WO2017072091A1 - Elektrolyseur zur elektrochemischen wasseraufbereitung - Google Patents

Elektrolyseur zur elektrochemischen wasseraufbereitung Download PDF

Info

Publication number
WO2017072091A1
WO2017072091A1 PCT/EP2016/075608 EP2016075608W WO2017072091A1 WO 2017072091 A1 WO2017072091 A1 WO 2017072091A1 EP 2016075608 W EP2016075608 W EP 2016075608W WO 2017072091 A1 WO2017072091 A1 WO 2017072091A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shell
cathode
anode
cell element
element according
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/075608
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Randolf Kiefer
Frank Funck
Peter Woltering
Carsten Schmitt
Wolfram Stolp
Original Assignee
Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh filed Critical Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh
Publication of WO2017072091A1 publication Critical patent/WO2017072091A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/4618—Devices therefor; Their operating or servicing for producing "ionised" acidic or basic water
    • 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
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • 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
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/66—Treatment of water, waste water, or sewage by neutralisation; pH adjustment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46119—Cleaning the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46128—Bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C02F2001/46142—Catalytic coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C02F2101/101—Sulfur compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C02F2101/20—Heavy metals or heavy metal compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/007—Contaminated open waterways, rivers, lakes or ponds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/10—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from quarries or from mining activities
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/4611—Fluid flow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/4619—Supplying gas to the electrolyte

Definitions

  • the invention relates to a cell element for a bipolar electrolyzer for electrochemical water treatment, comprising an anode half-shell with an anode, a cathode half-shell with a cathode and an arranged between the anode and the cathode ion exchange membrane, wherein the anode half-shell and the cathode half-shell each have an outer wall having a flange portion for connecting the anode half-shell to the cathode half-shell. Furthermore, the invention relates to a bipolar electrolyzer with a plurality of cell elements connected in series.
  • DE 196624023 B9 describes a process for the treatment of acidic iron-containing open cast mining water, in contrast to the customary neutralization, not being achieved by metering liquor to high pH water, but by separating protons as a result of their electrochemical deposition takes place in the cathodic partial reaction of the electrolysis process.
  • the low pH determining hydrogen ions are reduced at the cathode to hydrogen.
  • This hydrogen thus formed is discharged with the treated water from the cell and released into the environment.
  • the reduction of the hydrogen ions is associated with an increase in the pH.
  • This causes hydrolysis and precipitation of the hydrolyzable cations (e.g., Fe, Al, Mn) discharged from the cells with the neutralized water as a suspension:
  • reaction (4) contributes only slightly to the cathodic water treatment.
  • an ion exchange membrane between the anode and cathode compartments of the electrolysis cell it is additionally achieved that the salt content of the waters is also considerably reduced in order to increase the pH, and the associated hydrolysis and precipitation of aluminum and heavy metal ions.
  • a coupling of the cathodic water treatment process is provided with an anodic synthesis process.
  • the following reactions can occur anodically: (5) 2H 2 0 -> 4H + + 0 2 + 4e- (6) 2S0 4 2 - -> S 2 0 8 2 - + 2e-
  • the resulting protons are saturated by the migrating into the anode compartment sulfate ions, initially sulfuric acid is formed and concentrated.
  • sulfate ions are oxidized to peroxodisulfate and enriched in the anode compartment. Subsequent processes make it possible to obtain these products.
  • the hydrogen formed in the cathode reaction can subsequently be utilized as a product.
  • EP0026591 A1 or DE 3614005 A1 describe in principle suitable electrolysis devices for this aforementioned process according to DE19624023 B9, although these have not been tested on an industrial scale, but show only laboratory results.
  • WO 2007144055 A1 a device for electrochemical water treatment was described for the first time, which is also suitable for technical use.
  • the described device for the electrochemical purification of acidic waters consisting of a cathode, an anode and an ion exchange membrane, wherein the membrane between the see cathode and anode is arranged and is held at least circumferentially in the edge region, wherein on the upper and lower edge region of the electrolysis device a plurality are arranged by inflows and outflows, which are connected to the cathode or the anode compartment, so that forms a plug flow in the cathode and the anode compartment, which has a laminar profile in the ideal case.
  • a disadvantage of this process proved the precipitation of cations present in sulfuric acid, especially iron and aluminum, which are precipitated due to the increase in pH as hydroxides or carbonates in the cathode compartment and contrary the expectation despite the high volume flow of about 1, 2 m 3 / h are not discharged as a suspension, but remain as precipitation sludge in the electrolysis cell.
  • the arranged between the rear wall and the membrane in the cathode, inert filling material is thereby clogged and further water flow obstructed. Regular opening and cleaning of the cell is required because simple backwashing is not sufficient to remove the precipitated sludge, thereby reducing electrolyzer availability.
  • DE 10 2004 026 447 B4 discloses various technical possibilities which go beyond the principle disclosed in WO 2007144055 A1.
  • a three-compartment cell is described, which consists of two cathodes and an anode, which is separated by two membranes from the cathodes.
  • the following properties can be determined:
  • the device has feeds for oxygen and / or air and / or carbon dioxide in the cathode space in order to be able to distribute the gases finely.
  • the additionally offered oxygen produces cathodic hydroxide ions which enhance the neutralization of the sulfuric acid water.
  • the introduced carbon dioxide introduces buffering capacity into the reprocessed, sulfuric acid water by conversion to hydrogen carbonate ions, so that the product water is stabilized in the neutral pH range and thus reacts less sensitively to salt charges introduced.
  • the anodic current density of the device is higher by a factor of 5 than the cathodic current density, since the carrier material of the anodic electrode is coated only with a maximum of 20%, preferably even with a maximum of 5% with electrochemically active substances.
  • the coating should optimally not be evenly distributed, but in the lower third of the anode arithmetically by 2-20% above the occupancy average, in the upper third by 2-20% below the occupancy average and in the middle third of the anodic electrode the arithmetical average occupancy density correspond to the coating.
  • the newly introduced basic buffer capacity of the cathodically treated water was 0.7 and 0.8 mmol / l in both cases. If the results of the three-chamber cell according to DE 10 2004 026 447 B4 are compared with the two-chamber cell according to WO 2007144055 A1, then it is immediately obvious that the measures mentioned as improvement do not increase the cathodic sulfate removal, or reduce the specific energy consumptions cause the anodic production of sulfuric acid, sodium sulfate or sodium peroxodisulfate and also bring no more buffering capacity in the cathodically treated water.
  • a three-chamber cell with two membranes must be taken out of service even with errors of a membrane.
  • the risk of default is twice as high, which is a serious disadvantage from a technical point of view.
  • Commercially available membranes can only be operated for a maximum of 3-4 years and can receive defects in advance due to mechanical stress, which impair the cleaning performance and can even contaminate the cathodically conducted water through sulfate compounds.
  • the application of the unevenly distributed anodic coating is a major problem under large-scale aspects.
  • inhomogeneous coating In comparison to the homogeneous uniform distribution of the coating of personnel and manufacturing costs in the production is significantly increased, so that a possible advantage of a lower coating content of the electrode of a maximum of 20% and thus a possible precious metal savings is nullified.
  • the inhomogeneous coating also leads to an inhomogeneous current density distribution, which has an adverse effect on the cell voltage and thus the energy requirement of the process in the form of increased resistances.
  • a cell element for a bipolar electrolyser for electrochemical water treatment comprising an anode half-shell with an anode, a cathode half-shell with a cathode and an ion exchange membrane arranged between the anode and the cathode, wherein the anode half-shell shell and the cathode half-shell each having an outer wall having a flange portion for connecting the anode half-shell with the cathode half-shell, the anode half-shell and the cathode half-shell each having a plurality of inlet openings and a plurality of drain openings, wherein the total area of the inlet openings is smaller than the total area of the drain openings, and wherein the cathode half-shell a Gasein- feeding device, via which a gas in the cathode half-shell, in particular a arranged between the ion exchange membrane and the cathode cathode space is introduced.
  • the surface of the inlet openings and drain openings are chosen such that the discharge of suspended heavy metal salts is considerably greater than previously known in the prior art. Therefore, downtimes can be avoided and the plant increase availability.
  • the construction allows a simple backwashing from the drainage openings to the inlet openings by means of a corresponding connection via a flow reversal.
  • rinsing nozzles can optionally be attached to the vertical sides of the cathode in order to allow flushing across the main flow direction.
  • the availability of the electrolyzer is increased by the cell element of the invention and increases the water treatment performance.
  • the total area of the inlet openings is at least 30%, preferably at least 50%, smaller than the total area of the drainage openings.
  • the gas feed device has at least one tubular gas distributor which extends over the entire width of the cathode half shell.
  • the gas feed device is preferably arranged horizontally.
  • the gas feed device is arranged in a range of 300 to 400 mm and / or from 600 to 800 mm above an inlet channel having the inlet openings.
  • a gas for example air or C0 2 , can be introduced finely distributed into the water to be purified located in the cathode space via the gas feed device.
  • an advantageous embodiment provides that the anode is arranged at a distance of at least 0.5 mm and a maximum of 20 mm, preferably at least 8 mm and a maximum of 12 mm, away from the ion exchange membrane, wherein the distance across the Introduction of a non-conductive material is achieved, wherein as a non-conductive material, a fabric, mesh, threads, cloths, fleece or spun be used.
  • the cathode is arranged at a distance of at least 0.5 mm and a maximum of 20 mm, particularly preferably at least 8 mm and a maximum of 12 mm, away from the ion exchange membrane, the distance via the introduction a non-conductive material is achieved, being used as a non-conductive material fabric, mesh, threads, cloths, fleece or spun webs.
  • the anode is materially or adhesively connected to a rear wall of the anode half-shell.
  • the anode may be formed as a metallic fabric, as expanded metal or as a perforated plate.
  • the anode may have a surface which corresponds to 30% to 70%, preferably 40% to 60%, of the surface of the ion exchanger membrane. It is preferred if the anode consists of titanium and the entire surface of the anode is coated with an electrochemically active substance.
  • the occupation density of the anode with the electrochemically active substance is at least 5 g / m 2 .
  • Particularly advantageous is a coverage of at least 10 g / m 2 .
  • the coverage of the anode with the electrochemically active substance is uniform, so that the current density distribution over the entire surface of the anode during normal operation is uniform.
  • the anode has an opening degree of 40-50% and a uniform coating of about 10 g / m 2 , so that the sulfate transport to the anode side is significantly increased.
  • a higher throughput-specific product yield of sulfate species such as sulfuric acid or ammonium sulfate and the unified current density distribution a lower voltage and thus a lower specific energy consumption can be achieved.
  • the cathode and the anode are formed such that the anodic current density by a factor between 1, 4 and 3.3, more preferably by a factor between 1, 7 and 2.5, is higher than the cathodic current density.
  • the cathode is formed as a flat, metallic plate.
  • the cathode preferably consists of a chemically stable material against acidic media, in particular nickel or stainless steel.
  • the anode half-shell has a stabilizing device for stabilizing the rear wall of the anode half-shell and / or the cathode half-shell a stabilizing device for stabilizing the rear wall of the cathode half-shell.
  • the stabilization device is particularly preferably provided outside the cathode space or outside the anode space arranged between the ion exchange membrane and the anode. This makes it possible, so that both the cathode space and the anode space can be made largely obstacle-free.
  • the distances between the anode or the cathode and the membrane can be achieved by introducing a non-conductive the material can be adjusted, wherein as the material preferably fabrics, meshes, threads, cloths, fleece or spun webs are used, which, in contrast to the known prior art packing only have a low flow resistance.
  • the cathode is stabilized by a plurality of, in particular nine, 5 triangular webs, which are connected to the rear side of the cathode in a materially or adhesively bonded or adhesive manner and from two at an angle of preferably 40 ° to 60 ° inclined to each other and welded sheets.
  • the anode can be stabilized via a plurality of, in particular nine, triangular webs, which are adhesively bonded or adhesively bonded to the rear side of the anode completely or intermittently and consist of two sheets each inclined and welded at an angle of preferably 40 ° to 60 °.
  • the anode half-shell and the cathode half-shell each have at the bottom a, in particular rectangular, inlet channel via which feed solutions can be fed, wherein the inlet channel has the inlet openings. It is preferred if the anode half-shell and the cathode half-shell each have at the top a, in particular rectangular, drainage channel, via which the product solutions can be discharged, the drainage channel having the drainage openings.
  • a centrally arranged inlet nozzle is welded to the inlet channel centrally above a longitudinal side of the inlet channel.
  • a further structural embodiment provides that in each case a drain pipe is welded to the bottom of a down-side of the drain channel to the drain channel.
  • cathodic inlet channel below and the cathodic drain channel are connected to the cathode cohesively or adhesively above. Furthermore, it is advantageous if the anodic inlet channel at the bottom and the anodic outlet channel at the top are materially or adhesively connected to the anode rear wall.
  • the cathodic inlet channel in particular below, inlet openings, which are arranged uniformly in series over the entire length of the inlet channel, wherein the distance between the inlet openings is preferably at least 20 mm and a maximum of 50 mm and the height of each inlet opening preferably at least 5 mm and a maximum of 30 15 mm.
  • the cathodic inlet channel can center have a drain connection for connecting a hose or pipe connection.
  • the cathodic drainage channel in particular at the top, drainage holes which are arranged uniformly in series over the entire length of the drainage channel are and whose total area is preferably at least 30% and more preferably at least 50% greater than the total area of the inlet openings of the cathodic inlet channel.
  • the cathodic drainage channel can centrally have a drain connection for connecting a hose or pipe connection.
  • the anodic inlet channel in particular below, inlet openings, which are arranged uniformly in series over the entire length of the inlet channel, wherein the distance of the inlet openings is preferably at least 20 mm and a maximum of 50 mm and the height of each inlet opening preferably at least 5 mm and a maximum of 15 mm.
  • the anodic inlet channel may have a central outlet connection for connecting a hose or pipe connection.
  • an advantageous embodiment provides that the anodic drainage channel, in particular at the top, has drainage openings which are arranged uniformly in series over the entire length of the drainage channel and whose total area is preferably at least 30% and particularly preferably at least 50% greater than the total area the inlet openings of the anodic inlet channel.
  • the anodic drainage channel can centrally have a drain connection for connecting a hose or pipe connection.
  • the cathode half-shell has at least one, preferably two, flushing nozzles. It is particularly advantageous if the cathode half-shell has at least one flushing connection each at the left and the right-hand edge of the cathode.
  • the flushing nozzles can be horizontally aligned and / or attached to the front.
  • a bipolar electrolyzer which consists of individual cell elements, which are connected electrically in series - ie bipolar - is cheaper and easier to regulate than a monopolar electrolyzer, for example, an electrolyzer constructed of three-chamber cells.
  • a monopolar electrolyzer for example, an electrolyzer constructed of three-chamber cells.
  • the cell elements of the electrolyzer are designed so that they can bipolar, so put together in series to form a technical electrolyzer, as possible to enable simple power supply, which requires little effort in the form of cabling and installation personnel, while allowing the treatment of large volumes of water.
  • the inlet and outlet channels of the cathodes or anodes can be connected in such a way that centrally only one supply line is required, where the inflow and thus the amount of water to be treated can be regulated by means of suitable instruments. Due to the vertical arrangement of many elements in a steel frame, such an electrolyzer requires little space and reduces the space of the enclosure, which has been converted under economic aspects, in order to be able to professionally operate the installation under safety aspects. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in FIGS. 1-15.
  • FIG. 1 Interior view of the cathode half-shell of an inventive
  • FIG. 2 external view of the rear wall of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 3 Schematic view of the arrangements of the rear wall struts of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic view of the inlet channel of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 6 Schematic view of the drainage channel of the cathode half-shell of an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 7 Schematic representation of the cross section of the cathodic device for gas supply and gas injection
  • FIG. 8 Interior view of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 10 Schematic view of the arrangements of the rear wall struts of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 12 Schematic view of the inlet channel of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 13 Schematic view of the drainage channel of the anode half-shell of an electrolyzer according to the invention
  • FIG. 15 Schematic representation of the arrangement of cathodic and anodic half-shell of an electrolyzer according to the invention in the mounted state
  • FIG. 1 shows the interior view of a cathode half shell 1 of an electrolyzer according to the invention.
  • the rectangular half-shell has a frame-like flange 3, via which the cathode half-shell 1 is connected to the anode half-shell 2 via a screw system that is guided by screw passages 4.
  • the sulfuric acid water is supplied via an inlet connection 16b in the inlet channel 5b in the bottom region of the cell, wherein the water uniformly across the width distributed through inlet openings 7b in the inlet channel 5b enters the cathode compartment 14 and flows upwards.
  • Gas is injected in the form of air or C0 2 into the sulfuric acid water to be purified via several gas feed devices 1 1 in order to accelerate the cathodic neutralization process.
  • the installation height of the gas feed devices 1 1 depends on the pH and the contents of the sulfuric acid water and can therefore be varied depending on the process in order to achieve an optimized sulfate depletion.
  • two heights are given by way of example, wherein a first gas feed device 11 is arranged at a distance of 300-400 mm above the inlet channel 5b and a second gas feed device 11 is arranged at a distance of 600-800 mm above the inlet channel 5b.
  • the neutralization reaction proceeds, wherein the electrolysis current is supplied via the cathode 9.
  • the neutralized water leaves the cathode chamber 14 via drain openings 8b to the drainage channel 6b, from which the water exits via a discharge nozzle 17b.
  • FIG. 2 shows the cathode half-shell 1 of an electrolyzer according to the invention from the outside.
  • the inlet channel 5b arranged at the bottom and the water outlet channel 6b arranged at the top there is the rear wall of the cathode chamber 14, which simultaneously operates as the cathode 9.
  • the structural stabilization of the cathode half-shell 1 is effected by a stabilization device with nine webs 12, which are uniformly distributed over the cell width and whose schematic arrangement is shown in FIG.
  • the webs 12 are triangular in shape and welded to the cathode 9 completely or interrupted.
  • the obliquely placed plates of the webs 12 are inclined at an angle of 40 to 60 ° from the vertical.
  • the uniform distribution of the triangular-shaped webs 12 is shown in FIG. 4, which shows a cross section of the cathode half-shell 1 of the electrolyzer according to the invention.
  • FIG. 5 the rectangular inlet channel 5b of the cathode half-shell 1 of a cell element of an electrolyzer according to the invention is shown in cross-section.
  • an oval-shaped inlet pipe 16b is welded centrally, which allows, for example via a hose connection, flexible pipe connections or the like, the supply of sulfuric acid water.
  • the water enters the cathode space 14 via the inlet openings 7b at the bottom, which is defined by the ion exchange membrane 13 on the one hand and the cathode 9 on the other hand.
  • the cathode 9 is connected to the inlet channel 5b in a material-tight or adhesive liquid-tight manner.
  • Fig. 6 shows analogously the cross section of the rectangular executed drainage channel 6b of the cathode half-shell 1 of a cell element of an electrolyzer according to the invention.
  • the neutralized water enters the drainage channel 6b via the discharge openings 8b in the upper part of the channel and is collected from there.
  • the drainage channel 6b is connected to the cathode 9 cohesively or adhesively liquid-tight.
  • a gas supply device 1 1 for supplying the cathode half-shell 1 with gas in the form of air or C0 2 in cross section is shown schematically. Via a connecting piece 19, the gas is passed into the tubular gas distributor 18, which is arranged over the entire width of the cathode half-shell 1.
  • the tubular gas distributor 18 which is arranged over the entire width of the cathode half-shell 1.
  • several Gaseinspeisungsvornchtitchtitchtitchtitch 1 1 are provided, via which the gas is injected finely dispersed in the water.
  • FIG. 8 shows the interior view of an anode half-shell 2 of a cell element of an electrolyzer according to the invention.
  • the rectangular anode half-shell 2 has a flange-like flange 3, via which the anode half-shell 2 is connected to the cathode half-shell 1 via a screwing system that is guided by screw passages 4.
  • the anolyte is fed via an inlet connection 16a into the inlet channel 5a in the bottom region of the cell, wherein the solution uniformly distributed over the width through inlet openings 7a in the inlet channel 5a enters the anode chamber 15 and flows upwards.
  • the sulphate-containing product accumulates due to the transfer of the sulfate from the cathode chamber 14, wherein the electrolysis current is dissipated via the anode 10.
  • the anolyte leaves the anode compartment 15 via discharge openings 8a of the discharge channel 6a, from which the anolyte exits via a discharge connection 17a.
  • 9 shows the anode half-shell 2 of a cell element of the electrolyzer according to the invention from the outside. Between the inlet channel 5a arranged at the bottom and the outlet channel 6a for the anolyte arranged at the top, the rear wall 21 of the anode chamber 15, which is welded to the anode 10, is located.
  • the structural stabilization of the anode half-shell 2 is effected by a stabilization device with nine webs 12 uniformly distributed over the cell width, the schematic arrangement of which is shown in FIG.
  • the webs 12 are triangular in shape and welded to the anode rear wall 21.
  • the obliquely placed plates of the webs 12 are inclined at an angle of 40 to 60 ° from the vertical.
  • FIG. 1 shows a cross section of the anode half-shell 2 of the electrolyzer according to the invention.
  • FIG. 12 the rectangular inlet channel 5a of the anode half-shell 2 of a cell element according to the invention of the electrolyzer is shown in cross-section.
  • An oval-shaped inlet connection 16a is welded to the inlet channel 5a in the center, which, for example, allows the supply of the anolyte via a hose connection, flexible pipe connections or the like.
  • the solution enters via the bottom inlet openings 7a in the anode compartment 15, which is defined by the ion exchange membrane 13 on the one hand and the anode 10 on the other.
  • the anode 10 is welded to the anode back wall 21 and this with the inlet channel 5a.
  • FIG. 13 shows, analogously, the cross section of the rectangular drainage channel 6a of the anode half-shell 2 of a cell element of the electrolyzer according to the invention.
  • the enriched anolyte enters the drainage channel 6a via the drainage openings 8a provided in the drainage channel 6a at the top and is discharged in a collected manner from there.
  • the drainage channel 6a is welded to the anode rear wall 21.
  • the embodiment of the anode 10 of a cell element of the electrolyzer according to the invention is shown schematically in FIG. 14.
  • the anode 10 is designed as a perforated plate and has regular openings 20 whose total area is 50 to 60% of the total area of the anode 10.
  • the electrochemically active area of the anode 10 is thus 40-50% of its calculated area of length multiplied by width.
  • the anode 10 is designed so that the drainage openings 8a to the drainage channel 6a are not covered by the anode 10 in order to use the total area of the surface of the drainage openings 8a. Accordingly, the anode 10 also does not cover the inlet openings 7a of the inlet channel 5a in the bottom area of the anode half-shell 2.
  • FIG. 15 shows a schematic representation of the arrangement of cathodic and anodic half-shell 2 of a cell element of the electrolyzer according to the invention in the mounted state.
  • the inlet channels 5a, 5b and the drainage channels 6a, 6b of the anode half-shell 2 and the cathode half-shell 1 are each oriented to one another.
  • the cathode half shell 1 and the anode half shell 2 are screwed together via the flanges 3.
  • the anode half-shell 2 and the cathode half-shell 1 each have a plurality of inlet openings 7a, 7b and a plurality of drain openings 8a, 8b, wherein the total area of the inlet openings 7a, 7b is smaller than the total area of the drain openings 8a, 8b.
  • the cathode half-shell 1 further has a gas feed device 11, via which a gas can be introduced into the cathode half-shell 1, in particular a cathode space 14 arranged between the ion-exchanger membrane 13 and the cathode 9.
  • a gas feed device 11 via which a gas can be introduced into the cathode half-shell 1, in particular a cathode space 14 arranged between the ion-exchanger membrane 13 and the cathode 9.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalbschale (2) mit einer Anode (10), eine Kathodenhalbschale (1) mit einer Kathode (9) und eine zwischen der Anode (10) und der Kathode (9) angeordnete Ionenaustauscher-Membran (13), wobei die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1) jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich (3) zur Verbindung der Anodenhalbschale (2) mit der Kathodenhalbschale (1) aufweisen, wobei die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1) jeweils mehrere Einlauföffnungen (7a, 7b) und mehrere Ablauföffnungen (8a, 8b) aufweisen, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen (7a, 7b) kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen (81, 8b), und die Kathodenhalbschale (1) eine Gaseinspeisungsvorrichtung (11) aufweist, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale, insbesondere einen zwischen der Ionenaustauscher-Membran (13) und der Kathode (9) angeordneten Kathodenraum (14) einleitbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen bipolaren Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen.

Description

Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalbschale mit einer Anode, eine Kathodenhalbschale mit einer Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Ionenaustauscher-Membran, wobei die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich zur Verbindung der Anodenhalbschale mit der Kathodenhalbschale aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung einen bipolaren Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen. [0002] Die Entstehung schwefelsaurer Wässer mit hohen Schwermetallsalzgehalten lässt sich verstärkt in aktiven und inaktiven Bergbaugebieten beobachten, wo durch natürliche Verwitterungsprozesse eine zunehmende Gewässerversauerung seit Jahren zu beobachten ist. Insbesondere für die durch Flutung neu entstehenden Tagebaurestseen sowie die in diesen Gebieten vorkommenden Grundwässer stellt diese ein immer größeres Problem dar. Sulfationen sind weder chemisch inert noch gesundheitlich bzw. hygienisch unbedenklich, so dass ein hoher Schwermetall- und Sulfateintrag in die Grund- und Oberflächenwässer erhebliche negative Auswirkungen auf die Gewässerökologie sowie die technische Nutzbarkeit des Wassers als Trink- oder Brauchwasser bedeutet. Hohe Frachten an Schwermetallen und Sulfaten im Grundwässern sind beispielsweise für die Trinkwassernutzung unzuläs- sig, gleichzeitig wirken sulfatreiche, schwefelsaure Wässer aber auch stark korrodierend auf Stahl und Beton.
[0003] Die Sanierung mit Sulfat belasteter Oberflächenwässer wie Tagebaurestseen wird aufgrund der großen Wassermengen zurzeit vor allem durch die Flutung mit ggf. konditioniertem Fremdwasser durchgeführt. Dieses Verfahren ist jedoch unter anderem stark be- grenzt durch das zur Verfügung stehende Wasserangebot, den Aufwand zur Überleitung und die abzupuffernde Basenkapazität. Eine Sanierung der Restlochgewässer durch Kalkung ist in den meisten Fällen wegen des hohen stöchiometrischen Überschusses an basischen Stoffen unwirtschaftlich.
[0004] Es sind auch mikrobiologische Verfahren bekannt, bei denen unter Luftabschluss sulfatreiche Wässer durch Mikroben biochemisch reduziert werden können. Die dabei entstehen Sulfide werden mit Luftsauerstoff erneut zur Schwefelsäure oxidiert. Dieser Prozess, dessen Nutzung zur Sanierung von schwefelsauren Wässern schon seit längerem mit bislang eher geringem Erfolg untersucht wurde, kann natürlicherweise regelmäßig in Kanalisationssystemen und in stagnierenden Gewässern beobachtet werden. Er führt deutschland- weit jährlich zu Milliardenschäden an der Infrastruktur durch Sulfid-/ Schwefelsäurekorrosion.
[0005] Darüber hinaus sind elektrochemische Verfahren bekannt, nach denen ohne Beimischung von Zusatzstoffen die Wasseraufbereitung durchgeführt werden kann. Beispielswei- se wird in der DE19624023 B9 ein Verfahren zur Aufbereitung saurer eisenhaltiger Tagebaurestlochgewässer beschrieben, wobei der Aufbereitungseffekt im Gegensatz zur üblichen Neutralisation nicht durch die Zudosierung von Lauge zum Wasser mit hohem pH- Wert erreicht wird, sondern durch Abtrennung von Protonen infolge ihrer elektrochemischen Abscheidung in der kathodischen Teilreaktion des Elektrolyseprozesses erfolgt. [0006] Dabei werden die den niedrigen pH-Wert bestimmenden Wasserstoffionen an der Kathode zu Wasserstoff reduziert. Dieser so gebildete Wasserstoff wird mit dem behandelten Wasser aus der Zelle ausgetragen und in die Umgebung abgegeben. Mit der Reduktion der Wasserstoffionen ist ein Anstieg des pH-Wertes verbunden. Dies bewirkt wiederum die Hydrolyse und Fällung der hydrolysierbaren Kationen (z.B. Fe, AI, Mn), die mit dem neutrali- sierten Wasser als Suspension aus den Zellen ausgetragen werden:
(1 ) 4H+ + 4e- ^ 2H2
(2) 4H20 + 4e- -> 2H2 + 40H"
(3) Men+ + nOH- -> Me(OH)n Me=Fe, AI, Mn etc.
[0007] In gleicher Weise wirkt prinzipiell die simultan ablaufende elektrochemische Redukti- on von im Wasser gelösten Sauerstoff zu Hydroxidionen neutralisierend.
(4) 2H20 + 02 + 4e- -> 40H"
[0008] Die Reaktion (4) trägt jedoch nur geringfügig zur kathodischen Wasseraufbereitung bei. Durch den Einsatz einer lonenaustauschmembran zwischen Anoden- und Kathodenraum der Elektrolysezelle wird zusätzlich erreicht, dass zur Anhebung des pH-Wertes, und der damit einher gehenden Hydrolyse und Fällung von Aluminium- und Schwermetallionen, auch der Salzgehalt der Wässer erheblich vermindert wird. Dabei wird eine Kopplung des kathodischen Wasseraufbereitungsprozesses mit einem anodischen Syntheseprozess vorgesehen. Bei Vorhandensein von Sulfationen können anodisch folgende Reaktionen ablaufen: (5) 2H20 -> 4H+ + 02 + 4e- (6) 2S04 2- -> S208 2- + 2e-
[0009] Bei einer Reaktion gemäß der Gleichung (5) werden die entstehenden Protonen durch die in den Anodenraum wandernden Sulfationen abgesättigt, wobei zunächst Schwefelsäure gebildet und aufkonzentriert wird. Im zweiten Fall werden Sulfationen zu Peroxodi- sulfat oxidiert und im Anodenraum angereichert. Durch nachfolgende Prozesse ist eine Gewinnung dieser Produkte möglich. In ähnlicher Weise kann der in der Kathodenreaktion gebildete Wasserstoff nachfolgend als Produkt verwertet werden.
[0010] EP0026591 A1 oder DE 3614005 A1 beschreiben prinzipiell geeignete Elektrolysevorrichtungen für dieses vorgenannte Verfahren nach DE19624023 B9, wobei diese aller- dings im technischen Maßstab nicht erprobt wurden, sondern nur Laborergebnisse zeigen.
[0011] In der WO 2007144055 A1 wurde erstmalig eine Vorrichtung zur elektrochemischen Wasseraufbereitung beschrieben, die auch zum technischen Einsatz geeignet ist. Die beschriebene Vorrichtung zur elektrochemischen Reinigung saurer Wässer bestehend aus einer Kathode, einer Anode und einer lonenaustauschmembran, wobei die Membran zwi- sehen der Kathode und Anode angeordnet ist und mindestens umlaufend im Randbereich gehalten wird, wobei auf dem oberen und unteren Randbereich der Elektrolysevorrichtung eine Vielzahl von Zu- und Abläufen angeordnet sind, die mit dem Kathoden- beziehungsweise dem Anodenraum verbunden sind, so dass sich im Kathoden- und dem Anodenraum eine Pfropfenströmung ausbildet, die im idealen Fall ein laminares Profil aufweist. [0012] Zellelemente nach dem Prinzip dieser Vorrichtung wurden bereits im technischen Maßstab mit 2.1 m2 aktiver Elektrolysefläche erprobt. Ein Elektrolyseur bestehend aus fünf bipolar angeordneten Zellelementen nach dem Prinzip der WO 2007144055 A1 wurde über etwa zwei Jahre betrieben und die kathodische Sulfatentfernung schwefelsaurer Tagebaurestlochgewässer untersucht. Trotz schwankender Sulfationeneinlaufkonzentration des schwefelsauren Wassers im Bereich von 800 bis 1000 mg/l konnte eine Abtrennung von über 20 % mit Spitzenwerten von bis zu 25 % Sulfat erreicht werden. Je nach Einstellung des anodischen Syntheseprozesses wurden dabei spezifische Energieverbräuche von im Schnitt unter 0,5 kWh/m3 Natriumperoxodisulfat, 0,7 kWh/m3 Natriumsulfat bzw. 1 ,0 kWh/m3 Schwefelsäure erreicht. Die kathodisch erzeugte basische Pufferkapazität des aufbereiteten Wassers betrug etwa 1 ,2 mmol/l.
[0013] Nachteilig bei diesem Prozess erwies sich die Fällung der im schwefelsauren Wasser vorhandenen Kationen, speziell Eisen und Aluminium, die aufgrund der Anhebung des pH-Werts als Hydroxide oder Karbonate im Kathodenraum ausgefällt werden und entgegen der Erwartung trotz des hohen Volumenstroms von etwa 1 ,2 m3/h nicht als Suspension ausgetragen werden, sondern als Fällschlamm in der Elektrolysezelle verbleiben. Das zwischen Rückwand und Membran in der Kathode angeordnete, inerte Füllmaterial wird dadurch verstopft und weiterer Wasserdurchsatz behindert. Regelmäßiges Öffnen und Reini- gen der Zelle ist erforderlich, da einfaches Rückspülen nicht ausreicht, die Fällschlämme zu entfernen, wodurch die Elektrolyseur-Verfügbarkeit herabgesetzt wird.
[0014] Um die Sulfatreinigungsleistung zu erhöhen, sind in DE 10 2004 026 447 B4 verschiedene technische Möglichkeiten offenbart, die über das in WO 2007144055 A1 offenbarte Prinzip hinausgehen. Hier wird eine Dreikammerzelle beschrieben, die aus zwei Kathoden und einer Anode besteht, die durch zwei Membranen von den Kathoden getrennt ist. An Unterschieden zum bekannten Stand der Technik lassen sich folgende Eigenschaften feststellen:
[0015] Die Vorrichtung weist Zuführungen für Sauerstoff und/oder Luft und/oder Kohlendioxid in den Kathodenraum auf, um die Gase fein verteilen zu können. Dadurch wird zu- nächst erreicht, dass durch den zusätzlich angebotenen Sauerstoff kathodisch Hydroxidionen erzeugt werden, welche die Neutralisierung des schwefelsauren Wassers verstärken. Durch das eingeleitete Kohlendioxid wird darüber hinaus Pufferkapazität durch Umsetzung zu Hydrogenkarbonationen in das aufzubereitende, schwefelsaure Wasser eingebracht, so dass das Produktwasser im neutralen pH Bereich stabilisiert wird und somit weniger pH- sensibel auf eingebrachte Salzfrachten reagiert.
[0016] Die anodische Stromdichte der Vorrichtung ist um den Faktor 5 höher als die kathodische Stromdichte, da das Trägermaterial der anodischen Elektrode nur mit maximal 20 %, bevorzugt sogar nur mit maximal 5 % mit elektrochemisch aktiven Substanzen beschichtet ist. Die Beschichtung soll dabei optimalerweise nicht gleichmäßig verteilt werden, sondern im unteren Drittel der Anode rechnerisch um 2-20 % über dem Belegungsdurchschnitt liegen, im oberen Drittel um 2-20 % unter dem Belegungsdurchschnitt und im mittleren Drittel der anodischen Elektrode dem rechnerischen Durchschnitt der Belegungsdichte der Beschichtung entsprechen.
[0017] Mehrere Ausführungsbeispiele werden angeführt, bei denen die verbesserte Sulfat- abscheidung durch Anwendung der genannten Eigenschaften demonstriert werden soll. In eine Laborzellen der Größe 0,05 m2 wird bei einer anodischen Stromdichte von 50 A/cm2 und kathodischen Stromdichte von 10 A cm2 eine Sulfatabreicherung von etwa 20 % erreicht, wobei die spezifische Energieverbräuche von 0,82 kWh/m3 Sulfat und 1 ,170 kWh/m3 Schwefelsäure betrugen. In einem anderen Versuch konnte mit einer 0,013 m2 Zelle immer- hin ein Sulfatabreicherungsgrad von etwa 28 % erreicht werden, wobei im Anodenkreislauf Natriumperoxodisulfat bei einem Energieverbrauch von 0,7 kWh/m3 erzeugt wurde. Die neu eingebrachte basische Pufferkapazität des kathodisch aufbereiteten Wassers lag in beiden Fällen bei 0,7 bzw. 0,8 mmol/1. [0018] Werden nun die Ergebnisse der Dreikammerzelle nach DE 10 2004 026 447 B4 mit der Zweikammerzelle nach WO 2007144055 A1 verglichen, so fällt direkt auf, dass die als Verbesserung genannten Maßnahmen keine Erhöhung der kathodischen Sulfatabreiche- rung, keine Verringerung der spezifischen Energieverbräuche für die anodische Erzeugung von Schwefelsäure, Natriumsulfat oder Natriumperoxodisulfat bewirken und auch nicht mehr Pufferkapazität in das kathodisch aufbereitetet Wasser einbringen.
[0019] Weitere Nachteile ergeben sich aus dem Zellenprinzip an sich. Eine Massstabsvergrößerung erfordert das Verschalten vieler Einzelzellen, um möglichst wenig umbauten Raum und kurze verlustbehaftete Stromwege zu haben. Eine Dreikammerzelle lässt sich nur parallel - also monopolar - verschalten, indem alle Kathoden und alle Anoden jeweils miteinander elektrisch verbunden werden. Dadurch ist die Spannung aller Zellen gleich, der Strom nach dem Kirchhoffschen bzw. Ohmschen Gesetz aber variabel, da er vom individuellen Widerstand einer Zelle bestimmt wird. Da dieser ohmsche Widerstand aber bestimmt ist durch leichte Unterschiede jeder Zelle, vor allem in den elektrochemischen Eigenschaften der anodischen Beschichtung bzw. der Membran sowie durch die in jeder Zelle unter- schiedlich ablaufenden Fällprozesse, lassen sich viele Zellen hydraulisch nicht unabhängig voneinander regeln. Jede Zelle muss individuell eingestellt werden, um den gleichen neutralen Ablauf-pH-Wert zu erreichen bzw. darf einen Maximai-pH-Wert nicht überschreiten, der auch zu weiteren Fällprozessen führen kann. Ein monopolar aufgebauter Elektrolyseur erfordert somit einen hohen Regelungs- und Verkabelungsaufwand, was dessen wirtschaft- liehen Betrieb beeinträchtigt. Die Begriffe Monopolar und Bipolar sind dem Fachmann bekannt, eine Erläuterung befindet sich beispielsweise unter "Handbook of C/A Technology, Thomas F. O'Brien, Tilak V. Bommaraju and Fumio Hine, Springer Verlag, ISBN 0-306- 48618-0 (2005), pp 388ff"
[0020] Eine Dreikammerzelle mit zwei Membranen muss schon bei Fehlern einer Membran außer Betrieb genommen werden. Trotz gleicher Leistung einer Zweikammerzelle ist somit das Ausfallrisiko doppelt so hoch, was unter technischen Gesichtspunkten ein gravierender Nachteil ist. Handelsübliche Membranen lassen sich nur maximal 3-4 Jahre betreiben und können vorab durch mechanische Beanspruchung Defekte bekommen, welche die Reinigungsleistung beeinträchtigen und das kathodisch durchgeleitete Wasser durch Sulfatver- bindungen sogar verunreinigen können. [0021] Auch die Aufbringung der ungleichmäßig verteilten anodischen Beschichtung stellt unter großtechnischen Aspekten ein erhebliches Problem dar. Im Vergleich zur homogenen Gleichverteilung der Beschichtung ist der Personal- und Fertigungsaufwand bei der Herstellung deutlich erhöht, so dass ein möglicher Vorteil eines geringeren Beschichtungsanteils der Elektrode von maximal 20 % und damit eine mögliche Edelmetalleinsparung zunichte gemacht wird. Die inhomogene Beschichtung führt auch zu einer inhomogenen Stromdichteverteilung, die sich in Form erhöhter Widerstände auf die Zellspannung und damit den Energiebedarf des Verfahrens nachteilig auswirkt.
[0022] Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, die Verfügbarkeit des Elektro- lyseurs zu erhöhen und die Wasseraufbereitungsleistung zu steigern.
[0023] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalb- schale mit einer Anode, eine Kathodenhalbschale mit einer Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Ionenaustauscher-Membran, wobei die Anodenhalb- schale und die Kathodenhalbschale jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich zur Verbindung der Anodenhalbschale mit der Kathodenhalbschale aufweisen, wobei die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils mehrere Einlauföffnungen und mehrere Ablauföffnungen aufweisen, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen, und wobei die Kathodenhalbschale eine Gasein- Speisungsvorrichtung aufweist, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale, insbesondere einen zwischen der Ionenaustauscher-Membran und der Kathode angeordneten Kathodenraum einleitbar ist.
[0024] Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs eine Sulfatreinigung erreicht werden kann, die deutlich über den Ergeb- nissen liegt, welche mit Dreikammerzellen im Labormaßstab nach DE 10 2004 026 447 B4 bzw. mit Zweikammerzellen nach WO 2007144055 A1 erzielt werden können. Durch konstruktiv optimierte Strömungsführung des aufzubereitenden Wassers zwischen Kathode und Membran, Eindüsung von Luft bzw. C02 durch die Gaseinspeisungsvorrichtung in den Kathodenraum und gezielte Anpassung des Durchsatzes konnten Sulfatabreicherungen von ca. 40 % erzielt werden, die somit um 25-50 % über den bislang bekannten Sulfatentfernungsleistungen wie aus DE 10 2004 026 447 oder WO 2007144055A1 bekannt, liegen.
[0025] Die Fläche der Einlauföffnungen und Ablauföffnungen sind derart gewählt, dass der Austrag an suspendierten Schwermetallsalzen erheblich größer ist, als bisher nach dem Stand der Technik bekannt. Daher lassen sich Ausfallzeiten vermeiden und die Anlagenver- fügbarkeit erhöhen. Für den Fall eines erhöhten Anfalls an gefällten Schwermetallen im Zellelement erlaubt die Konstruktion durch entsprechende Verschaltung über eine Strömungs- umkehrung ein einfaches Rückspülen von den Ablauföffnungen zu den Einlauföffnungen. Zusätzlich lassen sich an den vertikalen Seiten der Kathode optional Spülstutzen anbrin- gen, um eine Spülmöglichkeit quer zur Hauptströmungsrichtung zu ermöglichen.
[0026] Somit wird durch das erfindungsgemäße Zellelement die Verfügbarkeit des Elektrolyseurs erhöht und die Wasseraufbereitungsleistung gesteigert.
[0027] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gesamtfläche der Einlauföffnungen um mindestens 30 %, bevorzugt um mindestens 50 %, kleiner als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen. Hierdurch kann der Austrag an suspendierten Schwermetallsalzen gesteigert werden.
[0028] Vorteilhafterweise weist die Gaseinspeisungsvorrichtung zumindest einen rohrförmi- gen Gasverteiler auf, der sich über die ganze Breite der Kathodenhalbschale erstreckt. Die Gaseinspeisungsvorrichtung ist bevorzugt waagerecht angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Gaseinspeisungsvorrichtung in einem Bereich von 300 bis 400 mm und/oder von 600 bis 800 mm oberhalb eines die Einlauföffnungen aufweisenden Einlaufkanals angeordnet. Über die Gaseinspeisungsvorrichtung kann ein Gas, beispielsweise Luft oder C02, fein verteilt in das sich im Kathodenraum befindende zu reinigende Wasser eingeleitet werden.
[0029] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anode im Abstand von mindes- tens 0,5 mm und maximal 20 mm, bevorzugt mindestens 8 mm und maximal 12 mm, von der Ionenaustauscher-Membran entfernt angeordnet ist, wobei der Abstand über die Einbringung eines nichtleitendes Materials erreicht wird, wobei als nichtleitendes Material ein Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden.
[0030] Vorteilhaft ist es, wenn die Kathode im Abstand von mindestens 0,5 mm und maxi- mal 20 mm, besonders bevorzugt mindestens 8 mm und maximal 12 mm, von der Ionenaustauscher-Membran entfernt angeordnet ist, wobei der Abstand über die Einbringung eines nichtleitendes Materials erreicht wird, wobei als nichtleitendes Material Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden.
[0031] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Anode mit einer Rückwand der Anodenhalbschale stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden. Die Anode kann als metallisches Gewebe, als Streckmetall oder als perforiertes Blech ausgebildet sein. Die Anode kann eine Oberfläche aufweisen, die 30 % bis 70 %, bevorzugt 40 % bis 60 % der Oberfläche der lo- nentauscher-Membran entspricht. [0032] Bevorzugt ist es, wenn die Anode aus Titan besteht und die gesamte Fläche der Anode mit einer elektrochemisch aktiven Substanz beschichtet ist.
[0033] In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn als elektrochemisch aktive Substanz ein Gemisch aus Iridium und Tantal oder ein Gemisch aus Platin und Iridium verwendet wird.
[0034] Vorteilhafterweise beträgt die Belegungsdichte der Anode mit der elektrochemisch aktiven Substanz mindestens 5 g/m2. Besonders vorteilhaft ist eine Belegungsdichte von mindestens 10 g/m2. Bevorzugt ist die Belegung der Anode mit der elektrochemisch aktiven Substanz gleichmäßig ausgebildet, so dass die Stromdichteverteilung über die Gesamtflä- che der Anode im bestimmungsgemäßen Betrieb einheitlich ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anode einen Öffnungsgrad von 40-50 % und eine gleichmäßige Beschichtung von etwa 10 g/m2 aufweist, so dass der Sulfattransport auf die Anodenseite deutlich erhöht ist. Hierdurch kann eine höhere durchsatzspezifische Produktausbeute an Sulfatspezies wie Schwefelsäure oder Ammoniumsulfat und durch die vereinheitlichte Stromdichtverteilung eine geringere Spannung und damit ein geringerer spezifischer Energieverbrauch erreicht werden.
[0035] Bevorzugt sind die Kathode und die Anode derart ausgebildet, dass die anodische Stromdichte um einen Faktor zwischen 1 ,4 und 3,3, besonders bevorzugt um einen Faktor zwischen 1 ,7 und 2,5, höher ist als die kathodische Stromdichte. [0036] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Kathode als ebene, metallische Platte ausgebildet ist. Die Kathode besteht bevorzugt aus einem gegen saure Medien chemisch stabilen Werkstoff, insbesondere aus Nickel oder Edelstahl.
[0037] Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher eine Rückwand der Kathodenhalb- schale mit der Kathode identisch ist, so dass sich ein konstruktiv einfacherer Aufbau der Kathodenhalbschale ergibt.
[0038] Bevorzugt weist die Anodenhalbschale eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand der Anodenhalbschale und/oder die Kathodenhalbschale eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand der kathodenhalbschale auf. Die Stabilisierungseinrichtung ist besonders bevorzugt außerhalb des Kathodenraums bzw. außer- halb des zwischen der Ionenaustauscher-Membran) und der Anode angeordneten Anodenraums vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, so dass sowohl der Kathodenraum als auch der Anodenraum weitgehend hindernisfrei gestaltet werden kann. Die Abstände zwischen der Anode bzw. der Kathode und der Membran können durch Einbringen eines nichtleiten- den Materials eingestellt werden, wobei als Material bevorzugt Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden, die im Gegensatz zu den nach Stand der Technik bekannten Füllkörpern nur einen geringen Strömungswiderstand aufweisen. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Kathode über mehrere, insbesondere neun, 5 dreieckformige Stege stabilisiert wird, die mit der Rückseite der Kathode vollständig oder unterbrochen stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind und aus jeweils zwei im Winkel von bevorzugt 40° bis 60° gegeneinander geneigten und verschweißten Blechen bestehen. Ebenso kann die Anode über mehrere, insbesondere neun, dreieckformige Stege stabilisiert sein, die mit der Rückseite der Anode vollständig oder unterbrochen stoffschlüssig oder 10 adhäsiv verbunden sind und aus jeweils zwei im Winkel von bevorzugt 40° bis 60° gegeneinander geneigten und verschweißten Blechen bestehen.
[0039] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils unten einen, insbesondere rechteckförmigen, Einlaufkanal auf, über den Zulauflösungen zuführbar sind, wobei der Einlaufkanal die Einlauföffnungen auf- 15 weist. Bevorzugt ist es, wenn die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils oben einen, insbesondere rechteckförmigen, Ablaufkanal aufweisen, über den die Produktlösungen abführbar sind, wobei der Ablaufkanal die Ablauföffnungen aufweist.
[0040] Gemäß einer konstruktiven Ausgestaltung ist an den Einlaufkanal ein zentral angeordneter Einlaufstutzen mittig oben an eine Längsseite des Einlaufkanals angeschweißt. 20 Eine weitere konstruktive Ausgestaltung sieht vor, dass an den Ablaufkanal jeweils ein Ablaufstutzen mittig unten an eine Längsseite des Ablaufkanals angeschweißt ist.
[0041] Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der kathodische Einlaufkanal unten und der kathodische Ablaufkanal oben mit der Kathode stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind. Vorteilhaft ist es ferner, wenn der anodische Einlaufkanal unten und der anodische 25 Ablaufkanal oben mit der Anodenrückwand stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind.
[0042] Bevorzugt weist der kathodische Einlaufkanal, insbesondere unten, Einlauföffnungen auf, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Einlaufkanals angeordnet sind, wobei der Abstand der Einlauföffnungen bevorzugt mindestens 20 mm und maximal 50 mm beträgt und die Höhe jeder Einlauföffnung bevorzugt mindestens 5 mm und maximal 30 15 mm. Der kathodische Einlaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen.
[0043] Vorzugsweise weist der kathodische Ablaufkanal, insbesondere oben, Ablauföffnungen auf, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Ablaufkanals angeordnet sind und deren Gesamtfläche bevorzugt mindestens 30% und besonders bevorzugt mindestens 50% größer ist als die Gesamtfläche der Einlauföffnungen des kathodischen Einlaufkanals. Der kathodische Ablaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen. [0044] Bevorzugt ist es, wenn der anodische Einlaufkanal, insbesondere unten, Einlauföffnungen aufweist, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Einlaufkanals angeordnet sind, wobei der Abstand der Einlauföffnungen bevorzugt mindestens 20 mm und maximal 50 mm beträgt und die Höhe jeder Einlauföffnung bevorzugt mindestens 5 mm und maximal 15 mm. Der anodische Einlaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum An- schluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen.
[0045] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der anodische Ablaufkanal, insbesondere oben, Ablauföffnungen aufweist, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Ablaufkanals angeordnet sind und deren Gesamtfläche bevorzugt mindestens 30% und besonders bevorzugt mindestens 50% größer ist als die Gesamtfläche der Einlauföffnungen des anodischen Einlaufkanals. Der anodische Ablaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen.
[0046] Vorteilhaft ist es, wenn die Kathodenhalbschale mindestens einen, bevorzugt zwei, Spülstutzen aufweist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kathodenhalbschale am linken und rechten Rand der Kathode mindestens jeweils einen Spülstutzen aufweist. Die Spül- stutzen können waagerecht ausgerichtet und/oder stirnseitig angebracht sein.
[0047] Bei einem bipolaren Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen trägt es zur Lösung der Aufgabe bei, wenn die Zellelemente wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind.
[0048] Ein bipolarer Elektrolyseur, der aus einzelnen Zellelementen besteht, die elektrisch in Reihe - also bipolar - verschaltet sind ist kostengünstiger und einfacher zu regeln als ein monopolar aufgebauter Elektrolyseur, beispielsweise ein aus Dreikammerzellen aufgebauter Elektrolyseur. Beim bipolaren Elektrolyseur ist der Strom und damit die Last immer gleich, so dass aufgrund der gleichen elektrochemischen Produktion bzw. Umsetzung eine einfache hydraulische Regelung des kathodisch zugeführten schwefelsauren Wassers mög- lieh ist. Auch der Verkabelungsaufwand und der umbaute Raum eines bipolaren Elektrolyseurs sind deutlich geringer und damit unter Kostengesichtspunkten wirtschaftlicher.
[0049] Die Zellelemente des Elektrolyseurs sind so konstruiert, dass sie sich bipolar, also in Reihe zu einem technischen Elektrolyseur zusammenschalten lassen, um eine möglichst einfache Stromversorgung zu ermöglichen, die wenig Aufwand in Form von Verkabelung und Personal zur Installation erfordert und gleichzeitig die Behandlung großer Wassermengen erlaubt. Idealerweise lassen sich dazu die Ein- und Ablaufkanäle der Kathoden bzw. Anoden derart verbinden, dass zentral nur eine Versorgungsleitung erforderlich ist, wo über geeignete Instrumente der Zufluss und damit die aufzubereitende Wassermenge geregelt werden kann. Ein derartiger Elektrolyseur erfordert aufgrund der vertikalen Anordnung vieler Elemente in einem Stahlgestell wenig Platzbedarf und reduziert den unter wirtschaftlichen Aspekten umbauten Raum der Einhausung, um die Anlage unter Sicherheitsaspekten fachgerecht betreiben zu können. [0050] Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in Fig. 1 -15 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Fig. 1 Innenansicht der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen
Elektrolyseurs
Fig. 2 Außenansicht der Rückwand der Kathodenhalbschale eines erfin- dungsgemäßen Elektrolyseurs
Fig. 3 Schematische Ansicht der Anordnungen der Rückwandverstrebungen der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
Fig. 4 Querschnitt der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs Fig. 5 Schematische Ansicht des Einlaufkanals der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
Fig. 6 Schematische Ansicht des Ablaufkanals der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
Fig. 7 Schematische Darstellung des Querschnitts der kathodischen Vor- richtung zur Gasversorgung und Gaseindüsung
Fig. 8 Innenansicht der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
Fig. 9 Außenansicht der Rückwand der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs Fig. 10 Schematische Ansicht der Anordnungen der Rückwandverstrebungen der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
Fig. 1 1 Querschnitt der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs Fig. 12 Schematische Ansicht des Einlaufkanals der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
Fig. 13 Schematische Ansicht des Ablaufkanals der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
Fig. 14 Schematische Darstellung der Anordnung von Anode und Aussparun- gen des Ablaufkanals eines erfindungsgemäßen Elektrolyseur zur Ableitung des Anolyts
Fig. 15 Schematische Darstellung der Anordnung von kathodischer und anodischer Halbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im montierten Zustand
[0051] Fig.1 zeigt die Innenansicht einer Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs. Die rechteckförmige Halbschale verfügt über einen rahmenartig ausgeführten Flansch 3, über den die Kathodenhalbschale 1 mit der Anodenhalbschale 2 über ein Schraubsystem, dass durch Schraubendurchführungen 4 geführt wird, verbunden ist. Das schwefelsaure Wasser wird über einen Einlaufstutzen 16b in den Einlaufkanal 5b im Bodenbereich der Zelle zugeführt, wobei das Wasser gleichmäßig über die Breite verteilt durch Einlauföffnungen 7b im Einlaufkanal 5b in den Kathodenraum 14 eintritt und nach oben strömt. Über mehrere Gaseinspeisungsvorrichtungen 1 1 wird Gas in Form von Luft oder C02 in das zu reinigende, schwefelsaure Wasser eingedüst, um den kathodischen Neutrali- sationsprozess zu beschleunigen. Die Einbauhöhe der Gaseinspeisungsvorrichtungen 1 1 hängt vom pH-Wert und den Inhaltsstoffen des schwefelsauren Wassers ab und kann demzufolge prozessabhängig variiert werden, um eine optimierte Sulfatabreicherung zu erzielen. In der schematischen Darstellung sind zwei Höhen beispielhaft angegeben, wobei eine erste Gaseinspeisungsvorrichtung 1 1 in einem Abstand von 300-400 mm oberhalb des Einlaufkanals 5b und eine zweite Gaseinspeisungsvorrichtung 1 1 in einem Abstand von 600- 800 mm oberhalb des Einlaufkanals 5b angeordnet ist. Während des Aufströmens läuft die Neutralisationsreaktion ab, wobei der Elektrolysestrom über die Kathode 9 zugeführt wird. Das neutralisierte Wasser verlässt den Kathodenraum 14 über Ablauföffnungen 8b zum Ablaufkanal 6b, aus dem das Wasser über einen Ablaufstutzen 17b austritt. [0052] Fig. 2 zeigt die Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs von der Außenseite. Zwischen dem unten angeordneten Einlaufkanal 5b und dem oben angeordneten Ablaufkanal 6b für das Wasser liegt die Rückwand des Kathodenraums 14, die gleichzeitig als Kathode 9 arbeitet. Die konstruktive Stabilisierung der Kathodenhalbscha- le 1 erfolgt durch eine Stabilisierungseinrichtung mit neun über die Zellenbreite gleichmäßig verteilten Stegen 12, deren schematische Anordnung in Fig. 3 dargestellt ist. Die Stege 12 sind dreiecksförmig ausgeführt und mit der Kathode 9 ganz oder unterbrochen verschweißt. Die schräg angesetzten Bleche der Stege 12 sind dabei in einem Winkel von 40 bis 60° gegen die Senkrechte geneigt. [0053] Die Gleichverteilung der dreieckformig angeordneten Stege 12 geht aus Fig. 4 hervor, die einen Querschnitt der Kathodenhalbschale 1 des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs zeigt.
[0054] In Fig. 5 ist der rechteckförmige Einlaufkanal 5b der Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs in Querschnitt dargestellt. An den Einlaufkanal 5b ist ein ovalförmiger Einlaufstutzen 16b mittig angeschweißt, der beispielsweise über eine Schlauchverbindung, flexible Rohranschlüsse oder Ähnliches die Zuführung des schwefelsauren Wassers erlaubt. Das Wasser tritt über die unten angebrachten Einlauföffnungen 7b in den Kathodenraum 14, der durch die lonentauscher-Membran 13 einerseits und die Kathode 9 andererseits definiert wird. Die Kathode 9 ist mit dem Einlauf- kanal 5b stoffschlüssig oder adhäsiv flüssigkeitsdicht verbunden.
[0055] Fig. 6 zeigt analog den Querschnitt des rechteckig ausgeführten Ablaufkanals 6b der Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs. Das neutralisierte Wasser tritt über die im Kanal oben angebrachten Ablauföffnungen 8b in den Ablaufkanal 6b und wird von dort gesammelt abgeleitet. Der Ablaufkanal 6b ist mit der Kathode 9 stoffschlüssig oder adhäsiv flüssigkeitsdicht verbunden.
[0056] In Fig. 7 ist eine Gaseinspeisungsvorrichtung 1 1 zur Versorgung der Kathodenhalbschale 1 mit Gas in Form von Luft bzw. C02 im Querschnitt schematisch dargestellt. Über einen Stutzen 19 wird das Gas in den rohrförmigen Gasverteiler 18 geleitet, der über die ganze Breite der Kathodenhalbschale 1 angeordnet ist. Bei dem Zellelement gemäß dem Ausführungsbeispiel sind mehrere Gaseinspeisungsvornchtungen 1 1 vorgesehen, über welche das Gas fein verteilt in das Wasser eingedüst wird.
[0057] Fig.8 zeigt die Innenansicht einer Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs. Die rechteckförmige Anodenhalbschale 2 verfügt über einen rahmenartig ausgeführten Flansch 3, über den die Anodenhalbschale 2 mit der Ka- thodenhalbschale 1 über ein Schraubsystem, dass durch Schraubendurchführungen 4 geführt wird, verbunden wird. Der Anolyt wird über einen Einlaufstutzen 16a in den Einlaufkanal 5a im Bodenbereich der Zelle zugeführt, wobei die Lösung gleichmäßig über die Breite verteilt durch Einlauföffnungen 7a im Einlaufkanal 5a in den Anodenraum 15 eintritt und nach oben strömt. Während des Aufströmens reichert sich das sulfathaltige Produkt aufgrund des Übertritts des Sulfats aus dem Kathodenraum 14 an, wobei der Elektrolysestrom über die Anode 10 abgeführt wird. Der Anolyt verlässt den Anodenraum 15 über Ablauföffnungen 8a des Ablaufkanals 6a, aus dem der Anolyt über einen Ablaufstutzen 17a austritt. [0058] Fig. 9 zeigt die Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs von der Außenseite. Zwischen dem unten angeordneten Einlaufkanal 5a und dem oben angeordneten Ablaufkanal 6a für den Anolyt liegt die Rückwand 21 des Anodenraums 15, die mit der Anode 10 verschweißt ist. Die konstruktive Stabilisierung der Anodenhalbschale 2 erfolgt durch eine Stabilisierungseinrichtung mit neun über die Zellenbreite gleichmäßig verteilten Stegen 12, deren schematische Anordnung in Fig. 10 dargestellt ist. Die Stege 12 sind dreiecksförmig ausgeführt und mit der Anodenrückwand 21 verschweißt. Die schräg angesetzten Bleche der Stege 12 sind dabei in einem Winkel von 40 bis 60° gegen die Senkrechte geneigt.
[0059] Die Gleichverteilung der dreieckförmig angeordneten Stege 12 geht aus Fig. 1 1 hervor, die einen Querschnitt der Anodenhalbschale 2 des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs zeigt.
[0060] In Fig. 12 ist der rechteckförmige Einlaufkanal 5a der Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs im Querschnitt dargestellt. An den Einlaufkanal 5a ist ein ovalförmiger Einlaufstutzen 16a mittig angeschweißt, der beispiels- weise über eine Schlauchverbindung, flexible Rohranschlüse oder Ähnliches die Zuführung des Anolyts erlaubt. Die Lösung tritt über die unten angebrachten Einlauföffnungen 7a in den Anodenraum 15, der durch die lonentauscher-Membran 13 einerseits und die Anode 10 andererseits definiert wird. Die Anode 10 ist mit der Anodenrückwand 21 und diese mit dem Einlaufkanal 5a verschweißt. [0061] Fig. 13 zeigt analog den Querschnitt des rechteckig ausgeführten Ablaufkanals 6a der Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs. Der angereicherte Anolyt tritt über die im Ablaufkanal 6a oben angebrachten Ablauföffnungen 8a in den Ablaufkanal 6a und wird von dort gesammelt abgeleitet. Der Ablaufkanal 6a ist mit der Anodenrückwand 21 verschweißt. [0062] Die Ausführung der Anode 10 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs ist schematisch in Fig. 14 dargestellt. Die Anode 10 ist als Lochblech ausgeführt und verfügt über regelmäßige Öffnungen 20, deren Gesamtfläche 50 bis 60% der gesamten Fläche der Anode 10 beträgt. Die elektrochemisch aktive Fläche der Anode 10 beträgt somit 40-50% ihrer rechnerischen Fläche aus Länge multipliziert mit Breite. Die Anode 10 ist so ausgeführt, dass die Ablauföffnungen 8a zum Ablaufkanal 6a nicht von der Anode 10 bedeckt werden, um die Gesamtfläche der Fläche der Ablauföffnungen 8a nutzen zu können. Dementsprechend bedeckt die Anode 10 auch nicht die Einlauföffnungen 7a des Einlaufkanals 5a im Bodenbereich der Anodenhalbschale 2. [0063] Fig. 15 zeigt schließlich eine schematische Darstellung der Anordnung von kathodi- scherund anodischer Halbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs im montierten Zustand. Die Einlaufkanäle 5a, 5b und die Ablaufkanäle 6a, 6b der Anodenhalbschale 2 und der Kathodenhalbschale 1 sind jeweils zueinander orientiert. Die Kathodenhalbschale 1 und die Anodenhalbschale 2 sind über die Flansche 3 miteinander verschraubt. Die Anodenhalbschale 2 und die Kathodenhalbschale 1 weisen jeweils mehrere Einlauföffnungen 7a, 7b und mehrere Ablauföffnungen 8a, 8b auf, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen 7a, 7b kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen 8a, 8b. Die Kathodenhalbschale 1 weist ferner eine Gaseinspeisungsvorrichtung 1 1 auf, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale 1 , insbesondere einen zwischen der lonentau- scher-Membran 13 und der Kathode 9 angeordneten Kathodenraum 14 einleitbar ist. Hierdurch wird die Verfügbarkeit des Elektrolyseurs erhöht und die Wasseraufbereitungsleistung gesteigert. Zudem werden durch das erfindungsgemäße Zellelement die nachfolgende aufgeführten Nachteile des Stands der Technik überwunden:
- Monopolare Verschaltung der Einzelelemente zu einem Elektrolyseur mit hohem Platzbe- darf und Verkabelungsaufwand,
- relativ hohes Anlagenausfallrisiko durch Membranwechsel,
- ungleichmäßige Stromdichteverteilung,
- hoher Personal- und Fertigungsaufwand zur Herstellung der anodischen Elektrodenbe- schichtung,
- aufwändige Maßstabsvergrößerung,
- hoher Regelungsaufwand,
- mangelnde Reinigungsmöglichkeit zur Entfernung kathodisch erzeugter Fällprodukte und
- geringe Anlagenverfügbarkeit durch regelmäßiges Entfernen des Fällschlamms. [0064] Bezugszeichenliste
1 . Kathodenhalbschale
2. Anodenhalbschale
3. Rahmenartiger Flanschbereich
5 4. Schraubendurchführungen
5a. Anodischer Einlaufkanal
5b. Kathodischer Einlaufkanal
6a. Anodischer Ablaufkanal
6b. Kathodischer Ablaufkanal
10 7a. Öffnungen anodischer Einlaufkanal
7b. Öffnungen kathodischer Einlaufkanal
8a. Öffnungen anodischer Ablaufkanal
8b. Öffnungen kathodischer Ablaufkanal
9. Kathode
15 10. Anode
1 1. Vorrichtung zur Gaseinspeisung
12. Steg
13. lonenaustauschermembran
14. Kathodenraum
20 15. Anodenraum
16a. Einlaufstutzen anodischer Einlaufkanal
16b. Einlaufstutzen kathodischer Einlaufkanal
17a. Ablaufstutzen anodischer Ablaufkanal
17b. Ablaufstutzen kathodischer Ablaufkanal
25 18. Gasverteiler
19. Gasversorgungsstutzen
20. Öffnungen in der Anode
21. Anodenrückwand

Claims

Patentansprüche
1 . Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalbschale (2) mit einer Anode (10), eine Kathoden- halbschale (1 ) mit einer Kathode (9) und eine zwischen der Anode (10) und der Kathode (9) angeordnete Ionenaustauscher-Membran (13), wobei die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1 ) jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich (3) zur Verbindung der Anodenhalbschale (2) mit der Kathodenhalbschale (10) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1 ) jeweils mehrere Einlauföffnungen (7a, 7b) und mehrere Ablauföffnungen (8a, 8b) aufweisen, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen (7a, 7b) kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen (8a, 8b), und
die Kathodenhalbschale (1 ) eine Gaseinspeisungsvorrichtung (1 1 ) aufweist, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale (1 ), insbesondere einen zwischen der Ionenaustauscher-Membran (13) und der Kathode (9) angeordneten Kathodenraum (14) einleitbar ist.
2. Zellelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der Einlauföffnungen (7a, 7b) um mindestens 30 %, bevorzugt um mindestens 50 %, kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen (8a, 8b).
3. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinspeisungsvorrichtung (1 1 ) einen rohrförmigen Gasverteiler (18) aufweist, der sich über die ganze Breite der Kathodenhalbschale (1 ) erstreckt.
4. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (10) mit einer Rückwand (21 ) der Anodenhalbschale (2) stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden ist.
5. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (10) aus Titan besteht und die gesamte Fläche der Anode (10) mit einer elektrochemisch aktiven Substanz beschichtet ist.
6. Zellelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Substanz ein Gemisch aus Iridium und Tantal oder ein Gemisch aus Platin und Iridium ist.
7. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (10) eine Belegungsdichte mit der elektrochemisch aktiven Substanz von mindestens 5 g/m2, bevorzugt mindestens 10 g/m2 aufweist.
8. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (9) und die Anode (10) derart ausgebildet sind, dass die anodische Stromdichte um einen Faktor zwischen 1 ,4 und 3,3, besonders bevorzugt um einen Faktor zwischen 1 ,7 und 2,5, höher ist als die kathodische Stromdichte.
9. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (9) als ebene, metallische Platte ausgebildet ist.
10. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (9) aus einem gegen saure Medien chemisch stabilen Werkstoff, insbesondere aus Nickel oder Edelstahl, besteht.
1 1. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückwand der Kathodenhalbschale (1 ) mit der Kathode (9) identisch ist.
12. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhalbschale (2) eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand (21 ) der Anodenhalbschale (2) und/oder die Kathodenhalbschale (1 ) eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand der Kathodenhalbschale (1 ) aufweist, wobei die Stabilisierungseinrichtung außerhalb des Kathodenraums (14) bzw. außerhalb des zwischen der Ionenaustauscher-Membran (13) und der Anode (10) angeordneten Anodenraums (15) vorgesehen ist.
13. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1 ) jeweils unten einen, insbesondere rechteckförmigen, Einlaufkanal (5a, 5b) aufweisen, über den Zulauflösungen zugeführbar sind, wobei der Einlaufkanal (5a, 5b) die Einlauföffnungen (7a, 7b) aufweist.
Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhalbschale (2) und die Kathodenhalbschale (1 ) jeweils oben einen, insbesondere rechteckförmigen, Ablaufkanal (6a, 6b) aufweisen, über den Produktlösungen abführbar sind, wobei der Ablaufkanal (6a, 6b) die Ablauföffnungen (8a, 8b) aufweist.
15. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein kathodischer Einlaufkanal (5b) unten und ein kathodischer Ablaufkanal (6b) oben mit der Kathode (9) stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind.
16. Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein anodischer Einlaufkanal (5a) unten und ein anodischer Ablaufkanal (6b) oben mit der Anodenrückwand (21 ) stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind.
Zellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenhalbschale mindestens einen, bevorzugt zwei, Spülstutzen aufweist.
18. Bipolarer Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zellelemente nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
PCT/EP2016/075608 2015-10-27 2016-10-25 Elektrolyseur zur elektrochemischen wasseraufbereitung WO2017072091A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015118352.8 2015-10-27
DE102015118352.8A DE102015118352A1 (de) 2015-10-27 2015-10-27 Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017072091A1 true WO2017072091A1 (de) 2017-05-04

Family

ID=57184485

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/075608 WO2017072091A1 (de) 2015-10-27 2016-10-25 Elektrolyseur zur elektrochemischen wasseraufbereitung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102015118352A1 (de)
WO (1) WO2017072091A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019143212A (ja) * 2018-02-22 2019-08-29 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気分解用デバイス

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0026591A1 (de) 1979-09-07 1981-04-08 National Research Development Corporation Steuerung des pH-Wertes oder der Ionenkonzentration eines strömenden Elektrolyten
DE3614005A1 (de) 1986-04-25 1987-10-29 Westfael Elekt Werke Verfahren zur rauchgasentschwefelung
DE102004026447A1 (de) 2004-05-29 2005-12-22 Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Sulfationen aus Wässern und zur Einbringung von Pufferkapazität in Wässer
WO2007144055A1 (de) 2006-06-16 2007-12-21 Uhde Gmbh Vorrichtung zur elektrochemischen wasseraufbereitung
DE19624023B9 (de) 1996-06-17 2009-05-20 Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. Verfahren zur Sanierung saurer, eisenhaltiger Tagebaurestlochgewässer

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0026591A1 (de) 1979-09-07 1981-04-08 National Research Development Corporation Steuerung des pH-Wertes oder der Ionenkonzentration eines strömenden Elektrolyten
DE3614005A1 (de) 1986-04-25 1987-10-29 Westfael Elekt Werke Verfahren zur rauchgasentschwefelung
DE19624023B9 (de) 1996-06-17 2009-05-20 Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. Verfahren zur Sanierung saurer, eisenhaltiger Tagebaurestlochgewässer
DE102004026447A1 (de) 2004-05-29 2005-12-22 Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Sulfationen aus Wässern und zur Einbringung von Pufferkapazität in Wässer
DE102004026447B4 (de) 2004-05-29 2009-09-10 Verein für Kernverfahrenstechnik und Analytik Rossendorf e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Sulfationen aus Wässern und zur Einbringung von Pufferkapazität in Wässer
WO2007144055A1 (de) 2006-06-16 2007-12-21 Uhde Gmbh Vorrichtung zur elektrochemischen wasseraufbereitung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
THOMAS F. O'BRIEN; TILAK V. BOMMARAJU; FUMIO HINE: "Handbook of C/A Technology", 2005, SPRINGER VERLAG, pages: 388FF

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015118352A1 (de) 2017-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1600426B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Sulfationen aus Wässern und zur Einbringung von Pufferkapazität in Wässer
EP0717130B1 (de) Druckkompensierte elektrochemische Zelle
DE1299608B (de) Verfahren und Vorrichtung zur elektrolytischen Entfernung von Spuren von Metallen aus nichtmetallischen waessrigen Salzloesungen
EP2029492B1 (de) Vorrichtung zur elektrochemischen wasseraufbereitung
EP2183409B1 (de) Verfahren zum betreiben von kupfer-elektrolysezellen
EP1264010B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum regulieren der konzentration von metallionen in einer elektrolytflüssigkeit sowie anwendung des verfahrens und verwendung der vorrichtung
DE102004023161A1 (de) Elektrolysezelle mit Mehrlagen-Streckmetall-Kathoden
WO2018037008A1 (de) Anlage zur gewinnung von phosphatsalzen sowie verfahren zum betreiben dieser anlage
DE2523169C3 (de) Zelle für elektrochemische Reaktionen
DE2523117A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur regeneration einer dekapierloesung
EP0324024B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur regeneration von ionenaustauschermaterial
DE2747381C2 (de)
WO2017072091A1 (de) Elektrolyseur zur elektrochemischen wasseraufbereitung
DE19624023B9 (de) Verfahren zur Sanierung saurer, eisenhaltiger Tagebaurestlochgewässer
EP2374762A1 (de) Anlage und Verfahren zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Lösung
DE3808495A1 (de) Membranelektrolysevorrichtung
DE2749208A1 (de) Verfahren zur beseitigung von cyanidionen aus abwaessern
WO2013068253A1 (de) Verfahren zur neutralisation negativ geladener störstoffe in wässrigen medien
DE1658053A1 (de) Verfahren zur Reinigung von Abwaessern oder aehnlichen Medien und elektrolytische Zelle zur Durchfuehrung des Verfahrens
DE19504920C1 (de) Verfahren zum elektrochemischen Erzeugen von Ammoniumpolysulfid
DE2456058A1 (de) Verfahren und anordnung zum mit dem eisenbeizen verbundenen im kreislauf oder chargenweise durchgefuehrten aufarbeiten von beizendloesungen
AT243828B (de) Zelle zur Elektrolyse wässeriger Chlorwasserstofflösungen
DE19536971A1 (de) Strömungsreaktor mit kapillaren Strömungskanälen sowie Anlage zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in mit Wasserstoff beladenem Wasser sowie Verfahren zum Betreiben der Anlage
DE29919231U1 (de) Geteilte Elektrolysezelle zur kathodischen Metallrückgewinnung und/oder zur anodischen Oxidation
EP3469118A1 (de) Elektrolyseur sowie verfahren zum betrieb eines elektrolyseurs

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16784938

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16784938

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1