FI60038C - Elektrolyscell - Google Patents

Description

------ rft1 Μ1λ KUULUTUSJULKAISU ,. Λ - - W (11) UTLÄGGN i ngsskrift 600 3 8 egiS c (45) 13 11 iy:l 'S v ^ (51) Kv.lk?/lnt.CI.3 C 25 B 11/02 SUOMI—Fl N LAND (21) 277^/7^

(22) H»k*ml*p4lvi — AiMÖknlngtdag 21+. 0 9.7 U

(23) AlkupilvI — Glltifh«sdtg 2^4.09.7^ (41) Tullut |ulklMksl — Bllvit offantllg 2^ 93 33

Patentti· ja rekisterihallitus .... _1M. . .. , ^ _ ' . (44) Nihtivlkslpsnon j» ktiuL|ulk«lsun pvm. —

Patent- och registerstyrelsen Anrtkan utlagd och utl.»krift«n publkvrmd 3i.07.8l (32)(33)(31) Pyydetty etueikmi*—Begird priority 2U.09.73 0U.07.7^t Englanti-England(GB) UU682/73, 29683/7^ (71) Imperial Chemical Industries Limited, Imperial Chemical House, Milibank,

London S.W.1, Englanti-England(GB) (72) Alan Brian Emsley, Runcorn, Cheshire, Frederick Spruce, Runcorn, Cheshire, Englanti-England(GB) (7*0 Oy Kolster Ab (5*0 Elektrolyysikenno - Elektrolyscell Tämä keksintö kohdistuu parannuksiin elektrolyysikennoissa.

Tarkemmin sanottuna se kohdistuu elektrolyysikennoihin, joissa käytetään sähkökatalyyttisesti aktiivisella päällysteellä varustettuja, kalvon-muodostavaa metallia olevia anodeja. Se kohdistuu myös näitä anodeja sisältäviin diafragma-kennoihin ja tarkemmin sanottuna diafragma-kennoihin alka-limetallihalidien vesiliuosten elektrolyysiä varten.

Tunnetaan suuri määrä diafragma-kennoja, jotka muodostuvat periaatteessa sarjasta anodeja ja sarjasta katodeja sijoitettuina vuorotellen rinnakkain ja erotettuina toisistaan pääasiallisesti pystysuoran diafragman avulla. Viime aikoina suunnitelluissa kennoissa anodit ovat edullisesti kal-vonmuodostavaa metallia (tavallisesti titaania) olevia levyjä, joiden pinnalla on sähkökatalyyttisesti aktiivinen päällyte (esimerkiksi platinametal-iioksidia); katodit ovat edullisesti metallisia revitettyjä levyjä tai putkia (tavallisesti pehmeää terästä); ja diafragmat, jotka tavallisesti on saos-tettu tai kiinnitetty katodien pinnoille, tehdään edullisesti asbestista tai synteettisestä orgaanisesta materiaalista, esimerkiksi polytetrafluoriety-leenistä tai polyvinylideenifluoridista.

2 60038

Diafragma-kennoa käytettäessä on edullista käyttää mahdollisimman pientä etäisyyttä anodin ja katodin välillä (anodi/katodi-rakoa) ohmisten häviöiden (ja siten kennojännitteen) pitämiseksi mahdollisimman pieninä. Samanaikaisesti on edullista toimia taloudellisella virtatiheydellä, esimer-kiksi arvolla 2 kA/m .

Suurten virtatiheyksien ja pienten anodi/katodi-rakojen käyttö aiheuttaa kuitenkin suurten kaasumäärien kehittymisen (esimerkiksi klooria) elektrolysoitaessa, joka vuorostaan aiheuttaa elektrolyytin ja kaasun muodostaman vaahdon syntymisen. Tämä vaahto voi osittain tukkia anodi/katodi-raon anolyyttiosastossa poistaen siten elektrolyyttiä kennosta ja estäen ainakin osittain elektrolyysin jatkumisen. Tätä vaikeutta on vähennetty rikkomalla vaahto kennon ulkopuolella kaasun ja elektrolyytin erottamiseksi toisistaan kierrättämällä elektrolyytti anolyyttiosaston lävitse, esimerkiksi brittiläisessä patentissa n:o 1,123,321 esitetyllä tavalla. Tätä vaikeutta voidaan edelleen vähentää käyttämällä rei’itettyä tai venytettyä metallianodia. Kykyisin käytetyissä kaupallisissa kennoissa ei kuitenkaan voida toimia pienemmillä kuin 7 mm:n anodi/katodi-raoilla ja tämä on huomattava epäkohta kennon tehokkuuteen nähden.

Vaikkakin edellämainituissa menetelmissä on käytetty diafragma-kenno-ja suurten virtatiheyksien ja pienten anodi/katodi-rakojen saavuttamiseksi, suuri virtahyötysuhde saavutetaan vain verrattain pienillä kennon konversio-arvoilla. Elektrolysoitaessa natriumkloridin vesiliuosta, esimerkiksi kloorin ja natriumhydroksidiliuoksen saamiseksi, 95-96 $:n virtahyötysuhde saavutetaan noin 50 $:n suolakonversiolla. Suuremmilla konversioilla virran hyötysuhde laskee, esimerkiksi laskee se noin 92 io\iin 60 #:n konversiolla ja noin 84 $siin 70 n konversiolla.

Olemme nyt suunnitelleet diafragmakennon kapeampaa tehokasta anodi/ katodirakoa käyttäen, kuin tähän mennessä on ollut mahdollista, sallien kuitenkin kloorin poistamisen valvotusti ja säännöllisesti ja jota voidaan käyttää pienillä jännitteillä ja suurilla virtatiheyksillä, varsinkin suurilla suolakonver8ioilla.

Esiteltävän keksinnön mukaan olemme valmistaneet elektrolyysikennon, joka käsittää anodin, katodin sekä anodin ja katodin toisistaan erottavan diafragman, jolloin anodissa on katodia kohden useite. yhdensuuntaisia pitkänomaisia osia varustettuina ainakin osittain pinnoiltaan sähkökatalyytti-sesti aktiivisella päällysteellä Ja jolloin mainitut pitkänomaiset osat ovat lujasti kiinnitetyt kennoon siten, että mainittujen aktiivisten pintojen pääosa on kuuden millimetrin päässä katodista tai lähempänä.

3 60038

Pitkänomaiset osat on edullisesti asennettu tukikappaleisiin, jotka muodostavat osan anodia ja niiden kapea sivu on edullisesti katodia päin. Pitkänomaiset osat voivat olla lamelleja, tankoja, U-muotoisia kanavamaisia kappaleita, muodoltaan käännetyn TT:n muotoisia tai puolisylinterimäisiä. On suositeltavaa käyttää lamelleja, esimerkiksi yksittäisiä lamelleja, mutta lamellit voivat olla myös kaksoislamelleja sijaiten toisistaan erillään ja yhdistettyinä toisiinsa yhden tai useamman siltaosan avulla lujitustarkoituksia ja/tai mainittujen tukikappaleiden kiinnittämistä varten.

Vierekkäisten pitkänomaisten osien välinen rako on verrattain vakio. Tämä voidaan esimerkiksi tehdä siten, että käytetään useita kaksoislamelleja, jolloin levyt on sijoitettu toisistaan erilleen halutun raon verran. Lamel-lien väliset raot voivat esimerkiksi olla alueella 1,5-10 mm, mutta ovat ne edullisesti alueella 2...5 mm.

Lukuisia erilaisia tukikappaleita voidaan käyttää. Tukikappaleet voivat muodostua tukilevystä, esimerkiksi oleellisesti kiinteästä metallilevystä varustettuna aukoilla anolyytin kierrätystä varten. Toisessa tapauksessa tukikappaleena voi olla tukikehys, edullisesti yhdellä tai useammalla sivu-tukitangolla pitkänomaisten osien kiinnittämistä varten. Tukikehys on edullisesti muodoltaan suorakulmainen ja sen vastakkaiset sisäsivut ovat toisistaan erillään välin verran, joka on hieman lyhyempi kuin mainittujen osien pituus osien kiinnittämisen sallimiseksi kehykseen.

Vaihtoehtoisesti pitkänomaiset osat voidaan varustaa poikkitangolla kiinnitettynä mainittujen osien päähän ja mainittu poikkitanko on kiinnitetty kennon pohjalevyyn. Pitkänomaiset osat voidaan varustaa myös poikittaisella lisätukitangolla yhdistettynä mainittuihin osiin ensimmäisen poikittaisen tu-kitangon vastakkaisiin päihin.

Seuraavassa toteutuksessa tukikappaleet voivat muodostua monireikäi-sestä metallisesta tukilevystä, esimerkiksi metallilankaverkosta, reititetystä levystä tai venytetystä metallista.

Pitkänomaiset osat ja tukikappaleet voidaan kiinnittää yhteen niiden väliin sijoitetun eristävän tiivisteen avulla. Vaihtoehtoisesti pitkänomaiset kappaleet voidaan kiinnittää tukiosiin hitsaamalla tai koko rakenne voidaan lävistää levystä yhtenä kappaleena. Esimerkiksi edelläesitetyt kaksilamelli-set pitkänomaiset osat voidaan hitsata pohjaosastaan tukikappaleisiin kuten metallilevyihin, metallikehikoihin ja niiden poikittaistankoihin (jos niitä käytetään) ja pitkänomaisten osien toisessa tai molemmissa päissä sijaitseviin poikittaisiin tuki tankoihin.

On ymmärrettävä, että pitkänomaiset osat yhdessä tukikappaleiden kans- 4 60038 sa, jotka muodostuvat tukikehyksestä, poikittaisesta tukitangosta kiinnittämistä varten kennon pohjaan tai monireikäisestä tukilevystä, muodostavat pääasiallisesti avoimen rakenteen anodia varten, so* muodostuu useita avoimia kulkuteitä edestä takaosaan, jotka määräytyvät vierekkäisten pitkänomaisten osien välimatkan avulla. Jos anodia käytetään elektrolyyttisessä diafrag-makennossa, muodostuu useita kulkuaukkoja anodin aktiivisen pinnan (diafrag-man läheisyydessä) ja anodin takana olevan tilan välille sallien anolyytti-liuoksen läpäistä anodin.

Pitkänomaiset osat ja tukikappaleet ovat edullisesti kalvonmuodostavaa metallia. Tässä esitteessä "kalvonmuodostavalla metallilla" tarkoitamme jotain metalleista: titaani, zirkonium, niobium, tantaali tai wolframi tai metalliseosta, joka muodostuu pääasiassa jostakin näistä metalleista ja jonka anodiset polarisaatio-ominaisuudet vastaavat puhtaan metallin ominaisuuksia.

On suositeltavaa käyttää yksinomaan titaania tai titaaniin perustuvaa metalliseosta, jonka polarisaatio-ominaisuudet vastaavat titaania. Esimerkkejä näistä metalliseoksista ovat titaani-zirkoniumseokset, jotka sisältävät aina 14 iin asti zirkoniumia, titaani seokset, jotka sisältävät aina 5 $siin asti platinaryhmän metallia, kuten platinaa, rodiumia tai iridiumia ja titaanin seokset niobiumin tai tantaalin kanssa sisältäen aina 10 $siin asti seostavaa aineosaa.

Sähkökatalyyttisesti aktiivinen päällyste on johtava päällyste, joka on vastustuskykyinen sähkökemiallista vaikutusta vastaan, mutta pystyy siirtämään elektroneja elektrolyytin ja anodin välillä.

Sähkökatalyyttisesti aktiivinen materiaali sisältää edullisesti yhtä tai useampaa platinaryhmän metallia, esim. platinaa, rodiumia, iridiumia, ruteniumia, osmiumia ja palladiumia ja mainittujen metallien seoksia ja/tai niiden oksideja tai jotain muuta metallia tai yhdistettä, joka pystyy toimimaan anodina ja joka pystyy vastustamaan kennon sähkökemiallista liuotusvai-kutusta, esimerkiksi reniumia, reniumtrioksidia, magnetiittia, titaaninitridiä ja platinaryhmän metallien borideja, fosfideja ja silisidejä. Toimivaa elek-trodimateriaalia sisältävä päällyste voi lisäksi sisältää sähköisesti johtamattomia oksideja, erikoisesti kalvonmuodoetavien metallien kuten titaanin ja/tai muiden metallien, kuten tinan, oksideja, kuten alalla on tunnettua, toimivan elektrodimateriaalin kiinnittämiseksi lujemuin tukevaan kalvonmuo-dostavaa metallia olevaan rakenteeseen ja parantamaan toimivan elektrodimateriaalin vastuskykyä kennon liuottavaa vaikutusta vastaan.

Suositeltaviin päällysteisiin kuuluvat platina, platina/iridium-eeok-set, platinaryhmän metallien oksidit, erikoisesti ruteniumoksidi ja varsinkin platinaryhmän metallien oksidien ja kalvonmuodostavan metallin oksidin seok- \y ' 5 60038 set, esimerkiksi ruteenioksidi ja titaanidioksidi. Platinametallipälllysteet voidaan muodostaa, esimerkiksi, galvanoimalla kalvonmuodostavalle metallille, kuten esimerkiksi on esitetty brittiläisessä patentissa n:o 1.237.077. Platinaryhmän metalleja ja niiden johtavia yhdisteitä, varsinkin oksideja, valmistetaan helposti lämpöhajoittamismenetelmien avulla, kuten esimerkiksi brittiläisissä patenteissa n:ot 1,147*442$ 1,195*871» 1*206,863 ja 1,244*650 on esitetty.

Katodi voi olla sopivasti rei'itetty metallilevy tai -putki. Katodi voi kuitenkin muodostua myös useista yhdensuuntaisista pitkänomaisista osista tukikappaleeseen kiinnitettynä, esimerkiksi useista tukikappaleeseen kiinnitetyistä levyistä, tangoista tai kanavamaisista osista. Erikoisen suositeltava katodi muodostuu uselstakaksoislamelleista (edellä esitettyä tyyppiä olevista) sijoitettuina tukikappaleeseen, esimerkiksi tukikehykseen. Pitkänomaiset osat ja tukikappaleet ovat edullisesti pehmeää terästä.

Käytettäessä katodeja, jotka muodostuvat useista pitkänomaisista osista tukikehyksessä, saavutettava etuna on täyteaineiden uuttautumisnopeuden kasvu valmistettaessa huokoisia synteettisiä diafragmoja (esim. polytetrafluo-rietyleenistä) poistamalla täyteaineet in situ kennossa (kuten on esitetty GE-patentt i julka!sussa 1 .468.355) ·

Keksinnön mukaista diafragmakennoa voidaan käyttää anodi/katodiraon ollessa 6 mm:ä tai pienemmän, jolloin saavutetaan pieni kennojännite, Elektro-lysoitaessa esimerkiksi natriumkloridiliuoeta noin 1,5-5 mm:n suuruinen tehokas anodi/katodirako voidaan ylläpitää verrattuna noin 7 mm:n rakoon tasaista levyanodia käytettäessä. Kennon jännite on alueella 2,6-2,8 volttia virta- Λ _ tiheydellä 2 kA/m 80-85°C:sea (tavallisesti 3,0-3*2 volttia tasaisia levyano-deja käytettäessä polytetrafluorietyleeni-diafragmojen kanssa). Anodit asennetaan edullisesti likimain pystysuoraan, vaikkakin niitä voidaan kallistaa hieman pystyasennosta vaikuttamatta haitallisesti virtahyötysuhtesseen.

Keksinnön mukaisen diafragmakennon etuna, erikoisesti käytettäessä useita kalvonmuodostavaa metallia olevia lamelleja käsittäviä anodeja, on lisäksi diafragman pidentynyt elinaika, erikoisesti käytettäessä huokoisia orgaanisiin polymeereihin, kuten polytetrafluorietyleeniin tai polyvinyyli-fluoridiin, perustuvia synteettisiä diafragmoja. Nämä diafragmat tukkeutuvat tavallisesti vaikeasti verrattain lyhyen ajan kuluessa, esimerkiksi 10-20 päivässä, elektrolysoitaessa natriumkloridiliuoeta kiinteiden aineiden saostuessa (esim. kalsium- ja magnesiumhydroksidin) diafragman huokosiin. Tällainen saostuminen johtuu katolyyttiliuoksen suuresta alkaalisuudesta ja kalsium- ja magnesiumionien läsnäolosta vielä suolaliuoksen puhdistuksen jälkeen 6 60038 ennen elektrolyysiä. Käytettäessä titaaniteriä käsittäviä anodeja huokoisissa synteettisissä diafragmoissa ei havaittu läpäisykyvyn laskua vielä 24 päivän kuluttua.

On havaittu käytettäessä anodeja, jotka muodostuvat titaanilevyä olevista kaksoislamelleista titaanilevyyn kiinnitettyinä, että anolyytin pH elek-trolysoitaessa natriumkloridia on pienempi kuin tavallisesti tasaisia levyano-deja käytettäessä, esimerkiksi alueella 3»2-3*5 arvon 3»8-4*5 asemesta. Saatu pH-arvon aleneminen on tärkeä tekijä diafragman pidentyneen alinajan saavuttamisessa.

Seuraava keksinnön mukaisen kennon etu on, että anolyyttiliuoksen klo-raattipitoisuus laskee emäksisen natriumhydroksidipitoisuuden kasvaessa verrattuina vastaaviin pitoisuuksiin tavanomaisia levyanodeja käytettäessä. Esimerkiksi keksinnön mukaista kennoa voidaan käyttää kloraattipitoisuuden saamiseksi alueelle 0,03-0,30 g/l ClO^sa natriumhydroksidipitoisuuden ollessa alueella 120-210 g/l NaOHsta vastaavasti. Vertailun vuoksi ovat vastaavat pitoisuudet levyanodeja käytettäessä 0,50-10,0 g/l ClO^sa ja 120-200 g/l NaOHsta.

Keksintöä voidaan soveltaa sekä horisontaalisiin että vertikaalisiin elektrolyyttisiin diafragmakennoihin, joita käytetään kloorin valmistamiseen elektrolysoimalla alkalimetallikloridin vesiliuoksia, varsinkin natriumklori-diliuoksia.

Esimerkin vuoksi esitellään seuraavassa tämän keksinnön toteutuksia kuviin 1-13 liittyen, jolloin kuv. 1 on perspektiivikuva anodista, joka muodostuu useista kaksila-mellisista pitkänomaisista osista tukilevyyn kiinnitettyinä; kuv. 2 on perspektiivikuva kaksilamellisesta pitkänomaisesta osasta, jota voidaan käyttää valmistettaessa kuvan 1 tai kuvan 5 mukaisia anodeja tai kuvan 6 mukaista katodia; kuv. 3 on levitetty kuva vertikaalisen laboratorio-diafragmakennon muodostavista osista keksinnön mukaan natriumkloridiliuoksen elektrolyysiä varten sisältäen kuvan 1 mukaisen anodin; kuv. 4 on kaaviollinen esitys edellämainitusta diafragmakennosta esittäen anolyytin kierrätyssysteemin; kuv. 5 on perspektiivikuva anodista, joka muodostuu useista kaksilaml-lisista pitkänomaisista osista kiinnitettyinä tukikehlkkoon; kuv. 6 on levitetty kuva vertikaalisen laboratorio-diafragmakennon muodostavista osista keksinnön mukaan natriumkloridiliuoksen elektrolyysiä varten sisältäen kuvan 5 mukaisen anodin; kuv. 7 on kaaviollinen virtauskuvio kuvan 6 mukaisesta diafragmaken- 7 60038 nosta esittäen anolyytin kierrätyssysteemin; kuv. 8 on levitetty kuva vertikaalisen laboratorio-diafragmakennon muodostavista osista keksinnön mukaan elektrolysoitaessa natriumkloridiliuosta sisältäen kuvan 5 mukaisen anodin ja muodoltaan kuvan 5 mukaista anodia muistuttavan katodin; kuv. 9 on kaaviollinen esitys kuvan Θ mukaisesta diafragmakennosta esittäen anolyytin kierrätyssysteemiä; kuv. 10 on levitetty kuva keksinnön mukaisen vertikaalisen laboratorio-diafragmakennon muodostavista osista natriumkloridiliuoksen elektrolyysiä varten sisältäen kaksiosaisen anodin, joka muodostuu useista pitkänomaisista osista kiinnitettyinä tukilevyyn sekä asbestia olevan diafragman; kuv. 11 on kaaviollinen kuvan 10 mukaisen diafragmakennon virtauskuvio esittäen anolyytin kierrätysjärjestelyä; kuv. 12 on perspektiivikuva keksinnön mukaisen vertikaalisen diafragmakennon anodiasennuksesta, jolloin jokainen anodi muodostuu useista kaksilamel-lisista pitkänomaisista osista tukilevyyn kiinnitettyinä ja jolloin jokainen anodipari on kiinnitetty kennon pohjalevyyn asennettuihin tankoihin; kuv. 13 on perspektiivinen esitys keksinnön mukaisen vertikaalisen diafragmakennon anodiasennuksesta, jolloin jokainen anodipari on muodostettu useasta yksisivuisista pitkänomaisista osista kiinnitettyinä alapäästään poikittaiseen tukitankoon, joka vuorostaan on kiinnitetty kennon pohjalevyyn.

Kuviossa 1 muodostuu anodi tukilevystä 1 valmistettuna kalvonmuodos-tavaa metallia olevasta levystä, esimerkiksi titaanista, Ja useista kaksisivuisista lamelleista 2 valmistettuina kalvonmuodostavasta metallista, esimerkiksi titaanista mainittujen osien ollessa pistehitsattuja levyyn. Kaksois-lamellit 2 on päällystetty sähkökatalyyttisesti aktiivisella materiaalilla, esimerkiksi ruteenioksidi/titaanidioksidi-päällysteellä. Anodiin on lisäksi tehty raot 3» 4 anolyyttiliuoksen sisäistä kiertoa varten (kuten seuraavassa selitetään) ja on siihen lisäksi tehty reiät 6 sisältävät korvakkeet 3 virrat· syöttövälineiden kiinnittämiseksi anodiin.

Kuviossa 2 on esitetty kaksoislamelli (esittäen yhtä useista kuvion 1 mukaisista osista), joka muodostuu kahdesta sivusta 7, siltaosista 8, jonka avulla kaksoislamelli pistehitsataan levyyn 1 ja siltaosista 9 lujittamista varten.

Kuviossa 3 katolyyttiosasto 10, sopivasti polyvinylideenikloridia tai polypropyleeniä, varustettuna ulostulolla 11 vedyn ja ulostulolla 12 natrium-hydroksidiliuokeen (kennoliuos) poistamista varten on sijoitettu päätylevyn 13 (edullisesti pehmeää terästä) viereen ja sen ja katodin 14 (edullisesti 60038 s pehmeää terästä oleva metalliverkko) väliin. Katodi 14 on varustettu korvak-keilla 15, joissa on reiät 16 katodin kytkemiseksi virransyöttövälineisiin (ei-esitetty). Katodiin 14 liittyy diafragma 17, esimerkiksi polytetrafluori-etyleeniä oleva diafragma ja tämä vuorostaan on eristetty anodista 1 välilevyn 18 avulla (sopivasti polyvinylideenikloridia). Välilevy 18 määrää anodi/-katodiraon. Anolyyttiosasto 19, sopivasti polyvinylideenikloridia tai poly-propyleeniä, varustettuna ulostulolla 20 klooria (käytännössä kloorin ja anolyyttiliuoksen muodostamaa vaahtoa), vuotoputkella 21 anolyyttiliuosta ja sisääntulolla 22 kierrätettyä anolyyttiliuosta (katso jäljempänä) varten on sijoitettu anodin 1 takaseinän viereen ja sen ja päätylevyn 23 (sopivasti titaania) väliin.

Kuviossa 4 on esitetty edellämainittu diafragmakenno käsittäen kato-lyyttiosaston 10, anolyyttiosaston 19 ja anodi/katodiraon 24. Anolyyttiosasto 19 on yhdistetty ulostuloputken 20 avulla neste/kaasu-erottimeen 25, jossa kloorin ja anolyyttiliuoksen muodostama vaahto erotetaan sen muodostaviin osiin. Erotin 25 on varustettu ulostuloputkella 26 klooria varten, sisään-syöttöputkella 27 tuoretta suolaliuosta varten ja ulostuloputkella 22, joka yhdistyy anolyyttiosastoon 19 erotetun anolyyttiliuoksen palauttamista varten. Kennoa käytettäessä anolyyttiliuos virtaa ylöspäin anodi/katodi-rakoon 24, kulkee aukon 3 lävitse ja jakautuu sitten kahteen osaan (esitetty nuolilla kuviossa 4), jolloin toinen osa virtaa suoraan anolyyttiosastoon 19 ja sitten sisäänpäin aukon 4 lävitse (sisäinen kierto) ja toinen osa kierrätetään ulkoisesti erottimen 25 kautta ja sitten takaisin anolyyttiosastoon.

Kuviossa 5 on esitetty anodi, joka muodostuu suorakulmaisesta metallisesta tukikehyksestä 28 varustettuna poikittaisilla tukiliuskoilla 29 (esitetty katkoviivoin) ja useita kaksiliuskaisia lamelleja 30 (kuviossa 2 esitettyä tyyppiä). Kehikko 28, liuskat 29 ja osat 30 on valmistettu kalvonmuodosta-vaeta metallista, esimerkiksi titaanista, mainittujen lamellien 30 ollessa pietehitsattuja kehykseen 28 ja liuskoihin 29 siltaosien avulla. Lamellit 30 on päällystetty sähkökatalyyttisesti aktiivisella materiaalilla, esimerkiksi ruteniumoksidi/titaanidioksidi-päällysteellä. Anodi on varustettu korvakkeil-la 31, joissa on reiät 32 anodin kytkemiseksi virransyöttövälineisiin (ei-eär-tetty)·

Kuviossa 6 on esitetty kuvion 3 mukainen järjestely paitsi, että anodi 1 on korvattu kuvion 5 mukaisella anodilla 1'.

Kuviosta 7 voidaan nähdä, että kennoa käytettäessä anolyyttiliuos virtaa anodi/katodiraon 24 lävitse poikkisuunnassa ja kulkee anodin lamellien 30 läpi (kuten nuolilla on osoitettu).

9 60038

Kuviossa Θ katodi 14 muodostuu suorakulmaisesta metallisesta tukikehi-köstä 28' varustettuna poikittaisilla tukiliuskoilla 29' ja useilla kaksois-lamelleilla 50’. Kehikko 28', liuskat 29' ja lamellit 30' on valmistettu pehmeästä teräksestä mainittujen lamellien 30' ollessa pistehitsattujen kehikkoon 28' ja liuskoihin 29' siltaosistaan. Katodi on varustettu korvakkeilla 15» joissa on reiät 14 anodin kytkemiseksi virransyöttövälineisiin (ei-esitet-ty). Anodi on samanlainen kuin kuviossa 5·

Tarkasteltaessa kuvaa 9 voidaan nähdä, että kennoa käytettäessä ano-lyyttiliuos virtaa anodi/katodi-raon 24 poikki ja kulkee anodin lamellien 30 ja katodin lamellien 30' kautta (kuten nuolilla on osoitettu).

Kuvion 10 mukaan diafragmakennoon kuuluu pehmeää terästä oleva katodi-kotelo 33 varustettuna kahdella pehmeää terästä olevalla katodipuoliskolla 34, 35 ja keskellä olevalla pehmeällä teräslevykatodilla 36 sekä anodikotelo 37, johon kuuluu kaksi anodia, joista kumpikin käsittää kaksi paria titaanisia kaksoislamelleja 38 kiinnitettyinä selkä selkää vastaan toisiinsa yhteiselle titaaniselle tukilevylle 39· Asbestiset diafragmat 40 (esitetty kuvassa 11) sopivat vastaavien katodilevyjen ja anodien väliin ja ovat ne melkein kiinni kaksoislamelleissa 38. Anodikotelo 37 ja katodikotelo 33 on kiinnitetty toisiinsa laippojen 41, 42 avulla ja kumitiivisteet 43 sijaitsevat mainittujen anodi- ja katodikotelojen välissä. Katodikotelo 33 on varustettu poistoput-kella 44 vedyn poistamista varten. Päällyskanteen 45 on kiinnitetty poistoput-ki 46 klooria varten ja syöttöputki 51 natriumkloridiliuosta varten. Kenno on lisäksi varustettu pohjaosalla 47» jossa on poistoputki 48 natriumhydroksidia varten. Kumitiivisteet 49, 50 on sijoitettu päällyskannen 45 ja. anodi/katodi-yksikön sekä pohjaosan 47 ja anodi/katodi-yksikön väliin. Anodikotelo 37 ja katodikotelo 33 ovat siten rakennetut, että asennettuina ne muodostavat kulkutien anolyytin keskeiskierrätystä varten ja muodostavat 6 mm:n anodi/katodi-raon.

Tarkasteltaessa kuvaa 11, jossa on esitetty vain yksi pari kanavamai-sia lamellianodeja 38, voidaan nähdä, että kennoa käytettäessä anolyyttiliuos virtaa nuolten osoittamalla tavalla.

Kuvion 12 mukaan diafragma-kennoon kuuluu anodirakenne, joka muodostuu useista anodipareista 52, 53; 52', 53', jokaisen parin ollessa kiinnitetyn toisiinsa alaosastaan yhdistyslevyn 54 avulla. Jokainen anodi muodostuu useista titaania olevista kaksoislamelleista 55 kiinnitettyinä titaaniseen tukile-vyyn 56 ja yhdistyslevy 54 on myös titaania. Jokainen anodipari on kiinnitetty ja sähköisesti yhdistetty kennon titaaniseen pohjalevyyn 57 hitsaamalla yh-distyslevy 54 L-muotoiseen titaanitankoon 58, joka vuorostaan on hitsattu 60038 ίο titaanitankoon 59» jonka alapää on hitsattu pohjalevyyn 57. Anodit on asennettu kuvassa 12 esitetyllä tavalla siten, että vierekkäisten anodien, esimerkiksi 55» 52', etusivut ovat toisiaan vastassa. Pehmeää teräslevyä olevat katodit (ei-esitetty) varustettuina niihin liittyvillä diafragmoilla on työnnetty vastakkaisten anodiparien väliin.

Kuviossa 13 diafragmakennoon kuuluu anodirakenne, joka muodostuu useista yhdensuuntaisista yksittäisistä titaanilamelleista, jotka on kiinteästi tuettuja titaanisten tankojen 61, 62 avulla. Tanko 61 on hitsattu kennon ti-taaniseen pohjalevyyn 63. Pehmeää teräslevyä olevat katodit (ei-eeitetty) varustettuina niihin liittyvillä diafragmoilla on sijoitettu vastakkaisten anodiparien väliin.

Keksintöä esitellään tarkemmin seuraavien esimerkkien avulla, jotka eivät kuitenkaan ole rajoittavia.

Esimerkki 1

Anodi (kuviossa 1 esitettyä tyyppiä) valmistettiin titaanilevystä (paksuus 1,26 mm, pituus 92 cm ja leveys 7»6 cm) piatehitsaamalla siihen Θ kak-soislamellia, joista jokainen lamelli muodostui kahdesta litteästä suorakulmaisesta titaaniliuskasta (paksuus 1,26 mm, pituus 90 cm, leveys 6 mm, välimatka 4 mm). Lamellit päällystettiin ruteenioksidin ja titaanidioksidin seoksella.

Siten valmistettu anodi asennettiin vertikaaliseen laboratoriodiafrag-makennoon, joka oli kuvassa 3 esitettyä tyyppiä. Kenno varustettiin pehmeää teräslankaverkkoa olevalla katodilla ja polytetrafluorietyleenidiafragmalla. Anodi/katodi-rako oli 1,5-2,0 mm.

Kenno täytettiin kyllästetyllä natriumkloridiliuoksella ja kennon lä- 2 vitse johdettiin sähkövirtaa, jonka katodinen virtatiheys oli 2 kA/m . Kennon käyttöjännite oli 2,68 volttia. Elektrolyysi suoritettiin vaihtelevilla suola-konversioilla (muuttamalla syötetyn suolaliuoksen virtausta) ja saadut virta-hyötysuhteet olivat seuraavat:

Virtahyötysuhde ($) Suolakonvorsio ($>) 98.4 40 96,7 50 94.5 60 91.6 70 87,3 80

Anolyyttiosastossa säilyi pH arvossa 3,1-3,2 (50 ^:nen konversio) ja lisäksi ei havaittu alenemista diafragman läpäisykyvyssä 24 päivän käytön jälkeen kennon toimiessa 50 #in konversiolla.

60038 11

Vertailun vuoksi kennoa käytettiin litteällä titaanilevyanodilla, joka oli päällystetty samalla ruteenioksidi/titaanidioksidi-päällysteellä. Käytettiin tavanomaista 7,0 mm:n anodi/katodi-rakoa.

2

Virtatiheydellä 2 kA/m kennon toimintajännite oli huomattavasti suurempi kuin "lamellityyppistä" anodia käytettäessä, nimittäin 3»10 volttia 2,68 voltin asemesta. Virtahyötysuhteen lasku suolakonversion noustessa oli myös paljon suurempi, kuten seuraavassa on esitetty:

Virtahyötysuhde <*) Suolakonversio ($) 97,8 40 95.5 50 92.5 60 87.0 70 80.0 80

Anolyyttiosaston pH pysyi arvossa 3,90-4,50 (50 #:n konversiolla) ja havaittiin asteettainen aleneminen diafragman läpäisykyvyssä 10 päivän kuluessa, jonka jälkeen diafragman puhdistaminen tuli välttämättömäksi, esimerkiksi pesemällä suolaliuoksella.

Esimerkki 2 Käytetyn anodin mitat olivat samat kuin esimerkissä 1 paitsi, että tässä tapauksessa kaksoislamellit pistehitsattiin suorakulmaiseen titaani-kehykseen titaanilevyn asemesta (so. anodi oli kuvassa 5 esitettyä tyyppiä). Tämä itse asiassa eliminoi kuvassa 4 nuolilla osoitetun sisäisen kierron.

Anodi oli päällystetty samalla ruteenioksidi/titaanidioksidipäällysteellä kuin esimerkissä 1 esitetty.

2

Anodi/katodi-rakona käytettiin 1,5-2,0 mm:ä ja virtatiheytenä 2 kA/m , kennon käyttöjännite oli 2,76 volttia. Virtahyötysuhteen lasku suolakonversion kasvaessa oli hieman suurempi kuin esimerkissä 1 käytetyssä "lamellityyppi-sessä" anodin tapauksessa, mutta ei niin suuri kuin titaanilevyanodia käytettäessä havaittu. Tulokset olivat seuraavat:

Virtahyötysuhde ($) Suolakonversio ($6) 98.0 40 96.0 50 93.5 60 90.5 70

Anolyyttiosastossa pysyi pH arvossa 3,3-5,4 (50 $:lla konversiolla) ja havaittiin asteettainen lasku diafragman läpäisykyvyssä 25 päivän aikana, jonka jälkeen oli välttämätöntä puhdistaa diafragma, esimerkiksi pesemällä suolaliuoksella.

12 60038

Esimerkki 3

Anodi (kuviossa 5 esitettyä tyyppiä) muodostui 58 titaanilevystä (1,26 mm:n paksuus) valmistetusta kaksoislamellista, jolloin jokainen la-melli oli 43 cm pituinen ja 7 mm syvyinen ja vierekkäisten lamellien välinen etäisyys oli 4 mm. Kaksoislamellit pistehitsattiin titaanikehikkoon 28 ja kahteen titaanikiskoon 29. Lamellit päällystettiin ruteenioksidin ja titaanidioksidin seoksella.

Täten valmistetut anodit asennettiin vertikaaliseen laboratoriodia-fragmakennoon, joka oli edellä esitettyä kuviossa 6 olevaa tyyppiä. Kenno oli varustettu pehmeää teräsverkkoa olevalla katodilla ja polytetrafluorietylee-nidiafragmalla. Anodin ja katodin väli oli 2,5-5,0 mm.

Tulokset olivat seuraavat:

Virtahyötysuhde ($) Suolakonversio ($) 98,6 45 98.0 50 96.0 60 92,0 70

Kenno täytettiin kyllästetyllä natriumkloridiliuoksella ja sähkövirta, o jonka katodinen virtatiheys vastasi arvoa 2 kA/m , johdettiin kennon lävitse. Kennon toimijännite oli 2,7 volttia.

Kun kennoa käytettiin 50 ?6:n suolakonversiolla, anolyyttiosaston pH pysyi arvossa 3*4 ja lisäksi diafragman läpäisykyvyssä ei havaittu heikentymistä 24 päivän käytön jälkeen.

Esimerkki 4

Anodi muodostui 58 titaanisesta (1*26 mm paksuisista) lamellista, joista valmistettiin 29 kaksoislamellia, joista jokainen lamelli oli 43 cm pitkä ja 7 mm syvä ja vierekkäisten lamellien välinen etäisyys oli 4 mm. Kaksoislamellit pistehitsattiin titaanikehikkoon 1 ja kahteen titaaniliuskaan 2. Lamellit päällystettiin ruteenioksidin ja titaanidioksidin seoksella.

Katodi muodostui 58 pehmeää terästä olevasta lamellista, joista valmistettiin 29 kaksoislamellia jokaisen lemellin pituuden ollessa 43 cm ja syvyys 7 mm ja vierekkäisten lamellien välinen etäisyys 4 mm. Kaksoislamellit piste-hitsattiin pehmeää terästä olevaan kehikkoon 1 ja kahteen teräsliuskaan 2.

Täten valmistetut anodi ja katodi asennettiin vertikaaliseen laborato-riodiafragmakennoon, joka on esitetty edellä kuvaan 6 liittyen. Kenno varustettiin polytetrafluorietyleenidiafragmalla. Anodin ja katodin väli oli 1,5- 2,0 mm.

Kenno täytettiin kyllästetyllä natriumkloridiliuoksella ja sähkövirta»· 2 joka vastasi katodista virtatiheyttä 2 kA/m , johdettiin kennon lävitse» Ken- 15 60038 non toimijännite oli 2,65-2,7 volttia.

Kun kennoa käytettiin 50 $:n suolakonversiolla, pH:n arvo anolyytti-osastossa pysyi välillä 3,2-5,4 ja lisäksi ei havaittu heikkenemistä dia-fragman läpäisykyvyssä 24 päivän käytön jälkeen.

Esimerkki 5

Anodi, jonka korkeus oli 100 cm ja leveys 32 cm valmistettiin piste-hitsaamalla 50 kak80i8lamellia yhtenäiseen titäänilevyyn. Kaksi tällaista anodia liitettiin yhteen takaseinät vastakkain pystysuorien titaanisten, U-muotoisten yhdistyskappaleiden avulla laatikkoanodin muodostamiseksi siten, että laatikon sisään saadaan sisäinen kierto. Muodostunut aaodirakenne päällystettiin ruteenioksidin ja titaanidioksidin seoksella, joka on esitetty esimerkissä 1.

Kaksi sellaista anodirakennetta asennettiin vertikaaliseen kuvassa 10 esitettyä tyyppiä olevaan diafragmakennoon, johon kuului kaksi reunakatodi-osaa korkeudeltaan 100 cm ja leveydeltään 32 cm ja keskikatodiosa, katodi-rakenteen ollessa etukäteen päällystetyn sille saostetulla krysotiili-asbesti-diafragmalla, jonka paksuus oli 2-3 mm. Anodin ja katodin väli oli 6 mm.

Kenno täytettiin kyllästetyllä natriumkloridiliuoksella ja sähkövirta, joka vastasi katodista virtatiheyttä 2,5 kA/m , johdettiin kennon lävitse. Kennon toimijännite (titaanin ja pehmeän teräksen välillä) oli 3»33 volttia. Virtahyötysuhteeksi saatiin seuraavat arvot:

Virtahyötysuhde ($) Suolakonversio ($) 97,1 50,6 94,5 58,4

Claims (10)

14 60038

1. Elektrolyysikenno, joka käsittää anodin (1), jolloin ainakin osalla sen pinnasta on sähkökatalyyttisesti aktiivinen päällyste, katodin (14) sekä anodin (1) ja katodin (14) erottavan diafragman (17), tunnettu siitä, että anodi (1) muodostuu katodista (14) päin nähtynä useista välimatkan päässä toisistaan sijaitsevista, pystysuuntaisista, pitkänomaisista osista (2, 30, 38, 55, 60) ja että mainitut pitkänomaiset osat on asennettu jäykästi kennoon siten, että anodin ja katodin tehollinen välimatka on 6 mm tai vähemmän.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että pitkänomaiset osat (2, 30, 38, 55, 60. on asennettu jäykästi tuille (1, 28, 39, 54, 56, 58, 59, 61, 62), jotka muodostavat osan anodista.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että pitkänomaiset osat (2, 30, 38, 55, 60. ovat lamelleja, tankoja tai kanavamaisia osia, jotka on asennettu tuille (1, 28, 39, 54, 56, 58, 59, 61, 62).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että pitkänomaiset osat (2, 30, 38, 55, 60. ovat lamelleja tai kourumaisia osia, joissa on kapeampi reuna, joka osoittaa katodia (14) kohti.

5. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että pitkänomaiset osat (2, 30, 38, 55. ovat muodoltaan kaksoislamelleja sijoitettuina toisistaan erilleen, jolloin kunkin parin lamellit ovat jonkin matkan päässä toisistaan ja yhdistettyinä toisiinsa yhden tai useamman siltamaisen osan (8, 9) avulla, jotka soveltuvat lujitustarkoituksiin ja/tai kiinnittämiseen tukiin.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että vierekkäisten pitkänomaisten osien (2, 30, 38, 55, 60) väliren etäisyys on alueella 1,5...10 mm.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 2...6 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että tuet muodostavat tuki-levyn (1, 39, 56). 60038 15

8. Jonkin patenttivaatimuksen 2...6 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että tuki muodostuu tukikehyksestä.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että tukikehys (28) on varustettu yhdellä tai useammalla poikittaisella tukilistalla (29) pitkänomaisten osien (30) kiinnittämistä varten.

10. Jonkin edelläolevan patenttivaatimuksen mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että anodin (1) ja katodin (14) väli on 1,5...3 mm. 16 60038