DE2932197C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyse-Fingerzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Elektrolyse-Fingerzelle ist aus der US-PS 39 23 630 bekannt. Bei dieser Elektrolyse-Fingerzelle werden die Enden der Kationenaustauschermembran in ent­ sprechende Öffnungen von Tragrahmen gesteckt und dort auf nicht näher bezeichnete Weise befestigt.

In den letzten Jahren sind Kationenaustauschermembranen mit hoher Haltbarkeit entwickelt worden. Diese Membranen gestatten den selektiven Durchlaß lediglich von Alkalimetallionen und ver­ hindern dabei weitgehend den Durchtritt von Halogenionen. Daher wird bei Verwendung einer Kationenaustauschermembran bei der Elektrolyse einer wäßrigen Alkalimetallchlorid-Lösung ein Alkalimetallhydroxid hoher Güte erzeugt, da es eine ver­ minderte Konzentration an Alkalimetallchloriden enthält.

Üblicherweise werden Kationenaustauschermembranen in fil­ terpressenartig aufgebauten Elektrolysezellen verwendet. An­ dererseits werden bei Elektrolysefingerzellen Diaphragmen aus Asbest oder aus modifiziertem Asbest verwendet. Filter­ pressenelektrolysezellen erfordern eine kompliziertere Steuerung der Betriebsbedingungen, und die Produktivität derartiger Zel­ len pro Flächeneinheit ist relativ geringer als bei Elektro­ lysefingerzellen.

Im allgemeinen werden in Elektrolysefingerzellen keine Kationenaustauschermembranen eingebaut. Dies beruht auf der Schwierigkeit, die Kationenaustauschermembranen antlang den komplizierten und gekrümmten Oberflächen der Kathoden einzu­ bauen, wobei selbst nach dem Einbau eine ungenügende Abdich­ tung unerwünschte Lecks verursacht, und die Abnahme des Stromwirkungsgrades verstärkt sich. Darüber hinaus bewirkt die unzureichende Abdichtung den Durchtritt von in der Katho­ denkammer erzeugtem Wasserstoffgas in die Anodenkammer, wo sich das Wasserstoffgas mit Chlorgas zu einem explosiven Ge­ misch vermischt. Diese Probleme verhindern die Anwendung von Kationenaustauschermembranen in Elektrolysefingerzellen im industriellen Maßstab.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle unter Verwendung von Kationenaustauscher­ membranen zu schaffen, wobei eine verbesserte Ab­ dichtung erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Zelle sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Als Elektrolysefingerzellen können im Rahmen der Erfindung beispielsweise solche gemäß der Publikation "Chlorine - Its Manufacturing, Properties and Uses", Herausgeber J. S. Sconce, Verlag Reinhold Publishing Corporation, New York, 1962, S. 93, eingesetzt werden; möglich sind beispielsweise auch soge­ nannte Flachrohrzellen, die im allgemeinen auch als Elektro­ lysefingerzellen angesehen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden obere und un­ tere Membraneinbaurahmen mit parallel zueinander angeordne­ ten Öffnungen so angeordnet, daß sie nicht den Anoden gegen­ überliegenden Horizontalflächen der Kathoden abgedeckt wer­ den; entlang den Öffnungen sind zylindrische, an den beiden Enden aufgeweitete oder konisch erweiterte Kationenaustau­ schermembranen parallel zu den Vertikalflächen der Kathoden angeordnet. Die aufgeweiteten Abschnitte der Membran werden auf die Halteteile des oberen und des unteren Membraneinbau­ rahmens aufgelegt und dann darauf Andruckplatten aufgebracht. In dem Zwischenraum zwischen den aufgeweiteten Abschnitten der Membranen und den Halteteilen der Einbaurahmen sind Packungen oder Manschetten eingesetzt. Danach werden diese Bauteile beispielsweise durch Verbolzen mechanisch gesichert. Jede Kathodenkammer wird durch die oberen und unteren Membran­ einbaurahmen und die zylindrische, an den beiden Enden auf­ geweitete Membran gebildet. Die Anodenkammer wird von Mem­ branen umgeben, deren Oberseiten und Unterseiten von ent­ sprechenden Abdeckungen umgeben sind.

Mit diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen erhält man die Mög­ lichkeit, eine an den beiden Enden aufgeweitete, zylindrische Membran sehr einfach in eine Elektrolysefingerzelle einzu­ bauen. Ferner kann man eine Diaphragmazelle mit einem Diaphrag­ ma aus Asbest oder modifiziertem Asbest zu einer Membranzelle mit Kationenaustauschermembran umrüsten, so daß man qualita­ tiv hochwertiges Alkalimetallhydroxid mit beispielsweise ge­ ringen Anteilen an Alkalimetallchlorid erzeugen kann. Darü­ ber hinaus werden Gesundheitsschädigungen und Umweltbelastun­ gen aufgrund von Asbest vermieden, da man anstelle der Dia­ phragmen aus Asbest oder modifiziertem Asbest Ionenaustau­ schermembranen einsetzt. Schließlich kann durch die erfin­ dungsgemäßen Maßnahmen Alkalimetallhydroxid in ökonomisch vorteilhafter Weise hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer zylindrischen, an den beiden Endabschnitten aufgeweiteten Kationen­ austauschermembran,

Fig. 2 einen Querschnitt der Membran gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Membraneinbaurah­ mens,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Andruckplatte und

Fig. 5 eine Teilschnittansicht, bei der die zylindrischen, an den beiden Endabschnitten aufgeweiteten Kationen­ austauschermembranen in oberen und unteren Membran­ einbaurahmen mittels Andruckplatten und Packungen oder Manschetten in Elektrolysefingerzellen angeord­ net sind.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße, an den beiden Enden auf­ geweitete, zylindrische Kationenaustauschermembran mit auf­ geweiteten Abschnitten 1 zum Abdichten und mit einem den Elek­ troden gegenüberliegenden Hauptabschnitt 2. Die aufgeweiteten Abschnitte 1 und der Hauptabschnitt 2 können aus dem gleichen Material hergestellt sein, insbesondere aus einer durchgehenden Bahn für die Kationenaustauschermembran. Die aufgeweiteten Ab­ schnitte können ferner aus einem chemisch inaktiven, thermo­ plastischen Material bestehen, wie Polyäthylen, Polypropylen, Polytetrafuoräthylen, Fluoräthylen-propylen-copolymerisat, Äthylen-fluoräthylen-copolymerisat, Chlorfluorpolyäthylen und Polyvinylidenfluorid.

Bahnen oder Folien der vorerwähnten Materialien werden bei­ spielsweise an die oberen und unteren Enden einer zylindri­ schen Kationenaustauschermembran angeschweißt.

Als Material für die erfindungsgemäße Kationenaustauscher­ membran ist insbesondere ein Copolymerisat von Tetrafluor­ äthylen und einem sulfonierten Perfluorvinyläther ("NAFION"®) oder ein fluorhaltiges Material geeignet, das beispielsweise Carbonsäure oder Phosphorsäure-Gruppen aufweist.

Die erfindungsgemäße, an den beiden Endabschnitten aufgewei­ tete, zylindrische Kationenaustauschermembran, etwa gemäß Fig. 1, kann mit üblichen Verfahren geformt werden. Wie vor­ stehend ausgeführt, können die aufgeweiteten Abschnitte 1 aus dem gleichen Material wie der Hauptabschnitt 2 bestehen, oder die aufgeweiteten Abschnitte und der Hauptabschnitt wer­ den aus verschiedenen Materialien getrennt hergestellt und danach miteinander verschweißt.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer an den beiden En­ den aufgeweiteten, zylindrischen Kationenaustauschermembran.

Fig. 3 zeigt einen Membraneinbaurahmen mit zueinander paral­ lelen Öffnungen oder Schlitzen 4, an deren Rändern Haltetei­ le 5 mit Bohrungen 6 für Schrauben oder Bolzen vorgesehen sind.

Fig. 4 zeigt eine Andruckplatte 7, deren Form der des Halte­ teils 5 des Einbaurahmens 3 gemäß Fig. 3 gleicht und die Bohrungen für die Schrauben entsprechend den Bohrungen in dem Halteteil aufweist.

Fig. 5 zeigt eine Elektrolysezelle, in die erfindungsgemäß unter Verwendung des Membraneinbaurahmens die an den beiden Endabschnitten aufgeweiteten, zylindrischen Kationenaustau­ schermembranen eingebaut sind. Auf die oberen und die unte­ ren Flächen der Kathode 8 werden Isolierbahnen oder Isolier­ folien 9 aufgelegt und danach die Membraneinbaurahmen 3 darüber gelegt. Die aufgeweitete, zylindrische Kationenaus­ tauschermembran wird von der Öffnung 4 her eingebaut, und die aufgeweiteten Abschnitte 1 der Membran werden auf die Halteteile 5 der Einbaurahmen aufgelegt. In den Zwischen­ raum zwischen die aufgeweiteten Abschnitte und die Haltetei­ le werden nicht dargestellte Dichtungen, Packungen oder Man­ schetten eingelegt. Um die Abdichtung zu gewährleisten, muß die Dichtung zwischen den aufgeweiteten Abschnitt der Membran und das Halteteil des Einbaurahmens eingesetzt werden. Die Dichtung ist nicht immer in dem Zwischenraum zwischen der Andruckplatte und dem aufgeweiteten Abschnitt der Membran er­ forderlich, falls sie jedoch vorhanden ist, so wird die Mem­ bran gegenüber der Andruckplatte geschützt. Beispiele geeig­ neter Materialien für die Dichtung, Packung oder Manschette sind Fluorkohlenstoffdichtungen etwa aus Tetrafluoräthylen, Silicondichtungen oder Dichtungen aus synthetischem Kaut­ schuk wie Äthylen-propylen-kautschuk, die hohe Verschleiß­ festigkeit aufweisen.

Die aufgeweiteten Endabschnitte 1 werden dann durch Aufle­ gen der Andruckplatte 7 und durch Verschrauben mittels Bol­ zen 10 abdichtend befestigt. Anstelle der Bolzen können auch andere geeignete, mechanische Befestigungseinrichtungen ver­ wendet werden, die eine Abdichtung gewährleisten, um eine Undichtigkeit gegenüber der Elektrodenkammer zu verhindern. Die aufgeweiteten Abschnitte 1 können an den Halteteilen des Einbaurahmens, beispielsweise durch Heißsiegeln, angeschweißt werden. In diesem Fall wird der Einbaurahmen aus einem che­ misch inaktiven, thermoplastischen Material hergestellt, wie Polyäthylen, Polyporpylen, Polytetrafluoräthylen, Fluoräthy­ len-propylen-copolymerisat, Äthylen-fluoräthylen-copolymeri­ sat, Chlorfuorpolyäthylen oder Polyvinylidenfluorid; bei einer anderen Ausführungsform kann der Einbaurahmen aus Me­ tall bestehen, das beispielsweise mit einem der vorerwähnten thermoplastischen Materialien überzogen ist. Bei mechani­ scher Befestigung kann der Einbaurahmen aus den vorerwähnten Materialien oder aus einem verschleißfesten Metall, wie Titan oder einer Titan-Palladium-Legierung, hergestellt wer­ den. Die aufgeweiteten Endabschnitte 1 können ferner an den Halteteilen der Einbaurahmen angeklebt werden.

Es zeigt sich, daß der Einbau einer an den beiden Enden auf­ geweiteten, zylindrischen Kationenaustauschermembran in eine Elektrolysefingerzelle gemäß der Erfindung zu einer Zunahme des Stromwirkungsgrades, da kein Elektrolyt austritt, zu sicherem Betrieb ohne Einströmen von Wasserstoffgas in das Chlorgas und zu einem verbesserten Einbau der Membran in der Zelle führt.

Claims (5)

1. Elektrolysefingerzelle mit

• a) zylindrischen Kationenaustauschermembranen (2), die parallel zu den Vertikalflächen der Kathoden (8) ange­ ordnet sind, und
• b) einem Membraneinbaurahmen (3) zum Abdecken der den Anoden nicht gegenüberliegenden, horizontalen Flächen der Katho­ den (8),

dadurch gekennzeichnet,

• c) daß die zylindrischen Kationenaustauschermembranen (2) an ihren beiden Enden aufgebogen oder konisch erweitert sind und
• d) daß eine dichte Verbindung zwischen den aufgebogenen oder konisch erweiterten Endabschnitten (1) der Membranen (2) und den Halteteilen (5) der Einbaurahmen (3) vorgesehen ist.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung auf die Endabschnitte (1) der Membran (2) auf­ gelegte Andruckplatten (7) und Manschetten aufweist, die mit­ einander mittels mechanischer Befestigungseinrichtungen ver­ bunden sind.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanische Befestigungseinrichtungen Bolzen (10) ver­ wendet werden.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch Verschweißen oder Verkleben erfolgt.