FI85602B

FI85602B - Elektrolytisk cell foer alkalimetallhydrosulfitloesningar.

Info

Publication number: FI85602B
Application number: FI875566A
Authority: FI
Inventors: David William Cawlfield; James Milton Ford; Jr Kenneth Eugene Woodard
Original assignee: Olin Corp
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1992-01-31
Also published as: SG16992G; FI85602C; GB2200652B; FI875566A; GB2200652A; FI875566A0; HK26892A; HK27192A; US4740287A; CA1295284C; MY103008A; BR8706882A; SE8705021D0; GB8729405D0; SE8705021L; US4743350A; SE9101401D0; SE9101400D0; SE9101401L; SE9101400L

Description

1 85602

Elektrolyysikenno alkalimetalliditioniittiliuoksia varten Tämä keksintö koskee yleisesti ditioniittien vesi-liuosten sähkökemiallista valmistusta. Tarkemmin määri-5 teltynä tämä keksintö koskee sähkökemiallista kalvoken-noa, joka on tarkoitettu väkevien ditioniittiliuosten kaupalliseen tuottamiseen suurilla virrantiheyksillä, sekä katolyytin virtausreittiä kennossa.

On tehty useita menestyksettömiä yrityksiä kehit-10 tää menetelmä alkalimetalliditioniittien, kuten natrium-ditioniitin tai kaliumditioniitin, valmistamiseksi säh-kökemiallisesti, joka pystyisi kilpailemaan kaupallisesti tavanomaisten sinkkipelkistysmenetelmien kanssa, joissa käytetään joko natriumamalgaamia tai metallista rautaa.

15 Ditioniitin sähkökemialliseen valmistusmenetelmään liit tyy vetysulfiitti-ionien pelkistys ditioniittiioneiksi. Jotta tämä menetelmä olisi taloudellinen, täytyy kennossa käyttää virrantiheyksiä, joilla on kyky tuottaa väkeviä ditioniittiliuoksia hyvillä virtahyötysuhteilla.

20 Kun liuoksia, jotka ovat valkaisuaineina tehokkai ta vahvoja pelkistimiä, on määrä käyttää paperiteollisuudessa, täytyy lisäksi minimoida epätoivottavan kon-taminoivan sivutuotteen, tiosulfaatin muodostuminen di-: :: tioniitista. Tämän sivutuotteen muodostusreaktion estämi- : 25 nen käy kuitenkin vaikeammaksi ditioniittipitoisuuksien : ollessa suuria.

Tähänastiset sähkökemialliset menetelmät ditionii-tin valmistamiseksi ovat lisäksi johtaneet vesiliuoksiin, jotka ovat epästabiileja ja hajoavat nopeasti. Tämä di-. 30 tioniitin suuri hajoamisnopeus näyttää kasvavan pH:n aletessa tai reaktiolämpötilan kohotessa. Eräs lähestymista-*-* ' pa hajoamisuopeuden säätämiseksi on lyhentää liuoksen viipymäaikaa kennossa ja pitää virrantiheys mahdollisim-man korkeana aina kriittiseen virrantiheyteen asti, jonka 2 85602 yläpuolella tapahtuu sekundaarisia reaktioita katodin polarisoitumisen vuoksi.

Jotkut aikaisemmat menetelmät, joiden väitetään tuottavan ditioniittisuoloja sähkökemiallisesti, vaati-5 vat veteen sekoittuvien orgaanisten liuottimien, kuten metanolin, käyttöä ditioniitin liukoisuuden alentamiseksi ja sen hajoamisen estämiseksi kennossa. Metanolin ja ditioniitin kallis talteenotto tekee tästä tavasta epätaloudellisen.

10 Sinkin käyttöä ditioniitteja stabiloivana aineena sähkökemiallisissa prosesseissa on myös kuvattu, mutta tämä ei ympäristönsuojelullisista syistä ole enää kaupallisesti käytännöllistä eikä toivottavaa.

Eräässä uudemmassa julkaisussa, US-patenttijulkai-15 sussa 4 144 146 (13. maaliskuuta 1979, B. Leutner et ai.) kuvataan sähkökemiallista menetelmää ditioniittiliuosten tuottamiseksi elektrolyyttisessä kalvokennossa. Tässä menetelmässä käytetään katolyytin, jota johdetaan kennon pohjassa olevan sisääntuloaukon kautta ja poistetaan ken-20 non yläpäästä, suuria kierrätysnopeuksia reaktion aikana muodostuvien kaasujen edullisen poiston aikaansaamiseksi. Katolyytin virtausnopeus katodien pintojen yli pidetään ’./· vähintään arvossa 1 cm/s, ja katodi muodostuu puriste- : : : tuista sintratuista kuiduista koostuvista kuitumatoista, : : : 25 joiden mesh-luku on 5 mm tai pienempi. Tämän menetelmän : /: kuvataan tuottavan väkeviä alkalimetalliditioniittiliuok- siä kaupallisesti kilpailukykyisillä virrantiheyksillä; tarvittavat kenno jännitteet ovat kuitenkin suuria, alueella 5-10 V. Tämä johtaa turhan suureen energiankulu-. 30 tukseen. Julkaisussa ei mainita tiosulfaattiepäpuhtauk-sien pitoisuutta tuotteena olevissa liuoksissa.

Siksi on edelleen olemassa tarve saada aikaan kau-pallisesti käyttökelpoinen sähkökemiallinen kenno alkali-·:··· metalliditioniittien vesiliuosten, joissa alkalimetalli- 3 85602 tiosulfaattiepäpuhtauksien pitoisuudet ovat pieniä, tuottamiseksi suurilla virrantiheyksillä ja alennetuilla kenno jännitteillä. Tämän tarpeen tyydyttämisessä vallitsevat edellä mainitut ongelmat ratkaistaan tämän keksinnön mu-5 kaisessa mallissa, jossa käytetään parannettua elektrolyyttistä kalvokennoa alkalimetalliditioniitin tuottamiseksi .

Tämän keksinnön eräänä päämääränä on saada aikaan sähkökemiallinen kalvokenno alkalimetalliditioniittien 10 vesiliuosten tuottamiseksi, joissa alkalimetallitiosul-faattiepäpuhtauksien pitoisuudet ovat pieniä.

Tämän keksinnön eräänä toisena päämääränä on saada aikaan sähkökemiallinen kalvokenno, joka toimii suurilla virrantiheyksillä ja tuottaa väkeviä alkalimetal-15 liditioniittiliuoksia.

Tämän keksinnön eräänä päämääränä on lisäksi saada aikaan elektrolyysikalvokenno, jossa käytetään parannettua katolyytin virtausreittiä, jolla saadaan aikaan useita kulkuja huokoisen katodin läpi poikittaissuunnassa 20 katodin pintaan nähden.

Tämän keksinnön eräänä piirteenä on se, että elektrolyysikalvokenno on yhtä kappaletta oleva kennorunkora-kenne, jossa kaksinapainen kennon runko tai taustalevyt : on valmistettu yhdestä metallikappaleesta.

: 25 Tämän keksinnön eräänä toisena piirteenä on se, että katolyytin virtausreitti pakottaa katolyytin kulkemaan useaan kertaan monikerroksisen huokoisen katodin läpi, joka on muodostettu sintratuista metallilankasäikeis-tä, joita pidetään paikallaan rei'itetyn levyn ja verkon . 30 välissä.

Tämän keksinnön eräänä muuna piirteenä on se, että katolyyttivirtauksen ohjaamiseen katodin läpi käytetään katodi virtaussulkua.

·. 35 4 85602 Tämän keksinnön eräänä lisäpiirteenä on se, että anodissa käytetään useita yhdensuuntaisia, sileä-pintaisia, pystysuoraan asetettuja metallisauvoja.

Tämän keksinnön eräänä lisäpiirteenä on se, että 5 anodissa käytetään erotusverkkoa, jonka pinta on käsi telty hydrofiiliseksi, erottamaan anodisauvat kalvosta.

Tämän keksinnön eräänä piirteenä on se, että kalvo pidetään toiminnan aikana paikallaan erotusverkkoa vasten hydraulisen paineen avulla ja koko anolyyttitila 10 on anodimetallisauvojen ja erotusverkon välissä ja mai nitun verkon välitiloissa.

Tämän keksinnön eräänä etuna on se, että saadaan aikaan virran tasainen jakautuminen elektrolyysikalvo-kennolla.

15 Tämän keksirnön eräänä muuna etuna on se, että katolyyttitilan pieni tilavuus johtaakennonelektrolyyt-tien lyhyeen viipymäaikaan kennossa ja siten tuotteen vähäisempään hajoamiseen ja tiosulfaattiepäpuhtauksien vähäiseen muodostumiseen.

20 Tämän keksinnön eräänä lisäetuna on se, että ken non malli johtaa kaasukuplien vähentyneeseen muodostukseen kalvopinnalla, mikä auttaa vähentämään sähkönkulutusta ja johtaa pienentyneeseen todelliseen katodivir- • rantiheyteen.

• 25 Tämän keksinnön eräänä lisäpiirteenä on se, et- : tä yhtä kappaletta oleva kennoelektrodimalli johtaa pie- • · · · : .·. nempään jännitehäviöön kennon toiminnan aikana, samalla **’ 1 kun työstetyt nesteenjakauttamisurat tai -kanavat vähen- *. . tävät eroosiosyöpymistä.

* 1 30 Keksinnön nämä ja muut päämäärät, piirteet ja edut saadaan aikaan elektrolyysikalvokennolla alkali- ’ ' metalliditioniitin tuottamiseksi pelkistämällä kierätet- * · · *.1 1 tävän katolyyttivesiliuoksen alkalimetallivetysulfiit- * tikomponentti kennossa, jossa parannettu, pinta-alal- ....: 35 taan suurempi huokoinen katodi, jonka läpi liuos virtaa · * ♦ · • · · • · · · 5 85602 useaan kertaan, parannettu katolyytin virtausreitti, parannettu anodi, joka koostuu useista yhdensuuntaisista, pystysuoraan asetetuista metallisauvoista, joita erottaa kationinvaihtokalvosta erotusverkko, jonka 5 pinta on käsitelty hydrofiiliseksi, ja joka kenno tuot taa alkalimetalliditioniittia pienellä katodivirran-tiheydellä ja johtamalla vähintään 30 til-% katolyytti-liuoksesta huokoisen katodin läpi.

Tämän keksinnön päämäärät, piirteet ja edut käy-10 vät ilmi tarkasteltaessa seuraavaa yksityiskohtaista se lostusta keksinnöstä erityisesti yhdessä liitteenä olevien piirrosten kanssa, joissa:

Kuvio 1 on kaaviomainen räjäytyskuva elektrolyy-sikennosta 10, jossa näkyvät elektrolyytin ja ionien 15 virtausreitit;

Kuvio 2 on pystyleikkauskuva kaksinapaisen kenno-elektrodin anodipuolesta, jossa näkyy osa anodin taus-talevyä peittävistä anodisauvoista, joista osa on katkaistu pois; 20 Kuvio 3 on suurennettu poikkileikkausosakuva, joka on piirretty kuvion 2 linjaa 3-3 pitkin ja esittää anodisauvoja elektrodiin kiinnitettyinä.

Kuvio 4 on pystyleikkauskuva kaksinapaisen elekt- * rodin katodipuolesta; . 25 Kuvio 5 on pystyleikkauskuva elektrolyysikennon • 1 1 ; kaksinapaisesta elektrodielementistä, jossa näkyy ka- : .·. tolyytin virtausreitti katoditilassa olevan huokoisen " katodin läpi katolyytin syöttöurista katolyytin keräys- . uriin tai -kanaviin; ja * ' 30 Kuvio 6 on pystyleikkauskuva erotusverkosta, joka on sijoitettu anodisauvojen ja kalvon väliin.

* ' ' Kuten kuviosta 1, joka on osiin hajotettu ja * osittain kaaviomainen, käy ilmi, suodatuspuristinkal- voelektrolyysikenno, jota merkitään yleisesti numerol- ____: 35 la 10, koostuu anodin taustalevystä 11, erotusvälinees- » 1 · • · · • · · 6 85602 tä 21, kationiselektiivisestä kalvosta 25, huokoisesta katodilevystä 26 ja katodin taustalevystä 28.

Anodin taustalevy 11 ja katodin taustalevy 28 muodostavat kaksinapaisen elektrodin vastakkaiset puo-5 let, joka elektrodi voidaan työstää ruostumattomasta teräslevystä tai valaa ruostumattomasta teräksestä. Ruostumaton teräslevy voi olla esimerkiksi jopa 3,2 cm:n (1 1/4") paksuinen ruostumattomasta teräksestä 304L tai 316 valmistettu levy, joka on korroosiokes-10 tävä ja valmistetaan yksinkertaisesti työstämällä ta sainen levy sillä tavalla, että muodostuu kammioita, joiden kautta anolyytti- ja katolyyttinesteet pääsevät virtaamaan anolyytti- ja vastaavasti katolyytti-kammioihin. Ruostumattoman teräslevyn paksuus antaa 15 rakenteelle jäykkyyttä ja äärimmäisen täsmällisen ta saisuuden. Katodilevy 26 asennetaan katodin taustale-vyn 28 ruuvein (ei kuvassa), jotka kiinnitetään katodin tukijalustoihin 31, kun taas anodisauvat 12 voidaan hitsata, esimerkiksi TIG-hitsauksella, paikalleen 20 vääntämättä ruostumatonta teräslevyä kieroon.

Anodirakenne käy yksityiskohtaisemmin ilmi kuvioista 2-4. Kuten kuviosta 2 havaitaan, anodin taus-talevyssä 11 on useita yhdensuuntaisia pystysuoria ano-diauvoja 12, jotka on ylä- ja alapäästään hitsattu ano-. 25 din taustalevyyn 11. Näitä sauvoja 12 on koko anodin taustalevyn 11 leveydeltä, vaikka kuvan yksinkertais-*'V tamiseksi jatkuva rinnakkaisjärjetely ei näy kuvios- ;;1 1 sa 2, sillä anodin taustalevyn 11 keskellä olevat sau- * » : 1' vat on jätetty kokonaan pois. Nämä sauvat ovat esimer- 30 kiksi nikkelisauvoja, joiden läpimitta on 3,2 mm (1/8") ja jotka ovat sellaisella etäisyydellä toisistaan, ’:'1i että vierekkäisten sauvojen väliin muodostuu anodisau- : : : vojen välinen rako 20, jonka leveys on noin 1,6 mm (1/16"). Nämä anodisauvat 12 voidaan valmistaa nikke-• · · 1 r ' • · · ' 35 li 200: sta tai mistä tahansa muusta korroosionkestä- • · * · · • M · · 7 85602 västä koostumuksesta, jolla saadaan aikaan alhaiset ylijännitearvot. Anodisauvojen 12 pystysuora asento ja anodisauvojen väliset raot 20 (katso kuvio 3) tarjoavat vapaita virtauskanavia anodin taustalevyn 11 5 alapäästä, jonne anolyyttineste tulee anolyytin tulo- aukkojen 18 kautta anolyytin jakouraan 15, sen yläpäähän. Anolyyttineste virtaa pystysuoraan ylöspäin anodisauvojen välisissä raoissa 20 anolyytin keräysuraan 16, ennen kuin neste poistuu kennosta anolyytin ulos-10 menoaukkojen 19 kautta. Anodisauvojen 12 pystysuora asento saa aikaan virran tasaisen jakautumisen anodille ja estää kaasutukkeutumisia, joita kaasukuplien muodostuminen saattaa aiheuttaa ja jotka saattavat pienentää virrantiheyttä toiminnassa olevassa kennossa.

15 Sekä anolyytin tuloaukoissa 18 että anolyytin poistumisaukoissa 19 on siirtourat 18' ja vastaavasti 19', jotka on työstetty ruostumattomaan teräslevyyn. Anolyytin tuloaukon siirtourat 18' on työstetty anolyytin jakouraan 15 sillä tavalla, että saadaan sileä 20 siirtopinta, joka on kartiomainen ja jolla vältetään eroosiosyöpyminen, joka voi häiritä anolyytin tasaista virtausta kennoon 10 ja aiheuttaa metalliepäpuhtauksia eroosion ja korroosion tapahtuessa. Anolyytin ulosmeno- • aukon kuljetusurat 19' ovat samalla tavalla sijoitettu- - 25 ja ja työstettyjä.

: ."· Anodin taustalevyn 11 reunaan on työstetty levyn : .·. ympäri kulkeva anodin tiivisteen ura 14. Ura on esimer- kiksi 9,5 mm (3/8") leveä ja 4,8 mm (3/16") syvä, jol-'.. loin siihen sopii suorakaiteen muotoinen anodin tiivis- '30 te (ei kuvassa), joka on 9,5 mm leveä ja 9,5 mm (3/8") paksu. Tiivisteessä voi olla liuska, joka on valmistettu esimerkiksi kauppanimillä Gore-tex tai Teflon myy- • · · V 1 tävästä materiaalista ja joka on sijoitettu tiivisteen j päälle, niin että se joutuu kosketukseen muovisen ero- • · ____: 35 tusvälineen 21 kanssa, kun kenno puristetaan kiinni • ja kootaan.

• · 1 • · · « · 1 · 8 85602

Muovinen erotusväline 21 muodostetaan mistä tahansa materiaalista, joka kestää anolyytin syövyttävää vaikutusta; edullisesti on käytetty polypropeenia.

8 meshin polypropeenikangasta, jossa avoimen alan osuus 5 on noin 40 %, on käytetty menestyksellisesti, samoin titaanidioksidia täyteaineena sisältävästä polyeteenis-tä valmistettua verkkoa. Erotusvälineessä 21 on erottimen kehys 22, joka reunustaa välinettä, ja erotusverkko 24 erottimen kehyksen 22 sisäpuolella. Verkko 24 on 10 käsitelty hydrofiilisellä päällysteellä kaasukuplien estämiseksi tarttumasta verkkoon ja sen vieressä olevaan kalvoon kapillaari-ilmiön vaikutuksesta. Verkolle 24 levitettyä titaanidioksidi-päällystettä on menestyksellisesti käytetty hydrofiilisenä päällysteenä. Kaasu-15 kuplien muodostumisen estäminen kalvolla ja verkossa es tää kennon jännitteen vaihtelun toiminnan aikana.

Erotusvälineen 21 käyttö on myös estänyt menestyksellisesti paikallisesti hyvin happamien alueiden muodostumisen vieressä olevaan kalvoon kohdissa, joissa 20 kalvo koskettaa nikkelianodisauvoja 12. Kalvon 25 ja nikkelianodisauvojen 12 välinen kosketus voi aiheuttaa voimakkaasti happamia "taskuja", koska rikkispesiekset hapettuvat rikkihapoksi sen takia, että rikkispesiekset .·. siirtyvät hitaasti takaksin kalvon läpi kennon ollessa 25 toiminnassa. Anodisauvoilla 12 oleva nikkelioksidipääl- • lyste rikkoutuu, ja tapahtuu nikkelin syöpymistä. Tämä **\* korroosiotuote siirtyy kalvon läpi kennon 10 katodi- • · · II' * puolelle. Siellä ditioniittiliuos pelkistää tämän nik- ’ “ kelin korroosiotuotteen metalliseksi nikkeliksi. Tämä 30 metallinen nikkeli tarttuu lujasti kalvoon katodipuo- lella ja heikentää ionien ja nesteen siirtymistä kai-von läpi.

:T: Anodi on suunniteltu sellaiseksi, että kennossa : 10 elektrolysoitava anolyytti voi olla mikä tahansa ·* 1 35 soveltuva elektrolyytti, jolla on kyky toimittaa alkali- • · • · · • * 9 85602 metalli-ioneja ja vesimolekyylejä katoditilaan. Anolyy-teiksi soveltuvat esimerkiksi alkalimetallihalogenidit, alkalimetallihydroksidit ja aikaiimetallipersulfaatit. Anolyytin valinta riippuu osittain halutusta tuotteesta.

5 Jos halutaan valmistaa halogeenikaasua, kuten klooria tai bromia, käytetään anolyyttinä alkalimetallikloridin tai -bromidin vesiliuosta. Jos halutaan perrikkihappoa, käytetään alkalimetallipersulfaattia. Kunkin käytettävän anolyytin yhteydessä on kuitenkin käytettävä vaih-10 toehtoisia rakennemateriaaleja, kuten titaaniryhmän me talleja alkalimetallikloridianolyyttien kastelemiin osiin.

^ Anolyyttinä käytetään kaikissa tapauksissa valitun elektrolyytin väkeviä liuoksia. Jos esimerkiksi va-15 Iitaan natriumkloridi alkalimetallikloridiksi, sisältä vät anolyyteiksi sopivat liuokset noin 12-25 p-% NaCl:a. Alkalimetallihydroksidien liuokset, kuten natriumhydrok-sidiliuokset, sisältävät noin 5-40 p-% NaOH:a.

Kennoa 10 on edullisesti käytetty natriumhydrok-20 sidin yhteydessä. Kun käytetään natriumhydroksidia (NaOH), vesi ja natriumhydroksidi tulevat kennoon anolyytin ja-kourien 18 kautta, ja liuos virtaa nopean virtausnopeu-den reittiä rinnakkaisten anodisauvojen 12 ja anodi-sauvojen välisten rakojen 20 välissä anolyyttitilan ta-·,· 1 25 kaosassa kennon 10 yläpäätä kohden. Suurin osa anolyyt- : tinesteen tilavuusvirtauksesta tapahtuu siten anodisau- vojen 12 välissä ja hydrofiiliseksi käsitellyssä ero-.·.·. tusverkossa 24. Natriumionit, joita muodostuu elektro- lyysireaktiossa, jossa syntyy happea, vettä ja natrium-....: 30 ioneja :T: 4NaOH ·-> 02 + 4Na+ + 2H20 • · · • · ’1··[ siirtyvät kalvon läpi. NaOH-jäännös kulkeutuu ulos ha- * 1 35 pen ja veden kanssa anolyytin keräysurien 19 kautta.

• · 1 « » ( • » » « 10 85602

Katodin taustalevy 28 näkyy parhaiten kuviossa 4, kun taas yhtenäisestä ruostumattomasta teräslevystä valmistetun elektrodin yksikappaleluonne on nähtävissä kuviosta 5. Koska kenno on kaksinapainen, kato-5 di on ruostumattoman teräslevyn toisella puolella, kato din taustalevyn 28 puolella, kun taas anodin taustalevy 1 1 ja anodi ovat toisella puolella. Kuten on parhaiten nähtävissä kuviosta 4, katodin taustalevyssä 28 on katolyytin tuloaukot 35 katodin taustalevyn 28 alaosas-10 sa vastakkaisilla puolilla, joiden kautta katolyyttiä syötetään katolyytin jakouraan 32. Katolyytin jakoura 32, katolyytin tuloaukot 35 ja työstetyt katolyytin siirtourat 35' sijaitsevat juuri vastaavien anolyytin jakouran 15, anolyytin tuloaukkojen 18 ja anolyytin 15 siirtourien 18' yläpuolella, mutta ovat yhtenäisen ruostumattomasta teräksestä valmistetun elektrodile-vyn vastakkaisella puolella.

Välittömästi katolyytin jakouran 32 yläpuolella on alempi katolyyttikammio 38. Alemman katolyyttikammion 20 38 erottaa ylemmästä katolyyttikammiosta 39 yleensä vaa kasuorassa asennossa oleva katodivirtaussulku 30. Vir-taussulku 30 on koko katolyyttikammion levyinen ja kohoaa ulos katodin taustalevyn 28 tasosta, kuten käy ilmi myös kuvioista 1 ja 5. Katodivirtaussulku 30 katkai-25 see katolyyttiliuoksen virtauksen ylöspäin alemmasta *" katolyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39 ja saa katolyytin virtaamaan kuviossa 1 nuolilla merkit-: tyä reittiä, joka johtaa sen kahdesti katodilevyn 26 : läpi matkalla ylempään katolyyttikammioon 39. Tämä vir- : *·· 30 tausreitti johtaa katodiin, jolla on hyvin tehokas pin- ta-ala, mutta vaatii hyvin huokoisen katodilevyn käyttöä, joka mahdollistaa sen, että vähintään 30 til-% ka-tolyyttinesteestä virtaa nopeasti huokoisen katodile-vyn 26 läpi katolyytin viipymäajan kennossa pitämiseksi / ^ 35 mahdollisimman lyhyenä. Kuten jäljempänä kuvataan tar- • · * • · · • · • · • · · • · · » · · • · n 85602 kemmin, kun katolyyttineste on tullut ylempään kato-lyyttikammioon 39, se menee katolyytin keräysuraan 34 ja poistuu kennosta työstettyjen katolyytin poisto-urien 36' ja katolyytin poistoaukkojen 36 kautta.

5 Kuten kuvioista 4 ja 5 havaitaan, katodin vir- taussulussa 30 voidaan käyttää tihkuaukkoja 17, jotka mahdollistavat vetykaasun kohoamisen alemmasta kato-lyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39. Vaihtoehtoisesti tai samanaikaisesti voidaan käyttää 10 kuviossa 5 näkyviä tihkuaukkoja 33, jotka mahdollista vat vetykaasun pääsyn ulos alemman ja ylemmän katolyyt-tikammion 38 ja 39 seinien ja katodilevyn 26 välissä olevasta elektrodien välisestä raosta juuri katodivir-taussulun 30 alapuolella ja sitten takaisin katodile-15 vyn 26 läpi katolyytin keräysuran 34 kohdalla.

Katodilevy 26 pidetään paikallaan katodin taus- talevyllä 28 useilla ruuveilla (ei kuvassa), jotka on kiinnitetty alemmassa ja ylemmässä katodikammiossa 38 ja 39 oleviin useisiin katodin tukijalustoihin 31.

20 Katodilevy 26 on hyvin huokoinen monikerrosra- kenne. Se sisältää tukikerroksen, joka on muodostettu revitetystä ruostumattomasta teräksestä. Tämä tuki- kerros muodostaa asennuspohjan ja suojan sisemmälle kuituhuopakerrokselle, joka muodostuu esimerkiksi 25 kuitukerroksesta, joka sisältää 15 til-% ohuita, 4-8 ,um:n paksuisia kuituja, ja kerroksesta, joka · sisältää 15 til-% 25 ^um:n kuituja, jotka on asetet- : : : tu päällekkäin. Kuituhuovan päälle asetetaan sitten metalliverkko, esimerkiksi 18 meshin verkko, jossa 30 lankojen läpimitta on 0,23 mm (0,009 tuumaa), jolloin muodostuu katodi, jonka huokoisuusaste on edullisesti ____: 80-85 %. Katodilevy 26 on siten nelikerroksinen sint- • · teriyhdistelmä, jossa kaikki materiaalit ovat ruos- • · · • m m *. tumatonta terästä, edullisesti ruostumatonta terästä • · :/·· 35 304 tai 316, jotka on leikattu sopivan kokoisiksi le- • · • · * • · i2 85602 vyiksi. Katodilevyn 26 hyvin tehokas pinta-ala saadaan aikaan käyttämällä hyvin hienojakoisista rakenneosista muodostettua pienitiheyksistä metallihuopaa.

Kuviossa 4 näkyy katodin tiivisteen ura 29, 5 joka ulottuu katodin taustalevyn 28 ympäri. Vaikka tiivistettä ei näy kuvassa, käytetään pyöreää EPDM-tiivistettä (eteeni-propeeni-dieenimonomeeri), jonka läpimitta on 9,5 mm (3/8") ja joka asettuu tiiviisti katodin tiivisteen uraan 29 ja saa aikaan nestetii-10 viin sulun.

Kennon 10 katodilla tapahtuu pelkistys elektro-lysoitaessa alkalimetallivetysulfiitin puskuroitua vesiliuosta. Eräs tyypillinen reaktio on seuraava:

4NaHS03 + 2e“ + 2Na+ -1 Na2S204 + 2Na2SC>3 + 2H20. J

NaOH-jäännökset ja rikkidioksidi sekoitetaan, jolloin muodostuu NaHS03:a, joka syötetään katolyytin jakouraan 32 katolyytin tuloaukkojen 35 ja katolyytin siirtourien 35' kautta. Tämä katolyyttineste nousee 20 sitten pystysuoraan ylöspäin, kunnes se kulkeutuu ulos katodilevyn 26 läpi, kuten parhaiten käy ilmi kuvioista 5 ja 1. Katodivirtaussulku 30 estää katolyyttines-teen suoran virtauksen ylöspäin alemmasta katolyytti-kammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39. Alemman 25 ja ylemmän katodikammion 38 ja 39 seinien ja katodi- * : : levyn 26, joka on kiinnitetty katodin tukijalustoi- : hin 31, välissä on noin 3,2 mm:n (1/8") suuruinen : elektrodien välinen katodirako. Katolyyttiliuos kul- kee sitten katodilevyn 26 läpi ja jatkaa virtaustaan 30 ylöspäin katodin ja kalvon välisessä raossa, kunnes • · · se ohittaa katodivirtaussulun 30. Tässä vaiheessa katolyyttineste kulkee takaisin hyvin huokoisen kato-| ‘ dilevyn 26 läpi ylempään katolyyttikammioon 39 ja V 1 sitten katolyytin keräysuraan 34. Kennon tuottama :**.· 35 liuos, joka sisältää Na2S204:a (ditioniittia) , poistuu • · • · · • « » • » · m.

i3 85602 kennosta 10 katolyytin poistourien 36' ja katolyytin poistoaukkojen 36 kautta.

Katolyytin yhteydessä käytetään puskuriliuosta, joka sisältää noin 40-80 g/1 vetysulfiittia, koska nat-5 riumtiosulfaattia muodostuu ditioniitin pelkistymisen ja hajoamisen seurauksena ja katolyytin pH muuttuu, kun vetysulfiittia kuluu ja sulfiittia muodostuu seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti:

Na-S,0. + 2e' + 2Na+ + 2NaHS03-»*a2S2°3 + 2Na2S03 + «20.

10 2 24

Yhtä kappaletta olevan kennorungon, ts. bipolaa-risen kennorungon eli taustalevyn, joka muodostetaan yhdestä ruostumattomasta teräslevystä, joka työstetään siten, että muodostuu anodin taustalevy toiselle puolel-15 le ja katodin taustalevy vastakkaiselle puolelle, käyt tö tarjoaa muutamia merkittäviä luontaisia toiminnallisia etuja. Kennossa ei ensinnäkään esiinny siirtymistä tai mittapysymättömyyttä, joka aiheutuu kahden erillisen materiaalikappaleen liittämisestä elektrodiksi. Var-20 sinaisten kennokomponenttien lukumäärä pienenee käytet täessä yhtä työstettyä levyä. Lopuksi, ja ehkä tärkeimpänä seikkana, todettakoon, että täten saadaan eliminoiduksi sähköhäviöt, joita aiheutuisi kahden erillisen anodi- ja katodielementin, jotka olisivat hieman irti . .·. 25 toisistaan ja kooltaan vähän erilaisia, kytkemisestä.

Tämä nimenomainen rakenne johtaa kennon pienempään sähkönkulutukseen.

"V Kennossa 10 vallitsee sellainen hydraulinen pai- ’ ne, että kalvo 25 pysyy painettuna erotusvälinettä 21 30 vasten ja irti katodilevystä 26. Kalvon 25 pitäminen : ·.· tällaisessa asennossa mahdollistaa myös virtausreitin aikaansaannin katodilevyn läpi. Katodivirtaussulku 30 *"*: parantaa edelleen kennon 10 hydraulisia ominaisuuksia saamalla aikaan yhtenäisen paineen koko katodin korkeu-/ . 35 delta, mikä johtuu virtauksen kääntymisestä päinvastai- • · · · · « · · » • · · • · · 14 85602 seen suuntaan, jonka saavat aikaan katodilevyn 26 läpi kulkevat useat virtausreitit.

Elektrolyysikennoa 10 käytetään virrantiheyksillä, jotka riittävät tuottamaan liuoksia, joissa alkali-5 metalliditioniittipitoisuudet ovat haluttuja. Tuotettaes sa esimerkiksi natriumditioniittia kaupallisesti, liuokset sisältävät sitä noin 120-160 g/1. Koska kaupallisesti markkinoitavat alkalimetalliditioniittiliuokset kuitenkin tavallisesti laimennetaan ennen käyttöä, voi-10 daan tällä menetelmällä tuottaa myös suoraan näitä lai meita liuoksia.

Kennossa käytetään virrantiheyttä vähintään 2 0,5 kA/m . Virrantiheys on edullisesti suunnilleen 1,0 - 2 4,5, edullisemmin suunnilleen 2,0 - 3,0 kA/m .

15 Näillä suurilla virrantiheyksillä elektrolyysikenno 10 toimii siten, että syntyy tarvittava tilavuus hyvin puhdasta alkalimetalliditioniittiliuosta, jota voidaan käyttää kaupallisesti tekemättä lisäväkevöintiä tai puhdistusta.

20 Elektrolyysikalvokennossa 10 käytetään anodi- ja katoditilojen välissä kationinvaihtokalvoa, joka estää suurin piirtein kokonaan rikkipitoisten ionien mahdollisen kulkeutumisen katoditilasta anoditilaan. Voidaan käyttää monia erilaisia kationinvaihtokalvoja, 25 jotka sisältävät erilaisia polymeerihartseja ja funk- • tionaalisia ryhmiä, sillä edellytyksellä, että kalvot : ovat riittävän selektiivisiä rikki-ionien suhteen rikin saostumisen estämiseksi kalvojen sisällä. Tällainen saostuminen voi tukkia kalvot ja se on seurausta rikki-- - 30 spesieksien diffusoitumisesta kalvojen läpi ja hapettu misesta, jolloin kalvojen sisällä muodostuu happoa, joka saa aikaan ditioniitin ja tiosulfaatin hajoamisen rikiksi happamissa olosuhteissa. Tämä selektiivisyys • » · V 1 voidaan todeta analysoimalla sulfaatti-ionit anolyy- ;1·.· 35 tistä.

• ♦ · • « · • · · is 85602

Soveltuvia kationinvaihtokalvoja ovat sellaiset, jotka ovat inerttejä, taipuisia ja suurin piirtein läpäisemättömiä elektrolyytin hydrodynaamisen virtauksen ja kennossa syntyvien kaasumaisten tuotteiden 5 suhteen. Kationinvaihtokalvot sisältävät tunnetusti kiinteitä anionisia ryhmiä, jotka mahdollistavat kationien sitoutumisen ja vaihdon ja hylkivät ulkoisesta lähteestä tulevia anioneja. Hartsikalvossa on yleensä silloitetusta polymeeristä koostuva matriksi, johon 10 on kiinnitetty varattuja ryhmiä, kuten ryhmiä -SO., , -2--2- - J -COO , -P03 , HPO2 , “As03 ja “Se03 ja niiden seok sia. Hartseihin, joita voidaan käyttää kalvojen valmistukseen, kuuluvat esimerkiksi fluorihiilivedyt, vinyy-liyhdisteet, polyolefiinit ja niiden kopolymeerit.

15 Edullisia ovat esimerkiksi fluorihiilivetypolymeereis- tä koostuvat kationinvaihtokalvot, joissa on lukuisia käytettävissä olevia sulfonihapporyhmiä tai karboksyy-lihapporyhmiä tai tällaisten ryhmien seoksia. Termeillä "sulfonihapporyhmä" ja "karboksyylihapporyhmä" on 20 tarkoitus kattaa sulfonihapon suolat ja karboksyyli- happosuolat, joita saadaan sellaisilla menetelmillä kuin hydrolyysillä. Soveltuvia kationinvaihtokalvoja myyvät E.I. DuPont de Nemours & Co., Inc. kauppanimellä "Nafion", Asahi Glass Company kauppanimellä "Flemion" • 25 ja Asahi Chemical Company kauppanimellä "Aciplex". Per- • fluorattuja sulfonihappokalvoja myy myös the Dow : .·. Chemical Company.

: .·. Kalvo 25 sijaitsee anodin ja katodin välissä, ;** 1 ja sen erottaa katodista katodin ja kalvon välinen ra- 30 ko, joka on riittävän leveä mahdollistamaan katolyytin • · · * ‘ virtaus katodilevyn 26 ja kalvon 25 välitse alemmasta katolyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39 ja estämään kaasutukkeutumat, mutta ei niin suuri, että V1 : se oleellisesti suurentaisi sähkönvastusta. Käytettävän :1·_· 35 katodilevyn 26 muodostaa riippuen tämän katodin ja kal- ....: von välisen raon leveys on noin 0,05 - 10, edullisesti • · n • » » • · · · i6 85602 noin 1-4 mm. Katodin ja kalvon välinen rako voidaan pitää yllä hydraulisen paineen avulla tai mekaanisin keinoin. Tämä malli ja katolyytin virtausreitti mahdollistaa lähes kaiken katolyyttinesteen pääsyn koske-5 tukseen katodin aktiivisen pinnan kanssa. Tämän mallin yhteydessä pääosa elektrolyysireaktiosta tapahtuu lisäksi lähinnä anodia olevalla katodin alueella.

Kennossa 10 käytettäviksi sopivissa huokoisissa katodilevyissä on vähintään yksi kerros, jossa kokonais- 2 3 10 pinta-alan suhde tilavuuteen on suurempi kuin 100 cm /cm , 2 3 2 3 edullisesti 250 cm /cm ja edullisemmin yli 500 cm /cm .

Näiden rakenteiden huokoisuusaste on vähintään 60 %, edullisesti noin 70-90 %, jolloin huokoisuusaste tarkoittaa huokostilavuuden prosentuaalista osuutta. Kokous naispinta-alan suhde huokoisen katodilevyn 26 pinnan projektioon, jolloin projisoitu pinta-ala on katodilevyn 26 etupinnan pinta-ala, on vähintään noin 30:1 ja edullisesti vähintään noin 50:1, esimerkiksi noin 80:1 -100:1.

20 Virta johdetaan kennoon 10 anodi- ja katodivir- ran johdinlevyjen (ei kuvassa) kautta. Elektrodien kokoiset kuparilevyt sijoitetaan päätykatodia ja pääty-anodia vasten kussakin kennossa 10. Sähkökytkennät teh-. dään suoraan näihin kuparilevyihin. Eristelevy, joka on **; 25 valmistettu esimerkiksi polyvinyylikloridista tai muus- ta sopivasta muovista, ja puristuslevy (kumpaakaan ei • · : näy kuvassa) , joka on valmistettu esimerkiksi ruostu- * · * mattomasta teräksestä tai teräksestä, sijoitetaan ken- » · f "·· non 10 kumpaakin päätyä vasten, ennen kuin kenno koo- 3 0 taan kerrosrakenteeksi, jonka sisällä on haluttu mää rä elektrodeja.

Tämän keksinnön mukainen kenno voitaisiin suun-nitella myös yksinapaiseksi, mikä edellyttää, että kunkin ruostumattoman teräslevyn molemmat puolet työste- • * *- 35 tään identtisiksi ja kootun kennon päätyelektrodeina ”· käytetään puolielektrodeja. Virtajohtimet olisivat i7 85602 yksinapaisessa mallissa kuhunkin elektrodiin kytkettyjä tavanomaisia kuparisia sähköliittimiä.

Tämän keksinnön mukaista kennoa voitaisiin lisäksi käyttää muissa sähkökemiallisissa reaktioissa 5 kuin ditioniitin tuotannossa. Tyypillinen esimerkki on orgaanisten tuotteiden sähkökemiallinen tuotanto, kuten pyridiinien sähkökemialliset muuttamiset hapetus- ja pelkistysreaktioiden kautta tämän mallin mukaisessa kationinvaihtokalvon jakamassa kennossa.

10 Käyttämällä uutta kennomallia 10 tuotetaan vä keviä alkalimetalliditioniittiliuoksia, joissa alkali-metallitiosulfaattiepäpuhtauksien pitoisuudet ovat pieniä, elektrolyysikalvokennoissa suurilla virrantiheyksillä kennojännitteiden ollessa oleellis-sti alentu-15 neita ja virtahyötysuhteiden hyviä.

Esimerkkien antamiseksi saavutetuista tuloksista, esitetään seuraavat esimerkit, joiden tarkoituksena ei ole rajoittaa keksinnön piiriä.

Esimerkki 1 20 Kuvioissa 1-5 esitettyä tyyppiä oleva kenno k-ottiin kolmesta ruostumattomasta teräslevystä, jotka asennettiin telineelle, niin että muodostui kaksi anodi-katodiparia, joiden kummankin aktiivinen elektro- 2 dipinta-ala oli noin 0,172 m . Levyt muodostivat kaksi 25 puolielektrodia, joista toinen oli katodi ja toinen . anodi ja joiden välissä oli kaksinapainen elektrodi, : jossa oli vastakkaiset anodi- ja katodipuolet. Elekt- • · · 1 ; .·. rodilevyjen ulkomitat olivat: leveys noin 43 cm, kor- « · · V.\ 1 keus noin 4 7 cm ja syvyys noin 2,5 cm.

*. . 30 Anodit koostuivat nikkeli 200 -sauvoista • · · *·11 (noin 47 kpl, läpimitta 3,2 mm), jotka oli hitsattu kuvion 2 yleisesti esittämällä tavalla anodin tausta-* levyyn noin 1,6 mm:n etäisyydelle toisistaan. Anolyy- • · · v : tin keräys- ja jakourat olivat noin 3,18 cm:n levyi- : 35 siä ja noin 1,55 cm:n syvyisiä.

I »I ·1 • · 4 · · · 1 • · · 1 • 1 1 18 85602

Katodilevy muodostui neljästä samankokoisiksi leikatusta päällekkäin asetetusta kerroksesta. Ensimmäinen kerros oli tukikerros, joka muodostui revitetystä 0,9 mm:n paksuisesta ruostumattomasta teräsle-5 vystä, jossa 1,6 mm:n reiät olivat 3,2 mm:n etäisyydellä toisistaan vuorottaisesti 60°:n kulmassa ja jossa avoimen alan osuus oli 23 %. Toinen kerros oli ruostumattomasta teräksestä 304 valmistetuista kuiduista, joiden läpimitta oli noin 25 ,um, koostuva kerros, 10 , 2 jonka neliömassa oli 3,0 kg/m . Kolmas kerros oli ruostumattomasta teräksestä 304 valmistetuista kuiduista, joiden läpimitta oli noin 8 ,um, valmistettu kerros, 2 jonka neliömassa oli 0,59 kg/m . Neljäs kerros oli me- tallilankaverkko, jossa lankojen läpimitta oli 0,23 mm 15 ja jonka mitat olivat 46 x 46 cm. Nämä kerrokset puristettiin yhteen ja liitettiin sintraamalla vetyätmosfää-rissä, jolloin muodostui yksi levy, jonka paksuus oli noin 3,94 mm. Katodilevyarkki leikattiin katodilevyksi, jonka mitat olivat suunnilleen 47 x 43 cm.

20

Katodilevy asennettiin ruostumattomasta teräksestä valmistetulle katodin taustalevylle käyttämällä 20 ruuvia, joiden läpimitta oli noin 3,2 cm ja jotka kiinnitettiin katolyyttikammioissa oleviin katodin . .·. tuki jalustoihin. Ruuvien kierteet päällystettiin ohuel- ‘‘ la kerroksella sopivaa sähköliitosseosta, ja kunkin ruu- vin kanta peitettiin silikonisementillä, jotta estettäi- • · · ·** ' siin ruuvin tuleminen katodirakenteen aktiiviseksi osaksi.

• · • · · I" : Katodilevyyn porattiin kuusi reikää, joiden lä- • · ' ** pimitta oli 4,2 mm, jotta kennoon sisällä olevat kaasu- kuplat pääsisivät poistumaan. Kolme rei'istä porattiin lähelle kennon yläreunaa vastapäätä katolyytin keräys-*:·1: uraa ja kolme juuri katodivirtaussulun alapuolelle.

Erotusväline muodostettiin polypropeeniverkos- .1 . ta, joka oli käsitelty titaanidioksidipäällysteellä.

* 1 · · 35 1; Erottimet asennettiin 1,6 mm:n paksuisiin erottimen • » • · · • · · • · · i9 85602 kehyksiin, jotka leikattiin sopimaan tarkasti kennossa olevan tiivisteuran sisälle.

Sekä anodin että katodin taustalevyyn työstettiin tiivisteurat, joiden leveys oli noin 9,53 mm 5 ja syvyys noin 4,75 mm. Kennon anodipuolella käytet tiin poikkileikkaukseltaan neliön (9,53 mm) muotoista tiivistettä, jonka päälle asetettiin noin 12,7 mm:n levyinen liuska noin 1,5 mm:n paksuista Gore-tex^-tii-vistenauhaa. Katodin tiivisteurassa käytettiin kumis-10 ta O-rengasta (läpimitta noin 9,60 mm). Kenno koottiin käyttämällä kannettavaa hydraulista kokoamisjärjestelmää, jota kuvataan US-patenttijulkaisussa 4 430 179 ja jolla kenno puristettiin kiinni sillä tavalla, että anodi- ja katodilevyjen väliin jäi noin 3,38 mm:n le-15 vyinen rako. Sen jälkeen kenno kiinnitettiin vielä vastamuttereilla.

Kenno pidettiin toiminnassa jatkuvasti 42 vrk. Kennossa käytettiin Nation® NX 906 -perfluorihiilivety-kalvoa, jota liuotettiin noin 2-%:isessa NaOH-liuokses-20 sa vähintään 4 tuntia ennen kennon kokoamista.

Kennoa käytettiin lämpötilassa noin 25°C, ja katolyytin kokonaisvirtausnopeus oli noin 23 1/min ja anolyytin kokonaisvirtausnopeus noin 15 1/min. Ylimääräistä anolyyttiä, joka sisälsi noin 19 % natriumhyd- • 25 roksidia, poistettiin jatkuvasti ja lisättiin katolyyt- tikiertoon, samalla kun anolyyttiä täydennettiin jät-•J f kuvasti lisäämällä noin 69 g/min noin 35-%:ista nat- j : i riumhydroksidiliuosta. Katolyyttiin lisättiin jatku- vasti noin 230 ml/min deionisoitua vettä samoin kuin * 30 rikkidioksidia pH:n pitämiseksi suunnilleen alueella • · 5,4 - 5,8 ja sulfiitin ja bisulfiitin moolisuhteen pitämiseksi suunnilleen alueella 1:3 - 1:8.

... Tutekatolyyttiä poistettiin jatkuvasti kennos- *. ta suunnilleen nopeudella 287 ml/min, ja se analysoi-

V” 35 tiin ajoittain joka päivä. Seuraavassa taulukossa I

20 8 5 6 0 2 kuvattu tuotekatolyytti analysoitiin näytteistä, jotka otettiin samaan aikaan joka päivä. Nämä tulokset edustavat kennon toimintaa 4 vrk:n käytön aikana optimoiduissa olosuhteissa. Katolyytistä analysoitiin nat-5 riumditioniitti-, natriumtiosulfaatti-, natriumsulfiit- ti- ja natriumvetysulfiittipitoisuus.

• 1 • »

* · M

m • · · • · · « · » • · 1 *·« 1 • · « · » « » · • · · · * 1 • · • · · • · # • · · • · *·· ♦ 1 » • · · * · • ♦ » • · 1 * · • · · * · · ♦ 1 1 21 85602

b'A

S

:ifl TO <D TJ

:¾ 1 <a ·6 iffl Q) -P ^ <—» vo tn rn if» S-plO £> r- r1 f- O'

1¾¾¾~ ~ ~ ^ ids Id o « -r-> c M

:0 «> >1'— ij in o o o

7~ y v_ K

M 1G ^ v£> r1“ ♦H 3 o> σ» ff»

> CO

•H I

P

•23 M _ρ- m \o m tf·» Ξ 1H W CN o o o o <rJ S S.. p ,. ^ k,

V φ X M N N (N

1 S5 S

,1 C -4-» ~ ;

H I

0

M

3 rn S S S S ; <—I β~ o « r· 3 ^ \ t in τί -a· rtf ro tn E-ι m m σ o o Q<— m h eo f1> C1 h” n o' ® jS iT> Z ^ • ^CN — --t 1 rH «J ) • : : ω h e- ° “i.

;:: z H

*" · «3· :1. o o o o © . CM .—. V£> CO O Cl ^cm Cr[ © »» >e n1 ... S1 ts m m cj ... flj tP -< .η Ή ^ - ’£> in io r1 © . - -r)

jJTJ

.1:1. ft m • · · 22 85602

Esimerkki 2

Kenno, joka vastasi malliltaan esimerkin 1 mukaista, koottiin käyttämällä yhdeksää kaksinapaista elektrodilevyä ja kahta puolielektrodilevyä, joista 5 toinen oli katodi ja toinen anodi; kunkin levyn aktii- 2 vinen elektrodipinta oli noin 0,051 m . Käytettiin muuten ten samantyyppisiä katodilevyjä ja anodisauvoja kuin esimerkissä 1, mutta anodin ja katodin taustalevyjen mitat olivat 34,3 x 34,3 x 3,0 cm. Käytettiin perfluo-10 rattua sulfonihappokalvoa, jonka paksuus oli noin 50 ^um ja ekvivalenttimassa noin 1000 (grammaa/grammamooliekvi-valenttia vaihtokapasiteettia), jota on saatavissa US-pa-tentin 4 470 888 haltijalta.

Erotusväline oli titaanidioksiditäyteainetta si-15 sältävästä polyeteenistä valmistettu verkko, jonka pak suus oli noin 1,8 mm ja jossa aukkojen koko oli noin 9,7 mm ja avoimen alan osuus noin 60 %. Erotin käsiteltiin kromi- ja rikkihappojen seoksella, jota myy Fisher Scientific nimellä Chromerge, tarvittavan hydrofiilisen 20 pinnan aikaansaamiseksi. Erotusverkko kiinnitettiin erottimen kehykseen (3,2 mm) ja se ulottui noin 6,4 mm kennon reunan taakse.

Kenno tiivistettiin käyttämällä 0-renkaita (noin 7,37 mm) sekä anodin että katodin taustalevyjen .·.1 25 tiivisteurissa. Erottimen kehyksen ja kalvon välissä käytettiin noin 22 mm:n levyistä Gore-tex-nauhaa.

: : : Kennoa käytettiin katolyytin kokonaisvirtaus- : nopeuden ollessa 49 1/min ja anolyytin kokonaisvirtaus- nopeuden ollessa 23 1/min. Anolyyttiin lisättiin jatku-.·,·. 30 vasti 93 g/min 35-%:ista natriumhydroksidiliuosta. Yli määräistä anolyyttiä, joka sisälsi noin 15 % natriumhyd-. roksidia, poistettiin jatkuvasti ja lisättiin katolyyt- tikiertoon. Katolyyttiin lisättiin lisäksi noin 320 ml/min • · · *·[ 1 deionisoitua vettä ja jatkuvasti rikkidioksidia pHjn 35 pitämiseksi suunnilleen alueella 5,4 - 5,8 ja sulfiitin • 1 • · • m • m · • · » m 1 m f 23 8 5 6 0 2 ja vetysulfiitin moolisuhteen pitämiseksi suunnilleen alueella 1:3 - 1:8.

Kenno toimii lämpötilassa noin 25°C katolyytin kokonaisvirtausnopeuden ollessa 49 1/min ja anolyytin 5 kokonaisvirtausnopeuden ollessa noin 23 1/min. Kenno pidettiin toiminnassa jatkuvasti 30 vrk jännitekertoi-men ja tuotteen koostumuksen muuttumatta merkittävästi.

Kennosta poistettiin tuotekatolyyttiä jatkuvasti suunnilleen nopeudella 350 ml/min, ja se analysoi-10 tiin ajoittain joka päivä. Seuraavassa taulukossa II

kuvattava tuotekatolyytti analysoitiin näytteistä, joita otettiin joka päivä samaan aikaan. Nämä tulokset edustavat kennon toimintaa 4 vrk:n ajan optimoiduissa olosuhteissa. Katolyytistä analysoitiin natriumditio-15 niitti-, natriumtiosulfaatti-, natriumsulfiitti- ja natriumvetysulfiittipitoisuus.

* 1 m · · « f · • · * · · »m 1 • « · · •

• · I

* · · « · · · • « • m» * 1 • 9 · » · *· · * 1 · * · • · · • 1· • · • 1 * * · · 2“ 85602 C I b

Ip s :fd T3 0) Ό rj

:r0 (Q -3 -n CD OJ CO

;frt Π) jj _v —-o r< rn m I 3.2 „ > ~ ~~ il p λ; -Γ-l C J-l ii3? -5 ., m o o o

(TJ QJ es (N o rN

4J Ό ^ _T-

Ilf-1 00 Ό ,ρ "Π σ> «7» O' O' > w

Cn”- Λ , -ί

a K

st? s s: s s

Is! - - - -

M C -P

H

° m Λί O ° o o o

m si h "i » °L

3 s \ »s r« Hv ; r-| rg (ji m m d z ^ (0 m . Q - co eo r- »o • . . ujr-Hininoo ·1· β tp CM σ, <n r~ ·1· ?5 ' ’ • » 1 ! n

. . O

... CN Ό Ό ® °

:.: : ω h 1 ® 'l “I

·· S1 ^ ^ - . . <3 tn O1 tN . ι/i ^ «r ·>1 CO H .. — — >» ....: CM \ -i o eo m g S) 3 2 2 2 • · · ··1 13 Γ» CD O f1»

• · «J H H

· 1 • a 25 85602

Vaikka edellä esitellään ja kuvataan edullista rakennetta, johon tämän keksinnön periaatteet on sisällytetty, on ymmärrettävä, ettei keksinnön ole määrä rajoittua siten esitettyihin yksityiskohtiin, vaan hyvin-5 kin erilaisia välineitä voidaan itse asiassa käyttää tämän keksinnön laajempien puolien toteuttamiseen käytännössä. Vaikka tässä on esimerkiksi kuvattu anodin taustalevyä, jonka pinnalla käytetään pyöreitä lankamai-sia sauvoja, voitaisiin yhtä hyvin käyttää litteitä suo-10 rakaiteen muotoisia tankoja tai muita sopivan muotoisia, kuten kolmiomaisia, viisikulmaisia, kuusikulmaisia, kahdeksankulmaisia, jne. rakenteita. Erotinverkko voitaisiin lisäksi käsitellä hydrofiilisiä aineita sisältävillä lisäaineilla, tai tällaisia lisäaineita voitaisiin lisätä 15 elektrolyyttiin. Erotusverkko voitaisiin myös sijoittaa kennoon kalvon ja katodilevyn väliin, jolloin hydraulinen paine tulee muuttaa siten, että kalvo pakotetaan irti anodisauvoista ja vasten erotusverkkoa. Liitteenä olevien patenttivaatimusten on tarkoitus kattaa kaikki il-20 meiset muutokset yksityiskohdissa, materiaaleissa ja osien järjestyksessä, jotka tulevat alan ammattimiehen mieleen tämän selostuksen lukemisen yhteydessä.

Claims

26 85602
1. Elektrolyysikenno (10), jossa on yläosa ja alaosa ja jonka kautta anolyytti ja katolyytti virtaavat, 5 tunnettu siitä, että siinä on yksi kennoyksikkö, joka sisältää toisiinsa yhdistettyinä a) anodin (11); b) kationinvaihtokalvon (25), joka on anodin vieressä; 10 c) erotusvälineen (21) anodin ja kalvon (25) vä lissä kalvon estämiseksi koskettamasta anodia; d) huokoisen katodilevyn (26), jossa on ensimmäinen kalvon (25) vieressä oleva pinta ja toinen, vastakkaisella puolella oleva pinta; ja 15 e) katodin taustalevyn (28), joka on katodilevyn toisen, vastakkaisen pinnan vieressä ja jossa on yleensä vaakasuora taustalevyn poikki ulottuva virtaussulku (30), joka toimii ylemmän katolyyttikammion (39) ja alemman ka-tolyyttikammion (38) välisenä rajana ja katkaisee kato-20 lyytin virtauksen kennon yläosan ja alaosan välillä saaden suurin piirtein kaiken katolyytin muuttamaan virtaus-suuntaansa ja kulkemaan kahdesti huokoisen katodilevyn (26) läpi poikittaissuunnassa katodilevyn ensimmäiseen pintaan ja toiseen, vastakkaisella puolella olevaan pin--· 25 taan nähden, jolloin katolyytti virtaa virtaussulun (30) : ohi ja poistuu kennosta. ·*·., 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kenno, t u n - n e t t u siitä, että siinä on vain yksi kennoyksikkö.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kenno, 3. tunnettu siitä, että anodi sisältää lisäksi lukuisia anodivälineitä, jotka ulottuvat anodin jakourasta (15) anodin keräysuraan (16). : : 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kenno, t u n - *:··: n e t t u siitä, että anodivälineet sisältävät lisäksi \ 35 anodisauvoja (12), jotka ovat yhdensuuntaisia ja pystysuorassa asennossa. 27 8 5 602
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kenno, tunnettu siitä, että anodivälineistä kutakin erottaa viereisestä rako (20), joka muodostaa anolyytin virtaus-kanavan kennon yläosan ja alaosan välillä.
6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysiken- no (10), jossa on yläosa ja alaosa ja jonka läpi anolyyt-ti ja katolyytti virtaavat, tunnettu siitä, että siinä on useampia kennoyksiköitä, jolloin se sisältää toisiinsa yhdistettyinä: 10 a) useita rinnakkain asetettuja kaksinapaisia ken- norunkoja, joista kukin sisältää anodin taustalevyn (11), johon on yhdistetty anodipinta (12), ja katodin taustalevyn (28), joka on yhdistettävissä katodipintaan; b) lukuisia huokoisia katodilevyjä (26), joista 15 kussakin on ensimmäinen pinta ja toinen, vastakkaisella puolella oleva pinta, joka on katodin taustalevyn vieressä; c) kationinvaihtokalvon (25) kunkin rinnakkain olevan anodipinnan ja katodilevyn ensimmäisen pinnan vä-
20 Iissä; d) erotusvälineen (21) kunkin anodipinnan ja kalvon välissä, joka estää kalvoa koskettamasta vieressä olevaa anodipintaa ja jossa on verkko-osa (24), joka on kunkin anodipinnan ja kalvon vieressä; • .* : 25 e) kussakin katodin taustalevyssä yleensä vaaka suoran virtaussulun (30), joka kulkee taustalevyn poikki r. ja toimii ylemmän katolyyttikammion (39) ja alemman kato- lyyttikammion (38) välisenä rajana, joka virtaussulku li säksi katkaisee katolyytin virtauksen kennon ylä- ja ala-. 30 osan välillä ja saa suurin piirtein kaiken katolyytin muuttamaan virtaussuuntaansa ja kulkemaan huokoisen katodilevyn (26) läpi poikittaissuunnassa katodilevyn ensimmäiseen pintaan ja toiseen, vastakkaisella puolella olevaan pintaan nähden katolyytin ohittaessa virtaussu-35 lun; ja 28 8 5 602 f) useita pystysuorassa asennossa olevia, suurin piirtein yhdensuuntaisia virtauksenohjausvälineitä (12), jotka muodostavat kunkin kaksinapaisen elektrodin anodi-pinnan ja joista kutakin erottaa viereisestä virtauksen-5 ohjausvälineestä rako (20), jolloin muodostuu useita ano-lyytin virtauskanavia kennon ylä- ja alaosan väliin.
7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kenno, tunnettu siitä, että anodipinnan muodostavat virtauk-senohjausvälineet ovat sauvoja.
8. Patenttivaatimuksen 4 tai 7 mukainen kenno, tunnettu siitä, että virtauksenohjausvälinesauvat ovat nikkeliä.
9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kenno, tunnettu siitä, että erotusvälineen verkko-osa on käsi- 15 telty hydrofiiliseksi.
10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kenno, tunnettu siitä, että kukin kaksinapainen kennorunko on valmistettu ruostumattomasta teräksestä.
11. Jonkin patenttivaatimuksista 1-10 mukainen 20 kenno, tunnettu siitä, että katolyytti virtaa yleensä pystysuoraan kennon alaosasta kennon yläosaan.
12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kenno, t u n -n e t t u siitä, että katolyytti tulee kennoon vähintään :: yhden katolyytin tuloaukon (35) kautta, josta katolyytti . 25 virtaa alempaan katolyyttikammioon (38). : : 13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen kenno, tun nettu siitä, että katolyytti virtaa vähintään yhden > - tuloaukon (35) ja kartiomaisen siirtouran (35') kautta katolyytin jakouraan (32). .30 14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen kenno, t u n - ' ' n e t t u siitä, että katolyytti poistuu kennosta vähin- » 9 * tään yhden katolyytin poistoaukon (36) kautta.
15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen kenno, t u n --:··· n e t t u siitä, että katolyytti kulkee lisäksi katolyy- *. 35 tin keräysuran (34) ja vähintään yhden kartiomaisen pois- • » » * * · • m * 29 85602 touran (36') kautta ennen tuloaan vähintään yhdelle ka-tolyytin poistoaukolle.
16. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kenno, tunnettu siitä, että katolyytin virtaussulussa (30) on 5 lisäksi vähintään yksi sulun läpi yleensä pystysuoraan kulkeva kaasunpoistoreikä (17), joka yhdistää suoraan alemman katolyyttikammion (38) ylempään katolyyttikam-mioon (39) ja jonka läpi kaasu pääsee virtaamaan.
17. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kenno, t u n -10 n e t t u siitä, että katodilevyssä (26) on vähintään yksi kaasupoistoreikä välittömästi katolyytin virtaussu-lun alapuolella ja vähintään yksi kaasunpoistoreikä katolyytin virtaussulun yläpuolella, joiden kautta kaasu pääsee virtaamaan katodilevyn läpi ja alemmasta katolyytti-15 kammiosta ylempään katolyyttikammioon.
18. Patenttivaatimuksen 12 mukainen kenno, tunnettu siitä, että anodi sisältää anodin taustalevyn (11), jossa on vähintään yksi anolyytin tuloaukko (18) anolyytin syöttämiseksi kennoon ja vähintään yksi anolyy- 20 tin poistoaukko (19) anolyytin poistamiseksi kennosta.
19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen kenno, tunne t t t u siitä, että anolyytti virtaa vähintään yh-destä anolyytin tuloaukosta vähintään yhden kartiomaisen : anolyytin siirtouran (18') kautta anolyytin jakouraan : 25 (15). : 20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen kenno, t u n - n e t t u siitä, että anolyytti virtaa lisäksi anolyytin *- · keräysuran (16) ja kartiomaisen anolyytin poistouran kautta ennen tuloaan vähintään yhdelle anolyytin poisto-30 aukolle. ‘ 21. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kenno, t u n - .* n e t t u siitä, että katolyytti sisältää alkalimetalli- vetysulfiitin puskuroitua vesiliuosta. ....: 22. Patenttivaatimuksen 21 mukainen kenno, t u n - 35. e t t u siitä, että alkalimetallivetysulfiitti on nat-riumvetysulf iitti. 30 8 5 6 0 2
23. Patenttivaatimuksen 19 mukainen kenno, tunnettu siitä, että anolyytti sisältää natriumhydrok-sidin ja deionisoidun veden seosta. * • 1 • · a · • · 1 ft Λ · · · • 1 31 85602