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Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur direkten Elektrolyse
von Meerwasser, bei der sich im Wasser enthaltene Verunreinigungen nicht an der
Kathode oder der Innenseite der Zelle absetzen können.
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Die direkte Elektrolyse von Meerwasser, insbesondere ihre kommerzielle
Nutzung, wirft auch heute noch eine Reihe von Problemen auf. Eine Schwierigkeit
besteht in der richtigen Wahl des Anodenmaterials.
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Meerwasser enthält in geringer Konzentration, etwa 19 g pro Liter,
Chlorionen sowie eine ziemlich hohe Konzentration von Sulfaten. Bei dem zur Elektrolyse
von Meerwasser in der Chlor- und Alkaliindustrie üblicherweise verwendeten Graphit
beträgt infolge der Überspannung die Energieausbeute, bezogen auf Chiorionen, etwa
20°/o, während der Rest auf S04"-oder OH'-Ionen fällt. Dadurch ergibt sich ein sehr
hoher Graphitverbrauch. Der Abstand zwischen Anode und Kathode wird immer größer,
so daß die Elektrolysespannung sehr hoch wird und die kommerzielle Anwendung von
Graphit für diesen Zweck erschwert ist. Dagegen erreicht man mit den in neuerer
Zeit verwendeten platinüberzogenen Anoden eine Energieausbeute an Chiorionen von
80°/o oder mehr. Da eine solche neue Anode kaum verbraucht wird, läßt sich die anfängliche
Elektrolysespannung einhalten. Die erste Schwierigkeit bei der direkten Elektrolyse
von Meerwasser wurde somit durch diese platinüberzogenen Anoden beseitigt. Dagegen
steht ein anderes großes Problem der Wirtschaftlichkeit einer direkten Elektrolyse
von Meerwasser noch im Wege. Es handelt sich dabei um die im Meerwasser enthaltenen
Verunreinigungen, insbesondere Magnesiumionen, wodurch infolge Reaktion mit den
an der Kathode erzeugten OH'-Ionen Magnesiumhydroxyd entsteht. Magnesiumhydroxyd
neigt jedoch dazu, an der Kathode zu haften oder sich an den Wänden der Elektrolysekammer
abzusetzen und dadurch die Strömung des Elektrolyten zu behindern und den Wirkungsgrad
herabzusetzen. Die immer größer werdenden Ablagerungen verstopfen vor allem den
Raum zwischen Anode und Kathode in der Elektrolysekammer, wodurch für längere Zeit
ein kontinuierlicher Betrieb der Zelle unmöglich wird.
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Es ist deshalb die Hauptaufgabe vorliegender Erfindung, die Elektrolysezelle
derart auszugestalten, daß die Nachteile der bekannten Zellen beseitigt werden und
außerdem eine zur Gewinnung von Hypochloriten oder Chlor durch direkte Elektrolyse
von Meerwasser geeignete Zelle zu schaffen, bei der im Meerwasser enthaltene Magnesiumionen
kein Magnesiumhydroxyd bilden und nicht an der Kathode anhaften können, indem solche
verunreinigenden Ablagerungen aus dem Zelleninneren herausgespült werden und dadurch
der Elektrolyseeffekt erheblich verbessert wird.
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Je langsamer die Strömung des zwischen den beiden Elektroden aufsteigenden
Elektrolyten ist, um so größer ist die Menge des sich an der Kathode absetzenden
Magnesiumhydroxyds, das durch Reaktion von Magnesiumionen mit OH'-Ionen gebildet
wird.
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Es erscheint daher folgerichtig, die Strömungsgeschwindigkeit des
Elektrolyten zu erhöhen, um dadurch das Absetzen von Magnesiumhydroxyd an der Kathode
soweit wie möglich zu verhindern. Bei einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
erhält man jedoch eine turbulente Strömung zwischen den Elektroden, so daß das anodisch
gebildete Chlor mit den
kathodisch gebildeten OH'-Ionen reagiert und Hypochlorsäureionen
bildet. Diese werden durch den an den Kathoden entstehenden Wasserstoff reduziert
und bilden Chlorionen, wodurch der Wirkungsgrad erheblich zurückgeht. Die erfindungsgemäße
Zelle ist deshalb so ausgeführt, daß der Elektrolyt im Raum zwischen den Elektroden
mit maximaler Geschwindigkeit laminar nach oben strömen kann und daß die durch die
Elektrolyse erzeugten Substanzen nicht im Raum zwischen den Elektroden reagieren,
sondern in den Reaktionsräumen, unmittelbar nachdem sie diesen Raum verlassen haben.
Da der Elektrolyt mit einer hohen Geschwindigkeit aufsteigt, wird die Abscheidung
von Magnesiumhydroxyd an der Kathode verhindert und damit der Gesamt-Wirkungsgrad
entscheidend verbessert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung der Zeichnungen. Es zeigt Fi g. 1 eine Seitenansicht der
Zelle bzw. ihres Gehäuses, F i g. 2 einen Längsschnitt längs der Linie Il-II in
Fig. 1 und F i g. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1.
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Der Zellenkörper 1 besitzt die Form eines Zylinders mit kreisförmigem,
elliptischem, rechtwinkligem oder einem anderen geeigneten Querschnitt und besteht
aus drei Abschnitten, unten aus einer Einlaufkammer 2, in der Mitte aus einer Elektrolysekammer
3 und oben aus einer kombinierten Trenn-Ausstoß-Kammer 5 mit Reaktionsräumen 4.
Die drei Abschnitte sind über Flansche 30, 31, 32 und 33 verbunden, die als integrierende
Bestandteile an den Außenseiten der Platten angeordnet sind. Im gewählten Ausführungsbeispiel
besitzt der Zellenkörper die Form eines rechtwinkligen Zylinders.
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Die Einlaufkammer 2 im unteren Abschnitt steht mit einem Einlaufrohr
27 in Verbindung und enthält mehrere isolierte Vorrichtungen zur Einstellung der
Strömung, z.B. Strömungseinstellplatten 6, die in einem Abstand d parallel nebeneinanderhängen
und, wie F i g. 2 zeigt, nicht bis zum Boden 34 der Einlaufkammer 2 reichen. Die
Strömungseinstellplatten 6 liegen rechtwinklig zu einer Unterteilungsplatte 8, deren
Durchlässe 7 zur Elektrolysekammer 3 des mittleren Abschnittes führen. In dieser
Elektrolysekammer 3 über der Einlaufkammer 2 dient die mit zwei Flanschen 31 und
32 versehene Wandplatte 9 als Kathode. Wie Fig.3 zeigt, ist die umgebende Fläche
der Kathodenplatte9 bis auf einen inneren versenkten Teil 35 von einem Isolator
10 bedeckt, während die Seiten der Kathodenplattenll, die die Flächen der versenkten
Teile bilden, an ihren umgebenden Kanten bis auf die versenkten Teile 36 von Isolatoren
12 bedeckt sind. Zwischen der Kathodenwandplatte9 und den Kahodeuplatten 11 sowie
zwischen den Kathodenplatten 11 selbst liegen Anoden 13 aus flachen Platten, so
daß sich Kathoden und Anoden abwechselnd anordnen lassen. Kathoden und Anoden sind
an den Seiten durch isolierte Bolzen 14 dicht verbunden, so daß an den Innenseiten
der versenkten Teile 35 und 36 offene Räume 15 entstehen.
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Sowohl die Kathodenplatten 11 als auch die Kathodenwandplatte9 und
die Anodenplattenl3 sind an den Seiten je mit einem Anschluß 17 bzw. 16 versehen,
die zur Außenseite der Elektrolysekammer 3 führen.
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Die Verbindung der Oberseite der Elektrolysekammer 3 des mittleren
Abschnitts (F i g. 2) mit der Unterseite der Reaktionsräume 4 des oberen Abschnitts
wird von einer Platte 19 mit einem Durchlaß 18 dargestellt, die einen integrierenden
Bestandteil der Reaktionsräume 4 bildet. Selbstverständlich kann auch eine andere
Plattenart zwischen der Oberseite der Elektrolysekammer 3 und der Unterseite der
Reaktionsräume 4 vorgesehen werden. Die Platte 19 ist mit das Aufsteigen des Elektrolyten
bewirkenden Vorrichtungen, etwa mit Platten oder Zylindern20, ausgestattet, die
in der kombinierten Trenn-Ausstoß-Kammer 5 des oberen Abschnittes stehen. Die Durchlässe
21 für den Elektrolyten, die von diesen die Strömung induzierenden Platten oder
Zylindern 20 gebildet werden, sind unten weit und bilden die Reaktionsräume 4, während
sie oben verengt sind, so daß der durch die Durchlässe 21 aufsteigende Elektrolyt
turbulent strömen kann. Die Durchlässe 21, die von je zwei induzierenden Platten
oder Zylindern 20 gebildet werden, stehen in Verbindung mit den von der Kathodenwandplatte
9 gebildeten offenen Räumen 15 sowie den Kathodenplatten 11 und den Anodenplatten
13 der Elektrolysekammer 3, wobei die offenen Räume 15 sowohl oben als auch unten
offen sind. Außerdem sind die zu den offenen Räumen 15 führenden Durchlässe 21 so
ausgeführt, daß sie durch die Kathodenplatten 13 der offenen Räume 15 voneinander
getrennt werden, während das obere Ende der Anodenplattenl3, das an der Platte angebracht
ist, in der Mitte der Reaktionsräume 4 liegt.
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Die Kammer 5 zum Trennen und Ausstoßen der durch die Elektrolyse
erzeugten Gase von den übrigen Reaktionsprodukten und von Schlamm besteht mit der
Platte 19 aus einem Stück und enthält die induzierenden Platten oder Zylinder20.
Sie ist gegenüber den zwei übrigen Abschnitten der Zelle etwas gewölbt. Die kombinierte
Trenn-Ausstoß-Kammer 5 besitzt unten eine Schlammausstoßöffnung 22, oben eine Flüssigkeitsausstoßöffnung
23 und an ihrem oberen Rand über der Flüssigkeitsausstoßöffnun 23 eine Ringwanne26,
in der ein Deckel 25 mit Gasstutzen 24 sitzt und den Zellenkörper 1 oben abdeckt.
Die Ringwanne 26 enthält eine Flüssigkeit 37, die zur hermetischen Abdichtung zwischen
der kombinierten Trenn-Ausstoß-Kammer 5 und dem Deckel 25 dient, indem der Rand
38 des Deckels 25 in die Flüssigkeit 37 eintaucht. Die Anodenplatten 13 in der Elektrolysekammer
3 bestehen aus mit Titan verkleidetem Aluminium, während die Elektrolyseflächen
mit Platin plattiert sind. Die Kathodenwandplatte 9 und die Kathodenplatten 11 in
der Elektrolysekammer 3 bestehen aus verchromtem bzw. inchromiertem Stahl.
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Die Strömung des durch das Einlaufrohr 27 unten in die Einlaufkammer
2 eintretenden Meerwassers wird durch die Strömungseinstellplatten 6 ausreichend
reguliert und setzt sich zur Elektrolysekammer 3 fort. Die Höhe der Strömungseinstellplatten
6 beträgt ungefähr das 1Sfache ihres gegenseitigen Abstandes d, so daß sich die
Strömung des Wassers in der Einlaufkammer 2 genügend regulieren läßt, wobei das
Wasser zwischen der Kathodenwandplatte 9
und den Anodenplattenl3 sowie zwischen den
Kathodenplatten 11 und den Anodenplatten 13 in einer für Elektrolysezwecke geeigneten
Weise aufsteigt.
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Die nach oben gerichtete Strömungsgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise
10 cm pro Sekunde, so daß sich, wenn die Reynoldszahl der Flüssigkeit zwischen den
Elektroden über 300 gehalten wird, der Elektrolyt zwischen den Elektroden unter
Bedingungen nach oben bewegen kann, daß sich keine Verunreinigungen auf der Fläche
der Kathodenplatten 11 oder der Wände der Zelle ablagern, womit alle Voraussetzungen
für einen kontinuierlichen Elektrolysebetrieb erfüllt werden.
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Bedingt durch die hohe und gerichtete Strömungsgeschwindigkeit des
Elektrolyten reagieren die an Kathode und Anode erzeugten Substanzen nicht zwischen
den Elektroden und gelangen schnell in die Reaktionsräume 4. Der Elektrolyt passiert
die von den induzierenden Platten oder Zylindern 20 gebildeten verengten Teile der
Durchlässe21, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit weiter ansteigt und an den engsten
Stellen turbulent wird so daß sich die an den Kathoden und Anoden erzeugten Substanzen
gut mischen und die Hauptreaktionen sehr wirksam ablaufen. Da bei dieser Elektrolysezelle
der pH-Wert des Rohmaterials (Meerwasser) am Einlauf sich gewöhnlich von demjenigen
des Erzeugnisses am Auslaß kaum unterscheidet, können die Mg++-Ionen des Meerwassers
kein Magnesiumhydroxyd erzeugen, solange der pH-Wert des Meerwassers bei 8 liegt.
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Selbst wenn der pH-Wert des Meerwassers örtlich iiber 10 liegt und
kleine Teilchen von Magnesiumhydroxyd gebildet werden, steigen die Teilchen durch
die Durchlässe 21 der induzierenden Platten oder Zyliner 20 zusammen mit dem Elektrolyten
nach oben, erreichen das Innere der kombinierten Trenn-Ausstoß-Kammer5 und werden
durch die Ausstoßöffnung 22 abgegeben. Da die Teilchen auf der Oberfläche der Kathodenplatten
11 nicht haften, besteht keine Gefahr einer Verstopfung der Zelle oder des Raumes
zwischen den Elektroden, wodurch ein langer kontinuierlicher Betrieb gewährleistet
ist. Da auch Katholyt und Anolyt nicht miteinander reagieren können, wird die Energieausbeute
um 2 bis 3 0/o erhöht. Da sich das anodisch erzeugte Chlorgas zwischen den induzierenden
Platten oder Zylindern 20 gut löst und mit den kathodisch erzeugten OH'-Iionen schnell
unter Bildung von OCl'-Iionen um setzt, enthält der kathodisch erzeugte Wasserstoff
kaum Chlorgas, so daß infolge der Vermeidung einer möglichen Explosionsgefahr während
des Betriebes die Sicherheit der Anlage wesentlich erhöht wird. Bei Benutzung einer
normalen Elektrolysezelle zum elektrolytischen Zerlegen von Meerwaser geht der Stromwirkungsgrad
um etwa 20 ovo zurück, und Magnesiumhydroxyd lagert sich in kurzer Zeit an den Elektroden
ab. Da der Widerstand von Magnesiumhydroxyd kleiner ist als derjenige von Meerwasser,
bildet es lokale Kurzschlüsse und führt zu einem unzulässig schnellen Elektrodenverschleiß,
der einen wirtschaftlichen Betrieb der Zelle inpraktikabel macht. Dagegen ermöglicht
die erfindungsgemäße Elektrolysezelle einen kontinuierlichen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad,
was auch das folgende Beispiel erläutert.
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Beispiel 5 Anoden .. ........ Zusammengesetzte Anoden aus mit Platin
überzogenem und mit Titan verkleidetem Aluminium 6 Kathoden Platten aus Eisen oder
verchromt bzw. inchromiert
Anodenabmessungen . ......... .........
300 mm hoch X 500 mm breit Abstand zwischen den Elektroden ... .4 mm Flüssigkeit
. . Meerwasser, pH-Wert = 8 Temperatur .. .. 200 C + 20 C
| Wasserdurchsatz Stromdichte Spannung Steiggeschwindigkeit NaOCl-Ausbeute
Energieausbeute |
| der Strömung |
| (m3/h) (A/dm2) (Mittelwert) (cm/sec) (g/h) (°/o) |
| 3,6 bis 10,0 3,3 3,70 5,0 bis 14 503 76,1 |
| 4,1 bis 10,8 6,7 4,20 5,7 bis 15 986 74,5 |
| 4,2 bis 10,0 13,3 5,05 5,8 bis 14 1905 72,0 |
Das Meerwasser enthielt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 14 ppm Mikroorganismen
oder reduzierende Stoffe, so daß, wenn man die durch diese Stoffe nach der Elektrolyse
verbrauchten Chiorionen mit berücksichtigt, die tatsächliche Energieausbeute bei
80°/o oder mehr liegt.