NO791626L

NO791626L - Elektrolysecelle av filterpresstype

Info

Publication number: NO791626L
Application number: NO791626A
Authority: NO
Inventors: Luciano Mose; Helmut Schurig; Bernd Strasser
Original assignee: Hooker Chemicals Plastics Corp
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1979-11-20
Also published as: BR7903120A; DE2821981A1; JPS54152698A; SE7904380L; US4207165A; CA1117472A

Description

"Elektrolysecelle av filterpresstype".

Foreliggende oppfinnelse angår konstruksjon av for-bedrede elektrolyseceller som er egnet for anvendelse . som enheter i en anordning av filterpresse-type. Foreliggende celler er særlig anvendbare ved elektro-lyse av alkalimetallklorider, slik som natriumklorid,

for fremstilling av alkalimetallhydroksyder, for eksempel natriumhydroksyd, sammen med klor og hydrogen.

Et sådant arrangement av filterpressetype består vanligvis av et antall separate celleenheter med plane elektrodeelementer hovedsakelig montert i vertikal stilling med sine aktive flater innbyrdes adskilt av en barriere, slik som for eksempel et diafragma eller et membranskikt. Sådanne celleenheter av filterpresse-type kan være monopolare eller bipolare og kan hensiktsmessig kobles i serie eller parallelt for dannelse av en elektrolysekrets eller cellebank.

Klor og alkalimetallhydroksyder er råstoffer av vesentlig betydning og anvendes i stort omfang som grunnleggende industrielle kjemikalier. Anlegg som fremstiller 500 - 1000 tonn klor pr. dag er ikke uvanlige. Sådanne anlegg utnytter vanligvis et stort antall enkelte elektrolyseceller med strømkapasitet på flere hundre tusen ampere. Selv mindre forbedringer av den enkelte celles drift og konstruksjon vil således ha betydelige økonomiske fordeler på grunn av det store volum av de fremstilte produkter.

Ved tilførsel av likestrøm til en elektrolysecelle

som inneholder en vandig løsning av et alkalimetall-klorid som elektrolytt, utskylles hydrogen og alkalimetallhydroksyd ved katoden, mens klor utskilles ved anoden.

De elektrolyseceller som vanligvis anvendes kommersielt for omvandling av alkalimetallhalider til alkalimetallhydroksyder og halider kan deles opp i følgende vanlige typer: 1) diafragmaceller, 2) elektrolyseceller og 3) membranceller.

Diafragmaceller benytter en eller flere diafragmaer

som er gjennomtrengelige for elektrolyseløsning, men ugjennomtrengelige for gassbobler. Diafragmaet deler cellen i to eller flere kammere. Skjønt diafragmaceller gir forholdsvis høyt produktutbytte pr. enhet gulvareal ved lave energifordringer og ved temmelig høy strøm-virkningsgrad, må det fremstilte alkalimetallhydroksyd eller cellevæsken konsentreres og renses. En sådan konsentrasjon og rensing utføres vanligvis i et påfølgende fordampningstrinn.

Kvikksølvceller utnytter vanligvis et bevegelig eller strømmende leie av kvikksølv som katode og fremstiller et alkalimetallamalgam ved kvikksølvkatoden. Halidgass fremstilles ved anoden. Amalgamet trekkes ut fra céllen og behandles med vann for fremstilling av alkalimetallhydroksyd med høy renhet.

Membranceller anvender et eller flere membraner eller barrierer som skiller katolyttkammeret fra anolyttkammeret. Disse membraner er permselektive, hvilket vil si at de

er selektivt gjennomtrengelige for enten anioner eller

kationer. Vanligvis er de permselektive membraner som anvendes permselektivt gjennomtrengelige for kationer. Vanligvis er katolyttproduktet for membrancellen et alkalimetallhydroksyd med forholdsvis høy renhet og i en konsentrasjon fra omkring 250 til 350 g pr. liter.

Utviklingen av dimensjonsstabile anoder har qiort det mulig i stadig høyere grad å innskrenke mellomrommet eller gapet mellom elektrodene i en celle, hvilket bidrar til stadig høyere cellevirkningsgrad. Ved drift av kretser eller banker av elektrolyseceller, er det fordelaktig å ha samme elektrodegap i alle celler for å oppnå balansert krets.

Kretser eller banker av filterpresseceller dannes ved sammenstilling av enkelte cellekomponenter. Ved et monopolart arrangement omfatter disse komponenter for eksempel et antall anoder montert i anoderammer samt katoder montert i katoderammer. Disse anoder og katoder er innbyrdes adskilt langs sine aktive overflater ved hjelp av en gjennomtrengelig barriere, slik som for eksempel et diafragma eller en membran, samt langs den indre omkrets av rammene av et bøyelig eller elastisk pakningsstykke. Sammenstillingen fullføres ved sammenkobling eller sammenpressing av komponentene, hydraulisk eller ved hjelp av skrueklemmer, således at pakningsstykkene presses sammen til dannelse av gass- og væsketett forbindelse mellom de enkelte enheter. På grunn av forskjellene i pakningsmaterialene og den nødvendige sammentrykning for å oppnå gass- og væsketetthet, har det derfor hittil vært en vanskelig oppgave å oppnå og bibeholde det ønskede elektrodegap i et filterpresse-arrangement.

Foreliggende oppfinnelse g§elder en elektrolysecelle

av filterpressetype hvori elektrodegapet til å begynne med kan innstilles nøyaktig og deretter bibeholdes hovedsakelig uforandret mens gass- og væsketett forbindelse

mellom komponentene opprettholdes.

Den foreliggende enkelte celleenhet omfatter en plan anode montert i en omsluttende anoderamme samt en plan katode montert i en omsluttende katoderamme. Et skikt av gjennomtrengelig barrierematerial, for eksempel asbest eller et permselektivt membranmaterial, er anbragt mellom de aktive flater av anodedelen og katodedelen. Barrierematerialet er hensiktsmessig anordnet inntil

den aktive flate av katodedelen. Skjønt rammen og elektrodedelene kan ha hvilken som helst form, fremstilles imidlertid disse deler vanligvis i form av kvadrater eller rektangler, for å lette tilvirkningen og utskiftning av deler i elektrolysekretsen.

Foreliggende anodén og katoderamme er innbyrdes adskilt av et avstandsstykke anbragt mellom rammene i anlegg mot de ytre partier av rammesidene, samt av minst et separat hult pakningsstykke plassert mellom rammene i flukt med de indre deler av rammesidene. Det eller de hule pakningsstykker har en opprinnelig ikke sammenpresset tykkelse større enn tykkelsen av avstandsstykket, således at en gass- og væsketett forbindelse dannes mellom rammene når cellekomponentene er sammenstilt og sammenpresset. For å unngå skjøter og mulig lekkasje er hvert pakningsstykke fortrinnsvis utført som et enkelt rørformet stykke av samme form som en elektroderamme. Avstandsstykkene har fortrinnsvis også samme form som en elektroderamme, men kan også fremstilles av adskilte staver eller strimler som anbringes mellom minst to av anode- og katoderammens sider. Foreliggende celle er sammenstilt ved hjelp av kjente midler for sammenkobling av de enkelte celleenheter slik at det opprettes gass- og væsketett forbindelse mellom de forskjellige enheter. Enhetene kan hensiktsmessig sammenstilles ved sammenpressing ved hjelp av hydraulisk utstyr eller ved hjelp av skrueklemmer. De foreliggende .elektroderammer er utstyrt med hensiktsmessige åpninger og porter for å lette tilførsel av en elektrolytt samt for å fjerne elektrolyseproduktene. Passende elektriske forbindelser er anordnet på elektrodene, i avhengighet av om vedkommende celle er monopolar eller bipolar, for tilførsel av den nødvendige elektrolysestrøm til cellen.

Foreliggende oppfinnelse vil nå bli nærmere forklart under henvisning til de vedføyde tegninger. Disse tegninger er utført for å anskueliggjøre foreliggende oppfinnelse og må ikke betraktes som noen begrensning av oppfinnelsen til de spesielle utførelser som er vist. Fig. 1 viser i snitt sett fra siden en del av et par elektroderammer for en celle av diafragmatype, mens fig. 2 viser sett fra siden og i snitt en del av et par elektroderammer for en celle av membrantype.

I fig. 1 er det vist at en plan katode 3 er montert i en omsluttende katoderamme 1. En plan anode 4 er på liknende måte montert i en omsluttende anoderamme 2. Katoderammen 1 holdes i avstand fra anoderammen 2 ved hjelp av et avstandsstykke 6. Et hult pakningsstykke 5 er anbragt mellom rammene 1 og 2, således at det gir effektiv gass- og væsketetthet mellom rammene når det sammentrykkes til samme tykkelse som avstandsstykket 6.

Katoden 3 er hensiktsmessig utført i stål, men krom, kobolt, kobber, jern, bly, molybden, nikkel, tinn, wolfram eller legeringer av disse metaller kan også anvendes. Katodestykket 3 kan være gjennomhullet eller kan foreligge i form av en skive eller plate.

Anoden 4 kan også være gjennomhullet eller ha form av en skive eller plate. Anoden 4 er fortrinnsvis fremstilt på basis av et ventilmetall som er påført et elektrisk ledende, anodisk bestandig belegg på sin aktive anodiske eller uoksyderte overflate.

Egnede ventilmetaller omfatter titan, tantal, niob og sirkonium. Det foretrukkede ventilmetall er titan. Belegget inneholder et eller flere metaller fra platinagruppen og/eller oksyder av metaller i denne gruppe. Hensiktsmessige metaller fra platinagruppen omfatter platina, ruthenium, rhodium, paladium, osmium og oridium. En hvilken som helst egnet av de forskjellige kjente metoder kan anvendes for påføring av belegget på basis av ventilmetall. Typiske sådanne metoder omfatter ut-'felling av metallene eller de metalliske oksyder ved kjemiske, termiske eller elektrolyttiske prosesser, ioneavsetning, damppåføring eller liknende prosesser.

Katoderammen 1, anoderammen 2 og avstandsstykket 6

kan være ledende, for eksempel av metall, eller ikke ledende, forutsatt at alle nevnte deler ikke er ledende. Ikke-ledende plastmaterialer som er bestandige mot korrosjonspåvirkning fra elektrolytten og er i stand til å motstå cellens driftstemperaturer kan anvendes. Eksempler på sådanne egnede materialer er forskjellige termoplast-harpikser eller termoherdende harpikser, slik som for eksempel polypropylen, polybutylen, polytetrafluoretylen, etterklorinert eller stiv FEP, polyestere basert på klorholdig syre og liknende.

Det hule pakningsstykket 5 er hensiktsmessig fremstilt

av neopren eller annen kloropren-gummi, teflon eller andre fluorkarbon-harpikser eller likende. I en foretrukket utførelseser pakningsstykket 5 fremstilt av et enkelt stykke, rørformet material og foreligger i form av en ramme. Et skikt av diafra<q>mamaterial 7 er påført den aktive flate av katoden 3. Dette diafragmamaterial kan hensiktsmessig være asbest.

Avstandsstykket 6 kan anvendes i form av staver eller strimler anbragt mellom anoderammen og katoderammen.

Det er imidlertid å foretrekke at avstandsstykket 6 har form av en ramme og foreligger ved alle sider av anoderammen og katoderammen.

Det ønskede gap a mellom katoden 3 og anoden 4 bestemmes på forhånd. Dette gap oppnås i den sammenstilte celle ved å velge et avstandsstykke 6 med den tilsvarende tykkelse b. Ved sammenstilling og sammenpressing vil tykkelsen av avstandsstykket 6 bestemme avstanden mellom anoderammen 2 og katoderammen 1, og derved i sin tur avstanden mellom de aktive flater av katoden 3 og anoden 4.

I fig. 2 er det vist en elektrolysecelle av samme art

som i fig. 1, bortsett fra at cellen i fig. 2 er utstyrt med en permselektiv membran. En plan katode 8 er montert i en omsluttende katoderamme 9. En plan anode 10'er montert i en omsluttende anoderamme 11. Katoderammen 9 er anordnet i avstand fra anoderammen 11 ved hjelp av et avstandsstykke 12. Den aktive flate av katoden 8 og den aktive flate av anoden 10 er innbyrdes adskilt av en permselektiv membran 13. Hule pakningsstykker 14 og 15 er anbragt mellom rammen 9 og rammen 11 på hver sin side av membranet 13. De hule pakningsstykker 14 og 15 har en samlet eller total tykkelse større enn avstandsstykket 12, således at når enheten sammenpresses til en tykkelse tilsvarende avstandsstykket 12, vil pakningsstykkene 14 og 15 gi en effektiv gass og væsketetning mellom rammene. I den modifiserte ut-førelse som er vist i fig. 2, er avstandsstykket 12 vist som en separat sammenstilling for å lette en sikker forankring av membranet 13. I en sådan utførelse kan avstandsstykket 12 hensiktsmessig ha form av et ramme-stykke med innmontert membran 13. En egnet membran kan være fremstilt av et hydrolysert kopolymer av et perfluor-inert hydrokarbon og en sulfonert perfluor-vinyleter. Nærmere bestemt vil sådanne egnede membranmaterialer være fremstilt av et hydrolysert kopolymer av tetrafluor-etylen og en fluorsulfonert perfluorvinyleter med formelen

FS02CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF=CF2. Vanligvis vil membranets veggtykkelse ligge i området fra omkring 0,02 til omkring 0,5 mm, og fortrinnsvis fra omkring 0,1 til omkring 0,3 mm. Når membranet er fremstilt på en bærer, av polytetrafluoretylen, asbest eller annet'passende nettverk, vil nettverkets tråder eller fibre vanligvis ha en tykkelse fra omkring 0,01 til omkring 0,5 mm, og fortrinnsvis ligge i området fra ca. 0 , 05.til.■ ca. 0,15 mm.

Skjønt det er blitt beskrevet forskjellige utførelser

av oppfinnelsen, er ikke det beskrevede utstyr å betrakte som begrensende for oppfinnelsens omfang, da det vil være åpenbart at det vil være mulig å utføre visse forandringer innenfor oppfinnelsens ramme. Hvert element som er nevnt i de følgende patentkrav vil således være å forstå slik at det også gjelder alle ekvivalente elementer som gir samme resultat på hovedsakelig samme eller tilsvarende måte, idet patentkravene er utformet for å dekke oppfinnelsens fulleomfang i hvilken form de grunnleggende prinsipper enn utnyttes.

Claims

1. Elektrolysecelle av filterpressetype, karakterisert ved at den omfatter: a) en plan anode montert i en omsluttende ramme, hvis sider har et indre og et ytre parti, b) en plan katode montert i en omsluttende ramme, hvis sider har et indre og et ytre parti, c) en gjennomtrengelig barriere anbragt mellom anoden og katoden, d) et avstandsstykke anordnet mellom rammene i flukt med deres ytre partier, e) minst et hult pakningsstykke anordnet mellom rammene i flukt med deres indre partier, idet de hule pakningsstykker i ikke sammenpresset tilstand har en total bredde større enn bredden av avstandsstykket, f) utstyr for sammenpressing og sammenholdning av rammestykkene i en celleenhet, g) organer for tilførsel av elektrolytt og fjerning av elektrolyseprodukter fra celleenheten, og utstyr; for kobling av nevnte anode- og katoderamme til en kilde for elektrolysestrøm.

2. Celle som angitt i krav 1, karakterisert ved at avstandsstykket har form av en ramme.

3. Celle som angitt i krav 1, karakterisert ved at barrierematerialet er asbest.

4. Celle som angitt i krav 1, karakterisert ved at barrierematerialet er en permselektiv membran.

5. Celle som angitt i krav 4, karakterisert ved at avstandsstykket har form av en ramme hvori den permselektive membran er montert.

6. Celle som angitt i krav 1, karakterisert ved at avstandsstykket er fremstilt av et ikke-ledende plastmaterial.

7. Celle som angitt i krav 1, karakterisert ved at avstandsstykket er av metall, mens katoderammen og/eller anoderammen er fremstilt av et ikke-ledende plastmaterial.