DE2437783C3

DE2437783C3 - Verfahren und Zellenanordnung für die Herstellung von Chlor und Alkalilaugen durch elektrolytische Zersetzung von wäßrigen Alkalichloridlö$ungen

Info

Publication number: DE2437783C3
Application number: DE19742437783
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. 6240 Königstein; Bergner Dieter Dr. 6233 Kelkheim Hund
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Filing date: 1974-08-06
Publication date: 1977-02-17

Description

Bei dem crfindungsgemäßen Verfahren wird also die gewünschte Endkonzentration der Lauge erst im Kaihodenraumablauf der letzten von einer größeren Anzahl vor. Zellen erhalten. Zweckmäßig betreibt man die Elektrolyse so. daß die Lauge-Konzentration über 4 bis 6 Zellen ansteigend auf etwa 20% getrieben wird. Dabei nimmt zwar die Stromausbeute von Zelle zu Zelle ab. Im Mittel liegt sie jedoch erheblich höher als bei der Herstellung von Lauge derselben Konzeniration in einer einzigen Zelle. Neben der Erhöhung der Stromausbeute ergibt sich dabei noch der Vorteil, daß der Anolyt weniger Chlorat enthält und daß das erzeugte Chlor in geringerem Mab mit Sauerstoff. Stickstoff und Wasserstoff verunreinigt ist als bei der einstufigen Elektrolyse.

Für die Herstellung von Chlor und Alkalilaugen durch Elektrolyse wäßriger Alkalichloridlösungen sind sowohl Amalgam/eilen mit fließender Quecksilberkathode als auch Diaphragmen- oder Membranzellen in Gebrauch. Der Vorteil der Amalgamzelle liegt darin, daß sie eine nahezu chloridfreie Lauge von sehr hoher Konzentration liefert.

Bei Diaphragmenzellen wurde die Qualität der gewonnenen Alkalilauge lange Zeit dadurch beeinträchtigt, daß sie verhältnismäßig itark durch Chlorid verunreinigt war und sich deshalb für viele Verwendungszwecke nicht eignete, sofern nicht ein aufwendiger Reinigungsprozeß angeschlossen wurde.

In neuerer Zeit sind jedoch lonenauslauscher-Membranwerkstoffe entwickelt worden, die die Wanderung von Chlondionen in den Katholyten weitgehend verhindern und die Herstellung chloridarmer Laugen gestatten. Mit zunehmender Konzentration der Lauge im Katholyten nimmt allerdings bei Ionenaustauscher-Membranen die Wanderung von Hydroxylionen in den Anodenraum zu, wodurch die Stromausbeute mit zunehmender Laugekonzentration stark abnimmt. Unter sonst gleichen Bedingungen erreicht man zum Beispiel bei einer Laugekonzentration von 130 g NaOH pro Liter, entsprechend ca. 11,5% NaOH, eine Stromausbeute von ca. 83%, bei einer — wirtschaftlich interessanten — Laugekonzentration von 250 g NaOH pro Liter entsprechend ca. 20% NaOH aber nur noch eine Stromausbeute von ca. 68%. Laugen geringerer Konzentration sind für die meisten Zwecke nicht brauchbar und müssen mit hohem Energieaufwand eingedampft werden.

Es bestand daher ein Bedürfnis, in Elektrolysezellen mit Ionenaustauschermembran Laugen in einer verwertbaren Konzentration mit wirtschaftlich vertretbarer Stromausbeute herzustellen.

Dies gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß man die Elektrolyse in mehreren Zellen durchführt, wobei dem Anodenraum jeder einzelnen Zelle frische Alkalichloridlösung zugeführt wird, während als Katholyt der ersten Zelle Wasser und jeder folgenden Zelle der Katholyt der vorhergehenden Zelle zugeführt wird, so daß die Elektrolyse mit von Zelle zu Zelle steigender Konzentration an Alkalilauge im Katholyten erfolgt.

Die Zellenanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einer Gruppe

Beispiel

Verwendet wurde eine Laborzcllc mit den Abmessungen 52 χ 37 x 9 mm. Die Anode bestand aus aktiviertem Titanstreckmeiall. 2 mm stark, mit einer Maschenweite von 4x6 mm. Als Kathode dieme ein Edelstahlgewebe gleicher Dimension. Die Kathoden- und die

Anodenfläche waren je ca. 0.1 Quadratmeter, der Elektrodenabstand 9 mm. Als Membran diente eine Ionenaustauschermembran mit einem Äquivalentgcwicht von 1200 (Du Pont Nafion XR 475). Der Anolyt bestand aus einer NaCI-Lösung mit einer Konzentration von 300 g NaCI pro Liter. Diese Sole wurde dem Anodenraum bei allen Versuchen in einer Menge von 10 Liter pro Stunde zugeführt. Der pH-Wert der Sole war 9.

40 Versuch 1 gemäß Stand der Technik

Als Katholyt wurden 4,17 Liter Wasser eingesetzt. Es wurde 7,5 Stunden lang elektrolysiert. Die Zellenspannung sank bei einer Temperatur von 81 -82°C von 3,34 V bei Beginn des Versuches auf 3,14 V am Ende. Die Stromdichte war ca. 2 kA/m². Nach dieser Zeit wurden als Katholyt 5,52 Liter NaOH mit einer Konzentration von 240,59 pro Liter und 1386 g Chlor erhalten. Die Stromausbeule beträgt 70,8%, bezogen auf Chlor und 62,5% bezogen auf NaOH. Dieser Versuch wurde fünfmal wiederholt. Im Mittel betrug die Stromausbeute 71,1%, bezogen auf Chlor und 63,5% bezogen auf NaOH. Der Energieverbrauch betrug 3340 kWh/t NaOH und 3364 kWh/t Cl₂.

Versuch 2 erfindungsgemäß

Der kontinuierliche, mehrstufige Betrieb wurde an einer Zelle dadurch simuliert, daß bei Beginn des Versuches die dem 7fachen Stundendurchsatz entsprechende Wassermenge, der 1 g pro Liter NaOH zugesetzt war, als Katholyt eingesetzt wurde. Nach jeweils 7 Stunden wurde die Laugekonzentration und die erhaltene Chlormenge gemessen. Die gesamte Versuchsdauer betrug 35 Stunden, die Stromdichte wieder ca. 2 kA/m². Das Ergebnis zeigt die folgende Tabelle:

Stufe/ Eingesetzt

Dauer

Std. Span- Temp. H«O Lauge g

nung NaOHvI

(V) (⁰C) (1) (1)

Erhalten

Lauge Konz. CI2

O) (g/0 (g)

Energieverbrauch

Stromausbeute

Ah kWh/t kWh/t CIi NaOH

Cl₂ NaOH

3,42
3,25
3,20
3,17
3,16

79
79
79
80
80

31,7 —

1 32,42 60,2 1677,16 1367,5 2795 2382 92,7 96,4

— 32,34 60,2 33,54 108,8 1553,88 1368,5 2869 2604 85,8 83,8

— 33,48 108,8 34,62 148,4 1483,40 1362,5 2946 2905 82,3 73,9

— 34,56 148,4 35,71 184,0 1407,45 1371,0 3095 2994 77,6 71,1

— 35,66 184,0 36,84 216,4 1315,62 1364,0 3279 3036 72,9 69,8

Die mittlere Stromausbeute, bezogen auf Chlor, beträgt 82,6%, die mittlere Stromausbeute, bezogen auf NaOH, beträgt 79%. Der mittlere Energieverbrauch beträgt 2998 kWh/t Cl₂ und 2784 kWh/t NaOH. Gegenüber dem einstufigen Verfahren er_oibt sich eine Ersparnis von 11% bzw. 17%.

Bei dem ersten Versuch nach dem Stand der Technik enthielt aer Anolyt nach Abschluß der Elektrolyse 4,2 pro Liter Natriumclilorat. Im erzeugten Chlorgas fanden sich 5,7 Volumenprozent Sauerstoff und 0.45 Volumenprozent Wasserstoff und Stickstoff. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren enthielt der Anolyt im Mittel 3.0 g Natriumchlorat pro Liter. Das erhaltene Chlorgas enthielt im Mittel 2,1 Volumenprozent Sauerstoff und 0,27 Volumenprozent Wasserstoff und Stickstoff.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Herstellung von ca. 20%iger Lauge beschränkt. Mit verbesserten Ionenaustauscher-Membranen mit höherem Äquivalentgewicht ist die Hersiellung höherer Laugekonzentrationen, z. B. 30-40% NaOH, bei vergleichbaren Stromausbeutegewinnen möglich, weil die mittlere Stromausbeute beim mehrstufigen Verfahren stets höher ist als beim Einstufenverfahren.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß die Produktionskapazität bestehender Anlagen mit geringfügigen Umbauten entsprechend der verbesserten Stromausbeute gesteigert werden kann.

Ein Schema für die erfindungsgemäße Zellenanordnung ist in der Zeichnung wiedergegeben. In den Anodenraum jeder der 3 gezeichneten Stufen wird frische Sole gepumpt, die nach dem Durchlaufen der Elektrolyse als Anolyi zum Aufkonz.entrieren zurückgeführt wird. In den Kathodenraum der ersten Stufe wird Wasser eingespeist. Die in den einzelnen Kathodenraumen gebildete Lauge wird vom Ablauf der Stufe 1 zum Zulauf der Stufe 2 und vom Ablauf der Stufe 2 zum Zulauf dei Stufe 3 usw. gefördert. Ihre Konzentration nimmt dabei von Stufe zu Stufe zu. Gasförmiges Chlor and gasförmiger Wasserstoff werden in üblicher Weise aus den Zellen abgezogen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen von Chlor und Alkalilauge durch Elektrolyse von wäßrigen Alkalichloridlösungen in mehreren Elektrolysezellen mit Ionenaustauschermembran, wobei dem Anodenraum jeder einzelnen Zelle frische Alkalichloridlösung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Katholyt der ersten Zelle Wasser und als Katholyt jeder folgenden Zelle der Kathoiyt der vorhergehenden Zelle zugeführt wird, so daß die Elektrolyse mit von Zelle zu Zelle steigender Konzentration an Alkalilauge im Katholyten erfolgt.

von lonenaustauscher-Membranzeilen, deren Kathodenräume durch Leitungen so verbunden sind, daß jeweils der Katholytablauf der vorhergehenden Zelle mit dem Katholytzulauf der folgenden Zelle verbunden