DE4007297A1 - Elektrolysezelle zur elektrolytischen behandlung von prozessfluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur elektrolytischen Behandlung von Prozeßflüssigkeit bestehend aus flächigen, zueinander parallel angeordneten ebenen Elektroden in einem Trog, welche im Abstand zu wenigstens einer Gegenelektrode angeordnet sind, wobei von der Gegenelektrode aus gesehen wenigstens zwei Elektroden auf einer Seite der Gegenelektrode angeordnet sind und die Elektroden über verschieden große ohmsche oder elektronisch geregelte Anschlußwiderstände mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden sind, wobei die Anschlußwiderstände mit zunehmendem Abstand zwischen der Gegenelektrode und der jeweiligen Elektrode abnehmen.

Aus der DE-PS 30 09 956 ist ein Verfahren zu elektrolytischen Behandlung von Prozeßflüssigkeit bekannt, bei dem eine Oxidation der Prozeßflüssigkeit durch­ geführt wird. In dieser Patentschrift wird ein Verfahren zur elektrochemischen Regenerierung von Chromsäurebädern mittels einer Dialysezelle mit kationen­ permeabler Membran beschrieben, wobei dreiwertiges Chrom zu sechswertigem Chrom oxidiert und Fremdmetallionen aus dem Bad entfernt werden; als Katholyt wird eine schwach saure wäßrige Lösung aus wasserlöslichem anorganischem Salz, wie Natriumsulfat, Natriumkarbonat eingesetzt; die als Hohlzylinder ausgebildete Katholyt-Kammer ist dabei von einer Anolyt-Kammer umgeben, welche eine perforierte hohlzylindrische Anode aufweist und von der Prozeßflüssigkeit durchströmt wird.

Als problematisch erweist sich hier die verhältnismäßig große Membran, welche relativ zerbrechlich und kostspielig ist und andererseits die verhältnismäßig aufwendige Rundzellenkonstruktion. Darüber hinaus ist eine Variation des Flächenverhältnisses zwischen Anode und Kathode sehr eingeschränkt, so daß eine Vergrößerung der für die Oxidation sehr wesentlichen Anodenfläche auf erhebliche konstruktive Schwierigkeiten stößt.

Eine weitere Elektrolysezelle zur elektrolytischen Behandlung von Prozeß­ flüssigkeit ist aus der DE-PS 36 40 020 und der entsprechenden US-PS 47 86 384 bekannt. Diese Patentschriften beschreiben eine Elektrolysezelle zur elektrolytischen Abscheidung von Metallen aus Metallionen enthaltender Prozeßflüssigkeit, welche aus flächigen, zueinander parallel angeordneten ebenen Elektroden in einem Trog besteht, wobei die als Anode dienenden Elek­ troden im Abstand zu wenigstens einer als Kathode vorgesehenen Gegenelektrode angeordnet sind; von der Kathode aus gesehen sind wenigstens zwei Anoden auf einer Seite der Kathode angeordnet und die Anoden über verschieden große ohmsche oder elektronisch geregelte Anschlußwiderstände mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden, wobei die Anschlußwiderstände mit zunehmendem Ab­ stand zwischen der Anode und derjeweiligen Kathode so abnehmen, daß jede Kathode mit dem gleichen Strom beaufschlagt wird. Nach der US-PS 47 86 384 ist es auch möglich, Konstant-Strom-Quellen einzusetzen, welche über einen jeweils eingebauten elektronisch geregelten Anschlußwiderstand die Kathoden jeweils mit einem Konstant-Strom speisen.

Mit dieser Elektrolysezelle ist jedoch lediglich eine elektrolytische Aus­ bringung von Metallen aus Metallionen enthaltender Prozeßflüssigkeit möglich, während diese Zelle für die Oxidation von Prozeßflüssigkeiten ungeeignet ist.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Elektrolysezelle zur elektro­ chemischen Oxidation von Prozeßflüssigkeiten anzugeben, bei der eine im Ver­ hältnis zur Kathodenfläche große Anodenfläche erzielt wird und alle Anoden näherungsweise mit der gleichen Stromstärke beaufschlagt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die mit Abstand zueinander angeord­ neten Anoden von den Kathoden durch eine Ionenaustauschermembran getrennt, so daß die Kathodenräume einen eigenen Katholytraum bilden. Dabei ist es möglich, den Katholyten mittels einer Pumpe umzuwälzen, wobei der Katholytraum mit einem Katholytzuführsystem und einem Katholytabführsystem versehen ist; eine Umwälzung der Prozeßflüssigkeit mittels Pumpe ist ebenfalls möglich, wobei die als Anolyt dienende Prozeßflüssigkeit über ein Strömungsverteilersystem dem Anodenraum zugeführt und über ein Anolytabführungssystem aus dem Anolytraum abgeführt wird. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, zwischen zwei sich gegenüberliegenden Katholyträumen eine Vielzahl von Anoden einzusetzen.

Zweckmäßigerweise bestehen Anoden und Kathoden aus ebenen, gleichgroßen, rechteckförmigen Streckmetallen. Diese werden in der Art angeordnet, daß sämt­ liche Flächen parallel zueinander stehen und die Verbindungslinie der Kanten senkrecht auf den Elektrodenflächen steht. Der Abstand der Anoden unterei­ nander ist gleich. Die Anschlußwiderstände können entweder aus diskreten Widerständen unterschiedlicher Größe bestehen, die über gleich lange oder verschieden lange Zuleitungen mit der Kathode verbunden sind oder aus Leitungen aus Widerstandsdraht mit unterschiedlicher Länge; weiterhin ist es möglich, elektronisch geregelte Anschlußwiderstände einzusetzen, wozu auch Schaltungsmaßnahmen zur elektronischen Stromregelung in Stromversorgungsge­ räten bzw. Konstantstromquellen gehören.

Als vorteilhaft erweist sich dabei die gleichmäßige Stromdichte auf allen Anoden, wobei die Kathoden leicht handhabbar und aus kostengünstigem Material hergestellt werden können.

Anhand der Fig. 1 bis 4 ist der Gegenstand der Erfindung näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eine Zelle mit einer Kathode während

Fig. 2 eine Zelle mit zwei Kathoden darstellt;

Anhand der Fig. 3a, 3b, 3c sind Elektrolysezellen beschrieben, die in der Mitte des Troges eine Kathode aufweisen, die beidseitig von Anoden umgeben ist. Die Fig. 4a, 4b und 4c zeigen jeweils Zellen in perspektivischer Dar­ stellung wobei Fig. 4d die in Fig. 4c erkennbare Gaseinblasvorrichtung darstellt.

Gemäß Fig. 1 enthält Trog 1 mit rechteckigem Grundriß eine der Trogwand 1′ benachbart angeordnete ebene Kathode 2, die mit dem negativen Pol eines Strom­ anschlusses verbunden ist. Zwischen der parallel zur Trogwand angeordneten Kathode 2 und der gegenüberliegenden Trogwand 1′′ ist eine Vielzahl von ebenen Anoden 3 angeordnet. Die einzelnen Anoden sind dabei über die Anschlußwider­ stände 4 unterschiedlicher Größe mit dem positiven Pol einer Stromquelle ver­ bunden.

Ausgehend von der zur Kathode 2 am weitesten befindlichen Anode 3′ steigen die Anschlußwiderstände bis zu der der Kathode benachbarten Anode 3′′′′′ nach folgendem Schema an:

0, R, 3 R, 6 R, 10 R . . . K_n ^·R,

wobei K_n=2^·K_n-1+1-K_n-2 ist, n die Gesamtzahl der Anoden angibt und der Widerstandswert

ist, wobei d dem Abstand zur benachbarten Elektrode, A der projizierten Anodenfläche und der Leitfähigkeit der Prozeßflüssigkeit entspricht. Im vorliegenden Fall wirkt auf die entfernteste Anode kein besonderer Anschluß­ widerstand, sondern nur der allgemeine Leitungswiderstand, dem alle Anodenzu­ leitungen unterworfen sind.

Zwischen Kathode 2 und Anodenraum 5 kann eine Ionenaustauschermembran 6 ange­ ordnet sein, die sicherstellt, daß sich die Kathode stets in einem eigenen Katholytraum 7 befindet, während die zu behandelnde Prozeßflüssigkeit dem Anodenraum 5 zugeführt wird. Dabei ist es möglich, den Katholyten mittels Pumpe umzuwälzen, wobei der Katholytraum in seinem unteren Bereich ein von der Pumpe gespeistes Katholytzuführungssystem und in seinem oberen Bereich einen Überlauf aufweist, der über eine Katholytvorlage an die Pumpe angeschlossen ist; dementsprechend ist auch eine Umwälzung der als Anolyt dienenden Prozeß­ flüssigkeit möglich, wobei diese über ein unterhalb der Anoden befindliches, von der Pumpe gespeistes Strömungsverteilersystem dem Anodenraum zugeführt und über einen im oberen Bereich des Anolytraumes befindlichen Überlaufs und einer Anolytvorlage der Pumpe zugeführt wird. Es ist je nach Anwendungsfall auch möglich, auf die Ionenaustauschermembran zu verzichten, so daß sich Kathode und Anoden im gleichen Elektrolyten befinden.

In Fig. 2 ist eine Anordnung mit zwei sich gegenüberliegenden Kathoden 2′, 2′′ dargestellt, wobei die beiden Kathoden wiederum der Trogwand benachbart ange­ ordnet sind; anhand dieser Figur ist erkennbar, daß die mittlere Anode 3′ keinen Widerstand zum positiven Anschlußpol aufweist, während die beiden be­ nachbarten Anoden 3′′ mit einem Anschlußwiderstand des oben definierten Wer­ tes R versehen sind, der sich wie alle übrigen Anschlußwiderstände aus der obigen Tabelle ergibt; so weisen die Anoden 3′′′ den Widerstandswert 3R auf, während die den Kathoden direkt gegenüberliegenden Anoden 3′′′′′ den Anschluß­ widerstandswert 10R aufweisen. Wie bereits zu Fig. 1 ausgeführt worden ist, ist es möglich, die beiden Kathoden durch eine Ionenaustauschermembran vom Anodenraum zu trennen, so daß zwei sich gegenüberliegende Katholyträume vor­ liegen.

Fig. 3a zeigt schematisch eine Elektrolysezelle, die in der Mitte des Troges 1 eine einzige Kathode 2 aufweist; die Kathode ist auf beiden Seiten bis zu beiden Stirnflächen 1′, 1′′ des Troges 1 von der gleichen Anzahl von Anoden umgeben, wobei zwecks besserer Übersicht jeweils nur 5 Anoden darge­ stellt werden; dabei weisen die Anschlußwiderstände der an den beiden Stirn­ flächen 1′, 1′′ befindlichen Anoden 3′ den Widerstandswert 0 (Null) auf, d. h. hier ist nur der übliche Leitungswiderstand wirksam; ausgehend von diesen zur Kathode am weitesten entfernten Anoden 3′ steigen die Anschlußwiderstände 4 nach dem bereits vorstehend beschriebenen Schema an, so daß die Anschlußwider­ stände 4 für die Anoden 3′′, 3′′′, 3′′′′ und 3′′′′′ die Widerstandswerte R, 3R, 6R und 10R aufweisen.

Fig. 3b zeigt schematisch eine Elektrolysezelle, deren Ano­ den 3′, 3′′, 3′′′, 3′′′′, 3′′′′′ jeweils über ein einstellbares Stromversor­ gungsgerät 19 mit einem durch Vorgabe einstellbaren Strom gleicher Größe ver­ sorgt werden, wobei der negative Anschluß 20 des jeweiligen Stromversorgungs­ gerätes mit der Kathode 2 verbunden ist. Die Anoden sind mit den Stromversor­ gungsgeräten 19 über Anschluß 22 lösbar verbunden.

In der Praxis wird gemäß Fig. 3c ein einziges einstellbares Stromversorgungs­ gerät 19′ mit einer entsprechenden Anzahl von Anschlüssen 22′ eingesetzt, wobei der einzige negative Anschluß 20 mit der Kathode 2 verbunden ist. Dabei ist es wesentlich, daß die Stromstärke aller den Anoden zugeführten Ströme praktisch gleich ist; dies bedeutet, daß die Stromdichte auf den Anoden nicht mehr als ±10% vom Mittelwert abweicht.

Auch die anhand der Fig. 3a, 3b, 3c schematisch erläuterten Elektrolyse­ zellen können mit einer Ionenaustauschermembran ausgestattet sein, so daß die Kathode 2 von einem eigenen Katholytraum umgeben ist.

Fig. 4a zeigt in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße Elektro­ lysezelle, die an zwei sich gegenüberliegenden Stirnwänden jeweils eine Kathode 2′, 2′′ aufweist, die über die Stromschiene 10 mit dem negativen Anschluß verbunden sind; zwischen den Kathoden 2′, 2′′ befinden sich insgesamt 9 Anoden 3, wobei alle Elektroden die gleiche Fläche aufweisen und in gleichen Abständen zueinander parallel angeordnet sind.

Der Trog 1 besteht aus elektrolytisch resistentem und elektrisch isolierendem Material; vorzugsweise wird Kunststoffmaterial wie beispielsweise Poly­ vinylchlorid oder Polypropylen eingesetzt. Der Trog 1 weist an seinen beiden Stirnflächen 1′ und 1′′ jeweils eine Öffnung 12 als Zu- bzw Ablauf für die zu behandelnde Prozeßflüssigkeit auf. Zur Flüssigkeitsumwälzung ist eine hier nicht dargestellte Gaseinblasvorrichtung mit dem Boden des Troges 1 verbunden.

An der Seitenwand des Troges 1 sind zwei elektrische Stromschienen 10, 11 ange­ ordnet, von denen die mit den Kathoden 2′, 2′′ verbundene Stromschiene 10 an den negativen Pol angeschlossen ist, während die über die als Leitungen unter­ schiedlicher Länge ausgebildeten Anschlußwiderstände 4 mit den Anoden 3 ver­ bundene Stromschiene 11 an den positiven Pol angeschlossen ist. Als Material für die Stromschienen werden vorzugsweise Kupfer oder Aluminium bzw. Kupfer- oder Aluminiumlegierungen verwendet. Die als Leitungen dienenden An­ schlußwiderstände 4 bestehen aus einem elektrisch isolierten Widerstandsdraht, beispielsweise aus Titan- oder Konstantdraht.

Die Kathoden 2′, 2′′ können die Form einer geschlossenen Fläche, eines Loch­ blechs, eines Gitters bzw. Streckmetalls oder mehrerer lamellenförmig angeord­ neter Flachprofile aufweisen.

Die Kathoden bestehen aus einem Werkstoff, der elektrisch leitend und im Katholyten chemisch und elektrochemisch beständig ist, vorzugsweise aus Edel­ stahl. Die zwischen den Anschlußfahnen 14 der Kathoden 2′, 2′′ und der Strom­ schiene 10 angeordneten Anschlußleitungen 15 bestehen aus dem gleichen Material wie die Stromschiene 10; sie werden durch Verschraubung mit den Anschlußfahnen 14 und der Stromschiene 10 verbunden.

Die Anoden bestehen aus elektrisch leitfähigem Trägermaterial mit aktivierter Oberfläche, vorzugsweise aus Titan mit Edelmetall- oder Bleioxidbeschichtung; es ist auch möglich, als Werkstoff für das Trägermaterial elektrisch leit­ fähige Keramik oder elektrisch leitfähigen Kunststoff einzusetzen; beim Einsatz von Metall als Trägermaterial weisen die Anoden die Form eines Streck­ metalls, Lochblechs oder Drahtgewebes auf.

Die Anschlußfahnen 14 der Anoden 3 sind vorzugsweise über Steck- oder Klemm­ anschlüsse mit den als Anschlußwiderständen 4 dienenden Zuleitungen verbunden, so daß auch während des Betriebes eine Entnahme bzw. Austausch einzelner Anoden möglich ist.

In Fig. 4b ist als Teilausschnitt eine der Fig. 4a entsprechende Elektro­ lysezelle dargestellt, in welcher der Anodenraum 5 gegenüber den Kathoden durch eine Membran 6 abgeteilt ist, so daß sich die Kathoden in einem abge­ schlossenen Katholytraum 7 befinden.

Durch die Membran 6 wird der Katholytraum 7 vollständig von dem Anodenraum getrennt, so daß der zur Aufnahme der Prozeßflüssigkeit dienende Anodenraum auch als Anolytraum bezeichnet werden kann.

Das Elektrolytniveau im Katholytraum 7 liegt im oberen Bereich der Ionen­ austauschermembran. Zwecks Umwälzung des Katholyten sind die Katholyträume jeweils mit einer eigenen Elektrolytzufuhr- bzw. -abfuhrvorrichtung 17, 18 versehen. Die in den Katholyträumen befindlichen Kathoden weisen zumindest auf ihrer der Membran zugekehrten Seite eine flächige Struktur auf, wobei die Kathodenflächen parallel zu den Oberflächen der Anoden 3 angeordnet sind. Die Prozeßflüssigkeitszufuhr in den Innenraum 5 des Troges 1 erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform chargenweise, wobei die Flüssigkeit nach dem Oxidationsprozeß über ein Auslaßventil abfließen kann.

In Fig. 4c ist als aufgebrochener Teilausschnitt eine Elektrolysezelle darge­ stellt, in welcher der Anodenraum 5 gegenüber den Kathoden durch eine Membran 6 abgeteilt ist, so daß sich die Kathoden entsprechend der in Fig. 4b dargestellten Anordnung im abgeschlossenen Katholytraum 7 befinden.

Gemäß Fig. 4c enthält der Trog 1 ein unterhalb der Anoden 3 angeordnetes Gaseinblas-System 24, das praktisch den gesamten Boden des Troges 1 bedeckt und anhand der Fig. 4d näher erläutert ist; das Gaseinblas-System 24 enthält ein plattenartiges Grundelement 25 mit einer umlaufenden Erhöhung 26 im Rand­ bereich. Auf der umlaufenden Erhöhung 26 des Grundelementes 25 ist auf einer umlaufenden Abdichtung 27 ein poröses Kunststoffgewebe 28 aufgebracht, das die von der umlaufenden Erhöhung 26 des Grundelementes 25 umfaßte Fläche abdeckt. Die Befestigung des Kunststoffgewebes 28 erfolgt durch einen die Erhöhung 26 abdeckenden umlaufenden Rahmen 29, der durch Schraubverbindungen 30 auf der umlaufenden Erhöhung 26 des Grundelementes 25 befestigt ist, Zwischen dem Rahmen 29 und dem Kunststoffgewebe 28 ist eine weitere umlaufende Dichtung 31 angeordnet.

Zwischen zwei sich jeweils gegenüberliegenden Seitenteilen 32 des Rahmens 29 sind streifenförmige Versteifungen 33 vorgesehen, die oberhalb des Kunst­ stoffgewebes 28 angeordnet sind; sie sollen ein Ausbeulen des Kunststoffge­ webes 28 durch den im Gaseinblas-System 24 herrschenden Gasdruck verhindern.

Das Grundelement 25 des Gaseinblas-Systems 24 besteht aus Kunststoff, während der Rahmen 29 und seine zugehörigen Versteifungen 33 aus einem elektrolytbe­ ständigen metallischen Werkstoff - vorzugsweise Titan - besteht. Als Material für die Fäden des Kunststoffgewebes 28 werden Polypropylen, Polyäthylen oder Polyvinylchlorid eingesetzt.

Gemäß Fig. 4d erfolgt die Zufuhr des Gases zum Gaseinblas-System 24 durch ein praktisch senkrecht zur Fläche des Rahmens angeordnetes Rohr 34, das außerhalb des von den umlaufenden Dichtungen 27, 31 umschlossenen Bereichs in eine Öffnung 35 der umlaufenden Erhöhung 26 des Grundelementes 25 gasdicht einge­ führt ist; die Öffnung 35 der Erhöhung 26 ist mit einem kanalartigen Durch­ gang 36 verbunden, der mit seiner Auslaßöffnung 37 in dem von dem Grundelement 25 und dem Kunststoffgewebe 28 umschlossenen Gasraum 38 mündet; der kanalar­ tige Durchgang 36 ist symbolisch durch gestrichelte Linien dargestellt.

Der obere Teil des Rohres 34 ist gemäß Fig. 4c oberhalb des Elektrolytpegels durch eine Öffnungg 39 in der Seitenwand des Troges 1 hinausgeführt. Das Rohr 34 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Grundelement 25.

Als Katholyt ist beispielsweise Schwefelsäure für die Vielzahl von elektro­ chemischen Prozeßflüssigkeiten geeignet. Das Elektrolytniveau im Katholyt­ raum 7 liegt im oberen Bereich der Ionenaustauschermembran. Zwecks Umwälzung des Katholyten sind die Katholyträume jeweils mit einer eigenen Elektrolyt­ zufuhr- bzw. -abfuhrvorrichtung 17, 18 versehen. Die in den Katholyträumen befindlichen Kathoden weisen zumindest auf ihrer der Membran zugekehrten Seite eine flächige Struktur auf, wobei die Kathodenflächen parallel zu den Oberflächen der Anoden 3 angeordnet sind. Die Prozeßflüssigkeitszufuhr in den Innenraum 5 des Troges 1 erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform chargenweise, wobei die Prozeßflüssigkeit nach dem Oxidationsprozeß über ein Auslaßventil abfließen kann.

Claims (9)

1. Elektrolysezelle zur elektrolytischen Behandlung von Prozeßflüssigkeit bestehend aus flächigen, zueinander parallel angeordneten ebenen Elektro­ den in einem Trog, welche im Abstand zu wenigstens einer Gegenelektrode angeordnet sind, wobei von der Gegenelektrode aus gesehen wenigstens zwei Elektroden auf einer Seite der Gegenelektrode angeordnet sind und die Elektroden über verschieden große ohmsche oder elektronisch geregelte Anschlußwiderstände mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden sind, wobei die Anschlußwiderstände mit zunehmendem Abstand zwischen der Gegen­ elektrode und der jeweiligen Elektrode abnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden über die Anschlußwiderstände (4) mit dem positiven Pol Anoden (3) bildend und die Gegenelektroden mit dem negativen Pol Katho­ den (2) bildend mit der Stromversorgung verbunden sind.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (3) von den Kathoden (2) durch eine Ionenaustauschermembran (6) getrennt sind.

3. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Elektrolytumwälzung eine Gaseinblasvorrichtung vorgesehen ist.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasein­ blasvorrichtung unterhalb der Anoden angeordnet ist.

5. Elektrolysezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasein­ blasvorrichtung flüssigkeitsdicht mit dem Boden des Trogs (1) verbunden ist.

6. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhält­ nis der Summe der Kathodenflächen zur Summe der Anodenflächen im Bereich von 1 : 2 bis 1 : 50 liegt.

7. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kathoden (2′, ′′) vorgesehen sind, zwischen denen eine Vielzahl von Anoden (3) angeordnet sind.

8. Elektrolysezelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (3) gleich große Flächen aufweisen und bei Verwendung von drei und mehr Anoden die Abstände zwischen den Anoden gleich sind.

9. Elektrolysezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (3) aus rechteckförmigen Streckmetallen bestehen.