Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfmdung betrifft ein Verfahren zur effizienten Herstellung von
Alkalimetallhydroxid durch Hydrolyse einer wäßrigen Lösung eines Alkalimetallchlorids.
Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von
Alkalimetallhydroxid und Chlor durch Elektrolysieren einer wäßrigen Lösung eines
Alkalimetallchlorids, wobei die Bildung von Verunreinigungen unterdrückt wird, die einen
nachteiligen Einfluß auf die Wirksamkeit der Elektrolyse und die Reinheit der Produkte
haben.
Hintergrund der Erfindung
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Die Herstellung von Natriumhydroxid und Chlor aus einer wäßrigen Lösung eines
Alkalimetallchlorids, insbesondere aus einer Salzlake, durch Elektrolyse war lange Zeit ein
Zweig der chemischen Grundlagenindustrie. Anfänglich wurde die Elektrolyse durchgeführt
unter Verwendung von Quecksilber als Kathode unter Erhalt von Alkalimetallhydroxid und
Chlor extrem hoher Reinheit. Die Anwendung des Quecksilber-Verfahrens geht jedoch
zurück wegen des hohen Energieverbrauchs (angenähert 3.000 kWh/t Alkalimetallhydroxid)
und der Umweltverschmutzung mit Quecksilber. Als Ersatz für das Quecksilber-Verfahren
wurde ein neues Verfahren entwickelt, das Gebrauch von einem Asbest-Diaphragma macht.
Dieses neue Verfahren weist die Nachteile auf, daß Alkalimetallhydroxid geringer Reinheit
gebildet wird, daß es eines zusätzlichen Schritts zur Abtrennung des Alkalimetallhydroxids
von dem Alkalimetallchlorid bedarf und daß es zuläßt, daß eine große Menge Sauerstoff zu
dem Chlor hinzutritt. Sein Vorteil eines niedrigen Energieverbrauchs für die Elektrolyse
wird aufgehoben durch einen hohen Energieverbrauch für die Produktreinigung. Der
Gesamt-Energieverbrauch ist gleich dem oder höher als der des Quecksilber-Verfahrens. Ein
weiterer Nachteil besteht darin, daß Asbest ein Karzinogen ist. Als Ergebnis wurde das unter
Einsatz einer Ionenaustauschmembran durchgeführte Verfahren das vorherrschende
Verfahren im Bereich der Alkalimetallchlorid-Elektrolyse.
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Das unter Verwendung einer Ionenaustauschmembran durchgeführte Verfahren ist so
angelegt, daß eine gereinigte wäßrige Lösung eines Alkalimetallchlorids (speziell von
Natriumchlorid) in die Anodenkammer gefüllt wird (die durch eine Kationenaustausch-
Membran von der Kathodenkammer in der Elektrolysezelle getrennt ist), und reines Wasser
wird nach Bedarf in die Kathodenkammer gefüllt, wodurch Chlor in der Anodenkammer und
Alkalimetallhydroxid (30 bis 50 %) in der Kathodenkammer gewonnen werden. Der
Energieverbrauch dieses Verfahrens liegt bei 2.200 bis 2.500 kWh/t Alkalimetallhydroxid,
was 20 bis 30 % weniger ist als der Energieverbrauch des anderen herkömmlichen
Verfahrens. In Japan erfolgt beispielsweise die Herstellung von mehr als 80 % des
Alkalimetallhydroxids durch das Ionenaustauschmembran-Verfahren.
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Trotz seiner Vorteile weist das Ionenaustauschmembran-Verfahren einen Nachteil
dahingehend auf, daß bis zu 10 % des in der Kathodenkammer gebildeten
Alkalimetallhydroxids durch die Ionenaustauschmembran in die Anodenkamer wandern. Das Verhältnis
der Menge an Alkalimetallhydroxid unter Ausschluß des abgewanderten
Alkalimetallhydroxids zur Gesamtmenge an Alkalimetallhydroxid wird ausgedrückt durch den Begriff
"Stromeffizienz". Diese beträgt üblicherweise 90 bis 97 %, abhängig von der Art der
verwendeten Ionenaustauschmembran. Das durch Wanderung verschwundene
Alkalimetallhydroxid senkt nicht nur die Stromeffizienz im Verhältnis zur gebildeten Menge, sondern
es reagiert auch mit dem Chlor in der Anodenkammer unter Bildung von Chlorsäure und
Chlorat. Der Hauptbestand des Chlorats ist Natriumchlorat, welches extrem stabil ist und
kaum zerfällt. Die Ansammlung von Natriumchlorat senkt die Löslichkeit des
Alkalimetallchlorids in der wäßrigen Lösung. Die abgesenkte Konzentration an Alkalimetallchlorid
ermöglicht es, daß mehr Sauerstoff in das Chlor Eingang findet, das an der Anode gebildet
wird. Dies hat nachteilige Auswirkungen auf die Elektrolyse selbst.
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Dieser Nachteil kann dadurch eliminiert werden, daß man der Anodenkammer
Chlorwasserstoffsäure in einer Menge zusetzt, die der Stromeffizienz der Ionenaustauschmembran
äquivalent ist. Die Chlorwasserstoffsäure neutralisiert das Alkalimetallhydroxid, das von der
Kathodenkammer durch die Kationenaustauschmembran gewandert ist, wodurch das
Alkalimetallhydroxid in der Anodenkammer in das anfänglich eingesetzte Alkalimetallchlorid
umgewandelt wird. Dies verhindert die nachteiligen Auswirkungen, die durch die Bildung
von Natriumchlorat hervorgerufen werden, und säuert die Anodenkammer an, was zu einer
verbesserten Reinheit des erhaltenen Chlors führt.
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Jedoch bringt der Zusatz von Chlorwasserstoffsäure ein Problem mit sich, das mit der
ungleichmäßigen Verteilung der Säurekonzentration in der Elektrolysezelle verbunden ist.
Wenn das Zugabeverfahren nicht präzise ist, kann dies zu einer lokalen Korrosion der
verschiedenen Teile der Elektrolysezelle führen. Außerdem ist es erforderlich, synthetische
Chlorwasserstoffsäure hoher Reinheit zu verwenden. Mit anderen Worten: Es ist
erforderlich, Chlorwasserstoffsäure aus Chlor herzustellen, das durch die Elektrolyse
erhalten wurde. Dies senkt die Effizienz der Chlor-Produktion und addiert die Kosten für
eine Synthese von Chlorwasserstoffsäure aus Chlor zu den Kosten des Verfahrens.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Elektrolyse einer
wäßrigen Lösung von Alkalimetallchlorid zu schaffen, wobei das Verfahren die effiziente
Produktion von Alkalimetallhydroxid hoher Reinheit und Chlor ohne die Notwendigkeit eines
Zusatzes weiterer Chemikalien erlaubt. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, das Problem zu lösen, das mit dem oben beschriebenen herkömmlichen
Ionenaustauschmembran-Verfahren inhärent verbunden ist und durch die Wanderung von
Alkalimetallhydroxid von der Kathodenkammer in die Anodenkammer hervorgerufen wird.
Kurze Beschreibung der Figur
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Die Figur ist ein Fließdiagramm für die Elektrolyse einer wäßrigen Lösung von
Alkalimetallchlorid:
Erläuterung:
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1 Hilfs-Elektrolysezelle
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2 Ionenaustauschmembran
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3 Anodenkammer
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4 Kathodenkammer
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5 Wasserstoffgas-Elektrode
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6 Kathode
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7 Zweigleitung
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8 Ionenaustauschmembran
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9 Anodenkammer
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10 Kathode
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11 Haupt-Elektrolysezelle.
Detailllierte Beschreibung der Erfindung
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Um die oben angesprochenen und andere Aufgaben zu lösen, findet die vorliegende
Erfindung Ausprägung in einem Verfahren zum Elektrolysieren einer wäßrigen Lösung eines
Alkalimetallchlorids, das die Schritte umfaßt, daß man eine Teilmenge einer wäßrigen
Lösung eines Alkalimetallchlorids in eine Hilfs-Elektrolysezelle des Typs mit einer
Kationenaustauschmembran einleitet, in der die Anode eine Wasserstoffgas-Elektrode ist,
wodurch man eine Elektrolyse unter Erzeugen von Chlorwasserstoffsäure in der
Anodenkammer bewirkt, und die Chlorwasserstoffsäure enthaltende wäßrige Lösung eines
Alkalimetallchlorids zusammen mit dem Rest der wäßrigen Lösung des Alkalimetallchlorids in die
Haupt-Elektrolysezelle einleitet, die ein Diaphragma aus einer Kationenaustauschmembran
aufweist, wodurch man Chlor in der Anodenkammer und Alkalimetallhydroxid in der
Kathodenkammer produziert.
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Die Erfindung wird nachfolgend weiter im Detail erläutert.
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In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine Teilmenge einer wäßrigen Lösung
eines Alkalimetallhydroxids (als Ausgangsmaterial für die Elektrolyse) in eine Hilfs-
Elektrolysezelle geleitet, in der die Anode eine Wasserstoffgas-Elektrode ist, bevor sie in
die Haupt-Elektrolysezelle geleitet wird. Bei diesem Schritt wird Chlorwasserstoffsäure in
der Anodenkammer der Hilfs-Elektrolysezelle erzeugt. Die wäßrige Lösung des
Alkalimetallchlorids, die Chlorwasserstoffsäure und nicht elektrolysiertes Alkalimetallchlorid enthält,
wird zusammen mit dem Rest der wäßrigen Lösung des Alkalimetallchlorids in die Haupt-
Elektrolysezelle des Typs mit üblicher Ionenaustauschmembran eingeleitet. Dadurch wird
die Chlorwasserstoffsäure und das Alkalimetallhydroxid, das durch die Elektrolyse in der
Kathodenkammer gebildet wurde und in die Anodenkammer durch die
Ionenaustauschmembran hindurchgewandert ist, neutralisiert, und eine Reaktion zwischen dem gewanderten
Alkalimetallhydroxid und dem bei der Elektrolyse entstehenden Chlor wird verhindert. Auf
diesem Weg löst die vorliegende Erfindung das oben angesprochene Problem, das mit der
Bildung von Chlorsäure verbunden ist.
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Die Hilfs-Elektrolysezelle besteht aus einer Anodenkammer und einer Kathodenkammer, die
voneinander durch eine Kationenaustauschmembran getrennt sind, wie dies in der
Druckschrift EP-A 0 522 382 offenbart ist. Die einzige Reaktion, die in der Anodenkammer
der Hilfs-Elektrolysezelle stattfindet, ist die Reaktion
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H&sub2; T 2 H&spplus; + 2 e&supmin;
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(Potential 0 V), und zwar aufgrund der Wasserstoff-Depolarisation. Die Reaktion
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Cl&supmin; T Cl&sub2;+ 2 e&supmin;
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(Potential etwa 1,3 V) findet nicht statt. Daher beträgt das Potential in der Anodenkammer
0 V, und was in der Anodenkammer stattfindet, ist vielmehr die Dissoziation von Salz. In
der Kathodenkammer reagieren Alkalimetall-Ionen (z.B. Natrium-Ionen) mit Hydroxyl-
Ionen, die in Übereinstimmung mit der Gleichung
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2 H&sub2;O + 2 e&supmin; T 2 OH&supmin; + H&sub2;
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gebildet werden, unter Bildung von Alkalimetallhydroxid und unter Erzeugung von
Wasserstoffgas. Andererseits reagieren in der Anodenkammer Chlorid-Ionen in der wäßrigen
Lösung von Alkalimetallchlorid mit Wasserstoff-Ionen, die durch die elektrolytische
Dissoziation gebildet werden unter Erhalt von Chlorwasserstoffsäure in Übereinstimmung
mit der Gleichung
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Cl&supmin; + H&spplus; T HCl.
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Die in der Hilfs-Elektrolysezelle gebildete Chlorwasserstoffsäure hat üblicherweise eine
Konzentration von etwa 1 bis 10 Gew.-%, in Abhängigkeit von den Bedingungen der
Elektrolyse (wie beispielsweise der verwendeten Ionenaustauschmembran und der
Zuleitungsgeschwindigkeit der Lösung).
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Der für die Wasserstoff-Depolarisation in der Anodenkammer zu verwendende Wasserstoff
kann von einer getrennten Wasserstoffquelle oder durch Im-Kreislauf-Leiten des
Wasserstoffs zugeführt werden, der in der Kathodenkammer gebildet wird. Im erstgenannten Fall
kann die Kathode eine Sauerstoff- oder Luft-Kathode sein, da es nicht erforderlich ist,
Wasserstoff in der Kathodenkammer zu erzeugen.
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Die Wasserstoffgas-Elektrode in der Hilfs-Elektrolysezelle kann eine herkömmliche
Gaselektrode sein, die aus einem hydrophilen Teil und aus einem hydrophoben Teil besteht.
Die Gaselektrode kann hergestellt werden durch Behandeln einer Seite des Substrats, das das
Katalysator-Metall trägt, mit Polytetrafluorethylen (nachfolgend abgekürzt als "PTFE"), um
dieses hydrophob zu machen.
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Es gibt keine spezielle Beschränkung hinsichtlich des Verhältnisses an Gesamtmenge der
wäßrigen Lösung von Alkalimetallchlorid zur Menge an wäßriger Lösung von
Alkalimetallchlorid, das der Hilfs-Elektrolysezelle zugeleitet wird. Es ist wünschenswert, das Verhältnis
so einzustellen, daß dann, wenn die HCl enthaltende wäßrige Lösung des
Alkalimetallchlorids, die aus der Hilfs-Elektrolysezelle abgelassen wird, mit der restlichen wäßrigen
Lösung des Alkalimetallchlorids zusammengegeben wird, die Chlorwasserstoffsäure eine
Konzentration von 0,2 bis 5,0 Gew.-% aufweist. Die Konzentration an
Chlorwasserstoffsäure kann schwanken, solange eine bestimmte Menge an Chlorwasserstoffsäure, die zur
Neutralisation des Alkalimetallchlorids erforderlich ist, das durch die
Ionenaustauschmembran der Haupt-Elektrolysezelle wandert, der Haupt-Elektrolysezelle zugeführt wird. Es ist
wünschenswert, daß die Menge an Chlorwasserstoffsäure, die der Haupt-Elektrolysezelle
zugeleitet wird, geringer ist als die Menge, die zur Neutralisation des Alkalimetallhydroxids
erforderlich ist, da eine Überschußmenge an Chlorwasserstoffsäure, die der Haupt-
Elektrolysezelle zugeleitet wird, den Elektrolyten in der Haupt-Elektrolysezelle ansäuert, was
eine Korrosion der verschiedenen Teile der Zelle hervorruft.
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Ein Vorteil der Tatsache, daß man eine Wasserstoffgas-Elektrode als Anode hat, besteht
darin, daß die gesamte Elektrolyt-Spannung für die Elektrolyse der wäßrigen
Alkalimetallchlorid-Lösung etwa 2 V beträgt, was etwa zwei Drittel der Spannung bei der
herkömmlichen Elektrolyse von Alkalimetallchlorid entspricht. Die Gesamt-Elektrolysespannung von
2 V setzt sich zusammen aus dem Gleichgewichtspotential der Kathode, das etwa 0,8 V
beträgt, dem Anodenpotential von 0 bis 0,2 V, dem Membran-Widerstand von 0,2 bis 0,3
V, dem Widerstand der Lösung von 0,2 bis 0,3 V, der Elektroden-Überspannung von 0,2
bis 0,3 V und anderen Widerständen.
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In der Anodenkammer der Hilfs-Elektrolysezelle bilden sich Chlorwasserstoffsäure und die
wäßrige Alkalimetallchlorid-Lösung. In der Kathodenkammer der Hilfs-Elektrolysezelle
bildet sich die wäßrige Lösung (etwa 10 Gew.-%) des Alkalimetallhydroxids. Die HCl
enthaltende wäßrige Alkalimetallchlorid-Lösung, die sich in der Anodenkammer bildet, wird
aus der Hilfs-Elektrolysezelle abgelassen und anschließend mit der wäßrigen
Alkalimetallchlorid-Lösung zusammengegeben, die nicht der Hilfs-Elektrolysezelle zugeleitet wurde, und
die Mischung (die eine saure wäßrige Lösung von Alkalimetallchlorid ist) wird der Haupt-
Elektrolysezelle zugeleitet. Das Alkalimetallhydroxid, das sich in der Hilfs-Elektrolysezelle
gebildet hat, kann der Haupt-Elektrolysezelle zugeleitet oder als Produkt verwendet oder
dem Produkt in der Haupt-Elektrolysezelle zugegeben werden.
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Die Haupt-Elektrolysezelle ist eine eine Ionenaustauschmembran aufweisende
Elektrolysezelle, die durch eine Kationenaustauschmembran geteilt wird, wie in der herkömmlichen
Elektrolysezelle für Alkalimetallchlorid. Die Anode ist eine formbeständie Anode, die aus
einem Titan-Substrat und einem Überzug aus einem Oxid eines Metalls der Platingruppe
besteht, und die Kathode ist ein Nickel-Sieb, das mit einer Elektrodensubstanz überzogen
ist.
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Die HCl enthaltende saure wäßrige Alkalimetallchlorid-Lösung, die der
Haupt-Elektrolysezelle zugeleitet wurde, wird unter Normalbedingungen unter Erhalt von Chlor und
Alkalimetallhydroxid
in der Anodenkammer bzw. Kathodenkammer elektrolysiert. Das
Alkalimetallhydroxid wandert teilweise in die Anodenkammer durch die oben erwähnte
Ionenaustauschmembran. Da die Anodenkammer mit der sauren wäßrigen Alkalimetallchlorid-Lösung
versorgt wird, reagiert das Alkalimetallhydroxid, das durch die Membran gewandert ist,
unmittelbar mit der Chlorwasserstoffsäure unter Neutralisation und Erhalt von
Alkalimetallchlorid. Dies verhindert, daß das Alkalimetallhydroxid, das hindurchgewandert ist, in
Chlorate usw. umgewandelt wird, was die Reinheit in nachteiliger Weise beeinträchtigt.
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Da die wäßrige saure Alkalimetallchlorid-Lösung, die der Haupt-Elektrolysezelle zugeleitet
wird, Chlorwasserstoffsäure einheitlich verdünnt und darin gelöst enthält, gibt es keine
Schwankungen der Säurekonzentration, im Unterschied zur herkömmlichen sauren wäßrigen
Lösung, die durch direkte Zugabe von Chlorwasserstoffsäure hergestellt wird. Dies
verhindert die Korrosion der verschiedenen Teile der Zelle.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte
Figur beschrieben.
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Die Figur ist ein Flußdiagramm für die Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchlorid-
Lösung.
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Es wird eine Hilfs-Elektrolysezelle 1 gezeigt, die in eine Anodenkammer 3 und eine
Kathodenkammer 4 durch eine Ionenaustauschmembran 2 geteilt ist. Die Anodenkammer 3
weist eine Anode 5 an ihrem Ende auf, die eine Wasserstoffgas-Elektrode ist. Die
Kathodenkammer 4 weist eine Elektrode 6 auf, die ein Nickel-Netz oder dergleichen ist.
Eine Teilmenge der als Ausgangsmaterial verwendeten Salzlake wird in die Anodenkammer
3 geleitet, und der Rest der Salzlake wird zum Auslaß der Anodenkammer 3 über eine
Zweigleitung 7 geleitet. Reines Wasser wird in die Kathodenkammer 4 geleitet.
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Wenn die Anode 5 mit Wasserstoffgas versorgt wird und die Hilfs-Elektrolysezelle 1 unter
Strom gesetzt wird, bildet sich an der Anode 5 Chlorwasserstoffsäure als Ergebnis der
Reaktion zwischen den Chlor-Ionen (aus der Dissoziation von Natriumchlorid) und
Wasserstoff-Ionen (aus der Oxidation von Wasserstoffgas). In der Kathodenkammer bildet
sich Alkalimetallhydroxid wie bei der üblichen Elektrolyse von Alkalimetallchlorid. Die
Anodenkammer 3 enthält einen Elektrolyten, der eine saure wäßrige Lösung von
Alkalimetallchlorid ist, die aus Chlorwasserstoffsäure und nicht umgesetztem
Alkalimetallchlorid besteht. Die saure wäßrige Alkalimetallchlorid-Lösung wird aus der Elektrolysezelle
1 abgelassen und anschließend mit dem Rest der wäßrigen Alkalimetallchlorid-Lösung
zusammengegeben, die durch die Zweigleitung 7 zugeleitet wurde. Die resultierende
Mischung ist eine saure wäßrige Alkalimetallchlorid-Lösung, die verdünnte
Chlorwasserstoffsäure enthält. In der Kathodenkammer 4 wird Alkalimetallhydroxid niedriger
Konzentration gebildet, und dies kann entweder aus der Hilfs-Elektrolysezelle 1 abgelassen
oder der Kathodenkammer der Haupt-Elektrolysezelle zugeleitet werden.
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Die oben erwähnte verdünnte saure wäßrige Alkalimetallchlorid-Lösung wird in die
jeweiligen Anodenkammern 9 der Haupt-Elektrolysezellen 11, die parallel zueinander
angeordnet sind, eingeleitet, von denen jede eine Anodenkammer 9 und eine
Kathodenkammer 10 aufweist, die voneinander durch eine Ionenaustauschmembran 8 getrennt sind. Die
Kathodenkammer 10 wird mit reinem Wasser oder einer verdünnten wäßrigen
Alkalimetallchlorid-Lösung befüllt. Sobald jede Haupt-Elektrolysekammer 11 unter Strom gesetzt wird,
bilden sich Alkalimetallhydroxid und Wasserstoff in der Kathodenkammer 10 und bildet sich
Chlor in der Anodenkammer 9. Das Alkalimetallhydroxid, das sich in der Kathodenkammer
10 bildet, wandert durch die Ionenaustauschmembran 8 in die Anodenkammer 9. Das
Alkalimetallhydroxid reagiert mit der in der Anodenkammer 9 vorhandenen
Chlorwasserstoffsäure unter Bildung von Alkalimetallchlorid und Wasser, wobei diese Reaktion schneller
ist als dessen Reaktion mit Chlor. Dies verhindert die Bildung von Chlorat usw.. Darüber
hinaus verhindert die Gegenwart von Chlorwasserstoffsäure den Eintritt von Sauerstoff in
das Chlor. So ist es möglich, Chlor-Gas hoher Reinheit zu produzieren.
Beispiele
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben, die die
Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchlorid-Lösung demonstrieren. Es ist nicht
beabsichtigt, daß die Beispiele den Umfang der Erfindung beschränken. Solange nichts
anderes angegeben ist, sind Prozentangaben auf das Gewicht bezogene Angaben.
Beispiel 1
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20 Elektrolysezellen, von denen jede eine Elektrolyseoberfläche einer Breite von 50 mm und
einer Höhe von 200 mm aufwies, wurden zum Gebrauch fertig gemacht. Zur Herstellung
einer Wasserstoffgas-Elektrode wurde ein Carbonfaser-Tuch mit einer Länge von 220 mm
und einer Breite von 70 mm mit einer abgeschiedenen Beschichtung aus Platin versehen (0,5
mg/cm²), und eine Seite davon wurde mit PTFE behandelt, um sie hydrophob zu machen.
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Diese Wasserstoffgas-Elektrode wurde an einer der 20 Elektrolysezellen befestigt. Die
Elektrolysezelle wurde in eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer durch eine
Kationenaustauschmembran des Sulfonsäure-Typs unterteilt (Produkt "Nafion 324",
hergestellt von der Firma E.I. Du Pont de Nemours and Company). Die Anodenkammer
wurde mit einem Einlaß für die wäßrige Natriumchlorid-Lösung versehen. Die
Kathodenkammer wurde mit einem Einlaß für reines Wasser versehen. Die Anodenkammer und die
Kathodenkammer umfassen die Hilfs-Elektrolysezelle. Jede der verbleibenden 19
Elektrolysezellen wurde in eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer durch eine
Kationenaustauschmembran unterteilt ("Nafion 90209"; hergestellt von der Firma E.I. Du
Pont de Nemours and Company). Die Anodenkammer wurde mit einem Titan-Sieb (als
Anode) mit einer Länge von 200 mm und einer Breite von 50 mm versehen, das mit einer
Platin-Iridium-Legierung (70:30) überzogen war. Die Kathodenkammer wurde mit einem
Nickel-Sieb (als Kathode) ausgestattet, das mit Raney-Nickel überzogen war. Die
Anodenkammer und die Kathodenkammer bildeten die Haupt-Elektrolysezelle. Die Haupt-
Elektrolysezellen wurden in paralleler Anordnung miteinander verbunden.
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Der Einlaß für die wäßrige Natriumchlorid-Lösung, der an der Hilfs-Elektrolysezelle
angebracht ist, ist mit einer Zweigleitung verbunden. Das Ende der Zweigleitung wird in
die Nähe des Auslasses der Anodenkammer geführt, so daß die saure wäßrige
Natriumchlorid-Lösung, die aus der Anodenkammer abgeleitet wird, mit der wäßrigen
Natriumchlorid-Lösung der Zweigleitung unter Erhalt einer verdünnten sauren wäßrigen
Natriumchlorid-Lösung gemischt wird, die anschließend der Anodenkammer jeder der Haupt-
Elektrolysezellen zugeleitet wird.
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Die Elektrolyse wird bei einer Stromdichte von 30 A/dm² und einer Elektrolysespannung
von 2,1 V durchgeführt, wobei die Anodenkammer und die Kathodenkammer der Hilfs-
Elektrolysezelle jeweils mit 30 % einer gesättigten wäßrigen Natriumchlorid-Lösung bzw.
Wasser beaufschlagt werden. Es wurde gefunden, daß die saure wäßrige Natriumchlorid-
Lösung, die aus der Anodenkammer abgeleitet wurde, 1,7 % Chlorwasserstoffsäure enthielt,
und daß die Konzentration an Natriumhydroxid, das aus der Kathodenkammer abgezogen
wurde, 10 % betrug. Die Stromeffizienz betrug etwa 97 %.
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Die saure wäßrige Natriumchlorid-Lösung wurde mit dem Rest (70 %) der wäßrigen
Natriumchlorid-Lösung gemischt, die durch die Zweigleitung zugeleitet wurde. Die
resultierende gemischte Lösung wurde jeder der Anodenkammern der 19
Haupt-Elektrolysezellen zugeleitet. Die Elektrolyse wurde eine Woche lang bei einer Stromdichte von 30
A/dm² und einer Elektrolysespannung von 3,1 bis 3,2 V durchgeführt. Der pH-Wert der
Anodenflüssigkeit blieb stabil bei 3 bis 3,5. Es wurde gefunden, daß das aus der
Anodenkammer abgelassene Chlor-Gas 0,2 % Sauerstoff enthielt und daß es im wesentlichen
keine Bildung von Chlorat gab. Es wurde auch gefunden, daß das aus der Kathodenkammer
abgezogene Natriumhydroxid eine Konzentration von 32 % hatte und daß die
Ionenaustauschmembran in der Haupt-Elektrolysezelle eine Stromeffizienz von 95 % für die Bildung
von Natriumhydroxid erbrachte.
Vergleichsbeispiel 1
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Die Elektrolyse wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der
Ausnahme, daß die wäßrige Natriumchlorid-Lösung nicht der Hilfs-Elektrolysezelle
zugeleitet wurde, sondern der Haupt-Elektrolysezelle zugeleitet wurde. Die
Ionenaustauschmembran erbrachte eine Stromeffizienz von 95 % für die Bildung von Natriumhydroxid, wie
in Beispiel 1. Jedoch hatte das resultierende Chlor-Gas eine geringe Reinheit bei einer
Sauerstoff-Konzentration, die bei einem hohen Wert von 1,0 % lag, und es wurde gefunden,
daß die Kathodenflüssigkeit 2 % Chlorat enthielt.
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Die vorliegende Erfindung findet ihre Ausprägung in einem Verfahren zur Elektrolyse einer
wäßrigen Alkalimetallchlorid-Lösung, das die Schritte umfaßt, daß man einen Teil einer
wäßrigen Alkalimetallchlorid-Lösung in eine Hilfs-Elektrolysezelle des
Kationenaustauschmembran-Typs einleitet, in der die Anode eine Wasserstoffgas-Elektrode ist, wodurch man
eine Elektrolyse unter Erzeugung von Chlorwasserstoffsäure in der Anodenkammer bewirkt,
und die Chlorwasserstoffsäure enthaltende wäßrige Alkalimetallchlorid-Lösung zusammen
mit dem Rest der wäßrigen Alkalimetallchlorid-Lösung in die Haupt-Elektrolysezelle
einleitet, die ein Diaphragma aus einer Kationenaustauschmembran aufweist, wodurch man
Chlor in der Anodenkammer und Alkalimetallhydroxid in der Kathodenkammer produziert.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Teilmenge der wäßrigen Alkalimetallchlorid-
Lösung (als Ausgangsmaterial für die Elektrolyse) in eine Hilfs-Elektrolysezelle eingeleitet,
in der die Anode eine Wasserstoffgas-Elektrode ist, bevor sie in die Haupt-Elektrolysezelle
geleitet wird. Eine Elektrolyse wird bewirkt unter Erzeugung von Chlorwasserstoffsäure in
der Anodenkammer der Hilfs-Elektrolysezelle. Die wäßrige Alkalimetallchlorid-Lösung, die
Chlorwasserstoffsäure enthält, wird mit dem Rest der wäßrigen Alkalimetallchlorid-Lösung
gemischt, und die Mischung wird in die Haupt-Elektrolysezelle eingeleitet. Die
Chlorwasserstoffsäure neutralisiert das Alkalimetallhydroxid, das durch Elektrolyse in der
Kathodenkammer gebildet wurde und in die Anodenkammer durch die Ionenaustauschmembran gewandert
ist. Dies verhindert die Reaktion zwischen dem durchgewanderten Alkalimetallhydroxid und
dem resultierenden Chlor. Auf diesem Weg ist es möglich, Alkalimetallhydroxid hoher
Reinheit und Chlor zu produzieren, wobei man die Bildung von Chlorat verhindert, das eine
nachteilige Wirkung auf die Löslichkeit von Alkalimetallchlorid aufweist.
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Es war herkömmliche Praxis bei der Elektrolyse von Alkalimetallchlorid,
Chlorwasserstoffsäure zuzusetzen, um die nachteilige Wirkung zu vermeiden, die durch die Wanderung von
Alkalimetallhydroxid hervorgerufen wurde. Der Zusatz von Chlorwasserstoffsäure ist
problematisch und erfordert einen zusätzlichen Schritt für die Synthese von
Chlorwasserstoffsäure. Außerdem bringt dies ein Problem, das mit der ungleichmäßigen Verteilung der
Chlorwasserstoffsäure verbunden ist, was die Korrosion der verschiedenen Teile der
Elektrolysezelle hervorruft.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, Chlorwasserstoffsäure zu
synthetisieren und zuzusetzen, da Chlorwasserstoffsäure in dem System produziert wird.
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Außerdem gibt es keine Möglichkeit einer Korrosion, da Chlorwasserstoffsäure einheitlich
gelöst ist.
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Außerdem wird in der Hilfs-Elektrolysezelle auch Alkalimetallhydroxid gebildet. Mit
anderen Worten: keine der Elektrolysezellen wird verschwendet. Es ist so möglich,
Alkalimetallhydroxid hoher Reinheit zu produzieren, wobei man eine hohe
Produktionseffizienz aufrechterhält.