FI87937B - Elektrolytisk cell - Google Patents

Description

1 87937

Elektrolyysikenno Tämä keksintö koskee erotinta, joka on tarkoitettu käytettäväksi elektrodin ja kalvon välissä sähkökemialli-5 sessa kalvokennossa. Tarkemmin määriteltynä tämä keksintö koskee erotinrakennetta ja -kokoonpanoa, jota käytetään väktvien ditioniittiliuosten kaupalliseen valmistukseen sähkökemiallisessa kalvokennossa.

On tehty monia menestyksettömiä yrityksiä kehittää 10 menetelmä alkalimetalliditioniittien, kuten natrium- tai kaliumditioniitin, valmistamiseksi sähkökemiallisesti, joka pystyy kilpailemaan kaupallisesti tavanomaisten sinkkipelkistysmenetelmien kanssa, joissa käytetään joko natriumamalgaamia tai metallista rautaa. Sähkökemialli-15 sessa menetelmässä ditioniitin valmistamiseksi pelkistetään vetysulfiitti-ionit ditioniitti-ioneiksi. Jotta tämä menetelmä olisi taloudellinen, täytyy kennossa käyttää virrantiheyksiä, joilla pystytään tuottamaan väkeviä ditioniittiliuoksia suurilla virtahyötysuhteilla.

20 Lisäksi, kun liuoksia, jotka ovat valkaisuaineina tehokkaita voimakkaita pelkistimiä, on määrä käyttää pa- : ’·* periteollisuudessa, tulee epäpuhtautena olevan tiosulfaat- • · • '.j tisivutuotteen muodostuminen ditioniitista saada mahdol- lisimman vähäiseksi. Suurten ditioniittipitoisuuksien ol- 25 lessa kyseessä tämä sivutuotereaktio käy kuitenkin vai-.·, keammaksi hallita.

, .·. Lisäksi tähänastiset sähkökemialliset tavat val mistaa ditioniittia ovat johtaneet vesiliuoksiin, jotka . . ovat epästabiileja ja hajoavat nopeasti. Tämä ditioniitin • · 30 suuri hajoamisnopeus näyttää kohoavan pH:n aletessa tai " ‘ ’ reaktiolämpötilan kohotessa. Eräs lähestymistapa hajoamis- nopeuden pienentämiseksi on lyhentää liuoksen viipymäai-kaa kennossa ja pitää virrantiheys mahdollisimman suurena aina kriittiseen virrantiheyteen asti, jonka yläpuolella .35 tapahtuu sekundaarisia reaktioita katodin polarisoitumisen johdosta.

2 87937

Jotkut aiemmat menetelmät, joilla väitetään valmistettavan sähkökemiallisesti ditioniittisuoloja, vaativat veteen sekoittuvien orgaanisten liuottimien, kuten metanolin, käyttöä ditioniitin liukoisuuden vähentämisek-5 si ja sen hajoamisen estämiseksi kennon sisällä. Metanolin ja ditioniitin kallis talteenotto tekee tästä tavasta epätaloudellisen.

Sinkin käyttöä ditioniittien stabilointiaineena sähkökemiallisissa menetelmissä on myös kuvattu, mutta 10 tämä ei enää ole ympäristönäkökohtien kannalta taloudellisesti käytännöllistä eikä toivottavaa.

Eräässä uudemmassa US-patenttijulkaisussa 4 144 146 (B. Leutner, 13. maaliskuuta 1979) kuvataan sähkökemiallista menetelmää ditioniittiliuosten tuotta- 15 miseksi elektrolyysikalvokennossa. Mainitussa menetelmässä käytetään katolyytin, jota johdetaan kennon pohjassa olevan sisääntuloaukon kautta ja poistetaan kennon yläpäästä, suuria kierrätysnopeuksia saamaan aikaan reaktion aikana syntyvien kaasujen edullinen poisto. Katolyytin :*·.. 20 virtausnopeus katodien pinnan yli pidetään vähintään ar- vossa 1 cm/s ja katodi muodostetaan puristetuista sintra- • · : .·. tuista kuiduista koostuvista kuitumatoista, joissa aukon I * · · koko on korkeintaan 5 mm. Tällä menetelmällä kuvataan tuotettavan väkeviä alkalimetalliditioniittiliuoksia kau- > I · ' 25 pallisesti kilpailukykyisillä virrantiheyksillä; vaadit- *** tavat kenno jännitteet ovat kuitenkin suuria, alueella 5 - 10 V. Tämä johtaa liialliseen energiankulutukseen. Tiosulfaattiepäpuhtauden pitoisuuksia tuoteliuoksissa ei kerrota.

* » ’-/·/- 30 Elektrodien, joilla on suuri massasiirtopinta-ala :Y: ja suuri pinta-alan ja tilavuuden välinen suhde sekä riit- • V tävä huokoisuusaste, saatavuus on rajoittanut kaupalli- .*.) sesti käytännöllisen sähkökemiallisen kennorakenteen ke- • · *;** hittämistä alkalimetallisulfiittien vesiliuosten tuotta- '1' 35 miseksi, joissa alkalimetallitiosulfaattiepäpuhtauksien pitoisuudet ovat pieniä. Elektrodien täytyy myös olla 3 87937 tiiviisti kiinnittyviä, tasaisella etäisyydellä toisistaan ja helposti kokoonpantavia, eivätkä ne saa edistää tiosulfaattiepäpuhtauksien syntymistä.

Nämä ja muut ongelmat ratkaistaan tämän keksinnön 5 mukaisessa rakenteessa, jossa käytetään parannettua erotinta anodin ja kalvon välissä elektrolyyttisessä kalvo-kennossa, joka on tarkoitettu alkalimetalliditioniitin valmistukseen.

Tämän keksinnön eräänä päämääränä on saada aikaan 10 parannettu erotin käytettäväksi sähkökemiallisessa kennossa .

Tämän keksinnön eräänä toisena päämääränä on saada aikaan parannettu erotin, joka estää kalvoa pääsemästä kosketukseen anodin kanssa parannetussa sähkökemialli-15 sessa kennossa, joka on tarkoitettu alkalimetalliditio-niittien vesiliuosten valmistamiseen.

Tämän keksinnön eräänä lisäpäämääränä on saada aikaan parannettu erotin, joka mahdollistaa sähkövirtauk-sen katodiin vain niillä alueilla, joissa katolyyttines-20 tettä kierrätetään aktiivisesti sähkökemiallisessa kal-vokennossa, jossa tuotetaan alkalimetalliditioniittive-: siliuoksia, joissa alkalimetallitiosulfaattiepäpuhtauspi- toisuudet ovat pieniä, suurilla virrantiheyksillä.

• * *. .* Tämän keksinnön eräänä piirteenä on, että paran- • · « ; ; 25 nettu erotin sijoitetaan anodin ja kalvon väliin ja sil- lä saadaan aikaan vierekkäisten anodien ja katodien tasainen etäisyys kootussa sähkökemiallisessa kalvokennossa.

Tämän keksinnön eräänä muuna piirteenä on, että parannettu erotin on helppo tiivistää yhteen viereisen 30 kalvon kanssa, koska siinä on keskusverkko-osa ja reuno-• · ~ ja kiertävä kiinteä kehysosa, jota vasten tiivistysrengas tai -nauha pystyy asettumaan.

;.· Tämän keksinnön eräänä lisäpiirteenä on, että pa- *·;*’ rannetun erottimen kehysosa on viistottu ja syvennetty /1" 35 vastapuolelta keskusverkko-osan vastaanottamiseksi, jo- 4 87937 ka kiinnitetään lämmön avulla kehykseen, jolloin vältetään karkeat pinnat, jotka voivat rikkoa kalvon.

Tämän keksinnön eräänä lisäpiirteenä on vielä se, että erotin ulottuu kennon elektrodien taustalevyjen ul-5 koreunan yli.

Tämän keksinnön eräänä lisäpiirteenä on vielä se, että erottimen keskusverkko-osa joko päällystetään titaanidioksidilla tai siihen lisätään titaanidioksidia täyteaineeksi ja se kiinnitetään sitten erottimen kehyk-10 seen.

Tämän keksinnön eräänä etuna on, että erotin tukee viereistä märkää kalvoa elektrolyyttisen kalvokennon kokoonpanon aikana.

Tämän keksinnön eräänä muuna etuna on, että ero-15 tin estää suolasillan muodostumisen vierekkäisten elektrodien taustalevyjen välille ja ulottumalla vierekkäisten elektrodien taustalevyjen reunan yli estää oikosulkujen esiintymisen vierekkäisten osien välillä vierekkäisten elektrodien taustalevyjen joutuessa vahingossa kosketuk-:'·.. 20 seen toistensa kanssa metalliesineiden välityksellä.

·’. : Tämän keksinnön eräänä etuna on lisäksi se, että · : erotin on hydrofiilinen ja sillä saadaan aikaan paremmin

• » · P

kostutettavissa oleva pinta.

*.* Keksinnön nämä ja muut päämäärät, piirteet ja • · * ;‘ 25 edut toteutetaan elektrolyyttisessä kalvokennossa, jolla ***** tuotetaan sähkökemiallisesta alkalimetalliditioniittia pelkistämällä kierrätettävän katolyyttivesiliuoksen alka-limetallivetysulfiittikomponentti kennossa, jossa on parannettu erotin sijoitettuna vierekkäisten anodien taus-:*:*: 30 talevyjen ja kalvojen väliin.

:V; Keksinnön päämäärät, piirteet ja edut käyvät ilmi .V tarkasteltaessa seuraavaa yksityiskohtaista selostusta keksinnöstä erityisesti yhdessä liitteenä olevien piir-'··[ rosten kanssa, joissa: ;· 35 Kuvio 1 on osiinsa hajotettua elektrolyysikennoa esittävä kaaviokuva, joka osoittaa elektrolyytin ja ionien virtausreitit; 5 87937

Kuvio 2 on pystyleikkauskuva kaksinapaisen kenno-elektrodin anodipuolesta, jossa näkyy osa anodin tausta-levyn peittävistä anodisauvoista ja jossa osa näistä esitetyistä sauvoista on katkaistu lisäksi pois; 5 Kuvio 3 on suurennettu osaleikkauskuva kuvion 2 viivoja 3-3 pitkin, jossa näkyvät anodisauvat elektrodiin kiinnitettyinä;

Kuvio 4 on sivupystyleikkauskuva kaksinapaisen elektrodin katodipuolesta; 10 Kuvio 5 on sivuleikkauskuva elektrolyysikennon kaksinapaisesta elektrodiosasta, jossa näkyy katolyytin virtausreitti huokoisen katodin läpi katoditilassa katolyytin jakourista katolyytin keräysuriin tai -kanaviin;

Kuvio 6 on pystyleikkauskuva erotinverkosta, joka 15 on sijoitettu anodisauvojen ja kalvon väliin;

Kuvio 7 on pystyleikkauskuva vaihtoehtoisesta ero-tusvälinesuoritusmuodosta, jossa näkyy keskusverkko-osa osittain poistettuna, rakennetta tukeva kehys ja keskellä kulkeva lujitusliuska; 20 kuvio 8 on suurennettu osaleikkauskuva kuvion 7 ; viivoja 8-8 pitkin, jossa näkyvät erottimen kehyksen : viistottu ja syvennetty osa ja kalvon sijainti suhteessa erottimeen; ja '. .* kuvio 9 on pystyleikkauskuva kaksinapaisen elektro- ; ; 25 din vaihtoehtoisen suoritusmuodon katodipuolesta, jossa pääosa kalvosta, huokoisesta katodilevystä ja erottimen keskusverkosta on poistettu ja jossa näkyy, miten erottimen kehys ja keskellä kulkeva lujitusliuska suojaavat sähkövirralta alueet, joilla katolyytin kierrätys on heik-: : : 30 koa tai olematonta.

Kuten kuvion 1 osiin hajotetusta ja osittain kaavamaisesta esityksestä käy ilmi, suodatuspuristinkalvo-elektrolyysikenno, joka osoitetaan yleisesti numerolla 10, koostuu anodin taustalevystä, erotusvälineestä 21, katio-·; 35 niselektiivisestä kalvosta 25, huokoisesta katodilevystä 26 ja katodin taustalevystä 28.

6 87937

Anodin taustalevy 11 ja katodin taustalevy 28 muodostavat kaksinapaisen elektrodin vastakkaiset puolet, jotka voidaan työstää ruostumattomasta teräslevystä tai voivat olla valettua ruostumatonta terästä. Ruostumaton 5 teräslevy voidaan muodostaa jopa 3,2 cm:n paksuisesta ruostumattomasta teräksestä 304L tai 316, joka on korroo-sionkestävää ja valmistetaan yksinkertaisesti työstämällä tasainen levy, joka muodostaa kammiot, joiden kautta anolyytti- ja katolyyttinesteet pääsevät kulkemaan vas-10 taaviin anolyytti- ja katolyyttikammioihin. Ruostumattoman teräslevyn paksuus antaa rakenteelle jäykkyyden ja äärimmäisen tarkan tasaisuuden. Katodilevy 26 kiinnitetään katodin taustalevyyn 28 ruuvein (ei kuviossa), jotka kierretään kiinni katodin tukijalustoihin 31, kun 15 taas anodisauvat 12 voidaan hitsata esimerkiksi TIG-hit-sauksella paikalleen käyristämättä ruostumatonta teräs-levyä.

Anodirakenne on tarkemmin nähtävissä kuvioissa 2 ja 3. Kuten kuviosta 2 käy ilmi, anodin taustalevyssä 11 20 on useita yhdensuuntaisia pystysuoraan kulkevia anodisau-,·. : voja 12, jotka hitsataan sauvojen ylä- ja alapäästä ano- . din taustalevyyn 11. Näitä sauvoja 12 on koko anodin taus- ”V talevyn 11 leveydeltä, vaikka jatkuva rinnakkaisjärjes- \ * tys ei yksinkertaisuuden vuoksi näy kuviossa 2, sillä ’·**' 25 anodin taustalevyn keskiosassa olevat sauvat on jätetty kokonaan pois. Nämä sauvat ovat esimerkiksi nikkelilan-kasauvoja, joiden läpimitta on 3,2 mm ja jotka ovat sellaisella etäisyydellä toisistaan, että vierekkäisten sauvojen väliin muodostuu anodisauvojen välinen rako 20, jon-30 ka leveys on noin 1,6 mm. Nämä anodisauvat 12 voidaan muodostaa nikkeli 200:sta tai mistä tahansa muusta kor- / roosionkestävästä koostumuksesta, jolla saadaan aikaan » · · pienet ylijänniteominaisuudet. Anodisauvojen 12 pysty- • · · suora asento ja anodisauvojen välinen rako 20 (ks. ku-35 vio 3) saavat aikaan vapaat virtauskanavat anodin taus-.·. ; talevyn 11 pohjalta, johon anolyyttineste tulee anolyytin 7 87937 tuloaukkojen 18 kautta anolyytin jakouraan 15, sen yläpäähän. Anolyyttineste virtaa pystysuoraan ylöspäin ano-disauvojen välisissä raoissa 20 anolyytin talteenotto-uraan 16, ennen kuin neste poistuu anolyytin poistoauk-5 kojen 19 kautta. Anodisauvojen 12 pystysuora asento saa aikaan virran yhtenäisen jakautumisen anodissa ja estää kaasutukkeumat, joita saattaa esiintyä kaasukuplien muodostumisen takia ja jotka voivat alentaa virrantiheyttä toiminnassa olevassa kennossa.

10 Sekä anolyytin tuloaukoissa 18 ja anolyytin poisto- aukoissa 19 on siirtourat 18' ja vastaavasti 19', jotka syötetään ruostumattomaan teräslevyyn. Anolyytin tuloau-kon siirtourat 18' työstetään anolyytin jakouraan 15, niin että saadaan sileä siirtopinta, jonka on kartiomai-15 nen ja etää eroosiokorroosion, joka voi häiritä anolyytin tasaista virtausta kennoon 10 ja saa aikaan metalli-kontaminoitumista eroosion ja korroosion tapahtuessa. Anolyytin poistoaukon siirtourat 19' ovat samalla tavalla sijoitettuja ja työstettyjä.

20 Anodin tiivisteura 14 työstetään anodin taustale- : ·· vyyn 11 koko reunan ympäri. Ura on esiemrkiksi 9,5 mm le- veä ja 4,8 mm syvä, jolloin se ottaa vastaan suorakulmai-: : sen anodin tiivisteen (ei kuviossa), joka on 9,5 mm leveä ‘*·; ja 9,5 mm paksu. Tässä tiivisteessä liuska, joka on sel- 25 laista materiaalia kuin kauppanimillä GORE-TEX tai TEFLON myytävät materiaalit ja sijoitetaan tiivisteelle siten, että se joutuu kosketukseen muovisen erotusvälineen 21 kanssa, kun kenno puristetaan ja kootaan.

Muovinen erotusväline 21 muodostetaan mistä tahan-30 sa materiaalista, joka on kestävää anolyytin aiheuttamaa *'· korroosiota vastaan, kuten polymeereistä ja edullisesti on käytetty polypropeenia. Menestyksellisesti on käytet-ty 8 meshin polypropeenikangasta, jossa avoimen pinta-alan osuus on 40 %, samoin kuin polyeteeniverkkoa, jossa on 35 täyteaineena titaanidioksidia. Erotusvälineen 21 ympärillä on kiinteä erottimen kehys 22 ja erottimen kehyksen β 87937 22 sisällä erotusverkko 24. Verkko 24 käsitellään hydro-fiilisellä päällysteellä kaasukuplien estämiseksi tarttumasta verkkoon ja sen vieressä olevaan kalvoon kapillaa-rivaikutuksen takia. Verkolle 24 levitettyä titaanidiok-5 sidipäällystettä on käytetty menestyksellisenä päällysteenä. Kaasukuplien kalvolle ja verkkoon kehittymisen estämisellä vältetään kennojännitteen heilahtelut toiminnan aikana.

Erotusvälineen 21 käytöllä on estetty menestyksel-10 lisesti myös paikallisesti voimakkaasti happamien alueiden kehittyminen vieressä olevaan kalvoon kohdissa, joissa kalvo koskettaa nikkelianodisauvoja 12. Kalvon 25 koskettaessa nikkelianodisauvoja 12 voi syntyä taskuja, joissa vallitsee voimakas happamuusaste, koska rikkispe-15 siekset hapettuvat rikkihapoksi sen takia, että rikki- spesiekset kulkeutuvat hitaasti takaisin kalvon läpi kennon toiminnan aikana. Anodisauvojen 12 nikkelioksidipääl-iy ste murtuu ja tapahtuu nikkelin korroosiota. Tämä kor-roosiotuote siirtyy kalvon läpi kennon 10 katodipuolelle. 20 Siellä tämä nikkelikorroosiotuote pelkistyy metalliseen tilaan ditioniittiliuoksen vaikutuksesta. Tämä metalli-*: sessa tilassa oleva nikkeli tarttuu lujasti kalvoon ka- : todipuolella ja heikentää ionien ja nesteen siirtymistä *: kalvon läpi.

*. 25 Anodi on suunniteltu siten, että kennossa 10 elek- trolysoitava anolyytti voi olla mikä tahansa soveltuva elektrolyytti, joka pystyy antamaan alkalimetalli-ione-ja ja vesimolekyylejä katoditilaan. Anolyyteiksi soveltuvat esiemrkiksi alkalimetallihalogenidit, alkalimetal-30 lihydroksidit tai alkalimetallipersulfaatit. Anolyytin valinta riippuu osittain halutusta tuotteesta. Kun halu-taan saada halogeenikaasua, kuten klooria tai bromia, käytetään anolyyttinä alkalimetallikloridin tai -bromi-din vesiliuosta. Jos määrä tuottaa happikaasua tai ve-• · 35 typeroksidia, valitaan alkalimetallihydroksidiliuoksia.

Jos haluttu tuote on perrikkihappo, käytetään alkali- 9 87937 metallipersulfaattia. Kulloinkin käytettävä anolyytti vaatii kuitenkin vaihtoehtoisia rakennemateriaaleja anolyy-tin kostuttamiin osiin, kuten titaaniryhmän metalleja al-kalimetallikloridianolyytin ollessa kyseessä.

5 Kaikissa tapauksissa anolyyttinä käytetään vali tun elektrolyytin väkeviä liuoksia. Kun alkalimetalliklo-ridiksi valitaan esimerkiksi natriumkloridi, sisältävät anolyyteiksi soveltuvat liuokset noin 12 - 25 paino-%

NaCl. Alkalimetallihydroksidien, kuten natriumhydroksi-10 din, liuokset sisältävät noin 5-40 paino-% NaOH.

Kenno 10 on toiminut edullisesti natriumhydroksi-dia käytettäessä. Kun käytetään natriumhydroksidia (NaOH), vesi ja natriumhydroksidi tulevat sisään anolyytin tulo-aukkojen 18 kautta ja liuos virtaa suuren nopeuden mah-15 dollistavaa virtausreittiä pitkin vierekkäisten anodisau-vojen 12 ja anodisauvojen välisten rakojen 20 välitse anolyyttitilan takaosassa kennon 10 yläosaa kohde. Suurin osa anolyyttinesteen tilavuusvirtauksesta tapahtuu siten anodisauvojen 12 välissä ja hydrofiiliseksi käsitel-20 lyssä erotusverkossa 24. Natriumionit, joita muodostuu : " happea, vettä ja natriumioneja tuottavassa elektrolyysi- reaktiossa :*·*: 4NaOH -> 02 + 4Na+ + 2H20 25 kulkeutuvat kalvon poikki. Jäljelle jäänyt natriumhydroksidi poistuu yhdessä hapen ja veden kanssa anolyytin poisto- tai keräysaukkojen 19 kautta.

Katodin taustalevy 28 näkyy parhaiten kuviossa 4, 30 kun taas kiinteästä ruostumattomasta teräslevystä työs-. '·’· tettävän elektrodin yksikappaleluonne on nähtävissä ku- viossa 5. Koska kenno on kaksinapainen, katodi on ruostu-mattoman teräslevyn toisella puolella katodin taustale-vyn 28 puolella, kun taas anodin taustalevy 11 ja anodi - 35 on vastapuolella. Kuten kuviosta 4 käy parhaiten ilmi, • katodin taustalevyssä 28 on katolyytin tuloaukot 35 10 87937 katodin taustalevyn 28 alaosan vastakkaisilla puolilla, joiden kautta syötetään katolyyttiä katolyytin jakouraan 32. Katolyytin jakoura 32, katolyytin tuloaukot 35 ja työstetyt katolyytin siirtourat 35* sijaitsevat juuri 5 vastaavien anolyytin jakouran 15, anolyytin tuloaukkojen 18 ja anolyytin siirtourien 18' yläpuolella, mutta ne ovat yhtenäisen ruostumattoman teräselektrodilevyn vastapuolella .

Alempi katolyyttikanunio 38 sijaitsee välittömästi 10 katolyytin jakouran 32 yläpuolella. Alemman katolyytti- kammion 38 erottaa ylemmästä katolyyttikammiosta 39 yleensä vaakasuorassa asennossa oleva katodivirtaussulku 30. Virtaussulku 30 ulottuu katolyyttikammion koko leveyden yli ja ulkonee katodin taustalevyn 28 tasosta, kuten on 15 nähtävissä myös kuvioista 1 ja 5. Katodivirtaussulku 30 katkaisee katolyyttinesteen pystysuoran virtauksen alemmasta katolyyttikammiosta ylöspäin ylempään katolyytti-kammioon ja saa siten aikaan katolyyttinesteen virtauksen reittiä, joka osoitetaan nuolin kuviossa 1 ja joka johtaa 20 sen kahdesti katodilevyn 26 läpi matkalla ylempään kato-lyyttikammioon 39. Tämä virtausreitti johtaa katodiin, jolla on hyvin tehokas pinta-ala, mutta vaatii hyvin huo- : koisen katodilevyn käyttöä, joka päästää vähintään 30 ti- lavuus-% katolyyttiliuoksesta virtaamaan huokoisen kato-25 dilevyn läpi nopeasti, jotta katolyytin viipymäaika kennossa saadaan pidetyksi mahdollisimman lyhyenä. Kun jäljempänä kuvataan yksityiskohtaisemmin, kun katolyyttines-te on saavuttanut ylemmän katolyyttikammion 39, se tulee katolyytin keräysuraan 34 ja poistuu kennosta työstetty-30 jen katolyytin poistosiirtourien 36' ja katolyytin pois-toaukkojen 36 kautta.

Tihkuaukkoja 17, jotka näkyvät kuvioissa 4 ja 5, voidaan käyttää katodivirtaussulussa 30 mahdollistamaan vetykaasun nousu alemmasta katolyyttikammiosta 39 ylem-• · 35 pään katolyyttikammioon 39. Vaihtoehtoisesti tai saman aikaisesti voidaan käyttää tihkureikiä, jotka näkyvät π 87937 kuviossa 5, mahdollistamaan vetykaasun pääsy ulos elektrodien välisestä raosta alemman ja ylemmän katolyyttikammion 38 ja 39 ja katodilevyn 26 seinämien välistä juuri ennen katodivirtaussulkua 30 ja sitten takaisin katodilevyn 26 5 läpi vastapäätä katolyytin keräysuraa.

Katodilevy 26 pidetään paikallaan katolyytin taus-talevyllä 28 lukuisin ruuvein (ei kuviossa), jotka ovat kiinni lukuisissa katodin tukijalustoissa 31 alemman ja ylemmän katolyyttikammion 38 ja 39 alueella.

10 Katodilevy 26 on hyvin huokoinen monikerroksinen rakenne. Se sisältää tukikerroksen, joka on muodostettu rei'itetysta ruostumattomasta teräksestä. Tämä tukiker-ros muodostaa asennuspohjan ja suojaa sisempää metalli-kuituhuopakerrosta, joka muodostetaan esimerkiksi hyvin 15 ohuista, 4-8 ^um:n paksuisista kuiduista, joiden tii-vistysaste on 15 % ja 25 ^um:n paksuisista kuiduista, joiden tiivistysaste on 15 %, jotka kerrostetaan päällekkäin. Kuituhuovan päälle laitetaan sitten lankaverkko, esimerkiksi 18 meshin verkko, jossa lankojen läpimitta 20 on 0,2 mm, jolloin muodostuu katodi, jonka huokoisuusas-te on edullisesti 80 - 85 %. Katodilevy 26 on siten nelikerroksinen sintrattu komposiitti, jossa kaikki mate-. riaalit ovat ruostumatonta terästä, edullisesti ruostu- '· * matonta terästä 304 tai 316 ja joka on kooltaan sopiva.

·’ '· 25 Katodilevyn 26 hyvin tehokas pinta-ala saavutetaan käyt- : .· tämällä pienitiheyksistä metallihuopaa, joka on muodos- V*.: tettu hyvin ohuista rakenneosista.

: : Katodin tiivisteura 29 näkyy kuviossa 4 ja se ulot tuu katodin taustalevyn 28 ylä-, ala- ja sivureunojen 23 30 ympäri. Katodin tiivisteurassa 29 käytetään pyöreää EPDM-tiivistettä (eteeni-propeeni-dieenimonomeeri), jonka ko-ko on 9,5 mm ja joka ei näy kuviossa, saamaan aikaan nes-! ! tetiivis sulku.

Kennon 10 katodilla tapahtuu pelkistyminen elektro-35 lysoitaessa alkalimetallivetysulfiitin puskuroitua vcsi-: : liuosta, Eräs tyypillinen reaktio on seuraava: i2 87937 4NaHS03 + 2d" + 2Na+ -> Na2S2C>4 + 2Na2S03 + 2H20

Natriumhydroksidijäännökset ja rikkidioksidi sekoitetaan keskenään, jolloin muodostuu NaHS03, joka syötetään kato-5 lyytin jakouraan 32 katolyytin tuloaukkojen 35 ja katolyy-tin siirtourien 35' kautta. Tämä katolyyttineste kohoaa sitten pystysuoraan ylöspäin, kunnes se poistuu katodile-vyn 26 läpi, kuten parhaiten näkyy kuvioista 5 ja 1. Ka-todivirtaussulku 30 toimii esteenä katolyyttinesteen suo-10 ralle pystyvirtaukselle alemmasta katolyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39. Alemman ja ylemmän kato-lyyttikammion 38 ja 39 ja katodin tukijalustojen 31 varassa olevan katodilevyn 26 seinämien välissä on elektrodien välinen katodirako, jonka leveys on noin 3,2 mm. Ka-15 tolyyttineste kulkee sitten katodilevyn 26 läpi ja jatkaa virtaustaan ylöspäin katodin ja kalvon välistä rakoa pitkin, kunnes se ohittaa katodivirtaussulun 30. Tässä vaiheessa katolyyttineste siirtyy takaisin hyvin huokoisen katodilevyn 26 läpi ylempään katolyyttikammioon 39 ja sit-ten katolyytin talteenottouraan 34. Kennon tuoteliuos, joka sisältää Na2S204 (ditioniittia), poistuu kennosta 10 katolyytin poistosiirtourien 36' ja katolyytin poistoau-kon 36 kautta.

Katolyytin yhteydessä käytetään puskuriliuosta, 25 joka sisältää noin 40 - 80 g/1 vetysulfiittia, koska nat-riumtiosulfaattia muodostuu ditioniitin pelkistymisen ja :: hajoamisen seurauksena ja katolyytin pH muuttuu vetysul- fiitin kuluessa ja sulfiitin muodostuessa seuraavan reaktion mukaisesti: 30

NaoSo0. + 2e~ + 2Na+ + 2NaHSO-, -> 2 2 4 3

Na2S203 + 2Na2S03 + H20 ·*/. Tätä ditiodiitin hajoamisreaktiota vie elektro- : - · 35 lyyttisesti eteenpäin elektronien läsnäolo. Potentiaalin kasvaessa kasvaa virrantiheys ja tiettyyn pisteeseen 13 87937 asti tämän epätoivottavan tiosulfaattia tuottavan reaktion nopeus.

Monikerroksisen katodilevyn 26 arvo ilmenee erityisesti sen selektiivisyytenä. Koska monikerroksisella 5 elektrodilla on kohonnut pinta-ala, se vaatii pienemmän jännitteen eli potentiaalin viemään eteenpäin primaarista reaktiota, jossa syntyy haluttua ditioniittituotetta ja vähentää siten ditioniitin hajoamisreaktiossa syntyvän epätoivottavan tiosulfaatin määrää. Suurentunut pinta-ala 10 mahdollistaa potentiaalin pitämisen alhaisena, jolloin primaarinen eli haluttu ditioniitin muodostumisreaktio on vallitseva ja yleensä tason, jolla ditioniitin hajoa-misreaktiosta tulee vaikuttava tekijä, alapuolella.

Yksikappaleisen kennorungon, ts. kaksinapaisen 15 kennorungon, joka on muodostettu yhdestä ruostumattomasta teräslevystä, joka on työstetty siten, että toiselle puolelle muodostuu anodin taustalevy ja vastapuolelle katodin taustalevy, käyttö tarjoaa muutamia merkittäviä luontaisia käyttöetuja. Ensinnäkään rakenteessa ei esiin-20 ny siirtymistä tai mittapysymättömyyttä seurauksena kahden erillisen kappaleen yhdistämisestä elektrodiksi. Yhden .. työstetyn levynkäytön seurauksena todellisten kennon osien . lukumäärä vähenee. Viimeiseksi ja ehkä merkittävimpänä ’· ’* tekijänä mainittakoon, että kahden erillisen anodi- ja • : 25 katodielementin, jotka olisivat jonkin matkan päässä toi- : sistaan ja kooltaan erilaisia, välisestä kosketuksesta aiheutuva sähköhäviö poistuu. Tämä nimenomainen rakenne pienentää kennon sähköenergiankulutusta.

Kennossa 10 vallitseva hydraulinen paine asettuu 30 sellaiseksi, että kalvo 25 pysyy puristuneena erotinvä-linettä 21 vasten ja irti katodilevystä 26. Kalvon 25 pitäminen siten sijoittuneena mahdollistaa myös virtaus-* - reitin aikaansaannon katodilevyn läpi. Katodivirtaussul- ku 30 parantaa edelleen kennon 10 hydraulisia ominaisuuk-35 siä saamalla aikaan yhtenäisen paineen koko katodin kor-t ^ keudelta useiden katodilevyn 26 läpi johtavien virtaus- 87937 reittien aikaansaamien virtauksen kääntymisominaisuuksien ansiosta.

Kuvio 7 esittää vaihtoehtoista erotusvälinesuori-tusmuotoa, jota merkitään yleisesti numerolla 41 ja jota 5 voidaan käyttää suurennetussa mallissa. Erotusväline 41 on pitempi, mutta edelleen reunaa kiertävän kehyksen 42 ympäröimä, johon on sopivalla tavalla kiinnitetty keskusosa, erotusverkko 44. Verkkoa 44 ja tätä kehystä tukee keskellä kulkeva lujitusliuska 45, joka myös suojaa yleen-10 sä pystysuoraa suurennetun katodin taustalevyn 28 aluetta, jossa virran ei haluta kulkevan.

Kuviot 7 ja 8 osoittavat, kuinka kehyksen sisäreu-naosat 48 ja lujitusliuska 45 ovat viistottuja erotusverk-koa 44 kohden. Tämä mahdollistaa kalvon 25, joka näkyy 15 parhaiten kuviossa 8, pääsyn asteittain ja yhtenäisesti kosketukseen verkon 44 kanssa. Kuten myös näkyy kuviosta 8, erottimen kehyksessä 42 on syvennetty osa 49 keskus-verkon 44 sijoittamista varten. Verkko 44 kiinnitetään asianmukaisesti syvennettyyn osaan 49, esimerkiksi kuuma-20 kiinnittämällä, koko kehyksen 42 syvennetyn osan ympäri ja keskellä kulkevaa lujitusliuskaa 45 pitkin.

Kuvio 9 valaisee, miten erotusvälineen 41 kehys 42 ja keskellä oleva lujitusliuska 45 suojaavat kaksinapaisen elektrodin vaihtoehtoisen suoritusmuodon katodipuo-; - 25 Ien haluttuja alueita kennon elektrolyytiltä ja sähkö virralta,· kuviosta on poistettu pääosa kalvosta 25, huokoisesta katodilevystä 26, erottimen keskusverkko-osasta V 44 ja keskellä olevasta lujitusliuskasta 45. Katodin taus- talevyssä 28 olevaa pystysuoraa lujitusliuskaa 50 suojaa 30 keskellä oleva lujitusliuska 45. Nämä alueet ovat siten tehokkaasti suojattuja sähkövirralta. Virta kulkee aino-.·.·. astaan erotusvälineen 41 verkko-osan kautta, jossa katodi lyytin kierrätys on tehokasta, eikä kohdissa, joissa V. kierrätys on heikkoa tai olematonta. Virta ei kulje suo- 35 raan katodin taustalevyn ylä-, ala- tai sivureunaosiin tai kohtiin, joissa katodilevy 26 lepää taustalevyssä 28 is 87937 olevalla katodilevyn tukiolakkeella 27, mikä aiheuttaisi epätoivottavan tiosulfaattiepäpuhtauden syntymistä. Ero-tusväline 41 suojaa samalla tavalla anodin taustalevyn 11 ylä-, ala- ja sivureunaosat anodisauvojen 12 ulkopuolel-5 la epätoivottavan korroosion estämiseksi. Erotusvälineen 41 ja sen keskusverkko-osan 44 malli mahdollistavat siten sähkövirran kulun vain niille kennon alueille, joilla tehokkain ja toivottu sähkökemiallinen reaktio tapahtuu.

Yhtenäisillä erottimen kehyksillä 22 ja 42 saavuit) tetaan vielä eräs lisäetu, sillä ne muodostavat hyvän sulun vieressä olevien kalvojen 25 kanssa vuotojen estämiseksi. Esimerkiksi polypropeenivaahdosta tai kauppanimellä GORE-TEX myytävästä materiaalista valmistettu liuska kehyksien 22 ja 42 ympärillä toimii yhdessä edellä mai-15 nitun EPDM-tiivisteen ja erottimen kehysten 22 ja 42 kanssa, jolloin muodostuu tehokas sulku.

Kuvioissa 7 ja 9 näkyvät erotusvälineessä 41 olevat erottimen päätykappaleet 46, joita käytetään tukemaan erotusväline 41 tukikanaviin (ei kuviossa), jotka ovat 20 kennon 10 vastakkaisilla puolilla, kokoamisen helpottamiseksi ja kootun kennon pitämiseksi koossa toiminnan ai-kana. Anodin taustalevyssä 11 ja katodin taustalevyssä 28 . on sopivat sähköä johtamattomat kappaleet (eivät myöskään / kuviossa) kiinnitettyinä pultein vastakkaisille puolille ·;’-/· 25 samaan suhteelliseen kohtaan kuin erottimen tukikappa- leet 46 mahdollistamaan elektrodin osien samanlaisen asen-tamisen ja tukemisen. Kennon 10 kokoaminen pystysuorassa asennossa tällä tavalla mahdollistaa esikäsitellyn, märän kalvon sijoittamisen erotinvälinettä 41 vasten ja sen py-30 symisen erotusvälineen 41 tukemana asennuksen aikana.

Elektrolyysikennoa 10 käytetään virrantiheyksil-lä, jotka riittävät saamaan aikaan alkalimetalliditioniit-tiliuoksia, jotka ovat pitoisuudeltaan haluttuja. Kun nat-V. riumditioniittia valmistetaan esimerkiksi myyntiä varten, 35 liuokset sisältävät sitä noin 120 - 160 g/1. Koska kau-pallisesti myytävät alkalimetalliditioniittiliuokset 2 i6 87937 kuitenkin tavallisesti laimennetaan ennen käyttöä, voidaan tällä menetelmällä tuottaa myös suoraan näitä laimeita vesiliuoksia.

Käytettävät virrantiheydet ovat vähintään 0,6 kA/m · 5 Virrantiheys on edullisesti suunnilleen alueella 1,0 - 2 4,5, edullisemmin noin 2,0 - 3,0 kA/m . Näillä suurilla virrantiheyksillä elektrolyysikenno 10 toimii siten, että saadaan tarvittava tilavuus hyvin puhdasta alkalime-talliditioniittiliuosta, joka voidaan käyttää kaupallises-10 ti ilman lisäkonsentrointia tai -puhdistusta.

Elektrolyysikalvokennossa 10 käytetään anodi- ja katoditilojen välistä kationinvaihtokalvoa, joka estää oleellisia määriä rikkipitoisia ioneja kulkeutumasta ka-toditilasta anoditilaan. Voidaan käyttää monia erilaisia 15 kationinvaihtokalvoja, jotka sisältävät erilaisia poly-meerihartseja ja funktionaalisia ryhmiä sillä edellytyksellä, että kalvot ovat riittävän selektiivisiä rikki-ionien suhteen rikin kerääntymisen estämiseksi kalvojen sisään. Rikin kerääntyminen voi tukkia kalvot, mikä on 20 seurausta rikkispesieksien diffusoitumisesta kalvojen läpi ja hapettumisesta sitten, jolloin kalvojen sisällä muodostuu happoa, joka saa aikaan ditioniitin ja tiosul- » faatin hajoamisen rikiksi happamissa olosuhteissa. Tämä spesifisyys voidaan varmistaa analysoimalla sulfaatti-25 ionit anolyytistä.

Soveltuvia kationinvaihtokavloja ovat sellaiset, jotka ovat inerttejä, taipuisia ja oleellisilta osiltaan läpäisemättömiä elektrolyytin hydrodynaamisen virtauksen ja kennossa syntyneiden kaasumaisten tuotteiden läpiku-30 lun suhteen. Kationinvaihtokalvojen tiedetään sisältävän sidottuja anionisia ryhmiä, jotka mahdollistavat kationien sisääntunkeutumisen ja vaihdon ja sulkevat pois ul-• kopuolisesta lähteestä tulevat anionit. Hartsimaisessa - kalvossa on yleensä matriksi eli silloitettua polymeeriä, 2- 35 johon on sidottu varautuneita ryhmiä, kuten ryhmiä -SO-, , -2--2- - J -COO , -PC>2 , -HPC^ ' “As03 3a ~®e03 Da niiden i7 87937 seoksia. Hartseihin, joita voidaan käyttää kalvojen valmistukseen, kuuluvat esimerkiksi fluorihiilivedyt, vinyy-liyhdisteet, polyolefiinit ja niiden kopolymeerit. Edullisia ovat sellaiset kationinvaihtokalvot kuin fluorihii-5 livetypolymeereistä koostuvat kalvot, joissa on lukuisia sulfonihappo- tai karboksyylihapposivuryhmiä tai niiden seoksia. Termien "sulfonihapporyhmä" ja "karboksyylihappo-ryhmä" piiriin on tarkoitettu kuuluviksi sulfonihapposuo-lat tai karboksyylihapporyhmien suolat, joita syntyy sello laisissa prosesseissa kuin hydrolyysissä. Soveltuvia ka-tioninvaihtokalvoja myy E.I. DuPont de Nemours & Co., Inc. tavaramerkillä "Nafion", Asahi Glass Company tavaramerkillä "Flemion" ja Asahi Chemical Company tavaramerkillä "Aciplex". Perfluorattuja sulfonihappokalvoja myy myös 15 the Dow Chemical Company.

Kalvo 25 sijoitetaan anodin ja katodin väliin ja sitä erottaa katodista katodin ja kalvon välinen rako, joka on tarpeeksi leveä, jotta katolyytti pääsee virtaamaan katodilevyn 26 ja kalvon 25 välissä alemmasta kato-20 lyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39 ja estetään kaasutukkeumat, mutta ei niin leveä, että sähkön-vastus oleellisesti kasvaa. Käytettävän katodilevyn 26 : * muodosta riippuen tämän katodin ja kalvon välisen raon *- *- leveys on noin 0,05 - 10, edullisesti noin 1-4 mm. Ka- : 25 todin ja kalvon välistä rakoa voidaan pitää yllä hydrau- : ‘ lisen paineen avulla tai mekaanisin keinoin. Tämä raken- ne ja katolyytin virtausreitti mahdollistaa lähes kaiken katolyyttinesteen pääsyn kosketukseen katodin aktiivisen alueen kanssa. Tämän rakenteen yhteydessä pääosa elektro-30 lyyttireaktiosta tapahtuu lisäksi lähimpänä anodia olevalla katodin alueella.

Kennossa 10 käytettävissä soveltuvissa huokoisissa -'** katodilevyissä 26 on vähintään yksi kerros, jossa kokonais- • · · 2 3 pinta-alan suhde tilavuuteen on yli 100 cm /cm , edulli- * * 2 3 2 3 35 sesti yli 250 cm /cm ja edullisemmin yli 500 cm /cm .

Näiden rakenteiden huokoisuusaste on vähintään 60 % ja is 87937 edullisesti noin 70 - 90 %, jolloin huokoisuusaste on huokostilavuuden prosenttiosuus. Kokonaispinta-alan suhde projisoituun pinta-alaan, jolloin projisoitu pinta-ala on katodilevyn 26 pinnan ala, on katodilevyssä 26 vä-5 hintään noin 30:1 ja edullisesti vähintään noin 50:1, esimerkiksi noin 80:1 - 100:1.

Katodilevy 26 koostuu edullisesti neljästä kerroksesta. Ensimmäinen kerros on rei'itetystä ruostumattomasta teräslevystä valmistettu tukikerros, jonka paksuus on 10 noin 0,9 mm ja jossa on 1,6 mm:n reikiä 3,2 mm:n välimatkoin lomittain 60°:n kulmassa toisiinsa nähden. Tällaiset reiät ensimmäisessä kerroksessa 41 johtavat rei'itettyyn ruostumattomaan teräslevyyn, jossa avoimen pinnan osuus on noin 23 %. Toinen kerros muodostaa edullisesti ruostu-15 mattomasta teräksestä 304 valmistetuista kuiduista, joiden läpimitta on noin 20 - 100 ,um, edullisesti noin 3 25 ^um. Toisen kerroksen tiheys on noin 9,9 kg/m . Toinen kerros voi vaihtoehtoisesti olla kudottu verkko, jos-·.: sa on 12 kuitua/cm kuteen ja loimen suuntaan ja avoimen 20 pinnan osuus 23 %. Kolmannen kerroksen tiheys on paljon pienempi kuin toisen kerroksen ja se koostuu ruostumatto-·.·. masta teräksestä 304 valmistetuista kuiduista, joiden i . läpimitta on noin 4-16 ^um, edullisesti noin 8 ^um.

Kolmannen kerroksen tiheys on noin 1,9 kg/m^. Toisen ja 25 kolmannen kerroksen kuitujen läpimittaa rajoittavana tekijänä on se, etteivät toisen kerroksen kuidut pääse ulottumaan kolmannen kerroksen kuitujen välitse läpi asti. Neljäs kerros on metalliverkkokangas, jonka mesh-luku : : : on edullisesti 18 x 18 ja jossa yksittäisten kuitujen 30 läpimitta on noin 0,2 mm. Nämä neljä kerrosta puristetaan yhteen ja kiinnitetään sintraamalla pelkistävässä atmos-fäärissä, kuten vedyssä, ammoniakissa tai hiilimonoksi-dissa, jolloin muodostuu yksi levy, jonka paksuus on edullisesti noin 3,94 ί noin 0,20 mm.

35 Rakenteeltaan tällaisella katodilevyllä saadaan aikaan suuri massansiirtokyky, koska elektrodin pinta-ala i9 87937 on sama kuin elektrolyysiin käytettävä pinta-ala. Koska katodilevy 26 on suhteellisen ohut, se vaatii suurta pinta-alan ja tilavuuden välistä suhdetta, jolloin kokonaispinta-ala tulee suureksi. Tämäpätee erityisesti kolman-5 teen kerrokseen, joka on aktiivisin kerros ja ratkaiseva katodin ominaisuuksien määräämisessä. Katodilevyn 26 suuren pinta-alan mittana on yksittäisten kuitunjen kokonaispinta-alan suhde koko katodilevyn 26 uiko- eli projisoituun pinta-alaan. Näiden parametrien riippuvuus toisis-10 taan on sellainen, että katodilevyn yksittäisen kerroksen paksuus kerrottuna pinta-alan ja tilavuuden suhteella on ulkopinta-ala. Valitsemalla toiseen kerrokseen läpimitaltaan suurempia kuituja kuin kolmanteen huokoisuusasteen ollessa yhtä suuri, saadaan rakenne, jolla on suurempi 15 pinta-ala lähellä kalvoa 25. Toisen ja kolmannen kerroksen kuidut voivat yhtä hyvin olla eri laatuista ruostumatonta terästä, nikkeliä, terästä, kuparia, hiiltä, gra-: ·· fiittia tai rauta- tai ei-rautalejeerinkiä. Katodilevyn 26 pinnalle voitaisiin lisätä sähköisesti aktiivinen pääl-• j ; 20 lyste, kuten ruteniumoksidi- tai platinapäällyste, aktii- visemman elektrodipinnan aikaansaamiseksi.

Virta johdetaan kennoon 10 anodi- ja katodivirta-johdinlevyjen kautta (ei kuviossa) . Elektrodien kokoiset kuparilevyt sijoitetaan kunkin kennon 10 päätykatodia ja 25 päätyanodia vasten. Sähkökytkennät tehdään suoraan näihin kuparilevyihin. Eristelevy, joka on valmistettu esimerkiksi polyvinyylikloridista tai muusta sopivasta muovis-ta ja puristuslevy (kumpaakaan ei näy kuvioissa) , joka on valmistettu esimerkiksi ruostumattomasta teräksestä tai 30 teräksestä, asetetaan kennon 10 kumpaakin päätyä vasten, .··. ennen kuin se kootaan kerrosrakenteeksi väliin sijoitet- • - tujen elektrodien ympärille, joita on haluttu lukumäärä.

··.: Keksinnön mukaisesta kennosta voitaisiin suunni- telia myös yksinapainen, mikä vaatii kunkin ruostumatto-35 man teräslevyn kummankin puolen samanlaista työstämistä ja puolielektrodien käyttöä päätyelektrodeina kootussa 20 87937 kennossa. Yksinapaisen mallin virtajohtimet ovat kuhunkin elektrodiin johtavia tavanomaisia kuparisia sähköliitoksia.

Tämän keksinnön mukaista kennoa voitaisiin lisäksi käyttää muihinkin sähkökemiallisiin reaktioihin kuin di-5 tioniitin valmistukseen. Eräs tyypillinen reaktio on orgaanisten tuotteiden sähkökemiallinen valmistus, kuten pyridiinien sähkökemialliset muuttamiset hapetus- tai pelkistysreaktioin keksinnön mukaista mallia olevassa katio-ninvaihtokalvon jakamassa kennossa.

10 Käyttämällä uutta kennomallia 10 valmistetaan vä keviä alkalimetalliditioniittiliuoksia, joissa alkalime-tallitiosulfaattiepäpuhtauksien pitoisuudet ovat pieniä, elektrolyysikalvokennoissa, jotka toimivat suurilla virrantiheyksillä, oleellisesti pienentyneillä kennojännit-15 teillä ja suurilla virtahyötysuhteilla.

Saavutettujen tulosten valaisemiseksi esitetään seuraavat esimerkit, joiden tarkoituksena ei ole rajoittaa tämän keksinnön piiriä.

'/· Esimerkki 1 : 20 Kenno, joka oli kuvioissa 1-5 esitettyä tyyppiä, koottiin kolmesta ruostumattomasta teräslevystä, jotka asennettiin telineelle, jolloin muodostui kaksi anodi- • katodiparia, joiden kummankin aktiivinen elektrodipinta- 2 ala oli noin 0,172 m . Levyt muodostivat kaksi puoli-25 elektrodia, toinen katodin ja toinen anodin, jotka olivat kerrosrakenteena yhden kaksinapaisen elektrodin kanssa, jonka vastakkaiset pinnat toimivat anodina ja katodi-V na. Elektrodilevyjen ulkomitat olivat seuraavat: leveys noin 43 cm, korkeus noin 47 cm ja paksuus noin 2,5 cm.

30 Anodit koostuivat noin 47 sauvasta, jotka olivat nikkeli 200 ja läpimitaltaan 3,2 mm ja jotka oli hitsattu anodin taustalevylle yleisesti kuviossa 2 esitetyllä tavalla, niin että sauvojen etäisyys toisistaan oli noin /.: 1,6 mm. Anolyytin keräys- ja jakourat olivat leveydeltään 35 noin 3,2 cm ja syvyydeltään noin 1,5 cm.

2i 87937

Katodilevy koostui sopivan kokoiseksi leikatusta nelikerroksisesta levystä. Ensimmäinen kerros oli tuki-kerros, joka muodostui revitetystä ruostumattomasta teräksestä, jonka paksuus oli 0,9 mm ja jossa oli 1,6 mm:n 5 läpimittaisia reikiä lomittain 60°:n kulmassa toisiinsa nähden 3,2 mm:n etäisyydellä toisistaan, jolloin avoimen pinnan osuus oli 23 %. Toinen kerros oli neliömassaltaan 2 3,0 kg/m ja koostui ruostumattomasta teräksestä 304 valmistetuista kuiduista, joiden läpimitta oli noin 25 ,um.

2 10 Kolmannen kerroksen neliömassa oli 0,59 kg/m ja se koostui ruostumattomasta teräksestä 304 valmistetuista kuiduista, joiden läpimitta oli noin 8 ^um. Neljäs kerros oli verkko, jonka koko oli 46 x 46 cm ja joka oli kudottu metallilangasta, jonka paksuus oli 0,2 mm. Nämä ker-15 rokset puristettiin yhteen ja kiinnitettiin sintraamalla vetyatmosfäärissä, jolloin muodostui yksi levy, jonka paksuus oli noin 3,9 mm. Katodiarkki leikattiin katodile- • '·· vyksi, jonka mitat olivat noin 47 x 43 cm.

: Katodilevy asennettiin ruostumattomasta teräkses- • 20 tä valmistetulle katodin taustalevylle käyttämällä 20 ruu- ['·'· via, joiden läpimitta oli noin 3,2 mm ja jotka kiinni- tettiin katolyyttikammioissa oleviin katodin tukijalus-töihin. Ruuvien kierteillä käytettiin pientä määrää sopivaa sähköliitosainetta ja kunkin ruuvin kannalle lai-25 tettiin silikonisementtiä, jotta estettiin ruuvia tulemasta katodikokoonpanon aktiiviseksi osaksi.

Katodilevyyn porattiin kuusi reikää, joiden läpi-:.V mitta oli 4,2 mm, kaasukuplien päästämiseksi pois kennon sisältä. Kolme reikää porattiin kennon yläreunan lähelle 30 katolyytin keräysuran vastapuolelle ja kolme juuri kato-··· divirtaussulun alapuolelle.

Erotusvälineet muodostettiin titaanidioksidipääl-lysteellä käsitellystä polypropeeniverkosta. Erottimet asennettiin erottimen kehyksiin, joiden paksuus oli 1,6 mm 35 ja jotka oli leikattu kennon tiivisteuraan sopiviksi.

22 8 7 9 3 7

Sekä anodi- että katoditaustalevyyn työstettiin tiivisteurat, joiden leveys oli noin 9,5 mm ja syvyys noin 4,7 mm. Kennon andoipuolella käytettiin poikkileikkaukseltaan neliömäistä tiivistettä, jonka läpimitta oli 5 noin 9,5 mm ja jonka päälle laitettiin noin 12,7 mm:n le-vyinen GORE-TEX -tiivistenauhaa, jonka paksuus oli noin 1,5 mm. Katodin tiivisteurassa käytettiin kumista O-ren-gasta, jonka läpimitta oli noin 9,6 mm. Kenno koottiin käyttämällä kannettavaa hydraulista kokoamisjärjestelmää, 10 jota kuvataan US-patenttijulkaisussa 4 430 179 ja joka puristi kennon yhteen siten, että anodi- ja katodilevyjen väliin jäi noin 3,2 mm:n rako. Kenno kiinnitettiin sitten vastamutterein.

Kennoa käytettiin jatkuvasti 42 vuorokautta. Ken-15 nossa käytettiin perfluorattua kalvoa NAFION NX 906, jota liotettiin noin 2-%:isessa natriumhydroksidiliuoksessa vähintään neljä tuntia ennen paikalleen laittamista.

Kennon toimintalämpötila oli noin 25°C, katolyy-·.: tin kokonaisvirtausnopeus oli noin 6 g/min ja anolyytin 20 kokonaisvirtausnopeus noin 4 g/min. Ylimääräistä anolyyt-tiä, joka sisälsi noin 19 % natriumhydroksidia, poistet-*.*. tiin jatkuvasti ja lisättiin katolyyttikiertoon, samalla ·,·. kun anolyyttiä uudistettiin jatkuvasti lisäämällä noin 69 g/min noin 35-%:ista natriumhydroksidiliuosta. Kato-25 lyyttiin lisättiin jatkuvasti noin 230 ml/min deionisoi-tua vettä sekä rikkidioksidia pH:n pitämiseksi suunnilleen alueella 5,4 - 5,8 ja sulfiitin ja vetysulfiitin moolisuhteen pitämiseksi suunnilleen alueella 1:3 - 1:8.

Tuotekatolyyttiä poistettiin kennosta jatkuvasti 30 suunniiloon 287 ml/min ja se analysoitiin ajoittain joka päivä. Taulukossa I esitetty tuotekatolyytti analysoitiin näytteistä, joita otettiin samaan aikaan kunakin ..'Γ päivänä. Nämä tulokset edustavat kennon toimintaa neljä- nä toimintapäivänä optimiolosuhteissa. Katolyytistä ana-35 lysoitiin natriumditioniitti-, natriumtiosulfaatti-, nat-riumsulfiitti- ja natriumvetysulfiittipitoisuudet.

23 87937 no I I ·Η h oi tn ό :(0 ·Η O - Λ _

)H -H (TO k > . « JC £ S

:ir3CCU4J-' ^ ^ ^

:2S2m^ M ^ f'* N

E *io c Φ C

•H -Π-rl H (D

Λί M ΦΌ (Λ G X Ä 0) <U (ti <0 O « G Ä -P Ai

o\P

I I

(Ö >1 <U

+j 4-i Ό m o o o U :0 Ä ·- „r- * -rj s^, r-, r» Ό r·» r- > λ m * <* <* <*

<N

e < e “ v G tn •H >.

^ ® <*1 (O Π ΙΛ MÄ O O o o

JfÖ Ή ►» κ :¾ 4J es rs es <s e e *. -H (0 : *.. ä m • ui n

• . d) -H

: *.: m « > : .·. o :.: : <* .. . M m—.

- - . 3 O »H o O O O

: ,_) OJ TO 1" f* sr t-ι K tr ^ ^ ^ ► m e ^ to o to r* ^ Z sr ιΛ ^ sr m-» O ·-! «n o o e TO ^ «n rH ' oo «n N CT ·*. k ·*» ·«.

«J ^ 1-4 es ¢0 00 Z r-t r-t r> o —

... tNr-t i-t r-t r-l TO

... TO O O TO TO

(N (J r- rv rv ·.

O — r-t i-H ι-t O

z . *: » o rv o o o o (Sh vo oo o <n (/¾ 'v, ► *v fv rs σ co vo vo rv e — in rs rs rs

Z rH r-t r-t rS

> •h m vo r- co :.-fl

A

24 87937

Esimerkki 2

Malliltaan esimerkin 1 mukainen kenno koottiin käyttämällä yhdeksää kaksinapaista elektrodilevyä ja kahta puolielektrodilevyä, joita toinen oli anodi ja toinen 5 katodi; kunkin elektrodin aktiivinen pinta-ala oli noin 2 0,051 m . Käytettiin muuten samantyyppisiä katodilevyjä ja anodisauvoja kuin esimerkissä 1, mutta anodi- ja kato-ditaustalevyjen leveys ja korkeus olivat noin 34,4 cm ja paksuus noin 3,0 cm. Kennossa käytettiin perfluorattua 10 sulfonihappokalvoa, jonka paksuus oli noin 51 ^um ja ek-vivalenttimassa noin 1 000 (g/grammamooliekvivalenttia vaihtokapasiteettia), jota myy US-patentin 4 470 888 haltija.

Erotusväline oli verkko, joka oli valmistettu po-15 lyeteenistä, jossa oli titaanidioksidia täyteaineena; verkon paksuus oli noin 1,8 mm, aukkojen läpimitta oli noin 9,7 mm ja avoimen pinnan osuus noin 60 %. Erotin käsiteltiin kromi- ja rikkihapon seoksella, jota myy Λ: Fisher Scientific nimellä CHROMERGE, tarvittavan hydro- • * 20 fiilisen pinnan aikaansaamiseksi. Erotusverkko asennet tiin 3,2 mm:n erottimen kehykselle, joka ulottui noin 6,4 mm kennon reunan yli.

,·. Kenno tiivistettiin käyttämällä noin 7,4 mm:n läpi mittaisia O-renkaita sekä anodin että katodin taustale- 25 vyjen tiivisteurissa. Erottimen kehyksen ja kalvon välis- £ sä käytettiin GORE-TEX -nauhaa, jonka koko oli noin 22,2 mm.

Kenno toimi siten, että katolyytin kokonaisvir-tausnopeus oli 13 g/min ja anolyytin kokonaisvirtausno-30 peus 6 g/min. Anolyyttiin lisättiin jatkuvasti 93 g/min 35-%:ista natriumhydroksidiliuosta. Ylimääräistä ano- • - lyyttiä, joka sisälsi noin 15 % natriumhydroksidia pois tettiin jatkuvasti ja lisättiin katolyyttikiertojärjes-.**: telmään. Lisäksi katolyyttiin lisättiin noin 320 ml/min 35 deionisoitua vettä ja jatkuvasti rikkidioksidia, niin että pH pysyi suunnilleen alueella 5,4 - 5,8 ja sulfii- 25 87937 tin ja vetysulfiitin välinen moolisuhde suunnilleen alueella 1:3 - 1:8.

Kennon toimintalämpötila oli noin 25°C, katolyytin kokonaisvirtausnopeus noin 13 g/min ja anolyytin kokonais-5 virtausnopeus noin 6 g/min. Kenno toimi jatkuvasti 30 vuorokauden ajan jännitevakion tai tuotteen koostumuksen muuttumatta merkittävästi.

Tuotekatolyyttiä poistettiin kennosta jatkuvasti suunnilleen nopeudella 350 ml/min ja se analysoitiin ajoit-10 tain joka päivä. Taulukossa II kuvattu tuotekatolyytti analysoitiin näytteistä, joita otettiin samaan aikaan kunakin päivänä. Nämä tulokset heijastavat kennon toimintaa neljän käyttöpäivän aikana optimiolosuhteissa. Katolyy-tistä analysoitiin natriumditioniitti-, natriumtiosul-15 faatti-, natriumsulfiitti- ja natriumvetysulfiittipitoi-suudet.

26 87937 <ΰ

I I H

•HOMO

;;0 +j ·Η O —' _ • I 09 Oi 09 - 'ί S fl ^ ^ cm r» »n :fC G CLi -P ·*- ·*

* C li M <N ΓΜ <N (M

g :«J Ö <U C

H *n-H fH φ X tn a) Ό

II) CM XX O 0) 03 (ti O X C CM -P X

OP

, , m o o o

' ‘ «N M O M

t0 03 *. ·*» »^ *» -P -P Ό a) vo ιΛ m P :0 XX o» <Τ\ o\ σν

H >i C

> XX tn c 0) c tn -f C-i at? <13 P 4C —>

M -HCN N M «N N

:<T3 -P £ O' O' O' O' c — »V ·*. «. ·».

•h m C H H H

XM W M w

M 03 -P

H X > ·.: o

M

M

% r>H

\2 0-4 ο σ o o

2 cn . m φ μ 0B

to 39 CT

E-I α «- Ό Ρ» H O' Z in in in φ

O rH

w a> co r~ o .

mb in w o o Q w *· ►* k ► Z Ot ^ . * m O —

. - CN *~l VO VO 00 O

(Π Ο <H «Λ . / K K ^ 10 ^ ^ (O ^ . 2 O — NH in H ^ ^ (/) ► · ^ ·'

(N| 0“ H o GO c-H

flj w "v <n ** 2 rH #H r-i r-l :(0 > r- oo o <*> ft 27 87937

Vaikka edellä on esitelty ja kuvattu edullista rakennetta, johon on sisällytetty tämän keksinnön periaatteet, on ymmärrettävä, ettei keksintö rajoitu nimenomaan esitettyihin yksityiskohtiin, vaan itse asiassa voidaan 5 käyttää hyvinkin erilaisia keinoja keksinnön laajempien puolien toteuttamisessa. Vaikka tässä on esimerkiksi esitetty anodin taustalevy, jonka pinnalla käytetään pyöreitä lankasauvoja, voitaisiin yhtä hyvin käyttää litteitä suorakaiteen muotoisia tankoja tai muita muodoltaan so-10 pivia, kuten kolmikulmaisia, viisikulmaisia, kuusikulmaisia, kahdeksankulmaisia jne. rakenteita. Erotusverkko voitaisiin lisäksi käsitellä hydrofiilisiä aineita sisältävillä lisäaineilla tai sellaisia lisäaineita voisi olla elektrolyytissä. Erotusverkko voitaisiin myös sijoit-15 taa kennoon kalvon ja katodilevyn väliin, kun hydraulinen paine muutetaan siten, että kalvo pakotetaan irti anodisauvoista ja vasten erotusverkkoa. Liitteenä ole-: vien patenttivaatimusten on tarkoitus kattaa kaikki yk- " sityiskohtien, materiaalien ja osien järjestyksen muu- ; 20 tokset, jotka ovat alan ammattimiehelle ilmeisiä tämän selityksen lukemisen jälkeen.

• 1 » ·

Claims (14)

1. 28 87937
2. 1. Elektrolyysikenno (10), jossa on ylä- ja alaosa ja joka ottaa vastaan sähkövirtaa virtalähteestä ja jonka 5 läpi virtaa anolyytti ja katolyytti, ja joka koostuu seu-raavasta yhdistelmästä: (a) anodista (11, 12); (b) kationinvaihtokalvosta (25) anodin vieressä; (c) huokoisesta monikerroksisesta katodilevystä 10 (26), jossa on ensimmäinen kalvon vieressä oleva pinta ja vastakkaisella puolella oleva toinen pinta; (d) katodin taustalevystä (28), joka on katodilevyn vastakkaisella puolella olevan toisen pinnan vieressä ja jossa on ylä-, ala- ja sivureunaosat ja vähintään yksi 15 keskellä oleva kammio (38, 39) , jonka kautta katolyyt- tineste virtaa; ja (e) erotusvälineestä (21) anodin (11) ja kalvon (25) välissä kalvon estämiseksi koskettamasta anodia (11, 12), tunnettu siitä, että erotusväline (21)-si- 20 sältää reunoilla olevan kehysosan (22) ja keskellä olevan verkko-osan (24), joka on kiinnitetty reunoilla olevan kehysosan ensimmäiselle puolelle ja on hydrofiilinen kaasukuplien kerääntymisen estämiseksi ja joka reunoilla oleva kehysosa (22) on yhtenäinen ja suojaa katodin ·. " 25 taustalevyn (28) ylä-, ala- ja sivureunaosat katolyytiltä : ja sähkövirralta, niin että sähkövirta kulkee ainoastaan ‘ - keskellä olevan verkkoosan läpi.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, t u n -n e t t u siitä, että reunoilla olevassa kehysosassa (22) 30 on ensimmäisellä puolella sellainen syvennetty osa, että ; keskellä oleva verkko-osa (24) sopii kehykseen ja tulee kiinnitetyksi siihen.
4. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, t u n -n e t t u siitä, että erotusvälineen (21) reunoilla ole- ' : 35 vassa kehysosassa (22) on toinen, vastakkainen puoli, joka 29 87937 on kalvon (25) vieressä ja viistottu reunoilla olevasta kehysosasta (22) keskellä olevaa verkko-osaa (24) kohden.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että erotusväline (21) on muovia.
6. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tun nettu siitä, että erotusväline (21) on polypropeenia.
7. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että avoimen pinnan osuus on keskellä olevassa verkko-osassa (24) vähintään noin 40 %.
8. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tun nettu siitä, että keskellä olevaan verkko-osaan (24) on levitetty hydrofiilinen päällyste.
9. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että hydrofiilinen päällyste on titaani- 15 dioksidi.
10. 9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että keskellä oleva verkko-osa (24) on polyeteeniä, jossa on täyteaineena titaanidioksidia.
11. 10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, t u n - 20. e t t u siitä, että anodissa (11) on ylä-, ala- ja si- vureunaosat ja vähintään yksi keskellä oleva kammio (15), jonka läpi anolyytti virtaa.
12. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, t u n - ” n e t t u siitä, että erotusvälineen (21) reunoilla oleva 25 kehysosa (22) suojaa anodin (11) ylä-, ala- ja sivureuna-osat, niin että sähkövirta pääsee kulkemaan anodiin vain • : keskellä olevan verkko-osan (24) läpi. -Λ 12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tun nettu siitä, että katodin taustalevyssä (28) on li- 30 säksi virtaussulku (30), joka kulkee sen poikki yleensä vaakasuorassa katodilevyn toisen, vastakkaisen puolen vieressä ja rajaa siten ylemmän katolyyttikammion (39) ja alemman katolyyttikammion (38), joka virtaussulku (30) keskeyttää katolyytin virtauksen kennon ylä- ja alaosan : 35 välillä ja saa suunnilleen kaiken katolyytin muuttamaan 30 87937 virtaussuuntaansa ja kulkemaan kahdesti huokoisen katodi-levyn (26) läpi päästäkseen virtaussulun (30) taakse ja poistuakseen kennosta (10).
13. 13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen laite, t u n -5 n e t t u siitä, että katodin taustalevyssä (28) on yleensä pystysuora lujitusliuska (50), joka puolittaa virtaussulun (30).
14. 14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että erotusväline (42) sisältää lisäksi 10 keskellä kulkevan lujitusliuskan (45), joka suojaa yleensä pystysuoraa lujitusliuskaa (50). 31 87937