EP1841899A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer alkalimetall-hypochlorit-lösung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer alkalimetall-hypochlorit-lösung

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EP1841899A1
EP1841899A1 EP06700215A EP06700215A EP1841899A1 EP 1841899 A1 EP1841899 A1 EP 1841899A1 EP 06700215 A EP06700215 A EP 06700215A EP 06700215 A EP06700215 A EP 06700215A EP 1841899 A1 EP1841899 A1 EP 1841899A1
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EP
European Patent Office
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brine solution
solution
concentration
electrolysis cell
current
Prior art date
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Ceased
Application number
EP06700215A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Siemer
Andreas Schwarz
Norbert Maier
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Kaercher Futuretech GmbH
Original Assignee
Kaercher Futuretech GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Kaercher Futuretech GmbH filed Critical Kaercher Futuretech GmbH
Publication of EP1841899A1 publication Critical patent/EP1841899A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C02F1/4672—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
    • C02F1/4674—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation with halogen or compound of halogens, e.g. chlorine, bromine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/24—Halogens or compounds thereof
    • C25B1/26—Chlorine; Compounds thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of an alkali metal hypochlorite solution, in particular a sodium hypochlorite solution, in which an undivided electrolysis cell is supplied with a brine solution having a specific volumetric flow and with a specific salt concentration.
  • the invention further relates to a device for producing an alkali metal hypochlorite solution, in particular a sodium hypochlorite
  • Solution comprising at least one undivided electrolysis cell, means for supplying a brine solution having a certain volume flow and a certain salt concentration in the electrolysis cell, and with a DC voltage source for generating a current through the electrolysis cell.
  • Such systems are offered by the company Wallace & Tiernan GmbH, Günzburg, under the name OSEC-S® and OSEC-B®.
  • the brine concentration in the electrolysis cell is measured by evaluating the voltage across the electrodes and the flowing current. From this, a conductivity-proportional signal is generated which is used to control a saturated saline dosing pump.
  • a diaphragm-free electrolysis cell in which the ratio to the effective anode area and the effective cathode area in the electrolytic cell is at least 1, 5: 1 or greater.
  • the electrolytic cell is additionally cooled in order to reduce the amount of sodium chlorate formed.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for producing a Alkalimetallhypochloritans, whereby the simplest possible, trouble-free and low-maintenance construction is guaranteed and yet sufficient concentration of alkali metal hypochlorite solution can be produced.
  • This object is achieved by a process for the preparation of an alkali metal hypochlorite solution, in particular a sodium hypochlorite solution, in which an undivided electrolysis a brine solution is supplied with a certain volume flow and with a certain salt concentration, and wherein the current strength is set such that the concentration of chlorate obtained during the electrolysis to a maximum of 1, 5 g / l, preferably to a maximum of 1 g / l, is particularly preferably limited to a maximum of 0, 6 g / l.
  • the object of the invention is further achieved by a device for producing a Alkalimetallhypochloritans, in particular a Natriumhypochloritans, with at least one undivided electrolysis cell, means for supplying a brine solution with a certain volume flow and a certain salt concentration in the electrolytic cell, and with a DC voltage source for generating a Current through the electrolytic cell, wherein the current is set so tightly that the concentration of accumulating during electrolysis chlorate to a maximum of 1, 5 g / l, preferably limited to a maximum of 1 g / l, more preferably to a maximum of 0, 6 g / l is.
  • the production of an alkali metal hypochlorite solution with fixed parameters can be advantageously carried out by limiting the concentration of chlorate obtained during electrolysis by a fixed current.
  • concentration of active Chlorine increases only disproportionately with increasing the current strength beyond a certain value, while at the same time the production of undesirable chlorate as a byproduct increases disproportionately.
  • the method can be operated in this way with fixed operating parameters without the expense of a special scheme in such a favorable manner that an advantageous continuous operation is guaranteed with low maintenance.
  • the current is set between 2 and 6 amps, preferably between 2 and 4, 5 amps, more preferably between 2, 5 and 3, 5 amps.
  • the brine solution is prepared with a constant salt concentration by mixing a saturated brine solution with water.
  • the desired input concentration of the electrolytic cell with salt solution can be set to a favorable value in a particularly simple manner. Since the starting product used is a saturated salt solution which is mixed with water, preferably with deionized water or drinking water, a suitable concentration of the salt solution supplied to the electrolysis cell can be ensured without additional control effort.
  • the salt concentration of the brine solution supplied to the electrolysis cell is adjusted to a value between 2 and 10 g / l, preferably between 5 and 10 g / l.
  • V the flow velocity between 4 x 10 -5 m / s and 12 x 10 -5 m / s, preferably between 6 x 10 -5 m / s and 9 x 10 -5 m / s.
  • the DC voltage source is preferably designed as a constant current source.
  • the desired concentration of the brine solution supplied to the electrolytic cell can be adjusted either by mixing a saturated brine solution with water or by using a brine solution having a certain concentration.
  • the preset brine solution metering pumps are preferably used by the constant mixing ratio or a constant flow rate is guaranteed.
  • the electrodes of the electrolytic cell may for example consist of a material containing iron, mercury, stainless steel, titanium and / or platinum.
  • the electrodes preferably consist of uncoated titanium.
  • Figure 1 shows the relationship between current and the concentration of active chlorine or chlorate and the discharge temperature in an electrolysis cell according to the invention.
  • FIG. 2 shows the relationship between the feed concentration of a sodium chloride solution fed in and the active chlorine concentration produced
  • Fig. Figure 3 shows the relationship between the feed concentration of sodium hypochlorite and the concentration of active chlorine and chlorate produced and the discharge temperature
  • Fig. 4 shows the relationship between the volume flow used and the concentration of generated active chlorine and chlorate and
  • Fig. 5 is a simplified schematic diagram of a device according to the invention.
  • the basic structure of a device according to the invention is shown in FIG. 5 and generally designated by the numeral 10.
  • the apparatus 10 is used to produce a Alkalimetallhypochlorits, in particular a Natriumhypochlorits, using an electrolytic cell 12.
  • the electrolysis cell 12 is fed from a brine tank 20, a saturated salt solution, which is mixed before being supplied to the electrolytic cell 12 with water from a water tank 22.
  • the electrolysis cell 12 is designed as a one-piece, not divided by a membrane cell and has a housing made of PVDF.
  • the electrodes 14, 16, which are made of uncoated titanium, are connected to a DC voltage source 18, which is designed as a constant current source to produce a constant current of 3 amps at a voltage of about 3.5 to 4.5 volts.
  • sodium hypochlorite is formed from the aqueous sodium chloride solution upon release of hydrogen.
  • the output of the electrolysis cell is connected via a line 34 to a collecting container 36.
  • the sodium hypochlorite solution produced in this case is discharged to the outside via a line 38, while the hydrogen rises upwards and is discharged via an exhaust gas line 40 and diluted to a harmless concentration.
  • the concentration of the electrolytic cell 12 salt solution supplied is adjusted by metering pumps 24, 26, each generating a constant volume flow.
  • the first metering pump 24 sucks in the brine tank 20 saturated salt solution at a flow rate of 42 ml / h.
  • the second dosing pump sucks from the water tank 22 deionized water (or drinking water) via a line 32 with a flow rate of 2.958 l / h.
  • the pressure lines of the two metering pumps 24, 26 open via a common line 30 in the inflow of the electrolytic cell 12.
  • the electrolytic cell 12 is thus supplied in the example shown, a volume flow of 3 l / h sodium chlorite solution, the concentration of the mixture of the saturated salt solution with deionized water is adjusted to a value of about 5 g / l.
  • Fig. 5 is further indicated that the levels of the brine tank 20, the water tank 22 and the collecting container 36 are preferably monitored with a level monitoring, which may include about level sensors 42, 44, 46 and float switch (not shown).
  • a level monitoring which may include about level sensors 42, 44, 46 and float switch (not shown).
  • the operating parameters of the device 10 are now set such that the yield of Natriumhypochlorit trenchung is driven in a favorable range for the production of sodium hypochlorite, wherein at the same time the accumulation of undesirable chlorate is minimized.
  • Fig. 1 shows the concentration of active chlorine (sodium hypochlorite, NaOCl) and of chlorate depending on different current strengths.
  • the discharge temperature from the E- lektrolysezelle is applied, at a constant flow temperature of 17 0 C.
  • the flow rate in the example shown is 3.5 l / h at a sodium chloride concentration of 10 g / l. All measurement results (also in the following FIGS. 2 to 4) relate to an electrolytic cell with an effective electrode area of 140 mm x 80 mm and an electrode gap of 2 mm.
  • the current intensity is now limited according to the invention in such a way that the chlorate concentration in the effluent is less than 1.5 g / l, preferably less than 1.0 g / l, more preferably less than 0.6 g / l or 0.5 g / l. l is. This can be achieved with a current that is preferably set between 2, 5 and 3.5 ampere, optimally to 3 amps.
  • Fig. 2 the influence of the inlet concentration of NaCl on the active chlorine content is shown in the sequence, wherein a current of 3 amps was used.
  • Fig. 3 shows that with an increase in the salt content, the chlorate formation increases disproportionately.
  • Fig. FIG. 3 shows the concentration of active chlorine and of chlorate in the effluent and how the discharge temperature of the electrolysis cell as a function of the inflow concentration of NaCl (current 3 A). It is therefore a compromise between the chlorine yield on the one hand and the chlorate formation that should be avoided on the other.
  • the feed concentration is set to a value between 2 and 10 g / l, preferably to 5 g / l.
  • 4 shows the influence of the volume flow of salt solution supplied on the concentration of active chlorine and chlorate in the effluent, wherein a feed concentration of 10 g / l NaCl was used (current 3 A).
  • the optimum volume flow with which the electrolytic cell is to operate depends on the geometric dimensions of the cell.
  • the dimensions of the cell used are 140 x 80 mm electrode area at a distance of 2 mm.
  • the volume flow and the cell size are functionally linked to one another, since with larger cells the throughput (and the yield) increases proportionally as a function of the ion migration rate.
  • the device according to the invention is characterized by its particularly simple and reliable construction and works despite the absence of a control device in an optimal range in which the formation of chlorate is minimized and yet a sufficiently high sodium hypochlorite concentration is achieved.
  • the temperature was taken into account merely by limiting the current intensity (discharge temperature increases with increased current intensity). Cooling measures can thus be avoided.

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung, insbesondere einer Natriumhypochloritlösung, angegeben, mit mindestens einer ungeteilten Elektrolysezelle (12), Mitteln (20, 22, 24, 26) zur Zuführung einer Solelösung mit einem bestimmten Volumenstrom und einer bestimmten Salzkonzentration in die Elektrolysezelle (12) und mit einer Gleishspannungsquelle (18) zur Erzeugung eines Stroms durch die Elektrolysezelle (12). Die Stromstärke wird derart fest eingestellt, dass die Konzentration von bei der Elektrolyse anfallendem Chlorat auf maximal 1,5 g/l, vorzugsweise auf 0,6 g/l begrenzt ist .

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Alkalimetall- hypochloritlösung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung, insbesondere einer Natriumhy- pochloritlösung, bei dem einer ungeteilten Elektrolysezelle eine Solelösung mit einem bestimmten Volumenstrom und mit einer bestimmten Salzkonzentration zugeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung, insbesondere einer Natriumhypochlorit-
lösung, mit mindestens einer ungeteilten Elektrolysezelle, Mitteln zur Zuführung einer Solelösung mit einem bestimmten Volumenstrom und einer bestimmten Salzkonzentration in die Elektrolysezelle, und mit einer Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines Stroms durch die Elektrolysezelle .
Es besteht ein beständiges Bedürfnis zur Erzeugung von Natriumhypochloritlösungen, die zur Desinfektion von Wasser verwendet werden . Während eine derartige "Chlorung" von Wasser im großtechnischen Maßstab etwa bei der Trinkwasseraufbereitung bei den Wasserwerken der Städte und Gemeinden durchgeführt wird, besteht für den mobilen Einsatz , insbesondere in Katastrophengebieten, ein Bedürfnis nach der Erzeugung von Natriumhypochloritlösung vor Ort. Aufgereinigtes Wasser wird nach dem Filtern und einer Umkehrosmose mit der Natriumhypochloritlösung versetzt, um eine erneute Keimbildung zu verhindern.
Es sind bereits mobile Anlagen bekannt, um Natriumhypochloritlösungen durch Elektrolyse von Meerwasser oder Salzsole herzustellen .
Derartige Anlagen werden von der Firma Wallace & Tiernan GmbH, Günzburg, unter der Bezeichnung OSEC-S® und OSEC-B® angeboten .
Hierbei wird entweder gefiltertes Meerwasser oder eine gesättigte Salzsole mit einer Dosierpumpe einer Elektrolysezelle zugeführt . Durch ebenfalls der Elektrolysezelle zufließendes Verdünnungswasser wird die Konzentration der Salzsole auf ca . 2 % abgesenkt. In der Elektrolysezelle wird Natriumhypochlorit- lösung und Wasserstoff erzeugt, wobei der Wasserstoff von der Natriumhypochloritlösung getrennt und mit einem Ventilator auf eine ungefährliche Konzentration mit Luft verdünnt und ins Freie abgeführt wird. Die hergestellte Natriumhypochloritlösung hat eine Konzentration von etwa 6 g/l wirksamem Chlor . Der gesamte Prozess der Erzeugung von Natriumhypochloritlösung wird durch eine SPS-Steuerung überwacht und geregelt, um eine optimale Chlorausbeute bei möglichst niedrigem Anfall von Abfallprodukten zu gewährleisten .
Als problematisch bei einer derartigen Anlage ist die Verwendung einer SPS-Steuerung in Verbindung mit entsprechenden Sensoren anzusehen, da dies eine regelmäßige Wartung und Kontrolle erfordert . Gerade bei Einsätzen in Katastrophengebieten kann dies jedoch häufig nicht gewährleistet werden .
Bei einer weiteren aus der DE 37 04 955 Al bekannten Anlage zur Erzeugung einer Natriumhypochloritlösung wird die in der Elektrolysezelle befindliche Solekonzentration durch Auswertung der Spannung an den Elektroden und des fließenden Stromes gemessen . Hieraus wird ein der Leitfähigkeit proportionales Signal erzeugt, das zur Steuerung einer Dosierpumpe für gesättigte Kochsalzlösung genutzt wird.
Auch diese Anlage ist mit den oben beschriebenen Nachteilen behaftet.
Bei einer weiteren aus der DE 28 06 441 Al bekannten Anlage zur Herstellung von Natriumhypochloritlösung wird eine diaphragmafreie Elektrolysezelle verwendet, bei der das Verhältnis zu der wirksamen Anodenfläche und der wirksamen Kathodenfläche in der Elektrolysezelle mindestens 1 , 5 : 1 oder größer ist . Auf diese Weise soll die wirksame Ausnutzung des Natriumhypochlo- rits und die Stromausbeute bei stationären Durchflussbedingungen verbessert werden . Gemäß einer Variante dieser Ausführung wird die Elektrolysezelle zusätzlich gekühlt, um die gebildete Natriumchloratmenge zu verringern .
Auch eine derartige Anlage kann keine optimale Prozessführung gewährleisten, insbesondere , wenn auf eine Kühlung verzichtet wird, um den Prozess so einfach wie möglich zu gestalten.
Aus der US 4 329 215 ist es ferner bekannt, eine Elektrolysezelle zur Natriumhypochloriterzeugung zu verwenden, bei der die Anodenkammer und die Kathodenkammer der Elektrolysezelle durch eine Ionenaustauschmembran voneinander getrennt sind, die gegenüber Anionen, Gasen und Flüssigkeiten undurchlässig ist.
Durch die Verwendung einer derartigen Membran kann das Problem der Chloratbildung während der Elektrolyse reduziert werden .
Allerdings ist eine derartige Elektrolysezelle sehr wartungsintensiv.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung anzugeben, womit ein möglichst einfacher, störungsfreier und wartungsarmer Aufbau gewährleistet ist und dennoch ausreichende Konzentration an Alkalimetallhypochloritlösung erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung, insbesondere einer Natriumhypochloritlösung, gelöst, bei dem einer ungeteilten Elektrolyse- zelle eine Solelösung mit einem bestimmten Volumenstrom und mit einer bestimmten Salzkonzentration zugeführt wird, und wobei die Stromstärke derart fest eingestellt wird, dass die Konzentration von bei der Elektrolyse anfallendem Chlorat auf maximal 1 , 5 g/l, vorzugsweise auf maximal 1 g/l, besonders bevorzugt auf maximal 0 , 6 g/l begrenzt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch eine Vorrichtung zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung, insbesondere einer Natriumhypochloritlösung, gelöst, mit mindestens einer ungeteilten Elektrolysezelle, Mitteln zur Zuführung einer Solelösung mit einem bestimmten Volumenstrom und einer bestimmten Salzkonzentration in die Elektrolysezelle , und mit einer Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines Stroms durch die Elektrolysezelle , wobei die Stromstärke derart fest eingestellt ist, dass die Konzentration von bei der Elektrolyse anfallendem Chlorat auf maximal 1 , 5 g/l, vorzugsweise auf maximal 1 g/l, besonders bevorzugt auf maximal 0 , 6 g/l begrenzt ist .
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst .
Erfindungsgemäß wird nämlich durch die Verwendung einer ungeteilten Elektrolysezelle ohne Diaphragma zwischen Anode und Kathode ein besonders einfacher und wartungsarmer Aufbau gewährleistet. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass die Erzeugung einer Alkalimetallhypochloritlösung mit fest eingestellten Parametern vorteilhaft gefahren werden kann, indem die Konzentration von bei der Elektrolyse anfallendem Chlorat durch eine fest eingestellte Stromstärke begrenzt wird . Insbesondere wurde erfindungsgemäß erkannt, dass die Konzentration an Aktiv- Chlor mit Vergrößerung der Stromstärke über einen bestimmten Wert hinaus nur noch unterproportional zunimmt, während gleichzeitig die Erzeugung von unerwünschtem Chlorat als Nebenprodukt überproportional zunimmt .
Erfindungsgemäß wird somit durch eine geeignete Festlegung der Stromstärke einerseits eine günstige Konzentration des Aktiv- Chlors in der hergestellten Alkalimetallhypochloritlösung gewährleistet und andererseits die Erzeugung von unerwünschtem Chlorat auf ein erträgliches Maß begrenzt .
Insgesamt kann das Verfahren auf diese Weise mit fest eingestellten Betriebsparametern ohne den Aufwand einer speziellen Regelung auf derart günstige Weise betrieben werden, dass ein vorteilhafter Dauerbetrieb mit einem geringen Wartungsaufwand gewährleistet ist.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird hierbei die Stromstärke zwischen 2 und 6 Ampere , vorzugsweise zwischen 2 und 4 , 5 Ampere, besonders bevorzugt zwischen 2 , 5 und 3 , 5 Ampere eingestellt.
Hierdurch wird ein optimaler Kompromiss zwischen der erzeugten Konzentration an Aktiv-Chlor und dem Anfall von unerwünschtem Chlorat gewährleistet .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Solelösung mit einer konstanten Salzkonzentration durch Mischung einer gesättigten Solelösung mit Wasser hergestellt. Auf diese Weise kann die gewünschte Eingangskonzentration der Elektrolysezelle mit Salzlösung auf besonders einfache Weise auf einen günstigen Wert fest eingestellt werden. Da als Ausgangsprodukt eine gesättigte Salzlösung verwendet wird, die mit Wasser, vorzugsweise mit deionisiertem Wasser oder Trinkwasser, vermischt wird, kann so ohne zusätzlichen Regelungsaufwand eine geeignete Konzentration der der Elektrolysezelle zugeführten Salzlösung sichergestellt werden.
Alternativ ist es auch denkbar, eine Salzlösung mit einer bestimmten Salzkonzentration zu verwenden, die mit einem konstanten Förderstrom in die Elektrolysezelle gefördert wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird die Salzkonzentration der der Elektrolysezelle zugeführten Solelösung auf einen Wert zwischen 2 und 10 g/l, vorzugsweise zwischen 5 und 10 g/l eingestellt .
Auf diese Weise kann eine ausreichende Chlorausbeute gewährleistet werden, ohne dass der Anfall an unerwünschtem Chlorat übermäßig zunimmt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Elektrolysezelle die Solelösung mit einem konstanten Volumenstrom V zugeführt, dessen Wert in Abhängigkeit von der wirksamen Elektrodenfläche A ( in m2) nach der Beziehung V = w • A festgelegt wird, wobei w die Strömungsgeschwindigkeit ist, die zwischen 4 • 10"5 m/s und 12 • 10'5 m/s , vorzugsweise zwischen 6 • 10"5 m/s und 9 • 10"5 m/s , ausgewählt wird. Auf diese Weise wird die Elektrolysezelle mit einem optimalen Volumenstrom betrieben, durch den eine optimale Ausbeute in Abhängigkeit von der Zellengröße gewährleistet ist .
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Gleichspannungsquelle vorzugsweise als Konstantstromquelle ausgebildet.
Auf diese Weise kann die als optimal festgelegte Stromstärke der Elektrolysezelle besonders präzise eingehalten werden.
Wie bereits erwähnt, kann die gewünschte Konzentration der der Elektrolysezelle zugeführten Solelösung entweder durch Mischung einer gesättigten Solelösung mit Wasser oder durch Verwendung einer Solelösung mit einer bestimmten Konzentration eingestellt werden . Zur Mischung bzw. Zuführung der voreingestellten Solelösung werden vorzugsweise Dosierpumpen verwendet, durch die ein konstantes Mischungsverhältnis bzw. ein konstanter Förderstrom gewährleistet ist .
Die Elektroden der Elektrolysezelle können beispielsweise aus einem Material bestehen, das Eisen, Quecksilber, Edelstahl, Titan und/oder Platin enthält . Bevorzugt bestehen die Elektroden aus unbeschichtetem Titan .
Hiermit hat sich eine gute Ausbeute und eine hohe Standfestigkeit der Elektroden ergeben .
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 den Zusammenhang zwischen Stromstärke und der erzeugten Konzentration an Aktiv-Chlor bzw. an Chlorat und der Ablauftemperatur bei einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle;
Fig . 2 den Zusammenhang zwischen Zulaufkonzentration einer zugeführten Natriumchloridlösung und der erzeugten Aktiv-Chlor-Konzentration;
Fig . 3 den Zusammenhang zwischen der Zulaufkonzentration an Natriumhypochlorit und der Konzentration an erzeugtem Aktiv-Chlor und an Chlorat sowie der Ablauftemperatur;
Fig. 4 den Zusammenhang zwischen dem verwendeten Volumenstrom und der Konzentration an erzeugtem Aktiv-Chlor und an Chlorat und
Fig. 5 eine vereinfachte Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig . 5 dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet . Die Vorrichtung 10 dient zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung, insbesondere einer Natriumhypochloritlösung, mit Hilfe einer Elektrolysezelle 12. Der Elektrolysezelle 12 wird aus einem Solebehälter 20 eine gesättigte Salzlösung zugeführt, die vor Zuführung zur Elektrolysezelle 12 mit Wasser aus einem Wasserbehälter 22 vermischt wird. Die Elektrolysezelle 12 ist als einteilige, nicht durch eine Membran geteilte Zelle ausgeführt und weist ein Gehäuse aus PVDF auf . Die Elektroden 14 , 16 , die aus unbeschichtetem Titan bestehen, sind mit einer Gleichspannungsquelle 18 verbunden, die als Konstantstromquelle ausgebildet ist, um einen konstanten Strom von 3 Ampere bei einer Spannung von etwa 3 , 5 bis 4 , 5 Volt zu erzeugen . In der Elektrolysezelle wird aus der wässrigen Natriumchloridlösung Natriumhypochlorit bei Freisetzung von Wasserstoff gebildet . Der Ausgang der Elektrolysezelle ist über eine Leitung 34 mit einem Auffangbehälter 36 verbunden. Die hierbei erzeugte Natriumhypochloritlösung wird über eine Leitung 38 nach außen abgeführt, während der Wasserstoff nach oben aufsteigt und über eine Abgasleitung 40 abgeführt und auf eine unschädliche Konzentration verdünnt wird. Die Konzentration der Elektrolysezelle 12 zugeführten Salzlösung wird durch Dosierpumpen 24 , 26 eingestellt, die jeweils einen konstanten Volumenstrom erzeugen. Die erste Dosierpumpe 24 saugt aus dem Solebehälter 20 gesättigte Salzlösung mit einem Volumenstrom von 42 ml/h an . Die zweite Dosierpumpe saugt aus dem Wasserbehälter 22 deionisiertes Wasser (oder Trinkwasser) über eine Leitung 32 mit einem Volumenstrom von 2 , 958 l/h an . Die Druckleitungen der beiden Dosierpumpen 24 , 26 münden über eine gemeinsame Leitung 30 in den Zufluss der Elektrolysezelle 12. Der Elektrolysezelle 12 wird somit im dargestellten Beispiel ein Volumenstrom von 3 l/h Natriumchloritlösung zugeführt, deren Konzentration durch die Mischung der gesättigten Salzlösung mit deionisiertem Wasser auf einen Wert von etwa 5 g/l eingestellt ist.
In Fig. 5 ist ferner angedeutet, dass die Füllstände des Solebehälters 20 , des Wasserbehälters 22 und des Auffangbehälters 36 vorzugsweise mit einer Füllstandsüberwachung überwacht werden, die etwa Füllstandssensoren 42 , 44 , 46 und Schwimmerschalter (nicht dargestellt) umfassen kann .
Die Betriebsparameter der Vorrichtung 10 sind nun derart fest eingestellt, dass die Ausbeute der Natriumhypochloritgewinnung in einem für die Natriumhypochlorit-Herstellung günstigen Bereich gefahren wird, bei dem gleichzeitig der Anfall von unerwünschtem Chlorat minimiert ist .
Dies wird im Folgenden an Hand der Fig. 1 - 4 näher erläutert .
Fig . 1 zeigt die Konzentration an Aktiv-Chlor (Natriumhypochlorit, NaOCl ) , sowie an Chlorat in Abhängigkeit verschiedener Stromstärken . Zusätzlich ist die Ablauftemperatur aus der E- lektrolysezelle aufgetragen, bei einer konstanten Zulauftemperatur von 170C . Der Durchfluss beträgt im dargestellten Beispiel 3 , 5 l/h bei einer Natriumchlorit-Konzentration von 10 g/l . Alle Messergebnisse ( auch bei den nachfolgenden Fig. 2 - 4 ) beziehen sich auf eine Elektrolysezelle mit einer wirksamen Elektrodenfläche von 140 mm • 80 mm und einem Elektrodenabstand von 2 mm.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, wird bei Stromstärken von mehr als 3 Ampere überproportional das "unerwünschte Nebenprodukt Chlorat gebildet. Weiter ist gut zu erkennen, dass die Ablauf- temperatur des Produktes bei steigender Stromstärke ebenfalls zunimmt .
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Die Stromstärke wird nun erfindungsgemäß derart begrenzt, dass die Chloratkonzentration im Ablauf geringer als 1 , 5 g/l ist, vorzugsweise geringer als 1 , 0 g/l , besonders bevorzugt kleiner als 0 , 6 g/l oder als 0 , 5 g/l ist. Dies lässt sich mit einer Stromstärke erreichen, die vorzugsweise zwischen 2 , 5 und 3 , 5 Ampere eingestellt wird, optimal auf 3 Ampere .
In Fig. 2 ist der Einfluss der Zulaufkonzentration an NaCl auf den Aktiv-Chlorgehalt am Ablauf dargestellt, wobei eine Stromstärke von 3 Ampere verwendet wurde .
Es ist zu erkennen, dass ab einer Zulaufkonzentration von mehr als 7 g/l der Gehalt an Aktiv-Chlor nur noch unwesentlich zunimmt.
Darüber hinaus zeigt Fig. 3 , dass bei einer Erhöhung des Salzgehaltes die Chloratbildung überproportional zunimmt . Fig . 3 zeigt die Konzentration von Aktiv-Chlor und an Chlorat im Ablauf sowie wie Ablauftemperatur der Elektrolysezelle als Funktion der Zulaufkonzentration an NaCl ( Stromstärke 3 A) . Es ist daher ein Kompromiss zu treffen zwischen der Chlorausbeute auf der einen Seite und der Chloratbildung, die vermieden werden soll, auf der anderen Seite .
Vorzugsweise wird daher die Zulaufkonzentration auf einen Wert zwischen 2 und 10 g/l , vorzugsweise auf 5 g/l festgelegt . Fig. 4 zeigt den Einfluss des Volumenstroms an zugeführter Salzlösung auf die Konzentration an Aktiv-Chlor und Chlorat im Ablauf , wobei eine Zulaufkonzentration von 10 g/l NaCl verwendet wurde ( Stromstärke 3 A) .
Es zeigt sich, dass bei der hier verwendeten Elektrolysezelle mit einer wirksamen Elektrodenfläche von 140 mm • 80 mm bei einem Elektrodenabstand von 2 mm die Chlorat-Konzentration bei einem Volumenstrom von 2 , 77 l/h sowie darüber deutlich verringert ist . Für die Elektrolysezelle mit den vorstehend erwähnten Abmessungen wird daher ein Volumenstrom von 3 l/h verwendet.
Der optimale Volumenstrom, mit dem die Elektrolysezelle zu betreiben ist, ist natürlich von den geometrischen Abmessungen der Zelle abhängig. Die Abmessungen der verwendeten Zelle betragen 140 • 80 mm Elektrodenfläche bei einem Abstand von 2 mm. Der Volumenstrom und die Zellengröße sind funktional miteinander verknüpft, da bei größeren Zellen der Durchsatz (und die Ausbeute ) in Abhängigkeit der Ionenwanderungsgeschwindigkeit proportional ansteigt .
Der Volumenstrom V wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der wirksamen Elektrodenfläche A ( in m2 ) nach der Beziehung V = w • A festgelegt, wobei w die Strömungsgeschwindigkeit ist, die zwischen 4 • 10"5 m/s und 12 • 10"5 m/s , vorzugsweise zwischen 6 • 10"5 m/s und 9 • 10"5 m/s ausgewählt wird.
Hiermit ist ein optimaler Betrieb im gewünschten Bereich gemäß Fig . 4 sichergestellt, bei dem die Chloratbildung minimiert ist . Es versteht sich, dass somit unterschiedlich große Elektrolysezellen im gewünschten optimalen Bereich betrieben werden können, sofern der Volumenstrom entsprechend festgelegt wird.
Weiter versteht es sich, dass größere Einheiten natürlich unter Verwendung einer Mehrzahl von Elektrolysezellen in beliebiger Größe aufgebaut werden können .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch ihre besonders einfache und zuverlässige Konstruktion aus und arbeitet trotz des Verzichtes auf eine Regelungseinrichtung in einem optimalen Bereich, in dem die Chloratbildung minimiert ist und dennoch eine ausreichend hohe Natriumhypochlorit-Konzentration erzielt wird .
Da sich die Einflussgröße der Temperatur im praktischen Einsatz nur schwer beeinflussen lässt und in den dargestellten Untersuchungen der Temperatureinfluss relativ gering war, wurde die Temperatur lediglich durch Begrenzung der Stromstärke berücksichtigt (Ablauftemperatur steigt bei erhöhter Stromstärke an) . Kühlmaßnahmen können somit vermieden werden .
Veränderungen der Aktiv-Chlor-Konzentration wurden bei stationären Bedingungen auch nach längerer Betriebszeit von 30 Stunden und mehr nicht festgestellt. Eine aufwändige Regelung kann somit entfallen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung, insbesondere einer Natriumhypochloritlösung, bei dem einer ungeteilten Elektrolysezelle ( 12 ) eine Solelösung mit einem bestimmten Volumenstrom und mit einer bestimmten Salzkonzentration zugeführt wird, und wobei die Stromstärke derart fest eingestellt wird, dass die Konzentration von bei der Elektrolyse anfallendem Chlorat auf maximal 1 , 5 g/l, vorzugsweise auf maximal 1 g/l, besonders bevorzugt auf maximal 0 , 6 g/l begrenzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Stromstärke zwischen 2 und 6 Ampere, vorzugsweise zwischen 2 und 4 , 5 Ampere, besonders bevorzugt zwischen 2 , 5 und 3 , 5 Ampere eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem die Solelösung mit einer konstanten Salzkonzentration durch Mischung einer gesättigten Solelösung mit Wasser hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem als Solelösung eine Salzlösung mit einer bestimmten Salzkonzentration verwendet wird, die mit einem konstanten Förderström in die Elektrolysezelle ( 12 ) gefördert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem die Salzkonzentration der der Elektrolysezelle ( 12 ) zugeführten Solelösung auf einen Wert zwischen 2 und 10 g/l, vorzugsweise zwischen 5 und 10 g/l eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem der Elektrolysezelle ( 12 ) eine Solelösung mit einem konstanten Volumenstrom V zugeführt wird, dessen Wert in Abhängigkeit von der wirksamen Elektrodenfläche A ( in m2 ) nach der Beziehung V = w • A festgelegt wird, wobei w die Strömungsgeschwindigkeit ist, die zwischen 4 • IGT5 m/s und 12 • 10~5 m/s , vorzugsweise zwischen 6 • 10"s m/s und 9 • 10"5 m/s, ausgewählt wird.
7. Vorrichtung zur Herstellung einer Alkalimetallhypochloritlösung, insbesondere einer Natriumhypochloritlösung, mit mindestens einer ungeteilten Elektrolysezelle ( 12 ) , Mitteln ( 20 , 22 , 24 , 26 ) zur Zuführung einer Solelösung mit einem bestimmten Volumenstrom und einer bestimmten Salzkonzentration in die Elektrolysezelle ( 12 ) , und mit einer Gleichspannungsquelle ( 18 ) zur Erzeugung eines Stroms durch die Elektrolysezelle ( 12 ) , dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke derart fest eingestellt ist, dass die Konzentration von bei der Elektrolyse anfallendem Chlorat auf maximal 1 , 5 g/l, vorzugsweise auf maximal 1 g/l, besonders bevorzugt auf 0 , 6 g/l begrenzt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke zwischen 2 und 6 Ampere , vorzugsweise zwischen 2 und 4 , 5 Ampere , besonders bevorzugt zwischen 2 , 5 und 3 , 5 Ampere eingestellt ist .
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle ( 18 ) als Konstantstromquelle ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch I 1 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zuführung von Solelösung einen Solebehälter ( 20 ) mit gesättigter Solelösung und einen Wasserbehälter ( 22 ) mit Wasser umfassen, die über je eine Dosierpumpe ( 24 , 26 ) mit der Elektrolysezelle ( 12 ) gekoppelt sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 , 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zuführung von Solelösung einen Solebehälter ( 20 ) mit Solelösung aufweisen, der über eine Dosierpumpe ( 24 ) mit der Elektrolysezelle ( 12 ) gekoppelt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolysezelle ( 12 ) eine Solelösung mit einer konstanten Salzkonzentration zugeführt ist, die im Bereich zwischen 2 und 10 g/l, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 10 g/l eingestellt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolysezelle ( 12 ) eine Solelösung mit einem konstanten Volumenstrom V zugeführt ist, dessen Wert in Abhängigkeit von der wirksamen Elektrodenfläche A ( in m2 ) nach der Beziehung V = w • A eingestellt ist, wobei w die Strömungsgeschwindigkeit ist, die zwischen 4 • 10"5 m/s und 12 • 10"5 m/s, vorzugsweise zwischen 6 • 10"5 m/s und 9 • 10"5 m/s , ausgewählt ist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 , bei der die Elektrolysezelle ( 12 ) Elektroden ( 14 , 16 ) aufweist, die aus einem Material bestehen, das Eisen, Quecksilber, Edel- stahl, Titan und/oder Platin enthält und die vorzugsweise aus unbeschichtetem Titan bestehen .
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