FI59425C - Vertikal membranloes elektrolysanordning - Google Patents

Description

raSFil [B] (11)KÖULUTUS|ULKAISU ^9405 flgBjp l J ' ' UTLAGGNINOSSKRIFT D y H z 3

JgB C (45) Fatentti «ayänn?tt.y 10 03 1931

Paten* meddelat ’ (51) Kv.ik.3/tata3 C 25 B 9/00 SUOMI—FINLAND pi) i^ttiiiikMw-hMMw»nini 3ik2/ik (22) HtkamlipllH—Aiueknin|*4t( 25-10.7^ (23) AlkupUvt—GlMgh«t«da| 25.10.Jk (41) Tullut fulklMluI — Bllvlt offuntllg 01.05-75 PMtti. i· r*kl*t*rlh*llltut Nlht*vtk,.p«o« ku«L|«.k^„ pvm;_ ratmk och r«glft*r*tyr*l«*n AmBkm uthgd och utl.skrlft·*! puUkered 30.0U. 8l (32)(33)(31) Pjry4««y utuolkuut—«uglrd priorftet 30,10.73 Italia-Italien (IT) 30709 A/73 (71) Oronzio de Nora, Impianti Elettrochimici S.p.A., Via Bistolfi 35, 2013^ Milano, Italia-Italien(lT) (72) Oronzio DeNora, Milano, Placido M. Spaziante, Milano, Itali-Italien(lT), Vittorio DeNora, Nassau, Bahamasaaret-Bahamaöarna(BS) (7*0 Berggren Oy Ab (5*0 Pystysuora välikalvoton elektrolyysilaite - Vertikal, mebranlös elektro-lysanordning

Esillä oleva keksintö kohdistuu pystysuoraan välikalvottomaan elektrolyysilaitteeseen, joka käsittää pystysuoran kotelon, joka on varustettu koteloon olennaisesti vaakasuoraan järjestetyillä, elektrolyytille inert-tisillä jakoelementeillä, jotka jakavat kotelon päällekkäin sijaitseviin kammioihin, kammioihin vuorotellen järjestetyillä elektrodeilla, jotka ovat asetetut olennaisesti pystysuoraan ja jaetut kennon poikkileikkauksen yli, jolloin laitteessa on edelleen elimet sähkövirran kytkemiseksi elektrodeihin ja jakoelementeissä on aukkoja, jotka sallivat elektrolyytin virtauksen ylöspäin kammiosta seuraavaan.

Aktiivisen kloorin tai alkalimetallihypokloriittien käyttö juomaveden sterilointiin on tullut yhä yleisemmäksi. Niitä on myös käytetty bakteerien kasvun ehkäisemiseen ja biologisten eritteiden käsittelyyn levien kasvun estämiseksi ja orgaanisen aineen lopettamiseksi uima-altaissa ja teollisuuden jäähdytysvesi järjestelmissä. Näitä tarkoituksia varten vapaan kloorin pitoisuus on suuruusluokkaa 1-2 mg litraa kohti, ja kaupallisissa prosesseissa on käytetty kaupallisesti pullotettua klooria.

59425

Kloorin käyttö aiheuttaa kuitenkin teknisiä probleemeja kloorin täsmällisen annostuksen suhteen ja vaarantaa turvallisuutta kaasumaisen kloorin suuren myrkyllisyyden vuoksi, mikä saattaa kloorin kuljetuksen ja varastoinnin siinä määrin epämieluisaksi, että eräissä kunnissa on tiukkoja säännöksiä koskien kloorin kuljetusta asutustaajamien lävitse.

Niiden ongelmien välttämiseksi, jotka johtuvat nestemäisen tai kaasumaisen kloorin käytöstä, on käytetty alkalimetallihypokloriitteja pitoisuuksina 100-180 g aktiivista klooria litraa kohti, mutta tällä aineella on myös omat varastointi-, kuljetus- ja annostusprob-leemansa. Alkalimetallihypokloriittien käyttö edellyttää suurten nestemäärien kuljetusta ja varastointia, jossa vaiheessa nesteet pyrkivät menettämään aktiivista klooriaan, erikoisesti kesäkuukausina, jolloin veden sterilointia eniten tarvitaan, ja tämä on omiaan vaikeuttamaan aineen annostusta. Lisäksi hypokloriittiliuokseen liittyvä emäksisyys on joissakin tapauksissa haitaksi käsiteltyä vettä käytettäessä.

Aikaisempaa tyyppiä oleva pystysuora elektrolyysikenno aktiivisen kloorin valmistamiseksi suolaliuoksesta on kuvattu FT-hakemuksessa n:o 1808/71 kuviossa 5> tämän koskiessa kloraatin valmistusta ja kennon anodien ja katodien ollessa hitsattuna erillisiksi yksiköiksi jakaviin levyihin. Erilliset yksiköt on kuitenkin liitettävä pulteilla yhteen, mikä on omiaan lisäämään rakennuskustannuksia ja asennusprobleemeja, koska anodeja ja katodeja ei ole tuettu molemmista päistään, sähkövirran johtuminen laitteen lävitse on huono, kierrätystilojen käyttö kennon reunan ja anodi/katodi-levy-yhdistel-mien ympärillä estää kaasun nostovaikutuksen tehokkaan käyttämisen reaktiotuotteiden ja saostumien poistamiseen laitteesta, elektrolyytin ja elektrolyysin sivutuotteiden pysyessä paikallaan kussakin kennoyksikössä kierrätystilojen vuoksi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada pystysuora kaksinapainen elektrolysoimislaite, jonka lattiatilan tarve on mahdollisimman pieni ja jolla on hyvä tehokkuus johtuen sen kaasun aiheuttaman nostovaikutuksen hyödyksikäytöstä, joka esiintyy elektrolyytissä elektrolyysin aikana sekä toimii elektrolyysituotteen ja saostumien poistamiseksi laitteesta tämän tukkeutumisen estämiseksi.

3 59425 Tämän saavuttamiseksi on keksinnölle tunnusomaista, että elektrodit ovat bipolaarisia sekä ulottuvat sähköisesti johtamattoman jakoelementin läpi kammiosta toiseen, ja että laite on lisäksi varustettu alhaalta sähköisesti neutraalilla elektrolyytin sisään-menokammiolla ja ylhäältä sähköisesti neutraalilla elektrolyytin ulostulokammiolla.

Keksinnön eräälle suoritusmuodolle on tunnusomaista, että tietyssä jakoelementissä aina joka toinen elektrodi on läpiulottuva ja joka toinen polariteetiltaan vastakkainen elektrodi on päästään kiinnitetty jakoelementtiin. Jakoelementit on sopivimmin varustettu sellaisilla välineillä kuin urilla tai raoilla elektrodin katodi- ja anodiosien asettamiseksi oikeaan suuntaan ja tämän asetuksen säilyttämiseksi jakoelementin sekä ylä- että alapuolella.

Elektrolyysilaitteen pystysuora kotelo voi olla tehty mistä tahansa sopivasta materiaalista, kuten teräksestä tai muusta metallista, tahi muovista kuten polyvinyylikloridista, ja se on tavallisesti vuorattu eristävällä reagoimattomalla aineella kotelon kautta tapahtuvien virtahäviöitten esiintymisen estämiseksi ja korroosio-ongelmien välttämiseksi. Kotelon poikkileikkaus voi olla mitä sopivaa muotoa tahansa kuten neliömäinen, suorakulmion muotoinen tai pyöreä. Elektrolyysilaite voi olla myös sijoitettu elektrolyytin virtaus-piirissä olevaan putkeen.

Jakoelementit tehdään sähköä johtamattomasta, elektrolyytin kanssa reagoimattomasta materiaalista, kuten esim. keraamisesta aineesta tai muovista, ja niiden poikkileikkaus on olennaisesti sama kuin pystysuoran kotelon sisäpoikkileikkaus, niin ettei esiinny mitään elementtien tai elementteihin liitettyjen anodien ja katodien siirtymistä eikä elektrolyytin vuotoa elementtien ohitse. Jakoelementit on varustettu joukolla reikiä, jotka on jaettu tasavälein elementtien poikkileikkauksen suhteen ja joihin kaksinapaiset elektrodit voidaan kiinnittää.

Jakoelementtien kuminallakin puolella, tasavälein jaettuna element- ί 59425 tien poikkileikkauksen suhteen, joukko reikämäisiä tai rakomaisia syvennyksiä, joihin ko. jakoelementin ylä- ja alapuolella sijaitsevien jakoelementtien lävitse kulkevien kaksinapaisten elektrodien anodi- ja katodiosien päät sopivat. Tämä tekee mahdolliseksi katodien ja anodien yksinkertaisen asentamisen ja suuntauksen kussakin kenno-yksikössä siten, että ne tulevat sijaitsemaan yhtäläisillä etäisyyksillä toisistaan.

Jakoelementit on rakennettu sellaisiksi, että elektrolyytti voi virrata tasaisesti yhdestä kennoyksiköstä seuraavaan yksikköön. Tämä voidaan saada aikaan varustamalla jakolevy joukolla läpimeneviä reikiä tai rakoja tai käyttämällä Onttoja kaksinapaisia elektrodeja, joihin on tehty reiät jakoelementin ylä- ja alapuolelle, tahi tekemällä jakoelementin läpi meneviä kaksinapaisia elektrodeja varten niin isot reiät, että elektrolyytti voi virrata niiden kautta. Tässä tapauksessa elektrodit eivät ole kiinnitetyt jakoelementeissä oleviin reikiin, ja jakoelementit on tuettu paikoilleen useilla pienillä ruuveilla tai muilla sopivilla välineillä.

Kaksinapaiset elektrodit voidaan valmistaa erilaisista materiaaleista riippuen kussakin tapauksessa käytetystä elektrolyytistä ja muodostuvista elektrolyysituotteista. Elektrodit voidaan valmistaa yhdestä olosuhteita kestävästä metallista kuten venttiilimetallista, esim. titaanista, tantalista tai jostakin platinaryhmän metallista, tahi kahdesta metallista siten, että anodiosa tehdään yhdestä metallista kuten titaanista ja katodiosa toisesta metallista, kuten teräksestä, ruostumattomasta teräksestä, kuparista, hopeasta jne., joka metalli on katodilla vallitseviin olosuhteisiin sopiva. Anodi- ja katodiosa voivat olla välittömässä kosketuksessa toisiinsa tai ne voidaan liittää yhteen välimetallin avulla.

Kaksinapaisten elektrodien anodiosat tehdään sopivimmin venttiili-metallista ja niiden pinta varustetaan sähköä johtavalla, sähkökata-lyyttisellä päällysteellä, joka pystyy johtamaan sähköä elektrolyyttiin pitkiä aikoja passivoitumatta, ja elektrodien katodiosat voidaan tehdä samasta metallista ilman sähkökatalyyttistä päällystettä.

Esimerkkejä sopivista anodipäällysteistä ovat platinaryhmän metallit kuten platina, palladium, iridium, ruteeni, osmium tai rodium ja niiden öcukijet, kuita, nopea, rauta, nikkeli, kromi, kupari, lyijy ja s' 5 59425 mangaani, ja näiden metallien oksidit, nitridit, sulfidit ja karbid.it sekä niiden seokset. Sopivimpia päällysteitä ovat venttiilimetalli-oksidi ja kalvoa muodostamaton johtava aine, kuten on selostettu US-patentissa n:o 3 632 498.

Jos kaksinapainen elektrodi tehdään kahdesta metallista, on joskus vaikeata hitsata metalleja yhteen, mutta tämä vaikeus voidaan välttää käyttämällä anodi- ja katodiosien välissä kolmatta metallia, joka on helpommin hitsattavissa kyseessä olevaan kahteen metalliin. Esimerkiksi, jos anodiosa tehdään titaanista jakatodiosa teräksestä, sijoitetaan väliin kuparikappale, joka on helposti hitsattavissa toisesta päästään teräkseen ja vastakkaisesta päästään titaaniin.

Tällaista rakennetta olevan kaksimetallisen elektrodin välimetalli voi suorittaa myös toista tehtävää, nimittäin estää vetyatomien vaelluksen katodiosasta anodiosaan. Anodiin diffundoituvat vetyatomit saattavat aikaansaada perusmetallin kuplimista ja paisumista, mikä vuorostaan aiheuttaa sähkökatalyyttisen päällysteen turmeltumisen. Kun kuparia käytetään titaanin ja teräksen välissä, se toimii vetyatomien diffuusion esteenä.

Elektrolyysilaitteen pystysuoran kotelon alapää on varustettu sisäänmenokammiolla ja sen yläpää ulostulokammiolla, jotka kammiot aikaansaavat pyörteen muodostuksen vähenemisen tulopäässä ja estävät pyörteisyyden poistopäässä.

Keksinnön mukaisen elektrolyysilaitteen pystyrakenteesta johtuen elektrolyytin virtaus on olennaisesti suoraviivaista ja pyörteisyys on kennoyksiköissä vältetty. Tällainen suoraviivainen elektrolyytin virtaus vierekkäisten anodien ja katodien välisen elektrolyysitilan lävitse on omiaan vähentämään kennoihin saostumaan pyrkivien liukenemattomien osasten kerääntymistä, mikä ongelma erikoisesti esiintyy merivettä, elektrolysoitaessa. Elektrolyyttivirta kuljettaa kiinteät aineet mukanaan pois kennosta, ja elektrolyytin virtausnopeutta lisätään tulopäästä poistopäähän päin käyttämällä hyväksi elektrolyysissä muodostuneitten kaasujen nostovaikutusta.

Elektrolyysin . aikana syntyneillä vetykuplilla ei ole mahdollisuutta pysähtyä kennoyksiköihiii ja muodostaa kaasutaskuja eieklrolyy tin suoraviivaisen virtauksen vuoksi. Sen sijaan vetykuplat hajaantuvat 6 59425 kautta koko elektrolyytin ja niiden pitoisuus suurenee vähitellen elektrolyytin noustessa pitkin pystysuoraa kennostoa, mikä on omiaan lisäämään elektrolyytin virtausnopeutta elektolyysilaitteen ylemmissä osissa. Niinpä tämä keksintö käyttää hyväksi muodostuneitten kaasujen nostovaikutusta, ja sen tuloksena on elektrolyytin virtausnopeuden kasvaminen sen noustessa eri kennoyksiköitten lävitse. Virtauksen yhdenmukaisuus kautta koko elektrolyysilaitteen poikkipinnan, elektrolyysi.laitetta pitkin nousevan kaasu/elektrolyytti-dis- persion virtausnopeuden asteittainen lisääntyminen ja pyörteiden aiheuttamien sisäisten paluuvirtausten sekä paikallaan pysyvien vyöhykkeiden puuttuminen estävät kiinteiden osasten kuten kalsiumin, magnesiumin, orgaanisten aineiden ym. saostumien kerrostumisen elektrolyysilaitteen sisälle. Tällaiset kiinteät osaset pysyvät suspensiossa ja kaasu/elektrolyytti-dispersion virta huuhtelee ne tehokkaasti pois .

Keksinnön edullisia suoritusmuotoja kuvaavissa piirustuksissa: kuvio 1 on osittainen poikkileikkaus keksinnön mukaisesta pystyasentoisesta elektrolyysilaitteesta levymäisine kaksinapaisine elektro- deineen, kuvio 2 on osittainen poikkileikkaus pitkin kuvion 1 viivaa II-II, kuvio 3 on leikkaus päältäpäin katsottuna pitkin kuvion 1 viivaa III-III, kuvio 4 on suurennettu poikkileikkauskuva jakoelementistä ja yhdestä metallista tehtyjen kaksinapaisten elektrodien sovituksesta, kuvio 5 on leikkaus päältäpäin katsottuna pitkin kuvion 4 viivaa V-V, kuvio 6 on suurennettu poikkileikkauskuva eräästä toisen muotoisesta jakoelementistä sekä kaksinapaisten kaksimetallielektrodien sovituksesta, kuvio 7 on leikkaus päältäpäin katsottuna likimain pitkin kuvion 6 viivaa VII-VII, kuvio 8 on poikkileikkaus eräästä keksinnön mukaisen pystyasentoisen elektrolyysilaitteen sovellutusmuodosta sauvamaisine kaksinapaisine elektrodeineen, poikkileikkauksen ollessa pyöreä, kuvio 9 on suurennettu osittainen poikkileikkaus kuvion 8 mukaisen elektrolyysilaitteen kahdesta jakoelementistä ja kaksinapaisista sauvoista, kuvio 10 on osittainen kuva ylhäältäpäin jakoelementeistä otettuna r\*i f-\r*i r» 1/·ijwΊ OΓ* 9 Yi ί V3.3. X“X^ kuvio 11 on suurennettu osittainen poikkileikkaus ja kuvio 12 suuren- 7 59425 nettu osittainen kuva ylhäältäpäin keksinnön mukaisesta, kaksinapaisia kaksimetallielektrodeja käsittävästä jakoelementistä, kuvio 13 on kaaviomainen kuva elektrolyysijärjestelmästä, joka on sopiva käytettäväksi natriumkloraatin valmistukseen natriumkloridi-liuoksesta.

Kuvioissa 1-3 esitetty elektrolyysilaitteen sovellutusmuoto käsittää kotelon 1, joka on varustettu tulokammiolla 2 ja poistokammiolla 3. Elektrolyytti syötetään tulokammioon 2 putken 4 kautta ja poistetaan elektrolyysilaitteesta putken 5 kautta, tämän putken ollessa yhdistettynä.kaasunerotusastiaan, jos niin halutaan. Elektrolyysi-laite, joka käsittää vain kaksi täydellistä elektrolyysikammiota ja osia muista kammioista, on esitetty kuviossa 1. On selvää, että kotelo voi sisältää minkä määrän elektrolyysikammioita tahansa, ja että koteloa 1 voidaan pidentää käsittämään halutun määrän elektrolyysikammioita eli kennoyksiköitä. Elektrolyysilaite on varustettu positiivisella päätelevyllä 6, joka on yhdistetty sähköenergialähteen (ei esitetty kuviossa) asianomaiseen napaan liittimien 7 ja kokooma-kiskon 8 välityksellä, ja negatiivisella päätelevyllä 9, joka on yhdistetty liittimien 10 ja kokoomakiskon 11 välityksellä sähköenergian-lähteeseen. Levyt 6 ja 9 toimivat yhdessä eristävän sylinterin 15 kanssa muodostaen nestetiiviit liitokset sylinterin kumpaankin päähän elektrolyytin vuotamisen estämiseksi.

Alimman kennoyksikön kaksinapaisten elektrodien anodiosa on kosketuksessa positiiviseen päätelevyyn 6 ja ylimmän kennoyksikön elektrodien katodiosa on kosketuksessa negatiiviseen päätelevyyn 9- Mikä määrä kennoyksiköitä tahansa voi olla asetettu positiivisen pääteyksikön ja negatiivisen pääteyksikön väliin, ja sähkövirran suunta voi olla alhaalta ylöspäin tai päinvastainen. Mitään elektrolyysiä ei tapahdu tulo- ja poistokammioissa, koska näissä kammioissa on vain yhtä lajia olevia elektrodeja.

Kuvion 1 mukaisessa elektrolyysiiaitteessa kaksinapaisia elektrodeja 12 erottaa toisistaan niiden keskikohdalla joukko jakoelement-tejä 13, jotka ovat eristävää materiaalia kuten polyvinyylikloridia, metakryylihartsia, eboniittia, kumia, keraamista ainetta ja sen tapaista, tiivisteiden 16 sijaitessa jakoelementtien ja elektrodien väleissä. Jakoelementit 13 ja elektrodit 12 toimivat vaakasuorina seinäminä rajoittaen yksityisiä kennoyksiköitä. Kaksinapaiset elektro 8 59425 dit on kuviossa 1 esitetty metallilevyinä, ja kaksinapaisten elektrodien ylä- ja alapuolella sijaitsevat Jakoelementit on varustettu urilla 1*1, joihin elektrodien päät sopivat ja jotka aikaansaavat yksinkertaisesti elektrodien automaattisen asetuksen sekä mekaanisen tukevuuden kennoyksiköissä. Eräät elektrodeista ulottuvat jakoele-menttien lävitse, kuten näkyy kuviosta 4, ja eräät elektrodit päätyvät niitä paikoillaan pitäviin uriin 1*1. Kennokotelon 1 sisäpuoli on varustettu eristävällä vuorauksella 15 elektrolysointiyksiköitten eristämiseksi kennokotelosta. Jakoelementit 13 on varustettu raoilla 16a (kuvio 5), joiden kautta elektrolyytti voi virrata tasaisesti ylöspäin elektrolyysilaitteen läpi.

Elektrolysointivirta kulkee positiivisesta levystä 6 kaksinapaisten elektrodien 12 positiivisiin päihin ja sen jälkeen jakoelementtien 13 lävitse ensimmäisessä kennoyksikössä sijaitseviin kaksinapaisten elektrodien negatiivisiin päihin, edelleen kennossa olevan elektrolyytin kautta seuraavan kaksinapaisten elektrodien ryhmän positiiviseen päähän ja sen jälkeen samalla tavalla kuin edellä koko kennon lävitse kunnes virta saavuttaa negatiivisen päätelevyn 9·

Kuten kuviosta 1 ilmenee, alapäätelevystä 6 lähtevät johtimet on liitetty elektrodeihin, jotka·, kulkevat alimman jakoelementin 13 lävitse ulottuen seuraavaksi ylemmän jakoelementin 13a pohjassa sijaitseviin uurteisiin 1*1. 'Elektrodit 12, jotka lepäävät alimman Jakoelementin 13 yläpinnan urissa 1*1, menevät seuraavaksi ylemmän jakoelementin 13a rakojen lävitse seuraavaan ylempään kennoyksik-köön jne. kennoston koko korkeuden kautta kunnes ylin pääteyksikkö on saavutettu. Tässä yksikössä elektrodit ulottuvat jakoelementin lävitse ja ovat liitetyt yläpäätelevyyn 9 päättäen siten kennon läpäisevät kaksinapaiset liitännät riippumatta kennon sisältämien kenno-yksiköitten lukumäärästä.

Sarjaan kytkettyjen kennoyksiköitten läpi kulkeva natriumkloridiliuos elektrolysoidaan seuraavien reaktioiden mukaisesti:

Katodireaktio: . 2^0 H2 + 20H 2e 0H~-diodien diffundoituessa anodia kohti

Anodireaktiot: 2C1~ Clg ΐ + 2e“

Cl0 + 20H" -V Cl" + CIO" + H„0 u e_

Nettoreaktio anodilla: Cl" + 20H- CIO- + H20 + 2e~ 9 59425

Katodilla kehittyvät ...vetykuplat ja muut vapaat kaasut elektrolyytti kuljettaa multaan ylöspäin ja he saattavat elektrolyytin nopeuden vähitellen kasvamaan sen virratessa yhä ylemmän kennoyksikön läpi, koska vety-määrä lisääntyy kussakin yksikössä. Elektrolyytin tiheys pienenee vetykuplapitoisuuden suuretessa, ja tämä on omiaan vähentämään haitallisten kerrostumien muodostumista sekä huuhtelemaan niitä pois.

Kaksinapaiset metallielektrodit voivat olla muodoltaan levymäisiä, reiällisiä, verkkomaisia jne. tai ne voivat olla liuskojen tahi sauvojen muotoisia. Elektrodit voivat olla venttii3 ime tallia kuten titaania, tantalla, sirkqniumia, niobia, molybdeeniä, volframia tai näiden seosta tahi piirautalejeerinkiä. Anodiosa on peitetty sähköä johtavalla sähkökatalyyttisellä päällysteellä.

Kuvioissa 6 ja 7 esitetyssä sovellutusmuodossa kaksinapaiset elektrodit 12 on tehty kahdesta metallista siten, että anodiosa 18 on tehty sopivasta venttiilimetallista päällystettynä sähköä johtavalla sähkö-katalyyttisellä materiaalilla ja katodiosa 19 on tehty katodiolosuh-teisiin soveltuvasta toisenlaisesta metallista kuten esim. teräksestä, kuparista, hopeasta, ruostumattomasta teräksestä jne. Erilaisten materiaalien yhteenhitsauksesta aiheutuvien ongelmien välttämiseksi on elektrodinosien väliin asetettu sopivaa kolmatta materiaalia kuten esim. kuparia oleva ohut kappale 20, johon venttiilimetallisen anodi-osan 18 ja katodiosan 19 päät on hitsattu. Välikappale 20 toimii myös välineenä, joka estää vetyatomien vaelluksen katodiosasta 19 anodi-osaan 18. Tiivisteitä 16 käytetään tässä sovellutusmuodossa sulkemaan välikappaleitten 20 ympärillä oleva tila välikappaleen 20 suojaamiseksi elektrolyytin ja elektrolyysituotteiden aiheuttamalta korroosiolta. Kuvioiden 6 ja 7 esittämässä sovellutusmuodossa jakajaele-mentti 13 on varustettu pyöreinä rei’illä 21 rakojen sijasta elektrolyytin ylöspäin tapahtuvaa läpivirtausta varten.

Kuvioissa 8-10 esitetyssä sovellutusmuodossa elektrolyysilaite on poikkileikkaukseltaan pyöreän putken muotoinen, kaksinapaisten elektrodien ollessa metallisauvoja. Elektrolyysilaite käsittää kotelon 22, joka on varustettu tulokammioon 24 johtavalla tuloputkella 23 ja neutraaliin poistokammioon 26 liittyvällä poistoputkella 25. Kotelo voi olla tehty mistä tahansa sopivasta materiaalista kuten esimerkiksi polyvinyylikloridista ja se on vuorattu putken 27 muo- λ λ ·» λ 1 T r* ·><ί * m M» 4 *»-· ' 4- 4. 1 *1 ^ λ v* — m f) ·· a 1 Ί rs uUo is CL vd._LO.ct A td{3C/j.mae υϋικαχία ci o. o ^ jr odiuto _l _l a. · 10 59425

Vaipan 22 alapään sulkee levy 28, jonka lävitse positiivinen pääte 29 kulkee energialähteeseen yhdistämiseksi. Levy 28 on sopivimmin hitsattu koteloon, mutta se voi olla kiinnitetty jollakin muulla sopivalla tavalla kuten esim. pulteilla. Pääte 29 on yhdistetty päätylevyyn 30, joka muodostaa nestetiiviin liitoksen vuorausputken 27 kanssa. Hyvän sähköliitoksen varmistamiseksi päätylevyn 30 ja kaksinapaisten elektrodien 31 välillä, elektrolyysilaitteen ollessa asennettuna, päätylevyyn 30 voi olla porattu reikiä ja sauvat 31 kootuissa kennoissa on työnnetty näihin reikiin ja hitsattu kiinni niihin, ja päätylevy on sen jälkeen hitsattu päätteeseen 29-

Vaipan 22 yläpää on suljettu levyllä 32, joka sopivimmin on irrotettavasta kiinnitetty vaippaan 22 kennon sisälle pääsemiseksi huoltoa varten. Pääteliitin 33 on johdettu levyn 32 lävitse ja se on sähköisesti yhdistetty päätylevyyn 34, joka vuorausputken 27 kanssa muodostaa nestetiiviin kennon yläpään, kaksinapaisten elektrodien 31 ollessa kiinnitettynä levyyn 34 samalla tavalla kuin levyyn 30.

Kuvioitten 8-10 mukainen sovellutusmuoto samoin kuin kuvioitten 1-6 mukainen sovellutusmuoto voivat käsittää minkä tahansa määrän aktiivisia elektrolyysikammioita, ja vaikka vain kaksi aktiivista elektro-lyysikammiota eli kennoa on esitetty kuviossa 8, on selvää, että mikä haluttu määrä tahansa elektrolyysikammioita eli kennoja voidaan sijoittaa samaan elektrolyysilaitteen koteloon.

Kuvioissa 8-10 esitetylle elektrolyysilaitteelle on tunnusomaista sen alapäässä sijaitseva sähköisesti neutraali tulokammio 24 ja yläpäässä sijaitseva sähköisesti neutraali poistokammio 26, jotka ovat omiaan aikaansaamaan elektrolyytin tasaisen virtauksen koko elektro-lyysilaitteen lävitse. Elektrolyytti syötetään tulokammioon 24, ja se virtaa välittömästi tulokammion yläpuolella olevaan kammioon jakoelementin reikien tai rakojen kautta, jakoelementtien jakaessa elektrolyysilaitteen useaan elektrolyysikennoyksikköön. Elektro lyytin virtaus tapahtuu siis elektrodien suuntaisena, ja syntyneillä vetykuplilla ei ole tilaisuutta pysähtyä ja muodostaa kaasutaskuja. Yksityisissä kennoyksiköissä ei ole mitään takaisinvirtaustilaa.

Sen sijaan vetykuplat dispergoituvat elektrolyyttiin ja virtaavat sen mukana ylöspäin, niin että vetykuplien nostovaikutusta käytetään lisäämään elektrolyytin nopeutta kennoyksiköstä toiseen, virtausta wi.ton vilhivOllcri kiihdy tcttässsii !ί $ nn o i s s s. Q vi neniin vinn* pi ten 8-10 mukaisen elektrolysointilaitteon jakavat, samoin kuin n 59425 kuviossa 1, kennoyksiköihin jakoelementit' 35, jotka sopivat tiiviisti vuorausputkeen 27 ja jotka voidaan kiinnittää paikoilleen ruuveilla, mikäli on tarpeellista.

Kuten kuvioista 9 ja 10 näkyy, kaksinapaiset elektrodit 37 on tehty yhdestä metallista kuten titaanista, ja anodiosa 37a on varustettu sähkökatalyyttisellä päällysteellä, kun sen sijaan katodiosa 37b on päällystämätön. Jakoelementti 35 on tässä sovellutusmuodossa varustettu joukolla reikiä 36, jotka on tasavälein jaettu elementin koko pinnalle ja joiden läpi kaksinapaiset elektrodisauvat menevät siten, että kunkin sauvan ympärille jää välys, jonka kautta elektrolyytti voi virrata yhdestä kennoyksiköstä seuraavaan yksikköön. Jakoele-mentin 35 molemmat vaakasuorat pinnat on myös varustettu joukolla syvennyksiä 36a, jotka on jaettu tasavälein ja joihin niiden elektrodien päät sopivat, jotka menevät kyseessä olevan jakoelementin ylä- ja alapuolella sijaitsevien lähimpien jakoelementtien lävitse. Näin aikaansaadaan yksinkertainen väline kaksinapaisten sauvaelektro-dien anodi- ja katodiosien asettamiseksi siten, että anodien ja katodien elektrolyyttiset välit ovat yhtäläiset sekä kaksinapainen sähköjohto kennoyksiköstä toiseen on yhdenmukainen.

Kuvioiden 11 ja 12 esittämässä muunnetussa sovellutuksessa kaksinapaiset sauvaelektrodit on tehty kahdesta metallista, ja ne on tukevasti kiinnitetty jakoelementteihin 39, niin että ruuveja ei tarvita jakoelementin 39 pitämiseksi paikallaan. Sauvaelektrodin 38 anodiosa 38a on tehty sopivasta aineesta kuten esim. titaanista peitettynä sähköä johtavalla sähkökatalyyttisellä päällysteellä, katodi-osan 38b ollessa sopivaa ainetta, kuten rautaa tai terästä. Elektrodin mainitun kahden osan yhdistämisen helpottamiseksi kuparinen lii-tosliuska 40 on hitsattu katodin yhteen päähän 38b ja anodin toiseen päähän 38a. Jakoelementin läpäisevät reiät, joiden lävitse kaksinapaiset elektrodit kulkevat, on tiivistetty elektrolyytin tunkeutumisen suhteen liuskan 40 suojaamiseksi kennossa vallitsevilta syövyttäviltä olosuhteilta. Tiivistykseen voidaan käyttää mitä tahansa sopivaa lämpöä kestävää tiivistysainetta kuten esim. hartsia.

Jakoelementti 39 on varustettu joukolla syvennyksiä 42, joihin sau-vaelektrodien 38 päät sopivat samoin kuin edellä, ja se on lisäksi varustettu joukolla reikiä 43, joiden lävitse elektrolyytti voi helposti suuraan vix-x-ata yhdestä kennoyksiköstä seuraavaan yksikköön.

12 5 9425

Kuvioitten 1-12 mukaiset elektrolyysilaitteet soveltuvat laii.ieitten suolaliuosten kuten meriveden elektrolyysiin kloorin hapetta.vien yhdisteiden kuten hypokloriitin muodostamiseksi, ja. niitä voidaan myös käyttää muodostamaan kloraatteja ja perkloraatteja kloridien vesiliuoksista. Merivettä elektrolysoitaessa tavalliset epäpuhtaudet kuten kalsium, magnesium, kalium jne. sekä levät saostuvat kerrostuen normaalisti elektrodeihin tukkien ne·. Kuitenkin käyttämällä hyväksi vetykuplien ja muiden kaasujen nostovaikutusta elektrolyytti saatetaan virtaamaan yhä nopeammin kunkin peräkkäisen kennoyksikön läpi ja huuhtomaan mukaansa kaiken niihin saostuneen kiinteän aineen yhä ylempien yksiköitten lävitse, siten vähentäen kiinteiden aineiden kerrostumista yksiköissä ja hidastaen tukkeutusmisilmiötä.

Elektrolyysilaitteiden, joita käytetään aktiivisen kloorin kehittämiseen hypokloriitin muodossa suurissa teollisuuskomplekseissa jääh-, dytysväliaineena käytettävän meriveden kloonaamiseksi, eräs tyypillinen toiminta-arvojen yhdistelmä on seuraava:

Elektrolyytti 'raaka meriversi

NaCl-pitoisuus 20 g klooria litrassa

Elektrolyytin saapumislämpötila 2il°C

Elektrolyytin poistumislämpötila 26°C

Elektrolyytin viipymisaika 15 s

Elektrolyytin keskimääräinen nopeus 11 cm/s

Elektrodien väli 3,75 mm

Virtatiheys 1600 A/m2

Aktiivisen kloorin pitoisuus poistuvassa nesteessä 2 g/litra

Virtahyötysuhde 95 %

Kloraattipitoisuus poistuvassa nesteessä ei todettu

Erään kloraattikoelaitoksen vastaava kuvaava toiminta-arvojen yhdistelmä on seuraava:

Elektrolyytin koostumus kokeen aikana saavutetuissa vakinaisissa olosuhteissa 100-110 g NaCl litrassa 650-760 g kloraattia litrassa,

Puskuriaineen pitoisuus 3 g ^201^20^-1^0 litrassa F.l f>ktr»r»iyy tjn s aepumis lämpöt ila 95^*0 59425 13

Elektrolyytin poistumislämpötila 98°C

Elektrolyytin keskimääräinen nopeus elektrodien välissä 40 cm/s

Elektrodien väli 3,5 mm

Virtatiheys 2250 A/m2

Virtahyötysuhde 98 %

Hypokloriittipitoisuus poistuvassa nesteessä 2 g/litra

Viipymisaika reaktorissa 90 s

Viipymisaika kennossa 3 s Tätä koetta varten elektrolyysilaite yhdistettiin reaktoriääi-liöön ja elektrolyyttiä kierrätettiin säiliöstä elektrolyysilait-teeseen. Vakinaiset kloraatti- ja klooripitoisuudet elektrolyytissä aikaansaatiin jatkuvasti poistamalla elektrolyyttiä ja syöttämällä lähtöaineena käytettyä suolaliuosta reaktorisäiliöön. Elektrolyytin kiertokulku elektrolyysilaitteesta reaktoritankkiin ja takaisin aikaansaatiin pelkästään elektrolyysilaitteessa esiintyvän vety-kaasukuplien nostovaikutuksen avulla.

Kloraatteja valmistettaessa käytetään korkeampia lämpötiloja, ja niinpä käytetään myös korkeampiin lämpötiloihin soveltuvia materiaaleja, vaikka kennorakenne pysyy olennaisesti sellaisena kuin edellä on selostettu. Kloraattien valmistuksessa on kuitenkin edullisinta muodostaa erillisten, toisiinsa yhdistettyjen elektrolyysilaittei-den sarja siten, että elektrolyytti tulee virtaamaan peräkkäin kaikkien elektrolyysilaitteiden läpi. Kuvio 13 esittää erästä natrium-kloraatin valmistukseen käytettävää järjestelmää, jossa natriumklo-ridin vesiliuosta viedään syöttöjohdon 44 kautta elektrolyysilait-teeseen 45, joka käsittää sopivimmin 5 elektrolyysikennoyksikköä. Elektrolyytti, poistuu laitteesta 45 johtoa 46 pitkin, ja se johdetaan ensin kaasunerotusastiaan 47 vedyn erottamiseksi elektrolyytistä ja sen jälkeen elektrolyysilaitteen 48 alaosaan. Elektrolyytti poistuu laitteesta 48 johtoa 49 pitkin virraten kaasunerottimen 50 kautta ja sen jälkeen elektrolyysilaitteen 51 lävitse. Muodostunut kloraattiliuos poistuu johtoa 52 pitkin, johdetaan kaasunerottimen 53 kautta ja otetaan talteen.

Keksinnön mukaisen laitteen ja elektrolysointimenetelmien erilaisia muunnoksia voidaan soveltaa poikkeamatta keksinnön periaatteesta ja suojapiiristä, ja on selvää, että keksintö on tarkoitettu rajoitettavaksi sellaiseksi kuin oheiset patenttivaatimukset sen määrittelevät.

Claims (5)

1ί: 5 9425 Pa t en11ivaa timukset

1. Pystysuora välikalvoton elektrolyysilaite, joka käsittää pystysuoran kotelon (1, 22), joka on varustettu koteloon olennaisesti vaakasuoraan järjestetyillä, elektrolyytille inerttisillä jakoele-menteillä (13, 13a, 35, 39), jotka jakavat kotelon päällekkäin sijaitseviin kammioihin, kammioihin vuorotellen järjestetyillä elektrodeilla (12, 31, 37, 38), jotka ovat asetetut olennaisesti pystysuoraan ja jaetut kennon poikkileikkauksen yli, jolloin laitteessa on edelleen elimet sähkövirran kytkemiseksi elekirodeihin ja jakoelementeissä on aukkoja (l6a, 21, J43), jotka sallivat elektrolyytin virtauksen ylöspäin kammiosta seuraavaan, tunnettu siitä, että elektrodit (12, 31, 37, 38) ovat bipolaarisia sekä ulottuvat sähköisesti johtamattoman jakoelementin (13, 13a, 35, 39) läpi kammiosta toiseen, ja että laite on lisäksi varustettu alhaalta sähköisesti neutraalilla elektrolyytin sisäänmenokammiolla (2, 24) ja ylhäältä sähköisesti neutraalilla elektrolyytin u]ostulokammiol-la (3, 26).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnet-t u siitä, että tietyssä jakoelementissä (13, 13a, 33, 39) aina joka toinen elektrodi on läpiulottuva ja joka toinen polariteetiltaan vastakkainen elektrodi on päästään kiinnitetty jakoelementtiin.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnet t u siitä, että bipolaariset elektrodit (12, 31, 37, 38) ovat sinänsä tunnetulla tavalla bimetallia ja että niiden bimetalliset osat ovat kolmannen metallin avulla toisiinsa liitetyt.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että elektrodit ovat valmistetut yhdestä metallista ja anodiosa on ainakin osittain päällystetty sähkönjohtavalla elektrokatalyytti-sella päällysteellä.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että elektrodit ovat sauvojen (38) muodossa.