DE112008004180T5

DE112008004180T5 - Elektrochemische modulare Zelle zur Verarbeitung von Eektrolytlösungen

Info

Publication number: DE112008004180T5
Application number: DE112008004180T
Authority: DE
Inventors: Yury Ivanovich Komolikov; Vadim Gennadievich Panichev; Vitold Mikhailovich Bakhir; Yury Georgievich Zadorozhny; Taras Borisovich Barabash
Original assignee: Bakhir Vitold Michailovi & Ccaron
Current assignee: Bakhir Vitold Michailovi & Ccaron
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2012-08-30
Also published as: GB2479286A; GB2479286B; US8961750B2; WO2010064946A8; US20110226615A1; WO2010064946A1; GB201110956D0

Abstract

Beschrieben wird die Herstellung unterschiedlicher chemischer Produkte durch die elektrochemische Verarbeitung von Elektrolytlösungen unterschiedlicher Konzentrationen. Eine zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen umfasst eine innere, hohle, röhrenförmige Anode, eine äußere, zylindrische Kathode und ein permeables, röhrenförmiges, keramisches Diaphragma, das zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist und den Interelektrodenraum in Anodenkammer und Kathodenkammer unterteilt, so dass ein Arbeitsbereich der Zelle gebildet wird. Die Zelle umfasst Einheiten zum Montieren, Befestigen und Verschließen der Elektroden und des Diaphragmas, die sich an den Endbereichen der Zelle befinden, und Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösungen. Die Kathode und die Anode der Zelle bestehen aus Titanröhren. Des Weiteren liegt das Verhältnis der Querschnittsfläche der Kathodenkammer zu der Gesamtquerschnittsfläche der Anodenkammer und des Diaphragmas in einem Bereich von 0,9 bis 1,0 und die Länge des Arbeitsbereichs der Zelle beträgt das 15- bis 15-fache des Außendurchmessers der Anode. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Aufrechterhaltung der Stabilität der hydrodynamischen Eigenschaften der Elektrodenkammern und der elektrischen Feldeigenschaften, eine Intensivierung des Elektrolyseverfahrens und eine Verbesserung der Zellfunktionalitäten.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die angewandte Chemie, insbesondere Vorrichtungen zur elektrochemischen Verarbeitung von Elektrolytlösungen und kann bei der Herstellung von unterschiedlichen chemischen Produkten durch elektrochemische Verarbeitung von Elektrolytlösungen unterschiedlicher Konzentrationen, einschließlich dem elektrochemischen Einstellen der Säure/Base- und Redoxeigenschaften und der katalytischen Aktivität von verdünnten wässrigen Lösungen von Elektrolyten einer Konzentration, die üblicherweise in einem Bereich von 0,01 bis 0,1 mol/l liegt, und anderen gering leitfähigen Flüssigkeiten, verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der angewandten Chemie werden Elektrolysezellen unterschiedlicher Ausgestaltungen zur Verarbeitung von Wasser und wässrigen Lösungen und zur Herstellung von unterschiedlichen chemischen Produkten verwendet; insbesondere Durchflusszellen, die flache Elektroden umfassen (z. B. US 5 427 658 , C25B 9/00; C25B 15/08, 1995), oder Elektrolysezellen, die koaxial angeordnete röhrenförmige Elektroden und ein zwischen den Elektroden angeordnetes Diaphragma umfassen (z. B. JP 02-274889 A , C25B 9/00, 1989).
Die nächstliegende technische Lösung und das nächstliegende erreichbare Ergebnis des Standes der Technik umfassen eine elektrochemische modulare Zelle, die koaxial angeordnete röhrenförmige äußere und innere Elektroden, die in Form von länglichen Röhren hergestellt wurden, und ein damit koaxial angeordnetes, permeables keramisches Diaphragma umfasst ( WO 98/58880 A , CO2F 1/461, 1998).
Diese technische Lösung wurde als Prototyp gewählt. Die bekannte Lösung erlaubt die Herstellung modularer Elektrolysezellen, um die erforderliche Effizienz durch Koppeln einer Reihe von elektrochemischen modularen Zellen zu erreichen, um die Kosten des Ausgestaltens und Herstellens der Elektrolysezellen im Hinblick auf einen konstanten Output zu verringern, die Teile und Einheiten zu vereinigen und die Zeit zum Zusammenbauen und Warten der Zellen zu verringern.
Die bekannte elektrochemische modulare Zelle gewährleistet die wirksame Verarbeitung von Wasser oder wässrigen Lösungen bei einer niedrigen Energieverbrauchsrate. Die Vorrichtung ist hinsichtlich Betrieb einfach genug und lässt sich leicht zu Einheiten wie den elektrochemischen Diaphragmadurchflussreaktoren mit der vorgeschriebenen Produktionskapazität (Output) zusammenbauen.
Die bekannte Vorrichtung zeigt jedoch eine Reihe von Nachteilen. Die bekannte Vorrichtung ist zur Verarbeitung von Metallchloridlösungen vorgesehen und kann bei der Verarbeitung von anderen Typen von Lösungen nicht wirksam sein. Darüber hinaus zeigen zylindrische Elektrolysezellen, die ein Diaphragma umfassen, relativ niedrige Output-Eigenschaften und sind in dieser Hinsicht Elektrolysezellen, die Masse- oder Wirbelbettelektroden umfassen, deutlich unterlegen (z. B. M. Ya. Fioshin, M. G. Smirnova, Elektrokhimicheskie sistemy v sinteze khimicheskikh produktov (Electrochemical systems in the synthesis of chemical products), M. Khimiya, 1985, S. 216–223, Tabelle VII.6, Fig. VII.34).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung erhältliche technische Ergebnis ist die Bereitstellung der Durchführbarkeit der Intensivierung des Elektrolyseverfahrens in einer zylindrischen Zelle vom Diaphragmatyp durch Verbesserung der Zellausgestaltung und der Auswahl des optimalen Größenverhältnisses der Basiselemente: der Elektroden und eines Diaphragmas. Das Ergebnis wird aufgrund der Verwendung eines Diaphragmas und von Elektroden mit einem unterschiedlichen Verhältnis der geometrischen (scheinbaren) und tatsächlichen (physikalischen) Oberflächen und ferner aufgrund der Verwendung eines Zelldiaphragmas aus Materialien verbessert, wobei die Kombination hiervon der kapillarporösen Struktur des Diaphragmas die elektroosmotische Aktivität verleiht. Ferner besteht das erreichbare technische Ergebnis der Erfindung in einer Erweiterung der Zellfunktionalitäten bei der Verarbeitung von Elektrolytlösungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen und Konzentrationen.
Das beanspruchte technische Ergebnis wird aufgrund der Tatsache erreicht, dass eine zylindrische elektrochemische Zelle für die Verarbeitung von Lösungen eine innere röhrenförmige Anode, eine äußere zylindrische Kathode, ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes permeables röhrenförmiges keramisches Diaphragma, das den Interelektrodenraum in eine Anoden- und Kathodenkammer teilt, und Einheiten zum Montieren, Befestigen und Verschließen der Elektroden und des Diaphragmas, die an den Endabschnitten der Zelle angeordnet sind, und Vorrichtungen zum Zuführen der Lösungen in die Elektrodenkammern und zum Entfernen der Lösungen aus den Elektrodenkammern umfasst, wobei die Kathode, die Anode und das Diaphragma in Einheiten angeordnet sind und mit den Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen so verbunden sind, dass der Arbeitsbereich der Zelle gebildet wird, über dessen vollständige Länge hinweg die konstanten hydrodynamischen Parameter der Elektrodenkammern und die Parameter des elektrischen Feldes aufrechterhalten werden. Die Kathode und die Anode bestehen aus Titanröhren, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche der Kathodenkammer zu der Gesamtquerschnittsfläche der Anodenkammer und des Diaphragmas 0,9 bis 1,0 beträgt und die Länge des Arbeitsbereichs der Zelle das 15- bis 15-fache der Außendurchmesser der Anode ausmacht. Die Anode kann aus einer Titanröhre mit einer ausgebildeten äußeren Oberfläche bestehen, auf die ein elektrokatalytischer Überzug appliziert ist, wobei das Verhältnis der tatsächlichen (physikalischen) Oberfläche der Anode und der tatsächlichen Oberfläche der Kathode gleich oder größer als 1 ist. Das Zelldiaphragma ist kapillarporös und elektroosmotisch aktiv, wobei die tatsächliche äußere Oberfläche des Diaphragmas gleich oder kleiner als die tatsächliche Oberfläche der Kathode ist und die tatsächliche innere Oberfläche des Diaphragmas gleich oder kleiner als die tatsächliche Oberfläche der Anode ist, jedoch kleiner als die tatsächliche äußere Oberfläche des Diaphragmas ist. In der Zelle beträgt das Produkt des Interelektrodenabstands und des Quotienten des Bruchs der gesamten tatsächlichen Oberflächen der Anode und Kathode durch das Gesamtvolumen der Elektrodenkammer 3,9 bis 4,1.
In der zylindrischen elektrochemischen Zelle zur Verarbeitung von Lösungen besteht ein keramisches Diaphragma aus Aluminiumoxidkönern, die mit einem teilchenförmigen Zirconiumdioxid, das teilweise mit Oxiden von seltenen Metallen oder Seltenerdmetallen stabilisiert ist, beschichtet sind, und besitzt die folgende Zusammensetzung: 60 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxid (nicht weniger als 98% des Gehalts der Aluminiumoxidphase liegt in der alpha-Form vor) und 10 bis 40 Gew.-% Zirconiumdioxid (nicht weniger als 98% des Gehalts der Zirconiumdioxidphase liegt in der tetragonalen Modifikation vor). Für die Stabilisierung der tetragonalen Zirconiumdioxidphase werden Additive eines oder mehrerer Oxide, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Yttrium-, Scandium-, Ytterbium-, Cer- und Gadoliniumoxide umfasst, in einer Gesamtmenge von 1,0 bis 10,0 Gew.-% verwendet.
Die Einheiten zum Befestigen der Elektroden und des Diaphragmas können in Form eines oder mehrerer Teile jeweils aus einem dielektrischen Material bestehen; die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen in die Elektrodenkammern und aus diesen heraus sind in Form von Kanälen und Ansatzstücken, die mit den Einheitsteilen integriert sind, ausgebildet.
Der Anodenhohlraum kann Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen eines Wärmeträgers umfassen.
Die Zelle kann so ausgebildet sein, dass die Einheiten zum Befestigen der Elektroden und des Diaphragmas in Form eines oder mehrerer Teile jeweils aus einem dielektrischen Material ausgebildet sind. Die Vorrichtungen zum Zuführen und/oder Entfernen der verarbeiteten Lösung in die Kathodenkammer und aus ihr heraus sind in Form von Kanälen und Ansatzstücke, die mit den Einheitsteilen integriert sind, ausgebildet. Ferner sind die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösung in die Anodenkammer und aus der Anodenkammer heraus in Form von Ansatzstücken ausgebildet, die mit dem inneren Hohlraum der Anode verbunden sind und an den Enden hiervon angeordnet sind, wobei die Anodenendabschnitte Öffnungen umfassen.
Die Einheiten zum Befestigen der Elektroden und des Diaphragmas in der Zelle können in Form eines oder mehrerer Teile jeweils aus einem dielektrischen Material ausgebildet sein. Die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen in die Kathodenkammer und aus der Kathodenkammer heraus sind in Form von Öffnungen und Ansatzstücken, die an den Kathodenendbereichen angeordnet sind, ausgebildet. Ferner sind die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösungen in die Anodenkammer und aus der Anodenkammer heraus in Form von Ansatzstücken, die mit dem Innenhohlraum der Anode verbunden sind und an den Enden hiervon angeordnet sind, ausgebildet, wobei die Anodenendbereiche Öffnungen umfassen. Die Anode kann weitere, gleichmäßig entlang der Länge der Anode angeordnete Öffnungen über die gesamte Länge des Arbeitsbereichs der Zelle hinweg umfassen.
Die Tatsache, dass die Kathode, die Anode und das Diaphragma in Einheiten angeordnet sind, so dass sie den Arbeitsbereich der Zelle (1) bilden, wobei entlang der vollständigen Länge hiervon die konstanten hydrodynamischen, thermalen und elektrophysikalischen Eigenschaften der Elektrodenkammern aufrechterhalten werden (die vorgeschriebene Rauheit der Oberflächen, die die Wände der Elektrodenkammern bilden, gleiche radiale Räume zwischen den zylindrischen Oberflächen der Elektroden und dem Diaphragma in allen Querschnitten des Arbeitsbereichs der Zelle, gleiche Dicke des Diaphragmas und der Anoden- und Kathodentitanröhren entlang der vollständigen Länge des Arbeitsbereichs der Zelle, gleiche elektrische Feldintensität im Inneren des Diaphragmas und gleicher elektrischer Widerstand zwischen den Elektroden in jedem der Querschnitte des Arbeitsbereichs der Zelle), ermöglicht es, das Verfahren der elektrochemischen Behandlung aufgrund der gleichförmigen Bewegung der verarbeiteten Lösungen zu intensivieren (bei der gleichen Longitudinalgeschwindigkeit in allen Punkten des Querschnitts der Elektrodenkammern), um den Bedingungen des Betriebs eines chemischen Reaktors idealer Verlagerung zu entsprechen. Die Geschwindigkeit der Gas/Flüssigkeitsverlagerungsfronten die sich jeweils aufgrund einer unablässigen elektrochemischen Wirkung hinsichtlich Temperatur, Konzentration, chemischer Zusammensetzung und physikochemischen Eigenschaften (aufgrund unterschiedlicher Mengen von gelösten und freien Gasen) unterscheiden, wird lediglich durch einen Volumenstrom der Lösungen am Eingang in eine jede der Elektrodenkammern bestimmt. In dem Arbeitsbereich der Zelle gibt es, da das Großenverhältnis beibehalten wird, keine ruhenden Zonen und Zonen vorherrschender oder verzögerter Ströme. Die Bildung von Zonen verzögerter Ströme und ruhender Zonen in den Elektrodenkammern ist üblicherweise mit der Akkumulation einer erhöhten Menge von Produkten von elektrochemischen Reaktionen darin verbunden, die verglichen mit der anfänglichen Elektrolytlösung eine höhere elektrische Leitfähigkeit besitzen. Aufgrund der ausgebildeten Heterogenität des leitenden Mediums erfolgt eine Neuverteilung der elektrischen Feldlinien, was mit lokalen Temperaturfluktuationen verbunden ist, die ihrerseits die Wirkung der anderen Faktoren im Hinblick auf eine Erzeugung der Heterogenität des Stroms erhöhen. Die autarken und sich selbst entwickelnden thermalen und physikalischen, elektrochemischen und hydrodynamischen Fluktuationen in den Arbeitskammern der elektrochemischen Systeme führen zu einem nicht produktiven Energieaufwand und einer Verringerung der Effizienz der Verfahren der elektrochemischen Umwandlung von Flüssigkeiten. Die Herstellung der Anode und der Kathode der elektrochemischen Zelle in Form von Titanröhren, die eine niedrige thermische Inertheit besitzen, ermöglicht es, die Erzeugung und Entwicklung einer in Längsrichtung verlaufenden (entlang der Zellachse) thermischen Störung der Fronten der Verlagerung des Gas-Flüssigkeits-Mediums, das sich in den Elektrodenkammern bewegt, zu vermeiden. Die stabilen Hydraulikbedingungen in den Kammern des Arbeitsbereichs der Zelle werden erreicht, wenn sich die Punkte des Eintritts und des Austritts der Elektrolytlösung in die Kammer und aus der Kammer heraus in einem Abstand befinden, der gleich oder größer als die Breite der Elektrodenkammer ist, in die die Elektrolytlösung eingeleitet wird und aus der die Elektrolytlösung entfernt wird.
Das Verhältnis der Querschnittsfläche der Kathodenkammer der Zelle zu der Gesamtquerschnittsfläche der Anodenkammer und des Diaphragmas sollte 0,8 bis 1,0 betragen und die Länge des Arbeitsbereichs der Zelle sollte das 15- bis 25-fache des Außendurchmessers der Anode betragen. In diesem Bereich der Verhältnisse der Zellparameter wird eine Zirkulation der Flüssigkeit in den Elektrodenkammern in Form von Mikrotoroidströmen bereitgestellt, wobei jedes Mikrovolumen an Flüssigkeit in dem Storm wiederholt mit der Perielektrodenoberfläche in Berührung gelangt (3). Die Erzeugung von Mikrotoroidströmen in den Elektrodenkammern erhöht den Grad der Ausnutzung der anfänglichen Komponenten einer Elektrolytlösung und liefert die optimalen Bedingungen zur Zuführungen der anfänglichen Mittel zu der Elektrodenoberfläche und die optimalen Bedingungen zur Entfernung der Reaktionsprodukte von den Elektroden, bei gleichzeitiger Entfernung der Elektrolysegase in Form von winzigen Blasen, die den Widerstand des Mediums in den Elektrodenkammern nicht erhöhen.
Die Wirkung der Erzeugung und die stabile Existenz der Mikrotoroidströme gewährleistet das wirksame Mischen der anfänglichen Substanzen und der Reaktionsprodukte in jedem Abschnitt des Arbeitsbereichs der Zelle im Laufe der Bewegung des Gas-Flüssigkeits-Mediums. In diesem Fall ermöglicht die Wirkung der Erzeugung und die Existenz der Mikrotoroidströme, die durch das oben angegebene Verhältnis bedingt sind, dass das Volumen des Gas-Flüssigkeits-Gemisches, das sich zwischen beliebigen zwei beliebig nahen Querschnitten befindet, als ein Toroidmikroreaktor idealer Mischung angesehen wird.
Das obige Verhältnis gewährleistet eine Intensivierung der wichtigsten Prozesse, d. h. der hydrodynamischen Prozesse, die ein Zuführen der anfänglichen Substanzen zu der Elektrode und ein Entfernen der Produkte der elektrochemischen Reaktionen von der Elektrode umfassen, und auch der Prozesse der Entfernung der Elektrolysegase aus dem Interelektrodenraum.
Dieses Verhältnis kann durch Verändern der Querschnittsfläche der Kathodenkammer und der Querschnittsfläche der Anodenkammer erhöht oder verringert werden. Eine Veränderung des Verhältnisses führt zu einer Störung der Mikrotoroidstruktur der Ströme in den Elektrodenkammern, einer Verringerung der Stofftransport und folglich einem Beeinträchtigen der elektrochemischen Prozesse. Eine Erhöhung des Querschnitts des Diaphragmas unter Konstanthalten der Querschnitte der Elektrodenkammern führt zu einer Erhöhung der elektrischen und hydraulischen Widerstände des Diaphragmas und auch zu einer Beeinträchtigung des Verfahrens. Eine Verringerung des Querschnitts des Diaphragmas unter Konstanthalten der Querschnitte der Elektrodenkammern führt zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit des Diaphragmas, einer Erhöhung der Leckeigenschaften hiervon und einer Verringerung der Adsorption, chemischen und elektroosmotischen Aktivität hiervon. Als Ergebnis nimmt die Trennung der hochaktiven Produkte der elektrochemischen Reaktionen während des Zellbetriebs ab. Die Länge des Arbeitsbereichs der Zelle sollte nicht größer als 25D₂ und kleiner als 15D₂ sein, wobei D₂ der Außendurchmesser der Anode ist. Wenn die Länge des Arbeitsbereichs der Zelle kleiner als das 15-fache des Außendurchmessers der Anode ist, ist die Dauer der elektrochemischen Verarbeitung der Flüssigkeit in der Zelle kurz und die Betriebseffizienz der Zelle nimmt ab. Eine Erhöhung der Länge des Arbeitsbereichs der Zelle über das 25-fache des Außendurchmessers der Anode führt zu einer beträchtlichen Erhöhung des hydraulischen Widerstands der Zelle und einer Erhöhung des Energieverbrauchs aufgrund eines Überfüllens des Elektrolyts mit Gas.
Die Anode kann aus einem Titanrohr mit einer ausgebildeten äußeren Oberfläche gebildet werden, auf die ein elektrokatalytischer Überzug appliziert ist, Die Kathode kann aus einem Titanrohr hergestellt werden, wobei die Innenseite hiervon glatter als die Anodenoberfläche ist. Die Glattheit wird durch Behandeln der Arbeitsoberflächen der Elektroden mittels eines beliebigen bekannten Verfahrens, beispielsweise Sandstrahlen, elektrochemisches Ätzen, chemisches Ätzen, Polieren, Elektropolieren, Polieren mit einem Schleifwerkzeug usw. erreicht. Dadurch ist es möglich, das Verhältnis der tatsächlichen (physikalischen Arbeits- und aktiven) Oberflächen der Anode und der Kathode entlang der vollständigen Länge des Arbeitsbereichs der Zelle einzustellen. Dieses Verhältnis sollte gleich oder größer als 1 sein. Wobei die offensichtliche (geometrische) Oberfläche der Anode gemäß der Ausgestaltung kleiner als die geometrische Oberfläche der Kathode ist, da der äußere Durchmesser der Anode kleiner als der Innendurchmesser der Kathode ist. Die ausgebildete physikalische Oberfläche der Anode erlaubt eine Verringerung der wirksamen Dichte des Anodenstroms und eine mehrmalige Erhöhung der Lebensdauer des elektrokatalytischen Überzugs der Anode. Die ausgebildete Oberfläche der Anode erlaubt aufgrund einer großen Zahl von mikrogeometrischen Konvexitäten und Konkavitäten einer 10 μm nicht übersteigenden Größe die Erzeugung von mikroelektrokatalytischen Regionen, die sich im Elektrodenpotential unterscheiden (2). Auf den Konvexitäten ist aufgrund einer größeren Dichte des Mikrodiffusionsstroms das Oxidationspotential höher als das in den Konkavitäten, wobei die Mikrodiffusionsstromdichte niedriger ist. Im Falle eines elektrochemischen Verarbeitens von verdünnten Elektrolytlösungen erlaubt es diese Wirkung einem, die Anodenoxidationsprodukte über eine Vielzahl von chemischen Reaktionen, die sich hinsichtlich Kinetik und Gleichgewichtspotentialen unterscheiden, zu erhalten. Aufgrund der ausgebildeten Oberfläche der Anode und einer sehr niedrigen Konzentration der Elektrolytionen in den unmittelbaren dichten und Diffusionsbereichen der elektrischen Doppelschicht (DEL) an der Anodenoberfläche um die metastabilen Reaktionsprodukte, wie Ozon, Singulettsauerstoff, Wasserstoffperoxid und Chlordioxid, herum werden dicke Ionenhydratationshüllen gebildet, die sie während einer langen Zeitdauer in Lösung halten und ihre wechselseitige Neutralisation verhindern, die unter üblichen Bedingungen chemischer Reaktionen unvermeidlich ist.
Im Falle einer elektrochemischen Verarbeitung von konzentrierten Elektrolytlösungen ermöglicht die ausgebildete Oberfläche der Anode es, die Anodenoxidation mit einer minimalen Anodenpolarisation durchzuführen und dadurch Wärmeverluste zu verringern.
Die kleine geometrische Oberfläche der Anode im Vergleich zu der großen geometrischen Oberfläche der Kathode bestimmt die Form der radialen Verteilung der elektrischen Feldlinien, die sich im Zentrum konzentrieren und die rasche Zufuhr der anfänglichen Mittel zu der Anodenoberfläche in dem Wirkungsbereich des elektrischen Feldes der DEL-Diffusionsregion, d. h. 10^–5 ... 10^–4 cm, und das rasche Entfernen der Produkte der elektrochemischen Reaktionen von der DEL-Diffusionsregion in das Lösungsvolumen gewährleisten.
Die relativ glatte Oberfläche der Kathode fordert die Bildung von kleinen Blasen von Wasserstoff und verringert aufgrund der gleichmäßigen Titanstruktur in den Oberflächenschichten und nahen Oberflächenschichten die Intensität der Auflösung von Wasserstoff in dem Metall (das Hydrierungsverfahren).
Das Diaphragma sollte kapillarporös sein und sollte eine hohe elektroosmotische Aktivität und unterschiedliche Grade einer Mikrorauheit der der Kathode und der Anode zugewandten Oberflächen besitzen. Entlang der vollständigen Länge des Arbeitsbereichs der Zelle wurden die Innenseite und die Außenseite des Diaphragmas so ausgeformt, dass sie eine unterschiedliche vorgegebene Rauheit aufweisen, d. h. die äußere tatsächliche oder physikalische Oberfläche des Diaphragmas sollte gleich oder kleiner als die tatsächliche Oberfläche der Kathode sein und die innere tatsächliche Oberfläche des Diaphragmas sollte gleich oder kleiner als die tatsächliche Oberfläche der Anode, jedoch kleiner als die äußere tatsächliche Oberfläche des Diaphragmas sein. Der Unterschied kann entweder im Lauf der Herstellung des Diaphragmas oder mit Hilfe einer nachfolgenden mechanischen Behandlung der Oberfläche hiervon erreicht werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, einen effizienten Betrieb der elektrochemischen Zelle im Falle eines übermäßigen Drucks in der Kathodenkammer gegenüber dem Druck in der Anodenkammer, d. h. unter Bedingungen, wenn gleichzeitig mit der elektrochemischen Verarbeitung von Wasser oder einer verdünnten Elektrolytlösung ein Filtrationstransfer von Anionen und eines Teils des Wassers aus der Kathodenkammer in die Anodenkammer durchgeführt wird, zu erreichen. Die speziell erhöhte tatsächliche (physikalische) Oberfläche des Diaphragmas, die der Kathode zugewandt ist, ermöglicht es, ohne beträchtliche Erhöhung des Filtrationswiderstands unlösliche Teilchen von Schwermetalihydroxiden, die sich in der Kathodenkammer gebildet haben, zurückzuhalten und den Langzeitbetrieb der Zelle bei einer konstanten Rate des Filtrationstransfers der Substanzen durch das Diaphragma zu gewährleisten.
Die tatsächliche Oberfläche des Diaphragmas, die der Anode zugewandt ist, ist kleiner als die tatsächliche Oberfläche der Anode, was es leichter macht, den Elektromigrationsionentransfer aus der Anodenkammer in die Kathodenkammer aufgrund einer erhöhten Konzentration von Kationen in der oberflächennahen Schicht des Diaphragmas zu steuern. Die beobachtbare Verringerung der Intensität des Elektromigrationstransfers von Hydroniumionen eignet sich und rührt von einer Unterdrückung des prototropen Mechanismus der Migration der Hydroniumionen in der Region der Konzentrationspolarisation auf der Diaphragmafilteroberfläche her. Unter Bedingungen eines Mangels an ”freien” Wassermolekülen in der Raumladungsregion herrscht der Elektromigrationstransfer von Metallkationen vor, die im Gegensatz zu Hydroniumionen voluminösere Hydrathüllen besitzen. Der Transfer beschleunigt sich aufgrund des Elektroosmosetransfers von Wasser aus der Anodenkammer in die Kathodenkammer.
Im Falle von konzentrierten Elektrolytlösungen nimmt die Elektroosmoseaktivität des Diaphragmas ab, ist jedoch im Vergleich zu keramischen Diaphragmen aus Aluminiumoxid, Boroxid, Zirconiumoxid und Asbest noch höher.
Die Elektroosmoseaktivität des Diaphragmas offenbart sich selbst durch die Fähigkeit desselben zur Erzeugung eines Druckabfalls in der mit frischem Trinkwasser einer Gesamtsalinität von 0,15 bis 0,2 g/l gefüllten Zellkammer aufgrund des elektrischen Feldes von 15 bis 30 V/cm bei einer Größe von nicht weniger als 1,5 kGs/cm². Geringere Werte des Druckabfalls deuten entweder auf eine ungeeignete chemische Zusammensetzung des Diaphragmamaterials oder eine übermäßig große Größe der Kapillarkanäle in dem Diaphragmakörper hin.
Das Produkt des Interelektrodenraums und des Quotienten des Bruchs der gesamten tatsächlichen Oberflächen der Anode und der Kathode durch das Gesamtvolumen der Elektrodenkammern sollte 3,9 bis 4,1 für Elektrolytlösungen unterschiedlicher Konzentrationen, die konditional in zwei Typen unterteilt werden können: verdünnt und konzentriert, betragen.
Die konditionale Unterteilung von Lösungen anorganischer Elektrolyte in verdünnte und konzentrierte Lösungen ist durch die Unterscheidung der Art der Lösungen, deren Konzentration größer oder kleiner als 0,1 mol/l ist, bedingt. 4 zeigt (1) die elektrische Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen unterschiedlicher anorganischer Elektrolyte-Chloride, Sulfate, Carbonate und Nitrate von Alkalielementen und der entsprechenden Säuren und Basen hiervon als Funktion ihrer Konzentration in der wässrigen Lösung. Die Kurve (2) zeigt theoretisch berechnete Räume zwischen Zentren von Elektrolytionen in der Lösung auch als Funktion der Konzentration. Ein Vergleich dieser Kurven zeigt, dass mit Erhöhung der Elektrolytkonzentration der Raum zwischen den Ionen abnimmt und gemäß den theoretischen Berechnungen die Wechselwirkung zwischen ihnen zunimmt. Eine kritische Konzentration ist die von etwa 0,1 mol/l, wie aus der Änderung des Winkels der Steigung der Kurve (1) ersichtlich ist. Im Falle von elektrochemisch aktivierten Lösungen erfolgt eine rasche wechselseitige Neutralisierung der meisten aktiven Stoffe bei einer Gesamtkonzentration der Elektrolytionen von über 0,1 mol/l.
In verdünnten Elektrolytlösungen (unter 0,1 mol/l) führen winzige Änderungen der Solutkonzentration zu beträchtlichen Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit der Lösung, was ein Zeichen der vorherrschenden Rolle der Kräfte der ionischen Wechselwirkung bei den Verfahren eines Massentransfers und einer kleinen Intensität der Verfahren der wechselseitigen Neutralisation der elektrochemisch aktivierten Stoffe-Antagonisten ist.
Somit gilt ein unterer Wert des oben genannten Verhältnisses von 3,9 für Zellen für die Verarbeitung von Lösungen einer Konzentration unter 0,1 mol/l. Ein höherer Wert von 4,1 gilt für Zellen zur Verarbeitung von Lösungen einer Konzentration von über 0,1 mol/l. Die Zwischenwerte sind charakteristisch für Zellen, worin Elektrolytlösungen unterschiedlicher Konzentrationen durch die Elektronenkammern geführt werden, ihre Gesamtkonzentration (unter Einbeziehung der volumetrischen Rate) jedoch etwa 0,1 mol/l beträgt.
Eine Erhöhung oder Verringerung des obigen Verhältnisses ist mit einem Anstieg des Energie-Inputs für das Elektrolyseverfahren und einer Verringerung der Ausbeute der Zielprodukte aufgrund eines Verlusts der Effizienz des Stofftransports durch die Mikrotoroidströme und des Auftretens von Regionen eines vorherrschenden Stroms und von Regionen eines verzögerten Stroms in den Elektronenkammern verbunden.
Das keramische Diaphragma der Zelle besteht aus Aluminiumoxidkörnern einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g, die mit Aluminiumoxidteilchen einer spezifischen Oberfläche von 10 bis 40 m²/g beschichtet sind, wobei der Gehalt der Aluminiumoxidteilchen einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g 70 bis 90 Gew.-% ausmacht und nicht weniger als 99% der Aluminiumoxidphasenzusammensetzung in der alpha-Form vorliegt.
Das Diaphragma der Zelle kann aus Aluminiumoxidkörnern einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g, die mit einem Gemisch von Teilchen von Titandioxid und Magnesiumoxid beschichtet sind, bestehen, wobei der Gehalt an Aluminiumoxidteilchen nicht weniger als 99 Gew.-% beträgt, wobei nicht weniger als 99% der Aluminiumoxidphasenzusammensetzung in der alpha-Form vorliegt.
Das keramische Diaphragma kann aus Aluminiumoxidkörnern einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g, die mit Zirconiumdioxidteilchen beschichtet sind, die partiell mit Oxiden von seltenen Metallen oder Seltenerdmetallen stabilisiert sind, bestehen, wobei die Zusammensetzung die Folgende ist: 60 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxid, wobei nicht weniger als 98% der Aluminiumoxidphasenzusammensetzung in der alpha-Form vorliegt; 10 bis 40 Gew.-% Zirconiumdioxid, wobei nicht weniger als 98% der Zirconiumdioxidphasenzusammensetzung in der tetragonalen Modifikation vorliegt. Die tetragonale Phase des Zirconiumdioxids ist durch Zugabe eines oder mehrerer Oxide stabilisiert, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Yttrium-, Scandium-, Ytterbium-, Cer- und Gadoliniumoxide umfasst. Die Gesamtmenge der Oxide beträgt 1,0 bis 10,0 Gew.-%.
Durch Einhalten der obigen Verhältnisse gewährleisten die chemische Zusammensetzung des Diaphragmas und die physikochemischen Eigenschaften hiervon die Sorption der hochgeladenen metastabilen Teilchen, die aus den Elektroden austreten (5). Sie treten nicht tief in das Diaphragma ein, da ihre Wechselwirkungsenergie mit der heterogenen hydrophilen Oberfläche des Diaphragmamaterials höher ist als die Aktivierungsenergie des Elektromigrationstransfers und so sind sie nicht einer wechselseitigen Neutralisation unterworfen. Folglich kann die elektrochemische Zelle als elektrochemischer Reaktor verwendet werden, der ein ionenselektives elektroosmotisches Diaphragma umfasst, um für einen selektiven Ionentransfer durch das Diaphragma durch Einstellen des Druckgradienten auf dem Diaphragma zu sorgen. Der Wert und die Richtung des Transfers werden durch die Stromstärke (Dichte) und die Intensität des elektrischen Feldes im Diaphragma und die Salinität der wässrigen Lösungen auf jeder Seite des Diaphragmas bestimmt. Der elektrische Widerstand des Diaphragmas mit seinen im Inneren und außerhalb hiervon errichteten Adsorptionsschichten ist niedriger als der Widerstand des Elektrolyts, der die Poren füllt, und die Mobilität der Ionen in den Poren ist höher als die Mobilität der Ionen in einer reinen Lösung. Das stationäre Gleichgewicht der Intensität des elektrischen Feldes im Diaphragma, das durch die Gegenwart der Adsorptionsschichten der geladenen Teilchen gewährleistet wird, besitzt einen dynamischen Charakter.
Diaphragmen dieses Typs erlauben, dass die elektrochemische modulare Zelle wirksam unter Labor- und Herstellungsbedingungen betrieben wird und bei der Verarbeitung verdünnter wässriger Elektrolytlösungen und konzentrierter wässriger Salzlösungen in gleicher Weise wirksam ist. Darüber hinaus ermöglichen die Diaphragmaeigenschaften (die physikochemische Zusammensetzung und Filtrationsfähigkeit hiervon) ein Arbeiten unter Bedingungen, wenn eine konzentrierte Elektrolytlösung durch eine der Elektrodenkammern geführt wird und in einer anderen Kammer eine konzentrierte Lösung gebildet wird, die Zersetzungsprodukte von Wasser und Ionen einer Art des Elektrolyts (Anionen oder Kationen) umfasst, deren ionenselektive Wanderung aufgrund der Kombination der physikochemischen Eigenschaften des Diaphragmas und der elektrophysikalischen Eigenschaften des Zellbetriebs gewährleistet wird ( 6). Die Wahl des Diaphragmamaterials hängt von der Spezifität des zu lösenden Problems und ökonomischen Überlegungen ab.
Die Ausgestaltung des keramischen Diaphragmas aus Aluminiumoxidkörnern einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g sorgt für die geforderten Parameter der Diaphragmapermeabilität. In der Tat erhöhen die mit kleineren Teilchen von Aluminiumoxid, Titandioxid und Magnesiumoxiden, oder von Zirconiumdioxid, das partiell mit Oxiden von seltenen Metallen oder Seltenerdmetallen stabilisiert ist, beschichteten Aluminiumoxidteilchen den chemischen Widerstand derselben.
Das Diaphragma aus Aluminiumoxidkörnern einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g, die mit Aluminiumoxidteilchen einer spezifischen Oberfläche von 10 bis 40 m²/g beschichtet sind, wobei der Gehalt an Aluminiumoxidteilchen einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g 70 bis 90 Gew.-% ausmacht und nicht weniger als 99% der Aluminiumoxidphasenzusammensetzung in der alpha-Form vorliegt, besitzt eine relativ hohe chemische Beständigkeit und ist relativ billig.
Die Ausgestaltung des Diaphragmas aus Aluminiumoxidkörnern einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g, die mit einem Gemisch von Teilchen von Titandioxid und Magnesiumoxid beschichtet sind, wobei der Gehalt der Aluminiumoxidteilchen nicht weniger als 99 Gew.-% beträgt, ermöglicht ein Erhöhen der Diaphragmastabilität und Verbessern der Adsorptionseigenschaften hiervon. Darüber hinaus liegen nicht weniger als 99% der Aluminiumoxidphasenteilchen in der alpha-Form vor.
Das Diaphragma aus Aluminiumoxidkörnern, die mit Zirconiumdioxidteilchen beschichtet sind, besitzt die höchste chemische Stabilität. Das Diaphragma umfasst: 60 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxid, wobei nicht weniger als 98% der Aluminiumoxidphasenzusammensetzung in der alpha-Form vorliegt, 10 bis 40 Gew.-% Zirconiumdioxid, wobei nicht weniger als 98% der Zirconiumdioxidphasenzusammensetzung in der tetragonalen Modifikation vorliegt. Die tetragonale Zirconiumdioxidphase ist durch die Zugabe von einem oder mehreren Oxiden stabilisiert, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Oxide von Yttrium, Scandium, Ytterbium, Cer und Gadolinium umfasst. Der Gesamtgehalt der Oxide beträgt 1,0 bis 10,0 Gew.-%. Diese Zusammensetzung sorgt für die mechanische Haltbarkeit und Stabilität der Struktur des Diaphragmas.
Variationen der Verhältnisse der Bestandteile der oben genannten Materialien des Diaphragmas führen zu einer beträchtlichen Verringerung der Elektroosmoseaktivität des kapillarporösen Diaphragmakörpers und einer Verringerung der adsorptiven chemischen Aktivität der den Elektroden zugewandten Oberflächen.
Die übereinstimmende Wirkung der oben genannten Parameter auf die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Reaktors ist in 7 dargestellt. Die Wirksamkeit der vorliegend beanspruchten technischen Lösung ist durch Bezugnahme auf ein Diagramm ausgegeben, das in dem Buch ”Elektrokhimicheskie sistemy v sinteze khimicheskikh produktov” [Electrochemische Systeme bei der Synthese von chemischen Produkten] (M. Ya. Fioshin, M. G. Smirnova, M. Khimiya, 1985, S. 222, Figur VII.34) dargestellt ist. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, übersteigt die vorliegende technische Lösung in ihren Haupteigenschaften die von Filterpressenelektrolysezellen, worin die Interelektrodenräume durch eine poröse Trennwand getrennt sind, und ist sehr ähnlich zu Elektrolysezellen, die Wirbelbettelektroden umfassen.
Ein Fließdiagramm der Zufuhr einer Elektrolytlösung zu der Zelle und eines Entfernens der Produkte der Elektrolyse kann unterschiedlich sein und von der Chemie der Prozesse, die darin ablaufen, und den Eigenschaften der Endprodukte der Elektrolyse abhängen. Insgesamt wird das Strömungsdiagramm durch die Ausgestaltung der Einheiten zur Montage, Befestigung und Verschließen der Elektroden und des Diaphragmas und der Vorrichtungen zur Zufuhr und Entfernung der Elektrolytlösungen in die Elektrodenkammern und aus ihnen heraus bestimmt. Die an den Endbereichen der Zelle angeordneten Einheiten können in Form von einem oder mehreren Teilen, die jeweils aus dielektrischen Materialien bestehen, ausgebildet sein. In Abhängigkeit von den Erfordernissen, die für ein in der elektrochemischen Zelle stattfindendes Verfahren eingestellt werden, können die Vorrichtungen zur Zufuhr einer zu behandelnden Lösung in die Elektrodenkammern mit einer Einheit und die Vorrichtungen zum Entfernen der Produkte der Elektrolyse mit einer anderen Einheit gekoppelt werden. Dadurch wird ein Vorwärtsstrom der Lösungen in den Elektrodenkammern bereitgestellt. Im Falle der Notwendigkeit eines Rückstroms soll jede Einheit mit einer Vorrichtung zur Zufuhr einer Lösung in eine Elektrodenkammer und gleichzeitig mit einer Vorrichtung zur Entfernung der Produkte der Elektrolyse aus einer anderen Elektrodenkammer gekoppelt sein. Die Vorrichtungen zum Zuführen einer zu behandelnden Lösung in die Elektrodenkammern und zum Entfernen der Produkte der Elektrolyse aus den Elektrodenkammern können in Form von Kanälen und Ansatzstücken, die mit diesen Teilen integriert sind, oder in Form von Öffnungen und Ansatzstücken, die mit den Endbereichen der Elektroden verbunden sind, ausgebildet sein. Die Länge der Katode und/oder Anode und/oder des Diaphragmas bestimmt sich durch die Zellausgestaltung und die Bedingungen der Montage der Zelle.
Die Einheiten zur Montage, Befestigung und zum Verschließen der Elektroden und des Diaphragmas können in Form von Sammelrohren, die Kanäle zum Zuführen und Entfernen der Elektrolytlösungen und ein Packsystem umfassen, ausgebildet sein. Die Kathode und die Anode sollen Öffnungen zur Zufuhr der Elektrolytlösungen in die Elektrodenkammern und zur Entfernung der Produkte der Elektrolyse aus den Elektrodenkammern umfassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Querschnittsansicht des Arbeitsbereichs der elektrochemischen Zelle, worin D₁ und D₂ für den Innendurchmesser bzw. Außendurchmesser der Anode aus einem Titanrohr mit einem Überzug aus seltenen Metallen, der auf die ausgebildete äußere Oberfläche hiervon appliziert ist, stehen; D₃ und D₄ für den Innendurchmesser bzw. Außendurchmesser des keramischen permeablen Diaphragmas stehen; D₅ und D₆ für den Innendurchmesser bzw. Außendurchmesser der Kathode aus einem Titanrohr stehen, dessen innere offensichtliche (geometrische) Oberfläche nahe der aktiven tatsächlichen (physikalischen) Oberfläche ist; und L_ec für die Länge des Arbeitsbereichs der elektrochemischen Zelle steht.
2 ist eine schematische Darstellung der Verteilung der Stromdichte und der Oxidationspotentiallinien auf der mikrorauhen Anodenoberfläche in verdünnten Lösungen. Für jeden Typ der Oxidationsreaktion gibt es optimale Bereiche auf der Anodenoberfläche, die mikrogeometrische Konvexitäten und Konkavitäten aufweist, wobei ihre Größen 10 μm nicht übersteigen und der mittlere Unterschied zwischen den maximalen und minimalen Oxidationspotentialen auf ihren Oberflächen 0,2 bis 0,3 V beträgt.
3 ist eine schematische Darstellung der Mikrotoroidströme der Lösungen in den Elektrodenkammern der elektrochemischen Zelle. Jede Mikroschicht des quer geschnittenen Arbeitsbereichs der Zelle stellt die chemischen Reaktoren der Kathode und Anode idealer Mischungen dar.
4 ist eine graphische Darstellung der elektrischen Leitfähigkeit wässriger Lösungen anorganischer Elektrolyte (Kurve 1) und durchschnittlicher Räume zwischen den Elektrolytionen als Funktion der Konzentration (Kurve 2). Die Elektrolyte sind anorganische Säuren, Salze und Basen.
5 ist eine graphische Darstellung der Veränderungen des Potentialgradienten im Interelektrodenabstands der elektrochemischen Zelle (a, b, e, f, k, l) ohne Diaphragma, (a, b, c, h, k, l) mit einem keramischen Korunddiaphragma, (a, b, e, d, q, f, k, l) mit einem Diaphragma aus mit Oxiden seltener Metalle oder von Seltenerdmetallen glasierten Aluminiumoxidkörnern, wobei 0–m die Breite der Anodenkammer ist, m–n die Diaphragmadicke ist und n–l die Breite der Kathodenkammer ist.
6 ist eine schematische Darstellung der ionenselektiven Elektrolyse in der ein Diaphragma umfassenden Zelle. Das Diaphragma besteht aus einer Zirconiumoxidkeramik. Das Anodenprodukt des Verfahrens ist ein feuchtes gasförmiges Gemisch von Chlormolekülen (etwa 95%), Chlordioxid (etwa 3%) und Ozon (etwa 2%). Die anfängliche Lösung ist eine Lösung von Natriumchlorid einer Konzentration über 100 g/l. Der Druck in der Anodenkammer (P_a) ist höher als der Druck in der Kathodenkammer bei einem Wert, der eine ionenselektive Entfernung von Natriumionen aus der Anodenkammer bei einer gegebenen Intensität des elektrischen Feldes im Diaphragma liefert.
7 ist eine graphische Darstellung der Beziehung der Elektrodenoberfläche zu dem Lösungsvolumen als Funktion des Interelektrodenraums bei unterschiedlichen Typen von Elektrolysezellen: (1) Chlorelektrolysezelle, die eine Quecksilberkathode umfasst; (2) Filterpresseelektrolysezelle; (3) Kapillarelektrolysezelle; (4) Turmelektrolysezelle; (5) Rollelektrolysezelle; (6) Elektrolysezelle, die Wirbelbettelektroden umfasst; (7) Elektrolysezelle, die Masseelektroden oder poröse Elektroden umfasst; (8) zylindrische elektrochemische modulare Zelle, die ein Zirconiumoxiddiaphragma umfasst.
8 ist eine schematische Darstellung von Ausführungsformen der Einheiten zur Montage, Befestigung und zum Verschließen der Elektroden und des Diaphragmas und der Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen von Elektrolyt in die Elektrodenkammern und aus den Elektrodenkammern.
9 ist eine schematische Darstellung der Produktion des elektrochemisch aktivierten Anolyten und Katholyten von frischem Trinkwasser.
10 ist ein Schema experimenteller Untersuchungen von zeitabhängigen Veränderungen der Parameter des elektrochemisch aktivierten Anolyten und Katholyten von frischem Trinkwasser im Vergleich zu Modelllösungen.
11 ist eine graphische Vergleichsdarstellung der pH-Werte und Redoxpotentialwerte von Trinkwasser bei chemischer und elektrochemischer Verarbeitung und zeitabhängiger Veränderungen dieser Werte.
12 ist eine schematische Darstellung der elektrochemischen Deazidifizierung von Milch. 13 ist eine schematische Darstellung der Herstellung von Schwefelsäure, Wasserstoff und einer Natriumhydroxidlösung aus der anfänglichen Lösung von Natriumsulfat.
14 ist eine schematische Darstellung der Herstellung einer elektrochemisch aktivierten Frischwasserkatholyten.
Der Arbeitsbereich der elektrochemischen Zelle (1) umfasst eine Kathode 1, eine röhrenförmige Anode 2 und ein keramisches Diaphragma 3, das den Interelektrodenraum in die Anodenkammer 4 und die Kathodenkammer 5 unterteilt. Der Arbeitsbereich der Zelle ist durch die folgenden Abmessungen gekennzeichnet: D₁ und D₂ sind der Innen- bzw. Außendurchmesser der Anode aus einem Titanrohr mit einem Überzug aus Seltenmetalloxiden, der auf die ausgebildete äußere Oberfläche appliziert ist; D₃ und D₄ sind der Innen- bzw. Außendurchmesser des keramischen permeablen Diaphragmas; D₅ und D₆ sind der Innen- bzw. Außendurchmesser der Kathode aus Titanrohr, dessen innere offensichtliche (geometrische) Oberfläche nahe der aktiven tatsächlichen (physikalischen) Oberfläche ist; L_ac ist die Länge des Arbeitsbereichs der elektrochemischen Zelle.
8 zeigt Ausführungsformen der Einheiten zur Montage, Befestigung und zum Verschließen der Elektroden und des Diaphragmas und der Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen des Elektrolyten.
In der Zelle sind die Einheiten zur Befestigung der Elektroden und des Diaphragmas in Form eines oder mehrerer Teile jeweils aus einem dielektrischen Material ausgebildet. Die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen in die Elektrodenkammer und aus der Elektrodenkammer heraus sind in Form von Kanälen und Ansatzstücken, die mit den Einheitsteilen integriert sind, ausgebildet. Diese Ausführungsform ist in 8a dargestellt, wobei die Einheiten jeweils zwei Teile umfassen, wobei die Ansatzstücke und Kanäle, die mit einer der Elektrodenkammern in Verbindung stehen, sich an den Endbereichen der Zelle befinden. Die Einheiten umfassen auch elastische Dichtungen zum Verschließen der Elektrodenkammern.
Die Einheiten sind in Form von dielektrischen Hülsen, die sich an den Endbereichen der elektrochemischen Zelle befinden, ausgebildet. An den Enden der Hülsen sind Rillen angeordnet und die Zelle umfasst dielektrische austauschbare Köpfe, die einen axialen Kanal umfassen. Die Köpfe sind in den Hülsenrillen so angeordnet, dass sie rotieren können. Das Diaphragma ist in den Hülsen mithilfe der elastischen Dichtung, die sich in den Hülsenrillen befindet, befestigt. Die Anode ist in den Köpfen mithilfe der elastischen Dichtung, die sich in den axialen Kanälen der Köpfe befindet, befestigt. Die Köpfe und die Hülsen umfassen entsprechende Kanäle zum Zuführen und Entfernen des verarbeiteten Wassers und/oder einer Lösung der Anodenkammer bzw. Kathodenkammer. Die Kanäle führen zu den Seitenflächen der Hülsen und Köpfe hinaus und sind mit Verbindungsrohren ausgestattet.
Die Einheiten sind in Form von Hülsen und Köpfen, die entsprechende Kanäle zum Zuführen des Elektrolyten in die Elektrodenkammern und Entfernen des Elektrolyten aus den Elektrodenkammern umfassen, ausgebildet, wobei die innere hohle Elektrode in einem Aggregat mit dem Einlass- und Auslassansatzstück, die mit dem Inneren hiervon in Verbindung stehen und an den entsprechenden Enden der hohlen Anode angeordnet sind, ausgebildet sein kann (8b). Diese Ausgestaltung ermöglicht es, ein wärmetragendes Mittel durch die hohle Anode zu führen und dadurch die Kosten des elektrochemischen Verfahrens aufgrund eines Entfernens der Wärmebewegung zu verringern. Die Zelle kann zum Verarbeiten von schwachen Lösungen, der Produktion von Desinfektionsmittellösungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und einer niedrigen Gesamtsalinität verwendet werden. Die eine hohle Anode zum Führen eines Wärmeträgers umfassende Zelle kann in einem Verfahren zum Reinigen von Wasser von Nitraten verwendet werden.
In der Zelle können die Einheiten zum Befestigen der Elektroden und des Diaphragmas in Form eines oder mehrerer Teile aus jeweils einem dielektrischen Material ausgebildet sein. Die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösungen in die Kathodenkammern bzw. aus den Kathodenkammern können in Form von Kanälen und Ansatzstücken, die mit den Einheitsteilen integriert sind, ausgebildet sein. Die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösung in die Anodenkammer bzw. aus der Anodenkammer sind in Form von Ansatzstücken, die an den Endbereichen der Anode angeordnet sind, ausgebildet, wobei die Anode Öffnungen umfasst. Diese Ausführungsform ist in 8c gezeigt, wobei die Einheiten in Form von drei oder vier Teilen, die dielektrische Hülsen und ein Packsystem umfassen, ausgebildet. Die Einlass- und Auslassansatzstücke der Kathodenkammer sind in den axialen Öffnungen der dielektrischen Hülsen verschlossen und die entsprechenden Einlass- und Auslasskanäle, die mit den Kathodenkammern in Verbindung stehen, führen zur Oberfläche der Hülsen heraus.
Eine in dem obigen Strömungsschema charakterisierte Zelle kann bei der Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff sowie bei der Herstellung von Schwefelsäure und Natriumhydroxid aus Sulfatlösungen verwendet werden.
Die elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen kann derart ausgebildet sein, dass die Einheiten zur Befestigung der Elektroden und des Diaphragmas in Form eines oder mehrerer Teile jeweils aus einem dielektrischen Material ausgebildet sind und die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösung der Kathodenkammern in Form von Öffnungen und Ansatzstücken, die sich an den Endbereichen der Kathode befinden, ausgebildet sind. Die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösung der Anodenkammer sind in Form von Ansatzstücke ausgebildet, die mit dem hohlen Innenraum der Anode verbunden sind, wobei die Anodenendbereiche Öffnungen umfassen. In Abhängigkeit von der angestrebten Verwendung kann der Anodenkörper weitere Öffnungen umfassen, die gleichmäßig entlang der vollständigen Länge des Arbeitsbereichs der Zelle angeordnet sind.
Diese Ausführungsform ist in 8d dargestellt. In dieser Ausführungsform umfassen die Einheiten zum Befestigen der Elektroden und des Diaphragmas auch jeweils drei oder vier Teile und ein Packsystem.
Die Einlass- und Auslassansatzstücke der Anodenkammer sind aus einem elektroleitfähigen Material gebildet, sind an den Enden der hohlen Anode angeordnet und stehen mit dem hohlen Innenraum hiervon in Verbindung. Die hohle Anode umfasst eine Perforation. An den Endbereichen der Kathodenoberfläche gibt es Öffnungen, die mit Ansatzstücken ausgestattet sind, bei denen es sich um Einlässe und Auslässe handelt, und die mit der Kathodenkammer in Verbindung stehen.
Die Zellen dieses Typs können bei der Verarbeitung von konzentrierten Natriumchloridlösungen, beispielsweise bei der Produktion von anodischen Oxidationsprodukten aus Lösungen von Alkalimetallchloriden verwendet werden.
Alle in 8 dargestellten Elemente sind auf vorspringenden Bereichen der Anode befestigt, die mit Befestigungsmitteln wie Muttern und Beilagscheiben ausgestattet sind.

Die charakteristischen Abmessungen und die Beziehung der Abmessungen der Elemente des Arbeitsbereichs der elektrochemischen modularen Zelle sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

Parameter	Formel/Verhältnis
Geometrische Oberfläche der Anode (S_ag)	S_ag = πD₂L_ec
Geometrische Oberfläche der Kathode (S_cg)	S_cg = πD₅L_ec
Verhältnis der tatsächlichen (physikalischen) Oberflächen der Anode (S_af) und Kathode (S_cf)	S_af:S_cf ≥ 1 (S_af ≥ S_cf)
Geometrische äußere Oberfläche des Diaphragmas (S_dcg)	S_dcg = πD₄L_ec
Verhältnis der tatsächlichen (physikalischen) Oberfläche der Kathode (S_cf) und der tatsächlichen (physikalischen) äußeren Oberfläche des Diaphragmas (S_dcf)	S_cf:S_dcf ≥ 1 (S_cf ≥ S_dcf)
Geometrische innere Oberfläche des Diaphragmas (S_dag)	S_dag = πD₃L_ec
Verhältnis der tatsächlichen (physikalischen) inneren Oberfläche des Diaphragmas (S_daf) und der tatsächlichen (physikalischen) Oberfläche der Anode (S_af)	S_af:S_daf > 1 (S_af > S_daf)
Interelektrodenabstand (IED)	IED = (D₅ – D₂):2
Querschnittsfläche der Kathodenkammer (S_c)	S_c = 0,785 (D₅ ² – D₄ ²)
Querschnittsfläche der Anodenkammer (S_a)	S_a = 0,785 (D₃ ² – D₂ ²)
Querschnittsfläche des Diaphragmas (S_d)	S_d = 0,785 (D₄ ² – D₃ ²)
Volumen der Anodenkammer (V_a)	V_a = S_aL_ec
Volumen der Kathodenkammer (V_c)	V_c = S_cL_ec
Verhältnis der Querschnittsflächen der Elektrodenkammern (S_c, S_a) und des Diaphragmas (S_d)	0,8 ≤ S_c:(S_a + S_d) ≤ 1,0
Verhältnis zwischen dem Interelektrodenabstand (IED), den tatsächlichen Oberflächen der Anode (S_af), Kathode, (S_cf) und den Volumina der Anodenkammer (V_a) und Kathodenkammer (V_c)	3,9 ≤ IED[(S_af + S_cf):(V_a + V_c)] ≤ 4,1
Verhältnis zwischen den tatsächlichen (physikalischen) Oberflächen der Anode (S_af), Kathode (S_cf) und den äußeren (S_daf) und inneren (S_af) tatschlichen (physikalischen) Oberflächen des Diaphragmas	S_af ≥ S_cf ≥ S_dcf > S_daf

Der Zellbetrieb ist der Folgende: Eine zu verarbeitende Lösung wird der Anodenkammer 4 und der Kathodenkammer 5 der Zelle über die Vorrichtungen zum Zuführen einer Elektrolytlösung (in 1 nicht dargestellt) zugeführt. In Abhängigkeit von der Chemie des Prozesses wird die Bewegung des Elektrolyten in den Kammern als paralleler Strom bewirkt: in einer Aufwärts- oder Abwärtsrichtung oder als Gegenstrom. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Füllen einer der Elektrodenkammern mittels Elektrofiltration durch das Diaphragma aus der zweiten Kammer oder mittels Filtration aufgrund des Druckabfalls am Diaphragma. Nach Hindurchtreten durch die Elektrodenkammern wird der Elektrolyt durch die Vorrichtungen zum Entfernen (in 1 nicht dargestellt) aus der Zelle entfernt. Die Lösung wird entweder mittels eines einzelnen Hindurchtretens durch die Kammern 4 und 5 oder gemäß der Ausführungsform, die die Anode 2 mit Öffnungen umfasst, durch Zirkulation der Lösung in der Anodenkammer verarbeitet.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele veranschaulicht, die nicht alle Aspekte der vorliegenden Erfindung umfassen. In den Beispielen werden in Abhängigkeit von der Spezifität des zu lösenden Problems elektrochemische Zellen verwendet, worin die Länge des Arbeitsbereichs 180 bis 300 mm beträgt, der Interelektrodenabstand 3 bis 11 mm beträgt und die Dicke des Diaphragmas 0,7 bis 2,8 mm beträgt. Tabelle 2 zeigt die Parameter der in den Beispielen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendeten Zellen. In den Beispielen wird die in jedem speziellen Fall verwendete Zellenzahl angegeben.

Die Abmessungen der Arbeitsbereiche der elektrochemischen modularen Zellen, die in den in den Beispielen beschriebenen Verfahren verwendet werden, sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

Parameter	Zellenzahl
Parameter	1	2	3	4	5
D₁, mm	14,0	10,5	9,5	7,7	6,0
D₂ mm	16,0	14,0	12,0	10,2	8,0
D₃, mm	23,0	19,5	16,0	12,5	9,5
D₄, mm	28,0	24,0	19,2	15,5	11,5
D₅, mm	36,0	30,0	24,0	18,7	14,0
D₆, mm	40,0	33,7	27,5	21,7	16,0
L_ec, mm	290,0	265,0	240,0	210,0	185,0
IED, mm	10,0	8,0	6,0	4,2	3,0
S_c, mm²	402	254	163	86	50
Sa, mm²	214	97	88	41.	20,6
S_d, mm²	200	153	88	66	33
V_a, mm³	62060	25705	21120	8610	3811
V_c, mm³	116580	67310	39120	18060	9259
S_c:(S_a + S_d)	0,97	1,0	0,93	0,8	0,93
IED [(S_af + S_cf):(V_a + V_c)]	3,91	4,05	3,95	4,08	3,93

Beispiel 1. Herstellung eines elektrochemisch aktivierten Analyten und Katholyten aus frischem Wasser.
Die elektrochemische Zelle Nr. 5, die eine nicht gekühlte Anode umfasst (Tabelle 2 und 8a), wurde verwendet. Trinkleitungswasser mit einer Gesamtmineralisierung von 0,22 g/l und einem anfänglichen pH-Wert von 7,1 und einem φ-Wert von +280 mV (CSE) wurde einer Anoden- und Kathodenbehandlung in der genannten elektrochemischen modularen Zelle unterzogen. Bei der Produktion des Anolyten gemäß dem in 9 dargestellten Schema betrug der Druck in der Anodenkammer 0,7 bis 0,8 kGs/cm² und überstieg den Druck in der Kathodenkammer um 0,3 bis 0,4 kGs/cm². Der Anolytenvolumenstrom lag in einem Bereich von 5 bis 6 l/h. Der Katholytenvolumenstrom lag in einem Bereich von 10 bis 12 l/h. Bei der Produktion des Katholyten betrug der Druck in der Kathodenkammer 0,8 bis 0,9 kGs/cm² und überstieg den Druck in der Anodenkammer um 0,3 bis 0,4 kGs/cm². Der Katholytenvolumenstrom lag in einem Bereich von 6 bis 7 l/h. Der Anolytenvolumenstrom lag in einem Bereich von 10 bis 12 l/h. Ein Verändern der obigen hydraulischen Parameter wurde mithilfe variabler hydraulischer Widerstände am Einlass der Elektrodenkammern der Zelle und Druckregulatoren ”im vollen Ausmaß” am Auslass der Elektrodenkammern (im Schema nicht dargestellt) durchgeführt. Die Intensität der elektrischen Energie bei der Verarbeitung von Wasser betrug etwa 1000 C/l.
Das Schema des Experiments ist in 10 dargestellt. Kästchen Nr. 1 bezeichnet die Proben des anfänglichen Trinkwassers, dessen Parameter einer chemischen und elektrochemischen Verarbeitung unterzogen wurden. Der pH-Wert und die Redoxeigenschaften (φ) des Anolyten und Katholyten des Trinkwassers wurden unmittelbar nach deren Produktion (Kästchen 2 und 3 in 10) gemessen. Ein I-120-pH-Wert- und- Millivoltmeter wurde verwendet.
Üblicherweise erfährt als Ergebnis der Kathodenbehandlung frisches oder gering mineralisiertes Wasser eine alkalische Reaktion aufgrund der Umwandlung eines Teils der darin gelösten Salze in Hydroxide. Das Redoxpotential des Wassers nimmt drastisch ab, die Oberflächenspannung nimmt ab, der Gehalt an gelöstem Sauerstoff und Stickstoff nimmt ab, die Konzentration des Wasserstoffs und der freien radikalischen Gruppen nimmt zu, die elektrische Leitfähigkeit nimmt ab und die Struktur nicht nur der Hydrathüllen der Ionen, sondern auch des freien Volumens des Wassers verändert sich.
Als Ergebnis der Bildung der hochlöslichen Natrium- und Kaliumhydroxide und folglich einer Erhöhung des pH-Werts tritt eine Störung des Kohlendioxidgleichgwichts unter Bildung von schlecht löslichen Calcium- und Magnesiumcarbonaten aus löslichen Verbindungen dieser Metalle (Hydrogencarbonate, Chloride und Sulfate), die üblicherweise im Ausgangswasser vorhanden sind, auf. Ionen von Schwermetallen werden in unlösliche Hydroxide umgewandelt.
Als Ergebnis der elektrochemischen Anodenbehandlung steigt die Azidität des Wassers, das Redoxpotential nimmt aufgrund der Bildung von stabilen und nicht stabilen Säuren (Schwefelsäure, Salzsäure, hypochlorige Säure und Perschwefelsäure), Wasserstoffperoxid, Peroxosulfaten, Peroxocarbonaten, sauerstoffhaltigen Chlorverbindungen und verschiedenen Zwischenproduktverbindungen, die im Laufe der spontanen Zersetzung und Wechselwirkung der obigen Substanzen gebildet werden, zu. Als Ergebnis der elektrochemischen Anodenbehandlung nimmt auch die Oberflächenspannung des Wassers ab, die elektrische Leitfähigkeit nimmt ab, der Gehalt an gelöstem Chlor, Sauerstoff nimmt ab, die Konzentration von Wasserstoff und Stickstoff nimmt ab und die Struktur des Wassers ändert sich.
Eine quantitative Eigenschaft der Azidität oder Alkalinität von Wasser ist der Wasserstoffindex pH, der durch die Aktivität der Wasserstoffionen (a_H) oder das Verhältnis der Konzentration der Hydroniumionen H₃O⁺ und Hydroxylionen OH^– bestimmt wird.
Das Redoxpotential (φ) ist ein weiterer wichtiger Parameter, der die Aktivität der Elektronen in wässriger Lösung (Wasser) charakterisiert. Der Parameter wird mit einem Hochwiderstands-Millivoltmeter und einem Elektrodenpaar gemessen, wobei eine eine Referenz (Hilfs)-Elektrode ist und die andere eine Messelektrode ist. In der Praxis werden die Messungen unter Verwendung einer Chlor-Silber-Elektrode (CSE) als Hilfselektrode und einer Platinelektrode als Messelektrode durchgeführt. Eine Platinmesselektrode tauscht mit einer Lösung lediglich Elektronen, aus, die sich außerhalb der ”Elektroden-Lösungs”-Grenze befinden, d. h. sie kann als idealisiertes Reservoir mit Elektronen angesehen werden. Wenn die Elektrode in eine Lösung (Wasser) eingetaucht wird, erfolgt ein Kontakt zwischen den zwei Phasen, die ein gemeinsames Teilchen, d. h. Elektronen, aufweisen. Folglich ist die Gleichgewichtsbedingung für die Elektroden-Lösungs-Grenze durch die Gleichheit der elektrochemischen Potentiale der Elektronen der Elektrode und der Lösung gekennzeichnet.
Es gibt eine Beziehung zwischen dem Redoxpotential und dem pH-Wert, die in der Praxis dadurch ausgedrückt wird, dass eine Veränderung des Trinkwasser-pH-Werts um eine pH-Einheit bei Zugabe von Natriumhydroxid oder Salzsäure zu einer Veränderung des Redoxpotentials um etwa 59 mV führt, d. h. es nimmt zu, wenn der pH-Wert abnimmt und nimmt ab, wenn der pH-Wert zunimmt. Aus der Abhängigkeit des Potential der inerten Elektrode (das Oxidationspotential der Lösung) von der Aktivität der solvatisierten Elektronen in der Lösung, definiert mittels des grundlegenden Gesetzes nach Nernst, dass eine Erhöhung des Oxidationspotentials φ durch eine Abnahme der Aktivität der Elektronen in der Lösung bedingt ist und umgekehrt, folgt, dass eine Verringerung von φ durch eine Erhöhung der Aktivität der Elektronen bestimmt wird.
Die Redoxpotentialnatur ist hauptsächlich durch quantenmechanische Eigenschaften der Atome eines elementaren elektrochemischen Systems (”Elektrode-Lösung”), die Spezifität ihrer Elektronenstruktur, die die Ionenpotentiale der Elemente bestimmt, bedingt. Die Elektronenstrukturen der Atome und Ionen bestimmen auch den Charakter und die Energie der Prozesse der Ionenhydratation.
Im Falle einer unipolaren elektrochemischen Behandlung von Wasser befinden sich die pH-Werte und Redoxpotentialwerte des Katholyten und Anolyten von Trinkwasser bei weitem jenseits nicht nur des Umfangs der chemischen Kontrolle, sondern auch des Umfangs der thermodynamischen Stabilität von Wasser, die mit den Potentialen der Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden verbunden ist: φH_2(NHE) = –0,059 pH und φO_2(NHE) = 1,23 – 0,059 pH, wobei NHE eine Referenznormalwasserstoffelektrode ist. Je geringer die Wassermineralisierung ist, desto schwieriger ist es, die maximalen möglichen pH-Werte und Redoxpotentialwerte des Katholyten und Anolyten zu erreichen. Die Schlüsselrolle fällt der Ausgestaltung und den elektrochemischen Eigenschaften des Reaktors und dem Charakter der elektrochemischen Verarbeitung selbst zu. Die experimentellen Vergleichsuntersuchungen der Ergebnisse der elektrochemischen Aktivierung von Trinkwasser und der Daten der chemischen Überwachung des Wassers sind im Folgenden beschrieben.
Das anfängliche Leitungswasser wurde mit Salzsäure und Natriumhydroxid so versetzt, dass es Analoga (in pH-Werten) des Anolyten und Katholyten liefert (Proben 4 und 5, 10). Es wurden Messungen der pH-Werte und φ-Werte der chemischen Analoga durchgeführt und die dem gemessenen pH-Wert aller Proben entsprechenden φ-Werte wurden mittels der Nernst-Gleichung berechnet. Diese Daten sind für die Proben 2–5 als φ_theor angegeben. Die Messungen des pH-Werts und von φ für alle vier Proben wurden nach 24-stündiger und 168-stündiger Lagerung wiederholt (Kästchen Nr. 6–9 bzw. 10–13). Eine Analyse der experimentellen Ergebnisse einer jeden Probe in der Untersuchung ist in dem Schema veranschaulicht (Kästchen Nr. 14–17). Die Daten sind graphisch in 11 in einem Koordinatensystem pH-Wert versus φ als Bahnkurven der Veränderungen der Wasserparameter während der chemischen und elektrochemischen Überwachung zwischen der oberen und unteren Grenze der thermodynamischen Stabilität von Wasser, d. h. den Potentialen der Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden, dargestellt, In 11 entsprechen die Nummern der Punkte auf den Linien den Nummern der Kästchen im Schema von 10. Wie aus den dargestellten Daten ersichtlich ist, treten beachtliche Relaxationsveränderungen des pH-Werts und φ-Werts für den Anolyten und Katholyten auf, während für ihre chemischen Modelle keinen derartigen Änderungen auftreten. Für die chemischen Modelle des Anolyten und Katholyten (Zahlen 4 und 5, 10 und 11) wird eine nahezu vollständige Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten φ-Werten beobachtet. Für den aktivierten Anolyten und Katholyten (Zahlen 2 und 3) beträgt der Unterschied mehr als 700 mV.
Eine weitere Möglichkeit der Veränderungen des φ-Werts der chemischen Modelle des Anolyten und Katholyten wurde auch untersucht, mit dem Ziel, die gleichen Werte wie die für Wasser nach der elektrochemischen Verarbeitung zu erhalten. Für diesen Zweck wurde sprudelnder Sauerstoff durch das mit Salzsäure (4) versetzte Wasser in einem Verhältnis von 100 l Gas pro 1 l Wasser geführt. Das Redoxpotential wurde dadurch um 100 mV, d. h. auf +690 mV erhöht. Das Führen von sprudelndem Wasserstoff durch das mit Natriumchlorid versetzte Wasser bei dem gleichen Verhältnis (100 l Gas pro 1 l Wasser) (5) ermöglichte eine Verringerung des φ-Werts auf –300 mV, d. h. um 320 mV. Somit war es nicht möglich, die gleichen pH- und φ-Parameter zu erreichen, wie sie durch die elektrochemische Verarbeitung erreicht wurden.
Es ist bemerkenswert, dass eine Erhöhung der Mineralisierung des anfänglichen Wassers zu einer Abnahme der Relaxationsveränderungen der Parameter pH-Wert und φ führt. Die Relaxationsprozesse zeigen sich selbst am drastischsten bei der elektrochemischen Verarbeitung von Wasser mit einer Mineralisierung von 0,1 bis 1,0 g/l.
Gemäß der klassischen thermodynamischen Definition ist die Relaxation ein gradueller Übergang eines Systems (eines bestimmten Volumens von Wasser oder einer wässrigen Elektrolytlösung) von einem Nicht-Gleichgewichtszustand, der durch eine externe Wirkung verursacht ist, in den Zustand eines thermodynamischen Gleichgewichts. Die Relaxation ist ein irreversibler Prozess und gemäß dem Gesetz der zunehmenden Entropie wird sie durch die Umwandlung eines Teils der internen Energie in Wärme, d. h. eine Abführung der Energie, begleitet. Wie bei jedem beliebigen Nicht-Gleichgewichtseffekt wird die Relaxation nicht alleine durch thermodynamische Parameter (beispielsweise Druck und Temperatur) bestimmt, sondern hängt signifikant von mikroskopischen Parametern, insbesondere von den die Wechselwirkung zwischen den Teilchen charakterisierenden Parametern ab. Das Gleichgewicht wird üblicherweise in zwei Stufen eingestellt. In der ersten Stufe wird das Gleichgewicht in getrennten Mikrovolumina des Wassers oder einer Lösung eingestellt. In der zweiten Stufe erfolgen langsame Relaxationsprozesse, die dazu führen, dass die physikalischen und chemischen Parameter die stationären Werte erreichen, die durch die Bedingungen des Gleichgewichts mit dem Umgebungsmedium bestimmt sind. Diese langsamen Prozesse sind mit einer großen Zahl von nachfolgenden Kollisionen von Teilchen miteinander verbunden. Die Zeit der Relaxation hiervon ist proportional zu der Systemgröße (dem Volumen des chemisch aktivierten Wassers). Diese langsamen Relaxationsprozesse umfassen Wirkungen wie Viskosität, Diffusion, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, katalytische Aktivität, Oxidatians-Reduktions-Gleichgewicht, pH-Wert, Oberflächenspannung usw. Der Charakter einer raschen Relaxation wird durch mikroskopische Details der Wechselwirkung zwischen Teilchen bestimmt. Die Wechselwirkungsspezifität kann dazu führen, dass das Einstellen des Gleichgewichts beliebiger mikroskopischer Parameter im Vergleich zu ähnlichen Prozessen, die andere Parameter umfassen, stark verzögert wird. Die Relaxationsrate wird durch die Zeit bestimmt, während der sich die Systemeigenschaft im Vergleich zu dem anfänglichen Wert hiervon e-Male verändert.
Die Rate und der Wert der Relaxationsänderungen beliebiger Parameter sind üblicherweise umso höher, je wirksamer das Verfahren der elektrochemischen Aktivierung ist, d. h. je weniger Zeit für die elektrochemische Behandlung verbraucht wird, je weniger Energie für die Wärmebildung verbraucht wird, desto mehr Energie wird für die physikochemische Umwandlung von Wasser verbraucht, desto größer ist die Menge der mit der doppelten elektrischen Schicht (DEL) in Kontakt befindlichen Wassermikrovolumina während der elektrochemischen Behandlung, wobei die elektrische Feldintensität mehrere Millionen Volt pro Zentimeter erreicht und umso höher ist der Grad der Unipolarität der Wirkung, d. h. umso niedriger ist die Intensität der Penetration in den Elektrodenraum elektrochemisch wirksamer Teilchen aus dem Elektrodenraum der Elektrode der Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Beispiel 2. Umwandlung von Zuckersirup in Glucose-Fructosesirup.
Die elektrochemische modulare Zelle Nr. 5, die eine gekühlte Anode umfasst (Tabelle 2), wurde verwendet. Das Verhältnis der physikalischen Oberflächen der Anode und Kathode (S_af:S_cf) betrug 1,02.
Die Inversion von Zuckersirup in Glucose-Fructosesirup erfolgte mit dem Ziel, 20 bis 30% des in der Konditorindustrie und bei der Produktion von Softdrinks, Säften und Eiscreme verwendeten Zuckers einzusparen. Die Glucose-Fructosesirup anstatt von Zuckersirup enthaltenden Produkte eignen sich für die Gesundheit der Leute, die an Diabetes leiden, und besitzen eine längere Haltbarkeit ohne Frischeverlust. Eines der am häufigsten verwendeten Inversionsverfahren ist die Azidifizierung von Zuckersirup mit einer anorganischen Säure, beispielsweise Salzsäure, auf einen pH-Wert von 2,0 bis 2,5 mit nachfolgendem Erwärmen und Stehenlassen bei erhöhter Temperatur. Die Reaktion der Inversion von Saccharose ist bimolekular. Sie umfasst ein Zuckermolekül und ein Wassermolekül. In wässrigen Saccharoselösungen verändert sich die Wassermenge während der Reaktion jedoch nur gering, da lediglich ein nicht beachtlicher Teil hiervon sich an der Reaktion beteiligt. Im Verlaufe der bei erhöhter Temperatur (etwa 75°0) während bis 30 bis 40 min ablaufenden Inversionsreaktion nimmt die Saccharosemenge als Ergebnis der irreversiblen Umwandlung hiervon in Glucose und Fructose ab. Am Ende der Reaktion wird dem Sirup ein neutralisierendes Mittel, beispielsweise Natriumhydroxid, zugegeben, um pH-Werte nahe den Neutralwerten zu erreichen. Anschließend wird das Sirup filtriert, so dass kolloidale Suspensionen entfernt werden. Es ist jedoch unmöglich, ein als Ergebnis der Verwendung chemischer Mittel gebildetes Salz zu entfernen.
Das elektrochemische Verfahren der Steuerung des pH-Werts ermöglicht die Durchführung der Inversion von Zuckersirup ohne Verwendung chemischer Mittel.
Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt:
Ein Zuckersirup mit einer Konzentration von 67% wurde aus einem 5 l fassenden Gefäß unter Verwendung einer Schlauchpumpe mit einer Rate von 1,0 l/h in die Anodenkammer der Zelle eingeführt. Durch die Kathodenkammer der Zelle, die in die Strömungsleitung, die ein 1 l fassendes Gefäß mit einem ähnlichen Sirup und eine weitere Schlauchpumpe umfasst, eingebunden ist, wurde der Zuckersirup in einem Vorwärtsstrommodus bei einer Rate von 1,0 l/h gepumpt. Die Anode der Zelle wurde mit einem laufenden Leitungswasser, das mit einer Rate von 1,0 l/h strömt, gekühlt. An die Zelle wurde ein Strom von 0,4 Ampere und eine Spannung von 100 Volt angelegt. In der Anodenkammer wurde ein Überdruck von 0,5 kGs/cm² gegenüber dem in der Kathodenkammer unter Verwendung eines auf einer Leitung des Sirupausgangs aus der Anodenkammer montierten Druckstabilisators erzeugt. Wie die Experimente zeigten, konnten bei diesem Druckabfall die Hydroxylionen aus der Kathodenkammer nicht in die Anodenkammer eintreten und verringerten somit die Wirksamkeit der elektrochemischen Behandlung. Die pH-Werte wurden am Einlass und Auslass der Anodenkammer gemessen. Die pH-Werte betrugen 7,2 bzw. 2,3. Der nach der Anodenbehandlung erhaltene Sirup wurde in einem Gefäß 20, 30 und 40 min auf eine Temperatur von 75°C erwärmt. Nach Abkühlen wurde der erhaltene Sirup mit einem niedrigen pH-Wert mithilfe einer Schlauchpumpe bei einer Rate von 0,7 l/h durch die Kathodenkammer geführt. Die Anodenkammer der Zelle war in die Strömungsleitung eingebunden, die ein 1 l fassendes Gefäß mit dem kathodenbehandelten Sirup und eine weitere Schlauchpumpe umfasste, die ein Hilfsvolumen des Sirups in einem Vorwärtsstrommodus bei einer Rate von 1,0 l/h führte. Während der Kathodenbehandlung des Basisvolumens des Sirups wurde der Druckabfall zwischen den Elektrodenkammern mithilfe eines am Auslass der Kathodenkammer befestigten Druckstabilisators auf einem Niveau von 0,6 kGs/cm² gehalten. Der pH-Wert der invertierten Lösung nach der Kathodenbehandlung betrug 5,6. Dieser erfüllt die Erfordernisse der kommerziellen Produktion. Der Grad der Inversion des Zuckers in Abhängigkeit von der Zeit des Stehenlassens bei erhöhter Temperatur (20, 30 und 40 min) betrug 30, 55 bzw. 80%.
Für eine Zelle, worin das Verhältnis der physikalischen Oberfläche der Anode zu der physikalischen Oberfläche der Kathode weniger als 1, insbesondere 0,57 beträgt, betrug der pH-Wert des Sirups nach dem Austreten aus der Anodenkammer 3,5. In diesem Fall betrug der Umwandlungsgrad des Zuckers in Abhängigkeit von der Zeit des Stehenlassens bei erhöhter Temperatur (20, 30 oder 40 min) 15, 30 bzw. 50%.
Beispiel 3. Deazidifizierung von Milch.
Die elektrochemische modulare Zelle Nr. 4 (Tabelle 2) wurde verwendet.
Einer der Hauptfaktoren, der eine rasche Veränderung der Eigenschaften und sensorischen Qualität von Milch hervorruft, ist die Azidität. Die Azidität ist durch die als Ergebnis der elektrolytischen Dissoziation von Säuren und Säuresalzen, die in der Milch enthalten sind, gebildeten Wasserstoffionen bedingt. Wasserstoffionen besitzen eine hohe Aktivität beim Aufbrechen des Caseincalciumphosphatkomplexes, der Freisetzung von Casein, der Gerinnung von Milch und der Einwirkung auf die Salzkomponenten hiervon. Mit steigender Azidität ändern sich stufenweise die Eigenschaften der Milch als Nahrungsmittelprodukt und als Rohstoff für eine Verarbeitung. Im Falle einer quantitativen Bestimmung wird die Milchazidität in Turner-Graden (°T) ausgedrückt. Die Azidität von frischer Milch beträgt im Mittel 16 bis 18°T. Der pH-Wert frischer Milch liegt in einem Bereich von 6,3 bis 6,8. Die Reproduktion von Lactobazillen in der Milch führt zu einem Auftreten von Milchsäure darin, die stufenweise Calcium aus Casein entnimmt; der pH-Wert der Milch nimmt ab und das kolloide System des Caseinkomplexes wird weniger stabil. Milch mit einer Azidität von mehr als 22 °T widersteht üblicherweise einem Kochen nicht und gerinnt. Bei der kommerziellen Herstellung kann derartige Milch lediglich zur Herstellung von Quark verwendet werden. Eine Deazidifizierung von Milch ist ein Verfahren zur Normalisierung (Reduzierung) der Azidität der Milch. Es ist möglich, die Azidität von Milch durch Zugabe von alkalischen Mitteln beispielsweise Backsoda zu steuern. Das Verfahren einer chemischen Steuerung der Milchazidität führt jedoch unausweislich zu einer Erhöhung der Mineralisierung der Milch und folglich zu einer Reduzierung ihrer Stabilität beim Kochen und einem Verlust von Geschmackseigenschaften. Mit einem elektrochemischen Verfahren ist es möglich, die Milchazidität ahne Verwendung chemischer Mittel zu steuern. Ein schematisches Diagramm des Verfahrens ist in 12 angegeben.
Die Testsubjekte waren frische und pasteurisierte Kuhmilch mit einem Fettgehalt von 3,2 Gew.-% und einer Azidität von 28 und 32°T.
Die Milch wurde aus einem 5 l fassenden Gefäß mit einer Rate von 5 l/h in die Kathodenkammer der Zelle eingespeist. Leitungstrinkwasser wurde in einem Gegenstrommodus mit einer Rate von 7 l/h durch die Anodenkammer der Zelle geführt. In der Kathodenkammer wurde mithilfe eines am Auslass der Kathodenkammer befestigten Druckstabilisators ein erhöhter Druck (0,7 kGs/cm²) im Vergleich zu dem in der Anodenkammer (entspricht Atmosphärendruck) erzeugt. An die Zelle wurde ein Strom von 2,8 A bei einer Spannung von 25 V angelegt. Dadurch wurde die Milchazidität von 28°T auf 16°T und von 32°T auf 18°T reduziert.
Eine organoleptische Bewertung der deazidifizierten Milch zeugte die Beseitigung der Defekte der sensorischen Eigenschaften von Milch bei der elektrochemischen Verarbeitung.
Beispiel 4. Regeneration von oxidierten Fetten.
Die elektrochemische modulare Zelle Nr. 3 (Tabelle 2) wurde verwendet.
Ein Verfahren zur Regeneration von oxidierten Fetten basiert auf der kathodischen Reduktion von Fettoxidationsprodukten durch Führen des auf 60 bis 70°C erwärmten Fetts durch die Kathodenkammer eines elektrochemischen Reaktors. In diesem Fall wird ein übliches auf die gleiche Temperatur wie die des Fett erwärmtes Trinkwasser durch die Anodenkammer des elektrochemischen Reaktors geführt. Eine unabdingbare Bedingung des Verfahrens ist ein maximaler Kontakt von allen Mikrovolumina des verarbeiteten Fetts mit der Kathodenoberfläche und ein erhöhter Druck in der Kathodenkammer im Vergleich zu dem Druck in der Anodenkammer. Der Druckabfall am Diaphragma sollte nicht weniger als 0,3 bis 0,5 kGs/cm² betragen.
Das geschmolzene Kochöl mit einer gelbgrauen Farbe und einer Säurezahl von 0,96 mg KOH/g und mit einem starken unangenehmen Geruch und Ranzigkeit, das auf eine Temperatur von 65°C erwärmt worden war, wurde aus einem 10 l fassenden Gefäß mithilfe einer Schlauchpumpe zum Einlass der Kathodenkammer der vertikal angeordneten Zelle mit einer Rate von 3 l/h geführt. Auf eine Temperatur von etwa 70°C erwärmtes, heißes Leitungswasser wurde in einem Vorwärtsfließmodus zu dem Einlass der Anodenkammer, der sich im unteren Bereich der Zelle befand, mit einer Rate von 4 l/h geführt.
Der Druckabfall am Diaphragma wurde mithilfe eines am Auslass der Kathodenkammer befestigten Druckstabilisators auf einem Niveau von 0,9 kGs/cm² gehalten.
Eine Analyse des Öls nach der elektrochemischen Verarbeitung zeigte, dass dessen Säurezahl auf 0,35 mg KOH/g abgenommen hatte. Das verarbeitete Öl wies eine hellgelbe Farbe, einen angenehmen Geschmack ohne Geruch auf. Die Stabilität bei der Lagerung betrug 3 Monate bei Raumtemperatur. Es wurde somit gezeigt, dass die Kathodenbehandlung von Öl es ermöglicht, die verlorenen Eigenschaften wiederherzustellen und die Oxidationseigenschaften des Öls während der Lagerung zu verringern.
Beispiel 5. Synthese einer Peroxocarbonatdesinfektionsmittellösung.
Die elektrochemische Zelle Nr. 5 (Tabelle 2) wurde zur Herstellung einer Peroxocarbonatlösung verwendet.
Die Zelle umfasst koaxiale zylindrische röhrenförmige Elektroden und ein die Elektroden trennendes, 0,7 mm dickes keramisches Diaphragma. Die Keramikzusammensetzung ist die Folgende: 80% Aluminiumoxid und 15% modifiziertes Zirconiumdioxid. Das modifizierte Zirconiumdioxid umfasst 5,0 Yttriumoxid. Die Elektroden bestehen aus Titan mit einem Iridiumoxidüberzug (Anode) und einem Pyrographitüberzug (Kathode). Die Länge des Arbeitsbereichs der Zelle beträgt 185 mm. Das Volumen der Kathodenkammer beträgt 10 ml. Das Volumen der Anodenkammer beträgt 7 ml.
Der experimentelle Aufbau verläuft in folgender Weise: Frisches Wasser wird dem Einlass der Kathodenkammer mit einer Rate von 3 l/h zugespeist und verlässt diese in einen Ablaufkanal. Die anfängliche Lösung eines Alkalimetallcarbonats mit einer Konzentration von 0,5 g/l wird dem Einlass der Anodenkammer in einem Gegenstrommodus mithilfe einer Dosierpumpe in einer Rate von 1 l/h zugespeist. Ein Druckstabilisator wird am Auslass der Anodenkammer montiert, um den Druckabfall am Diaphragma bei 0,2 kGs/cm² zu halten. Ein stabilisierter elektrischer Strom von 2 A wird an die Zelle angelegt. Die Spannung an den Elektroden liegt in einem Bereich von 25 bis 30 V. An der Kathode läuft die Reduktionsreaktion von Wasser ab: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–.
Wenn das Wasser in der Kathodenkammer voranschreitet, nimmt die Konzentration von Natriumhydroxid darin als Ergebnis der Elektromigration von Natriumionen aus der Anodenkammer in die Kathodenkammer durch das Diaphragma zu.
Am Anfang des Strömens der Natriumcarbonatlösung in der Anodenkammer laufen die Reaktionen der Bildung von Natriumperoxocarbonat übereinstimmend mit den elektrochemischen Gesamtreaktionen ab: 2Na₂CO₃ + 10H₂O → 2HOC(O)OOC(O)ONa + 2NaOH + O₂ + 8H₂; 2Na₂CO₃ + 6H₂O → 2HOC(O)OONa + 2NaOH + 4H₂ + CO₂;
Wenn die Carbonatlösung in der Anodenkammer weiter voranschreitet und der mittlere pH-Wert abnimmt, wird sie bezüglich Natriumionen abgereichert. Die Carbonate werden in Hydrogencarbonate umgewandelt, die ebenfalls im Einklang mit den folgenden Gesamtreaktionen einer Oxidation unterzogen werden: 2NaHCO₃ + 2H₂O → HOC(O)OOC(O)ONa + NaOH + 2H₂ + 1/2O₂; 2NaHCO₃ + H₂O → HOC(O)OONa + NaOH + H₂ + CO₂.
Mit Abnahme des pH-Werts in der Anodenkammer und Annähern des pH-Werts an einen pH-Wert von 7 ist die nächste Stufe der anodischen Oxidation von Natriumperoxocarbonatlösungen die Umwandlung der Peroxocarbonatsalze in die entsprechenden Säuren: Percarbonsäure (HOC(O)OOC(O)OH) und Monopercarbonsäure (HOC(O)OOH): HOC(O)OOC(O)ONa + H₂O → HOC(O)OOC(O)OH + NaOH; HOC(O)OONa + H₂O → HOC(O)OOH + NaOH.
Die erhaltene Lösung (der Anolyt ”Perox”) besitzt die folgenden Eigenschaften: der Gehalt an Monopercarbonsäure und Percarbonsäure beträgt 20 bis 50 mg/l; das Redoxpotential beträgt +500 bis 8000 mV, bezogen auf eine Chlor-Silber-Referenzelektrode.
Beispiel 6. Synthese einer gering mineralisierten Desinfektionsmittellösung (der neutrale Anolyt AN) mit einem hohen Gehalt an Chlor-Sauerstoff- und Hydroperoxid-Oxidationsmitteln.
Die elektrochemische Zelle Nr. 5 (Tabelle 2) wurde für die Synthese einer gering mineralisierten Desinfektionsmittellösung mit einem hohen Gehalt an Oxidationsmitteln verwendet.
Trinkwasser wurde in einer Rate von 3 l/h der Anodenkammer der Zelle zugeführt. Der gesamte mineralische Gehalt des Wassers betrug 0,15 g/l. Ein am Auslass der Anodenkammer montierter Druckstabilisator hielt einen konstanten Druck von 1,2 kGs/cm² in der Anodenkammer aufrecht. Der Einlass und der Auslass der Kathodenkammer wurden über flexible Schläuche mit einem 0,2 l fassenden Zirkulationsgefäß verbunden, das mit Trinkwasser gefüllt war und 10 cm höher als die vertikal angeordnete Zelle montiert war. Wenn eine Spannung von 40 V aus einer stabilisierten Gleichstromquelle an die Zelle angelegt wurde, nahm der Strom stufenweise von anfänglich 0,8 A auf 3 A zu. Somit erfolgt eine Zirkulation des Katholyten in der Kathodenkammer der Zelle aufgrund einer Gasanhebung, die durch die Freisetzung von Wasserstoff bedingt ist. Der Gehalt der Oxidationsmittel im Wasser, der durch die anodische Behandlung in der Zelle erreicht wurde und mit einer titrimetrischen Technik gemessen wurde, betrug 50 mg/l.
Im Falle der Verwendung der Zelle Nr. 5, worin das Verhältnis der physikalischen Oberfläche der Anode zu der physikalischen Oberfläche der Kathode 0,63 beträgt, betrug der Gehalt der Oxidationsmittel in dem Wasser nach der anodischen Behandlung in der Zelle bei Messen mittels titrimetrischer Technik 24 mg/l.
Beispiel 7. Reinigung von Wasser von anionischen grenzflächenaktiven Mitteln.
Die elektrochemische Zelle Nr. 3 (Tabelle 2), die eine gekühlte Anode umfasst, wurde zum Entfernen der anionischen grenzflächenaktiven Mittel (AAS) aus Wasser verwendet. Das Wasser, dessen Volumen in einem Gefäß 9 l betrug, wurde mit einer Schlauchpumpe bei einer Rate von 12 l/h im Zirkulationsmodus durch die Anodenkammer der Zelle gepumpt. Eine Hilfselektrolytlösung, deren Volumen im Gefäß 1 l betrug, wurde im Zirkulationsmodus mit einer Schlauchpumpe bei einer Rate von 15 l/h durch die Kathodenkammer der Zelle gepumpt. Ein Strom von Kühlwasser wurde bei einer Rate von 5 l/h durch den Anodenhohlraum geführt.
Nach Einrichten des Zirkulationsmodus wurde eine direkte Spannung aus einer stabilisierten Quelle an die Zellelektroden angelegt.
Der zirkulierende Anolyt wurde in regelmäßigen Intervallen auf den AAS-Gehalt mithilfe von Methylenblau analysiert. Aus den Analyseergebnissen wurden die Werte für den Grad der Entfernung von AAS aus der Lösung, die spezifische Ladung (Qe) und den spezifischen Energieverbrauch (We), der für das Entfernen (Zersetzen) von 1 g AAS erforderlich ist, gemäß folgenden Formeln berechnet: Qe = I × T/m; We = U × I × T/m, worin m die Masse der zersetzten Substanz in Gramm ist, I die Stromstärke in A ist; U die Spannung in V ist; T die Zeit des Verfahrens in h ist.
Während des Experiments wurden konstante Niveaus der Lösungen in den Gefäßen des zirkulierenden Wassers und des Katholyten durch Verändern der Zirkulationsraten der Lösungen und mithilfe der an dem Auslass der Elektrodenkammern befestigten Druckstabilisatoren aufrechterhalten.

Das zu reinigende Wasser (Anolyt) war eine durch Zugeben eines synthetischen Detergens (”Lotos-avtomat”) zu Leitungswasser aus dem Fluss Moskwa, um AAS- und Natriumchloridkonzentrationen von 50 mg/l bzw. 1,5 g/l zu erreichen, hergestellte Modelllösung. Eine 1,0 mol/l Lösung von Natriumhydroxid wurde als Katholyt verwendet. Während des gesamten Verfahrens wurde der pH-Wert des zirkulierenden Anolyten durch Zugeben einer 6 M Lösung von Natriumhydroxid auf einem Niveau von 6 bis 8 gehalten. Das Experiment wurde bei einer konstanten Stromstärke von 16 A durchgeführt. Die Spannung an den Elektroden betrug 9,0 bis 9,5 V. Die Ergebnisse des Entfernens von AAS aus einer Modelllösung sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3. Die Werte des Grades der AAS-Entfernung aus einer Modelllösung, der spezifischen Ladung (Qe) und des spezifischen Energieverbrauchs (We).

Dauer des Verfahrens (h)	0	1	2	7	9	11
AAS-Konzentration (mg/l)	50,0	23,8	17,6	6,9	3,3	2,1
AAS-Entfernungsgrad (%)	0	52,4	64,8	86,2	93,4	95,8
Qe, A × h/g	0	244	395	1039	1233	1470
We, W × h/g	0	2321	3753	9875	11717	13962

Die Daten in der Tabelle zeigen, dass AAS nahezu vollständig aus 9 l der Modelllösung während 11 Stunden entfernt werden kann. Wenn die AAS-Konzentration abnimmt, nehmen die Werte der spezifische Ladung (Qe) und des spezifischen Energieverbrauchs (We), der für das Entfernen von 1 g AAS erforderlich ist, stufenweise zu und entsprechen 244 A × h/g bzw. 2321 W × h/g zu Beginn des Verfahrens und 1470 A × h/g bzw. 13960 W × h/g am Ende des Verfahrens.
Somit zeigten die durchgeführten Experimente die Realisierbarkeit der Verwendung des elektrochemischen Verfahrens zur Entfernung von AAS aus Lösungen. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Verwendung einer Einheit aus acht Zellen Nr. 5 (Tabelle 2), die nicht gekühlte Anoden während des Verfahrens umfassen, wobei die Stärke des durch jede Zelle fließenden Stroms 2 A betrug, erhalten.
Beispiel 8. Reinigung von Wasser von Nitraten.
Die elektrochemische Zelle Nr. 2 (Tabelle 2) wurde zur Reinigung von Wasser von Nitraten verwendet.
Die Tests wurden mit einem Laboraufbau durchgeführt, der aus einer Zelle, einer Gleichstromquelle, die die Steuerung und das Beibehalten der Spannung und der Stromstärke in einem Bereich von 0 bis 30 V bzw. 0 bis 3 A erlaubte, einer Schlauchpumpe und Gefäßen zur Zirkulation des Anolyten und Katholyten bestand.
Das Testverfahren war das Folgende: Gelöste Nitrate enthaltendes Wasser wurde in einem Zirkulationsmodus zuerst durch die Kathodenkammer der Zelle und anschließend durch die Anodenkammer in einem Gegenstrommodus gepumpt. Das zirkulierende Wasser wurde in regelmäßigen Intervallen bzgl. Ammoniakgehalt mit einer spektrophotometrischen Technik unter Verwendung eines Nessler-Reagens analysiert.
Das zu reinigende Wasser war eine Modelllösung, die durch Zugeben von Ammoniumsulfatlösung zu Leitungswasser, um eine Konzentration von Ammoniumionen von 145 bis 185 mg/l zu erreichen, hergestellt; pH-Wert 7,6 bis 7,8. In einigen Fällen wurde Natriumchlorid in einer Menge von 1 bis 3 g/l zugegeben. Aus den Analyseergebnissen wurden die Werte für den Grad der Entfernung von Ammoniak aus Wasser, der spezifischen Ladung (Qe), des spezifischen Energieverbrauchs (We), der für das Entfernen (Zersetzen) von 1 g Ammoniak erforderlich ist, und der Stromausbeute (CY) gemäß den folgenden Formeln berechnet:
Qe = I × T/m; We = U × I × T/m; CY = m × F/(I × T × E) × 100%, worin m für die Masse der zersetzten Substanz in Gramm steht, I für die Stromstärke in Ampere steht, U für die Spannung in Volt steht, T für die Zeit des Verfahrens in h steht, F die Faradaysche Konstante ist (F = 26,8 A × h); E das elektrochemische Äquivalent ist (E für Ammoniak ist 5,7 g).
Das chemische Verfahren der Reinigung von Wasser von Nitraten ist das Folgende. In der elektrochemischen Zelle erfolgt eine Gesamtreaktion der Zersetzung von Natriumchlorid, die von der Freisetzung von molekularem Chlor in der Anodenkammer und Bildung von Natriumchlorid in der Kathodenkammer begleitet wird: 2NaCl + 2H₂O – 2e → 2NaOH + H₂ + Cl₂
Die Gesamtreaktion für die Entfernung von Ammoniak in der Anodenkammer wird durch die folgende Gleichung beschrieben: 2NH₃ + 3Cl₂ + 6NaOH = N₂ + 6H₂O + 6NaCl.
Dies zeigt, dass die chemische oder elektrochemische Zersetzung von Ammoniak durch das Produkt Chlorgas die gleiche Zahl von resultierenden Chloridionen liefert: 3 g Chloridionen pro 1 mol Ammoniak oder 6,3 g Chloridionen pro 1 g Ammoniak.
Ein Vorteil des elektrochemischen Verarbeitens von Ammoniak enthaltenden Lösungen, speziell denen mit einer hohen Konzentration von Ammoniak, ist die Möglichkeit einer vollständigen Zersetzung von Ammoniak durch Zugeben einer relativ kleinen Menge von Chloridionen (1 bis 2 g/l), die die Rolle von Elektronenträgern spielen und während der Reaktion nicht verbraucht werden.

Das Experiment wurde bei gleichzeitiger Zirkulation der gereinigten Lösung nacheinander durch die Kathodenkammer und die Anodenkammer durchgeführt. Das Volumen der Lösung betrug 3,8 l. Die Zirkulationsrate betrug 30 l/h. Während des Experiments wurde eine konstante Stromstärke (2,5 A) beibehalten. Die an die Zelle angelegte Spannung betrug 20 bis 22 V. Der pH-Wert wurde in einem Bereich von 6 bis 8 gehalten. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4. Die Werte für den Grad der Entfernung von Ammoniak, die spezifische Ladung (Qe), den spezifischen Energieverbrauch (We) und die Stromausbeute (CY)

Dauer des Verfahrens (h)	0	1	2	3	4	5
Ammoniakkonzentration (mg/l)	184	174	169	151	149	136
Ammoniakentfernungsrate (%)	0	5,4	8,2	17,9	19,0	26,1
Qe, A × h/g	0	66	88	60	75	68
We, W × h/g	0	1428	1850	1244	1571	1398
CY, %	0	6,8	5,1	7,5	5,9	6,5

Die Daten in der Tabelle zeigen, dass lediglich 26% des Ammoniaks während 5 Stunden aus der Lösung entfernt werden. Die für die Zersetzung von Ammoniak verbrauchte Energie ist hoch und der CY-Wert übersteigt 7,5% als Ergebnis einer niedrigen Wirksamkeit der Oxidation von Ammoniak durch die Anodenprodukte der Elektrolyse (atomarer und gasförmiger Sauerstoff, Wasserstoffperoxid und andere) nicht. Folglich wurden die anderen Experimente unter Zugabe von Natriumchlorid zu der Lösung während der Reinigung durchgeführt.

Das nächste Experiment erfolgte analog zu dem Vorhergehenden mit der Ausnahme, dass Natriumchlorid in einer Menge von 1 g/l der anfänglichen Lösung zugegeben wurde. Das Volumen der Lösung betrug 3,8 l, die Zirkulationsrate betrug 30 l/h. Während des Experiments wurde die Stromstärke (3,0 A) konstant gehalten. Die an die Zelle angelegte Spannung betrug etwa 10 V. Der pH-Wert wurde in einem Bereich von 6 bis 8 gehalten. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5. Die Werte für den Grad der Entfernung von Ammoniak, die spezifische Ladung (Qe), den spezifischen Energieverbrauch (We) und die Stromausbeute (CY)

Dauer des Verfahrens (h)	0	1	2	3	4	5	6	7
Ammoniakkonzentration (mg/l)	155	133	107	88	70	23	3,0	0
Ammoniakentfernungsrate (%)	0	14,2	31,0	43,2	54,8	85,2	98,1	100
Qe, A × h/g/r	0	36	33	35	37	30	31	36
We, W × h/g	0	502	362	354	372	299	312	312
CY, %	0	12,4	13,6	12,6	12,0	14,9	14,3	12,3

Weitere Experimente wurden in ähnlicher Weise durchgeführt, mit der Ausnahme, dass Natriumchlorid der anfänglichen Lösung in einer Menge von 3 g/l zugegeben wurde. Das Volumen der Lösung betrug 3,8 l, die Zirkulationsrate betrug 30 l/h. Während des Experiments wurde die Stromstärke konstant gehalten (3,0 A). Die an die Zelle angelegte Spannung betrug etwa 7 V. Der pH-Wert wurde in einem Bereich von 6 bis 8 gehalten. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben. Tabelle 6. Die Werte für den Grad der Entfernung von Ammoniak, die spezifische Ladung (Qe), den spezifischen Energieverbrauch (We) und die Stromausbeute (CY)

Dauer des Verfahrens (h)	0	1	2	3	4
Ammoniakkonzentration (mg/l)	135	100	56	20	0
Ammoniakentfernungsrate (%)	0	25,9	58,5	85,2	100,0
Qe, A × h/g	0	22,5	20,0	20,6	23,4
We, W × h/g	0,0	167	140	144	164
CY, %	0,0	19,8	22,	21,7	19,1

Die Daten in der Tabelle zeigen, dass die Zugabe von 1 bis 3 g/l Natriumchlorid zu der Lösung für eine vollständige Entfernung von Ammoniak aufgrund dessen Oxidation durch die Produkte der anodischen Oxidation von Chloridionen (gasförmiges Chlor, Hypochloritionen und andere) während 4 bis 7 h aus der Lösung sorgt.
Somit zeigte das Experiment, dass die wirksame Entfernung von Ammoniak aus Lösungen durch eine elektrochemische Oxidation in einer elektrochemischen modularen Zelle vom Strömungstyp durch die Zugabe von 1 bis 3 g/l Natriumchlorid zu der verarbeiteten Lösung, wobei die Verarbeitung mit einer simultanen Zirkulation der Lösung durch die Kathodenkammer und die Anodenkammer erfolgt, erreicht wird.
Beispiel 9. Herstellung von Schwefelsäure, Wasserstoff und Natriumhydroxid aus einer Natriumsulfatlösung.
Das Verfahren wurde in der elektrochemischen Zelle Nr. 1 (Tabelle 2 und 8d) durchgeführt.
Das schematische Diagramm des Verfahrens ist in 13 angegeben. Eine Natriumsulfatlösung einer Konzentration von 100 g/l wurde in dosierten Mengen in einer Rate von 0,25 l/h zu der Anodenkammer zugeführt. Frisches Wasser wurde in einer Rate von 0,6 l/h zu der Kathodenkammer zugeführt. Der Druck in der Anodenkammer überstieg den in der Kathodenkammer um 0,4 kGs/cm². Unter der Wirkung eines elektrischen Stroms von 25 bis 35 A, der durch die Zelle geführt wurde, wandern Natriumionen von der Anodenkammer zur Kathodenkammer, wobei Natriumhydroxid gebildet wird. Die Gesamtreaktion lässt sich durch folgende Reaktion beschreiben: Na₂SO₄ + 4H₂O → 2NaOH + H₂SO₄ + 2H₂ + O₂
Die Optimierung des Zellbetriebs bzgl. Strom und Beschickungsrate von Natriumsulfat und Wasser zu der Anodenkammer ermöglicht es, eine 95 bis 97%ige Ausbeute von Schwefelsäure zu erreichen, was ein Anzeichen für die hohe Effizienz des technischen elektrochemischen Systems, d. h. eine elektrochemische modulare Zelle, ist.
Beispiel 10. Herstellung von Chlor, Wasserstoff und Natriumhydroxid aus einer Alkalimetallchloridlösung.
Die elektrochemische Zelle Nr. 1 (Tabelle 2 und 8c), worin die Anode und die Kathode bei einem Interelektrodenabstand (IED) von 10 mm angeordnet sind, wurde verwendet. Das Diaphragma bestand aus einer Keramik mit der folgenden Zusammensetzung; 70% Zirconiumoxid, 27% Aluminiumoxid und 3% Yttriumoxid. Die Oberfläche der Titananode umfasste einen OPTA-Überzug. Die Eingangs- und Ausgangsansatzstücke der Anodenkammer bestanden aus BT1-00-Titan. Die Diaphragmadichtungsmittel bestanden aus einem F4-Fluorkunststoff.
Das Verfahrensströmungsdiagramm der elektrochemischen modularen Zelle (6) kennzeichnet das fundamental neue technologische Verfahren. Nämlich eine ionenselektrive Elektrolyse, die ein Diaphragma umfasst, die für eine vollständige Trennung der anfänglichen Salzlösung mit einer Konzentration von 180 bis 250 g/l in elektrochemischen modularen Zellen während eines Betriebszyklusses (der ein Rückführen des Anolyten zur Regeneration, Gefrieren eines Salzes aus dem Katholyten und Rückführen des Salzes in das Verfahren, Zugabe der Säure zu dem Anodenkreislauf und eine hochgradige Reinigung der Salzlösung ausschließt) zu einem feuchten Gemisch von gasförmigen Oxidationsmitteln (Chlor, Chlordioxid und Ozon) und einer Natriumhydroxidlösung mit einer Konzentration von 150 bis 170 g/l bei einem Umwandlungsgrad des Salzes von 98 bis 99,5% und einem elektrischen Energieverbrauch im Bereich von 2 bis 3 kW × h/kg des gasförmigen Gemisches der Oxidationsmittel sorgt. Diese Parameter sind sehr nahe den theoretischen Werten. Folglich ist das Verfahren einer ionenselektiven Elektrolyse einer Natriumchloridlösung, die ein Diaphragma umfasst, jenseits eines Vergleichs mit den bekannten elektrochemischen Systemen und Verfahren.
Die grundlegende Reaktion, die in einer elektrochemischen Zelle abläuft, ist die Freisetzung von molekularem Chlor in der Anodenkammer und die Bildung von Natriumhydroxid in der Kathodenkammer: NaCl + H₂O – e → NaOH + 0,5H₂ + 0,5Cl₂
Gleichzeitig laufen mit geringerer Ausbeute die Reaktionen einer Synthese von Chlordioxid direkt aus der Salzlösung und aus der Schwefelsäure ab, die infolge des Auflösens von molekularem Chlor in dem Anodenmedium gebildet wird (Cl₂ + H₂O ↔ HClO + HCl): 2NaCl + 6H₂O – 10e → 2ClO₂ + 2NaOH + 5H₂; HCl + 2H₂O – 5e → ClO₂ + 5H⁺.
Ferner erfolgt in der Anodenkammer die Bildung von Ozon aufgrund der direkten Zersetzung des Wassers und der Oxidation des freigesetzten Sauerstoffs: 3H₂O – 6e → O₃ + 6H⁺; 2H₂O – 4e → 4H⁺ + O₂; ⇒ O₂ + H₂O – 2e → O₃ + 2H⁺.
Bei niedriger Stromausbeute erfolgen die Reaktionen der Bildung der aktiven Sauerstoffverbindungen: H₂O – 2e → 2H⁺ + O; H₂O – e → HO^. + H⁺; 2H₂O – 3e → HO₂ + 3H⁺.
Das Verfahren einer ionenselektiven Elektrolyse erfolgte in folgender Weise. Eine Natriumchloridlösung einer Konzentration von 200 g/l wurde in dosierten Mengen in einer Rate von 0,3 l/h in die Anodenkammer eingespeist. Ein Druck von 1,1 kGs/cm² in der Anodenkammer wurde durch einen am Ausgang der Anodenkammer befestigten Druckstabilisator (in 6 nicht dargestellt) aufrechterhalten. Nach Füllen der Kathodenkammer (worin der Druck Atmasphärendruck entsprach) mit einem aus der Anodenkammer kommenden Filtrat wurde eine Spannung von 3,2 V aus einer Gleichspannungsquelle an die Zellelektroden angelegt. Gleichzeitig wurde ein Strom von 30 A durch die Zelle geführt. Der Output der elektrochemischen Zelle, die untersucht wurde, betrug etwa 40 g Oxidationsmittel pro Stunde in Chloräquivalenten, was die spezifischen Parameter von kommerziellen Chlorelektrolysezellen übersteigt.
Beispiel 11. Herstellung des elektrochemisch aktivierten Frischwasserkatholyten im Verfahren zur Herstellung eines mit Stickstoffdüngemitteln angereicherten Berieselungswassers.
Die elektrochemische Zelle Nr. 5 (Tabelle 2 und 8b) wurde zur Herstellung des elektrochemisch aktivierten Frischwasserkatholyten verwendet. Die Grundlagen des Verfahrens lagen in den Arbeiten von Justus Liebig, dem Autor der Theorie der mineralischen Düngung von Pflanzen, der vor nahezu zwei Jahrhunderten gezeigt hatte, dass Regenwasser natürliche Stickstoffdüngemittel, die von dem Wasser aus der Atmosphäre absorbiert sind, enthält. Die Konzentration der Düngemittel in dem atmosphärischen Wasser beträgt lediglich Teile pro Milligramm in einem Liter. Bei einem derartigen kleinen Gehalt an Düngemitteln liefert Regenwasser jedoch eine solche Wirkung auf das Pflanzenwachstum, wie sie durch Berieseln mit Wasser aus terrestrischen Wasserquellen nicht erreicht werden könnte, selbst wenn die Versorgung hiermit mehr als gleich wäre.
Es ist nützlich, wenn die Eigenschaften von Regenwasser dem üblichen Berieselungswasser aus terrestrischen Wasserquellen verliehen werden könnten. ”Künstliches Regenwasser” kann durch Rückführen der Düngemittel (und in den gleichen Mengen), die durch den Boden aus dem Atmosphärenwasser, das durch den Boden hindurchsickert, entnommen wurden, zu dem Berieselungswasser hergestellt werden.
Somit kann der besondere Schluss gezogen werden, dass es nicht nur unvernünftig ist, sondern manchmal gefährlich ist, konzentrierte flüssige Düngemittel zu verwenden, wie es gegenwärtige Praxis ist. insbesondere gelangt Ammoniakwasser in einer Konzentration in den Boden, die das 25000- bis 50000-fache der Konzentration im Regenwasser ist und natürlicherweise jede lebende Substanz abtötet.
Stickstoffdüngemittel sind für das normale Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen essentiell.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung und Verwendung von Stickstoffdüngemitteln sind jedoch aus Umweltgesichtspunkten nicht sicher. Basierend auf bekannten Verfahren ist es unmöglich, eine unter Umweltgesichtspunkten sichere Produktion von Stickstoffdüngemitteln zu entwickeln, da sie auf traditionellen Ansätzen beruhen, d. h. der Synthese von Düngemitteln mit einer obligatorischen Bildung von Abfallprodukten; der Neutralisation der Abfallprodukte (Stickoxide und saures Abwasser); der Applikation von Düngemitteln auf den Boden (unvermeidlich verbunden mit einer Mineralisierung des Bodens); dem Entfernen von übermäßigen Salzen aus dem Boden durch Auswaschen mit Abwasser. Die obigen Ansätze unterliegen den bekannten Verfahren zur Herstellung von Stickstoffdüngemitteln, insbesondere Natriumnitrat und Calciumnitrat.
Die bekannten Verfahren umfassen die Verwendung von Vorrichtungen der speziellen angestrebten Verwendung wie Bestandsvorrichtungen, Absorber, Desorber, Wärmeaustauscher, Kühlschränke, Filter, Absetzer, Überhitzer, Kühler, Verdampfer, Kristallisierer, Trocknungstrommeln und anderer Gerätschaften. Es werden chemische Reagenzien wie Ätznatron, Natriumcarbonat, Natriumchlorid, Calcium- und Magnesiumhydroxide, Schwefelsäure und Salpetersäure und andere verwendet. Es wurden elektrische Leistung, Dampf und heißes Wasser verwendet.
Somit ist das Verfahren zur Herstellung von Nitratdüngemitteln mit einer Kontamination der Umwelt mit gefährlichen Substanzen verbunden.
Ungeachtet des technischen Niveaus eines Herstellungsverfahrens kontaminiert es unvermeidlich die Umwelt und beeinträchtigt die Ökologie. Gegenwärtig erfordert die Herstellung von 1 t Natriumnitrat 0,455 t Salpetersäure, 0,03 t Soda, 2,5 t Dampf (8 atm), 65 m³ reines Wasser und 120 kWh elektrische Leistung. Die Abfälle sind 0,38 t Stickoxide pro 1 t Natriumnitrat.
Die in den elektrochemischen modularen Zellen realisierten elektrochemischen Ansätze ermöglichen die Durchführung eines unter Umweltgesichtspunkten sicheren Verfahrens zur Herstellung von Stickstoffdüngemitteln. Natriumnitrat, Calciumnitrat, Magnesiumnitrat und Kaliumnitrat werden direkt aus den Salzen (Chloriden, Sulfaten und Carbonaten), die natürlich in dem Berieselungswasser gelöst sind, synthetisiert.
Das Wasser wird der elektrochemischen kathodischen Vorbehandlung in einem elektrochemischen Reaktor unterzogen und anschließend mit Salpetersäure einer Konzentration versetzt, die für einen Alkalinitätswert in einem Bereich von 6,5 bis 7,5 (in Abhängigkeit von der Bodenzusammensetzung) sorgt.
Das obige Verfahren wurde unter Laborbedingungen durchgeführt. Das Ziel des Verfahrens war es, einen elektrochemisch aktivierten Frischwasserkatholyten herzustellen, wobei eine extrem kleine Menge an Anolyt produziert wird. Das Prozessströmungsdiagramm der elektrochemischen modularen Zelle ist in 6 angegeben. Frisches Berieselungswasser mit einer Mineralisierung von 0,24 g/l wurde durch die Kathodenkammer der Zelle gepumpt, wobei der Druck um 0,8 kGs/cm² höher war als der in der Anodenkammer. Bevor der Wasserstrom in die Kathodenkammer gespeist wurde, wurde er durch den inneren Hohlraum der Anode geführt und gekühlt. Die Wasserstromgeschwindigkeit lag in einem Bereich von 10 bis 20 l/h. Nach Füllen der Anodenkammer mit dem Filtrat aus der Kathodenkammer wurde die Quelle der elektrischen Leistung eingeschaltet und ein elektrischer Strom von 2 A durch die Zellelektroden geführt. Zu Beginn des Verfahrens betrug die Spannung an den Elektroden 25 V und sie wurde innerhalb von einer Minute auf einen konstanten Wert von 15 V als Ergebnis der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Anodenkammermediums und der Stabilisierung der Konzentration der Elektrolyten in der Anodenkammer, die für eine konstante Spannung an den Zellelektroden sorgten, verringert. Die Katholyten-pH-Messungen zeigten, dass der pH-Wert des Katholyten bei einer Strömungsrate von 20 l/h 10,6 betrug und bei einer Strömungsrate von 10 l/h 11,1 betrug. Wenn der Katholyt mit einer schwachen Lösung von Salpetersäure auf einen pH-Wert von 7 neutralisiert wurde, enthielt das kathodenbehandelte Wasser, das mit einer Rate von 20 l/h strömte, 5,2 mg/l Stickstoffdüngemittel. Das mit einer Rate von 10 l/h strömende Wasser enthielt 9,7 mg/l.
Wenn das Wasser nach der elektrochemischen Kathodenbehandlung (der Katholyt) mit einer sehr kleinen Menge Salpetersäure vermischt wird, läuft eine Neutralisationsreaktion der Salpetersäure mit Alkali- und Erdalkalimetallen ab. Als Ergebnis werden Calcium-, Natrium- und andere Metallnitrate gebildet, die wirksame Stickstoffdüngemittel sind: HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O HNO₃ + Ca(OH)₂ → Ca(NO₃)₂ + H₂O
Das mit Stickstoffverbindungen angereicherte Wasser kann zur Berieselung von Flächen von Agrarpflanzen verwendet werden. Das der elektrochemischen Kathodenbehandlung in der elektrochemischen modularen Zelle unterzogene Wasser verbleibt für einige Zeit nach Ende der elektrochemischen Behandlung in dem fortgesetzten metastabilen Zustand, der durch eine abnormale Reaktivität gekennzeichnet ist.
Die erhöhte biologische Aktivität der gemäß dem obigen Verfahren hergestellten Düngemittel ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine Wechselwirkung des hoch metastabilen Wassers mit der Bildung von Ionenhydrathüllen um die Nitrationen in der Lösung herum, die eine spezielle Langzeitstruktur aufweisen, verbunden ist. Die Spezifität der Hydrathüllenstruktur besitzt eine signifikante Wirkung auf die Assimilierung der Düngemittel und folglich auf die Wirksamkeit der Düngemittel. Folglich behält eine Lösung von Stickstoffdüngemitteln in Wasser, die auf diese Weise erhalten wurden, ihre hohe biologische Aktivität während nahezu drei Monaten bei.
Die Umweltsicherheit des obigen Verfahrens zur Herstellung von Nitratdüngemitteln ist durch die Tatsache bedingt, dass das Verfahren nicht mit der atmosphärischen Emission von Schadstoffen verbunden ist und die Applikation der gemäß dem obigen Verfahren hergestellten Düngemittel nicht zu einer erhöhten mineralischen Verunreinigung des Bodens führt, da die Alkali- und Erdalkalimetallnitrate aus Salzen synthetisiert werden, die natürlich in dem Berieselungswasser gelöst sind. Die Studien zeigten, dass die optimale Konzentration, die für den biologischen Bedarf der Pflanzen sorgt, ein Nitratgehalt von 5 bis 15 mg pro 1 l Berieselungswasser ist. Auch wurde gezeigt, dass die Berieselung von Pflanzen mit dem Wasser mit einem niedrigen Nitratgehalt während der ganzen Vegetationsperiode die Erhöhung der Ernteproduktivität und des biologischen Werts der Produkte ermöglicht.
Eine periodische Einbringung von Düngemitteln in den Boden mittels bekannter Verfahren führt zu einer Kontamination der Umwelt und der Ernteprodukte, da die traditionellen flüssigen Nitratdüngemittel eine Konzentration aufweisen, die 25000- bis 50000-fach höher ist als die biologisch optimale Konzentration.
Eine nicht gleichmäßige Verteilung der nach den bekannten Verfahren eingebrachten Düngemittel, d. h. periodisch, beeinträchtigt in widriger Weise die Ernteproduktivität.
Die experimentellen Untersuchungen zeigten die Realisierbarkeit der wirksamen elektrochemischen Umwandlung von Wasser in einer modularen Zelle und bestätigten die Tatsache, dass die Gesamtkosten der elektrochemischen Produktion von Stickstoffdüngemitteln im Berieselungswasser 9 bis 11 Mal niedriger sein können als die der traditionellen Herstellung.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Intensivierung der Verfahren der Elektrolyse in einer Zell vom Diaphragmatyp sowohl aufgrund der Verbesserung der Zellausgestaltung als auch aufgrund der Reihenfolge der Anordnung der grundlegenden Elemente hiervon, der Elektroden und des Diaphragmas, und aufgrund einer Verbesserung der Eigenschaften einer Zelle vom Diaphragmatyp auf die der Elektrolysezellen, die Masse- und Wirbelbettelektroden umfassen. Die Anwendung eines Diaphragmas aus speziellen Materialien in der Zelle und die Anwendung eines Diaphragmas und von Elektroden mit unterschiedlichen Verhältnissen von scheinbaren und tatsächlichen physikalischen Oberflächen der Elektroden und des Diaphragmas ermöglichen die Ausdehnung der Zellfunktionalitäten bei der Verarbeitung von Elektrolyten unterschiedlicher Typen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5427658 [0002]
JP 02-274889 A [0002]
WO 98/58880 A [0003]

Claims

Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen, die eine innere, hohle röhrenförmige Anode; eine äußere, zylindrische Kathode; ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes, permeables, röhrenförmiges, keramisches Diaphragma, das den Interelektrodenraum in Anodenkammer und Kathodenkammer unterteilt; Einheiten zum Montieren, Befestigen und Verschließen der Elektroden und des Diaphragmas, die sich an den Endbereichen der Zelle befinden; und Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösungen in den Elektrodenkammern umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kathode, die Anode und das Diaphragma in den Einheiten angeordnet sind und mit den Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der verarbeiteten Lösungen so verbunden sind, dass ein Arbeitsbereich der Zelle gebildet wird, über dessen gesamte Länge konstante hydrodynamische Eigenschaften der Elektrodenkammern und elektrische Feldeigenschaften aufgrund der Tatsache beibehalten werden, dass die Kathode und die Anode aus Titanröhren bestehen und das Verhältnis der Querschnittsfläche der Kathodenkammer zur Gesamtquerschnittsfläche der Anodenkammer und des Diaphragmas in einem Bereich von 0,9 bis 1,0 liegt und die Länge des Arbeitsbereichs der Zelle das 15- bis 25-fache des Außendurchmessers der Anode beträgt.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus einem Titanrohr mit einer ausgebildeten äußeren Oberfläche besteht, auf die ein elektrokatalytischer Überzug appliziert ist, wobei das Verhältnis der tatsächlichen (physikalischen) Oberfläche der Anode und der tatsächlichen Oberfläche der Katode gleich oder größer als 1 ist und die äußere tatsächliche Oberfläche des röhrenförmigen Diaphragmas gleich oder kleiner als die tatsächliche Oberfläche der Kathode ist und die tatsächliche innere Oberfläche des Diaphragmas gleich oder kleiner als die tatsächliche Oberfläche der Anode, jedoch kleiner als die tatsächliche äußere Oberfläche des Diaphragmas ist und der Interelektrodenabstand und der Quotient des Bruchs der gesamten tatsächlichen Oberflächen der Anode und der Kathode durch das Gesamtvolumen der Elektrodenkammern 3,9 bis 4,1 beträgt.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Diaphragma der Zelle kapillarporös ist und elektroosmotisch aktiv ist und aus Aluminiumoxidkörnern mit einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g besteht, die mit Aluminiumoxidteilchen einer spezifischen Oberfläche von 10 bis 40 m²/beschichtet sind, wobei der Gehalt der Aluminiumoxidteilchen einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g 70 bis 90 Gew.-% beträgt, wobei nicht weniger als 99% der Aluminiumoxidphasenzusammensetzung in der alpha-Form vorliegt.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Diaphragma der Zelle kapillarporös ist und elektroosmotisch aktiv ist und aus Aluminiumoxidkörnern mit einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g besteht, die mit einem Gemisch von Teilchen von Titanoxid und Magnesiumoxid beschichtet sind, wobei der Gehalt der Aluminiumoxidteilchen nicht weniger als 99 Gew.-% beträgt, wobei nicht weniger als 99% der Aluminiumoxidphasenzusammensetzung in der alpha-Form vorliegt.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Diaphragma der Zelle kapillarporös ist und elektroosmotisch aktiv ist und aus Aluminiumoxidkörnern mit einer spezifischen Oberfläche von 1 bis 4 m²/g besteht, die mit teilweise mit Oxiden von seltenen Metallen oder Seltenerdmetallen stabilisierten Zirconiumdioxidteilchen beschichtet sind, wobei die Zusammensetzung die Folgende ist: 60 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxid, wobei nicht weniger als 98% des Aluminiumoxidphasengehalts in der alpha-Form vorliegt, und 10 bis 40 Gew.-% Zirconiumdioxid, wobei nicht weniger als 98% des Zirconiumdioxidphasengehalts in der tetragonalen Modifikation vorliegt.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das stabilisierte Zirconiumdioxid in der tetragonalen Phase ein oder mehrere Oxide, die aus Gruppe ausgewählt sind, die Oxide von Yttrium, Scandium, Ytterbium, Cer und Gadolinium umfasst, in einer Gesamtmenge von 1,0 bis 10,0 Gew.-% enthält.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten zum Befestigen der Elektroden und des Diaphragmas in Form eines oder mehrerer Teile jeweils aus einem dielektrischen Material gebildet sind und die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen in die Elektrodenkammern und aus den Elektrodenkammern in Form von Kanälen und Ansatzstücken, die mit den Einheitsteilen integriert sind, gebildet sind.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenhohlraum Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen eines Wärmeträgers umfasst.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten zum Befestigen der Elektroden und des Diaphragmas in Form eines oder mehrere Teile jeweils aus einem dielektrischen Material gebildet sind, die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen in die Kathodenkammer und aus der Kathodenkammer in Form von Kanälen und Ansatzstücken, die mit den Einheitsteilen integriert sind, ausgebildet sind und die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen in die Anodenkammern und aus den Anodenkammern heraus in Form von Ansatzstücken ausgebildet sind, die mit dem inneren Hohlraum der Anode verbunden sind und sich an den Enden hiervon befinden, wobei die Anodenendbereiche Öffnungen aufweisen.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten zum Befestigen der Elektroden und des Diaphragmas in Form eines oder mehrerer Teile jeweils aus einem dielektrischen Material ausgebildet sind, die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen in die Kathodenkammern und aus den Kathodenkammern in Form von Öffnungen und Ansatzstücken, die sich an den Kathodenendbereichen befinden, ausgebildet sind und die Vorrichtungen zum Zuführen und Entfernen der Lösungen in die Anodenkammern und aus den Anodenkammern in Form von Ansatzstücken ausgebildet sind, die mit dem inneren Hohlraum der Anode verbunden sind, wobei die Anodenendbereiche Öffnungen umfassen.
Zylindrische elektrochemische Zelle zur Verarbeitung von Lösungen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkörper weitere Öffnungen umfasst, die gleichmäßig entlang der vollständigen Länge des Arbeitsbereichs der Zelle angeordnet sind.