vermischen der mit der Kathode in
Kontakt kommenden Lösung
(Katholyt) mit der mit der Anode in Kontakt kommenden Lösung (Anolyt)
verhindert. Obwohl sie konzeptionell einfach sind, leiden geteilte
Zellen im Vergleich mit ungeteilten Zellen in der Praxis unter Nachteilen.
Der erste Nachteil ist der Bedarf an einer teilenden, ionendurchlässigen Membran,
die die Zellgesamtspannung erhöht
und Stabilitäts-,
Vergiftungs-, Druckunterschieds- und
Temperaturbeschränkungen
zur Folge hat, die beim kommerziellen Betrieb ein regelmäßiges Demontieren
der Zelle notwendig machen können.
Außerdem
erhöhen die
zwei getrennten Lösungen,
die rezirkuliert werden müssen,
bei einem bestimmten Verfahren den notwendigen Pump-, Tankkapazitäts- und
Rohrleitungsbedarf. Die geteilte Zelle ist jedoch typischerweise
in Situationen notwendig, bei denen die gewünschte Chemie an der Arbeitselektrode
durch Kontakt mit der Gegenelektrode oder durch Reaktionsprodukte,
die an der Gegenelektrode erzeugt werden, nachteilig beeinflusst
wird. Wenn beispielsweise eine Reduktion an der Kathode elektrochemisch
reversibel ist, dann würden
die an der Kathode eingebrachten Elektronen an der an Anode entzogen,
was zu einem unproduktiven Redoxzyklus führen würde. Entsprechend wäre, wenn
eine an der Kathode erzeugte Spezies sauerstoffempfindlich ist und sich
Sauerstoff an der Anode entwickelt, ein Kontakt mit dem Anodenprodukt
Sauerstoff für
das kathodische Reduktionsverfahren schädlich.
-
Die
WO 91/00379 beschreibt eine Elektrolysezelle für Elektrolyseverfahren, bei
denen sich Gas entwickelt, die parallele Platten aufweist, die die
Bewegung der Gasblasen steuern. Der Artikel "Studies of three-dimensional electrodes
in the FM01-LC laboratory electrolyser", C. J. Brown et al., Journal of Applied
Electrochem., 24 (1994), Seiten 95–106 vergleicht die Leistung
einer dreidimensionalen Elektrodenkonfiguration.
-
Es
wäre sehr
gewünscht,
ein Verfahren und eine Zellkonfiguration zu haben, die die Leistungsvorteile
einer geteilten Zellkonfiguration in einer ungeteilten Zelle zur
Anwendung bei solchen Reaktionssystemen bereitstellen. Die Erfindung
der Anmelder befriedigt diesen Bedarf.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Beschreibung liefert:
-
Eine
erste veranschaulichende Ausführungsform,
die eine Arbeitselektrode zur Verwendung in einer ungeteilten elektrochemischen
Zelle ist, die ein dreidimensionales, zickzackgefaltetes Plattenelement
mit einer offenen Fläche
von 0 bis 50% umfasst.
-
Eine
erste Ausführungsform
der Erfindung ist eine ungeteilte elektrochemische Zelle, die: Gegenelektrode,
Stromversorgungsmittel, Arbeitselektrode, die aus mindestens einem
dreidimensionalen, zickzackgefalteten flächigen Element mit einer offenen Oberfläche von
Null bis 50% zusammengesetzt ist, wobei die Arbeitselektrode mit
dem Stromversorgungsmittel verbunden ist und zwischen der Gegenelektrode
und dem Stromversorgungsmittel angeordnet ist, Mittel zum Bewirken
des Zirkulierens von Elektrolyt, der das zu behandelnde Ausgangsmaterial
enthält,
durch die Zelle in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der
Richtung der Falten in dem flächigen
Teil und isolierendes Gehäuses
umfasst, das die Gegenelektrode, Stromversorgungsmittel und Arbeitselektrode
umschließt
und das zu einer Beschränkung
der Elektrolytströmung
senkrecht zu den Falten in dem flächigen Teil führt.
-
Eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zur elektrochemischen Behandlung eines
Metalle-haltigen Kohlen wasserstoffstroms in einer ungeteilten elektrochemischen
Zelle gemäß einem
der Ansprüche
1 bis 5.
-
Die
vorliegende Erfindung kann geeigneterweise die hier beschriebenen
Elemente umfassen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
1A veranschaulicht eine
erfindungsgemäße "zickzack- oder Z-gefaltete", dreidimensionale Elektrode.
-
1B veranschaulicht eine
Querschnittsansicht für
ein Isolierungsmittel als Gehäuse
für die zickzack-
oder Z-gefaltete Elektrode von 1A.
-
2 ist eine Auftragung der
Gesamtvanadiumkonzentration und der Konzentration von zwei Vanadium-haltigen
Spezies in ppm (y-Achse) gegen die Zeit (x-Achse) für eine herkömmliche
ungeteilte Zelle.
-
3 ist eine Auftragung der
Gesamtvanadiumkonzentration und der Konzentration von zwei Vanadium-haltigen
Spezies in ppm (y-Achse) gegen die Zeit (x-Achse) für eine herkömmliche
geteilte Zelle.
-
3 ist eine Auftragung der
Gesamtvanandiumkonzentration und der Konzentration von drei Vanadium-haltigen
Spezies in ppm (y-Achse) gegen die Zeit (x-Achse) in einer erfindungsgemäßen ungeteilten
Zelle.
-
5A veranschaulicht eine
Aufsicht der Elektrodenstapelkonfiguration, die die zickzack- oder Z-gefaltete,
drei – dimensionale
Arbeitselektrode in einer kommerziell erhältlichen Zelle enthält.
-
5B ist eine Seitenansicht
der Elektrodenstapelkonfiguration von 5A.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte ungeteilte elektrochemische
Zellkonfiguration, eine neuartige Arbeitselektrodenkonfiguration,
die dabei verwendet wird, und ein Verfahren zur Behandlung von Reaktanten
bereit, das Zwischenprodukte oder Spezies erzeugt, die elektrochemisch
reversibel sind oder ansonsten in Gegenwart der entgegengesetzt
geladenen Elektrode (d. h. der Gegenelektrode) unerwünschte Reaktionen
eingehen.
-
Ein
Element der Erfindung liefert eine Elektrode, die aus einem dreidimensionalen,
zickzack- oder Z-gefalteten oder -gefalzten Teil zusammengesetzt
ist. Es kann massiv oder porös
sein, d. h. eine Porosität
von 0 bis 50% offene Fläche.
Typischerweise besteht es aus Metall, dies schließt jedoch
die Verwendung von anderen Materialien, z. B. Kohlenstoff, nicht
aus, vorausgesetzt, sie können
in die erforderliche Form gebracht werden und sind ansonsten als Arbeitselektrode
in dem bestimmten Verfahren geeignet.
-
Die
Erfindung liefert einen elektrochemischen Reaktor oder eine elektrochemische
Zelle, der oder die die neuartige dreidimensionale Elektrode umschließt. Der
Reaktor oder die Zelle hat eine Elektrolytkabine oder -kammer zum
Einbringen des Elektrolytmediums, das das elektrochemisch zu behandelnde
Material enthält,
Mittel zum Einspeisen von Strom in die Zelle und Mittel zum Strömenlassen
von Elektrolyt durch die Zelle. Die Elektrolytkammer ist definiert
durch einen oberen Bereich, der das Stromvesorgungs- oder -zuführungsmittel
ist, vorzugsweise eine Platte, und einen unteren Bereich, der parallel
zu dem oberen Bereich verläuft
und der eine Gegenelektrode für
die dreidimensionale, gefaltete oder Z-förmige Arbeitselektrode ist,
und nicht leitende Strömungsverteiler
und Abstandhalter definieren die Seiten der Kammer. Die dreidimensionale
gefaltete Elektrode ist in der Elektrolytkammer angeordnet und mit
dem Stromversorgungsmittel verbunden. Der Elektrolyt in der Elektrolytkabine
befindet sich in Kontakt mit der dreidimensionalen, gefalteten Arbeitselektrode.
Die gefalteten Flächen
sind typischerweise komprimiert, um eine dreidimensionale Arbeitselektrode
zu bilden. Die Anzahl der Flächen
und die Dicke jeder Faltung werden durch Reaktor- und Verfahrensparameter
beeinflusst und können
vom Fachmann ausgewählt
werden.
-
Insbesondere
umfasst der ungeteilte Reaktor oder die ungeteilte Zelle der vorliegenden
Erfindung mindestens ein Paar von entgegengesetzt polarisierten
Elektroden, die ein Elektrodenpaar bilden, das eine erste Elektrode
enthält,
die eine dreidimensionale Elektrode ist, die aus mindestens einem
zickzack- oder Z-gefalteten
flächigen
oder Plattenteil zusammengesetzt ist. In allen Fällen ist erforderlich, dass
die Porosität
der Platte von Null bis weniger als 50% offene Flächen beträgt. Bevorzugt
sind Platten mit einer geringeren prozentualen offenen Fläche, und
eine gleichförmigen
Verteilung der offenen Fläche
ist, wenn diese vorhanden ist, bevorzugt. Wenn die Arbeitselektrode
porös ist
(d. h. die offene Fläche größer als
Null ist und weniger als 50% beträgt), kann sie ein beliebiger
Typ poröse
Platte sein, wie Streckgitter, perforierte oder gestanzte Löcher oder
Webdrahtgewebe, Fasern oder Fäden.
Die Platte ist vorzugsweise eine dünne Platte, weil dickere Platten dazu
neigen, das Volumen der elektrolytischen Apparatur zu erhöhen. Die
Maße der
Platte können
vom Fachmann auf der Basis des gesamten Zellaufbaus und der elektrochemischen
Reaktion, die durchgeführt
wird, ausgewählt
werden. Die Maße
der Platte (d. h. Dicke, Länge,
Durchmesser) können
angesichts des gesamten Zellaufbaus variiert werden. Typischerweise
sind die Faltungen oder Falten so, dass die Platte eine Länge hat,
die größer als
ihre Breite ist, andere Geometrien wie gefaltete Quadrate und gefaltete
kreistörmige
Scheiben sind jedoch nicht ausgeschlossen, mit der Maßgabe, dass
in jedem Fall insgesamt die Elektrolytströmungsrichtungparallel zu den
Faltungen/Falten in der Platte ist (diese Richt tung wird durch den
Pfeil (1) in 1A angegeben)
und die Querströmung
(d. h. senkrecht zu der Richtung des Pfeils wie in 1A angegeben) wie nachfolgend beschrieben
minimiert wird. Die Elektrodenmaterialien werden geeigneterweise
angesichts des elektrochemischen Verfahrens, das durchgeführt wird,
und in Abhängigkeit
davon ausgewählt,
ob die Elektrode als die Kathode oder die Anode wirken soll.
-
Die
Reaktorkomponenten können
käuflich erworben
werden oder können
durch Verfahren und unter Verwendung von Materialien gebaut werden, von
denen in der Technik bekannt ist, dass sie für die elektrochemische Reaktion,
die durchgeführt
wird, geeignet sind (z. B. C. J. Brown, D. Pletcher, F. C. Walsh,
J. K. Hammond, D. Robinson, Journal of Applied Electrochemistry,
1994, 24, Seiten 95–106, US-A-3
457 152). Eine geeignete Zelle wäre
beispielsweise die SM01, die von ICI Industries, Großbritannien,
erhältlich
ist. Materialien, die zur Bildung der dreidimensionalen, gefalteten
oder gefalzten Elektrode verwendet werden, können kommerziell bezogen werden.
Die Verarbeitung zu gefalteten Teilen kann unter Verwendung von
bekannten Techniken erfolgen.
-
Die
dreidimensionale Elektrode ist parallel zu und getrennt von einer
Gegenelektrode, und ein Stromversorger ist verbunden mit und wird
verwendet, um Strom von der Elektrode, die als die Kathode wirkt,
zu der Elektrode, die als die Anode wirkt, zu leiten. Strömungsverteilungsmittel
bringen Elektrolyt, der das zu behandelnde Ausgangsmaterial hält, ein und
zirkulieren ihn durch die Zelle in einer Netto- oder Massenströmungsrichtung
parallel zu den Falten oder Faltungen in der dreidimensionalen Elektrode und
zirkulieren den Elektrolyt durch die Zelle in Kontakt mit den Elektroden.
Zwischen und im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Faltungen
der Arbeitselektrode und der Gegenelektrodenplatte befinden sich
nicht reaktive Abstandshalter, um einen direkten Kontakt der Anode
mit der Kathode, d. h. einen Kurzschluss, zu verhindern. Die Positionierung der
Abstandshalter kann wie typischerwese in der Technik erfolgen. Vorzugsweise
sind Gegenelektrode und Stromversorgungsmittel Plattenstrukturen
und sind parallel zueinander. Das Strömungsverteilungsmittel liefert
einen Einlass zum Einführen
des Elektrolyten, der das zu behandelnde Ausgangsmaterial enthält, in und
einen Auslass zum Entfernen desselben aus der Zelle und wird verwendet,
um den Kontakt des Elektrolyten mit der Gegenelektrode zu minimieren
und die Strömung
des Elektrolyten durch die Falzungen oder Faltungen der Arbeitselektrode
zu maximieren. Die allgemeine Richtung der Strömung durch die Zelle verläuft im Wesentlichen
parallel zu den Faltungen oder Falzungen in der dreidimensionalen
Arbeitselektrode. Die Anwesenheit von Poren in den zickzackgefalteten
Platten des Arbeitselektrodenstapels kann zu einer gleichmäßigeren
Potentialverteilung durch den Stapel führen. Somit verläuft, obwohl
ein Teil des Elektrolyten an der Gegenelektrode vorbeiströmt (um den
Stromkreis zu schließen),
im Wesentlichen die gesamte Strömung
durch die dreidimensionale, gefalzte Arbeitselektrode, um die Reversibilität der redoxaktiven
intermediären
Spezies oder unerwünschte
Nebenreaktionen, die an der Gegenelektrode stattfinden, zu vermindern
oder zu minimieren. Die 1A, 5A und 5B veranschaulichen den Aufbau der neuartigen
Arbeitselektrode. 1B veranschaulicht
das Isolierungsmittel, d. h. die Zellverkleidung oder das Zellgehäuse, in
der oder dem der Elektrodenstapel untergebracht ist, um die Querströmung des
Elektrolyten um die neuartige Arbeitselektrode herum zu minimieren.
-
Der
Vorteil der erfindungsgemäßen dreidimensionalen,
gefalteten Elektrode ergibt sich aus ihrer einzigartigen Struktur
anstatt aus den besonderen Materialien, aus denen sie zusammengesetzt
ist. Somit ist die neuartige Elektrode/der neuartige Aufbau der
elektrochemischen Zelle zur Anwendung in jeder beliebigen elektrochemischen
Reaktion geeignet, die Zwischenprodukte oder Spezies erzeugt, die
elektrochemisch reversibel sind oder ansonsten nicht zu gewünschten
Endprodukten umgewandelt werden würden, wenn sie mit der Gegenelektrode
in Kontakt kämen.
Die erfindungsgemäße dreidimensionale,
gefaltete Arbeitselektrode ergibt somit die Vorteile einer geteilten
elektrochemischen Zelle in einer ungeteilten Zellkonfiguration.
-
Die
erfindungsgemäße gefaltete
Elektrodenkonfiguration und der Weg des Elektrolyten durch sie hindurch
unterscheiden sich von in der Technik bekannten dreidimensionalen
Elektroden wie Sieben und Strukturen vom Honigwabentyp, bei denen
die Poren oder Kanäle
in den Elektrodenplatten regelmäßig definiert
und orientiert sind und die Strömung
des Elektrolyten durch die Struktur der Elektrode nicht beschränkt wird,
um die Strömung
um die dreidimensionale Elektrode herum und den Kontakt des Elektrolyten
mit der Gegenelektrode (d. h. Strömung) und Umströmung zu
verhindern oder zu minimieren. Die gestapelten Gittersiebe, Metallschäume, gestapelten Netze
und gestapelten Gitter, die typischerweise bei der Konstruktion
von in der Technik bekannten dreidimensionalen Elektroden eingesetzt
werden, werden typischerweise in Mustern aufgebaut, die eine Strömung durch
und um die Elektrode herum ergeben, und können zufällig oder regelmäßig orientiert
sein. Vorzugsweise wird die Arbeitselektrode so aufgebaut, dass
sie einen verbesserten Kontakt des zu behandelnden Elektrolyten
und Ausgangsmaterials mit der Arbeitselektrode ermöglicht,
während
der Kontakt des Ausgangsmaterials und der redoxaktiven Zwischenprodukte
mit der Gegenelektrode minimiert wird. Dies hält eine Trennung der neuartigen
Elektrode und der Gegenelektrode trotz der Zirkulierung des Elektrolyten
effektiv aufrecht, so dass in dem System der Anmelder die Lösung, die
an der Arbeitselektrode einer Reduktion unterworfen ist, einen im
Wesentlichen verminderten Kontakt mit oder eine wesentlich verminderte
Exposition gegenüber
der Gegenelektrode hat. Typischerweise ermöglicht die erfindungsgemäß eingesetzte
dreidimensionale Elektrode, dass ein wesentlicher Teil, typischerweise
mindestens 90%, des Elektrolytvolumens des Elektrolyten mit der Arbeitselektrode
in Kontakt kommt und beschränkt, was
wichtiger ist, den Kontakt mit der Gegenelektrode auf ein geringes
Maß, das
ausreicht, um den Strömungsfluss
durch die Zelle zu unterstützen,
typischerweise etwa 10% oder weniger. Die Zellkonfiguration und
neuartige Elektrodenstruktur der Anmelder ergeben eine Umströmungs- und
Querströmungsbeschränkung und
d. h. eine Verminderung der Elektrolytströmung senkrecht zu den Falten
oder Faltungen der Arbeitselektrode und um die Arbeitselektrode
herum. Vorteilhafterweise führt
dies zu einer weiteren Verbesserung der Geschwindigkeit der gewünschten Reaktionen.
-
Vorteilhafterweise
hat die hier beschriebene Elektrodenkonfiguration eine breite Anwendbarkeit auf
eine beliebige chemische Umwandlung, bei der reaktive elektrochemische
Zwischenprodukte hergestellt werden, die in Gegenwart der Gegenelektrode eine
reversible Reaktion eingehen würden.
-
Der
Elektrolyt ist geeigneterweise eine leitfähige Lösung, die die zu behandelnden
Ausgangsmaterialien enthält.
Der einzuspeisende Strom wird auf Basis der Zellkonfiguration und
der zu behandelnden Materialien variiert. Diese können vom
Fachmann auf der Basis von bekannten Faktoren ausgewählt werden.
-
Das
Material, aus dem die neuartige Arbeitselektrode besteht, wird aufgrund
seiner Eignung für die
bestimmte Reaktion gewählt.
Typischerweise werden Metalle oder Metalllegierungen wegen der relativ
leichten Herstellbarkeit verwendet, die Verwendung von Kohlenstoff
und anderen Materialien ist jedoch akzeptabel, unter der Voraussetzung,
dass sie in der hier notwendigen zickzackgefalteten Form hergestellt
werden können.
Zum Beispiel ist bei der elektrochemischen Behandlung von Kohlenwasserstoffströmen, um
den Gehalt an Metallen zu vermindern, z. B. um den Nickel- und Vanadium-Gehalt
von organischen Spezies wie Metalloporphyrinen zu vermindern, die
Arbeitselektrode eine Kathode und das Metall ist geeigneterweise
Zink, Cadmium, Blei, Zinn und deren Legierungen, und Kohlenstoff,
und wird zu einer zickzack- oder Z-gefalteten dünnen Fläche, Streckgitter oder Webdrahtgewebe
verarbeitet. Metallstreckgitter ist kommerziell verfügbar, z.
B. von der Exmet Corporation, und andere Materialien sind gleichermaßen kommerziell
erhältlich.
-
Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform wird
in 1A veranschaulicht.
Der Elektrodenstapel besteht aus Anode (A), Abstandshaltern (B)
zwischen Anode (A) und dreidimensionaler, zickzack-gefalteter Kathode
(C). Verbunden mit Kathode (C) ist Stromplatte (D). Die Richtung
der Strömung von
zu behandelndem Elektrolyten und Ausgangsmaterial (1) verläuft parallel
zu den Falten in der gefalteten Elektrode, wie durch den Pfeil angedeutet wird.
-
1B veranschaulicht eine
Querschnittsansicht von Isolierungsmittel (A), wie Verkleidung/Abdichtung,
in die/das der Elektrodenstapel von 1A (B) eingesetzt ist, um eine Querströmungsbeschränkung der
Elektrolytströmung
um die zickzackgefaltete Kathode herum bereitzustellen. Die Richtung
der Strömung
von Elektrolyt (1) wird durch den Pfeil angedeutet. Elektrolyt
(1) in dieser Figur entspricht (1) in 1A.
-
In 2 und 3 sind Auftragungen von Vergleichsdaten
dargestellt, um die vorliegende Erfindung zu verdeutlichen, die
in 4 dargestellt ist.
In 2 bis 4 stellen die ausgefüllten Kreise die Gesamtvanadiumkonzentration
in der organischen Phase dar, bestimmt durch Elektronenspinresonanz (ESR),
ausgefüllte
Quadrate stellen Vanadium in dem Ausgangsmaterial (VOEP) dar, bestimmt
durch W-Vis-Spektroskopie, und ausgefüllte Rhomben stellen Vanadium
in dem reduzierten Zwischenprodukt (VOEC) dar. In 4 stellen die "X" ein
zweites reduziertes Zwischenprodukt (Vanadyloctaethyltetrahydroporphyrin)
dar, bestimmt durch W-Vis-Spektroskopie. Diese Figuren zeigen das
Verhalten von Demetallierung gegenüber Zeit von drei verschiedenen Zellausgestaltungen,
einschließlich
der Herstellung von hydrierten Metalloporphyrin-Zwischenprodukten, die
durch W-Vis-Spektroskopie
nachgewiesen wurden. Der Vanadium-Gehalt der organischen Phase wurde
durch paramagnetische Elektronenresonanzspektroskopie (EPR) überwacht.
-
2 ist das Ergebnis, das
mit einem ungeteilten, gepackten, Zinkgranalienkathodensystem erhalten
wurde. Dies soll eine ungeteilte, dreidimensionale Elektrode veranschaulichen.
Die Verminderung des Vanadium-Gehalts der organischen Phase folgt dem
Abfall der Konzentration des Modell-Petroporphyrins Vanadyloctaethylporphyrin
(VOEP). Eine geringe Konzentration des reduzierten Zwischenproduktes,
des Dihydroporphyrins Vanadyloctaethylchlorin (VOEC) wird erzeugt.
Aus der Zelle entnommene Proben änderten
ihre Farbe nicht, als sie Luft ausgesetzt wurden, dies deutet eine
geringe Konzentration von anderen, mehr reduzierten, luftempfindlichen
Spezies an.
-
3 ist das Ergebnis, das
mit dem geteilten Zellversion der Zelle in 2 erhalten wurde, wobei aber die Kathode
und Anode durch eine ionendurchlässige
Membran getrennt waren. In diesem System war die Lösung, die
reduziert wurde (der Katholyt) nicht der Anode ausgesetzt. Ein Vergleich
der geteilten Zelle in 3 und
der ungeteilten Zelle in 2 deutet
an, dass die Proben aus der geteilten Zelle, die zur Analyse entnommen
wurden, signifikante Mengen von luftempfindlichen Spezies enthielten, wie
Petroporphyrinanionen, die sich, wenn sie Luft ausgesetzt werden,
in stabilere Spezies. umwandeln. Dies zeigt sich in der beobachteten
höheren
VOEC-Konzentration.
-
4 ist das Ergebnis, das
mit der ungeteilten Zellkonstruktion mit erfindungsgemäßen zickzack-gefalteten
Flächen
aus Zinkmetall-Streckgitter erhalten wurde. Diese Konstruktion ergab
Demetallierungskurven, die denen ähnlich sind, die mit dem in 3 gezeigten geteilten Zellaufbau
beobachtet wurden und zeigt in einer "ungeteilten" Zelle eine Leistung, die mit einer "geteilten Zelle" vergleichbar ist.
Eine Ansammlung von luftempfindlichen Zwischenprodukten ist sowohl
durch die Farbänderung von
aus der Zelle entnommenen Proben als auch die beobachteten Konzentrationen
der hydrierten Zwischenprodukte VOEC und Tetrahydrovanadyloctaethylporphyrin
(VOET) belegt.
-
5A zeigt eine Aufsicht durch
den Elektrodenstapel mit Einlass (1) und Auslass (2)
für die Elektrolytströmung. Die
Massenströmung
des Elektrolyten verläuft
parallel zu den Falten oder Faltungen der Kathode (vom Einlass zum
Auslass). Isolator/Abdichtung (3) umschließt den Elektrodenstapel
und begrenzt Querströmung
(d. h. Strömung
senkrecht zu den Faltungen in der Elektrode) und Umströmung der
Elektroden.
-
5B veranschaulicht eine
erfindungsgemäße Ausführungsform,
wobei der Elektrodenstapel im Querschnitt sichtbar ist. Sie besteht
aus einer ersten Platte, die eine massive Zinkplatte (1)
ist, die mit den Schichten von zickzack-gefalteten Metallgitterflächen (0,25
mm (10 mil) dick) der dreidimensionalen, gefalteten Kathode (6)
verbunden war und als Stromversorgung für diese diente. Ein Strömungsverteiler
(2) aus nichtleitendem Material wie Teflon umschließt die Zelle
und liefert ein Weg zum Einführen
der Elektrolytlösung,
die den zu behandelnden Reaktanten enthält, in die Zelle. Abdichtungen
(3) werden verwendet, um der Zelle eine ausreichende Tiefe
zu geben, um die dreidimensionale, gefaltete Kathode (6)
zu halten. Die Kathode bestand aus reinem, expandierten Zink (EXPAMET
#6Zn10-3/0 von Exmet Corp.). Etwa 20 Lagen füllten einen Hohlraum von 4 × 16 cm,
der durch Strömungsverteiler
(2) und Abdichtung (3) gebildet wurde, bis zu
einer Tiefe von 0,5 cm. Die Tiefe der Kathode kann jedoch variiert werden,
indem die Anzahl der Abstandshalter und Abdichtungen variiert wird,
die den Elektrolytkanal bilden. Zwei Lagen von nichtleitfähigem Gitter,
z. B. Polypropylen-Gitter, wurden verwendet, um die Zinkkathode
(6) von der Anode (5) zu trennen. Die Anode war
in diesem Fall eine flache Plattenanode aus Hastalloy C, es kann
aber jede beliebige geeignete kompatible Anode verwendet werden.
Die elektrolytisch zu zersetzende Lösung wurde in die Zelle durch geeignete
Mittel eingebracht, z. B. durch Öffnungen in
der Zelle, die den Strömungsverteiler
(2) speisen. Die Lösung
wird durch die Zelle, aus dem Strömungsverteiler (2)
heraus und in einen Rezirkulierungsbehälter (nicht gezeigt) geleitet,
in dem sie gerührt
und in einem schubweisen Recycle-Modus durch die Zelle gepumpt wird.
Zu analysierende Proben wurden aus dem Rezirkulierungsgefäß mit einer Pipette
entnommen.