DD248612A5

DD248612A5 - Elektrolysevorrichtung mit ionenaustauschmembran

Info

Publication number: DD248612A5
Application number: DD86292749A
Authority: DD
Inventors: Isao Kumagai; Hitoshi Sato
Original assignee: ��@��@�K@�Kk��
Priority date: 1985-07-22
Filing date: 1986-07-22
Publication date: 1987-08-12
Also published as: CN86105810A; FR2585039A1; JPS6220890A; DE3624213A1

Abstract

Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, eine neuartige Elektrolysevorrichtung mit Ionenaustauschmembran zur Verfuegung zu stellen. Bei der erfindungsgemaessen Elektrolysevorrichtung ist eine Ueberlaufoeffnung, die den Katholytpegel bestimmt, an einer Stelle ueber der Kathode vorgesehen. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysevorrichtung mit lonenaustauschmembran, insbesondere zur Elektrolyse von Natriumchlorid bei erhöhter Korrosionsbeständigkeit.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das Quecksilberverfahren für die Elektrolyse von Natriumchlorid wurde in der Vergangenheit durch das Diaphragmaverfahren unter Verwendung von Asbest aufgrund der durch das Quecksilber verursachten Umweltbelastung ersetzt. Das zuletzt genannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es weniger reine Natronlauge erzeugt. Das hat zur Folge, daß die Entwicklung nun von dem Diaphragmaverfahren weg zum lonenaustauschmembranverfahren unter Verwendung einer lonenaustauschmembran geht, bei dem hochreine Natronlauge mit geringerem Energieverbrauch erzeugt werden kann.

Die in einer Elektrolysevorrichtung mit lonenaustauschmembran erzeugte Natronlauge hat eine Konzentration von etwa 30 bis 35%, ein Wert, der etwa dreimal so hoch wie beim Diaphragmaverfahren ist, wobei die Gefahr der Korrosion der Eisenkathode, die beim Diaphragmaverfahren ausgeschlossen ist, als mögliche Schwierigkeit bei diesem neuen Verfahren diskutiert wurde. Inzwischen ist es klar, daß dann, wenn die Eisenkathode mit einer negativen Spannung beaufschlagt wird und auf einem Potential liegt, bei dem Wasserstoff freigesetzt werden kann, das Eisen im sogenannten Immunitätsbereich bleibt und selbst dann keine Korrosion erfahren wird, wenn es in eine hochkonzentrierte Natronlaugelösung eingetaucht ist. Das wird beispielsweise im Aufsatz von Kurose und Ohta, „Corrosion Behaviour of Iron in Concentrated Caustic Soda Solutions" (Proceedings of the 6th Soda Industry Technical Conference, Seite 73-76, 1983) dargestellt.

Die Verhältnisse liegen jedoch anders bei aktivierten Kathoden, die mit einem Material, das die Zellenspannung herabsetzt, beispielsweise mit Nickel, beschichtet sind. Derartige Kathoden zeigen eine niedrigere Wasserstoffüberspannung, was sie verglichen mit blanken Eisenkathoden im Potential weniger edel macht. Das hat zur Folge, daß eine große Gefahr besteht, daß eine Eisenkorrosion, beispielsweise aufgrund von Poren in der Beschichtung, bei einer aktivierten Kathode fortschreitet. Das Problem der Eisenkorrosion ist insbesondere dann nicht mehr vernachlässigbar, wenn eine aktivierte Kathode in einer Elektrolysevorrichtung mit einer Gas/FlüssigKeits-Grenzfläche im Kathodenabteil benutzt wird. Das in den Katholyten herausgelöste Eisen schlägt sich darüber hinaus auf der aktivierten Kathodenfläche nieder, was die Zellenspannung in relativ kurzer Zeit erhöht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Elektrolysevorrichtung mit lonenaustauschmembran zur Verfügung zu stellen.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine Teilschnittansicht einer Elektrolysevorrichtung mit lonenaustauschmembran und einem Gas/Flüssigkeits-Trennbereich im Kathodenabteil;

Fig. 2: eine Draufsicht auf die Elektrolysevorrichtung;

Fig. 3: eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 2 bei einer herkömmlichen Elektrolysevorrichtung,· Fig. 4: eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 2 bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Elektrolysevorrichtung und Fig. 5: in einer graphischen Darstellung die Zellenspannung gegenüber der Zeit in Tagen für beide Elektrolysevorrichtungen.

Fig. 1 zeigt in einer Teilschnittansicht eine Natriumchloridelektrolysevorrichtung mit lonenaustauschmembran, die aus einer vertikalen Einpolelektrolysevorrichtung für das Asbestdiaphragmaverfahren, beispielsweise der DS-Elektrolysevorrichtung von Diamond Shamrock und der H-Elektrolysevorrichtung von Hooker entwickelt wurde. Die umgestaltete Elektrolysevorrichtung ist in den DE-PSen 3 132 108 und 3 147 756 sowie den DD-PSen 201 919 und 204 948 beschrieben. Eine Reihe von Anoden 4, von denen jede von einer lonenaustauschmembrantasche 2 umgeben ist, ist auf einer Bodenplatte 1 der Elektrolysevorrichtung angeordnet. Maschenkathoden, d. h. sogenannte Vollrohre 5, sind in der Kathodenkassette 3 quer über die lonenaustauschmembran der Anode gegenüber angeordnet. Eine Maschenkathode, d. h. eine sogenannte Randendabschirmung 15, ist an einer Platte parallel zu den Vollrohren 5 an der Innenwand der Kathodenkassette befestigt. Ein vertikales Seitengitter 6 sitzt in einer Ebene senkrecht zu den Voll- und Halbrohren. Oben auf der Kathodenkassette 3 befindet sich eine Trennplatte 8 mit einer Öffnung, die einer Öffnung am oberen Teil der lonenaustauschmembrantasche 2 entspricht. Eine obere Abdeckung 7 des Anodenabteils ist über jedem Abteil so angeordnet, daß sie die Öffnungen der lonenaustauschmembrantaschen überdeckt. Ein Verteiler 9 weist ein kleines Rohr auf, das zu den einzelnen Anodenabteilen führt. Die Salzlauge wird über eine Laugenzuführungsöffnung 12 zugeführt. Das von der Flüssigkeit im Inneren des Verteilers abgetrennte Chlorgas wird über einen Chlorgasauslaß 10 abgeleitet und der Katholyt wird durch die Katholytableitungsöffnung 13 abgezogen.

In der Kathodenkassette 3 ist das Kathodenabteil durch die lonenaustauschmembrantaschen 2 unterteilt. Verdünnte Natronlaugelösung oder Wasser wird durch eine nicht dargestellte Katholytzuführungsöffnung zugeführt. Die erzeugte konzentrierte Natronlaugelösung wird beim Überlaufen von einer Katholytüberlauföffnung 14 in der Kathodenkassette 3 abgezogen. Das Wasserstoffgas wird über den Wasserstoffgasauslaß 11 abgeführt. Bei einer derartigen Elektrolysevorrichtung ist der Gas/Flüssigkeits-Trennbereich im oberen Teil des Kathodenabteils gebildet. Die Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche befindet sich somit aufgrund des Wasserstoffgases von der Kathode in einem schaumbildenden Zustand und die Gasphase enthält viele Spritzer. Das hat zur Folge, daß die auf der Kathodenoberfläche gebildete Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche immer schwankt und ein Teil der Kathode, der der Gasphase ausgesetzt ist, zu jeder Zeit mit Spritzern durch die konzentrierte Natronlaugelösung benetzt wird. Es tritt keine Korrosion der Kathode auf, wenn diese in die konzentrierte Natronlauge eingetaucht ist, solange sie im Immunitätsbereich bleibt. Die an der Oberfläche des der Gasphase ausgesetzten Eisens haftenden Spritzer erlauben jedoch einen Fortschritt einer natürlichen Korrosion und die Konzentrationszelle, die durch den Unterschied in der Konzentration an der Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche auf der Kathode gebildet wird, kann in diesem Bereich eine Korrosion bewirken. Eine derartige Eisenkorrosion kann dann verhindert werden, wenn die Gasphase vom Kathodenabteil ausgeschlossen wird, die Bildung des Gas/Flüssigkeitstrennbereiches im Kathodenabteil würde jedoch den Zellenaufbau sehr kompliziert machen und stellt daher keine annehmbare Möglichkeit zur Lösung der Probleme dar.

Durch die Erfindung wird eine relativ einfache Einrichtung zur Vermeidung der Kathodenkorrosion "geschaffen, die die Eisenkonzentration im Natronlaugeprodukt herabsetzt und eine optimale Arbeit der aktivierten Kathode über lange Zeitintervalle gewährleistet.

Bei der herkömmlichen Elektrolysevorrichtung, wie sie in Fig. 3 in Form einer Schnittansicht längs der Linie A-A von Fig. 2 dargestellt ist, befinden sich der obere Teil der Endabschirmung 15 und des Vollrohres 5 (Maschenkathode) in der Gasphase des 'Gas/Flüssigkeits-Trennbereiches im Kathodenabteil 16. Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, wie sie in Fig. 4 in einer Schnittansicht dargestellt ist, der obere Teil der Endabschirmung 15 und das Vollrohr 5 vollständig unter das Niveau des Katholyten getaucht. Wenn das bekannte Asbest-Diaphragmaverfahren zu einer Zelle für eine Elektrolysevorrichtung mit lonenaustauschmembran umgeformt wird, ist es aufgrund der Schwierigkeiten des Einbaus der Katholytüberlauföffnung über die Kathode vorteilhaft, den oberen Teil der Kathode abzuschneiden.

Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysevorrichtung, bei der die Kathode vollständig in den Katholyten eingetaucht ist, liegt die Eisenkathode dann, wenn sie über Poren mit dem Katholyten in Berührung gebracht wird, noch auf einem Wasserstofffreigabepotential, so daß die Korrosion minimal ist. Das hat zur Folge, daß der galvanische Niederschlag von Eisen auf der aktivierten Kathodenoberfläche stark vermindert ist, so daß die mechanische Festigkeit und die elektrochemische Funktionsfähigkeit über lange Zeitintervalle beibehalten werden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ist nicht nurbei Elektrolysevorrichtungen für das lonenaustauschmembranverfahren anwendbar, sondern kann auch bei der Umwandlung von vertikalen Einpolelektrolysevorrichtungen für das Asbest-Diaphragmaverfahren, beispielsweise Elektrolysevorrichtungen vom Typ DS von Diamond Shamrock und vom Typ H von Hooker, zu Elektrolysevorrichtungen für das lonenaustauschmembranverfahren angewandt werden. Im folgenden wird die Erfindung an einem Beispiel im einzelnen erläutert.

Es wurde eine Elektrolyse einer wäßrigen Natriumchloridlösung in einer herkömmlichen Elektrolysevorrichtung unter Verwendung eines Schichtkörpers aus einer Perfluorcarbonsäuremembran und einer Perfluorsulfosäuremembran als Kationenaustauschmembran und Eisen beschichtet mit einer Nickelbeschichtung als Kathode bei 90⁰C und einer Stromdichte von 2 kA/m² durchgeführt, wobei eine 30-50%ige Natronlaugelösung erzeugt wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 der Zeichnung zusammengefaßt, in der die Zellenspannungen gegenüber der Zeit in Tagen aufgetragen sind. In der Zelle, in der der obere Teil der Kathode über der Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche liegt und der Gasphase ausgesetzt ist, wie es durch die Kurve B dargestellt ist, nimmt die Zellenspannung vom Betriebsbeginn an laufend zu und erreicht allmählich den Wert für eine blanke Eisenkathode (Kurve A). Bei der anderen Zelle, bei der die Kathode vollständig in den Katholyten eingetaucht ist, ist der Anstieg der Zellenspannung andererseits sehr gering, wie es durch die Kurve C dargestellt ist.

Claims

1. Vertikale kastenförmige Einpolelektrolysevorrichtung mit lonenaustauschmembran und einer Gas/Flüssigkeits-Trennfläche in den elektrolytischen Abteilen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überlauföffnung, die den Katholytpegel bestimmt, an einer Stelle über der Kathode vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine aktivierte Kathode ist, die mit einem Material beschichtet ist, das die Wasserstoffüberspannung herabsetzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer umgebauten ' Elektrolysevorrichtung, die nach dem Asbest-Diaphragmaverfahren arbeitet, besteht.