DE69821955T2 - Neue dreidimensionale elektrode - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Elektrochemische Zellkonstruktionen werden als ungeteilt bezeichnet, wenn die Lösung, die elektrolytisch zersetzt wird, frei an der Anode und der Kathode vorbeiströmt, oder werden als geteilt bezeichnet, wenn die Kathode und die Anode voneinander durch eine ionendurchlässige Membran getrennt sind, die ein Vermischen der mit der Kathode in Kontakt kommenden Lösung (Katholyt) mit der mit der Anode in Kontakt kommenden Lösung (Anolyt) verhindert. Obwohl sie konzeptionell einfach sind, leiden geteilte Zellen im Vergleich mit ungeteilten Zellen in der Praxis unter Nachteilen. Der erste Nachteil ist der Bedarf an einer teilenden, ionendurchlässigen Membran, die die Zellgesamtspannung erhöht und Stabilitäts-, Vergiftungs-, Druckunterschieds- und Temperaturbeschränkungen zur Folge hat, die beim kommerziellen Betrieb ein regelmäßiges Demontieren der Zelle notwendig machen können. Außerdem erhöhen die zwei getrennten Lösungen, die rezirkuliert werden müssen, bei einem bestimmten Verfahren den notwendigen Pump-, Tankkapazitäts- und Rohrleitungsbedarf. Die geteilte Zelle ist jedoch typischerweise in Situationen notwendig, bei denen die gewünschte Chemie an der Arbeitselektrode durch Kontakt mit der Gegenelektrode oder durch Reaktionsprodukte, die an der Gegenelektrode erzeugt werden, nachteilig beeinflusst wird. Wenn beispielsweise eine Reduktion an der Kathode elektrochemisch reversibel ist, dann würden die an der Kathode eingebrachten Elektronen an der an Anode entzogen, was zu einem unproduktiven Redoxzyklus führen würde. Entsprechend wäre, wenn eine an der Kathode erzeugte Spezies sauerstoffempfindlich ist und sich Sauerstoff an der Anode entwickelt, ein Kontakt mit dem Anodenprodukt Sauerstoff für das kathodische Reduktionsverfahren schädlich.
  • Die WO 91/00379 beschreibt eine Elektrolysezelle für Elektrolyseverfahren, bei denen sich Gas entwickelt, die parallele Platten aufweist, die die Bewegung der Gasblasen steuern. Der Artikel "Studies of three-dimensional electrodes in the FM01-LC laboratory electrolyser", C. J. Brown et al., Journal of Applied Electrochem., 24 (1994), Seiten 95–106 vergleicht die Leistung einer dreidimensionalen Elektrodenkonfiguration.
  • Es wäre sehr gewünscht, ein Verfahren und eine Zellkonfiguration zu haben, die die Leistungsvorteile einer geteilten Zellkonfiguration in einer ungeteilten Zelle zur Anwendung bei solchen Reaktionssystemen bereitstellen. Die Erfindung der Anmelder befriedigt diesen Bedarf.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Beschreibung liefert:
  • Eine erste veranschaulichende Ausführungsform, die eine Arbeitselektrode zur Verwendung in einer ungeteilten elektrochemischen Zelle ist, die ein dreidimensionales, zickzackgefaltetes Plattenelement mit einer offenen Fläche von 0 bis 50% umfasst.
  • Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist eine ungeteilte elektrochemische Zelle, die: Gegenelektrode, Stromversorgungsmittel, Arbeitselektrode, die aus mindestens einem dreidimensionalen, zickzackgefalteten flächigen Element mit einer offenen Oberfläche von Null bis 50% zusammengesetzt ist, wobei die Arbeitselektrode mit dem Stromversorgungsmittel verbunden ist und zwischen der Gegenelektrode und dem Stromversorgungsmittel angeordnet ist, Mittel zum Bewirken des Zirkulierens von Elektrolyt, der das zu behandelnde Ausgangsmaterial enthält, durch die Zelle in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Falten in dem flächigen Teil und isolierendes Gehäuses umfasst, das die Gegenelektrode, Stromversorgungsmittel und Arbeitselektrode umschließt und das zu einer Beschränkung der Elektrolytströmung senkrecht zu den Falten in dem flächigen Teil führt.
  • Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur elektrochemischen Behandlung eines Metalle-haltigen Kohlen wasserstoffstroms in einer ungeteilten elektrochemischen Zelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
  • Die vorliegende Erfindung kann geeigneterweise die hier beschriebenen Elemente umfassen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A veranschaulicht eine erfindungsgemäße "zickzack- oder Z-gefaltete", dreidimensionale Elektrode.
  • 1B veranschaulicht eine Querschnittsansicht für ein Isolierungsmittel als Gehäuse für die zickzack- oder Z-gefaltete Elektrode von 1A.
  • 2 ist eine Auftragung der Gesamtvanadiumkonzentration und der Konzentration von zwei Vanadium-haltigen Spezies in ppm (y-Achse) gegen die Zeit (x-Achse) für eine herkömmliche ungeteilte Zelle.
  • 3 ist eine Auftragung der Gesamtvanadiumkonzentration und der Konzentration von zwei Vanadium-haltigen Spezies in ppm (y-Achse) gegen die Zeit (x-Achse) für eine herkömmliche geteilte Zelle.
  • 3 ist eine Auftragung der Gesamtvanandiumkonzentration und der Konzentration von drei Vanadium-haltigen Spezies in ppm (y-Achse) gegen die Zeit (x-Achse) in einer erfindungsgemäßen ungeteilten Zelle.
  • 5A veranschaulicht eine Aufsicht der Elektrodenstapelkonfiguration, die die zickzack- oder Z-gefaltete, drei – dimensionale Arbeitselektrode in einer kommerziell erhältlichen Zelle enthält.
  • 5B ist eine Seitenansicht der Elektrodenstapelkonfiguration von 5A.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte ungeteilte elektrochemische Zellkonfiguration, eine neuartige Arbeitselektrodenkonfiguration, die dabei verwendet wird, und ein Verfahren zur Behandlung von Reaktanten bereit, das Zwischenprodukte oder Spezies erzeugt, die elektrochemisch reversibel sind oder ansonsten in Gegenwart der entgegengesetzt geladenen Elektrode (d. h. der Gegenelektrode) unerwünschte Reaktionen eingehen.
  • Ein Element der Erfindung liefert eine Elektrode, die aus einem dreidimensionalen, zickzack- oder Z-gefalteten oder -gefalzten Teil zusammengesetzt ist. Es kann massiv oder porös sein, d. h. eine Porosität von 0 bis 50% offene Fläche. Typischerweise besteht es aus Metall, dies schließt jedoch die Verwendung von anderen Materialien, z. B. Kohlenstoff, nicht aus, vorausgesetzt, sie können in die erforderliche Form gebracht werden und sind ansonsten als Arbeitselektrode in dem bestimmten Verfahren geeignet.
  • Die Erfindung liefert einen elektrochemischen Reaktor oder eine elektrochemische Zelle, der oder die die neuartige dreidimensionale Elektrode umschließt. Der Reaktor oder die Zelle hat eine Elektrolytkabine oder -kammer zum Einbringen des Elektrolytmediums, das das elektrochemisch zu behandelnde Material enthält, Mittel zum Einspeisen von Strom in die Zelle und Mittel zum Strömenlassen von Elektrolyt durch die Zelle. Die Elektrolytkammer ist definiert durch einen oberen Bereich, der das Stromvesorgungs- oder -zuführungsmittel ist, vorzugsweise eine Platte, und einen unteren Bereich, der parallel zu dem oberen Bereich verläuft und der eine Gegenelektrode für die dreidimensionale, gefaltete oder Z-förmige Arbeitselektrode ist, und nicht leitende Strömungsverteiler und Abstandhalter definieren die Seiten der Kammer. Die dreidimensionale gefaltete Elektrode ist in der Elektrolytkammer angeordnet und mit dem Stromversorgungsmittel verbunden. Der Elektrolyt in der Elektrolytkabine befindet sich in Kontakt mit der dreidimensionalen, gefalteten Arbeitselektrode. Die gefalteten Flächen sind typischerweise komprimiert, um eine dreidimensionale Arbeitselektrode zu bilden. Die Anzahl der Flächen und die Dicke jeder Faltung werden durch Reaktor- und Verfahrensparameter beeinflusst und können vom Fachmann ausgewählt werden.
  • Insbesondere umfasst der ungeteilte Reaktor oder die ungeteilte Zelle der vorliegenden Erfindung mindestens ein Paar von entgegengesetzt polarisierten Elektroden, die ein Elektrodenpaar bilden, das eine erste Elektrode enthält, die eine dreidimensionale Elektrode ist, die aus mindestens einem zickzack- oder Z-gefalteten flächigen oder Plattenteil zusammengesetzt ist. In allen Fällen ist erforderlich, dass die Porosität der Platte von Null bis weniger als 50% offene Flächen beträgt. Bevorzugt sind Platten mit einer geringeren prozentualen offenen Fläche, und eine gleichförmigen Verteilung der offenen Fläche ist, wenn diese vorhanden ist, bevorzugt. Wenn die Arbeitselektrode porös ist (d. h. die offene Fläche größer als Null ist und weniger als 50% beträgt), kann sie ein beliebiger Typ poröse Platte sein, wie Streckgitter, perforierte oder gestanzte Löcher oder Webdrahtgewebe, Fasern oder Fäden. Die Platte ist vorzugsweise eine dünne Platte, weil dickere Platten dazu neigen, das Volumen der elektrolytischen Apparatur zu erhöhen. Die Maße der Platte können vom Fachmann auf der Basis des gesamten Zellaufbaus und der elektrochemischen Reaktion, die durchgeführt wird, ausgewählt werden. Die Maße der Platte (d. h. Dicke, Länge, Durchmesser) können angesichts des gesamten Zellaufbaus variiert werden. Typischerweise sind die Faltungen oder Falten so, dass die Platte eine Länge hat, die größer als ihre Breite ist, andere Geometrien wie gefaltete Quadrate und gefaltete kreistörmige Scheiben sind jedoch nicht ausgeschlossen, mit der Maßgabe, dass in jedem Fall insgesamt die Elektrolytströmungsrichtungparallel zu den Faltungen/Falten in der Platte ist (diese Richt tung wird durch den Pfeil (1) in 1A angegeben) und die Querströmung (d. h. senkrecht zu der Richtung des Pfeils wie in 1A angegeben) wie nachfolgend beschrieben minimiert wird. Die Elektrodenmaterialien werden geeigneterweise angesichts des elektrochemischen Verfahrens, das durchgeführt wird, und in Abhängigkeit davon ausgewählt, ob die Elektrode als die Kathode oder die Anode wirken soll.
  • Die Reaktorkomponenten können käuflich erworben werden oder können durch Verfahren und unter Verwendung von Materialien gebaut werden, von denen in der Technik bekannt ist, dass sie für die elektrochemische Reaktion, die durchgeführt wird, geeignet sind (z. B. C. J. Brown, D. Pletcher, F. C. Walsh, J. K. Hammond, D. Robinson, Journal of Applied Electrochemistry, 1994, 24, Seiten 95–106, US-A-3 457 152). Eine geeignete Zelle wäre beispielsweise die SM01, die von ICI Industries, Großbritannien, erhältlich ist. Materialien, die zur Bildung der dreidimensionalen, gefalteten oder gefalzten Elektrode verwendet werden, können kommerziell bezogen werden. Die Verarbeitung zu gefalteten Teilen kann unter Verwendung von bekannten Techniken erfolgen.
  • Die dreidimensionale Elektrode ist parallel zu und getrennt von einer Gegenelektrode, und ein Stromversorger ist verbunden mit und wird verwendet, um Strom von der Elektrode, die als die Kathode wirkt, zu der Elektrode, die als die Anode wirkt, zu leiten. Strömungsverteilungsmittel bringen Elektrolyt, der das zu behandelnde Ausgangsmaterial hält, ein und zirkulieren ihn durch die Zelle in einer Netto- oder Massenströmungsrichtung parallel zu den Falten oder Faltungen in der dreidimensionalen Elektrode und zirkulieren den Elektrolyt durch die Zelle in Kontakt mit den Elektroden. Zwischen und im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Faltungen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrodenplatte befinden sich nicht reaktive Abstandshalter, um einen direkten Kontakt der Anode mit der Kathode, d. h. einen Kurzschluss, zu verhindern. Die Positionierung der Abstandshalter kann wie typischerwese in der Technik erfolgen. Vorzugsweise sind Gegenelektrode und Stromversorgungsmittel Plattenstrukturen und sind parallel zueinander. Das Strömungsverteilungsmittel liefert einen Einlass zum Einführen des Elektrolyten, der das zu behandelnde Ausgangsmaterial enthält, in und einen Auslass zum Entfernen desselben aus der Zelle und wird verwendet, um den Kontakt des Elektrolyten mit der Gegenelektrode zu minimieren und die Strömung des Elektrolyten durch die Falzungen oder Faltungen der Arbeitselektrode zu maximieren. Die allgemeine Richtung der Strömung durch die Zelle verläuft im Wesentlichen parallel zu den Faltungen oder Falzungen in der dreidimensionalen Arbeitselektrode. Die Anwesenheit von Poren in den zickzackgefalteten Platten des Arbeitselektrodenstapels kann zu einer gleichmäßigeren Potentialverteilung durch den Stapel führen. Somit verläuft, obwohl ein Teil des Elektrolyten an der Gegenelektrode vorbeiströmt (um den Stromkreis zu schließen), im Wesentlichen die gesamte Strömung durch die dreidimensionale, gefalzte Arbeitselektrode, um die Reversibilität der redoxaktiven intermediären Spezies oder unerwünschte Nebenreaktionen, die an der Gegenelektrode stattfinden, zu vermindern oder zu minimieren. Die 1A, 5A und 5B veranschaulichen den Aufbau der neuartigen Arbeitselektrode. 1B veranschaulicht das Isolierungsmittel, d. h. die Zellverkleidung oder das Zellgehäuse, in der oder dem der Elektrodenstapel untergebracht ist, um die Querströmung des Elektrolyten um die neuartige Arbeitselektrode herum zu minimieren.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen dreidimensionalen, gefalteten Elektrode ergibt sich aus ihrer einzigartigen Struktur anstatt aus den besonderen Materialien, aus denen sie zusammengesetzt ist. Somit ist die neuartige Elektrode/der neuartige Aufbau der elektrochemischen Zelle zur Anwendung in jeder beliebigen elektrochemischen Reaktion geeignet, die Zwischenprodukte oder Spezies erzeugt, die elektrochemisch reversibel sind oder ansonsten nicht zu gewünschten Endprodukten umgewandelt werden würden, wenn sie mit der Gegenelektrode in Kontakt kämen. Die erfindungsgemäße dreidimensionale, gefaltete Arbeitselektrode ergibt somit die Vorteile einer geteilten elektrochemischen Zelle in einer ungeteilten Zellkonfiguration.
  • Die erfindungsgemäße gefaltete Elektrodenkonfiguration und der Weg des Elektrolyten durch sie hindurch unterscheiden sich von in der Technik bekannten dreidimensionalen Elektroden wie Sieben und Strukturen vom Honigwabentyp, bei denen die Poren oder Kanäle in den Elektrodenplatten regelmäßig definiert und orientiert sind und die Strömung des Elektrolyten durch die Struktur der Elektrode nicht beschränkt wird, um die Strömung um die dreidimensionale Elektrode herum und den Kontakt des Elektrolyten mit der Gegenelektrode (d. h. Strömung) und Umströmung zu verhindern oder zu minimieren. Die gestapelten Gittersiebe, Metallschäume, gestapelten Netze und gestapelten Gitter, die typischerweise bei der Konstruktion von in der Technik bekannten dreidimensionalen Elektroden eingesetzt werden, werden typischerweise in Mustern aufgebaut, die eine Strömung durch und um die Elektrode herum ergeben, und können zufällig oder regelmäßig orientiert sein. Vorzugsweise wird die Arbeitselektrode so aufgebaut, dass sie einen verbesserten Kontakt des zu behandelnden Elektrolyten und Ausgangsmaterials mit der Arbeitselektrode ermöglicht, während der Kontakt des Ausgangsmaterials und der redoxaktiven Zwischenprodukte mit der Gegenelektrode minimiert wird. Dies hält eine Trennung der neuartigen Elektrode und der Gegenelektrode trotz der Zirkulierung des Elektrolyten effektiv aufrecht, so dass in dem System der Anmelder die Lösung, die an der Arbeitselektrode einer Reduktion unterworfen ist, einen im Wesentlichen verminderten Kontakt mit oder eine wesentlich verminderte Exposition gegenüber der Gegenelektrode hat. Typischerweise ermöglicht die erfindungsgemäß eingesetzte dreidimensionale Elektrode, dass ein wesentlicher Teil, typischerweise mindestens 90%, des Elektrolytvolumens des Elektrolyten mit der Arbeitselektrode in Kontakt kommt und beschränkt, was wichtiger ist, den Kontakt mit der Gegenelektrode auf ein geringes Maß, das ausreicht, um den Strömungsfluss durch die Zelle zu unterstützen, typischerweise etwa 10% oder weniger. Die Zellkonfiguration und neuartige Elektrodenstruktur der Anmelder ergeben eine Umströmungs- und Querströmungsbeschränkung und d. h. eine Verminderung der Elektrolytströmung senkrecht zu den Falten oder Faltungen der Arbeitselektrode und um die Arbeitselektrode herum. Vorteilhafterweise führt dies zu einer weiteren Verbesserung der Geschwindigkeit der gewünschten Reaktionen.
  • Vorteilhafterweise hat die hier beschriebene Elektrodenkonfiguration eine breite Anwendbarkeit auf eine beliebige chemische Umwandlung, bei der reaktive elektrochemische Zwischenprodukte hergestellt werden, die in Gegenwart der Gegenelektrode eine reversible Reaktion eingehen würden.
  • Der Elektrolyt ist geeigneterweise eine leitfähige Lösung, die die zu behandelnden Ausgangsmaterialien enthält. Der einzuspeisende Strom wird auf Basis der Zellkonfiguration und der zu behandelnden Materialien variiert. Diese können vom Fachmann auf der Basis von bekannten Faktoren ausgewählt werden.
  • Das Material, aus dem die neuartige Arbeitselektrode besteht, wird aufgrund seiner Eignung für die bestimmte Reaktion gewählt. Typischerweise werden Metalle oder Metalllegierungen wegen der relativ leichten Herstellbarkeit verwendet, die Verwendung von Kohlenstoff und anderen Materialien ist jedoch akzeptabel, unter der Voraussetzung, dass sie in der hier notwendigen zickzackgefalteten Form hergestellt werden können. Zum Beispiel ist bei der elektrochemischen Behandlung von Kohlenwasserstoffströmen, um den Gehalt an Metallen zu vermindern, z. B. um den Nickel- und Vanadium-Gehalt von organischen Spezies wie Metalloporphyrinen zu vermindern, die Arbeitselektrode eine Kathode und das Metall ist geeigneterweise Zink, Cadmium, Blei, Zinn und deren Legierungen, und Kohlenstoff, und wird zu einer zickzack- oder Z-gefalteten dünnen Fläche, Streckgitter oder Webdrahtgewebe verarbeitet. Metallstreckgitter ist kommerziell verfügbar, z. B. von der Exmet Corporation, und andere Materialien sind gleichermaßen kommerziell erhältlich.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird in 1A veranschaulicht. Der Elektrodenstapel besteht aus Anode (A), Abstandshaltern (B) zwischen Anode (A) und dreidimensionaler, zickzack-gefalteter Kathode (C). Verbunden mit Kathode (C) ist Stromplatte (D). Die Richtung der Strömung von zu behandelndem Elektrolyten und Ausgangsmaterial (1) verläuft parallel zu den Falten in der gefalteten Elektrode, wie durch den Pfeil angedeutet wird.
  • 1B veranschaulicht eine Querschnittsansicht von Isolierungsmittel (A), wie Verkleidung/Abdichtung, in die/das der Elektrodenstapel von 1A (B) eingesetzt ist, um eine Querströmungsbeschränkung der Elektrolytströmung um die zickzackgefaltete Kathode herum bereitzustellen. Die Richtung der Strömung von Elektrolyt (1) wird durch den Pfeil angedeutet. Elektrolyt (1) in dieser Figur entspricht (1) in 1A.
  • In 2 und 3 sind Auftragungen von Vergleichsdaten dargestellt, um die vorliegende Erfindung zu verdeutlichen, die in 4 dargestellt ist. In 2 bis 4 stellen die ausgefüllten Kreise die Gesamtvanadiumkonzentration in der organischen Phase dar, bestimmt durch Elektronenspinresonanz (ESR), ausgefüllte Quadrate stellen Vanadium in dem Ausgangsmaterial (VOEP) dar, bestimmt durch W-Vis-Spektroskopie, und ausgefüllte Rhomben stellen Vanadium in dem reduzierten Zwischenprodukt (VOEC) dar. In 4 stellen die "X" ein zweites reduziertes Zwischenprodukt (Vanadyloctaethyltetrahydroporphyrin) dar, bestimmt durch W-Vis-Spektroskopie. Diese Figuren zeigen das Verhalten von Demetallierung gegenüber Zeit von drei verschiedenen Zellausgestaltungen, einschließlich der Herstellung von hydrierten Metalloporphyrin-Zwischenprodukten, die durch W-Vis-Spektroskopie nachgewiesen wurden. Der Vanadium-Gehalt der organischen Phase wurde durch paramagnetische Elektronenresonanzspektroskopie (EPR) überwacht.
  • 2 ist das Ergebnis, das mit einem ungeteilten, gepackten, Zinkgranalienkathodensystem erhalten wurde. Dies soll eine ungeteilte, dreidimensionale Elektrode veranschaulichen. Die Verminderung des Vanadium-Gehalts der organischen Phase folgt dem Abfall der Konzentration des Modell-Petroporphyrins Vanadyloctaethylporphyrin (VOEP). Eine geringe Konzentration des reduzierten Zwischenproduktes, des Dihydroporphyrins Vanadyloctaethylchlorin (VOEC) wird erzeugt. Aus der Zelle entnommene Proben änderten ihre Farbe nicht, als sie Luft ausgesetzt wurden, dies deutet eine geringe Konzentration von anderen, mehr reduzierten, luftempfindlichen Spezies an.
  • 3 ist das Ergebnis, das mit dem geteilten Zellversion der Zelle in 2 erhalten wurde, wobei aber die Kathode und Anode durch eine ionendurchlässige Membran getrennt waren. In diesem System war die Lösung, die reduziert wurde (der Katholyt) nicht der Anode ausgesetzt. Ein Vergleich der geteilten Zelle in 3 und der ungeteilten Zelle in 2 deutet an, dass die Proben aus der geteilten Zelle, die zur Analyse entnommen wurden, signifikante Mengen von luftempfindlichen Spezies enthielten, wie Petroporphyrinanionen, die sich, wenn sie Luft ausgesetzt werden, in stabilere Spezies. umwandeln. Dies zeigt sich in der beobachteten höheren VOEC-Konzentration.
  • 4 ist das Ergebnis, das mit der ungeteilten Zellkonstruktion mit erfindungsgemäßen zickzack-gefalteten Flächen aus Zinkmetall-Streckgitter erhalten wurde. Diese Konstruktion ergab Demetallierungskurven, die denen ähnlich sind, die mit dem in 3 gezeigten geteilten Zellaufbau beobachtet wurden und zeigt in einer "ungeteilten" Zelle eine Leistung, die mit einer "geteilten Zelle" vergleichbar ist. Eine Ansammlung von luftempfindlichen Zwischenprodukten ist sowohl durch die Farbänderung von aus der Zelle entnommenen Proben als auch die beobachteten Konzentrationen der hydrierten Zwischenprodukte VOEC und Tetrahydrovanadyloctaethylporphyrin (VOET) belegt.
  • 5A zeigt eine Aufsicht durch den Elektrodenstapel mit Einlass (1) und Auslass (2) für die Elektrolytströmung. Die Massenströmung des Elektrolyten verläuft parallel zu den Falten oder Faltungen der Kathode (vom Einlass zum Auslass). Isolator/Abdichtung (3) umschließt den Elektrodenstapel und begrenzt Querströmung (d. h. Strömung senkrecht zu den Faltungen in der Elektrode) und Umströmung der Elektroden.
  • 5B veranschaulicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei der Elektrodenstapel im Querschnitt sichtbar ist. Sie besteht aus einer ersten Platte, die eine massive Zinkplatte (1) ist, die mit den Schichten von zickzack-gefalteten Metallgitterflächen (0,25 mm (10 mil) dick) der dreidimensionalen, gefalteten Kathode (6) verbunden war und als Stromversorgung für diese diente. Ein Strömungsverteiler (2) aus nichtleitendem Material wie Teflon umschließt die Zelle und liefert ein Weg zum Einführen der Elektrolytlösung, die den zu behandelnden Reaktanten enthält, in die Zelle. Abdichtungen (3) werden verwendet, um der Zelle eine ausreichende Tiefe zu geben, um die dreidimensionale, gefaltete Kathode (6) zu halten. Die Kathode bestand aus reinem, expandierten Zink (EXPAMET #6Zn10-3/0 von Exmet Corp.). Etwa 20 Lagen füllten einen Hohlraum von 4 × 16 cm, der durch Strömungsverteiler (2) und Abdichtung (3) gebildet wurde, bis zu einer Tiefe von 0,5 cm. Die Tiefe der Kathode kann jedoch variiert werden, indem die Anzahl der Abstandshalter und Abdichtungen variiert wird, die den Elektrolytkanal bilden. Zwei Lagen von nichtleitfähigem Gitter, z. B. Polypropylen-Gitter, wurden verwendet, um die Zinkkathode (6) von der Anode (5) zu trennen. Die Anode war in diesem Fall eine flache Plattenanode aus Hastalloy C, es kann aber jede beliebige geeignete kompatible Anode verwendet werden. Die elektrolytisch zu zersetzende Lösung wurde in die Zelle durch geeignete Mittel eingebracht, z. B. durch Öffnungen in der Zelle, die den Strömungsverteiler (2) speisen. Die Lösung wird durch die Zelle, aus dem Strömungsverteiler (2) heraus und in einen Rezirkulierungsbehälter (nicht gezeigt) geleitet, in dem sie gerührt und in einem schubweisen Recycle-Modus durch die Zelle gepumpt wird. Zu analysierende Proben wurden aus dem Rezirkulierungsgefäß mit einer Pipette entnommen.

Claims (8)

  1. Ungeteilte elektrochemische Zelle, die: – eine Gegenelektrode, – Stromversorgungsmittel, – eine Arbeitselektrode, die mindestens ein dreidimensionales, zickzackgefaltetes flächiges Teil umfasst, das eine offene Oberfläche von Null bis 50% hat und mit dem Stromversorgungsmittel verbunden werden kann, wobei die Arbeitselektrode zwischen der Gegenelektrode und dem Stromversorgungsmitteln angeordnet ist, – ein isolierendes Gehäuse, das Gegenelektrode, Stromversorgungsmittel und Arbeitselektrode umschließt, und das beim Betreiben der Zelle zu einer Beschränkung des Elektrolytstroms senkrecht zu den Falten in dem flächigen Teil führt, und – Mittel zum Zirkulieren von Elektrolyt durch die Zelle in einer Richtung umfasst, die im Wesentlichen parallel zur Richtung der Falten des flächigen Teils verläuft.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, bei der das flächige Teil ausgewählt ist aus festen Platten, Streckgitter, Webdrahtgewebe und lochgestanzten Platten.
  3. Elektrode nach Anspruch 1, bei der das flächige Teil porös ist.
  4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das flächige Teil aus Metall ist.
  5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Metall Zink ist.
  6. Verfahren zur elektrochemischen Behandlung von Metall(e)-haltigem Kohlenwasserstoffstrom in einer ungeteilten elektrochemischen Zelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Metalle kohlenwasserstofflösliche Spezies sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Metalle Nickel und/oder Vanadium sind.
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