FI63601C - Elektrolyscell foer elektrolys av havsvatten - Google Patents

Description

RBF1 M (11) ULUTUSjULICAIfU

JHA 1' UTLÄGGNI NOJSKMPT OOOU Ί C Patentti myönnetty 11 07 1983 (45) Patent meddelat ^ T ^ (51) Ky.ik.3/ii>ta.3 C 25 B 9/00 SUOMI—FINLAND (21) p«t*ottJh«ktTmi«-p«t«n»n^Wf>| 782366 (22) H*k*ml*pMv« — AraBknlng^«c 31.07-78 ' ' (23) Alkupilvt—GlltlfhKsdag 31.07.78 (41) Tullut julkls«k«J — Blhrlt offwKUf qj_ q2 go PUMttt-l. r.ki.ttrih.llitu.

Patent· och ragistarttyralNn ' AmMon uthgd och utMkrMkM puMk»rad ju.uj.o;) (32)(33)(31) hT^acty «tuonteu*—a«jirt priorkvt (71) Chlorine Engineers Corp., Ltd., No. 2-5, Kasumigaseki 3-chome,

Chiyoda-ku, Tokyo, Japani-Japan(JP) (72) Shuji Nakamatsu, Chiba, Hiroyuki Harada, Kanagawa,

Yoshitugu Shinomiya, Okayama, Tuyoshi Omizu, Okayama, J apani-Japan (JP) .(7^) Oy Borenius & Co. Ab (51*) Elektrolyysikenno meriveden elektrolyysiä varten -Elektrolyscell för elektrolys av havsvatten

Keksinnön kohteena on elektrolyysikenno meriveden elektrolyysiä varten. Tavanomaisia elektrolyysikennoja meriveden elektrolyysiin käytettäessä on haittana, että saostuneet aineet, kuten magnesium-hydroksidi tai kalsiumkarhonaatti, laskeutuvat elektrolyysikeimon katodilevylle, mikä johtaa elektrodien väliseen tukkeutumiseen.

Tämä vähentää puolestaan elektrolyytin virtausmäärää, suurentaa elektro-lyysikennon jännitettä ja vähentää virtahyötysuhdetta. Näiden saostumien poistamiseksi on käyttö keskeytettävä yhä uudelleen, ja elektrolyysikenno on puhdistettava esim, elektrolyyttiä päinvastaiseen suuntaan johtamalla, hapon avulla pesemällä, jne.

Yrityksistä estää tämän ongelman aiheuttavien sakkojen laskeutumista mainittakoon esimerkkeinä menetelmä, jonka mukaan elektrolyysikennon läpi virtaavan meriveden virtausnopeus pysytetään niin suurena, että hienojakoinen materiaali pääasiallisesti suspendoituu, ja edelleen kennon peseminen vaihtamalla meriveden virtaussuunta päinvastaiseksi, jolloin elektrolyysi on keskeytettävä (katso esim. US-patentin no 3.893.902 selitystä). Edelleen mainittakoon menetelmä, jonka mukaan käytetään elektrolyysikennoa, jonka rakenne on sellainen, että elektro lyyttiliuosta kennoon johdettaessa tämä liuos ensin koskettaa anodia, ja ennen kuin liuos poistuu kennosta koskettaa se lopuksi jälleen anodia (kuten on selitetty esim. US-patenteissa no 3.819,504 2 63601 ja 3.915.817). Nämä aikaisemman tekniikan mukaiset menetelmät eivät kuitenkaan täydellisesti estä sakkojen laskeutumista. Sakkoja laskeutuu erikoisen runsaasti katodilevyn sivureunan ja sen alapuolisen päätepinnan luona, joka on suunnattu kohti meriveden tulokohtaa, eikä tätä voida tehokkaasti estää ennestään tunnettujen menetelmien avulla.

Keksinnön eräänä tarkoituksena on aikaansaada meriveden elektrolyysiä varten tarkoitettu elektrolyysikenno, jonka rakenne on sellainen, että saadaan estetyksi sakkojen laskeutuminen koko katodilevylle, varsinkin katodin sivureunan ja alapään luona.

Tutkimusten tuloksena on todettu, että sakkojen laskeutuminen katodille tapahtuu erikoisen korostetusti sellaisella alueella,jossa meriveden virtaus pysähtyy tai katodin pinnan sellaisella alueella, jossa virrantiheys on pieni ja vetykaasun kehittyminen on pieni, jolloin sakat vähitellen kerääntyvät pinnalle, joka on kohtisuorassa meriveden virtaussuuntaa vastaan. Tämän haitan välttämiseksi keksintö ehdottaa käytettäväksi elektrolyysikennoa, jossa laakeat levymäiset anodit ja laakeat levymäiset katodit on sovitettu keskenään yhdensuuntaisina pystysuunnassa niin, että meriveden virtaus ei pysähdy katodin koko pinnan alueella. Lisäksi tämän keksinnön mukaan on elektrolyysikennon sellaisilla alueilla, joissa sakkojen laskeutumista pyrkii tapahtumaan, kuten katodilevyn sivureunan ja katodilevyn sellaisen alapinnan alueella, joka on suunnattu kohti meriveden tulokohtaa, sellainen rakenne, että meriveden virtaus ei pysähdy näissä kohdissa, vaan saadaan syntymään suurentunut nesteen ja kaasun sekoittava vaikutus. Keksinnön mukaan saadaan myös erittäin sopiva laite elektrolyysivirran johtamiseksi .

Keksinnön mukaan saadaan täten elektrolyysikenno meriveden elektrolyysiä varten, jossa kennossa on kotelo, jonka ylä- ja alapäissä on aukko meriveden sisäänvirtaus-ta ja elektrolysoituneen meriveden ulosvirtausta varten, joukko laakeita levymäisiä anodeja, jotka on sovitettu koteloon pystyasentoisina siten, että näiden anodien pääpinta on yhdensuuntainen kennon läpi virtaavan meriveden virtaussuunnan kanssa, joukko laakeita levymäisiä katodeja, jotka on sovitettu koteloon siten, että näiden katodien pääpinta on yhdensuuntainen kennon läpi virtaavan meriveden virtaussuunnan kanssa, ulkoneva osa sähkövirran syöttämiseksi jokaisen anodin alasivun luonaj

II

3 63601 ulkoneva osa sähkövirran syöttämiseksi jokaisen katodin yläpuolisen sivureunan luona, sähkövirtaa johtava levy, joka on kiinnitetty kotelon alaosaan ja yhdistetty sähkövirran johtamiseksi jokaiseen anodiin ja sähkövirtaa johtava levy, joka on kiinnitetty kotelon yläosaan ja yhdistetty sähkövirran johtamiseksi jokaiseen katodiin, tunnettu siitä, että anodit ja katodit on vuorotellen sovitettu toisiinsa nähden, jokaisen anodin sivureunat ja jokaisen katodin sivureunat, lukuunottamatta niitä osia, joiden läpi sähkövirta johdetaan anodeihin ja katodeihin, on sovitettu välin päähän kotelon sieäseinämästä, jokaisella laakealla levymäisellä katodilla ja jokaisella laakealla levymäisellä anodilla on sellainen ääriviiva, että jokaisen katodin ääriviiva, lukuunottamatta niitä osia, joiden kautta sähkövirta johdetaan katodeihin, sijaitsee sisäänpäin jokaisen laakean levymäisen anodin ääriviivasta.

Keksintö selitetään seuraavassa oheisten piirustusten perusteella.

Kuvio 1 esittää pystyleikkauksena keksinnön mukaisen, meriveden elektrolyysiä varten tarkoitetun elektrolyysikennon erästä suoritusmuotoa.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 viivan A-A kautta tehtyä leikkausta.

Kuvio 3 esittää kuvion 1 viivan B-B kautta tehtyä leikkausta.

Kuvio 4 esittää pystyleikkauksena keksinnön erästä toista suoritusmuotoa.

Kuvio 3 esittää pystyleikkauksena keksinnön vielä erästä toista suoritusmuotoa.

Kuvioissa 1...3 viitenumero 1 tarkoittaa elektrolyysikennon koteloa, jossa on meriveden tulokohta 2, joka sijaitsee kotelon alaosassa, ja kotelon yläosassa sijaitseva elektrolyysiliuoksen lähtökohta 3. Tähän koteloon on sovitettu laakeat levymäiset anodit 4 ja laakeat levymäiset katodit 5 keskenään yhdensuuntaisina pystyasennossa sijaitsevina. Jokainen laakea levymäinen anodi voidaan tehdä verkkomaisesta levystä, lävistetystä, lävistämättömästä levystä, jne. Laakea levymäinen katodi on sen sijaan lävistämätön levy, jossa on tasainen 4 63601 pinta, koska sellainen katodi, jossa on epätasainen pinta, kuten verkkolevy tai lävistetty levy, pyrkii edistämään sakkojen laskeutumista·

Anodin sopivina materiaaleina mainittakoon esim. "venttiili"-metalli (kalvon muodostava metalli, esim. titaani, tantali,niobi, hafnium ja sirkonium), joka on päällystetty platinaryhmään kuuluvalla metallilla, tai jossa on platinaryhmän metallioksidia oleva kerros, minkä lisäksi tarpeen vaatiessa voidaan käyttää Ti02, Sn02 ja muita erityyppisiä oksideja, kun taas katodit ovat esim. titaania, ruostumatonta terästä, "Hastelloy,'-lejeerinkiä, nikkeliä tai kromipäällysteistä teräslevyä.

Elektrolyyttiliuoksen estämiseksi pystähtymästä lähellä laakeiden levymäisten katodien 5 sivureunaa, ja täten sakkojen estämiseksi laskeutumasta näiden katodien sivureunalle, on anodien 4 ja katodien 5 sivureunat sovitettu välin päähän elektrolyysikennon kotelon sisä-seinämästä. Vaikka anodien ja katodien sivureunat on sovitettu välin päähän kotelon sisäseinämästä, ei mitään määrättyä välitilaa vaadita, vaan tämän välitilan suuruutta voidaan vaihdella tarpeen mukaan. Virrantiheyden pienemisen estämiseksi katodien sivureunojen luona sijaitsee katoilen 5 ulkopuolinen ääriviiva (toisin sanoen ääriviivasta siten, että anodien 4 sivureunalta virtaava elektrolyytti tulee virtaamaan kohtisuorasti katodien 5 sivureunaa vastaan.

Tavanomaisessa pystyssä elektrolyysikennossa on laakea levymäinen anodi tai katodi sähköisesti yhdistetty elektrodin kannatuslevyyn, joka on sijoitettu elektrolyysikennoon. Tällaisen elektrodia kannattavan levyn sijoittaminen elektrolyysikennoon on haitaksi, koska tämä kannatuslevy muodostaa alueen, jossa elektrolyyttiliuos pyrkii pysähtymään.

Keksinnön mukaan on ulkoneva sähkövirtaa johtava osa 4' ja ulkoneva sähköä johtava osa 5' sovitettu jokaisen anodin 4 pohjan luona olevan sivureunan luokse ja jokaisen katodin 5 yläpuolisen sivureunan luokse. Nämä sähköä johtavat ulkonevat osat voidaan tähdä samasta materiaalista kuin anodi ja katodi, tai ne voivat olla näiden elektrodien yhdys-rakenteisena osana. Kotelon sivuseinämän yläosan luona on ura 13 katodien kannattamiseksi siten, että sähkövirtaa johtava osa 5 työnnetään siihen, ja ura 14 anodien kannattamiseksi siten, että sähköä johtava osa 4' työnnetään tähän uraan, joka on tehty kotelon sivu-seinämän alaosan luona. Jokaisen anodin sähkövirtaa johtava osa 4’

II

5 63601 on yhdistetty sähkövirtaa johtavaan levyyn 7, joka on työnnetty uran 14 ulkopuolella olevien laippojen 6, 6' väliin kotelon sivuseinämän alaosan luona siten, että sähkövirta saadaan johdetuksi jokaiseen anodiin. Jokaisen katodin sähkövirtaa johtava osa 5' on yhdistetty sähkövirtaa johtavaan levyyn 9, joka on sovitettu kotelon sivuseinämän yläosan luona olevasta urasta 13 ulkoneiven laippojen 8, 8’ väliin sähkövirran johtamiseksi jokaiseen katodiin. Nämä sähkövirtaa johtavat levyt 7 ja 9 voidaan tehdä sopivasta sähköä johtavasta materiaalista, esim. metalleista, ja ne voidaan hitsata kiinni elektrodeihin. Jokaisen katodin sähkövirtaa johtavan osan 5' sijoittaminen elektrolyysi-kennon yläosaan on välttämätöntä meriveden tulokohdasta virtaavan meriveden estämiseksi joutumasta suoraan kosketukseen katodien kanssa, ja meriveden pysähtymisvaaran vähentämiseksi katodipinnan luona.

Kuvio 4 esittää keksinnön erästä toista suoritusmuotoa. Tämän kuvion 4 mukaan voidaan käyttää rakennetta, jossa jokaisen laakean levymäisen katodin 5 alapuolinen, meriveden tulokohtaan 2 suunnattu päätepinta on tehty teräväkulmaiseksi kiilaksi, joka on suunnattu kohti tätä meriveden tulokohtaa 2. Kiilan kärkikulma on pienempi kuin 90°, sopivasti pienempi kuin 30°. Katodin alaosan tämän kiilamaisen muodon ansiosta saadaan estetyksi meriveden virtauksen pysähtyminen. Koska jokaisen katodin päässä tapahtuu virrantiheyden paikallista suurenemista, suurenee pintayksikköä kohden kehittyvä vetymäärä niin, että tämänkin ansiosta saadaan estetyksi sakkojen kerääntyminen katodin alapään luona nesteen ja kaasun yhteisen sekoittavan vaikutuksen seurauksena.

Kuvio 5 esittää keksinnön vielä erästä toista suoritusmuotoa. Tämän kuvion 3 mukaan jokaisen laakean levymäisen katodin molemmat nurkat 11, 11, jotka sijaitsevat alapuolisen päätepinnan 10 pituussuunnassa, on pyöristetty. Mitä suurempi jokaisen katodin alapuolisen pääte-pinnan molempien kulmien 11, 11 pyöristys; on, sitä pienemmiksi tulevat ne alueet, joita vastaan merivesi virtaa, mikä puolestaan estää sakkojen kerääntymistä. Näin ollen katodien alapuolinen päätepinta 10 sopivasti on kaareva.

Jotta elektrodien välinen etäisyys saataisiin pysymään vakiona, käytetään sopivasti anodien ja katodien välistä sopivaa välikappaletta.

Kuvioiden 1...5 näyttämissä elektrolyysikennoissa on reikä tehty anodiin ja tähän reikään on työnnetty tankomainen välikappale 12, joka 6 63601 on tehty sähköä eristävästä materiaalista, kuten polyvinyylikloridista tai polytetrafluorietyleenistä. Tämän välikappaleen molemmat päät on puristettu kokoon ja muotoiltu siten, että saadaan välikappaleen ja katodin välinen kosketuspinta mahdollisimman pieneksi. Välikappale voidaan myös kiinnittää katodiin, mutta koska tämä sopivasti on laakea, kiinnitetään välikappale anodiin.

Keksinnön mukaiset katodit ovat laakeita ja yhdensuuntaisia meriveden virtaussuunnan kanssa, ja jokaisen anodin ja jokaisen katodin sivu-reunat on sovitettu välin päähän elektrolyysikennon kotelon sisäseinä-mästä. Näin ollen katodipinnalla ei ole mitään aluetta, jossa meriveden virtaus voisi pysähtyä. Koska lisäksi katodien ulkopuolinen ääriviiva sijaitsee anodien ulkopuolisen ääriviivan sisäpuolella, saadaan estetyksi virrantiheyden pieneneminen jokaisen katodin sivu-reunaosien luona, minkä ansiosta saadaan tehokkaasti estetyksi sakkojen keräytyminen näille alueille. Käytettäessä sitä suoritusmuotoa, jossa katodien, meriveden tulokohtaan suunnatun alapuolisen päätepinnan koko pituus on kiilamainen siten, että khlan teräväkulmainen kärki on suunnattu kohti meriveden tulokohtaa, tapahtuu sähkövirran tiheyden paikallista suurenemista jokaisen katodin alapuolisen pääteosan etu-pään luona, minkä ansiosta tällä alueella kehittyy enemmän vetykaasua pintayksikköä kohden. Näin ollen saadaan nesteen ja kaasun sekoittavan vaikutuksen ansiosta estetyksi sakkojen laskeutuminen katodien alapuolisten pääteosten etupään luona. Tätä estävää vaikutusta voidaan edelleen suurentaa käyttämällä suoritusmuotoa, jossa jokaisen katodin alapuolisen päätepinnan molemmat kulmat on pyöristetty.

Mitään sakkojen kerääntymistä ei esiinny katodien luona, vaikka elektro-lyysikennot pidetään käytössä pitkiä aikoja, joten käyttö pysyy pitkäaikaisesti stabiilina.

Keksinnön mukaisessa elektrolyysikennossa elektrolysoidaan merivettä (toisin sanoen noin 3% NaCl sisältävää vesiliuosta) natriumhypokloriitin vesiliuoksen valmistamiseksi. Elektrolyysin yhteydessä kloridi-ioneista kotoisin oleva anodin luona kehittyvä Clg reagoi katodin luona kehittyvän NaOH:n kanssa siten, että muodostuu yhdistettä NaClO. Seuraavassa selitetään sellaiset sopivat elektrolyysiolosuhteet, joita voidaan käyttää keksinnön mukaisen elektrolyysikennon yhteydessä.

Nämä olosuhteet on .esitetty pelkkänä esimerkkinä, eivätkä ne näin ollen mitenkään rajoita keksintöä.

7

Elektralyysiolosuhteet:

Virtaava liuosmäärä noin 6...24 cm/sek (suoraviivai nen nopeus)

Virrantiheys: p anodin luona noin 5...20 Ajdm 2 katodin luona noin 5...30 A/äm Jännite noin 3,5...5,5 volttia

Elektrodien välinen etäisyys noin 2...5 mm

Seuraava esimerkki havainnollistaa lähemmin keksintöä.

Esimerkki

Merivettä elektrolysoitiin suoraan seuraavissa olosuhteissa käyttämällä elektrolyysikennoa, jonka rakenne vastasi kuvioita 1...3, paitsi että tässä elektrolyysikennossa oli 11 laakeata levymäistä titaani-katodia ja 12 laakeaa levymäistä titaanianodia, jotka oli pinnoitettu kerroksella ruteenioksidia ja titaanioksidia.

Virtaava elektrolyyttimäärä 2 m^/h « 6 cm/sek (suoraviivai nen nopeus]

Elektrodien välinen etäisyys 2,5 mm 2

Virrantiheys anodin luona 10 A/dm ” katodin ·· 12 A/dm^

Virran voimakkuus 700 A (tasajännite)

Elektrolyysikennon jännite pysytettiin rajoissa 4,1...4,2 V, ja noin 400 miljoonasosaa klooria voitiin valmistaa stabiileissa olosuhteissa jolloin virtahyötysuhde oli 80...85%. Kaksi kuukautta myöhemmin elektrolyysikenno purettiin ja tarkastettiin tämän kennon sisäpuoli. Mitään kerääntyneitä sakkoja ei havaittu. Elektrolyysikenno koottiin uudelleen ja käyttöä jatkettiin. Neljä kuukautta myöhemmin (6 kk käytön alkamisesta) elektrolyysikenno jälleen purettiin ja sen sisäsivu tarkastettiin. Ei havaittu juuri ollenkaan sakkojen kerääntymis Käytettäessä elektrolyysikennoa, joka oli kuvioiden 4 tai 5 näyttämät rakennetta, elektrolysoitiin suoraan merivettä edellä selitetyissä ole suhteissa. Kuuden kuukauden kuluttua käytön alkamisesta kenno purettiin ja sen sisäsivu tarkastettiin. Mitään kerääntyneitä sakkoja ei nytkään havaittu.

Claims (5)

1. 63601 Keksintö on edellä selitetty sen eräiden suoritusesimerkkien perusteella, mutta keksintöä voidaan tietenkin vaihdella monella tavoin se ajatuksesta ja hengestä poikkeamatta.
2. 1. Elektrolyysikenno meriveden elektrolyysiä varten, jossa kennossa on kotelo (1), jonka ylä- ja alapäissä on aukko meriveden sisään-virtausta (2) ja elektrolysoituneen meriveden ulosvirtausta (3) varten, joukko laakeita levymäisiä anodeja (4), jotka on sovitettu koteloon pystyasentoisina siten, että näiden anodien pääpinta on yhdensuuntainen kennon läpi virtaavan meriveden virtaussuunnan kanssa, joukko laakeita levymäisiä katodeja (5), jotka on sovitettu koteloon pystyasentoisina siten, että näiden katodien pääpinta on yhdensuuntainen kennon läpi virtaavan meriveden virtaussuunnan kanssa, ulkoneva osa (4') sähkövirran johtamiseksi jokaisen anodin (4) alasivun luona, ulkoneva osa (5') sähkövirran johtamiseksi jokaisen katodin (5) yläpuolisen sivureunan luona, sähkövirtaa johtava levy (7), joka on kiinnitetty kotelon (1) alaosaan ja yhdistetty osiin (4#) sähkövirran johtamiseksi jokaiseen anodiin (4) ja sähkövirtaa johtava levy (9), joka on kiinnitetty kotelon (1) yläosaan ja yhdistetty osiin (5') sähkövirran johtamiseksi jokaiseen katodiin (5), tunnettu siitä, että anodit (4) ja katodit (5) on vuorotellen sovitettu toisiinsa nähden jokai sen anodin (4) sivureunat ja jokaisen katodin (5) sivu-reunat, lukuunottamatta niitä osia (4', 5'), joiden läpi sähkövirta johdetaan ariodeihin ja katodeihin, on sovitettu välin päähän kotelon (1) sisäseinämästä, jokaisella laakealla levymäisellä katodilla (S) ja jokaisella laakealla levymäisellä anodilla (4) on sellainen ääriviiva, että jokaisen katodin ääriviiva, lukuunottamatta niitä osia (5'), joiden kautta sähkövirta johdetaan katodeihin, sijaitsee sisäänpäin jokaisen laakean levymäisen anodin ääriviivasta. 63601
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysikenno, tunnet-t u siitä, että jokaisen katodin (5) alapuolinen päätepinta (10) on meriveden sisäänvirtausaukkoa (2) kohti suunnatulta koko pituudelta tehty teräväkulmaisen kiilan muotoiseksi, jonka kiilan kärki on suunnattu kohti meriveden sisäänvirtausaukkoa (2).
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että jokaisen katodin (5) alapuolisen, meriveden sisäänvirtausaukkoa (2) kohti olevan päätepinnan molemmat kulmat (11) on pyöristetty pituussuunnassa. ,4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että siinä on jokaisen anodin (4) ja jokaisen katodin (5) väliin sovitettu välikappale (12) elektrodien välisen etäisyyden pitämiseksi vakiona.
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen elektrolyysikenno, tunnet-t u siitä, että välikappale (12) on sovitettu jokaisessa anodissa (4) olevaan aukkoon, ja että välikappaleen päät on muotoiltu siten, että välikappaleen (12) ja katodin (5) välinen kosketuspinta on mahdollisimman pieni.