DE2719759B2

DE2719759B2 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2719759B2
Application number: DE2719759A
Authority: DE
Inventors: William A. Gallup; Barry A. University Heights Schenker; Robert A. Euclid Schulz; Andrew Whyte
Original assignee: Diamond Shamrock Corp
Current assignee: Diamond Shamrock Corp
Priority date: 1976-05-04
Filing date: 1977-05-03
Publication date: 1980-05-29
Also published as: US4065376A; JPS52133880A; IT1078179B; DE2719759A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit wenigstens einer zwischen zwei Stirnplatten eingespannten plattenförmigen Elektrode und wenigstens einem Paar plattenförmiger Rahmen zur Umgrenzung von einander benachbarten und durch eine ebene Trennwand abgeteilten Elektrodenkammern, denen eine Anode bzw. eine Kathode zugeordnet ist, wobei in den plattenförmigen Teilen sich zu Elektrolytumwälzleitungen zusammensetzende Durchgangsöffnungen vorgesehen sind und der Kathodenkammerrahmen und/ oder der Anodenkammerrahmen an sich gegenüberliegenden Rahmenteilen einen mit der zugehörigen Durchgangsöffnung im Rahmen verbundenen Verteilerkanai sowie Sammlerkanal aufweisen, die jeweils über in der Rahmenebene verlaufende und über das Rahmenteil verteilte Mündungsöffnungen mit der betreffenden Kammer verbunden sind.

Eine solche Elektrolysezelle ist bereits bekannt (CA-PS 9 76 111). Die bekannte Elektrolysezelle dient der Zerlegung einer Kochsalzlösung in Chlor und Natronlauge oder der Naßaufbereitung von Uranerzen durch elektrolytische Reduktion von Uranchloriden. Dabei werden die Mündungsöffnungen von zylindrischen Kanälen im oberen und unteren Rahmenteil der viereckigen Rahmen von zylindrischen Kanälen gebildet, die in der Mitte zwischen den beiden Flachseiten des Rahmens in einem entsprechenden Abstand von den Elektrodenflächen angeordnet sind. Dabei sind die an den Verteiler angeschlossenen Mündungskanäle für die Einleitung des Elektrolyten und die an den Sammlerkanal angeschlossenen Mündungskanäle für die Ableitung des Elektrolyten in gleicher Anzahl vorgesehen und mit gleichen Kanaldurchmessern ausgeführt.

Diese Ausbildung ermöglicht zwar ein im wesentlichen gleichmäßiges Durchströmen der Elektrodenkammern mit dem umzuwälzenden Elektrolyten, in einer Reihe von Anwendungsfällen können sich jedoch Schwierigkeiten und Betriebsstörungen ergeben. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß aus einer Reihe von Gründen wie ökologische Forderungen und KoEtenerwägungen zunehmend zur Herstellung von chemischen Produkten eingesetzt werden, namentlich auch für die elektrochemische Herstellung von organischen Stoffen. Ebenfalls wurde der Wirkungsgrad der Elektrolyse durch zunehmend kleinere Abstände zwischen den einander benachbarten Elektroden erhöht. Bei der elektrochemischen Herstellung von organischen Stoffen bestehen jedoch einige spezielle Schwierigkeiten, die beispielsweise bei der Kochsalzzerlegung nicht so sehr problematisch sind. Es kommt zu Schlammansammlungen innerhalb der Elektrolysezelle, wodurch ein starkes Absinken der elektrolytischen Stromausbeute verursacht wird und den großtechnischen Einsatz der elektrochemischen Herstellung von organischen Stof-

fen in Frage stellt Dabei macht der Schlamm auch eine häufigere Wartung mit der Folge größerer Stillstandszeiten notwendig.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle zu schaffen, die eine gute Stromausbeute bei gleichzeitiger Verringerung von Schlammansammlungen erreicht und dementsprechend wartungsarm ist und sich somit für die elektrochemische Herstellung von organischen Stoffen in besonderem Maße eignet . ι ο

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mündungsöffnungen von in den Rahmen eingearbeiteten flachen Schlitzen gebildet sind, welche die Elektrodenfläche überstreichende Elektrolytstrahle hervorrufen. ι ">

Durch die Strahlwirkung, mit welcher der Elektrolyt in die Elektrodenkammer eingeleitet und über die Clektrodenfläche hinweggeführt wird, wird eine Schlammansammlung innerhalb der Elekt Ddenkammer verhindert, wobei der Schlamm mit dem Elektrolyten >» aus der Elektrodenkammer abgeführt und beispielsweise durch Absetzen in einem in den Umwälzkreislauf außerhalb der Elektrolysezelle eingebauten Vorratsbehälter für den Elektrolyten abgeschieden werden kann. Daher sind auch Elektrolysezellen mit geringen r> Abständen zwischen den Elektroden und mit dementsprechend flachen Elektrodenkammern unp-oblematisch, wobei nicht nur eine Abführung des Schlamms aus der Elektrolysezelle, sondern auch eine gleichmäßige Strömung und Verteilung des Elektrolyten über die gesamte Elektrodenfläche durch die Elektrodenkammer erzielt wird, was eine hohe Stromausbeute sicherstellt. Dabei ist die erfindungsgemäße Ausbildung im besonderem Maße für die elektrochemische Herstellung von organischen Stoffen geeignet. Dabei wird bevorzugt der r> Katholyt durch entsprechende Schlitze in die Kathodenkammer eingespritzt und über die Kathodenfläche geleitet. Jedocii kann auch der Anolyt durch entsprechende Schlitze in die Anodenkammer eingeleitet werden, wenn die zu dem gewünschten Produkt führende Reaktion eine anodische Reaktion ist. Zwar findet in jeder Elektrolysezelle gleichzeitig eine anodische und eine kathodische Reaktion statt, in aller Regel ist jedoch nur eine dieser beiden Reaktionen die zur elektrochemischen Herstellung eines Stoffes benö- 4^r> tigte Reaktion.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die unter anderem auf eine erhöhte Strahleinwirkung im Bereich der Elektrodenfläche sowie auf das erleichterte Ausströmen der im Elektrolyten enthaltenen Schlamm- w teilchen ohne die Gefahr eines Absetzens in der Elektrodenkammer gerichtet sind, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen >^r> Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer Elektrolysezelle nach der Erfindung,

F i g. 2 den Schnitt 2-2 in F i g. 1 durch den Rahmen für die erste Elektrodenkammer, to

F i g. 3 den Schnitt 3-3 in F i g. 1 durch den Rahmen für die zweite Elektrodenkammer, in dem die zweite Elektrode angeordnet ist, und

F i g. 4 den Schnitt 4-4 in F i g. 3 durch die zweite Elektrode. bi

In F i g. 1 ist mit 10 die Gesamtheit einer Elektrolysezelle nach der Erfindung bezeichnet. Die Elektrolysezelle 10 gemäß F i g. 1 hätte eine umgebende Vorrichtupgskonstruktion in Gestalt einer Presse, die die Bauteile der Elektrolysezelle 10 in enger und abdichtender Anlage aneinander hält Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung der Erfindung sind Einzelheiten dieser umgebenden Vorrichtungskonstruktion nicht gezeichnet

Gemäß F i g. 1 sind im Innern der Elektrolysezelle 10 mehrere sich wiederholende Einheiten angeordnet Im Bedarfsfall kann eine beliebige Anzahl dieser Einheiten zu einer Zelle größerer Leistung miteinander kombiniert werden. In jedem Falle jedoch muß die Zelle mindestens zwei Stirnplatten 12 aufweisen, damit die Zelle an der umgebenden Vorrichtungskonstruktion sicher abgestützt ist, um die Bauteile der Zelle in abdichtender gegenseitiger Anlage zu halten. Im Bedarfsfall können mehr als zwei Stirnplatten 12 verwendet sein, um mehr als einen Typ einer Elektrolysezelle in einer umgebenden Pressenkonstruktion miteinander zu kombinieren, oder um im Falle einer großen Zelle sicherstellen zu können, daß der Elektrolyt durch alle Zellenkammern mit konstanter Geschwindigkeit strömt. Die Stirnplatten 12 können aus einem beliebigen Werkstoff hergestellt sein, der gegen den in der Elektrolysezelle 10 verwendeten Elektrolyten im wesentlichen widerstandsfähig ist. Den gestellten Anforderungen genügende Werkstoffe sind z. B. Polyvinylchlorid und Polypropylen.

Die Elektrolysezelle 10 hat eine erste Elektrode 14, die gemäß F i g. I als Kathode verwendet ist. Die erste Elektrode 14 oder, in diesem Falle, die Kathode kann aus einem beliebigen herkömmlichen, elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt sein, der gegenüber dem in der Elektrolysezelle 10 verwendeten Elektrolyten beständig ist, z. B. Eisen, Flußstahl, rostfreier Stahl, Titan, Nickel oder chemisch reines Blei. Als geeigneter Werkstoff zur Verwendung in der Herstellung von organischen Stoffen durch elektrochemische Reaktion hat sich chemisch reines Blei herausgestellt.

Gemäß Fig. 1 ist die erste Elektrode 14 von der Stirnplatte 12 durch Abdichtungsmaterial 16 getrennt. Derartiges Abdichtungsmaterial 16 kann in der gesamten Elektrolysezelle 10 zum Trennen der einzelnen Bauteile voneinander verwendet sein und muß gegenüber dem in der Elektrolysezelle 10 verwendeten Elektrolyten chemisch beständig sein. Ein für die Verwendung in einer Elektrolysezelle für die Herstellung von organischen Stoffen sehr gut geeigneter Werkstoff ist Neopren, da es gute chemische Widerstandsfähigkeit besitzt und auch die notwendige Kompressibilität aufweist, um bei Anlegen eines verhältnismäßig kleinen Druckes an jeder der Stirnplatten 12 eine abdichtende Anlage zwischen den verschiedenen Bauteilen der Elektrolysezelle 10 zu schaffen.

Die erste Elektrode 14 ist von größeren Abmessungen als die anderen Zellenbauteile, um eine gut zugängliche Stelle zum Anschließen des Minuspols einer nicht gezeichneten Kraft- bzw. Stromquelle zu bieten. Der elektrische Anschluß der ersten Elektrode 14 kann mit Stromschienen ausgeführt sein, die einen großen Teil der Oberfläche der herausragenden Abschnitte der ersten Elektrode 14 bedecken, um eine größtmögliche elektrisch leitende Oberfläche verfügbar zu machen. Auch ist die erste Elektrode 14 oder Kathode im wesentlichen eben, so daß in den zentralen Bereichen der Elektrolysezelle 10 beide Seiten der ersten Elektrode 14 an einer elektrolytischen Reaktion beteiligt sind, um für jede Elektrode in der Elektrolyse-

zelle 10 eine Benutzung in größerem Ausmaß zu erreichen.

An jeder Seite der entsprechenden ersten Elektroden 14, die für eine elektrolytische Reaktion verwendet werden, sind Rahmen 13 für eine erste Elektrodenkammer abgestützt. Die Rahmen 18 sind von den ersten Elektroden 14 durch Dichtungsmaterial 16 im Abstand gehalten, das so zugerichtet ist, daß es nur am Außenrand anliegt, um Elektrolytströmung in die Kathodenkammer zuzulassen.

Gemäß F i g. 2, die eine Ansicht in Achsenrichtung der Elektrolysezelle 10 zeigt, sind entlang zwei entgegengesetzten Enden des Rahmens 18 für die erste Elektrodenkammer zwei Kanäle 20 eingefräst, von denen der eine an der Innenkante eine Reihe von schmalen Schlitzen 22 und der andere Kanal 20 an der Innenkante eine Reihe viel größerer Schlitze 24 aufweist. Die Kanäle 20 dienen dazu, innerhalb der zugehörigen Kammer der Elektrolysezelle 10 für gleichmäßige Verteilung und gleichmäßige Strömung eines Elektrolyten zu sorgen. Wegen des Dichtungsmaterials 16, das zwischen dem Rahmen 18 für die erste Elektrodenkammer und der ersten Elektrode 14 angeordnet ist, ist eine öffnung geschaffen, durch die der Elektrolyt in die Kathodenkammer strömen kann. Die Schlitze 22 und 24 schaffen zusätzlichen offenen Raum, der in die Kathodenkammer hinein- und aus dieser herausführt und dicht an der Plattenoberfläche der ersten Elektrode 14 angeordnet ist. Die erste Elektrode 14 und der Rahmen 18 für die erste Elektrodenkammer könnten als Kathode, Anode oder als beide benutzt werden, je nachdem, ob die Elektrolysezelle 10 für die Produktion zur Durchführung von kathodischen, anodischen oder gleichzeitig kathodischen und anodischen Reaktionen eingesetzt werden soll. Die Anordnung dieser Bauteile kann sehr leicht geändert werden, um eine Zelle für viele verschiedene Reaktionsarten zusammenzubauen. Der Rahmen 18 für die erste Elektrodenkammer kann, wie die Stirnplatten 12, aus Polyvinylchlorid oder Polypropylen hergesteiit sein.

Zur Versorgung der Kanäle 20 weist jedes Bauteil Öffnungen 26 auf, die mit denjenigen der anderen Bauteile in Deckung kommen, wenn diese zu einer Elektrolysezelle zusammengebaut werden, um eine Leitung 27 zu bilden, die die Verbindung mit einem nicht gezeichneten Elektrolytbehälter herstellt. Die öffnungen 26 verlaufen in jedem Bauteil und in dem damit verbundenen Dichtungsmaterial 16 quer zur Ebene des Bauteils, um über der gesamten Länge der Elektrolysezelle 10 die Leitung 27 mit gerader Bohrung zu bilden. Im allgemeinen schreiben die Bedingungen, unter denen die Elektrolysezelle 10 bei einem elektrochemischen Prozeß betrieben wird, die Anzahl der Leitungen 27 vor, die erforderlich sind, um zu gleichmäßiger Strömung und Verteilung des Elektrolyten im Innern der Elektrolysezelle 10 zu gelangen. Die Öffnungen 26 in den Stirnplatten 12 können so gebohrt sein, daß sie das Anschließen einer Elektrolytquelle an die Stirnplatten 12 in zweckdienlicher Weise gestatten. Dies kann, wie in Fig. 1 gezeigt, eine 90°-Winkelbohrung sein, um eine öffnung an der Seite oder am Boden der Elektrolysezelle 10 zu schaffen, oder es kann, wie in den anderen Bauteilen der Elektrolysezelle 10, eine gerade Bohrung sein, um öffnungen an den Enden der Elektrolysezelle 10 zu schaffen.

Für eine bestimmte, zu einem organischen Produkt führende elektrochemische Reaktion kann es zweckmäßig sein, Sektionen der Zelle zu blockieren oder da Strömungsbild in den Leitungen 27 zu vergrößern indem in den zentralen Bereichen der Zelle zusätzlich! Stirnplatten 12 angeordnet werden, die entweder keim • öffnungen 26 aufweisen, um die Leitungen 27 zi verschließen, oder eine T-förmige öffnung 26, um zu Erhöhung der Strömung in einem gegebenen Bereicl zusätzlichen Elektrolyt einzuleiten. Die in das Innere de Elektrolysezelle 10 führenden Schlitze 22 im Kana

ι» schaffen zusätzlichen offenen Raum, um zum Beseitiger von Schlammansammlung im Innern der Zelle und zun Verhindern von zusätzlicher Schlammansammlung di< Strahlwirkung des Elektrolyten über die Fläche de: ersten Elektrode 14 zu verstärken. Die Schlitze 24 sine

π im allgemeinen zwei- bis viermal so breit wie di< Schlitze 22, um einen Auslaß mit größerer Öffnungswei te zu schaffen, so daß im Innern der Elektrolysezelle K abgelöste Schlammpartikel durch die Schlitze 24 unc den Kanal 20 in den Elektrolytbehälter fließen, wo sie

2« sich an dessen Boden absetzen können statt dit arbeitenden Bauteile der Elektrolysezelle 10 zi verstopfen. Die Schlitze 24 gestatten auch das Ableiter jeglichen Rückdruckes aus dem Innern der Elektrolyse zelle 10, der während des Betriebes derselben zustande

r. kommen könnte. Wenn die Kanäle 20 unten und ober angeordnet sind, dient der untere Kanal 20 irr allgemeinen der Zuführung und der obere Kanal 20 dei Rückführung zum Elektrolytbehälter.

Gemäß Fig. 1 dient diese Anordnung dazu, einer

Jt) Katholyten in der Kathodenkammer der Elektrolysezel Ie 10 umzuwälzen. Diese Einrichtung kann jedocr ebenso gut zum Umwälzen eines Anolyten verwende werden, wenn für die Produktion sowohl eine kathodische als auch eine anodische Reaktion in dei Elektrolysezelle 10 durchgeführt wird. Dies kanr erreicht werden durch Anordnen von Kanälen 20 arr oberen und unteren Teil der Kathodenkammer und vor zusätzlichen Kanälen 20 entlang der Seiten dei Anodenkammer.

Der Rahmen 18 für erste Elektrodenkammer ist mi Dichtungsmaterial 16 abgestützt, auf welches ein ebene! Trennteil 28 aufgesetzt sein kann. Das ebene Trenntei 28 kann aus einem beliebigen der in elektrochemischer Zellen verwendbaren herkömmlichen Werkstoffe her

■V5 gestellt sein, z. B. in Form eines Asbest-Diaphragma; oder aus Membran-Werkstoffen aus polymeren Stoffen wie sie die Bedingungen der durchzuführenden speziel len Reaktion erfordern.

Eine Art von für die Durchführung der Erfindung

so verwendbarem Membran-Werkstoff ist eine dünne Folie aus einem Copolymerisat auf der Basis vor Fluorkohlenwasserstoff mit seitlich gebundenen Sulfon-Säuregruppen. Das Copolymerisat auf Fluorkohlenwasserstoff-Basis ist abgeleitet von Monomeren der Formel

CF₂=CF-(Rk-SO₂F

bei denen die seitlich gebundenen — SO₂F-Gruppen ii —SC>3H-Gruppen umgewandelt sind, und von Monome ren der Formel

CF₂=CXX¹ (2)

in der R die Gruppe
R¹

— CF- CF₂- O-tCFY — CF₂Ofe-

darstellt, worin R¹ eine Fluor oder Fluoralkyl-Gruppi mit 1 bis 10 C-Atomen; Y eine Fluor oder Trifluorme

thyl-Gruppe; /η 1, 2 oder 3; π 0 oder 1; X Fluor, Chlor oder Trifluormethyl; und X¹ X oder CF₃-(CF₂)TrO-, worin a O oder eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist.

Daraus ergeben sich Copolymerisate, aufgebaut aus den sich wiederholenden Einheiten

-CF₂-CF-

(R),,
SO₃H

-CF₂-CXX¹

(3)

(4)

Das Copolymerisat sollte ausreichend sich wiederholende Einheiten nach der vorstehenden Formel (3) enthalten, um ein - SOjH-Äquivalentgewicht von etwa 1000 bis 1400 zu erreichen. Werkstoffe mit einer Wasseraufnahme von etwa 25% oder darüber werden bevorzugt, da für Werkstoffe mit geringerer Wasseraufnähme bei einer gegebenen Stromdichte höhere Zellenspannungen erforderlich sind. In ähnlicher Weise erfordern Werkstoffe mit einer Foliendicke η etwa 0,20 mm oder darüber (unlaminiert) höhere Zellenspannungen, woraus sich ein niedrigerer Leistungsgrad ergibt

Wegen der großen Flächen der Membran in großtechnischen Zellen ist in den meisten Fällen mit dem Membranmaterial ein hydraulisch durchlässiger, elektrisch nichtleitender und inerter Verstärkungskör- w per, z. B. ein Gewebe oder ein Vlies aus Fasern aus Asbest, Glas, Polytetrafluorethylen od. dgl, beschichtet oder damit getränkt Bei Folie-Gewebe-Verbundstoffen soll das Beschichten eine ununterbrochene Fläche aus dem Membranmaterial an wenigstens einer Seite des r> Gewebes ergeben, um Undichtigkeit zu vermeiden.

Membranen dieses Typs werden mit näheren Einzelheiten in den US-PS 30 41317, 32 82 875, 35 60 568, 36 24 053 und 37 18 627 sowie in der GB-PS 11 84 321 beschrieben.

Eine zweite Art von Membranmaterial hat eine Hauptkette, die von Copolymeren aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen gebildet ist, und auf dieses Gerüstpolymerisat ist ein 1 :1-Gemisch aus Styrol und Λ-Methylstyrol aufgepfropft. Dieser Typ von Membranmaterial hat zwar verschiedene seitlich gebundene Gruppen, weist jedoch eine fluorhaltige Hauptkette auf, so daß der chemische spezifische Widerstand bzw. die chemische Beständigkeit (chemical resistivities) ziemlich hoch ist

Ein anderer Typ von Membranmaterial, der bei Zellen mit weniger stark alkalischen Bedingungen anwendbar wäre, beispielsweise bei der elektrochemischen Herstellung von organischen Verbindungen, wären polymere Stoffe mit seitlich gebundenen Sulfonsäuregruppen, bei denen das Gerüstpolymere durch Polymerisation einer aromatischen Polyvinyl-Komponente mit einer aromatischen Monovinyl-Komponente in einem anorganischen Lösungsmittel unter Bedingungen entstanden ist, die Verdampfung des Lösungsmittels verhindern, woraus sich ein allgemein copolymerer Stoff ergibt, obwohl eine reine aromatische Polyvinyl-Komponente hergestellt werden kann, die zufriedenstellend ist.

Die aromatische Polyvinyl-Komponente kann aus der Gruppe mit Divinylbenzolen, Divinyltoluolen, Divinylnaphthalinen, Divinyldiphenylen, Divinylphenylvinyläthern, den alkylsubstituierten Derivaten davon, z. B. Dimethyldivinylbenzole, und ähnlichen polymerisierbaren aromatischen Verbindungen, die hinsichtlich der Vinyl-Gruppen polyfunktionell sind, gewählt sein.

Die aromatische Monovinyl-Komponente, die im allgemeinen von den in aromatischen Polyvinyl-Komponenten handelsüblicher Qualitäten vorhandenen Verunreinigungen dargestellt ist, gehört zur Gruppe mit Styrol, Vinyltoluol-Isomeren, Vinylnaphthalinen, Vinyl-Äthylbenzolen, Vinylchlorbenzolen, Vinylxylolen und Λ-substituierten Alkylderivaten davon, wie z. B. dem Λ-Methyl-vinylbenzol. Bei Verwendung von hochreinen aromatischen Polyvinyl-Verbindungen kann es zweckmäßig sein, aromatische Monovinyl-Verbindungen zuzusetzen, so daß die aromatische Polyvinyl-Verbindung 30 bis 80 Mol-% des polymerisierbaren Materials bildet.

Geeignete Lösungsmittel, in denen das polymerisierbar e Material vor der Polymerisation gelöst werden kann, sollten inert sein und mit den Monomeren oder dem Polymeren chemisch nicht reagieren, ebenfalls einen Siedepunkt von über 6O⁰C haben und mit dem Sulfonierungsmedium mischbar sein.

Die Polymerisation wird mit einem beliebigen der bekannten Hilfsmittel, z. B. Wärme, Druck und katalytische Beschleuniger, durchgeführt und so lange fortgesetzt, bis aus im wesentlichen dem gesamten Lösungsvolumen ein unlösliches, unschmelzbares Gel gebildet ist. Das sich ergebende Gel wird dann in solvatisiertem Zustand und bis zu einem solchen Grad sulfoniert, daß sich für jedes Mol der aromatischen Polyvinyl-Verbindung im Polymeren nicht mehr als vier Sulfonsäuregruppen-Äquivalente und für je zehn Mole der aromatischen Poly- und Monovinyl-Verbindung im Polymeren nicht weniger als ein Sulfonsäuregruppen-Äquivalent bilden.

Membranmaterialien dieses Typs werden mit Einzelheiten in den US-PS 27 31 411 und 38 87 499 beschrieben.

Es ist versucht worden, verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung dieser Membranmaterialien zu finden; die wirksamste unter ihnen ist die chemische Oberflächenbehandlung des Membranmaterials selbst. Diese Behandlungen bestehen im allgemeinen in der Umsetzung der Sulfonylfluorid-Seitenketten mit Stoffen, die weniger polare Bindungen ergeben und dadurch weniger Wassermoleküle durch Wasserstoff-Brückenbindung binden. Dies führt zu einer Verkleinerung der Porenöffnungen, durch die die Kationen hindurchwandern, so daß weniger Hydratwasser mit den Kationen durch die Membran übertragen werden. Ein Beispiel hierfür wäre die Umsetzung von Äthylendiamin mit den Seitenketten, um zwei der Seitenketten durch zwei Stickstoffatome im Äthylendiamin aneinander zu binden. Bei einer Foliendicke von etwa 0,18 mm wird die Oberflächenbehandlung im allgemeinen in einer Tiefe von etwa 0,05 T\m an einer Seite der Folie durch Beeinflussen der Umsetzungsdauer ausgeführt. Dies ergibt gute elektrische Leitfähigkeit und gute Kationenübertragung bei geringerer Hydroxylionenrückwanderung und damit verbundener Wasserwanderung in der umgekehrten Richtung.

Am ebenen Trennteil 28 ist mit Dichtungsmaterial 16 ein Rahmen 30 für eine zweite Elektrodenkammer abgestützt, in dem eine zweite Elektrode 32 angeordnet ist Die zweite Elektrode 32, die gemäß F i g. 1 als Anode angewendet wird, hat eine zentrale Stromverteilerstange 34, die sich gemäß F i g. 1 und 3 durch den Rahmen 30 für die zweite Elektrodenkammer erstreckt und an der der Pluspol einer nicht gezeichneten Kraft- bzw.

Stromquelle anschließbar ist, um einen elektrischen Stromkreis zu schließen, durch den der Elektrolysezelle 10 ein Elektrolysierstrom zugeführt wird. Die zentrale Stromverteilerstange 34 ist mechanisch und elektrisch mit zwei Platten aus einem ebenen perforierten Material 36 verbunden; die beiden Platten sind gemäß F i g. 4 im Abstand von den Innenwänden des Rahmens 30 für die zweite Elektrodenkammer gehalten. Das perforierte Material 36 ist im allgemeinen ein elektrisch leitendes, elektrokatalytisch aktives Material, das gegenüber dem in der Zelle enthaltenen Elektrolyten beständig ist, beispielsweise eine dimensionsstabile Anode. Derartige Anodenwerkstoffe sind bekannt und in der Industrie in Anwendung und haben ein Grundträgermaterial, das im allgemeinen ein Ventilmetall ist, wie Titan oder Tantal, mit einer Oberflächenbeschichtung aus Tantal- und Iridiumoxid oder einer Kombination einer Zinn/Antimonoxid-Beschichtung, die im Falle von sauren Medien mit Mangandioxid oder Bleidioxid überzogen ist Hierzu wird beispielsweise auf die US-PS 31 17 023, 36 32 498, 38 40 443 und 38 46 273 verwiesen. Die Betriebsbedingungen der angestrebten Reaktion schreiben im allgemeinen für diesen Zweck die Verwendung eines speziellen Anoden-Typs vor.

Der Rahmen 30 für die zweite Elektrodenkammer hat öffnungen 26 in den vier Ecken, entsprechend den öffnungen 26 der anderen Bauteile, um die Leitung 27 für den Elektrolyten zu bilden; wenn in der Elektrolysezelle 10 zur Herstellung des Produktes nur eine kathodische Reaktion durchgeführt wird, kann die Umwälzeinrichtung für den Anolyten sehr einfach von zwei Bohrungen 38 an sich gegenüberliegenden Ecken des Rahmens 30 für die zweite Elektrodenkammer gebildet sein. Wird in der Elektrolysezelle 10 das Produkt durch eine anodische Reaktion hergestellt, kann eine Umwälzeinrichtung ähnlich der für die Kathodenkammer verwendet werden. Der Rahmen 30 für die zweite Elektrodenkammer kann aus Werkstoffen ähnlich den für die Stirnplatten 12 hergestellt sein, z. B. aus Polyvinylchlorid oder Polypropylen.

Um das Ausrichten vieler Bauteile beim Zusammenbauen der Elektrolysezelle 10 in der umgebenden Pressenkonstruktion zu erleichtern, weist jedes Bauteil Stützarme 40 auf, mit denen es sich bei der Endmontage einer gegebenen Elektrolysezelle 10 an von den Elektroden 14 und 32 elektrisch isolierten parallelen Holmen mit genauer Ausrichtung aufhängen läßt. Zum Erstellen einer Elektrolysezelle 10 mit den Produktionserfordernissen entsprechender großer Leistung können

so viele dieser sich wiederholenden Einheiten miteinander kombiniert werden, wie nötig ist, oder es kann innerhalb einer Presse eine Vielzahl von Zellen durch Verwenden von mehreren Stirnplatten 12 miteinander kombiniert werden. Auf diese Weise läßt sich eine

ι« Reaktionsanlage mit hintereinandergeschalteten Elektrolysezellen konstruieren. Die relativ ebenen Bauteile lassen es zu, daß der Abstand zwischen den Elektroden 14 und 32 auf einem Minimum gehalten wird, wodurch die Stromausbeute durch Verringern des Spannungsab falls an den Zellenbauteilen für eine gegebene Stromdichte erhöht wird. Außerdem erleichtert diese Zellenkonstruktion die Montage und Demontage einer erfindungsgemäß nach Art eines Baukastensystems aufgebauten Elektrolysezelle beliebiger Größe in hohem Maße.

Die in den Zeichnungen dargestellte Elektrolysezelle 10 eignet sich besonders für die Herstellung von Pinakonen durch elektrolytische Reduktion von organischen Carbonyl-Verbindungen an der Kathode. Bei diesem Prozeß wird ein in der Kathodenkammer gebildeter feiner Schlamm daran gehindert, in den unteren Teil abzusinken und ein Blockieren der Elektrolytströmung zu verursachen, und zwar durch die Strahlwirkung aus dem unteren Kanal 20 und den Schlitzen 22. Es wurde festgestellt, daß eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 5,2 m/s oder darüber genügte, um den Bereich freizuhalten und eine sehr gute Umwälzung des Katholyten in der Kathodenkammer zu schaffen. Der in diesem Prozeß gebildete Schlamm kann sich dann am Boden des Vorratsbehälters für Katholyt absetzen, wo er den Betrieb der Elektrolysezelle 10 bei der Herstellung von Pinakonen nicht stört

Zahlreiche andere Arten von elektrochemischen Reaktionen zur Herstellung von organischen Stoffen lassen sich in der Elektrolysezelle 10 durch Anwenden der Grundgedanken der Erfindung durchführen, wonach die Zellenbauteile an die für die angestrebte elektrochemische Reaktion gegebenen Bedingungen angepaßt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Paientansprüche:

1. Elektrolysezelle mit wenigstens einer zwischen zwei Stirnplatten eingespannten plattenförmigen Elektrode und wenigstens einem Paar plattenförmiger Rahmen zur Umgrenzung von einander benachbarten und durch eine ebene Trennwand abgeteilten Elektrodenkammern, denen eine Anode bzw. eine Kathode zugeordnet ist, wobei in den plattenförmigen Teilen sich zu Elektrolytumwälzleitungen zusammensetzende Durchgangsöffnungen vorgesehen sind und der Kathodenkammerrahmen und/oder der Anodenkammerrahmen an sich gegenüberliegenden Rahmenteilen einen mit der zugehöri- gen Durchgangsöffnung im Rahmen verbundenen Verteilerkanal sowie Sammlerkanal aufweisen, die jeweils über in der Rahmenebene verlaufende und Ober das Rahmenteil verteilte Mündungsöffnungen mit der betreffenden Kammer verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsöffnungen von in den Rahmen (18) eingearbeiteten flachen Schlitzen (22,24) gebildet sind, weiche die Elektrodenfläche (an 14) überstreichende Elektrolytstrahle hervorrufen.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (22, 24) der Elektrodenfläche (an 14) benachbart sind.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsschlitze w (22) schmaler als die Austrittsschlitze (24) sind.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aiistrittsschlitze (24) etwa zwei- bis viermal so breit wie die Eintrittsschlitze (22) sind. r>

5. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsschlitze (22) im unteren Rahmenteil und die Austrittsschlitze (24) im oberen Rahmenteil ausgebildet sind.

6. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den plattenförmigen Bauteilen (12, 14, 18, 28, 30) ringförmige Dichtungsplatten (16) mit dem Kammerquerschnitt entsprechenden öffnungen angeordnet sind, wobei die zwischen der plattenförmi- v·, gen Elektrode (14) und dem benachbarten mit den Schlitzen (22, 24) versehenen Rahmen (18) vorhandene Dichtungsplatte entlang den die Schlitze (22, 24) aufweisenden Rahmenteilen im Bereich der Schlitzlänge zwischen dem Verteiler- bzw. Sammler- w kanal (27) und der Kammer ausgespart ist.

7. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß die eingespannte plattenförmige Elektrode (14) die Kathode ist und die Schlitze (22,24) nur im Kathodenkammerrahmen « (18) ausgebildet sind und die Anode (32) innerhalb des Anodenkammerrahmens (30) angeordnet ist, durch den sich die Anodenanschlußleitung (34) sowie Eintritts- und Ausirittsöffnungen (38) für die Umwälzung des Anolyten erstrecken. bo

8. Elektrolysezelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanschlußleitung (34) eine sich zentral im wesentlichen durch die gesamte Anodenkammer erstreckende Steigleitung ist, an der auf gegenüberliegenden Seiten zwei flächenparallele t>5 perforierte Elektrodenplatten befestigt sind.

9. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmige Elektrode (14) gegenüber den anderen plattenförmigen Bauteilen (12, 16, 18, 30) unter Bildung eines Abschnitts für den elektrischen Anschluß nach außen vorspringt

10. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Bauteile (12, 14, 18, 30) wenigstens zwei Stützarme (40) zum Aufhängen an zwei Holmen auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrolysezelle (10) aufweisen.