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Elektrolytische, mit Diaphragma ausgerüstete Zelle.
Die Elektrolyse von Nlkaliehloridlösungen wird bei Verwendung'vertikaler Kathoden aus stirren Metallen (Eisen, Kupfer) entweder unter Zuhilfenahme poröser Scheidewände von hohem, oder solchem von niederem Diffusionswiderst'nde durchgeführt. Im ersteren Falle bleibt der Kathodenraum grund- sätzlich mit Elektrolyt gefüllt (Griesheim-, Me Donald-Zelle), im letzteren Falle wird er nach dem Vorschlage von Hargreave und Bird leer gehalten. Der Elektrolyt wird dann durch hydrostatischen Druck aus dem Anodenraum durch das Filterdiaphragma zur Kathode gedrückt (Hargreaves-Bird-, Allen-Moore-, Nelson-, Townsend-Zelle).
Letztere Arbeitsweise ermöglicht es zwar höhere Ausbeuten zu erzielen ; da aber der hydrostatische Druck des Anolyten in den tiefer liegenden Zonen des Diaphragmas viel grösser ist wie in den oberen, während doch die Durchlässigkeit des Diaphragmas und die Stromdichte über die
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wesentlich andere Dichte, wie die Lösung besitzen muss.
Bei leerem Kathodenraum bilden sich oft Krusten, Übergangswiderstände an den Kathoden aus usw. Die Kathoden haben auch nicht immer genügend guten Kontakt mit dem Diaphragma bzw. mit der Lösung. Man sieht sich zur Behebung der dadurch hervorgerufenen Störungen oft gezwungen, zeitweise oder fortgesetzt Dampf in den Kathodenraum zu blasen usw.
Diese Missstände liessen sich dadurch beheben, dass man den Kathodenraum mit Elektrolyt gefüllt hält. Dann würde auch auf der Kathodenseite ein hydrostatischer Druck auf das Diaphragma wirken, welcher im selben Masse, wie auf der Anodenseite von oben nach unten zunimmt. Die Kathoden stünden in innigem Kontakt mit der Lösung und der Bildung von Krusten wäre vorgebeugt. Man konnte die Elektrolyse gleichwohl unter Gegenbewegung des Elektrolyten gegen die OH'-Jenen durchführen, wenn man einen entsprechenden hydrostatischen Überdruck im Anodenraum wirken liesse. Versuche, welche darauf hinzielten, diese Methode zur Anwendung zu bringen, sind auch gelegentlich ausgeführt worden.
Sie scheiterten aber daran, dass man den hydrostatischen Überdruck nicht richtig zu bemessen wusste oder ungeeignete Zellen oder Diaphragmen verwendete, welche den Verhältnissen nicht angepasst waren. So schlug z. B. Kellner im britischen Patent Nr. 20889 im Jahre 1903 vor, die Salzlösung in einer derartigen Anordnung mit solcher Geschwindigkeit in den Kathodenraum zu treiben, dass die Salzlösung bei ihrem Durchgang durch das Diaphragma völlig oder doch nahezu völlig erschöpft werde und mit Diaphragmen
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nichtleitendem Material verringert werden sollte. Während Le Sueur sowie Riekmann im D. R. P.
Nr. 60755,80454, dem britischen Patente Nr. 5983 aus dem Jahre 1891, Waite im britischen Patent Nr. 13756 ans dem Jahre 1894 eine mit Filterdiaphragmen ausgerüstete Zelle beschrieben, bei welcher der Kathodenraum zwar mit Elektrolyt gefüllt blieb, bei welcher aber die schräg liegenden Kathoden und Diaphragmen so angeordnet wurden, dass die hydrostatische Druckdifferenz auf beiden Seiten des Diaphragmas von Ort zu Ort wechselt. Die Verwendung von im Wesen horizontal angeordneten Elektroden lässt diese Zelle an und für sich schon als prinzipiell verschieden erscheinen und
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schliesst sie vom näheren Vergleich aus.
Gleichfalls grundverschiedene das dargelegte Prinzip nicht befolgende Zellen mit vertikaler Anordnung und flüssigkeitserfüllten Kathodenräumen beschrieben
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des in der Lösung enthaltenen Salzes zerlegt bzw. umgesetzt werden, wobei die Speisung des Kathodenraumes vorteilhafterweise ausschliesslich aus dem Anodenraum erfolgt.
Genau genommen sind die spezifischen Gewichte des Anolyten und des Katholyten allerdings
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beträgt bei der Kochsalzelektrolyse bei 200 rund 1'17-1'19, das des Katholyten 1'21-1'24), dass die hiedurch örtlich hervorgerufenen Differenzen der überdruck auf der Anodenseite des Diaphragmas keine Missstände herbeiführen. Vielmehr haben diese Dichteunterschiede, da das spezifische Gewicht des Katholyten etwas grösser ist wie das des Anolyten, zur Folge, dass der Elektrolyt durch tiefer liegende Zonen des Diaphragmas etwas langsamer durchtritt, wie durch höher liegende.
Da aber auch die Stromdichte infolge des elektrischen Leitungswiderstandes der Elektroden von oben nach unten etwas abnimmt, weil der Stromanschluss oben erfolgt, so wird die Proportionalität der Stromdichte mit Geschwindigkeit der Elektrolytbewegung hiedureh gerade noch vollkommener gewahrt. Man ist in der Lage, Zellen von bedeutend grösserer Höhenausdehnung mit besserem Erfolge zu verwenden wie bisher.
Zur Durchführung der Elektrolyse wird man nach den dargelegten Grundsätzen, sobald der richtige hydrostatische Überdruck einmal hergesteltist, nur noch dafür zu sorgen haben, dass die Speiss'lösung dem Anodenraum gleichmässig (genau genommen der jeweiligen Stromstärke proportional) zugeführt wird, u. zw. unter den angegebenen Bedingungen bei der KochsalzelektrolY3e je 12-26 i ! gesättigter Kochsalz- lösung pro Kiloampére und Stunde. Dies ist verhältnismässig leicht zu erreichen.
Die angegebene Bemessung des hydrostatischen Überdruckes in der Zelle setzt natürlich vorlauf dass die Zelle in geeigneter Weise ausgebildet ist.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele von elektrolytischen Zellen dargestellt, die sich für die oben erwähnte Bemessung des hydrostatischen Überdruckes besonders eignen. Fig. 1 und 2 zeigen Vertikalschnitte solcher Zellen, während in Fig. 3 teils in Seitenansicht, teils im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform für eine solche Zelle dargestellt ist.
In Fig. 1 sind die Anoden 1 mit ihren vertikal angeordneten Stromzuführungen l'in den inneren Raum der Zelle eingesetzt und mittels eines Deckels 4 nach oben abgeschlossen. Der Anodenraum der Zelle ist durch Wandungen 5 nach oben hin verlängert. Die Niveauhöhe des Anolyten ist bei 6 angedeutet. Der Anodenraum ist durch ein Filterdiaphragma 3 von dem Kathodenraum getrennt. Das Diaphragma. 1 ist unmittelbar vor einer Drahtnetzkathode 2 gelagert. Die Niveauhöhe des Katholyten ist bei 7 angedeutet. Die erwähnten Teile-sind auf einem beispielsweise aus Beton hergestellten Fuss 12 montiert.
Für den Abfluss des Katholyten sind Rohre 13 vorgesehen, während ein Rohr 14 für den Austritt des
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durch Nachfüllen in den Anodenraum auch aufrechtzuerhalten, dass die oben erwähnte Grösse für den hydrostatischen Überdruck beständig erhalten bleibt.
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aus perforiertem Blech hergestellten Kathode 2 angeordnet ist. Der Gasschinm 8, dessen Bedeutung unten erläutert wird, ist zwischen den oberen Begrenzungswandungen 5 des Anodenraumes, ihren an den Stirnseiten des Gefässes befindlichen Verlängerungen 5", Fig. 3 und dem am Boden des Gefässes gelagerten Sockel 5'angeordnet, der zweckmässig mit den Teilen 5"verbunden ist.
Das Kathodenblech 2 und das ihm benachbarte Diaphragma 3 sind um den Sockel 5'derart herumgeführt, dass am Boden der Zelle ein Raum 10 entsteht, aus dem sich hier abzusetzende Niederschläge, im Bedarfsfalle zeitweise durch eine nichtdargestellte Öffnung abgelassen werden können.
Während in Fig. 1 und 2 die Stromzuführungen l'für die Anoden 1 vertikal angeordnet sind, ist
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Stromzuführungen 77 für die Anoden 1 nach Fig. 3 bestehen aus horizontal gelagerten, durch die Stirnwand eingeführten Graphitblöcken, Magnetithohlzylindern od. dgl. Die Zuführungen 11 sind an der Stimseite der Zelle, oberhalb des Katholytspiegels 7, eingebracht. An den Wandungen 5 sind bei der Zelle nach Fig. 3 Ringe 9 vorgesehen, die ein gleichzeitiges Abheben des Deckels 4 des Rahmens, der gebildet wird durch die Seitenwandungen 5, den Sockel J'des in dem Rahmen angeordneten Gasschirmes 8 und der Anoden 1 nebst den Zuführungen H gestatten. Sind die erwähnten Teile aus der Zelle
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herausgenommen, so ist das Diaphragma 3 freigelegt.
Das Diaphragma nebst dem Kathodenblech : 2 können dann ebenfalls aus der Zelle herausgenommen werden. Das Zusammensetzen der Zelle erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Ein solcher Aufbau einer Zelle ermöglicht insbesondere eine sehr bequeme Reinigung und leichte Ausbesserung etwaiger Schäden.
Der Gasschirm 8 kann beispielsweise aus Glasfliessen, Glasgeflechten od. dgl., gegebenenfalls
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merklichen Widerstand, ändert aber auch die Durchtrittsgeschwindigkeit des Elektrolyten durch das Diaphragma nicht wesentlich. Ein solcher Gasschirm hat eine doppelte Wirkung. Einerseits hemmt er das anodiseh entstehende Gas, z.
B. Chlorbei der Chloralkalielektrolyse, sich seitlich auszubreiten und schützt dadurch das Diaphragma vor unmittelbarer Berührung mit dem Anodengas und vor den heftigen Flüssigkeitswirbeln, welche durch das aufsteigende Gas besonders bei hohen Stromdichten und bei Verwendung sehr hoher Zellen entstehen und anderseits verhindert er, dass unlösliche Verbindungen, welche sich aus Verunreinigungen des Elektrolyten in dem Zwischenraum zwischen den Teilen 3 und 8 in Fig. 2 abscheiden,
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werden ein Verstopfen des Diaphragmas oder andere durch diese unlöslichen Verbindungen hervorgerufene Unzuträglichkeiten vermieden.
Die Ausbildung des für die neue Zelle verwendeten Diaphragmas spielt keine sehr wesentliche Rolle. Indessen empfiehlt es sich, besonders Diaphragmen zu verwenden, die aus einem Grundstoff von faseriger Struktur, z. B. Asbest, bestehen, dessen Durchlässigkeitsgrad mittels eines geeigneten Füllmaterials auf den gewünschten Wert gebracht ist. Das Füllmaterial kann entweder in die inneren Zwischenräume des Grundstoffes eingebracht oder mit dem Grundstoff oberflächlich durch ein Bindemittel verbunden sein.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrolytisehe, mit Diaphragma ausgerüstete Zelle, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass der hydrostatische Überdruck auf der Anodenseite durch Ausfüllen des Kathodenraumes mit Elektrolyt über die ganze Diaphragmenfläche im wesentlichen gleichmässig verteilt ist und gleichzeitig die Niveaudifferenz zwischen dem Anolyten und dem Katholyten so hoch gehalten werden kann,
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60% des Salzes umgesetzt werden, wobei zweckmässig die Speisung der Zelle ausschliesslich durch den Anodenraum erfolgt.
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