WO1991014803A1 - Elektrodenanordnung für elektrolytische zwecke - Google Patents

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WO1991014803A1
WO1991014803A1 PCT/EP1991/000080 EP9100080W WO9114803A1 WO 1991014803 A1 WO1991014803 A1 WO 1991014803A1 EP 9100080 W EP9100080 W EP 9100080W WO 9114803 A1 WO9114803 A1 WO 9114803A1
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cathodes
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electrode plates
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Max Mayr
Wolfgang Blatt
Harri Heinke
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Heraeus Elektrochemie Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells

Definitions

  • the invention relates to an electrode arrangement for electrolytic purposes with at least one anode and with at least two plate-shaped cathodes which are electrically insulated from one another, on one side of the anode and at a distance from one another, each cathode having at least two openings for the electrolyte flow and the cathodes increasing Distance from the anode to electrically higher potential
  • an electrolysis cell for the electrolytic deposition of metals from liquid containing metal ions which has in a trough at least one anode and several flat cathodes arranged parallel to one another, which are arranged at a distance from each other and each with its own connections are connected to the power supply via connection resistors of different sizes.
  • the electrode plates serving as cathodes are arranged individually in the trough and have sufficient stability; they can also be replaced individually. Due to the wall thicknesses required for the stability of the individual cathodes, there is a comparatively high loss of material with each upcoming change of cathode.
  • an electrolytic cell is known from US Pat. No. 3,788,965, in which an anode plate has a plurality of adjacent spaced ordered cathode plates is known, but only the cathode plate furthest from the anode is connected to the negative potential of the power supply.
  • the cathode plates have openings for a zigzag-shaped ion current, copper itself being deposited on the plates from the solution containing copper ions. After copper deposition, the cathode plates are exchanged for unplated cathode plates.
  • the object of the invention is to create material-saving cathode systems with a large cathode surface, starting from DE-PS 3640020, a high current efficiency being achievable despite the low material and manufacturing costs. In addition, easy handling during operation should also be achieved.
  • the holding device consists of four rods guided through cutouts in the electrode plates, spacer elements being arranged between the electrode plates and the respective outer electrode plates being pressed together by locking means acting on the bolt ends.
  • the spacer elements are either tubular, each comprising the bolt, or they are in the form of pockets, which comprise the electrode plates; the pocket-shaped spacer elements are provided with cutouts for the passage of the bolts and for liquid access to the electrode plates.
  • the holding device is comb-like, the spacer elements forming integral parts of the holding device forming the comb teeth; several such comb-like holding devices are connected to one another by a web.
  • the electrode plates have a wall thickness in the range from 0.04 to 0.25 mm, the ratio of the wall thickness to the distance between the electrode plates being in the range from 1 to 50 to 1 to 300.
  • a wall thickness of 0.1 mm has proven to be particularly useful. Their openings are evenly distributed over the electrode surface.
  • contact strips are arranged on the side or top and bottom of the electrode plate, each of which is provided with a plate flag.
  • FIG. 1 shows an electrode arrangement combined by bolts and annular spacer elements with a plate-shaped counterelectrode which is arranged outside the holding device
  • FIG. 2 shows an electrode arrangement with a carrier consisting of four frames, the spacer elements integrated in the plate-shaped frame being designed like a comb; the Gegenelek 'trode is disposed outside of the holding device
  • the electrode plates 1, 1 'each have a recess in the area of their corners, through which a rod 10 with an electrically insulating surface is guided.
  • Electrically insulating spacer elements 11 in the form of ring sleeves are provided between the electrode plates 1, 1 ', spacer elements 11 and electrode plates 1, 1' being pressed together by detents 13 acting on the rod ends 12.
  • the locks each consist of a screw thread at the end of the bolt. However, it is also possible to provide the bolts with a head on each side and only to provide the bolt end 12 with a thread.
  • Electrodes are used as electrode plates, which have a plurality of uniformly distributed openings 14 on their surface.
  • the electrode plates 1, 1 ' have a thickness of approximately 0.05 mm; they consist of a metal adapted to the metal ions to be deposited.
  • they preferably consist of copper or a copper alloy
  • the plate-shaped counterelectrode 17 serving as the anode is arranged outside the holding device and provided with a plate flag 18; it is aligned parallel to the electrode plates 1, 1 '.
  • the electrode arrangement has four electrode plates 1, which are held by four plate-shaped holding devices 2 ', 2 ".
  • the planes of the holding devices are arranged perpendicular to the planes of the electrode plates 1, the two outer holding devices 2' being the same in each case hold opposite edges of the electrode plates 1, while the middle holding devices 2 ′′ arranged between the two outer holding devices 2 ′ encompass the middle area of the electrodes 1.
  • the electrode plates 1, which are made of expanded metal, for example, are each provided on at least one side with a current collector 3, which is electrically and mechanically firmly connected to a connecting lug 4.
  • the size of the opening 14 is predetermined on the basis of the dimensioning of the machine length, mesh width and web width of the expanded metal.
  • the holding devices 2 ′, 2 ′′ have comb-like recesses 9 for receiving the electrode plates 1, the clear width of the recesses being slightly above the wall thickness of the electrode plates are attached directly as a comb back and form an integral component with it, while the opposite transverse web 6 is only applied after the introduction of the electrode plates 1 in such a way that it is mechanically firmly connected to the free ends of the spacer elements; in this way the electrode plates 1 locked on two opposite edges by the transverse webs 5, 6 against lateral displacement or slipping.
  • the holding devices 2 ', 2 “are mechanically firmly connected to one another in the region of the transverse webs 5, 6 on their outer edges by outer webs 16, so that egg coherent electrode package is formed.
  • the plate-shaped counterelectrode 17 serving as the anode is arranged outside the holding device and provided with a plate flag 18; it is aligned parallel to the electrode plates 1.
  • the assembly of the electrode plates to form an electrode pack is carried out in stages by introducing the electrode plates 1 into the outer holding device 2 ', the connecting lugs 4 of all the electrode plates 1 being in the immediate vicinity of the holding device 2'. Subsequently, the middle holding devices 2 "are pushed on and positioned in the middle area of the electrode plates 1; the final completion is then carried out by applying the second outer holding device 2" and the subsequent connection of all holding devices 2 ', 2 "by the outer webs 16.

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Abstract

Eine Elektrodenanordnung für elektrolytische Zwecke weist eine Vielzahl von Kathoden (1, 1') und eine bzw. wenige Anoden (17) auf, so dass sich ein günstiges Flächenverhältnis von Kathoden zu Anoden ergibt. Die mit Öffnungen (14) versehenen Kathoden sind plattenförmig ausgebildet und im Abstand zueinander parallel angeordnet, wobei die Kathoden in einer Haltevorrichtung (10) mit elektrisch isolierender Oberfläche gehaltert sind.

Description

Elektrodenanordnung für elektrolytische Zwecke
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für elektrolytische Zwecke mit mindestens einer Anode und mit wenigstens zwei elektrisch voneinander iso¬ lierten, auf einer Seite der Anode und mit Abstand zueinander angeordneten plattenförmigen Kathoden, wobei jede Kathode mindestens zwei Öffnungen zum Elektrolytdurchfluß aufweist und wobei die Kathoden mit zunehmendem Abstand von der Anode auf elektrisch höherem Potential liegen
Aus der DE-PS 3640020 ist eine Elektrolysezelle zur elektrolytischen Ab¬ scheidung von Metallen aus Metallionen enthaltender Flüssigkeit bekannt, die in einem Trog wenigstens eine Anode und mehrere flächig zueinander parallel angeordnete ebene Kathoden aufweist, welche mit Abstand zueinander angeordnet sind und mit jeweils eigenen Anschlüssen über verschieden große Anschlußwider¬ stände mit der Stromversorgung verbunden sind.
Die als Kathoden dienenden Elektrodenplatten sind im Trog einzeln angeordnet und weisen eine ausreichende Stabilität auf; sie sind auch einzeln austausch¬ bar. Aufgrund der für die Stabilität der Einzelkathoden erforderlichen Wand¬ stärken ergibt sich ein verhältnismäßig hoher Materialverlust bei jedem anste¬ henden Kathodenwechsel .
Weiterhin ist aus der US-PS 3788965 eine Elektrolysezelle bekannt, bei der eine Anodenplatte eine Vielzahl von benachbarten, mit Abstand zueinander ange- ordneten Kathodenplatten bekannt ist, wobei jedoch lediglich die von der Anode am weitesten entfernte Kathodenplatte mit dem negativen Potential der Strom¬ versorgung verbunden ist. Die Kathodenplatten weisen Öffnungen für einen zick- zackförmigen Ionenstrom auf, wobei auf den Platten selbst Kupfer aus der Kupferionen enthaltenden Lösung abgeschieden wird. Nach der Kupferabscheidung werden die Kathodenplatten gegen unplattierte Kathodenplatten ausgetauscht.
Auch nach US-PS ist eine gewisse Mindestwandstärke der als Kathoden dienenden Elektrodenplatten erforderlich, da diese einzeln ausgetauscht werden müssen, wobei sich ebenfalls bei jedem Austausch hohe MaterialVerluste ergeben.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ausgehend von der DE-PS 3640020 materialsparende Kathodensysteme mit einer großen Kathodenoberfläche zu schaffen, wobei trotz geringer Material- und Fertigungskosten eine große Stromausbeute zu erzielen ist. Darüber hinaus soll auch eine leichte Hand¬ habung während des Betriebes erzielt werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unter¬ ansprüchen angegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Haltevorrichtung aus vier durch Aussparungen in den Elektrodenplatten geführten Stäben, wobei zwischen den Elektrodenplatten Distanzelemente angeordnet und die jeweils äußeren Elek¬ trodenplatten durch auf die Bolzenenden wirkenden Arretierungen zusammenge¬ preßt werden. Die Distanzelemente sind entweder rohrförmig ausgebildet, wobei sie den Bolzen jeweils umfassen oder sie sind in Form von Taschen ausge¬ bildet, welche die Elektrodenplatten umfassen; die taschenförmigen Distanzele¬ mente sind mit Aussparungen zur Durchführungen der Bolzen und zum Flüssig¬ keitszutritt zu den Elektrodenplatten versehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Haltevorrichtung kamm¬ artig ausgebildet, wobei die Distanzelemente als integrale Teile der Haltevor¬ richtung die Kammzinken bilden; mehrere solcher kammartigen Haltevorrichtungen sind dabei durch einen Steg miteinander verbunden.
Die Elektrodenplatten weisen eine Wandstärke im Bereich von 0,04 bis 0,25 mm auf, wobei das Verhältnis der Wandstärke zum Abstand der Elektrodenplatten im Bereich von 1 zu 50 bis 1 zu 300 liegt. Als besonders zweckmäßig hat sich eine Wandstärke von 0,1 mm erwiesen. Ihre Öffnungen sind gleichmäßig über die Elek¬ trodenfläche verteilt.
Zur Verbesserung der Kontaktierung werden seitlich bzw. oben und unten Kon¬ taktstreifen auf der Elektrodenplatte angeordnet, die jeweils mit einer Plattenfahne versehen sind.
Als vorteilhaft erweist sich die verhältnismäßig einfache Handhabung, da der Kathodenaustausch nunmehr in Form des Austausches eines kompletten Elektroden¬ paketes erfolgen kann; aufgrund der gegenseitigen Isolation der Elektroden¬ platten ist es dabei möglich, die, der jeweiligen Position der Elektroden¬ platte entsprechende optimale Stromdichte einzustellen, so daß alle Elektro¬ denplatten mit einer gleichmäßigen Abscheidung entnommen werden können.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine durch Bolzen und ringförmige Distanzelemente zusammenge¬ faßte Elektrodenanordnung mit einer plattenförmigen Gegenelektrode, die außerhalb der Haltevorrichtung angeordnet ist
Figur 2 zeigt eine Elektrodenanordnung mit einem aus vier Rahmen bestehenden Träger, wobei die in den plattenförmigen Rahmen integrierten Distanz¬ elemente kammartig ausgebildet sind; die Gegenelek'trode ist außerhalb der Haltevorrichtung angeordnet Gemäß Figur 1 weisen die Elektrodenplatten 1,1' im Bereich ihrer Ecken jeweils eine Aussparung auf, durch welche jeweils ein Stab 10 mit elektrisch isolie¬ render Oberfläche geführt ist. Zwischen den Elektrodenplatten 1,1' sind elek¬ trisch isolierende Distanzelemente 11 in Form von Ringhülsen vorgesehen, wobei Distanzelemente 11 und Elektrodenplatten 1,1' durch auf die Stabenden 12 wir¬ kende Arretierungen 13 zusammengepreßt werden. Die Arretierungen bestehen dabei jeweils aus einem Schraubgewinde am Bolzenende. Es ist jedoch auch mög¬ lich die Bolzen auf jeweils einer Seite mit einem Kopf zu versehen und ledig¬ lich das Bolzenende 12 mit einem Gewinde auszustatten.
Als Elektrodenplatten werden Metallfolien eingesetzt, welche auf ihrer Ober¬ fläche mehrere gleichmäßig verteilte Öffnungen 14 aufweisen. Die Elektroden¬ platten 1,1' weisen dabei eine Stärke von ca. 0,05 mm auf; sie bestehen aus einem den abzuscheidenden Metallionen angepaßten Metall. Bei Vorrichtungen zur Kupferabscheidung bestehen sie vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegie¬ rung, bei Vorrichtungen zur Nickelabscheidung vorzugsweise aus Nickel oder einer Nickelleg erung.
Die als Anode dienende plattenförmige Gegenelektrode 17 ist außerhalb der Haltevorrichtung angeordnet und mit einer Plattenfahne 18 versehen; sie ist parallel zu den Elektrodenplatten 1, 1' ausgerichtet.
Gemäß Figur 2 weist die Elektrodenanordnung vier Elektrodenplatten 1 auf, die von vier plattenförmigen Haltevorrichtungen 2',2" gehalten werden. Die Ebenen der Haltevorrichtungen sind dabei senkrecht zu den Ebenen der Elektroden¬ platten 1 angeordnet, wobei die beiden äußeren Haltevorrichtungen 2' die sich jeweils gegenüberliegende Kanten der Elektrodenplatten 1 halten, während die zwischen den beiden äußeren Haltevorrichtungen 2' angeordneten mittleren Haltevorrichtungen 2" den mittleren Bereich der Elektroden 1 umfassen. Die beispielsweise aus Streckmetall bestehenden Elektrodenplatten 1 sind jeweils an wenigstens einer Seite mit einem Stromkollektor 3 versehen, welcher mit jeweils einer Anschlußfahne 4 elektrisch und mechanisch fest verbunden ist. Aufgrund der Dimensionierung von Maschinenlänge, Maschenbreite und Stegbreite des Streckmetalls ist die Größe der Öffnung 14 vorgegeben. Die Haltevorrichtungen 2',2" weisen kammartige Aussparungen 9 zur Aufnahme de Elektrodenplatten 1 auf, wobei die lichte Weite der Aussparungen geringfügig über der Wandstärke der Elektrodenplatten liegt. Zwischen den Aussparungen 9 befinden sich die als Kammzinken ausgebildeten Distanzelemente 15, welche an einem Quersteg 5 als Kammrücken direkt befestigt sind und mit ihm ein inte¬ grales Bauteil bilden, während der gegenüberliegende Quersteg 6 erst nach Einbringung der Elektrodenplatten 1 so aufgebracht wird, daß er mit den freie Enden der Distanzelemente mechanisch fest verbunden ist; auf diese Weise sind die Elektrodenplatten 1 an zwei sich gegenüberliegenden Kanten durch die Quer stege 5,6 gegen seitliches Verschieben oder Verrutschen arretiert. Die Haltevorrichtungen 2',2" sind im Bereich der Querstege 5,6 an ihren Außen kanten durch äußere Stege 16 mechanisch fest miteinander verbunden, so daß ei zusammenhängendes Elektrodenpaket gebildet wird. Die als Anode dienende plattenformige Gegenelektrode 17 ist außerhalb der Haltevorrichtung angeordne und mit einer Plattenfahne 18 versehen; sie ist parallel zu den Elektroden¬ platten 1 ausgerichtet.
Der Aufbau der Elektrodenplatten zu einem Elektrodenpaket erfolgt dabei stu¬ fenweise durch Einbringen der Elektrodenplatten 1 in die äußere Haltevorrich tung 2', wobei sich die Anschlußfahnen 4 sämtlicher Elektrodenplatten 1 in unmittelbarer Nähe der Haltevorrichtung 2' befinden. Anschließend werden die mittleren Haltevorrichtungen 2" aufgeschoben und im mittleren Bereich der Elektrodenplatten 1 positioniert; die endgültige Fertigstellung erfolgt dann durch Aufbringung der zweiten äußeren Haltevorrichtung 2" und die anschließe de Verbindung aller Haltevorrichtungen 2',2" durch die äußeren Stege 16.
ERSATZB

Claims

- -Elektrodenanordnung für elektrolytische ZweckePatentansprüche
1. Elektrodenanordnung für elektrolytische Zwecke mit mindestens einer Anode und mit wenigstens zwei elektrisch voneinander isolierten, auf einer Seit der Anode und mit Abstand zueinander angeordneten plattenförmigen Katho¬ den, wobei jede Kathode mindestens zwei Öffnungen zum Elektrolytdurchfluß aufweist und wobei die Kathoden mit zunehmendem Abstand von der Anode auf elektrisch höherem Potential liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (1) von einer Haltevorrichtung gehaltert sind, wenigstens deren Oberfläche aus elektrisch isolierendem Werkstoff besteht, wobei die Ab¬ stände zwischen den Kathoden (1) durch Distanzelemente vorgegeben sind.
2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus mindestens zwei im Abstand zueinander angeordneten Halterungs-Stäben (10) besteht, wobei die Distanzelemente (11) Teile der Halterungs-Stäbe (10) bilden.
3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus vier durch Aussparungen in den Kathoden geführten Halterungs-Stäben (10) besteht, wobei die jeweils äußeren Elektroden¬ platten (T) durch auf die Bolzenenden (12) wirkenden Arretierungen (13) zusammengepreßt werden.
4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (2',2") kammartig ausgebildet ist und die Distanzelemente die Kammzinken sind.
5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kammartige Haltevorrichtungen (2',2") vorgesehen sind, die durch minde¬ stens einen Steg (16) miteinander verbunden sind.
6. Elektrodenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Vielzahl von Öffnungen (14) aufweist, die gleichmäßig über die Kathodenfläche verteilt sind.
ERSATZBLATT
PCT/EP1991/000080 1990-03-17 1991-01-18 Elektrodenanordnung für elektrolytische zwecke WO1991014803A1 (de)

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