FI88410C - Elektrolyscell - Google Patents

Description

1 88410

Elektrolyysikenno Tämä keksintö liittyy sähkökemiallisessa kalvoken-nossa käytettävän elektrodin parannettuun rakenteeseen.

5 Erityisemmin esillä oleva keksintö liittyy monikerros-elektrodiin, jota käytetään väkevien vetysulfiittiliuos-ten kaupalliseen tuotantoon sähkökemiallisessa kalvoken-nossa.

On tehty monia epäonnistuneita yrityksiä sellai-10 sen prosessin kehittämisessä alkalimetallivetysulfiit-tien, esim. natriumvetysulfiitin tai kaliumvetysulfiitin valmistamiseksi sähkökemiallisesti, joka voi kilpailla kaupallisesti tavanomaisten sinkkipelkistysprosessien kanssa, jotka käyttävät joko natriumamalgaamia tai metal-15 lista rautaa. Sähkökemiallinen prosessien vetysulfiittien valmistamiseksi käsittää bisulfiitti-ionien pelkistämisen vetysulfiitti-ioneiksi. Jotta tämä prosessi olisi taloudellinen, kennossa täytyy käyttää virtatiheyksiä, jotka ovat riittäviä tuottamaan väkeviä vetysulfiittiliuoksia 20 korkeilla virta-höytysuhteilla.

Lisäksi kun liuoksia, jotka ovat voimakkaita pelkistäviä aineita ja tehokkaita valkaisuaineina, on käytettävä paperiteollisuudessa, täytyy minimoida ei-halut-tu sivutuotteena tapahtuva tiosulfaatin muodostuminen 25 epäpuhtautena vetysulfiitista. Korkeissa vetysulfiitti-pitoisuuksilla tämä sivutuotereaktio tulee kuitenkin vai-. keaksi kontrolloida.

. . Lisäksi aikaisemmat sähkökemialliset tiet vety- sulfiittiin ovat tuottaneet vesiliuoksia, jotka ovat epä-30 stabiileja ja hajaantuvat nopeasti. Tämä vetysulf iitin korkea hajoamisnopeus pyrkii kasvamaan, kun pH pienenee :/·· tai reaktiolämpötila kasvaa. Yksi tapa kontrolloida hali : jaantumisnopeutta on pienentää aikaa, jonka liuos on ken- : nossa ja ylläpitää virrantiheys niin suurena kuin mah- 35 dollista kriittiseen virrantiheyteen saakka, jonka ylä- 2 88410 puolella tapahtuu sekundaarireaktioita seurauksena katodin polarisaatiosta.

Muutamat tunnetut prosessit, jotka tekevät vety-sulfiittisuoloja sähkökemiallisesti, vaativat veteense-5 koittuvien orgaanisten liuottimien, kuten metanoli, käyttöä vetysulfiitin liukenevuuden pienentämiseksi ja sen hajaantumisen estämiseksi kennon sisäpuolella. Metanolin ja vetysulfiitin kallis talteenotto tekee tämän tavan epätaloudelliseksi.

10 Sinkin käyttö vetysulfiittien stabilointiaineena sähkökemiallisissa prosesseissa on myös raportoitu, mutta johtuen ympäristötekijöistä, tämä ei ole enää taloudellisesti käytännöllistä tai haluttua.

US-patenttijulkaisu nro 4 144 146, joka on myön-15 netty 13.3.1979 B. Leuthner et ai:lie, selostaa sähkökemiallisen prosessin vetysulfiittiliuosten tuottamiseksi elektrolyyttisessä kalvokennossa. Prosessi käyttää suuria kiertonopeuksia katolyytille, joka kulkee kennon pohjassa olevan sisääntulon kautta ja poistetaan kennon yläosassa, 20 niin että aikaansaadaan reaktionaikana tuotettujen kaasujen edullinen poisto. Katolyyttivirtaus katodien pinnan yli ylläpidetään nopeudella, joka on ainakin 1 cm/s ja katodi on muodostettu puristettuja sintrattuja kuituja olevista kuituisista matoista, jossa silmäväli on 5 mm 25 tai pienempi. Prosessin selostetaan tuottavan väkeviä al-kalimetallivetysulfiittiliuoksia kaupallisesti käyttökelpoisilla virrantiheyksillä; kuitenkin tarvittavat kenno-jännitteet ovat suuria, ollen alueella 5-10 volttia. Tästä seuraa liian suuri energiankulutus. Julkaisussa 30 ei ole mitään mainintaa tiosulfaattiepäpuhtauden pitoisuuksista tuoteliuoksissa.

Sellaisten elektrodien saatavuus, joilla on suuri-massainen siirtopinta-ala ja on suuri pinta-ala-tilavuus-suhde ja riittävä huokoisuus, on rajoittanut kaupallises-35 ti käyttökelpoisen sähkökemiallisen kennomallin kehittämistä sellaisten vesipitoisten alkalimetallisulfiittien 3 88410 tuotantoa varten, joilla on alhaiset alkalimetallitiosul-faattipitoisuudet epäpuhtauksina.

Nämä ja muut ongelmat ratkaistaan esillä olevan keksinnön mallissa, joka käyttää parannettua monikerros-5 elektrodia elektrolyyttisessä kalvokennossa alkalimetalli-vetysulfiitin tuotantoa varten.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on aikaansaada parannettu monikerroselektrodi käytettäväksi sähkökemiallisessa kennossa.

10 Esillä olevan keksinnön toisena päämääränä on ai kaansaada parannettu monikerroselektrodi, joka on hyvin huokoinen ja joka aiheuttaa matalan kokonaispaineen pudotuksen elektrolyyttinesteessä, joka virtaa elektrolyytin läpi.

15 Esillä olevan keksinnön lisäpäämääränä on aikaan saada parannettu monikerroskatodi käytettäväksi sähkökemiallisessa kalvokennossa, joka tuottaa vesipitoisia al-kalimetallivetysulfiittiliuoksia, joissa on alhaisemmat alkalimetallitiosulfaattiepäpuhtauksien konsentraatiot 20 suurilla virrantiheyksillä.

Esillä olevan keksinnön piirteenä on, että parannettu monikerroselektrodi omaa korkean hapetus- ja pelkis-tysselektiivisyyden suurilla virrantiheyksillä kaasuja kehittämättömässä reaktiossa.

# · » 25 Esillä olevan keksinnön toisena piirteenä on, että .parannetulla monikerroksisella elektrodilla on ainakin tu- ____. kikerros, ensimmäinen kuitukerros ja toinen vähemmän tii- . . vis kuitukerros, jotka on puristettu ja liitetty yhteen.

* ; Esillä olevan keksinnön vielä eräänä piirteenä on, 30 että katolyytin virtausreitti pakottaa katolyytin tekemään monia läpikulkuja monikerroksisen huokoisen katodin läpi, joka on muodostettu sintratuista lankakuiduista, i jotka on sijoitettu rei'itetyn tukikerroksen tai levyn .·. ; ja verkon väliin.

i 35 Esillä olevan keksinnön vielä eräänä piirteenä on, , että käytetään katodivirtaussulkua suuntaamaan katolyytti- virtaus katodin läpi.

4 88410

Esillä olevan keksinnön etu on, että saavutetaan korkea hapetus/pelkistysselektiivisyys suurilla virrantiheyksillä elektrolyyttisessä kalvokennossa, joka käyttää monikerroksista elektrodia.

5 Esillä olevan keksinnön toisena etuna on, että mo nikerroksisen elektrodin poikki on vaakasuunnassa alhainen elektrolyytin kokonaispaineen pudotus, kun elektrolyytti tekee useat läpikulkunsa elektrodin läpi.

Esillä olevan keksinnön vielä eräänä etuna on, et-10 tä elektrolyytin alhainen kokonaispaineen pudotus ja monikerroksisen elektrodin malli eivät vaadi suurpainepumpun käyttöä elektrolyytin kierrättämiseksi.

Nämä ja muut keksinnön päämäärät, piirteet ja edut on aikaansaatu elektrolyyttisessä kalvokennossa, joka 15 tuottaa alkalimetallivetysulfiittia sähkökemiallisesti pelkistämällä kierrätetyn vesipitoisen katolyyttiliuoksen alkalimetallibisulfiittikomponenttia kennossa, jossa on parannettu monikerroksinen, laajennetun pinnan omaava, monesta kohtaa läpäisevä, huokoinen katodi ja parannettu 20 katolyytin virtausreitti, jolloin monikerroskatodilla on tukikerros, ensimmäinen kuitukerros, toinen kuitukerros sekä verkkokerros.

Keksinnön päämäärät, piirteet ja edut tulevat ilmeisiksi keksinnön seuraavan yksityiskohtaisen selostuk-25 sen tutkimisen jälkeen, erityisesti kun se tehdään yhdessä oheisten piirrosten kanssa, joissa:

Kuvio 1 on kaavamainen räjähdyskuva elektrolyytti-kennosta 10 esittäen elektrolyytin virtausreitit ja ionien virtausreitit; 30 Kuvio 2 on pystykuva bipolaarisen kennoelektrodin anodipuolesta esittäen osan anoditangoista, jotka peittävät anodin takalevyä muutamien näistä esitetyistä tangoista ollessa poisleikattuja;

Kuvio 3 on laajennettu osittainen leikkauskuva, 35 joka on otettu pitkin kuvion 2 viivoja 3 - 3 ja joka esittää anoditangot, kun ne on kiinnitetty elektrodiin; 5 88410

Kuvio 4 on sivupystykuva bipolaarielektrodin kato-dipuolesta?

Kuvio 5 on sivuleikkauskuva elektrolyyttikennon bipolaarisesta elektrodielementistä esittäen katolyytin 5 virtausreitin huokoisen katodin läpi katodiosastossa katolyytin jakeluraoista katolyytin keräilyrakoihin tai johtoihin;

Kuvio 6 on sivupystykuva erotinverkosta, joka on sijoitettu anoditankojen ja kalvon väliin; ja 10 Kuvio 7 on osittainen sivuleikkauskuva katodilevys- tä esittäen elektrodirakenteen monet kerrokset.

Kuten nähdään hajotettuna ja osittain kaavamaisena esityksenä kuviossa 1, suodatinpuristustyyppinen kal-voelektrolyyttikennon, jota on esitetty yleisesti nume-15 rolla 10, on esitetty koostuvan anoditakalevystä 11, ero-tinvälineestä 21, kationiselektiivisestä kalvosta 25, huokoisesta katodilevystä 26 ja katoditakalevystä 28.

Anoditakalevy 11 ja katoditakalevy 28 muodostavat bipolaarielektrodin vastakkaiset sivut, jotka voi olla 20 työstetty ruostumatonta terästä olevasta levystä tai valettu ruostumattomasta teräksestä. Ruostumaton teräslevy voi esimerkiksi olla muodostettu 304L tai 316 tyyppisestä ruostumattomasta teräksestä, joka on paksuudeltaan 31,7 mm ja joka kestää korroosiota ja on yksinkertaisesti valmis-25 tettu työstämällä tasaisesta levystä kammioiden muodosta-* miseksi, joiden läpi anolyytti ja katolyyttinesteet voi vat kulkea niitä vastaaviin anolyytti- ja katolyyttikam-mioihin. Ruostumattoman teräslevyn paksuus aikaansaa ra-kenteen jäykkyyden ja äärimmäisen tarkan tasaisuuden.

30 Katodilevy 26 on asennettu katodilevyyn 28 ruuveilla (ei esitetty), jotka on ruuvattu katodin tukijalustoihin 31, kun taas anoditangot 12 voi olla hitsattu, esimerkiksi TIG-hitsauksella, paikalleen ruostumatonta teräslevyä / . vääntämättä.

1 35 Anodirakenne voidaan nähdä yksityiskohtaisemmin kuvioissa 2-4. Kuten kuviossa 2 nähdään, anoditaka- 6 88410 levyllä 11 on useita samansuuntaisesti sijoitettuja, pystysuorasti ulottuvia anoditankoja 12, jotka on hitsattu tankojen ylä- ja alaosuuksissa anoditakalevyyn 11. Nämä tangot 12 ulottuvat koko anoditakalevyn 11 leveyden poik-5 ki, vaikka esityksen yksinkertaisuuden vuoksi tätä jatkuvaa rinta rinnan järjestelyä ei olekaan esitetty kuviossa 2, koska anodin takalevyn 11 keskiosassa olevat tangot on täydellisesti poistettu. Nämä tangot ovat esimerkiksi nikkelilankatankoja, joiden halkaisija on 3,17 mm 10 ja jotka on sijoitettu erilleen toinen toisistaan, niin että vierekkäisten tankojen väliin on muodostettu anodin tankojen välinen rako 20, joka on noin 1,59 mm. Nämä ano-ditangot 12 voivat olla muodostettu nikkeli 200:sta tai jostakin muusta korroosiota kestävästä yhdisteestä, joka 15 aikaansaa alhaiset ylijänniteominaisuudet. Anoditankojen 12 pystysuuntainen sijoittaminen anoditankojen välisen raon 20 kanssa, ks. lyhyesti kuvio 3, aikaansaa selvät virtauskanavat anoditakalevyn 11 pohjalta, jossa anolyyt-tineste tulee sisään anolyytin sisääntuloaukkojen 18 kaut-20 ta anolyytin jakelu-uraan 15, yläosaan. Anolyyttineste virtaa pystysuorassa ylöspäin anoditankojen välisissä raoissa 20 anolyytin keräilyuraan 16 ennen kuin neste poistuu kennosta anolyytin ulosmenoporttien 19 kautta. Anoditankojän 12 pystysuora sijoitus aikaansaa tasaisen 25 virran jakautumisen anodin poikki ja estää kaasutukoksen, joka voi syntyä kaasukuplien muodostumisesta, mikä voi täten pienentää virrantiheyttä toimivassa kennossa.

Sekä anolyytin sisääntuloaukoissa 18 että anolyytin ulosmenoaukoissa 19 on siirtymälovet 18' ja vastaa-30 vasti 19', jotka on työstetty ruostumattomaan teräslevyyn. Anolyytin sisääntuloaukon siirtymälovet 18' on työstetty anolyytin jakelu-uraan 15 tasaisen siirtymäpinnan aikaansaamiseksi, joka on kartiomainen ja joka välttää eroosio-: syöpymisen, joka voi häiritä anolyytin tasaista virtausta 35 kennoon 10 ja joka voi aikaansaada metallisaastetta, kun eroosiota ja syöpymistä tapahtuu. Anolyytin ulosmenoaukon 7 88410 siirtymälovet 19' ovat molemmat samalla tavoin sijoitetut ja työstetyt.

Anoditiivisteura 14 on työstetty anoditakalevyyn 11 koko sen reuna-alueen ympäri. Ura on esimerkiksi 9,5 mm 5 leveä ja 4,8 mm syvä suorakulmaisen anoditiivisteen (ei esitetty), joka on 9,5 mm leveä ja 9,5 mm syvä, vastaanottamiseksi. Tässä tiivisteessä voi olla materiaalisui-kale, esimerkiksi materiaalia, jota myydään tavaramerkillä GORE-TEX tai TEFLON, sijoitettuna tiivisteen päälle 10 tulemaan kosketukseen muovisen erotinvälineen 21 kanssa, kun kenno puristetaan kokoon ja kootaan.

Muovinen erotinväline 21 on muodostettu mistä tahansa materiaalista, joka kestää anolyytin korroosiota, ja edullisesti on käytetty polypropyleeniä. 8 meshin po-15 lypropyleenituotetta, jolla on noin 40 %:n avoin alue, on käytetty menestyksellisesti, kuten myös titaanidioksidilla täytettyä polyetyleeniverkkoa. Erotinvälineellä 21 on erotinkehys 22, joka on kiinteästi reuna-alueen ympärillä ja erotinverkko 24 erotinkehyksen 22 sisäpuo-20 lella. Verkko 24 on käsitelty hydrofiilisellä päällysteellä, jotta estetään kaasukuplia tarttumasta verkkoon ja vieressä olevaan kalvoon kapillaari-ilmiön vaikutuksesta. Titaanidioksidipäällystettä, joka on liitetty . verkkoon 24, on menestyksellisesti käytetty hydrofiili- 25 senä päällysteenä. Estämällä kaasukuplien muodostuminen ____: kalvolle ja verkkoon vältetään kennojännitteen vaihtelut toiminnan aikana.

. . Erotinvälineen 21 käytöllä on myös menestykselli- ; ; sesti estetty paikallisesti suuren happamuuden omaavien ·' 30 alueiden muodostuminen kalvon vieressä, kun kalvo kosket taa nikkelianoditankoja 12. Se, että kalvo 25 koskettaa '/*: nikkelianoditankoja 12, voi luoda suuren happamuuden • · ' omaavia taskuja, koska rikkilajit hapettuvat rikkiha- : poksi seurauksena rikkilajien hitaasta kulkeutumisesta 35 takaisin kalvon läpi kennon toiminnan aikana. Anoditan-goilla 12 oleva nikkelioksidipäällyste hajoaa ja esiintyy 8 88410 nikkelin korroosiota. Tämä korroosio siirtyy kalvon läpi kennon 10 katodipuolelle. Siellä tämä nikkelikorroosio pelkistetään metalliseen tilaan vetysulfiittiliuoksella. Tämä metallitilassa oleva nikkeli tarttuu tiukasti kal-5 voon katodipuolella ja huonontaa ionien ja nesteen siirtämistä kalvon läpi.

Anodi on suunniteltu siten, että anolyytti, joka on elektrolysoitu kennoon 10, on mikä tahansa sopiva elektrolyytti, joka kykenee syöttämään alkalimetalli-io-10 neja ja vesimolekyylejä katodiosastoon. Sopivia anolyyt-tejä ovat esimerkiksi alkalimetallihalidit, alkalimetal-lihydroksidit tai alkalimetallipersulfaatit. Anolyytin valinta on osittain riippuvainen halutusta tuotteesta.

Kun halutaan halogeenikaasua, sellaista kuten kloori tai 15 bromi, käytetään anolyyttinä alkalimetallikloridin tai -bromidin vesipitoista liuosta. Alkalimetallihydroksidi-liuokset valitaan, kun tuotetaan happikaasua tai vetyperoksidia. Jos perrikkihappo on haluttu tuote, käytetään alkalimetallipersulfaattia. Kuitenkin konstruktion 20 vaihtoehtoiset materiaalit, sellaiset kuten titaaniryh-män metallit anolyytin kostuttamia osia varten alkali-metallikloridianolyytin kanssa, olisivat tarpeen jokaista tiettyä käytettyä anolyyttiä varten.

Jokaisessa tapauksessa valitun elektrolyytin vä-25 keviä liuoksia käytetään anolyyttinä. Esimerkiksi kun natriumkloridi on valittu alkalimetallikloridiksi, sopivat liuokset anolyyteiksi sisältävät noin 12 - 25 paino-% NaCl. Alkalimetallihydroksidiliuokset, sellaiset kuten natriumhydroksidi, sisältävät noin 5-40 paino-% NaOH.

30 Kennoa 10 on ensisijaisesti käytetty emäksisen soodan kanssa. Kun emäksistä soodaa (NaOH) käytetään, vesi ja emäksinen sooda tulevat sisään anolyytin sisään-tulolovien 18 kautta ja liuos virtaa pitkin suurinopeuk-sista virtausreittiä vierekkäisten anoditankojen 12 ja 35 anoditankojen välisten rakojen 20 välissä anolyyttiosas-ton takaosassa kohti kennon 10 yläosaa. Siten suurin osa 9 88410 anolyyttinesteen tilavuusvirtauksesta tapahtuu anoditan-kojen 12 välissä ja hydrofiilisesti käsitellyn erotinver-kon sisällä. Natriumionit kulkeutuvat kalvon poikki niiden ollessa tuotettu tuloksena elektrolyysireaktiosta, 5 joka muodostaa happea, vettä ja natriumioneja, 4NaOH -> 02 + 4Na+ + 2H20

Loppuunkulutettu emäs kulkee ulos hapen ja veden mukana 10 anolyytin ulosmenoaukkojen 19 kautta.

Katoditakalevy 28 nähdään parhaiten kuviossa 4, kun taas elektrodin, joka on työstetty kiinteästä ruostumatonta terästä olevasta levystä, monoliittinen rakenne voidaan nähdä kuviossa 5. Koska kenno on bipolaarinen, 15 katodi on ruostumattoman teräslevyn yhdellä sivulla kato-dilevyn 28 puolella, kun taas anoditakalevy 11 ja anodi ovat vastakkaisella puolella. Kuten voidaan parhaiten nähdä kuviosta 4, katoditakalevyllä on katolyytin sisään-tuloaukot 35 katoditakalevyn 28 pohjaosan vastakkaisilla 20 sivuilla, jotka aukot syöttävät katolyyttiä katolyytin jakelu-uraan 32. Katolyytin jakelu-ura 32, katolyytin si-sääntuloaukot 35 ja työstetyt katolyytin siirtymälovet 35' on sijoitettu juuri vastaavien anolyytin jakelu-uran .·, 15, anolyyttiaukkojen 18 ja anolyytin siirtymälovien 18' 25 yläpuolella, mutta ne ovat kiinteän, ruostumatonta terästä olevan elektrodilevyn vastakkaisella puolella.

] Alempi katolyyttikammio 38 on sijoitettu välit tömästi katolyytin jakelu-uran 32 yläpuolelle. Alempi katolyyttikammio 38 on erotettu ylemmästä katolyytti-30 kammiosta 39 oleellisesti vaakasuuntaisesti sijoitetulla katodinvirtaussululla 30. Virtaussulku 30 ulottuu ka-tolyyttikammion koko leveyden yli ja työntyy ulospäin katolyyttitakalevyn 28 tasosta, kuten voidaan nähdä .· . myös kuvioissa 1 ja 5. Katodinvirtaussulku 30 keskeyttää ’· *; 35 katolyyttinesteen pystyvirtauksen ylöspäin alemmasta ka- tolyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39 10 8841 0 saattaen tällä tavoin katolyyttinesteen virtaamaan reittiä, joka on esitetty nuolilla kuviossa 1, joka reitti vie sen kahdesti katodilevyn 26 kautta matkalla ylempään katolyyttikammioon 39. Tämä virtausreitti aikaansaa ka-5 todissa hyvin tehokkaan pinta-alueen, mutta vaatii hyvin huokoisen katodilevyn käyttöä, joka sallii ainakin 30 ti-lavuus-% katolyyttinesteestä virrata huokoisen katodilevyn 26 läpi, niin että säilytetään katolyytin minimaalinen viipymisaika kennossa. Kuten myöhemmin tullaan yksilö tyiskohtaisemmin selittämään, kun katolyyttineste on saavuttanut ylemmän katolyyttikammion 39, se menee sisään katolyytin keräilyuraan 34 ja poistuu kennosta työstettyjen katolyytin ulosmenosiirtymälovien 36' ja katolyytin ulosmenoaukkojen 36 kautta.

15 Tihkureikiä 17, jotka voidaan nähdä kuvioissa 4 ja 5, voidaan käyttää katodinvirtaussulussa 30 sallimaan vetykaasun nousta alemmasta katolyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39. Vaihtoehtoisesti tai samanaikaisesti voidaan käyttää tihkureikiä 33, jotka näh-20 dään kuviossa 5, sallimaan vetykaasun kulkeminen pois elektrodien välisestä raosta alemman ja ylemmän katolyyttikammion 38 ja 39 seinämien ja katodilevyn 26 välistä juuri katodinvirtaussulun 30 alapuolelta ja sitten takaisin katodilevyn 26 läpi vastapäätä katolyytin keräily-25 uraa 34.

Katodilevyä 26 pidetään paikallaan katolyyttita-kalevyllä 28 useiden ruuvien (ei esitetty) avulla, jotka sijoittuvat useisiin katodin tukijalustoijin 31 alemman ja ylemmän katolyyttikammion 38 ja 39 sisällä.

30 Katodilevy 26 on hyvin huokoinen monikerrosraken- ne. Se käsittää tukikerroksen, joka on muodostettu revitetystä ruostumattomasta teräksestä. Tämä tukikerros muodostaa asennusalustan ja suojaa sisempää metallikuitu-huopakerrosta, joka on muodostettu esimerkiksi 15 % ti-35 heistä, hyvin hienoista 4-8 mikronin kuiduista ja 15 % tiheistä, 25 mikronin kuiduista, jotka on asetettu toi- n 88410 nen toistensa päälle. Esimerkiksi 18 meshin lankaverkko, jossa on 0,009 tuuman langan halkaisija, sijoitetaan sitten kuituhuovan päälle muodostamaan katodi, jolla on huokoisuus, joka on edullisesti välillä 80 ja 85 %. Katodi-5 levy 26 on siten 4-kerroksinen sintrattu komposiitti, jossa kaikki materiaalit on tehty ruostumattomasta teräksestä, edullisesti 304 tai 316 ruostumattomasta teräksestä ja sopivana levyn kokona. Katodilevyn 26 hyvin tehokas pinta-alue on saavutettu käyttämällä pienitiheyk-10 sistä metallihuopaa, joka on muodostettu hyvin hienoista elementeistä.

Katoditiivisteen uran 29 nähdään kuviossa 4 ulottuvan katoditakalevyn 28 reuna-alueen ympäri. Vaikkakaan sitä ei ole esitetty, on 9,53 mm kokoinen, pyöreä EPDM, 15 etyleenipropyleenidieenimonomeeritiivistettä käytetty sijoittumaan katoditiivisteen uraan 29 aikaansaamaan nes-tetiivis tiivistys.

Katodilla kennossa 10 tapahtuu pelkistyminen alka-limetallibisulfiitin puskuroidun, vesipitoisen liuoksen 20 elektrolyysin ansiosta. Tyypillinen pelkistyminen on seu-raava: 4NaHS03 + 2e“ + 2Na+-^ Na2S2C>4 + 2Na2S03 + 2HzO.

25

Loppuunkäytetty emäs ja rikkidioksidi sekoitetaan NaHSC>3 muodostamiseksi, joka syötetään katolyytin jakelu-uraan 32 katolyytin sisääntuloaukkojen 35 ja katolyytin siir-tymälovien 35' kautta. Tämä katolyyttineste nousee sit-30 ten pystysuorasti ylöspäin, kunnes se kulkee ulos katodi-levyn 26 kautta, kuten voidaan parhaiten nähdä kuvioissa . . 5 tai 1. Katodinvirtaussulku 30 toimii esteenä katolyyt- tinesteen suoralle pystyvirtaukselle ylöspäin alemmasta "* ’ katolyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39.

35 Ylemmän ja alemman katolyyttikammion 38 ja 39 sekä kato-·;··; dilevyn 26, joka on sijoitettu katodin tuki jalustoille 31, 12 8841 0 seinämien välissä on noin 3,18 mm suuruinen elektrodien välinen katodirako. Katolyyttineste kulkee sitten katodi-levyn 26 läpi ja jatkaa virtaamista ylöspäin katodi-kalvo-raon kautta, kunnes se saavuttaa katodinvirtaussulun 30.

5 Tässä pisteessä katolyyttineste kulkee hyvin huokoisen katodilevyn 26 läpi takaisin ylempään katolyyttikammioon 39 ja sitten katolyytin keräilyuraan 34. Kennon tuote-liuos, joka sisältää Na2S2C>4 (ditionaatti) , poistuu kennosta 10 katolyytin ulosmenosiirtymälovien 36' ja kato-10 lyytin ulosmenoporttien 36 kautta.

Puskuriliuosta, joka sisältää noin 40 - 80 g/1 bisulfiittia, käytetään katolyytin kanssa johtuen nat-riumtiosulfaatin muodostumisesta, joka on seurausta vety-sulfiitin (ditionaatti) pelkistymisestä ja hajoamisesta 15 sekä katolyytin pH:n muutoksesta, kun bisulfiittia kulutetaan ja sulfiittia muodostetaan seuraavan reaktion mukaisesti

Na2S2°4 + 2e~ + 2Na+ + 2NaHS03-^ Na2S2C>3 + 2Na2SC>3 + HjO.

20 Tämä vetysulfiitin hajoamisreaktio on sähköisesti ohjattu elektronien läsnäololla. Kun potentiaalia kasvatetaan, kasvatetaan myös virrantiheyttä ja, tiettyyn pisteeseen asti, tämän ei-halutun tiosulfaattia tuottavan 25 reaktion reaktionopeus.

Monikerroksisen katodilevyn 26 arvo on erityisen ilmaistä sen selektiivisyydestä. Koska monikerroksisella elektrodilla on kasvanut pinta-alue, se tarvitsee pienemmän jännitteen tai alhaisemman potentiaalin primaari-30 sen pelkistysreaktion ohjaamiseksi, joka tuottaa haluttua vetysulfiittituotetta, ja tällä tavoin pienentää ei-: halutun tiosulfaatin määrää, jonka vetysulfiitin hajoa- . misreaktio tuottaa. Kasvanut pinta-alue mahdollistaa po tentiaalin pitämisen alhaisemmalla tasolla, jolloin pri-35 maarinen tai haluttu vetysulfiittia tuottava reaktio on 13 8 8 41 0 vallitseva ja oleellisesti sen tason alapuolella, jossa vetysulfiitin hajoamisreaktiosta tulee tekijä.

Monoliittisen kennorungon käyttö, ts. bipolaarinen kennorunko tai takalevy, joka on muodostettu yhdestä, 5 ruostumatonta terästä olevasta levystä, joka on työstetty muodostelmaan anoditakalevy yhdelle puolelle ja anodi-takalevy vastakkaiselle puolelle, aikaansaa useita merkittäviä myötäsyntyisiä toimintaetuja. Ensinnäkin ei ole minkäänlaista siirtymä- tai mitoitusepästabiilisuutta, 10 joka johtuu kahden erillisen materiaalikappaleen yhdistämisestä elektrodin muodostamiseksi. Yhden työstetyn levyn käytöstä seuraa myös varsinaisten kennokomponenttien lukumäärän pienentyminen. Viimeisimpänä ja ehkäpä kaikkein merkittävimpänä on sähköisen häviön eliminointi kah-15 den erillisen anodi- ja katodielementin välisestä kontaktista, joilla muutoin olisi joitakin sijoitus- ja koko-eroja. Tämä erityinen rakenne myötävaikuttaa kennon alhaisempaan sähköenergian kulutukseen.

Hydraulinen paine kennossa 10 muodostetaan siten, 20 että kalvo 25 pidetään painettu erotinvälinettä 21 vasten ja irti katodilevystä 26. Kalvon 25 pitäminen näin sijoitettuna sallii myös toteuttaa virtausreitin katodi-levyn läpi. Katodinvirtaussulku 30 edelleen myötävaikuttaa kennon 10 hydrauliikkaan saavuttamalla tasaisen pai-25 neen yli koko katodin korkeuden seurauksena virtauksen ‘ \ inversio-ominaisuuksista, jotka saavutetaan katodilevyn ] läpi 26 olevilla monilla virtausreiteillä.

Elektrolyyttikenno 10 toimii virrantiheyksillä, V.’ jotka ovat riittäviä tuottamaan alkalimetallivetysul- 30 fiittiliuoksia, joilla on halutut konsentraatiot. Esimerkiksi kun tuotetaan natriumvetysulfiittia kaupalliseen ·'·.· myyntiin, liuokset sisältävät noin 120 - 160 g/1. Kui- tenkin, koska alkalimetallivetysulfiittiliuokset, joita .* _ myydään kaupallisesti, ovat tavallisesti laimennettuja '* 35 ennen käyttöä, myös nämä laimennetut vetypitoiset liuok set voidaan tuottaa suoraan prosessilla.

14 8841 0 2 Käytössä on ainakin 0,5 kA/τη virrantiheyksiä. Edullisesti virrantiheys on alueella noin 1,0 - 4,5 ja vielä edullisemmin noin 2,0 - 3,0 kA/m . Näillä korkeilla virrantiheyksillä elektrolyyttikenno 10 toimii tuot-5 taen tarvittavan määrän hyvin puhdasta alkalimetallive-tysulfiittiliuosta, jota voidaan käyttää kaupallisesti ilman lisäväkevöintiä tai puhdistusta.

Elektrolyyttinen kalvokenno 10 käyttää kationin-vaihtokalvoa anodin ja katodiosastojen välissä, mikä es-10 tää rikkiä sisältävien ionien kaiken oleellisen kulkeutumisen katodiosastosta anodiosastoon. Voidaan käyttää laajaa valikoimaa kationinvaihtokalvoja, jotka sisältävät valikoiman polymeerihartseja ja toiminnallisia ryhmiä, olettaen, että kalvot omaavat vaaditun rikki-ioniselek-15 tiivisyyden rikki-ionien saostumisen estämiseksi kalvojen sisäpuolella. Tällainen saostuminen voi tukkia kalvot, mikä on seurausta rikkilajien diffusoitumisesta kalvojen kautta ja tämän jälkeisestä hapettumisesta hapon muodostamiseksi kalvojen sisään, joka happo saattaa vety-20 sulfiitin ja tiosulfaatin hajoamaan rikiksi happamissa olosuhteissa. Tämä selektiivisyys voidaan varmistaa analysoimalla anolyytti sulfaatti-ioneja varten.

Sopivia kationinvaihtokalvoja ovat ne, jotka ovat inerttejä, joustavia ja oleellisesti läpäisemättömiä elek-25 trolyytin hydrodynaamiselle virtaukselle ja kennossa tuotettujen kaasutuotteiden läpikululle. Kationinvaihto-kalvot sisältävät tunnetusti kiinteitä anioniaktiivisia ryhmiä, jotka mahdollistavat kationeiden tunkeutumisen ja vaihdon ja sulkevat pois anionit ulkoisesta lähteestä. 30 Yleensä hartsikalvolla on matriisi tai verkkopolymeeri, johon on liittynyt varautuneita jätteitä, sellaisia kuten —SO~, —COO-, —PO~, —hp02' —^As03 3a —Se03 sekä niiden seokset. Hartsit, joita voidaan käyttää kalvojen aikaansaamiseksi, sisältävät esimerkiksi fluorihiilet, 35 vinyyliyhdisteet, polyolefiinit ja niiden kopolymeerit. Edullisia ovat sellaiset kationinvaihtokalvot, jotka is 88410 muodostuvat fluorihiilipolymeereistä, joissa on useita riippuvia sulfonihapporyhmiä tai karboksyylihapporyhmiä tai sulfonihapporyhmien ja karboksyylihapporyhmien seoksia. Termeillä "sulfonihapporyhmä" ja "karboksyylihappo-5 ryhmät" tarkoitetaan, että ne sisältävät sulfonihappo-suoloja tai karboksyylihapposuoloja sellaisissa prosesseissa, kuten hydrolyysi. Sopivia kationinvaihtokalvoja myy kaupallisesti E.I. DuPont de Nemours & Co., Inc., tavaramerkin "Nafion" alla, Asahi Glass Company tavaramer-10 kin "Flemion" alla, Asahi Chemical Company tavaramerkin "Aciplex". Perfluorinoituja sulfonihappokalvoja on myös saatavilla Dow Chemical Companyltä.

Kalvo 25 on sijoitettu anodin ja katodin väliin ja erotettu katodista katodikalvoraolla, joka on riittävän 15 leveä sallimaan katolyytin virrata katodilevyn 26 ja kalvon 25 välissä alemmasta katolyyttikammiosta 38 ylempään katolyyttikammioon 39 ja estääkseen kaasutukoksen, mutta ei tarpeeksi leveä oleellisesti kasvattamaan sähköresis-tassia. Käytetyn katodilevyn 26 muodosta riippuen tämä 20 katodikalvorako on noin 0,05 - 10 mm ja edullisesti noin 1 - 4 mm suuruinen välimatka. Katodikalvorako voidaan ylläpitää hydraulisella paineella tai mekaanisilla välineillä. Tämä malli ja katolyytin virtausreitti mahdollistaa lähes kaiken katolyyttinesteen koskettaa katodin 25 aktiivista aluetta. Lisäksi tämän mallin yhteydessä esiin-tyy pääosa elektrolyyttisestä reaktiosta katodialueella, joka on lähinnä anodia.

*’*· Kennossa 10 käytetyissä sopivissa huokoisissa ka- : : : todilevyissä 26 on ainakin yksi kerros, jonka kokonaisia 2 3 30 pinta-alan suhde tilavuuteen on suurempi kuin 100 cm /cm , 2 3 edullisesti 250 cm /cm ja vieläkin edullisempi suurempi 2 3 : kuin 500 cm /cm . Näillä rakenteilla on ainakin 60 %:n ja edullisesti noin 70 - 90 %:n huokoisuus, missä huokoisuus on huokostilavuus-%. Kokonaispinta-alan suhde 35 huokoisen katodilevyn 26 työpinta-alaan, missä työpinta-ala on katodilevyn 26 julkisivun ala, on ainakin noin 16 88410 30:1 ja edullisesti ainakin noin 50:1; esimerkiksi arvosta noin 80:1 arvoon 100:1.

Katodilevy 26 muodostuu neljästä kerroksesta, kuten parhaiten nähdään kuviosta 7. Ensimmäinen kerros on 5 tukikerros 41, joka on rei'itetty, ruostumatonta terästä oleva levy, joka on suurin piirtein 0,91 mm paksu ja jossa on 1,59 mm reiät 42 3,18 mm, 60° porrastetuilla kes kustoilla. Nämä reiät ensimmäisessä kerroksessa 41 antavat rei'itetylle, ruostumattomalle teräslevylle suurin 10 piirtein 23 %:n avoimen alueen. Toinen kerros 44 on edullisesti muodostettu ruostumatonta terästä 304 olevista kuiduista 45, jotka ovat halkaisijaltaan 20 - 100 ^um ja edullisesti noin 25 ,um. Toisella kerroksella 44 on ti- 2 heys, joka on noin 0,00297 N/cm . Vaihtoehtoisesti toinen 15 kerros voi olla kudottu silmäverkko, jossa on 30 kuitua/ 25,5 mm x 30 kuitua/25,4 mm käsittävä neliökudos ja noin 23 %:n avoin alue. Kolmas kerros 48 on paljon vähemmän tiheä kuin toinen kerros 44 ja muodostuu ruostumatonta terästä 304 olevista kuiduista, joiden halkaisija on 20 noin 4-16 ^,um ja edullisesti noin 8 ^um. Kolmannen kerroksen 48 tiheys on noin 0,00575 N/cm^. Rajoittava tekijä toisen kerroksen 44 ja kolmannen kerroksen 48 kuitujen halkaisijan mitoituksessa on se, että toisen kerroksen 44 kuidut 45 eivät voi ulottua kolmannen ker-25 roksen 48 kuitujen läpi. Neljäs kerros 50 on verkkometal-likudos, joka on edullisesti 18 x 18 meshiä, metalliku-doksen yksittäisten lankojen halkaisijan ollessa noin 0,28 mm. Neljännet kerrokset 41, 44, 48 ja 50 on puristettu yhteen ja liitetty sintraamalla pelkistävässä ym-: 30 päristössä, sellaisessa kuten vety, ammoniakki tai hii limonoksidi, yhden levyn muodostamiseksi, jonka edulli-: nen paksuus on noin 3,94 mm t noin 0,20 mm.

Tämän mallin katodilevy 26 aikaansaa korkean mas-sansiirtokyvyn, koska elektrodin pinta-ala on sama pin-35 ta-ala, jota käytetään elektrolyysiin. Koska katodilevy 26 on suhteellisen ohut, se tarvitsee suuren pinta-ala- 17 8 8 41 0 tilavuussuhteen, muodostaen tällä tavoin suuren kokonaispinta-alan. Tämä on erityisesti sovellettavissa kolmanteen kerrokseen, joka on kaikkein aktiivisin kerros ja kriittinen määrättäessä katodin ominaisuuksia. Katodile-5 vyn 26 suuri pinta-ala on mitattu yksittäisten kuitujen 45, 49 kokonaispinta-alan suhteena koko katodilevyn 26 uiko- tai työpinta-alaan. Näiden parametrien välinen suhde voidaan ilmaista siten, että katodilevyn 26 yksittäisen kerroksen paksuus kertaa pinta-ala-tilavuussuhde on 10 yhtä suuri kuin ulkopinta-ala. Toisen kerroksen 44 kuitujen 45 valitseminen suuremmalla yksittäisellä halkaisijalla kuin kolmannen kerroksen 48 kuiduilla 49 ja yhtä suurella huokoisuudella aikaansaa rakenteen, jolla on suurempi pinta-ala lähellä kalvoa 45. Kuidut 45 ja kui-15 dut 49 voivat yhtä hyvin olla valitut erilaisista ruostumattoman teräksen, nikkelin, teräksen, kuparin, hiili-grafiitin tai rautaa sisältävien ja ei rautaa sisältävien seusten laaduista. Katodilevyillä 26 voisi olla sähköisesti aktiivinen päällyste, sellainen kuten ruteenioksidi 20 tai platina, lisättynä pinta-alueelle aktiivisemman elektrodin pinta-alueen saamiseksi.

Virta johdetaan kennoon 10 anodin ja katodin virran johtolevyjen kautta (ei esitetty). Levyt, jotka ovat . kuparia ja elektrodien kokoiset, sijoitetaan päätykato- “·* 25 dia ja päätyanodia vasten jokaisessa kennossa 10. Säh- kökytkennät tehdään suoraan näihin kuparilevyihin. Eris- * tinlevy, joka on tehty esimerkiksi polyvinyylikloridista tai muusta sopivasta muovista ja puristuslevy (kumpaa-kaan ei ole esitetty), joka on tehty esimerkiksi ruostu-30 mattomasta teräksestä tai teräksestä, sijoitetaan kennon 10 jokaista päätä vasten ennen kuin se kootaan ker-: rosrakenteen muodostamiseksi halutun elektrodien määrän ympärille, jotka sijoitetaan niiden väliin.

Nykyisen keksinnön kenno voitaisiin myös suunni-*. *: 35 telia yksinapaisena, mikä vaatii, että jokaisen ruostu- matonta terästä olevan levyn molemmat puolet käsitel- ie 8 8 41 0 täisiin samalla tavoin ja että puolielektrodeja käytetään päätyelektrodeina kootussa kennossa. Virtajohtimet yksi-napaisessa mallissa olisivat sitten tavanomaisia kuparisia sähköliittimiä jokaista elektrodia varten.

5 Lisäksi esillä olevan keksinnön kennoa voitaisiin käyttää muissakin sähkökemiallisissa reaktioissa kuin ve-tysulfiitin tuotannossa. Tyypillinen on orgaanisten tuotteiden valmistaminen sähkökemialla, kuten esimerkiksi py-ridiinien sähkökemialliset transformaatiot hapetus- tai 10 pelkistysreaktioiden kautta nykyisen mallin mukaisessa, kationinvaihtokalvolla jaetussa kennossa.

Kennon 10 uutta mallia käyttäen tuotetaan väkeviä alkalimetallivetysulfiittiliuoksia, joilla on alhaiset aikaiimetallitiosulfaattikonsentraatiot epäpuhtautena 15 elektrolyyttisissä kalvokennoissa, jotka toimivat suurilla virrantiheyksillä, oleellisesti alennetuilla kenno jännitteillä ja suurilla virta-hyötysuhteilla.

Saavutettujen tulosten esittämiseksi esimerkinomaisesti on annettu seuraavat esimerkit, ilman että on 20 tarkoitus rajoittaa esillä olevan keksinnön suojapiiri niissä esitettyyn.

Esimerkki 1

Kuvioissa 1-5 esitetyntyyppinen kenno koottiin kolmesta ruostumatonta terästä olevasta levystä, jotka 25 asennettiin telineelle muodostamaan kaksi anodi/katodi- paria, joiden kunkin aktiivinen elektrodialue oli noin : 2 , 0,172 m . Levyt muodostivat kaksi puolielektrodia, yksi katodin ja toinen anodin, jotka oli kerrostettu bipolaa-risen elektrodin ympärille, jolla on vastakkaiset anodi-30 ja katodisivut. Elektrodilevyjen ulkomitat olivat; leveys noin 43 cm, korkeus noin 47 cm ja paksuus noin : 2,5 cm.

Anodit oli muodostettu noin 47:stä nikkeli 200 -tangosta, joiden halkaisija oli 3,18 mm ja jotka oli 35 hitsattu anoditakalevylle, kuten on esitetty yleisesti kuviossa 2, välimatkan tankojen välillä ollessa noin 19 8841 0 1,6 mm. Anolyytin keräily- ja jakelu-urat olivat noin 31,75 mm leveitä ja noin 15,50 mm syviä.

Katodilevy oli muodostettu 4-kerroksisesta levystä, joka oli leikattu oikeaan kokoon. Ensimmäinen kerros 5 oli tukikerros, joka oli muodostettu revitetystä ruostumattomasta teräksestä, jolla oli 0,914 mm paksuus ja 1,59 mm reiät 3,16 mm, 60° porrastetuilla keskustoilla 2 sekä 23 %:n avoin alue. Toinen kerros oli 0,00297 N/cm tiheyksinen kerros, joka muodostui ruostumatonta terästä 10 304 olevista kuiduista, joiden halkaisija oli noin 25 ,um.

2

Kolmas kerros oli 0,00575 N/cm tiheyksinen kerros, joka muodostui ruostumatonta terästä 304 olevista kuiduista, joiden halkaisija oli noin 8 ^um. Neljäs kerros oli 18 x 18 tuumaa oleva verkko, joka muodostui noin 0,23 mm hal-15 kaisijan omaavasta metallikudoksesta. Nämä kerrokset puristettiin yhteen ja liitettiin sintraamalla vety-ympäristössä yksittäisen levyn muodostamiseksi, jonka paksuus oli noin 3,94 mm. Katodilaatta leikattiin katodilevyn muodostamiseksi, joka oli noin 47,0 cm x 43,2 cm.

20 Katodilevy asennettiin ruostumatonta terästä ole valle katoditakalevylle käyttäen 20 ruuvia, joiden halkaisija oli noin 3,2 mm ja jotka sijoitettiin katodin tukijalustoihin katolyyttikammioiden sisällä. Sopivan sähköisen liitosyhdisteen muodostamaa pientä päällystet-25 tä käytettiin ruuvien kierteissä ja kunkin ruuvin pään '}päälle sijoitettiin silikoniliimaa, jotta estettiin ruu-·"·: via tulemasta katodikokoonpanon aktiiviseksi osaksi.

·:*·· Katodilevyyn porattiin kuusi reikää, joiden hal- kaisi ja oli 4,2 mm, jotta mahdollistettiin kennon sisään . 30 loukkuun jääneiden kaasukuplien poistuminen. Kolme näis tä rei'istä porattiin lähelle kennon yläosaa vastapäätä . . katolyytin keräilyuraa ja kolme juuri katodin virtaussu- lun alapuolelle.

*-’ * Erotinvälineet muodostettiin polypropyleeniver- : 35 kosta, joka oli käsitelty titaanidioksidipäällysteellä.

Erottimet sijoitettiin 1,59 mm paksuihin erotinkehyksiin, 20 S8410 jotka oli leikattu juuri sopimaan kennossa olevan tiivis-teuran sisäpuolelle.

Tiivisteurat, jotka olivat noin 9,53 mm leveitä ja noin 4,75 mm syviä, työstettiin sekä anodi- että katodi-5 takalevyihin. Kennon anodipuolella käytettiin noin 9,53 mm neliömäistä tiivistettä yhdessä noin 12,7 mm leveän liuskan kanssa, joka oli muodostettu noin 1,52 mm paksusta R

GORE-TEX tiivistenauhasta, joka sijoitettiin tiivisteen päälle. Katodin tiivisteurassa käytettiin kumista O-ren-10 gasta, jonka halkaisija oli noin 9,60 mm. Kenno koottiin käyttäen säädettävää hydraulista kokoonpanojärjestelmää, joka on selostettu US-patenttijulkaisussa 4 430 179 ja joka puristi kennon yhteen, niin että suurin piirtein 3,18 mm suuruinen rako anodi- ja katodilevyjen välillä 15 säilyi. Sitten kenno kiinnitettiin vastamuttereilla.

Kennoa käytettiin jatkuvasti 42 päivää. Kennossa p käytettiin NAFION NX 906 perfluorinoitua kalvoa, jota liotettiin noin 2 %:n natriumhydroksidiliuoksessa ainakin neljän tunnin ajan ennen kokoonpanoa.

20 Kenno toimi lämpötilassa, joka oli suurin piir tein 25°C, katolyytin kokonaisvirtausnopeuden ollessa noin 6 g minuutissa ja anolyytin kokonaisvirtausnopeuden ollessa noin 4 g minuutissa. Ylimääräistä anolyyt-tiä, joka sisälsi noin 19-%:ista natriumhydroksidia, 25 puhdistettiin jatkuvasti ja lisättiin katolyyttikier-toon, samalla kun anolyyttiä jatkuvasti täydennettiin lisäämällä noin 35 %:n natriumhydroksidiliuosta noin 69 g minuutissa. Katolyyttiin lisättiin jatkuvasti de-ionisoitua vettä noin 230 ml minuutissa, kuten myös li-30 sättiin rikkidioksidia katolyyttiin pH:n pitämiseksi välillä noin 5,4 - 5,8 ja sulfiitti-bisulfiittimoolisuh-teen välillä noin 1:3 ja 1:8.

Tuotekatolyyttiä imettiin kennosta jatkuvasti nopeudella noin 287 ml minuutissa ja sitä analysoitiin 35 jaksoittaisesti jokaisen päivän aikana. Tuotekatolyytti, 2i 88410 joka on esitetty seuraavassa taulukossa I, analysoitiin näytteistä, jotka on otettu samaan aikaan jokaisena päivänä. Tämä data edustaa kennon toimintaa 4-päiväisen toiminnan aikana optimaalisissa olosuhteissa. Katolyytistä 5 analysoitiin natriumvetysulfiitti-, natriumtiosulfaatti-, natriumsulfiitti- ja natriumbisulfiittisisältö.

» » · • φ 1 ♦ » , 0 « $ 1 1

A

22 8 8 41 0 ^ o Φ u u u

•H M

e 0»

« ω ~ X £> 2 >C

1—1 *H > ^ f"* f"* ©* L v to * «k «k

. n) N « N N

β <β Ή WHO

M O

(0 o.

01 *H id Ό /—s

I M

© w >s JZ φ i *o in e o o <0 «C » «k 4 *> «k 4J 3 p» v© r- p* w <n λ σν ©* ©k •H ►> > « n ·ζ SS m to <** m •j) «- o o o o

N li N N

es® rt -H >

M M V

» Ϊ. £

«I 01 -H

M Si * ϋ

O

M

OC o o o o ^ jjj ^ «o r* r* i ri a ^ to o <e t' 3 z “ i m i i 3

Ei 8md m o o o Γ m H e n «u - - * · S-i 3 3 · "

o"J

Πγη] h h h *· co *-*J o o m e* pc öd ** ^ to to

g wj <H »H M O

O J o o o o

Mr-tJ V© 00 O PC

'ii'oci ί ί ί P

« Wl CC N PC PC

2 I H H H H

in ό p· m 23 8 8 41 0

Esimerkki 2

Kenno, joka oli samanlainen kuin esimerkin 1 malli, koottiin käyttäen yhdeksää bipolaarielektrodilevyä ja kahta puolielektrodilevyä, yksi anodina ja yksi kato- 2 5 dina, joilla kullakin oli noin 0,051 m aktiivinen elek-trodialue. Käytettiin samantyyppistä katodilevyä ja ano-ditankoja kuin esimerkissä 1, lukuun ottamatta sitä, että anodi- ja katoditakalevyt olivat paksuudeltaan noin 34,3 cm x 34,3 cm ja paksuudeltaan noin 3,02 mm. Käytös-10 sä oli perfluorinoitu sulfonihappokalvo, jonka paksuus oli noin 0,05 mm ja jonka ekvivalenttipaino oli noin 1 000 (g/g-mooli ekvivalenttinen vaihtokyky) ja joka on saatavilla US-patenttijulkaisun 4 470 888 hakijalta.

Erotinvälineet olivat verkko, joka oli tehty ti-15 taanidioksidilla käytetystä polyetyleenistä verkon ollessa noin 1,78 mm paksu ja omatessa noin 9,65 mm aukot sekä noin 60 %:n avoimen alueen. Erotin käsiteltiin kromi-ja rikkihappojen seoksella, joka on saatavilla Fisher Scientific:Itä nimellä CHROMERGE, tarpeellisen hydrofii-20 lisen pinnan aikaansaamiseksi. Erotinverkko asennettiin 3,2 mm erotinkehykseen, joka ulottui noin 6,4 mm kennon reunan ohi.

Kenno suljettiin käyttämällä sekä anodi- että ka-toditakalevyn tiivisteurissa O-renkaita, joiden halkai-. 25 sija oli noin 7,37 mm. Noin 22,23 mm liuskaa G0RE-TEXR

nauhaa käytettiin erotinkehyksen ja kalvon välissä.

·*·' Kenno toimi katolyytin kokonaisvirtausnopeudella 13 g minuutissa ja anolyytin kokonaisvirtausnopeudella 6 g minuutissa. Anolyyttiin lisättiin jatkuvasti 35-%:is-: : : 30 ta natriumhydroksidiliuosta 93 g minuutissa. Liika ano- : lyytti, joka sisälsi noin 15 % natriumhydroksidia, puh distettiin jatkuvasti ja lisättiin katolyytin kiertojär-.·. : jestelmään. Lisäksi katolyyttiin lisättiin deionisoitua vettä noin 320 ml minuutissa, samalla kun rikkidioksidia 35 jatkuvasti lisättiin katolyyttiin pH:n pitämiseksi vä- 24 88 41 0

Iillä noin 5,4 - 5,8 ja sulfiitti-bisulfiittimoolisuh-teen pitämiseksi välillä noin 1:3 ja noin 1:8.

Kenno toimi lämpötilassa, joka oli noin 25°C, kato lyy tin kokonaisvirtausnopeuden ollessa noin 13 g mi-5 nuutissa ja anolyytin kokonaisvirtausnopeuden ollessa noin 6 g minuutissa. Kenno toimi jatkuvasti yli 30 päivää ilman merkittävää muutosta jännitekertoimessa tai tuotteen muodostamisessa.

Tuotekatolyyttiä otettiin jatkuvasti kennosta no-10 peudella noin 350 ml minuutissa ja analysoitiin jaksoit-taisesti jokaisen päivän aikana. Tuotekatolyytti, joka on esitetty seuraavassa taulukossa II, analysoitiin näytteistä, jotka otettiin samaan aikaan jokaisena päivänä. Nämä tiedot edustavat kennon toimintaa 4-päiväisen toi-15 minnan aikana optimoiduissa olosuhteissa. Katolyytistä analysoitiin natriumvetysulfiitti-, natriumtiosulfaatti-, natriumsulfiitti- ja natriumbisulfiittisisältö.

25 8 8 41 0 ^ o

41 M u u •H

G O» e h m «o et « :<fl Oi /— m m m T-| *H > ^ #» ·*. ·» U ^ Ci (M M Ci • cfl a w *h Ή H TJ M O in a

4> *H ^ TJ

<-* I K » w

>> IA O O O

·? « Cl M O Ci L ^ fc · % * * ·£ cd «o tn m Y 5 Ok OK OK ok ti <0 •H >· > U1

' rT

C e «e «ζ H i HB M M CN Ci

Tj w Ok Ok Ok Ok * · lk |k ^

H H H H

e a «H >> 4)

CO JS

H « *h H * u

O

* - 44 Oh o o o o 3 8C. m — m a “ <c" h- λ" p 2 m m in —

«J

H

λ—

O .H

n v s es r- «o n m m m o o J| w k » ·» «, Z et 0 0 h m

• * O *-N

: : ; «h « « · o wv ^ o H ΙΛ

Cl äO ·» «. *. k (0^ ^ ^ n ^

Z

v!: «?- nh m h « « : : : w °c ι-t o ® m . . Ä'-" * o «

Z 1-4 «H #-l H

: *1 ^ · s s 26 8841 0

Vaikka yllä on esitetty ja selostettu edullinen rakenne, johon edellä olevan keksinnön periaatteet on sisällytetty, on ymmärrettävä, että keksintöä ei ole rajoitettu näin esitettyihin tiettyihin yksityiskohtiin, 5 vaan itse asiassa hyvin erilaisia välineitä voidaan käyttää tämän keksinnön laajempien ajatusten toteuttamisessa. Esimerkiksi vaikka anodin takalevyn on esitetty ja selostettu käyttävän pyöreälankaisia tankoja pinnallaan, voitaisiin yhtä hyvin käyttää litteitä suorakulmaisia 10 palkkeja tai muutoin sopivan geometrisen muodon omaavia rakenteita, kuten kolmikulmaisia, viisikulmaisia, kuusikulmaisia, kahdeksankulmaisia jne. Lisäksi erotinverkko voisi olla altistettu hydrofiilille, joka sisältää lisäaineita tai sellaisia lisäaineita voisi olla elektrolyy-15 tissä. Erotinverkko voisi myös olla asennettu kennoon kalvon ja katodilevyn väliin, missä yhteydessä hydraulinen paine muutetaan siten, että kalvo pakotetaan irti anoditangoista ja erotinverkkoa vasten. Oheisten patenttivaatimusten suojapiiri on tarkoitettu kattamaan kaik-20 ki ilmeiset muutokset yksityiskohdissa, materiaaleissa ja osien järjestelyssä, jotka tulevat alan ammattimiehen mieleen tämän selostuksen lukemisen jälkeen.

Claims (27)

1. Elektrolyysikenno (10), jossa on yläosa ja pohja sekä niiden läpi virtaava anolyytti ja katolyytti, 5 tunnettu siitä, että se käsittää yhdistelmänä (a) anodin (11); (b) anodin (11) vieressä olevan kationinvaihtokal-von (25); (c) erotinvälineen (21), joka on anodin (11) ja 10 kalvon (25) välissä estämässä kalvoa koskettamasta anodia (H); (d) huokoisen monikerroksisen katodilevyn (26), jolla on ensimmäinen pinta (48) kalvon (25) vieressä ja vastakkainen toinen pinta, jolloin toinen pinta on rei'- 15 itettyä materiaalia oleva tukikerros (41), jonka päällä on toinen kuitukerros (44) ja tämän toisen kerroksen päällä oleva kolmas kuitukerros (48), joka on vähemmän tiheä kuin toinen kerros (44) ja joka muodostaa ainakin osan ensimmäisestä pinnasta (48), joka on kalvon vieres- 20 sä; ja (e) katoditakalevyn (28), joka on katodilevyn vastakkaisen toisen pinnan vieressä ja jossa on virtaussulku (30), joka ulottuu oleellisesti vaakasuunnassa katoditakalevyn poikki määrittäen ylemmän katolyyttikammion (39) 25 ja alemman katolyyttikammion (38), jolloin virtaussulku (30) keskeyttää katolyytin oleellisesti pystysuoran virtauksen kennon (10) pohjalta kennon yläosaan saattaen oleellisesti kaiken katolyytin muuttamaan virtaussuuntaa ja kulkemaan kahdesti huokoisen katodilevyn (26) läpi 30 poikittain katodilevyn (28) ensimmäiseen pintaan ja vas takkaiseen toiseen pintaan nähden, niin että se kulkee virtaussulun (30) ohi ja poistuu kennosta (10).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kenno, tunnettu siitä, että katolyytti tulee sisään kennoon 35 (10) ainakin yhden katolyytin sisääntuloaukon (35) kaut- 28 8841 0 ta, joka syöttää alempaan katolyyttikammioon (38).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kenno, tunnettu siitä, että ainakin yksi katolyytin sisääntu-loaukko (35) lisäksi syöttää katolyytin jakeluloveen (32) 5 kartiomaieen siirtymäloven (35') kautta.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kenno, tunnettu siitä, että katolyytti poistuu kennosta (10) ainakin yhden katolyytin ulosmenoaukon (36) kautta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kenno, t u n - 10. e t t u siitä, että katolyytin virtaussululla (30) on lisäksi ainakin yksi kaasun tihkureikä (17), joka ulottuu oleellisesti pystysuorassa sen läpi yhdistäen suoraan alemman katolyyttikammion (38) ylempään katolyyttikammioon (39) mahdollistaakseen kaasun kulkemisen lävitseen.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen kenno, tun nettu siitä, että anodi lisäksi käsittää anoditaka-levyn (11), jossa on ainakin yksi anolyytin sisääntulo-aukko (18) anolyytin tuomiseksi sisään kennoon ja ainakin yksi anolyytin ulosmenoaukko (19) anolyytin poistamiseksi 20 kennosta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kenno, tunnettu siitä, että ainakin yksi anolyytin sisääntulo-aukko (18) lisäksi syöttää anolyytin jakelu-uraan (15) ainakin yhden kartiomaisen anolyytin siirtymäloven (18') 25 kautta.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kenno, tunnettu siitä, että anodi lisäksi käsittää useita ano-ditankoja (12), jotka ulottuvat anolyytin jakelu-uran (15) ja anolyytin keräilyuran (16) välillä, jotka ovat 30 samansuuntaisia ja pystysuorasti kohdakkain.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen kenno, tunnettu siitä, että katolyytti lisäksi käsittää puskuroidun, vesipitoisen alkalimetallibisulfiittiliuoksen.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kenno, t u n - 35. e t t u siitä, että alkalimetallibisulfiitti on nat- 29 8841 0 riumbisulf Uttia.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen kenno, tunnettu siitä, että anolyytti käsittää natriumhydrok-sidin ja deionisoidun veden seoksen.

12. Elektrodi (26), joka on puristettu yhteen ja liitetty sintraamalla pelkistävässä ympäristössä käytettäväksi sähkökemiallisessa kennossa, tunnettu siitä, että se käsittää yhdistelmänä ainakin: (a) tukikerroksen (41), joka on muodostettu rei'- 10 itetystä materiaalista; (b) toisen kuitukerroksen (44) tukikerroksen päällä? ja (c) kolmannen kuitukerroksen (48), kuitujen (49) ollessa halkaisijaltaan pienempiä kuin toisen kerroksen 15 (44) kuidut (45) ja niiden ollessa sijoitettu toisen ker roksen päälle.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että rei'itettya materiaalia olevalla tukikerroksella (41) on noin 23 %:n avoin alue.

14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että yksittäisillä kuiduilla (45) toisessa kuitukerroksessa (44) on halkaisija, joka on noin 20 - 100 |im.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen elektrodi, 25 tunnettu siitä, että yksittäisillä kuiduilla (45) toisessa kuitukerroksessa (44) on halkaisija, joka on noin 25 μιη.

16. Patenttivaatimuksen 12 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että toisen kerroksen (44) kuidut 30 (45) ovat kudottu silmäverkko.

17. Patenttivaatimuksen 14 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että toisella kuitukerroksella (44) on tiheys, joka on noin 0,00297 N/cm2.

18. Patenttivaatimuksen 14 mukainen elektrodi, 35 tunnettu siitä, että yksittäisillä kuiduilla (49) 30 8841 0 kolmannessa kuitukerrokseesa (48) on halkaisija, joka on noin 4-16 |im.

19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että yksittäisillä kuiduilla (49) 5 kolmannessa kuitukerrokseesa (48) on halkaisija, joka on noin 8 μπι.

20. Patenttivaatimuksen 17 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että kolmannella kuitukerroksella (48) on tiheys, joka on noin 0,00575 N/cm2.

21. Patenttivaatimuksen 12 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että toisen kerroksen (44) ja kolmannen kerroksen (48) kuidut on valittu ryhmästä, joka muodostuu ruostumattomasta teräksestä, nikkelistä, teräksestä, kuparista ja hiiligrafiitista.

22. Patenttivaatimuksen 12 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että elektrodi edelleen käsittää kolmannen kuitukerroksen päällä olevan neljännen kerroksen (50), joka on verkkomaista metallikudosta.

23. Patenttivaatimuksen 22 mukainen elektrodi, 20 tunnettu siitä, että elektrodi on katodi.

24. Patenttivaatimuksen 23 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että elektrodin kokonaispinta-alan suhde työpinta-alaan on ainakin noin 30:1.

25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen elektrodi, 25 tunnettu siitä, että kolmannen kuitukerroksen (48) kokonaispinta-ala-tilavuussuhde on suurempi kuin 100 cm2/cm2.

26. Patenttivaatimuksen 25 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että elektrodin huokoisuus on ai- 30 nakin noin 60 %.

27. Patenttivaatimuksen 26 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että elektrodin huokoisuus on noin 70 - 90 %. 3i 8 8 410 Patentkrav ϊ