NO140504B - Belagt titananode for amalgamhoeybelastningsceller - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en belagt titananode for amal-gamhøybelastningsceller, særlig for anvendelse ved anodiske strømtettheter D større enn 10 kA/m <2>, hvilken anode har et stort antall metallband som er anordnet med en felles leder og har en aktiv belagt del, hvorved minst halvparten av den virksomme overflate er anordnet loddrett til anodens basisflate.

De store klorgassmengder som utvikles ved anoden i høyt strømbelastede kloralkalielektrolyseceller må av energet-iske grunner hurtigst mulig føres bort fra elektrodeområdet.

Et opphold av klorgassbobler i elektrodeområdet bevirker som kjent en ømfindtlig økning av cellespenningen og en reduksjon av strømutbyttet. Denne effekt som er blitt kjent under samle-begrepet "gassbobleeffekt" førte i de siste år til konstruk-sjonsforandringer ved grafittanoder. Således ble f. eks. de horisontalt anordnede anodeplater utstyrt med tallrike slisser og gassavtrekkshull, noe som ved strømtettheter DA = 10 kA/m<2 >også virkelig har bragt den ønskede effekt. En videre økning av strømtettheten forhindres etter hvert av de keramikklignende grafittanoder av klassisk konstruksjon. Ved meget høye strøm-tettheter DA større enn 10 kA/m 2 blir det nemlig vanskelig hur-tig nok å fjerne den utviklede klorgass fra undersiden av selv en sterkt oppslisset horisontal anodeplate som er utstyrt med mange gassavtrekkshull. Høyere overspenning i grafitten og større spenningstap i de med klorgassbobler anrikede elektrolytter er resultatet. Dessuten øker den indre motstand, gra-fittapet og transportømfindtligheten for anodene med antall slisser og gassavtrekkshull. Denne begrensning har man forsøkt å omgå ved anvendelsen av den i tysk utlegningsskrift nr. 2029640 beskrevne grafittanode. Det dreier seg her om en anode som består av en rekke tynne, vertikale grafittplater. Grafittplatene står i en avstand som er tilpasset strømtetthe-ten på tvers av strømningsretningen for kvikksølvkatoden. Lengden av platene tilsvarer katodebredden og på undersiden er de kamlignende oppslisset, på oversiden bærer de nedsenkende kontaktbøssinger av anodisk bestandig materiale og under mellom-kobling av trauformede belger av korrosjonsbestandig elastomer er slik forbundet med strømfordelerskinner at med unntak av de bøssingbelagte grafittplater vil alle" strømførende deler be-finne seg utenfor cellens indre. I kvikksølvceller utstyrt med denne anodekonstruksjon som blir drevet med strømtettheter

Dva erdfria en1) 0 sytnikl e 1u3 ndkAer /m 20, ,1h1 aV r ^ mma2n , nloate t sosm pentnidinlgigsberive ersdyniten es (u<k>m<->ulig for amalgamceller med elektrografittanode. Det mål å muliggjø-re den intensiverte klorkalielektrolyse i moderne amalgamceller med lav spenning er dermed imøtekommet med den i tysk utlegningsskrift nr. 2029640 beskrevne anode. En nøyaktig analyse av forbruket av den nevnte elektrode førte imidlertid samtidig til den slutning at spenningsbiverdier k mindre nn 0,10 forble uoppnåelige til tross for ytterligere grafittanodeforbedring. De oppnådde 12,5 mm brede steg (tenner) ved slissene til de 40 mm tykke grafittplater har på grunn av de med strømtetthet mellom 10 og 13 kA/m 2 drevede NaCl-elektrolyser tilspisset seg så sterkt at den mot kvikksølvkatoden vendte anodedel snart bare hadde prismatiske tenner med en bredde på det skarpe profil på ca. 10 mm og en profilhøyde på ca. 15 mm. De anodeområder som var beliggende lenger borte fra katoden hadde likeledes uvanlig sterke spor av elektrokjemiske angrep. Dette slitasjebilde ved samtidig gunstig k-verdi overrasker overordentlig. Det ligner i praksis slitasjebildet til horisontale grafittanode-plater i NaCl-elektrolytter som er forurenset med alkali, som ofte er beskrevet med uttrykket "haitenner", som til tross for sterkt trykk fra disse anoder stadig bevirker høye cellespenn-inger. Herav må det sluttes at høybelastningsanoden ifølge tysk utlegningsskrift nr. 2029640 på grunn av sin bedre klorboble-bortføring sprer den elektriske strøm langt bedre enn de klassiske, stempelformede, horisontalt anordnede anodeplater "utstyirt med slisser og gassavtrekkshull. Den kjente anode er ved med høy strømtetthet drevet elektrolyse enda sterkt virksom opp til større profilhøyder, dvs. til overflateområder, som har en avstand på 15 mm eller mer fra stegspissene.

Denne viktige erkjennelse skal utnyttes ved utvik-lingen av en forbedret belagt titananode for amalhøybelast-ningscelle, særlig for anvendelse ved anodiske strømtettheter

2

DA større enn 10 kA/m .

Det er kjent metallanoder for amalgamceller, hvis aktive del består av belagt titan i form av hullplater eller strekkmetall. Disse anoder mangler den nødvendige høyde og store overflate for strømspredningen.

Videre er det kjent metallanoder, hvis aktive belegg er påført på en horisontalt anordnet parallell rekke av titanrundstaver, som sammenholdes av ubelagte tverribber. Slike anoder av tynne titanrundstaver mangler likeledes den nødven-dige høyde for strømspredningen. Anoder som er fremstilt av tykke rundstaver har riktignok den nødvendige høyde, imidlertid befinner den øvre halvdel av den aktiverte stavoverflate seg i en ugunstig stilling i forhold til kvikksølvkatoden. Den ligger i skyggen av den nedre stavhalvdel. Strømspredningene til den aktiverte overflate for den øvre stavhalvdel blir dessuten vanskeliggjort, henholdsvis fullstendig avbrutt av den sterke anriking av elektrolytten med klorgassbobler i det trange område til spalten mellom rundstavene. Tekniske elek-trolyseforsøk med metallanoder, hvis aktive del av belagte ti-tanstaver med en diameter større enn 5 mm i strømtetthetsområ-det DA mellom 10 ogl5 kA/m 2 har vist at anodeprosessen nesten utelukkende finner sted på stavoverflaten mot kvikksølvkatoden, og at også økninger av avstanden mellom rundstavene ikke vesentlig forbedret strømspredningen.

■Dessuten er det kjent metallanoder, hvis aktive del består av belagte tynne titanstrimler, som enten er anordnet loddrett eller i en vilkårlig annen vinkel til katoden. I det belgiske patent nr. 645039 blir det f. eks. foreslått titananoder belagt med platinametall, hvis aktive del foreligger i form av ribber, henholdsvis plater som er anordnet loddrett til kvikksølvkatoden og parallelt til hovedstrømningsretningen for den elektriske strøm, og i hvis nærhet det befinner seg gassavtrekkshull, henholdsvis spalte. Platinametallbelegning blir fortrinnsvis eller utelukkende påført på de loddrette flater til ribbene, henholdsvis platene. Dette tiltak skal motvirke faren for en beskadigelse av ømfindtlig platinametallbelegg av

amalgam i tilfelle av en berøring med katoden. Den skal også muliggjøre drift for anoden i en ca. 1 mm større avstand fra katoden enn en anode fremstilt av fletning ved den samme celle-spenning, hvorved likeledes kortslutningsfaren er redusert. Til de avgjørende ulemper ved denne anode teller den lave høyde for det aktive belegg på bare 2,54 mm og den lille aktive virksomme overflate i nærområdet med hensyn til motelektroden.

Foruten en større høyde for den aktive anodedel skulle den forbedrede titananode utmerke seg ved 1) en overordentlig stor aktiv overflate og dette såvel i nærområdet som også i fjernområdet med hensyn til motelektroden,

2) overveiende vertikal anordning for den aktive anodedel i forhold til kvikksølvkatoden, 3) tilstrekkelig fritt rom mellom de aktive anodedeler for en uhindret bortføring av klorgassbobler, 4) kort strømvei, liten indre motstand og jevn strømfordeling, 5) lang levetid for konstruksjonen og belegning, også ved stor strømoverbelastning, 6) gode nødløpsegenskaper og gjentatt anvendelse, også etter eventuelle kortslutninger,

7) problemløs belegning og gjenbelegning samt

8) ukomplisert og billig pris.

Denne oppgave blir løst på særlig fordelaktig måte

ved en anode som har et stort antall metallbånd som er anordnet innbyrdes parallelt og ved sin øvre kant er fast forbundet med en felles leder og har en aktiv belagt del, hvorved minst halvparten av den virksomme overflate er anordnet loddrett til anodens basisflate, hvilken anode er kjennetegnet ved at den aktive belagte del, målt fra anodens underside, er høyere enn 5 mm og ikke høyere enn 2 0 mm. hvorved den virksomme overflate når høyden av den belagte del er 5, 1\, 10 og 15 mm minst overstiger den projiserte anodeflate med henholdsvis 2\, 3\, 4 og 4 3/4 ganger.

Den projiserte anodeoverflate beskrives ved anodens lengde multiplisert med dens bredde.

Ifølge et videre trekk ved oppfinnelsen finner strøm-fordelingen sted innenfor den aktive belagte del av anoden, og anoden har en kontakt for strømtilførselen ved hjelp av hvilken anoden kan brukes på begge sider.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere beskrives ved hjelp av et utførelseseksempel som er fremstilt på tegnin-gene.

Fig. 1 viser en anode, hvis aktive del 1 består av belagte, vertikalt anordnede, 1 mm tykke og 20 mm høye titanbånd. Avstanden mellom de belagte titanbånd er 2 mm. Båndene er på oversiden forbundet med hverandre ved hjelp av på tvers forløpende sveisesømmer 2. Strømfordelingen oppnås ved en påsveiset tverrbjelke 3 av ubelagt titan, som er utstyrt med titanbeskyttelsesrøret 4 for strømtilførselen.

Denne konstruksjon resulterer i følgende forhold mellom den virksomme overflate og den projiserte anodeflate: høyde 5 mm 3,67 : 1, høyde 1\ mm 5,3 3 : 1, høyde 10 mm 7 : 1, høyde 15 mm 10,33 : 1 og høyde 20 mm 14 : 1. Over 95 % av den aktive virksomme overflate er her anordnet loddrett til anodens basisflate.

Fig. 2 viser en anode med den projiserte flate 400 x 400 mm, hvis aktive del 1 består av oppslissede og belagte 12 mm tykke titanplater. Sliss- og stegbredden beløper seg til 2,5 mm. Den ikke innskårede midtre del av det aktive område, som samtidig tjener til strømfordeling er 6 0 mm bred og er utstyrt med 2,5 mm brede og 2,5 mm dype riller på undersiden.

I dens midtdel legges skrukontakten for kobberstrømtilførselen, av hvilken titanbeskyttelseshylsen 4 er synlig.

Forholdet mellom den virksomme overflate og den projiserte anodeflate beløper seg her til 5,13 : 1, og ca. 80 % av den aktive virksomme overflate er anordnet loddrett til anodens basisflate.

Fig. 3 viser en anode, hvis aktive del 1 på samme måte som på fig. 1 består av vertikalt anordnet titanbånd med

en innbyrdes avstand på 2 mm. De 7,5 mm høye og de 2 mm tykke titanbånd er påsveiset på holderibber, som tildels er forbundet over titanstaven 9 med større tverrsnitt med kontaktbøssingen i sentrum av anoden. Den stjerneformede strømfordeling sikrer en jevn belastning av anodeflaten. Av denne anode resulterer et

forhold mellom aktiv virksom overflate og projisert anodeflate på 4,75 : 1.

Titananoden som vist på fig. 4,med 20 mm høye og 1,5 mm tykke titanbånd anordnet i en avstand på 2,5 mm, har en sentral titanbøssing 7 med strømfordelerskinne 8 av titan-plettert kobber, til hvilken båndene er fastsveiset. Av sik-kerhetsgrunner er høydeforholdet strømfordelerskinne til ti-tanbåndhøyden 0,75 : 1.

Fig. 5 viser et snitt gjennom anoden på fig. 4 og illustrerer kontaktgivningen mellom kobberstrømtilførselsstav 5 over en lukket titangjengedel 6 med flens og titanbeskyttel-sesrør 4 med den sentrale titanbøssing 7 til anoden. Delene

6 og 7 har en gjengegang med store flankevinkler ifølge tysk

patent nr. 1237482. Takket være denne konstruksjon kan den aktive del av anoden benyttes bare ved påskruing av strømtilfør-selen overfor katoden. Dette er av særlig fordel ved kortslut-ningsskader på anodens underside, som også ved lengre drifts-tid for anoden, hvorved det aktive belegg i de til katoden nærmest liggende soner vil være sterkere forbrukt eller opp-brukt. De i slike tilfeller på grunn av større avstand fra

katoden mindre belastede og dermed mindre forbrukte aktive belegg i den Øvre sone kan etter en vending av anoden, enda over et lengre tidsrom utføre anodeprosessen, mens det ved en anode av vanlig type må gjennomføres en ny belegning.

Anoden ifølge oppfinnelsen gir for første gang mu-lighet til en meget vidtgående utnyttelse av strømspredningen og reduksjon av den anodiske strømtetthet, hvorav det resulterer en tilsvarende reduksjon av cellespenningen.

Fig. 6 viser cellespenningen i avhengighet av den anodiske strømtetthet DA for tre titananoder aktivert med sub-stanser av typen Me(I)ca q 5Pt3^4' nvorved kurven merket med 1 ble oppnådd med titananoder av 1 mm tykke og 10 mm høye bårid med 3 mm bred spalt mellom båndene og en belegningshøyde på

2 mm, og de med II og III merkede kurver ble oppnådd med titananoder av 1 mm tykke og 15 •mm høye bånd med lik spalt og en belegningshøyde på 5, henholdsvis 10 mm. Avstanden mellom anode og kvikksølvkatode var derved 3 mm. Fig. 7 viser at cellespenningens avhengighet av den anodiske strømtetthet kan forbedres vesentlig ved økning av den aktive virksomme overflate i området nær og fjernt fra katoden. Kurve II viser her en anode, hvis aktive del består av 2 mm tykke og 12 mm høye fullstendig belagte titanbånd méd 2 mm bred spalt mellom båndene, mens det ved kurve I dreier seg om den samme anodetype som vist på fig. 6 med 10 mm høy belegning.

Strømtetthetsreduksjonen bevirker dessuten en tilsvarende økning av levetiden for det aktive anodebelegg. Den store høyde for den elektrokjemiske aktive del av anoden ved forholdsvis små anodebasisflater og den overveiende vertikale anordning av den aktive virksomme overflate sikrer gode nød-løpsegenskaper, også ved eventuelle kortslutninger, og en rask bortføring av klorgassbobler. Den store høyde tillater til slutt anbringelsen av strømfordelingen innenfor den aktive anodedel, hvorved anoden på meget enkel måte kan benyttes på begge sider. Anoden ifølge oppfinnelsen tilfredsstiller dermed alle krav til en sikker og økonomisk høybelastningsdrift.

Claims (2)

1. Belagt titananode for amalgamhøybelastningsceller, særlig for anvendelse ved anodiske strømtettheter (D ) større enn 10 kA/m 2, hvilken anode har et stort antall metallbånd (1) som er anordnet innbyrdes parallelt og ved sin øvre kant er fast forbundet med en felles leder (3) og har en aktiv belagt del, hvorved minst halvparten av den virksomme overflate er anordnet loddrett til anodens basisflate, karakterisert ved at den aktive belagte del, målt fra anodens underside, er høyere enn 5 mm og ikke høyere enn 2 0 mm, hvorved den virksomme overflate når høyden av den belagte del er 5, 1\, 10 og 15 mm minst overstiger den projiserte anodeflate med henholdsvis 2\, Z\, 4 og 4 3/4 ganger.

2. Belagt titananode ifølge krav 1, karakterisert ved at strømfordelingen finner sted innenfor den aktive belagte del av anoden og at anoden har en kontakt (6, fig. 4) for strømtilførselen ved hjelp av hvilken anoden kan brukes på begge sider.