NL7905820A - Kathode-element. kathode met tenminste een zo'n element en elektrolytische cel voorzien van een derge- lijke kathode. - Google Patents

Description

•ft ,1 »*> ί PPG Industries. Inc., te Pittsburgh, Pennsylvania, Ver. St. v. Amerika.

Kathode-element, kathode met tenminste één zo'n element en elektrolytische cel voorzien van een dergelijke kathode,

De elektrolyse van alkalimetaalchloriden, bijvoorbeeld kaliumchloride of natriumchloride oplossingen voor de bereiding van chloor en van het bijbehorende alkalimetaalhydroxyde bijvoorbeeld natriumhydroxy-de of kaliumhydroxyde, kan worden uitgevoerd in een elektrolytische cel 5 die is uitgerust met een anode welke van een kathode is gescheiden door een geschikt scheidingsorgaan. In een dergelijke cel, aangeduid als dia-fragmacel, bijvoorbeeld een cel met een asbestdiafragma of een synthetisch microporeus diafragma of met een voor ionen selectief permeabel membraan, bestaat de anolytvloeistof, dat wil zeggen de elektrolyt die in 10 contact met de anode, uit een zure, chloor-bevattende pekel die cirka 175-250 g/1 natriumchloride of cirka 220-320 g/1 kaliumchloride bevat en een pH heeft van cirka 1,5-5,5.

De katholytvloeistof, ook wel aangeduid als celvloei-stof, is een sterk alkalische oplossing van hetzij kaliumhydroxyde of 15 natriumhydroxyde. In een elektrolytische cel met een voor ionen selectief permeabel membraan is de katholytvloeistof praktisch vrij van chloor en bevat cirka 10-50 gew.% alkalimetaalhydroxyde. In een diafragmacel bevat de katholytvloeistof cirka 15-25 gew.% natriumchloride of cirka 19-35 gew.% kaliumchloride.

20 Het scheidingsorgaan tussen de anolyt en de katholyt kan bestaan uit een asbestdiafragma, dat wil zeggen een diafragma vervaardigd uit vezelige of deeltjesvormige asbest afgezet uit een suspensie in celvloeistof. Een dergelijk scheidingsorgaan is permeabel voor elektrolyt en levert een katholytvloeistof op die hetzij cirka 15-25 gew.% 25 natriumchloride en cirka 10-15 gew.% natriumhydroxyde bevat of een katho- * lytvloeistof die cirka 19-35 gew.% kaliumchloride en cirka 13-20 gew.% kaliumhydroxyde bevat.

Het scheidingsorgaan kan ook een synthetisch scheidings- 7905820

Jp- 2 orgaan zijn zoals hierna uitvoerig wordt beschreven. Synthetische schei-dingsorganen kunnen hetzij microporeuze diafragma's zijn of membranen die selectief permeabel zijn voor ionen. Microporeuze diafragma's zijn permeabel voor elektrolyt en leiden tot een katholytvloeistof die hetzij 5 cirka 15-25 gew.% natriumchloride en cirka 10-15 gew.% natriumhydroxyde bevat of cirka 19-35 gew.% kaliumchloride en cirka 13-20 gew.% kalium-hydroxyde bevat.

Het synthetische scheidingsorgaan kan ook een voor ionen selectief permeabel membraan zijn met aan polymeermateriaal gebonden 10 zuurgroepen. Die zuurgroepen geven selectiviteit voor kationen. Dat wil zeggen het voor ionen selectief permeabele membraan is permeabel voor kationen maar niet permeabel voor anionen. In een elektrolytische cel met een voor ionen selectief permeabel membraan is de katholyt praktisch vrij van chloor, dat wil zeggen bevat in het algemeen minder dan 1 gew.% 15 alkalimetaalchloride en bij voorkeur minder dan 0,1 gew.% alkalimetaal- chloride en bevat cirka 10-50 gew.% alkalimetaalhydroxyde.

Het synthetische scheidingsorgaan zélf wordt gewoonlijk vervaardigd uit een halogeen-bevattend polymeermateriaal, dat wil zeggen een halogeenkoolstof polymeer. Halogeenkoolstof polymeren zijn 20 onder andere fluorkoolstof polymeren, chloorfluorkoolstof polymeren, koolwaterstoffluorkoolstof polymeren en koolwaterstofchloorfluorkoolstof polymeren.

Fluorkoolstof polymeren zijn onder andere polymeren met perfluoretheen-, hexafluorpropeen- of perfluoralkylvinylether resten 25 of copolymeren of terpolymeren daarvan. Chloorfluorkoolstof polymeren zijn onder andere polymeren, copolymeren en terpolymeren van chloortri-fluoretheen met perfluoretheen, hexafluorpropeen en perfluoralkylvinyl-ethers.

Koolwaterstof-fluorkoolstof polymeren zijn onder andere 30 polymeren van vinylfluoride en van vinylideenfluoride, copolymeren van etheen met vinylfluoride, vinylideenfluoride, tetrafluoretheen, hexa-fluorpropeen en perfluoralkylvinylethers en copolymeren van vinylfluoride of vinylideenfluoride met elkaar of met perfluoretheen, hexafluorpropeen of perfluorvinylalkylethers, 35 Koolwaterstof-chloorfluorkoolstof polymeren zijn onder 790 5 8 20 3 andere copolymeren van vinylfluori.de, vinylideenfluoride, etheen, vinyl-chloride en vinylideenchloride met chloorfluorkoolstofverbindingen alsmede copolyoeren van vinylchloride en vinylideenchloride met perfluoretheen, hexafluorpropeen en/of perfluoralkylvinylethers.

5 Polymeren met een hoge fluoreringsgraad zijn bijzonder gunstig voor het hier beoogde doel.

Als het synthetische scheidingsorgaan een microporeus diafragma is kunnen al of niet zuurgroepen in het polymeer aanwezig zijn.

‘ Als het synthetische scheidingsorgaan echter een voor ionen selectief 10 permeabel membraan is, zijn er zuurresten een het polymeer aanwezig die dienen als voor kationen selectieve plaatsen. Voor kationen selectieve zuurgroepen zijn onder andere sulfonylgroepen, derivaten van sulfonyl-groepen bijvoorbeeld sulfonamidegroepen, sulf onzuurgroepen, carboxylgroe-pen, derivaten van carboxylgroepen zoals estergroepen, fosfonzuurgroepen, 15 en fosforzuurgroepen. Meestal worden sulfonylgroepen en derivaten of carboxylgroepen en hun derivaten gébruikt om zowel de hier bedoelde voor ionen selectief permeabele membranen als de microporeuze diafragma' s die eventueel voor kationen selectieve groepen dragen, te vormen.

Er is vastgesteld dat men bij de elektrolyse van 20 alkalimetaalchloriden in elektrolytische cellen met synthetische schei- dingsorganen superieure resultaten verkrijgt als het synthetische scheidingsorgaan zich op een zekere afstand van de als kathode werkzame elektrode bevindt. Eén mogelijkheid om dit te bereiken is dat men de synthetische scheidingsorganen pp de anode monteert. Synthetische scheidings-25 organen worden echter normaliter geleverd in de vorm van grote vellen.

Het monteren van deze vellen op een elektrode zodat ze een gesloten omhulsel vormen vereist het aan elkaar of aan zichzelf vasthechten van de vellen van het voor de synthetische scheidingsorganen dienende materiaal. Het vasthechten kan het gebruik meebrengen van verwarmen, van sterk zure 30 media of van sterk alkalische media. Dit is schadelijk voor de anode, als het vasthechten ten dele plaatsvindt nadat het synthetische schei^igs-orgaan op de anode is gemonteerd.

Gevonden werd nu, dat men een bijzonder gunstige elektrode-configuratie kan verkrijgen waarbij het synthetische scheidings-35 orgaan zich op een zekere afstand van de kathode bevindt, waarbij die 79058 20 4 y elektrode-configuratie wordt gekenmerkt door een holle kathodevinger die zich in buitenwaartse richting uitstrekt en door een synthetisch schei-dingsorgaan rondom het kathode-element, dat wil zeggen rondom de kathodevinger, steunend op zich naar buiten uitstrekkende uitsteeksels. De uit-5 steeksels kunnen bestaan uit het elektrolytisch actieve oppervlak of ze kunnen zich vanaf het elektrolytisch actieve oppervlak naar buiten uitstrekken.

Een dergelijk element kan worden gebruikt in hetzij een monopolaire elektrolytische cel of in een bipolaire elektrolytische 10 cel en biedt het voordeel dat het scheidingsorgaan zich op een zekere afstand van de kathode bevindt, bijvoorbeeld dichter bij de anode dan bij de kathode.

De uitvinding wordt hierna nader beschreven en toegelicht aan de hand van de figuren.

15 Fig. 1 geeft een perspectivische schets, met enkele gedeelten weggelaten, van een bipolaire elektrolysecel.

Fig. 2 geeft een perspectivische schets, met enkele gedeelten weggelaten, van een bipolair element, dat wil zeggen van een bipolaire elektrode.

20 Fig. 3 geeft een perspectivische schets met gedeelten weggelaten van een kathode-element volgens de uitvinding.

Fig. 4 geeft een doorsnede weer van een bipolair element volgens fig. 2 volgens de lijn 4'-4'.

Fig. 5 geeft een doorsnede weer van een bipolair 25 element volgens fig. 2 volgens de doorsnedelijn 5'-5’.

Fig. 6 geeft een perspectivische schets, met enkele gedeelten weggelaten van een andere uitvoeringsvorm van het kathode-element.

In één uitvoeringsvorm heeft een kathode-element vol-30 gens de uitvinding een holle kathodevinger met een paar voor elektrolyt permeabele zijwanden die onderling praktisch evenwijdig lopen op enige afstand van elkaar. Met de zijwanden zijn uitsteeksels verbonden die vanaf de zijwanden naar buiten uitsteken èn die dienen om een synthetisch scheidingsorgaan dat het kathode-element omgeeft, van de zijwanden van de 35 kathode gescheiden te houden en op een zekere afstand van en praktisch 790 5 8 20 e 5 evenwijdig met de zijwanden van het kathode-element te houden. Het kathode-element vozmt een deel van een kathode-eenheid, die omvat het kathode-element, een rug- of steunplaat die via elektrische geleidingsorganen in elektrische verbinding staat met het kathode-element en een rooster aan 5 de rugzijde dat zich op een zekere afstand van en praktisch evenwijdig met de rug- of steunplaat uitstrekt. Het kathode-element en het rooster aan de rugzijde zijn door een voor elektrolyt niet doorlaatbare verbinding met elkaar verbonden zodat in het kathode-element en tussen het rooster aan de rugzijde en de rug- of steunplaat een bepaald volume wordt 10 omsloten. Dit volume vormt het katholytcompartiment.

Het verband tussen de kathode-constructie volgens de uitvinding en een elektrolytische cel, bijvoorbeeld een eléktrolytische cel van een bipolaire elektrolyse-inrichting wordt getoond in fig. 1.

De bipolaire elektrolyse-inrichting 1 omvat een aantal afzonderlijke 15 elektrolytische cellen 11, bijvoorbeeld 2-100 van dergelijke cellen of zelfs meer. Elke afzonderlijke elektrolytische cel 11 is uitgerust met een anode-eenheid 51 van de ene bipolaire elektrode-eenheid 21 en van een kathode-eenheid 71 van de volgende bipolaire elektrode-eenheid 21. Elke cel heeft een anode-eenheid 51 die is voorzien van organen 31 voor de 20 toevoer van pekel, van organen 33 voor het terugwinnen van pekel en van een uitlaat 35 voor chloor. Verder bezit de anode-eenheid 51 een tegen anolyt bestendige plaat 24 die zich op de rug- of steunplaat 22 bevindt en een tegen anolyt bestendige bekleding 28 op de inwendige oppervlakken van de anode-eenheid 51, zoals de celwanden 25, het dak van de cel 26 en 25 de bodem van de cel 27. Vanaf de anode-eenheid 51 strekken zich in buiten waartse richting anodeplaten 53 uit.

De kathode-eenheid 71 van de cel 11 is uitgerust met organen 37 voor de toevoer van water, organen 39 voor het winnen van cel-vloeistof, organen 41 voor het winnen van waterstof, een kathode-element 30 81 en een rooster 73 aan de rugzijde dat zich op enige afstand vanaf de rug- of steunplaat 22 bevindt.

Het basis constructie-element van de elektrolyse-inrichting 1 is de bipolaire eenheid 21 die ^algemeen is weergegeven in fig.

1 en die in detail is weergegeven in de fig. 2, 4 en 5. De rug- of steun-35 plaat 22 scheidt de anode-eenheid 51 van de bipolaire eenheid 21 van de 790 5 8 20 6 kathode-eenheid 71 van de bipolaire eenheid 71. De rug- of steunplaat 22 heeft twee onderdelen, een zware tegen katholyt bestendige plaat 23 en een dunne tegen anolyt bestendige plaat 24. Zoals hiervoor beschreven bedekt een dunne tegen anolyt bestendige afscherming, laag of bekleding 28 de 5 deksel 26, de bodem 27 en de wanden 28 van het anolytcompartiment van de bipolaire eenheid 21.

Anodes 53 strekken zich naar buiten uit vanaf de rug-of steunplaat 22, terwijl kathode-elementen 81 zich vanaf de.andere zijde 23 van de bipolaire eenheid 21 naar buiten uitstrekken.

10 De kathode-eenheid 71 van de bipolaire eenheid 21 om vat een aantal afzonderlijke kathode-elementen 81 met kathode-vingers 83 en met een synthetisch scheidingsorgaan 101 op een zekere afstand vanaf de kathode-vingers 83 dankzij de uitsteeksels 91. De kathode-eenheid 71 omvat ook een rooster 73 aan de rugzijde dat zich pp een zekere afstand 15 van de rug- of steunplaat 22 en praktisch evenwijdig aan de rug- of steun plaat 22 uitstrekt. Het rooster 73 aan de rugzijde kan zijn vervaardigd uit hetzelfde materiaal als de kathode-vingers 83 en het lean al of niet zijn voorzien van uitsteeksels 91. Als het rooster 73 aan de rugzijde is vervaardigd uit hetzelfde materiaal als de kathode-vingers 83 kan het 20 dienen als een hulpelektrode-oppervlak. Het kan echter ook zijn vervaar digd uit een niet-actief maar permeabel metaal waardoor het synthetische scheidingsorgaan 101 in staat is te functioneren. Het rooster 73 aan de rugzijde kan ook zijn vervaardigd uit een materiaal dat praktisch niet permeabel is voor hetzij elektrolyt of ionen.

25 De niet voor elektrolyt permeabele zijwanden 85 van de afzonderlijke kathode-elementen 81 lopen onderling evenwijdig en bevinden zich op een zekere afsteind van elkaar. Ze kunnen zijn vervaardigd uit «instructiematerialen die gewoonlijk worden toegepast voor de vervaar-* diging van kathodes, bijvoorbeeld uit ijzer, legeringen van ijzer met 30 kobalt, nikkel, mangaan, koolstof of dergelijke. Ook kunnen de voor elek trolyt permeabele zijwanden 85 zijn vervaardigd uit roestvast staal.

De zijwanden 85 van de holle kathode-vingers 83 kunnen voor elektrolyt permeabel zijn, bijvoorbeeld bestaan uit geperforeerde plaat of uit een metaalgaas met gaatjes. Ook kunnen ze als jaloziën zijn 35 uitgevoerd waar de elektrolyt tussen door kan stromen. Het kathode-element 790 5 8 20

Cr 7 81 kan hetzij aan de bovenzijde open of gesloten zijn al naar in een bepaald geval geschikt is, zodat het bevestigen of verbinden of afsluitend aanbrengen van het synthetische scheidingsorgaan 101 mogelijk is, bijvoorbeeld door middel van verborgen aandrukorganen of dergelijke.

5 Met de zijwanden 85 van de kathode-vingers 83 zijn uitsteeksels 91 verbonden. Het doel van de uitsteeksels 91 is om het synthetische scheidingsorgaan 101 op een zekere afstand van de zijwanden van de kathode te houden en, in de uitvoeringsvorm weergegeven in fig. 6, extra elektrolytisch oppervlak te leveren, in het geval dat de uitsteek-10 seis 91 elektrolytisch actief zijn.

De uitsteeksels 91 kunnen hetzij geleidend of niet-geleidend zijn. Als ze geleidend zijn kunnen ze zijn vervaardigd uit'een metalliek materiaal, bijvoorbeeld hetzelfde materiaal waaruit ook de kathode-vingers zijn vervaardigd, dat wil zeggen ijzer, een of andere 15 ijzerlegering, staal of roestvast staal zoals hiervoor werd aangegeven.

Als ze niet-geleideid zijn kunnen ze zijn vervaardigd uit een film-vormend metaal (een metaal dat in de elektrolyt een hechtend oxydelaagje vormt, bijvoorbeeld titaan, tantaal of wolfraam. De uitsteeksels 91 kunnen ook zijn vervaardigd uit een keramisch materiaal, een koolstof-houdend mate-20 riaal, grafiet of een polymeermateriaal.

De uitsteeksels 91 kunnen met de zijwanden 85 van de kathode zijn verbonden door vastlassen, bevestigen met bout, solderen, vastkitten, persen of ponsen. De uitsteeksels kunnen hol zijn, zodat er lucht of oxyderend gas doorheen kan, bijvoorbeeld om de kathode te depo-25 lariseren.

De uitsteeksels 91 kunnen vertikaal of horizontaal of onder een schuine hoek zijn geplaatst. Aan vertikaal geplaatste uitsteeksels 91 wordt de voorkeur gegeven als de uitsteeksels 91 evenwijdig lopen met de zijwanden 85. Hoewel de uitsteeksels 91 evenwijdig kunnen zijn met 30 de zijwanden 85 kunnen ze ook praktisch loodrecht op de zijwanden 85 staan.

Ze kunnen de vorm hebben van staven of van vinnen en zich tot ongeveer 10 mm van het oppervlak van de kathode uitstrekken als ze xiiet-geleidend * zijn en tot ongeveer 15-20 mm als ze geleidend zijn en staan ongeveer 2-10 mm uit elkaar.

35 Bij de uitvoeringsvorm van fig. 6 ontbreken de 790 5 8 20

Claims (17)

10 Het synthetische scheidingsorgaan 101 bevindt zich op het buitenoppervlak van de kathode-vinger 83. Het vlak gevormd door de remden en de uiteinden vem de uitsteeksels 91 steunt het synthetische scheidingsorgaan 101. Het synthetische scheidingsorgaan 101 kan zich ook op het buitenoppervlak van het rooster 73 aan de rugzijde bevinden.

15 Er kan één plaat 101 van het synthetische scheidings orgaan aanwezig zijn die zich over alle vingers 81 en het rooster 73 aan de rugzijde uitstrekt of er kunnen verschillende platen 101 aanwezig zijn# bijvoorbeeld# zoals weergegeven in fig. 3# zodanig dat de afzonderlijke kathode-vingers 83 elk voor zich kunnen worden verwijderd en op hun plaats 20 gebracht. De hier beschreven kathode-eenheid kan hetzij deel uitmaken van een bipolaire elektrolyse-inrichting of deel uitmaken van een monopolaire elektrolysecel. De uitvinding werd hiervoor uitvoerig beschreven aan 25 de hand van bepaalde uitvoeringsvormen; de uitvinding is uiteraard niet tot deze uitvoeringsvormen beperkt# maar omvat ook alle binnen het kader van de uitvinding mogelijke modificaties en variaties.

1. Kathode-element# gekenmerkt door een holle kathode-30 vinger met een paar voor elektrolyt permeabele zijwanden die onderling praktisch evenwijdig en op een zekere afstand van elkaar zich. uitstrekken# door met de zijwanden verbonden uitsteeksels die zich vanaf de zijwanden in buitenwaartse richting uitstrekken en door een synthetisch scheidingsorgaan dat het kathode-element omgeeft en zich gp een zekere afstand van 35 en praktisch evenwijdig met de zijwanden uitstrekt en mist op de uitsteeksels0 790 58 20

2. Kathode-element: volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uitsteeksels vinnen zijn.

3. Kathode-element volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uitsteeksels staven zijn die onderling en met de zijwanden 5 praktisch evenwijdig lopen. 4» Kathode-element volgens conclusie 1, met het kenmerk. dat de uitsteeksels staven zijn die onderling praktisch evenwijdig lopen en praktisch loodrecht op de zijwanden staan.

5. Kathode-element volgens één der voorgaande conclu- 10 si es, met het kenmerk, dat de uitsteeksels praktisch niet-geleidend zijn.

6. Kathode-element volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de zijwanden geperforeerd zijn.

7. Kathode-element volgens één der voorgaande conclusies , met het kenmerk, dat de zijwanden uit gaas bestaan.

8. Kathode-eenheid, gekenmerkt doordat deze omvat (a) een kathode-element met (1) een holle kathode-vinger met een paar voor elektrolyt permeabele zijwanden die onderling praktisch evenwijdig lopen op een zekere afstand van elkaar en met elektrische geleidingsorganen aan een basis daarvan, (2) uitsteeksels, verbonden met de zijwanden en zich 20 van daaruit in buitenwaartse richting uitstrekkend, (3) een synthetisch scheidingsorgaan dat het kathode-element omgeeft en zich praktisch evenwijdig en op een zekere afstand van de zijwanden uitstrekt en op de uitsteeksels rust, (b) een rug- of steunplaat in elektrisch contact met het kathode-element via de elektrische geleidingsorganen en (c) een rooster 25 aan de rugzijde dat zich op een zekere afstand van en praktisch evenwijdig aan de rug- of steunplaat uitstrekt, waarbij de kathode-vinger en het rooster aan de rugzijde zijn verbonden door een verbinding die ondoorlaat-baar is voor elektrolyt, zodat in de holle vinger en tussen het rooster aan de rugzijde en de rug- of steunplaat een bepaald volume wordt begrensd.

9. Kathode-eenheid volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de uitsteeksels vinnen zijn.

10. Kathode-eenheid volgens conclusie 8, met het ken-merk, dat de uitsteeksels staven zijn die onderling en met de zijwanden praktisch evenwijdig lopen.

11. Kathode-eenheid volgens conclusie 8, met het ken- 790 5 8 20 merk, dat de uitsteeksels staven zijn die onderling praktisch evenwijdig lopen en praktisch loodrecht op de zijwanden staan.

12. Kathode-eenheid volgens conclusie 8-11, met het kenmerk, dat de uitsteeksels praktisch niet-geleidend zijn. 5 13, Kathode-eenheid volgens conclusie 8-12, met het kenmerk, dat de zijwanden geperforeerd zijn.

14. Kathode-eenheid volgens conclusie 8-13, met het kenmerk, dat de zijwanden uit gaas bestaan.

15. Kathode-eenheid, gekenmerkt doordat deze omvat 10 (a) een kathode-element met (1) een kathode-vinger met een kathode-gelei- der met elektrische geleidingsorganen aan een basis daarvan, (2) kathode-platen gemonteerd op de kathode-geleider die zich praktisch loodrecht op de hoofdas daarvan uitstrekken, (3) een synthetisch scheidingsorgaan dat het kathode-element omgeeft en rust op de kathöde-platen, (b) een rug- of 15 steunplaat in elektrisch contact met het kathode-element via elektrische gleidingsorganen en (c) een rooster aan de rugzijde op enige afstand van en praktisch evenwijdig met de rug- of steunplaat en praktisch loodrecht op de kathode-vinger, waarbij de kathode-vinger en het rooster aan de rugzijde zijn verbonden door een verbinding die ondoorlaatbaar is voor elek-20 trolyt, zodat in de vinger en tussen het rooster aan de rugzijde en de rug- of steunplaat een bepaald voltime wordt begrensd.

16. Kathode-eenheid volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de kathode-platen onderling praktisch evenwijdig lopen.

17. Elektrolytische cel, voorzien van een kathode-25 eenheid volgens één der conclusies 8-16. 790 5 8 20