FI59427B - Elektrolyscell - Google Patents

Description

RBF^l [B] (11)KUULUTUSJULKAISU r g 4 ο π WA lJ U ' UTLÄGGN I NGSSKRI FT ' C (45) Patentti r.,yonnc tt.y 10 03 1931 (51) Kv.ik.Vci.3 C 25 B 9/00, 1/00 SUOMI —FINLAND (21) Ptt.flttlhak.mu.-Pw.nt.nrflcnfni T83156 (22) HakamltpHvt — Aiweknlngidag IT.10.78 (23) Alkupllvt—Giklghutsdag 17.10.78

(41) Tullut JulklMM — Bllvlt off«ntll| l8.OU.8O

P»t*nttl-j» r*Mst«riha!litin N.httvUc.lp™ μ kuuLJulk^un p,m. _ . .

Patent- ocn registerttyralaan ' Antektn uttagd ech uti.skrtftan pubik*rad 30.0U. 81 (32)(33)(31) Pyy»1·**/ utuoik·»» —Bujird prioritut (71) Outokumpu Oy, Outokumpu, FI; Töölönkatu U, 00100 Helsinki 10,

Suomi-Finland(FI) (72) Matti Seilo, Harjavalta, Suomi-Finland(FI) (TM Berggren Oy Ab (5U) Elektrolyysikenno - Elektrolyscell Tämä keksintö kohdistuu elektrolyysikennoon ja erityisesti nikkeli (II)-hydroksidin hapetukseen käytettyyn elektrolyysikennoon, jossa on allas elektrolyyttiä varten sekä virtalähteeseen korvakkeilla yhdistettyjä pienen välimatkan päähän toisistaan limittäin sovitettuja anodeja ja katodeja.

Nikkeli(II)hydroksidin hapettaminen nikkeli(III)hydroksidiksi vaatii huomattavan korkean hapetuspotentiaalin, mutta voidaan se suorittaa eräiden kemikaalien, kuten persulfaatin, kloorin, otsonin avulla tai elektrolyyttisesti tähän tarkoitukseen soveltuvassa hapetus-kennossa .

Useasti hapetettua tuotetta, nikkeli(III)hydroksidia, käytetään edelleen hapettamaan ja saostamaan epäpuhtauksia kuten kobolttia, rautaa, mangaania, lyijyä, arseenia, seleeniä ja vismuttia elektrolyyttiliuok-sista, esimerkiksi nikkelielektrolyytistä. Nikkeli(III)hydroksidin hapetuskyky on luonnollisesti sen parempi, mitä pitemmälle lähtö-tuotteesta suoritettu hapettaminen on onnistuttu viemään. Käytännössä on todettu, että hapetus voidaan viedä vaiheen nikkeli(III)-hydroksidi yli, jolloin tuotteessa on mukana myös nikkeli(IV)yhdis- 59427 teitä. Tällaisen tuotteen hapetuskyky on erityisen hyvä.

Kemikaalien avulla suoritettu nikkeli(II)hydroksidin hapettaminen nikkeli(III)hydroksidiksi ei aina ole edullista. Tähän esitetään alla muutamia syitä:

Tehokkaat kemikaalit ovat kalliita ja niiden käyttö edellyttää yleensä stökiometristä ylimäärää, jos pyritään tuotteeseen, jossa hapetus on viety vähintään hapetusasteelle, joka vastaa tuotetta nikkeli(III)hydroksidi.

Kemikaalien käyttö saattaa aiheuttaa haittaa muille prosessitöimin-noille, esimerkiksi akkumuloitumalla prosessiin tai syövyttämällä laitteita.

Halvoilla kemikaaleilla (esim. kaasuseoksella happi + rikkidioksidi) saavutetaan yleensä alhainen hapettumisaste nikkelihydroksidi-sakassa, jolloin sen hapetuskyky ei ole hyvä.

Nikkeli(II)hydroksidin hapetus elektrolyyttisesti voidaan tehdä lisäämättä mitään häiritsevää kemikaalia prosessiin. Tunnetulla tekniikalla on prosessiin käytetyn sähköenergian virtahyötysuhde kuitenkin ollut vain 15-20 %, kun hapetus on viety asteelle Ni(0H)3> Esillä oleva keksintö koskee uutta elektrolyysikennoa, jolla voidaan valmistaa nikkeli(III)hydroksidia siten, että käytetyn virran hyötysuhde nousee moninkertaiseksi aikaisempaan nähden.

Elektrolyyttisessä hapetustapahtumassa hapetettava hydroksidipartik-keli käyttäytyy reaktion (1) mukaisesti: (1) Ni (OH) 2 + H20 v Ni(0H)3 + H+ + e”

Koska Ni(OH)2~partikkeli on sähköisesti ulospäin neutraali, se ei liiku elektrolyytissä ionien tavoin. Hapetettava partikkeli tuodaan anodipinnalle sekoittamalla liuos-kiintoainesuspensiota esim. paine-ilmapuhalluksella.

Reaktion (1) kanssa kilpailee lopputuloksen kannalta hyödytön anodi-reaktio (2) : 59427 (2) 2 Η,Ο ν — * 02 (g) + 4 ΙΙ+ + 4 e" Tällöin on reaktion (1) kannalta ratkaisevan tärkeää se, pystytäänkö hapetettavia partikkeleita tuomaan anodipinnalle sähkön käytön edellyttämä määrä. Muussa tapauksessa anodireaktiona tapahtuu reaktio (2) .

Lopputuloksen kannalta on näin ollen tärkeää, että hapetettavilla partikkeleilla on hyvät edellytykset kohdata anodipinta. Nämä luodaan, kun hapetuskennossa on anodista pinta-alaa mahdollisimman paljon suspensiossa oleviin hydroksidipartikkeleihin nähden ja kun sekoitus on partikkeleiden liikkumisen kannalta edullinen.

Ennestään tunnetuissa elektrolyysikennoissa on elektrodit ripustettu elektroditankoihin, joita myöden myös sähkö tuodaan elektrodeihin. Käytännössä tällainen tekniikka rajoittaa elektrodien sijoittamisen tiiviisti toistensa läheisyyteen ilman, että elektroditankojen ja niiden läpi ulottuvan elektrodien pulttikiinnityksen ansiosta syntyy oikosulkuja elektrolyysissä. Tällä tekniikalla saadaan huolellisesti 2 toimien anodista pinta-alaa vain 25-30 m hapetettavan hydroksidi-suspension kuutiometriä kohti.

Tämän keksinnön tarkoituksena on näin ollen aikaansaada elektrolyysi-kenno, jossa elektrodipinta-ala/allastilavuussuhde on entistä suurempi ja siten elektrolyysikennon virtahyötysuhde entistä parempi.

Keksinnön pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät oheisesta patenttivaatimuksesta 1.

Keksinnön mukaisessa elektrolyysikennossa on anodit ja katodit saatu sovitetuksi entistä lähemmäksi toisiaan tukemalla anodit ja katodit altaaseen ja siirtämällä anodien korvakkeet ja katodien korvakkeet toistensa suhteen jolloin anodin korvake ja katodin korvake edullisesi ovat altaan vastakkaisilla puolilla. Anodit ja katodit lepäävät edullisesti altaan pohjaan tuettujen sähköä eristävästä aineesta valmistettujen kannattimien päällä.

Mahdollisimman hyvän sekoituksen aikaansaamiseksi keksinnön mukaisessa elektrolyysikennossa käytetään siinä edullisesti erikoisraken-teisia katodeja, jotka ovat kehyksiä, joiden sivureunojen väliin 4 59427 on pingoitettu useita lankoja päällekkäin välimatkan päähän toisistaan ja joissa edullisesti on pystysuoria sähköä eristävästä aineesta valmistettuja putkia tai tankoja katodin erottamiseksi sen molemmilla puolilla olevista anodeista. Tällainen katodirakenne sallii partik-keleiden mahdollisimman esteettömän liikkumisen elektrolyyttiliuok-sessa.

Elektrolyysialtaan pohjaan on lisäksi sovitettu elektrodien alle sinänsä tunnettu ilmasekoitusputkisto, jonka avulla elektrolyytti-liuosta sekoitetaan.

Keksintöä selostetaan alla lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää poikkileikkausta keksinnön mukaisesta elektrolyysikennosta katodin kohdalta, kuvio 2a esittää pituussuuntaista leikkausta keksinnön suositun suoritusmuodon osasta, kuvio 2b on osakuva kuviosta 2a suuremmassa mittakaavassa, kuvio 3 esittää sivukuvantoa kuvion 2a elektrolyysikennossa käytetystä katodista ja kuvio 4 esittää sivukuvantoa kuvion 2a elektrolyysikennossa käytetystä anodista.

Oheisissa piirustuksissa on elektrolyysiallas merkitty viitenumerolla 1, elektrolyysialtaan 1 pohjaan sovitettu ilmasekoitusputkisto on merkitty viitenumerolla 2, anodit ja katodit on merkitty viitenumeroilla 3 ja 4,katodin 4 sen molemmilla puolilla olevista anodeista 3 erottavat muoviputket tai -tangot on merkitty viitenumerolla 5, anodien 3 ja katodien 4 korvakkeet on merkitty viitenumeroilla 6 ja 7, kaapeli jolla elektrodien korvakkeet 6 ja 7 on yhdistetty virtalähteeseen on merkitty viitenumerolla 8, elektrodien kannattimet on merkitty viitenumerolla 9, elektrodien ohjaimet on merkitty viitenumerolla 10, katodikehikko viitenumerolla 11 ja katodilanka viitenumerolla 12.

Kuten kuviosta 1 nähdään, on elektrodit 3, 4 sovitettu elektrolyysi-altaaseen 1 sen pohjaan sovitettujen kannattimien 9 varaan. Elektrolyysialtaan 1 pohjaan on lisäksi sovitettu ilmasekoitusputkisto 2, jonka avulla hydroksidisuspensiota sekoitetaan tavanomaiseen tapaan. Elektrolyysialtaan 1 sivuseinämillä on lisäksi ohjaimet 10 elektrodeja 3, 4 varten. Elektrodit on sovitettu elektrolyysialtaaseen 1 kannattimien 9 varaan siten, että anodien 3 korvakkeet 6 ja katodien 4 korvakkeet 7 ovat elektrolyysialtaan vastakkaisilla puolilla ja 5 59427 korvakkeet 6, 7 on yhdistetty virtalähteeseen (ei kuvassa) virtajoh-timilla 8.

Kuviossa 1 esitetty elektrolyysikenno on leikattu siten, että katodi on ensimmäisenä. Kuviossa 1 esitetyssä suoritusmuodossa muodostuu katodi kehikosta 11, kehikon toiseen yläreunaan kiinnitetystä ylöspäin suuntautuvasta korvakkeesta 7 ja kehikon 11 pystysuorien sivujen väliin pingotetuista päällekkäin välimatkan päähän toisistaan sovitetuista katodilangoista 12.

/-

Kuvioissa 2a ja 2b esitetyssä suoritusmuodossa on katodit 4, joiden rakenne on tarkemmin esitetty kuviossa 3, lisäksi varustettu välimatkan päässä toisistaan katodin kummallakin puolella pystysuorasti ulottuvilla elektrodeja erottavilla muoviputkilla tai -tangoilla 5, jotka mahdollisimman vähän estävät hydroksidisuspension sekoittumista ja virtaamista elektrodien välissä.

Kuten kuviosta 4 nähdään on anodi yksinkertainen suorakaiteen muotoinen levy, jonka toiseen yläkulmaan on kiinnitetty tai muodostettu * ylöspäin suuntautuva korvake 6.

Kuten kuviosta 2a nähdään, voidaan samaan virtajohtimeen 8 kiinnittää useita katodeja 4 tai vastaavasti anodeja 3.

Sijoittamalla elektrodit mahdollisimman lähelle toisiaan pienennetään sitä vastusta, jonka elektrolyytti aiheuttaa sähkön kulkemiselle ja siten hapetuksen energiatalous paranee.

Keksintöä selostetaan alla lähemmin esimerkkien avulla ja viitaten kuvioon 5, joka esittää graafisesti virtahyötysuhteen riippuvuutta anodipinta-ala/suspensiotilavuussuhteesta, ja kuvioon 6, joka esittää hapetuskennon kennojännitteen riippuvuutta virrantiheydestä.

Esimerkki 1

Kuvion 2a-b mukaisissa laboratoriohapetuskennoissa, joiden tilavuus oli 1,70, 3,75 ja 15,0 1 suoritettiin hapetuskokeita, joissa anodisen pinta-alan ja suspension tilavuuden suhde vaihteli välillä 135-29 2 3 m /m . Anodi-katodipinta-alasuhde oli noin 11. Anodimateriaali oli noin 1 mm paksua nikkelilevyä ja lankakatodit olivat A1S1 316 terästä.

6 59427

Kokeet suoritettiin lämpötilassa 20°C. Hapetettava suspensio sisälsi 30 g/1 nikkeli(II)hydroksidia, natriumsulfaattia 50 g/1 ja natrium-hydroksidia 10 g/1. Suspensiota sekoitettiin altaassa paine-.ilma-puhalluksella.

Hapetuskokeet suoritettiin panoskokeina ja lopetettiin, kun nikkeli-hydroksidi oli hapettunut vähintään nikkeli(III)hydroksidiksi. Jokaisessa kennossa käytettiin anodivirrantiheyksiä 10, 20, 30, 50 ja 70 A/m2.

Kuvio 5 esittää hapetuskokeiden perusteella laskettua virtahyöty-suhdetta anodipinta-ala-suspensiotilavuussuhteen funktiona. Kyseinen anodipinta-ala-suspensiotilavuussuhteen muutos on saatu aikaan lisäämällä altaan anodipinta-alaa, jolloin, kun virta ei muutu, virrantiheys vastaavasti pienenee. Virtahyötysuhdearvot on laskettu hetkellä, jolloin nikkeli(II) on konvertoitunut kokonaisuudessaan nikkeli(III):ksi.

Kuvio 6 esittää hapetuskennon kennojännitteen riippuvuutta virrantiheydestä.

Graafisten kuvaajien tuloksia tulkittaessa voidaan havaita, että anodipinta-alan lisääminen erittäin voimakkaasti parantaa virtahyöty-suhdetta ja samalla alentaa kennojännitettä.

Esimerkki 2

Tuotantomittakaavassa on suoritettu kaksi koetta siirryttäessä asteittain käyttämään kyseisen keksinnön tarjoamia etuja.

Ensimmäisessä vaiheessa anodipinta-alasuspensiotilavuussuhde nostet- 2 3 2 3 tiin tavanomaisesta arvosta 25 m /m arvoon 42 m /m , jolloin neljän kuukauden koejakson ajalta saatujen tulosten mukaan kyseisen hapetus-altaan virtahyötysuhde oli 30 %, kun vertailuun käytetyn tavanomaisen altaan virtahyötysuhde oli vastaavasti 15 %. Hapettumisen aste koe-ja vertailuhapetusaltaan tuotteissa oli sama vastaten nikkeli (III)-hydroksidia. Koealtaan nikkeli(III)hydroksidituotto vertailualtaaseen nähden oli näin ollen kaksinkertainen.

7 59427

Virtahyötysuhteen paraneminen noudattaa melko tarkasti laboratoriokokeissa saatuja tuloksia, kun otetaan huomioon tasosiirtymä laboratorio- ja tuotantomittakaavassa tehtyjen kokeiden kesken.

Seuraavassa vaiheessa siirryttiin keksinnön mukaiseen allasrakentee-seen, jossa anodipinta-ala-suspensiotilavuussuhde oli 72 m^/m . Virtahyötysuhde parani suhteellisen tarkasti kuvion 5 mukaisesti. Lisäksi oli havaittavissa, ettei elektrodien sijoittaminen aikaisempaa huomattavasti tiiviimmin altaaseen vaikeuttanut sen sekoittamista paineilmalla, eikä tuotantomittakaavassakaan aiheuttanut oikosulku-vaaraa .

Keksinnön mukaisella rakenteella on mahdollista päästä anodipinta-ala/ 2 3 suspensiotilavuussuhteeseen 100 m /m . Tällöin virtahyötysuhteen nousun ja allasjännitteen laskun ansiosta hapetuksen energiakustannukset putoavat 20 %:iin aikaisemmista kustannuksista. Pääomatalouden puolella saavutetaan myös tuntuvia säästöjä. Jos hapetusaltaan tuotto nousee nelinkertaiseksi aikaisempaan verrattuna, saavutetaan haluttu tuotanto hapetusallasmäärällä, joka on vain neljäsosa aikaisempien altaiden määrästä.

Claims (3)

8 59427

1. Elektrolyysikenno, erityisesti nikkeli(II)hydroksidin hapet-tamiseksi, jossa on allas (1) elektrolyyttiä varten ja virtalähteeseen korvakkeilla (6, 7) yhdistettyjä anodeja ja katodeja, jotka elektrodipinta-ala/allastilavuussuhteen lisäämiseksi on sovitettu hyvin pienen välimatkan päähän toisistaan, tunnettu siitä, että anodit (3) ja katodit (4) lepäävät altaan (1) pohjaan tuettujen sähköä eristävästä aineesta valmistettujen kannattimien (9) päällä, ja että anodin korvake (6) ja katodin korvake (7) ovat altaan (1) vastakkaisilla puolilla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysikenno, tunnet-t u siitä, että katodissa (4) on kehikko (11), jonka toiseen sivu-reunaan on kiinnitetty korvake (7), jonka sivureunojen välille on pingotettu useita lankoja (12) päällekkäin välimatkan päähän toisistaan ja jossa on pystysuoria sähköä eristävästä aineesta valmistettuja putkia (5) tai tankoja.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että anodi (3) on levy, jonka toiseen sivureunaan on kiinnitetty tai muodostettu korvake (6).