FI60244C - Elektrolysoer som innefattar en pao en lutande yta rinnande kvicksilverkatod - Google Patents

Description

f- 'IV-'-'"1 Γβ1 KUULUTUSJULKAISU , Π o a a ^ *11) utlAggningsskrift 60244 (^5) patent aa.ldelat ^ τ ^ (51) Kv.lk.Wa.3 C 25 B 11/18 SUOMI —FINLAND (21) P**«nttlh*k«mu· — Patwttanaeknlng 77027^ (22) Htk«ml<pllvl — AiMOknlngadag 27.01.77 ^ 0 (23) Alkupllvt—<*ttcl|h«tod*g 27.01.77 (41) Tullut |ulklMktl — Bllvlt offantllg 31.07.77

Patentti· Ja rekisterihallitus /44) NlhtfvUulpanon )· kuuLJulluliun pvm. — -,-, nft On

Patent- och registerstyrelsen ' ' Antefcan utiagd och utUkitftm pubUcanui o-L.uo.ox (32)(33)(31) Pypietty ecuolksii*—Begird prtorltat 30.01.76

Ranska-Frankrike(FR) 7603015 (71) Commissariat a l'Energie Atomique, 29-33> rue de la Federation, 75752 Paris Cedex 15, Ranska-Frankrike(FR) (72) Pierre Hilaire, Grenoble, Georges Lonchampt, Meylan, Ranska-Frankrike(FR) (7M Forssen & Salomaa Oy (5*0 Elektrolysointilaite, jossa on kaltevalla pinnalla valuva elohopeakatodi -Elektrolysör som innefattar en pa en lutande yta rinnande kvicksilverkatod

Keksinnön kohteena on elektrolysointilaite, jossa on kaltevalla pinnalla valuva elohopeakatodi, joka on erotettu anodista kalvolla katodin, kalvon ja anodin ollessa likimain toistensa suuntaisia.

Tunnetaan tällaisia elektrolysointilaitteita varsinkin alkaalisuolojen elektro-lysointia varten, joissa käytetään kalvon kaltevuutta katodilla kehittyneiden kaasumaisten tuotteiden johtamiseksi poistojohtoihin päin (ranskalainen patentti 1 000 268). Tämä tulos saadaan, jos kaltevuus on riittävä, esimerkiksi suurempi kuin 2 %. Mutta jos tällainen kaltevuus annetaan pinnalle, jolla valuu elohopea, niin se saa suuren nopeuden, paljon suuremman kuin nopeus, jolla katolyyttiä voidaan kierrättää katodiosassa, ja aiheuttaa katolyytin sekoittumisen.

On myöskin ehdotettu elektrolysointilaitetta (saksalainen patentti 701 771), jossa anodi on kalvolla erotettu katodista, jonka muodostaa elohopea, joka valuu portaalta toiselle portaiden ollessa asetettu pääasiallisesti samaan 2 60244 kaltevuuteen kalvon ja anodin suuntaan. Laskukohdat muodostavat kuolleita vyöhykkeitä, sekoittavat katolyytin ja ovat epätasaisia (varsinkin, jos portaita rajoittavat laskukohdat ovat pitkiä), paitsi jos käytetään paksuja laskukerroksia, jolloin on käytettävä huomattava tilavuus elohopeaa.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada elektrolysointilaite, jossa katolyytin sekoittuminen on vähäisempää, joka on edullista korkean Faraday-tuotoksen saamista varten, ja käytetty elohopeatilavuus on pieni.

Tätä tarkoitusta varten keksinnön mukaan ehdotetaan edellä määritellyn kaltaista elektrolysointilaitetta, jolle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että siinä on joukko vähän kaltevia samansuuntaisia kouruja, joissa katodin muodostava elohopea valuu pituussuunnassa menemättä kourusta toiseen kalvon ja anodin ollessa kallistettu kourujen poikittaissuunnassa ja kourujen ollessa pystysuunnassa siirretty toisiinsa nähden siten, että elohopean ja anodin väli pysyy likimain vakiona koko eletrolysointilaitteen leveydellä.

Näin voidaan kalvoille antaa riittävän suuri poikittainen kaltevuus kaiken kaasutaskun muodostumisen kalvon alle estämiseksi ja samalla saada elohopea valumaan pinnalla, jolla on tasaiseen valumiseen sopiva mahdollisimman pieni kaltevuus (esimerkiksi l°/oo - l,5°/oo). Elohopea valuu tällöin pienellä nopeudella eikä aiheuta sen kanssa samaan suuntaan nopeudella 1 - muutama cm/sek kiertävän katolyytin perusteellista sekoittumista.

Tämän sekoittumisen edelleen vähentämiseksi on edullista käyttää elektrolysointilaitetta, jonka pituuden ja leveyden suhde on ainakin 10. Tällöin elektrolyytit virtaavat yhteen rakennetuissa katodi- ja anodiosastoissa kohtisuoraan elektrolysointilaitteen sivuseinämiin nähden tasaisella nopeudella. Jos esimerkiksi elektrolysointilaitetta käytetään hapenpoistoreaktion suorittamiseen, niin tiedetään, että Faraday-tuotos pienenee, kun pelkistetyn tuotteen väkevyys kasvaa. Jos katolyytti on täysin sekoittumatta, niin kokonais-Faraday-tuotos on käytännöllisesti pelkistetyn tuotteen pitoisuutta pelkistyksen lopussa vastaava, toisin sanoen elektrolysointilaitteen poistopäässä saatu. Sitävastoin virtaaminen yhteenrakennetussa laitteessa mahdollistaa käsittelyn hyvällä tuotoksella elektrolysointilaitteen pituuden suurimmalla osalla.

Kalvo voi muodostaa yhden ainoan kaltevan tason, kulman tai useita kulmia.

3 60244

Voidaan käyttää: - joko nesteitä läpäisemätöntä mutta ioneja läpäisevää kalvoa - tai huokoista kalvoa.

Ensiksi mainitussa tapauksessa, jossa kalvo on esimerkiksi ioninvaihtokalvo, ei ole anolyytin ja katolyytin sekoittumisvaaraa. Toisessa tapauksessa, jossa kalvo on esimerkiksi huokoista keraamista ainetta, on edullista - jos ainakin halutaan vähentää anolyytin ja katolyytin sekoittumista - käyttää elektrolyytin syöttö- ja poistovälineitä, jotka jatkuvasti pitävät likimain paine-tasapainon kalvon eri puolilla.

Tätä varten poistovälineinä voi olla viemärit, toinen anolyyttiä varten asetettuna anodiosastoon, toinen katolyyttiä varten asetettuna säiliöön, jonka alaosa on yhteydessä katodiosaston kanssa.

Näiden viemäreiden korkeus voi olla säädettävä elektrolyyttien pintakorkeuden ja siten painetasapainon määräämiseksi kummassakin osastossa. Voidaan asettaa sarja esimerkiksi anolyyttiä varten järjestettyjä viemäreitä määrätylle korkeudelle ja säätää katolyyttiä varten järjestetyn viemärisarjän asentoa. Tämä säätö saadaan tässä tapauksessa mittaamalla anolyytin määrä.

Kääntäen voidaan vaihdella anolyyttiviemäreiden korkeutta katolyyttiviemärei-den korkeuden ollessa vakio.

Elektrolysointilaitteen karkeammassa käytössä, toisinsanoen kun ainoastaan halutaan toinen elektrolyytti pitää erillään toisesta viemäreiden korkeutta voidaan säätää sillä tavalla, että toisessa osastossa on pysyvästi pieni ylipaine. Niinpä haluttaessa esimerkiksi säilyttää katodineste anolyytittömänä, riittää katodiosaston viemäreiden korkeuden säätäminen hiukan suuremmaksi kuin kummassakin osastossa vallitsevan painetasapainon edellyttämä teoreettinen pintakorkeus. Syntyy pieni ylipaine, jolloin katolyytti voi kulkea anodiosastoon, mutta anolyytin siirtyminen katolyyttiin estyy. Asettamalla katolyyt-tiviemärit mainittua teoreettista pintakorkeutta alemmaksi saadaan päinvastainen vaikutus anolyytin kulkiessa katodiosastoon.

Keksintö tulee paremmin ymmärretyksi seuraavasta rajoittamattomana esimerkkinä esitetyn keksinnön erikoisen sovellutusmuodon muodostavan elektrolysointi- 4 60244 laitteen selityksestä. Selityksessä viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää elektrolysointilaitteen poikkileikkausta kuvion 2 viivaa I-I pitkin, kuvio 2 esittää elektrolysointilaitteen pitkittäistä leikkausta, ja kuvio 3 esittää Faraday-tuotoksen muuttumista pitkin elektrolysointi-laitetta virtauksen yhteenrakennetussa laitteessa (käyrä I) ja täydellisen sekoittumisen kysymyksessä (käyrä II) ollessa.

Kuvioissa 1 ja 2 esitetyssä elektrolysointilaitteessa on elektrolyyttien ja elektrodeilla muodostuneiden yhdisteiden syövytyksen kestävästä aineesta tehty säiliö 2. Säiliön alaosassa on joukko kouruja 4, jotka on yhdistetty ei esitetyn jännitelähteen negatiiviseen napaan. Näitä kouruja pitkin valuu elektrolysointilaitteen katodin muodostava elohopea 6. Näitä kouruja ei ole asetettu samaan vaakatasoon, vaan ne ovat porrastettuja niiden keskikohdan ollessa sijoitettu oleellisesti kaltevan kalvon suuntaiseen tasoon. Esitetyssä esimerkissä kalvossa on kaksi vastakkaisesti kaltevaa osaa 8a ja 8b.

Tämä järjestely estää elektrolyysin aikana muodostuneiden kaasujen kalvon alle jäämisen ja pakottaa ne kulkemaan katodiosaston yläosaan, josta ne poistetaan johdoilla 10 ja 12.

Tämän kalvon 8 yläpuolelle on asetettu joukko esimerkiksi grafiitista tehtyjä katodista yhtä kaukana olevia anodeja 14, jotka on yhdistetty ei esitetyn jännitelähteen positiiviseen napaan. Johto 16 kerää ja poistaa anodiosastossa kehittyneet kaasut.

Kuviossa 2 on esitetty varsinkin kummankin osaston elektrolyyttien tuonti-ja poistovälineet. Anolyytti tulee anodiosastoon 17 tulojohdon 18 kautta, joka on sijoitettu toiseen päähän ja poistuu toiseen päähän sijoitetun viemärin 20 kautta. Nestepinnan korkeuden tässä osastossa määrää viemärin 20 korkeus. Katolyytti johdetaan katodiosastoon 21 johdon 22 kautta. Katolyytti (yleensä vesiliuos) kulkee anolyyttiin nähden vastavirtaan ja poistuu elektro-lvsointilaitteesta säiliöön 26 sijoitetun viemärin 24 kautta. Tämä säiliö 26 on järjestetty siten, että ainoastaan katolyytti voi mennä sinne, ja tätä tarkoitusta varten se on yhteydessä ainoastaan katodiosaston kanssa sen alaosaan tehtyjen aukkojen 28 kautta. Paineiden tasaamiseksi kummassakin osas- 60244 5 tossa 17 ja 21 viemärin 24 korkeus vaihtelee. Anolyytin poistojohtoon sijoitettu määrämittari 25 vaikuttaa järjestelmään 27, joka nostaa tai laskee viemäriä 24 tämän anolyyttimäärän mukaan tämän määrän lisääntymisen syötön ollessa vakio osoittaessa katolyytin anolyyttiin kulun.

Elohopea menee laitteeseen johdon 30 kautta, kulkee elektrolysointilaitteen läpi katolyytin kulkusuuntaan ja poistuu viemärin 32 kautta.

Venttiileillä 38 ja 40 varustettujen johtojen 34 ja 36 kautta elektrolysoin-tilaite voidaan tyhjentää.

Edellä olevassa esimerkissä elektrolyyttiliuokset kiertävät vastakkaisiin suuntiin, mutta voidaan tehdä laitteita, joissa nämä liuokset kulkevat samaan suuntaan.

Katolyytin sekoittumisen välttävän tai sitä vähentävän elektrolysointilaitteen rakentamisen etu näkyy kuviossa 3, joka vastaa elektrolyyttistä pelkistystä. Tässä kuviossa: - käyrä I esittää Faraday-tuotoksen η muuttumista pelkistykseen saatetuista f tuotteista tehokkaasti pelkistettyjen tuotteiden prosenttimäärään s funktiona alueella 0-100 % (käyrä, jonka ehyellä viivalla piirretty osa vastaa samoin tuotoksen η muuttumista tulokohdasta luetun välimatkan x funktiona

X

olettaen, että pelkistysprosentti poistokohdassa on 92 %).

- käyrä II esittää η (x) muuttumista olettaen täydellisen sekoittumisen, Γ toisin sanoen pelkistetyn tuotteen sama väkevyys kauttaaltaan kuin mikä sillä on elektrolysointilaitteen ulosmenokohdassa.

Ensimmäisessä tapauksessa Faraday-kokonaistuotos R on:

p s pinta ABCO pinta AECO

ja toisessa tapauksessa

pinta DBCO pinta AECO

6 60244 Käyttämällä keksinnön mukaista leveyteensä nähden hyvin pitkää elektroly-sointilaitetta on mahdollista lähestyä käyrää I, siis saada suuri tuotos.

Esimerkkinä esitetään alempana uraani III kloridin valmistuksessa uraani IV kloridista 85 % tuotoksella käytetyn elektrolysointilaitteen tunnusomaiset ominaisuudet. Cl^U valmistus vaatii eräitä varokeinoja, varsinkin ei metallisten aineiden käyttöä säiliötä ja johtoja valmistettaessa. Periodisen järjestelmän ryhmien III-VIII metallien läsnäolo aiheuttaa U(III) nopean hapettumisen muotoon U(IV).

Ensimmäisessä käytetyssä 11 m pituisessa ja 1 m levyisessä elektrolysointi- .... 2 laitteessa anodi- ja katodipmnat olivat noin 10 m . Kummankin osaston erotti 5 mm paksu kuonalasia oleva kalvo. Anodien ja kalvon väli oli 8 mm ja katodi oli 8 mm päässä kalvosta.

Katodiosastoon syötettiin liuosta, jossa 1,3 M Cl^U oli liuotettuna IN suolahappoon 550 1/h. Anodiosasto sai 6N suolahappoliuosta 2500 1 tunnissa.

Toiminnan aikana havaittiin seuraavat virrantiheyden ja jännitteen arvot: 2

Virran tiheys elohopeassa 0,2 A/cm 2 " kalvossa 0,2 A/cm 2 " anodissa 0,21 A/cm

Katodi: Sähkökemiallinen potentiaali

+ ylijännite 1 V

Jännitehäviö katolyytissä 0,82 V

" kalvossa 2,12 V

" anolyytissä 0,4 V

Anodi: Sähkökemiallinen potentiaali

+ ylijännite 1,46 V

Kokonaisjännite siis 5,8 volttia.

Toisessa samoin UCl^ valmistukseen tarkoitetussa elektrolysointi!aitteessa oli 30 ra pitkä ja 2 m leveä säiliö, jossa oli kolme 27 cm, 50 cm ja 27 cm leveää kourua noin 8 mm elohopeakerrosta varten. Muut arvot olivat samanlaiset kuin edellä on esitetty.

Claims (6)

7 60244 Pat entt ivaat imukset

1. Elektrolysointilaite, jossa on kaltevalla pinnalla valuva elohopeakato-di, joka on erotettu anodista kalvolla katodin, kalvon ja anodin ollessa likimain toistensa suuntaisia, tunnettu siitä, että siinä on joukko vähän kaltevia samansuuntaisia kouruja (4), joissa katodin muodostava elohopea valuu pituussuunnassa menemättä kourusta toiseen kalvon (8a,8b) ja anodin (14) ollessa kallistettu kourujen (4) poikittaissuun-nassa ja kourujen ollessa pystysuunnassa siirrettyjä toisiinsa nähden siten, että elohopean ja anodin väli pysyy likimain vakiona koko elektrolysoin-tilaitteen leveydellä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolysointilaite, tunnettu siitä, että kalvolla (8a,8b) on kourujen poikittaisessa suunnassa paljon suurempi kaltevuus kuin kourujen (4) kaltevuus.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrolysointilaite, tunnet-t u siitä, että kalvo (8a,8b) muodostaa tason.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrolysointilaite, tunnet-t u siitä, että kalvo (8a,8b) muodostaa ainakin yhden kulman.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrolysointilaite, tunnettu siitä, että sen pituuden ja leveyden suhde on yli 10.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrolysointilaite, tunnettu siitä, että kourujen kaltevuus on noin l,5°/oo.