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Verfahren zur Herstellung von Chlor durch Elektrolyse von u Chlorwasserstoff
und polyvalenten Metallchloriden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Doppel-Elektrolyt-System unter
Verwendung einer elektrolytischen Diaphragma-Zelle.
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Ein bekanntes Verfahren zur Gewinnung von Chlor durch E'lektrolyse
von Chlorwasserstoff benutzt ein polyvalentes Metallchlorid in der Elektrolyt-Lösung.
So ist z.B. im US-Patent Nr. 2,468,766 (Low, 3.5.1949) ein Elektrolyse-Verfahren
beschrieben, wobei Elektrolyt-haltiger Chlorwasserstoff und ein polyvalentes Metallchlorid
(z.B. CuCl2) in den Raum zwischen Anode und Kathode einer Zelle ohne Diaphragma
eingebracht wird; hierbei wird an der Anode Chlor frei. und das polyvalente Metallchlorid
wird an der kathode reduziert. Dann wird der Elektrolyt durch die poröse Kathode
abgezogen und das polyvalente Metallchlorid mit Luft und Chlorwasserstoff reoxidiert,
damit es wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Durch dieses Verfahren
wird die üblicherweise bei der direkten Elektrolyse von Chlor-Wasserstoff nötige
Zellspannung vermindert. jedoch leidet der Wirkungsgrad des Stroms wegen der dem
System inharenten Strömungseigenschaften, welche eine Rückreaktion des gelösten
Chlors und des niederwertigen Zustands des Netallchlorids erlauben.
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In der deutschen Patentschrift 1,277,216 ist ein Elektrolyse-System
beschrieben, wobei versucht wird, das Elektrolyt-Strömungsbild durch Verwendung
eines Diaphragmas zwischen Anode und Kathode zu ändern. Unter Aufrechterhaltung
eines Druck-Unterschieds von Null vermindert das Diaphragma die Reaktion des gelösten
Chlors (Anoden-Seite) mit dem niederwertigen Metallchlorid (Kathoden-Seite). Hierdurch
wird zwar der Wirkungsgrad des Stroms erhöht, jedoch hat das Verfahren Nachteile.
Bei diesem System wird aie Reoxidation des polyva]-enten Metallchlorids innerhalb
des Kathodenteils der Zelle durchgeführt. Da die Reoxidation die langsamste Reaktion
in der Zelle ist, wird hierdurch der Wirkungs-Lrad der Zelle sowie deren Größe beschränkt.
Außerdem erhält man
nur bei Verwendung von Sauersoff als oxidierendes
Gas bessere Resultate.
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Die vorliegende Erfindung überwindet die obigen Nachteile durch Verwendung
eines getrennten, doppelten Stromflusses von Elektrolyten, welche Salzsäure und
ein reduzierbares polyvalentes Metallchlorid enthalten. Die Erfindung verwendet
eine Elektrolyt-Zelle mlt einem Diaphragma, welches die Zelle in einen Anoden-und
Kathoden-Raum teilt. Anolyt und Katholyt werden jeweils in den Anode und Kathoden-Raum
eingeleitet. Vorzugsweise wird die Zelle so betrieben, daß praktisch kein Flüssigkeitsstrom
durch dieses Diaphragma fließt. Die Stromdichte beträgt bis zu 1 Ampere pro 6,45
cm2.
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Der Anolyt fließt durch den Anoden-Tell, wo die Salzsäure unter Bildung
von gasförmigem Chlor elektrolysiert wird. Der Chlor-haltim'e Anolyt wird aus der
Zelle abgezogen und das Gasförmige Chlor vom restlichen Anolyt abgetrennt. Der anolyt
kann mit Salzsäure wieder aufgefüllt werden, indem man Chlorwasserstoff absorbiert,
worauf man ihn im Kreislauf durch den Anode Raum schickt.
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Der Katholyt fließt durch den Kahtoden-Raum, wo polyvalentes Metallchlorid
zum niederwerktigen Metallchlorid reduziert wird, z.B. CuCl2 zu Cu2C12. Dieser reduzierte
Katholyt wird aus dem Kathoden-Raurrs entfernt. Das Metallchlorid kann zum höherwertigen
Zustand reoxidiert werden, worauf man den reoxidierten Katholyten im Kreislauf durch
den Kathodenraum leitet.
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Die erfindungsgemäße Doppelstrom-Methode liefert sehr reines Chlor
bei einem extrem hohen Wirkungsgrad des Stromes (etwa 95 ), was eine minimale Rückreaktion
zwischen dem hergestellten Chlor und dem niederwertigen Zustand des Metallchlorids
in der Zelle anzeigt. Außerdem findet die Reoxidation des Katholyten außerhalb der
Zelle statt, wodurch man vlelseitigere Vorrichtungen und Apparate verwenden kann.
Auf diese Weise arbeitet das System wirksamer, d die Reoxidationsgeschwindigkeit
nicht die Zellenreaktion beschränkt.
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Anolyt und Katholyt können Salzsäure und jedes polyvalente Metallchlorid
enthalten, welches in mindestens zwei Oxidationszuständen vorliegt, z.B. Kupferchlorid,
Eisenchlorid und Chromchlorid. Vorzugsweise verwendet man Kupferchlorid. Die Konzentrationsbereiche
können in weiten Grenzen schwanken und die Konzentration zwischen Katholyt und Anolyt
kann verschleden sein; ein besonders bevorzugter Konzentrationsbereich liegt jedoch
zwischen etwa 0,5 und z Mol CuCl2 und etwa 3-8 Mol HO1. Wenn Diaphragma und Reaktionsbedingungen
geeignet sind, so kann der @atholyt tatsächlich im wesentlichen aus polyvalentem
Metallchlorid.und/oder der Anolyt im wesentlichen aus Salzsäure bestehen.
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Die Reaktionen, welche in dem erfindungsgemäßen System unter Verwendung
eines HCl-CuOl2-Elektrolyten stattfinden, sind wie folgt:
Kathoden-Reaktion: 2 CuCl2# Cu2Cl2 + 2 Cl- |
Anoden-Reaktion: 2 HCl # 2H + Cl2 |
Oxidation-Reaktion: Cu2Cl2 + 1/2 02 + 2H + 2 Cl |
2 CuCl2 + H20 |
Diese Reaktionen addieren sich zu einer Gesamt-Reaktion von 2 KC1 + 1/2 O2 # C12
+ H2O In der Abbildung ist ein schematisches Fließ-Diagramm gezeigt, welches eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßeu Doppel-Fluß-Elektrolysesystems zeigt.
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Die Elektrolyse-Zelle 10 besteht aus der Kathode 11, der Anode 12
und dem Diaphragma 13; sie ist mit der Stromguelle 14 verbunden. Als Elektroden-Material
verwendet man die üblicherweise in Elektrolyt-Zellen verwendeten Substanzen, wie
Kohle oder Graphit. Als Diaphragma-Materialien kommen infrage synthetische Materialien,
welche eine ausreichende Widerstandskraft und Dimensionsstabilitbt aufweisen, z.B..Polypropylen
und Copolymere aus Vinyl-@hlorid und Acrylnitril, sowie Polyvinylchlorid.
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Beim Anolyt-Zyklus wird der Anolyt, welcher Salzsäure und polyvalentes
Metallonlorid enthält, in deii Anoden-Raum A der Zelle eingefüllt. Die Salzsäure
des Anolyten wird elektrolysiert und liefert Chlorgas. Der Anolyt wird aus der Zelle
entfernt und das Chlorgas in einer Entgasungseinheit 15 abgetrennt. Der abgelassene
Anolyt läuft durch den Wärmeaustauscher 22 in einen Absorptionsturm 16, wo er mit
gasförmigem oder flüssigem Chlor wasserstoff in Kontakt gebracht wird ( vorzugsweise
gasförmigem).
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Der Chlorwasserstoff wird in ausreichender enge absorbiert, so daß
die während der Elektrolyse verbrauchte Salzsäure erneuert ist. Der aufgefüllte
Anolyt läuft dann im Kreislauf durch ein Filter 23 in die Zelle zurück.
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Das auf diese Weise gewonnene Chlorgas kann weiter aufgearbeitet
werden, indem man es durch einen Condensator 17 leitet, der einen wesentlichen Teil
des Chlorwasserstoffs im Chlorgas entfernt, worauf man im Chlortrockner 18 trocknet,
z.B. unter Verwendung von Schwefelsäure. Die Chlorwasserstoff-kaltigen Kondensate
können wieder in den Anolyt zurückgegeben werden.
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Beim Katholyt-Zyklus wird der Katholyt in den Kathodenraum C gegeben,
wo polyvalentes Netallchlorid zum niedrigeren Oxidationszustand reduziert wird.
Der reduzierte Katholyt wird aus der Zelle abgezogen und durch den Wärmeaustauscher
22 in einen Oxidationsturm geleitet, wo er oxidiert wird, z.B. durch Vermischen
mit einer oxidierenden Atmosphäre, wie Sauerstoff-haltigem Gas oder verdünntem Chlor-haltigem
Gas; hierdurch wird das Netallchlorid reoxidiert. In der Abbildung ist die Oxidationsvorrichtung
19 als Gegenstrom-Vorrichtung gezeigt; man kann jedoch erfindungsgemäß jede Turm-
oder Tank-Einheit verwenden, welche einen Kontakt der oxidierenden Atmosphäre mit
dem reduzierten Anolyten erlaubt.
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Der reoxidierte Anolyt wird dann im Kreislauf durch ein Filter 23
in den Kathoden-Raum geleitet.
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Die Gase, welche vom Oxidationsturm ausgeblasen werden, enthalten
etwas HC1, welches zurückgewonnen werden kann, indem man die Gase durch einen Kondensator
20 leitet. Das HCl-haltlge Kondensat kann im Kreislauf zur Oxidationsvorrichtung
geleitet werden. In der US-Patentschrift 2,665,024 (Low et al., 12.1.1954)
ist
ein etwas komplizierteres Rückgewinnungssystem beschrieben, welches erfindungsgemäß
verwendet werden kann, aber nicht notwendig ist.
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Anolyt und Katholyt können z.B mittels der Pumpen 21 oder anderen
üblichen Vorrichtungen im Kreislauf gefahren werden. Vorteilhaft wird die Temperatur
kontrolliert, was unter Verwendung der \"!ärmeaustawscher 22 geschieht. In manchen
Fällen ist es wünschenswert, daß die eingeleitsten Elektrolyt-Ströme gefiltert werden,
um Feststoffe zu entfernen. Hierzu kann man alle Arten von Filtervorrichtungen 23
verwenden.
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In der Abbildung ist ein einziges Zellsystem gezeigt; selDstverständlich
können Serien von Zellen hintereinander geschaltet und erlindungsgemäß verwendet
werden. So können z.B. die Zellen so angeordnet sein, daß eine Seite als Kathode
für eine Zelle und die andere Seite als Anode für eine zweite Zelle wirkt.
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In den folgenden Beispielen ist die Erfindung näher erläutert, wobei
die im folgenden beschriebenen allgemeinen Verfahren und Apparate benutzt werden.
Sofern nicht anders angegeben, bezeichnet der Ausdruck "Elektrolyt" den Anolyten
und den Katholyten.
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Ein Doppel-Fließsystem ähnlich der Abbildung wird aufgebaut.
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Katholyt und Anolyt zirkulieren separat mittels Pumpen. Die Fließgeschwindigkeit
wird auf 0-65Q ml/min. reguliert. Der Fluß von Anolyt und Katholyt wird mit zwei
Rotametern gemessen. Kupfer-(I)-chlorid, welches an der Kathode gebildet wurde,
wird mit Sauerstoff oder Luft in der Oxidationßvorrichtung reoxidiert.
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Die Letztere besteht aus Pyrex-Glas, welches ein aktives Volumen von
etwa 1.080 cm3 hat. Der Ausgangsgas-Strom fließt durch einen Kondensator. Sauerstoff
oder Luft wird in die Oxidationsvorrichtung durch eine-mittelgroße gesinterte Glasscheibe
geleitet.
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Die Absorption von Chlorwasserstoff findet in einem Glasrohr statt.
Die Verbindungsleitungen bestehen entweder aus Polyäthylen oder aus reinem Gummi.
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Die für die Zelle benutzte Elektrode ist aus einem Graphit-Block
hergestollt. Die aktive Elektrodenzone beträgt 96,8 cm2, die Elektroden sind 0,16
cm von Diaphragma entfernt. Alle Teile
außer dem Elektrodenteil
selbst sind mit einem Vinylidenchlorid-Vinylchlorid-Copolymeren-Zeiment angestrichen
um die Elektrolyse auf diesen Oberflächen zu verhindern. Für die Eingänge und Ausgänge
des Elektrolyten werden Nippel zus Polytetrafluoräthylen oder Vinylidenchlorid-Vinylchlorid-Copolymer
verwendet. Zwei dieser Elektroden werden zusammen mit einem dazwischen befindlochen
Gewebe-Diaphragma festgeklemmt, so daß sie eine elelrtrolytische Zelle bilden. Lecks
werden vermindert durch einen Silicon-Polymeren-Film entlang dem 2,54 cm-Rahmen
der Zelle, wobei dieselbe Fläche auf dem Diaphragma mit plastischem Zement angestrichen
und die Ecken des Diaphragmas verschmolzen werden.
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Eine Kupferplatte, mit der die Kupferleitungen verlötet sind, wird
auf die Außenseite jeder Graphit-Platte mittels zwei kurzen Messingschrauben aufgeschraubt.
Die gesamte Vorrichtung wird in eine Demperatur-kontrollierte Wärme kammer gestellt.
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Die Konzentration der Salzsäure wird durch titration mit lN-Natronlauge
unter Verwendung von Methylrot als Indikator bestimmt.
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Die Kupfer-( IfI)-Konzentra-tion im Katholyten wird durch die iodometrische
Standard-Methode gemessen, Die Kupfer-(I)-Konzentration wird in folgender Weise
bestimmt. Man fügt eine Probe schnell zu einer Ferri-Ammoniumsulfat-tösung in Schwefelsäure.
Die Menge an gebildetem Eisen-(II) wird mit O,lN-Zersulfat-Lösung unter Verwendung
von Berroin als Indikator zu Eisen-(III) oxidiert-.
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Chlor wird in 600 ml einer Kaliumjodid-Lösung (400 g/Liter) -in Schwefelsäure
absorbiert, auf 1000 ml verdünnt, worauf man aliquote Teile mit O,lN-Natriumthiosulfat
titriert.
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Gas-Analysen werden mit der Orsat-Methode gemacht, Der Wirkungsgrad
des Stromes wird dadurch bestimmt, daß man die tatsächliche Menge an produziertem
Chlor mit der theorotisch herstellbaren Menge vergleicht.
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Tabelle e Bedingungen .
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Zusammensetzung des Elektrolyten: 1,505 Mol CuCl2, 5,8 Mol HCl Elektrolyten-Fluß:
610 ml/min.
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Diaphragma: Copolymer aus Vinylchlorid und Acrylnitril Widerstand
zwischen Anoden- und Kathoden-Verbindungen: 33 Milliohm (70°C).
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Beispiel Stromdichte Volt Temp. Strom-Wirkungsgrad Nr. (Amps/cm )
( C) 1 0.052 0.960 71 94.36 2 0.078 1.110 71 95.95 3 0.104 1.270 71 96.93 4 0.130
1.440 71n 97.77 5 0.156 1.680 71 97.64 6 0.052 0.92 80 95.33 7 0.078 1.055 80 95.97
8 0.104 1.20 80 95.13 9 0.130 1.35 80 97.52 10 0.156 1.51 80 97.90 Die Tabelle I
zeigt die Strom-Wirkungsgrade des erfindungsgemäßen Systems bei verschiedenen Stromdichten
und entsprechenden Spannungen bei zwei Temperaturen. Wie ersichtlich, werden extrem
hohe Strom-Wirkungsgrade (95 ß und mehr) in fast allen Fällen erreicht, sogar bei
sehr geringen Stromdichten; entsprechend niedrig sind die Zellenspannungen (weniger
als 1 Volt).
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T a b e l l e II Bedingungen: Zusammensetzung des Elektrolyten: 1,46
Mol CuOl2, 5,03 Mol HCl Elektrolyten-Fluß: siehe Tabelle Diaphragma: Polypropylen
Widerstand: 17 Milliohm (Temp. 70-70,5°C).
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Beispiel Stromdichte Volt Elektrolyten-Fluß- Strom-Wirkungs-Nr. (Amps/cni2)
Geschwindigkeit, @ grad (ß) (ml/min.) 11 0.078 0.890 610 95,97 12 , 0.078 0.895
5i0 95.97 13 0.078 0.895 400 95.97 14 0.078 0.900 300 95.32 15 0.078 0.910 213 95.75
16 0.156 1.055 610 97.69 17 0.156 1.07 510 97.69 18 0.156 1.10 400 97.69 19 0.156
1.17 300 97.47 20 0.052 0.825 510 92.75 21 0.078 0.890 510 95.32 22 0.104 0.945
510 96.13 23 0.130 0.995 510 97.13 24 0.156 1.060 510 97.68 Tabelle 7 zeigt zwei
Aspekte des erfindungsgemäßen Systems.
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Einerseits können hohe Strom-Wirksamkeitsgrade innerhalb eines breiten
Bereichs von Elekrolytfluß-Geschidigeiten erreicht werden (Beispiele 11-15 und 16-19).
Diese Beispiele zeigen wenig oder gar keine Abnahme des Strom-Wirksamkeitsgrades,
wenn die Flußgeschwindigkeit abnimmt. Andererseits kann der Strom-Wirksamkeitsgrad
durch Steigerung der Stromdichte gesteigert werden (Beispiele 20-24).
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T a b e l l e III Bedingungen Zusammensetzung des Elektrolyten: 1,40
Mol CuC12, 6,0 Mol HC1 Elektrolyten-Fluß: 510 ml/min.
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Diaphragma: Polypropylen Widerstand: 17 Milliohm (Temp.: 70-70,5°C).
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Beispiel Nr. Stromdichte Volt O2-Fluß in Menge Strom-(Amps/cm2) der
Oxida- Cu+ Wirkungs tionsvor- im reox. grad (%) richtung Katholy-(ml/min.) ten (g/l)
25 0.078 0.90 660 0 90.39 26 0.104 0.96 660 0 94.20 27 0.130 1.04 660 0 94.43 28
0.156 1.12 660 0 95.65 29 0.078 0.92 35 1.3 88.26 30 0.104 0.995 45 1.3 91.62 31
0.130 1.055 80 1.4 93.26 32 0.156 1.14 93 1.4 92.64 33 0.078 0.92 25 2.9 79.2 34
0.104 0.99 21 3.8 82.6 35 0.130 1.055 65 2.7 89.53 36 0.078 1.14 90 2.5 92.6 Tabelle
III zeigt ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Systems - nämlich die Fähigkeit,
sogar bei unvollständiger Reoxidation des polyvalenten Metallchlorids Chlor in relativ
hoher Ausbeute zu produzieren. Die Beispiele 26-28 sind ähnlich den oben gezeigten,
wobei ein wesentlicher Überschuß an oxidierendem Gas gegenüber der zur Umwandlung
praktisch des gesamten Cu2Cl2 in CuCl2 nötigen Menge vorhenden ist. Auch wenn jedoch
der Fluß des oxidierenden Gases in der Oxidationsvorrichtung vermindert ist, so
daß eine beträchtliche Menge an Cu+ in dem im Kreislauf
gefahrenen
Katholyten übrig bleibt , zeigt das erfindungsgemäße System immer noch hohe Strom-Wirksamkeitsgrade,
insbesondere bei hohen Stromdichten (Beispiele 33-36).
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Ein Beispiel für die Chlorgas-Analyse in einem beliebigen obigen
Beispiel ist im folgenden wiedergegeben: Cl2 - 99,69 So CO2 - 0,24 O2 - 0,01 N2
- 0,06 So kann das erfindungsgemäße System ur Gewinnung von sehr reinem Chlor durch
Elektrolyse von Chlorwasserstoff und einem polyvalenten Metallchlorid bei sehr hoben
Strom-Wirksamkeitsgraden innerhalb eines weiten Bereichs von Elektrolyt-Konzentrationen,
Stromdichten und Flußgeschwindigkeiten verwendet werden.
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3 e i s p i e 1 e 37-41 Eine größere Diaphragma-Zelle mit einem aktiven
Elektrodenbezirk von 413 cm2 wird in das erfindungsgemäße System eingebracht. Die
Konstruktion der Zelle ist ähnlich deråenigen, die in den vorigen Beispielen verwendet
wurde. Als oxidiereds Gas im Oxidationsturm wird Luft einer Fließgeschwindigkeit
von etwa 42,5 Liter/min. benutzt.
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Tabelle IV Zusammensetzung des Elektrolyten: 1,50 Mol CuCl2, 5,5
Mol HCl Elektrolyten-FluB: siehe Tabelle Diaphragma: Polypropylen Widerstand: nicht
gemessen (Temp. 70°C).
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Beispiel Stromdichte Volt Elektrolyten-Fluß- Strom-Nr. (Amps/cm )
Geschwindigkeit . Wirkungs-(ml/min.) grad .(%) 37 0.078 0.94 85 91.4 38 0.078 0.92
185 92.0 39 0. 0.078 0.89 400 92.0 40* 0.078 1.0 760 95.5 41* 0.078 1.0 -190 93
. 2 Aktiver Elektrodenbezirk 362 cm Abstand Diaphragma/Elektrode 0,32 cm.
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Die Tabelle IV zeigt die hohen Strom-Wirkungsgrade, die durch das
erfindungsgemäße System unter Verwendung von Luft als owidierendes Gas innerhalb
eines breiten Bereichs von Elektrolytenfluß-Geschwindigkeiten erreicht werden. Die
Beispiele 40 und 41 stammen aus einer kontinuierlich arbeitenden Mini-Betriebsanlage.
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B e i s p i e 1 e 42-43 Gewünschtenfalls kann das erfindungsgemäße
System mit verschiedenen HCl-Konzentrationen im Anolyten und Kathol,yter arbeiten,
wobei die gleichen ausgezeichneten Strom-Wirkungsgrade erreicht werden (vgl. die
folgenden Beispiele, bei denen die Zelle Gemäß Beispielen 40-41 verwendet wurde).
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Tabelle V Zusammensetzung des Elektrolyten: 1,50 Mol CuCl2, 5.5 Mol
HCl Elektrolyten-Fluß: 180 ml/min.
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Diaphragma: Polypropylen Widerstand: nicht gemessen (Temp. 72-75°C).
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Beispiel Stromdichte Volt HCl-Konc. Strom-Wirkungs-Nr. (Amps/cm2)
(Mol/Liter) grad (%) Anolyt Katholyt 42 0.078 1.02 6.0 3.8 92.1 43 0.078 1.00 7.5
4.2 91.5