DE87676C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES Jk

PATENTAMT. W

Der den Gegenstand vorliegender Erfindung bildende elektrolytische Zersetzungsapparat bezweckt die Beseitigung der Diffusionserscheinung bezw. der mit dieser verknüpften Uebelstä'nde dadurch, dafs der Elektrolyt zwischen den horizontal über einander gelagerten und durch ein Diaphragma von einander getrennten Elektroden derartig zugeführt wird, dafs seine Strömung der Diffusionsrichtung der gebildeten Zersetzungsproducte entgegengerichtet ist, und die entstehenden Zersetzungsproducte durch Röhren in dem Mafse ihrer Entstehung aus der Zelle abgeleitet werden, während gleichzeitig durch ein über der ganzen Länge des Diaphragmas angeordnetes und in der unteren Elektrodenkammer mündendes horizontales Rohr dafür Sorge getragen wird, dafs etwa durch das Diaphragma nach oben hindurchdiffundirter Elektrolyt in rationeller Weise wieder in die untere Elektrodenkammer zurückgeleitet wird. Der Elektrolyt sowie die flüssigen Zersetzungsproducte bilden horizontal über einander lagernde Flüssigkeitsschichten, und der Elektrolytzuflufs kann mit Leichtigkeit so regulirt werden, dafs er an allen Punkten gleich und der Diffusion entgegengerichtet ist. Durch eine derartige Combination wird erreicht, dafs der Wirkungsgrad des neuen Apparates dem theoretischen Wirkungsgrade ziemlich nahe kommt.

In beiliegender Zeichnung ist:

Fig. ι ein vertical geführter Längsschnitt durch einen elektrolytischen Apparat der neuen Art, welcher zur Herstellung von Aetznatron, Chlor und Wasserstoff dienen soll,

Fig. 2 ein Querschnitt mit perspectivisch gezeichneter Seitenansicht,

Fig. 2 a ein vergröfserter Querschnitt durch den Apparat,

Fig. 3 ein Verticalschnitt durch eine cylindrisch gestaltete Ausführungsform des Apparates;

Fig. 3 a zeigt den mittleren Theil der Fig. 3 in vergröfsertem Mafsstabe;

Fig. 4 ist ein Horizontalschnitt in Richtung der Linie 3-4 der Fig. 3;

Fig. 5 zeigt perspectivisch die fächerförmige Grundplatte;

Fig. 6 bis 8 sind Einzeldarstellungen der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ;

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Apparates.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte rechtwinklige elektrolytische Zersetzungsapparat ist aus Glas oder anderem nicht leitenden Material gefertigt und besteht aus einem oberen Theil U und einem unteren Theil L, in denen beiden die zu zersetzende Salzlösung sich befindet..

Die Abtheilungen U und L sind durch ein Diaphragma Z) von einander getrennt, welches schwach geneigt ist; in Fig. 2 ist das Diaphragma von beiden Seiten her schwach geneigt, so dafs es die Gestalt eines umgekehrten Daches besitzt.

In jeder Abtheilung U und L befindet sich eine der Elektroden, und zwar die Anode in dem Theile U, die Kathode in dem Theile L. Als Anodenmaterial empfiehlt sich am besten Platin, welches jedoch auch durch die bedeutend

weniger kostspielige Gaskohle oder andere mineralische Leiter ersetzt sein kann. Die Anode nach Fig. i, 2, 3 und 4 besteht aus Gaskohlen stücken G, welche auf einem mit der Zuleitung in Verbindung stehenden Platindrahtgeflecht W aufruhen.

Die Kathode besteht aus Eisen und besitzt vortheilhaft eine solche Gestaltung, dafs sie den Boden der Abtheilung L bildet. Die innere Fläche der Kathode ist geneigt und besitzt Erhöhungen, so dafs die entwickelten Gase leicht entweichen und nicht depolarisirend auf die Kathode wirken können.

Die Seitenwandungen u der Abtheilung U, welche in der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform kleiner als die Abtheilung L ist, ragen in letztere hinein.

Die Seitenwandungen / der Abtheilung L tragen einen Deckel c, welcher die Abtheilung dicht gegen die Wandungen / und u abschliefst. Die Wandungen / und u, sowie der Deckel c bilden eine Kammer H. Die äufseren Kanten des Diaphragmas D sind überall mit den unteren Kanten der Wandungen u wasser- und luftdicht verbunden.

Die elektrische Zelle wird mit einer starken Salzlösung gefüllt, so dafs die Oberfläche letzterer etwa 3 cm. über der Anode steht. Wird nun der elektrische Strom eingelassen, so geht die elektrolytische Zersetzung in bekannter Weise vor sich. An der Anode G scheidet sich Chlor ab und steigt in den oberen Theil der Abtheilung U, während ein geringer Theil Chlor in dem Elektrolyten in Lösung zurückbehalten wird. An der Kathode in der Abtheilung L bildet sich unterhalb des Diaphragmas D bei gleichzeitigem Freiwerden von Wasserstoff Aetznatron. Das Diaphragma D hindert den Wasserstoff, in dem Elektrolyten empor'zu steigen und in die Chlorabscheidungszelle zu gelangen. Dank der schiefen Richtung des Diaphragmas D wird nämlich der frei werdende Wasserstoff in die Kammer H geleitet, von wo er durch eine passende Leitung h zu einem Gasometer oder dergl. geführt wird. Der Wasserstoff wird in h unter einer solchen Spannung gehalten, dafs die Flüssigkeit aus der Kammer H nicht ebenfalls durch die Röhre h abfliefsen kann.

Die Anordnung des Diaphragmas D zwischen den Abtheilungen U und L hat einen doppelten Zweck, nämlich erstens zu verhindern, dafs sich der Wasserstoff mit dem Chlor in dem oberen Theile des Apparates vermischt und mit ihm das bekannte explosive Gemisch bildet, und zweitens zu verhindern, dafs die aufschäumenden Wasserstoff blasen das Aetznatron in die Chlorabtheilung reifsen.

Da die Aetznatronlösung in der Abtheilung L allmählich stärker wird, so diffundirt sie langsam durch das Diaphragma D und würde schliefslich, wenn diese Aufspeicherung nicht unterbrochen würde, mit dem an der Anode gebildeten Chlor zusammentreffen. Ist der Apparat eine Zeit lang in Thätigkeit, so werden mehrere horizontale Schichten von verschiedener Zusammensetzung und Dichte gebildet sein. In dem oberen Theile der Abtheilung U sammelt sich in dem Räume CL freies Chlor, welches von hier durch die Röhre el abgeleitet werden kann. Der Elektrolyt in der Abtheilung U scheidet sich in drei horizontale Schichten; die oberste Schicht Z¹ liegt gerade oberhalb der Anode und ist mit Chlor gesättigt; diese Schicht 2Γ¹ soll im Weiteren kurz Chlorzone genannt werden.

Chlorgas wird äufserst schwierig von Salzwasser absorbirt, besonders wenn diese Lösung warm ist. Die Erfahrung hat gelehrt, dafs das Chlor der Zone Z^Y nicht das Bestreben hat, nach unten durch den Elektrolyten zu diffundiren, und zwar nicht einmal dann, wenn der Procefs Tage lang ohne Unterbrechung betrieben wird; es ist daher nicht nothwendig, irgend welche Vorkehrungen zu treffen, welche das' Niedersteigen des Chlorgases verhindern sollten. Wenn nur das Aufwärtssteigen des Aetznatrons verhindert wird, so ist der Zweck, die Jonen von einander zu halten, vollständig erreicht.

Unterhalb der Anode befindet sich die Schicht Z², welche aus einer gewöhnlichen Salzlösung besteht, in welcher weder Chlor noch Aetznatron enthalten ist; diese Schicht soll mit dem Namen Chloridzone oder Elektrolytzone belegt werden.

Unterhalb der Zone Z² befindet sich die Zone Z³, welche aus diffundirtem Aetznatron und dem Elektrolyten gebildet wird, welcher, da die Concentration unterhalb des Diaphragmas D stärker wird, das Bestreben hat, nach der Zone Z² zu steigen.

Bei einem Apparate der neuen Art, welcher unter normalen Verhältnissen im Betriebe ist, kann das Auge die drei Zonen ganz deutlich erkennen.

Die Chlorzone an und oberhalb der Anode ist grünlich gelb gefärbt; die Chloridzone ist klar, während die diffundirte Aetznatronzone trübe ist; dies ist eine Folge der die geringen Unreinlichkeiten des Elektrolyten bildenden Spuren von Kalk und Magnesia, die durch das Aetznatron gefällt werden.

Unterhalb des Diaphragmas D ist innerhalb der Abtheilung L eine mit NA bezeichnete Schicht aus concentrirter Aetznatronlauge, welche langsam, aber beständig durch das Diaphragma nach der Diffusionnatronzone Z⁵ diffundirt.

An einem Punkte der Chloridzone Z² wird eine Kochsalzlösung von derselben Concentration als der ursprüngliche Elektrolyt ein-

geführt. Diese Lösung hat nicht das Bestreben, nach aufwärts zu steigen und die Flüssigkeitsmolecüle in der Chlorzone zu verschieben, welche dieselbe specifische Schwere besitzt als der frische Elektrolyt, ferner hat sie auch nicht das Bestreben, nach abwärts durch die Lauge zu fliefsen, da letztere schwerer ist als die zugeführte Salzlösung. Das Herabfliefsen der Flüssigkeit in den Zonen iT² und Z^ wird dadurch bewirkt, dafs Aetznatron aus der Zone NA in demselben Mafse abgelassen, wie die Salzlösung in die Zone Z² eingelassen wird. Die diesbezügliche Anordnung ist aus der Fig. ι und 2 zu ersehen.

Die Röhre P, welche zur Einführung des frischen Elektrolyten, in die Zone Z'² dient, führt unmittelbar unter der Anode durch die Abtheilung U hindurch. In dem oberen Theil der Röhre P ist eine Anzahl Löcher ρ vorgesehen; vortheilhaft werden zwei Röhren oder eine verzweigte Röhre P in der Abtheilung U angeordnet, so dafs die Löcherp auf einer gröfseren Fläche vertheilt sind. Die Löcher ρ leiten den aus der Röhre P austretenden Elektrolyten in die untere Grenze der Chlorzone. Der Zuflufs des Elektrolyten vollzieht sich so sanft, dafs die Chlorzone vollständig unbeeinflufst bleibt, bewirkt jedoch, dafs die Oberfläche der Anode mit einer hinlänglichen Menge frischer Elektrolyten in Berührung bleibt, so dafs der Procefs keine Unterbrechung erleidet.

Die Röhre P dient also mit ihren aufwärts gerichteten Oeffnungen einem doppelten Zwecke. Einmal wird die Anode durch den frischen, aus den Löchern ρ austretenden Elektrolyten beständig gewaschen und ferner die Elektrolytzone in dem Mafse, wie die Zersetzung vor sich geht, mit frischem Elektrolyt versehen. Diese beiden Zwecke werden durch die einzige Röhre P erreicht. Es können jedoch noch zwei Röhren oder Röhrensysteme angeordnet werden, von denen das eine dafür sorgt, dafs die Anode beständig in gutem Contact mit dem Elektrolyten verbleibt, während das andere das Zuführen einer neuen Menge Elektrolyt besorgt.

Bei der Elektrolyse gewöhnlicher Kochsalzlösung wird, namentlich wenn der Elektrolyt warm ist, so wenig Chlor zurückgehalten, dafs die Zuführung des Elektrolyten an beliebiger Stelle der Zelle stattfinden kann, sofern nur die durch die Einführung erzeugte Flüssigkeitsströmung derartig ist, dafs der Diffusion des Aetznatrons von der Kathode her Widerstand entgegengesetzt und die Anode mit frischem Elektrolyt in Berührung gehalten wird. Die beschriebene Anordnung der Röhre P mit den nach der Anode gerichteten Löchern hat sich als vortheilhaft erwiesen,, obgleich auch unter geeigneten Temperaturverhältnissen der Auslafs der Röhre P sogar oberhalb der Anode aus den eben angegebenen Gründen vorgesehen sein könnte.

Der untere Theil der Zone Ζ^Ά steht durch eine Röhre T mit der unter dem Diaphragma befindlichen Aetznatronlauge NA in Verbindung. Diese Röhre, T liegt in dem unteren Theil der Abtheilung U, wo die geneigten Flächen des Diaphragmas -D zusammentreffen, und geht fast durch die ganze Länge dieser Abtheilung hindurch; durch sie wird die Natronlauge von der Diffusionszone Z³ nach der unteren Zone NA geleitet. Von der concentrirten Natronlösung NA geht an demjenigen Ende der Abfheilung L, welches am weitesten von der Mündung der Röhre T abliegt, eine Ableitung na aus, welche zunächst bis zu der Höhe gebogen ist, welche die Oberfläche des Elektrolyten in der Ab- theilung einnehmen soll. Es ist klar, dafs durch die Verbindung der Flüssigkeit oberhalb und unterhalb des Diaphragmas bewirkt wird, dafs die gebildete und concentrirte Natronlauge so schnell durch die syphonartig gekrümmte Ausgufsröhre na herausfliefsen mufs, wie die frische Salzlösung durch die Röhre P in den Apparat eingelassen wird.

Dadurch, dafs man die einzelnen Schichten in der Zelle genau mit dem Auge erkennen kann, ist es ermöglicht, bei aufmerksamer Beobachtung den Zuflufs des Elektrolyten durch P so zu reguliren, dafs das Diffusionsbestreben des Aetznatrons durch diesen Zuflufs genau ausgeglichen wird.

Die Abtheilung L wird durch eine Anzahl verticaler, mit der die Kathode bildenden Grundplatte B verbundenen Scheidewände F in einzelne Theile getheilt. Diese Scheidewände F entsprechen an, Gestalt der geneigten Lage des Diaphragmas D, welches durch diese Scheidewände F auf seiner ganzen Länge in Intervallen getragen wird. Die zwischen den Scheidewänden liegenden Theile stehen durch Oeffnungen, welche einen mittleren Durchgang a bilden, mit einander in Verbindung.

Einige der Scheidewände ragen mit besonderen Verlängerungen X¹X¹ in die Kammer H hinein. Die Röhre T mündet in die erste Abtheilung ι, während das Abführungsrohr na der Natronlauge von der letzten Abtheilung 2 abgeführt ist.

Die durch das Diaphragma D diffundirte Lauge tritt in den Durchgang α nahe der Abtheilung ι ein und fliefst langsam durch die einzelnen Abtheilungen bis zur Abtheilung 2. Unterdessen wird aber frische Lauge an der Oberfläche der Kathode gebildet, so dafs sie beim Fliefsen von Abtheilung 1 zu 2 stärker concentrirt und somit an dem Theil des Apparates abgelassen wird, woselbst der höchste Concentrationspunkt erreicht ist.

Das Ende der Röhre T, in welches die diffundirte Natronlauge eintritt, soll womöglich

an demjenigen Theil oder nahe an demselben gelagert sein, unter welchem die am stärksten concentrirte Natronlauge sich befindet, so dafs an diesem Punkt das durch das Diaphragma kommende Natron am dichtesten ist und die Röhre T von der Zone Z³ die am stärksten concentrirte Lauge oberhalb des Diaphragmas abführt.

Die Anordnung der Röhre T nach Fig. ι bewirkt eine Strömung von diffundirtem Natron von allen Theilen der Abtheilung U nach der Eingangsöffnung der Röhre T. Diese Strömung in U ist parallel der in L stattfindenden Strömung, so dafs in dem Mafse, wie die Strömungen vorwärts schreiten, die ober- und unterhalb des Diaphragmas befindliche Lösung eine stärkere Concentration annimmt. Auf diese Weise wird das Diffusionsbestreben nahezu gleichmäfsig auf der ganzen Länge des Diaphragmas gehalten.

Eine andere Ausführungsform eines Zersetzungsapparates der neuen Art ist in den Fig. 3 bis 8 dargestellt.

In diesem Apparate sind die einzelnen Theile so gruppirt und mit einander verbunden, dafs sä'mmtliche Verbindungen von der Kathodenplatte aus geschlossen werden können. Die Anordnung der aus Kohlenstücken G und Platindrähten W gebildeten Anode, der mit Löchern ρ versehenen Zuführungsröhre P, des gegen die Gaskammer H ansteigenden Diaphragmas D, sowie der Kathode B ist dieselbe wie in den Fig. ι und 2. Auch in diesem Apparate entstehen die verschiedenen Zonen Z¹ Z² Z? und NA, wie in dem Apparate nach Fig. ι und 2.

Die Wasserstoffkammer befindet sich jetzt jedoch innerhalb, anstatt wie vorher aufserhalb. Die Röhre P ist entsprechend der cylindrischen Gestaltung dieses Apparates gekrümmt; das Diaphragma D ist in Uebereinstimmung hiermit als Hohlkonus ausgebildet und steigt nach der Mitte zu an, wo die sich an dem Diaphragma sammelnden Gasmassen nach der Kammer H geleitet werden.

In der Kammer H erhebt sich eine Verlängerung x'² der Kathodenbasis (Fig. 3, 4 und 8); sie kann mit letzterer auch aus einem Stück bestehen. Diese Verlängerung enthält radiale Zellenwandungen x¹, welche in ihrer Wirkungsweise den Scheidewandungen x^l des in Fig. 1 und 2 dargestellten Apparates entsprechen. Auf diese Weise ist also die Kathode B aus radialen Zellen gebildet, welche durch in den Scheidewänden vorgesehene Oeffhungen mit einander in Verbindung stehen; diese Oeffhungen bilden einen gekrümmten Kanal, der in seiner Wirkungsweise dem in Fig. 2 mit α bezeichneten Kanal entspricht.

Die Abtheilung H, welche nunmehr die Gestaltung einer Glocke besitzt, sowie die sie umschliefsenden Theile sind aus nicht leitendem Material hergestellt. Die eingeschlossene Cylinderzelle x- besteht vortheilhaft aus demselben Material wie die Elektrode, auf welcher sie aufruht, und deren Fortsetzung sie bildet.

Die Röhre T dieses cylindrischen Apparates wird aus einem kurzen inneren Fallrohr T gebildet (Fig. 6), oder sie ist durch einen directen Durchgang T ersetzt (Fig. 7), bei welchem die Biegung des Fallrohres durch eine unmittelbar unter der Röhre T angebrachte Platte oder Schale 5 aus nicht angreifbarem Material, wie Porcellan oder Glas, ersetzt ist. In der Röhre T sowohl der in Fig. 1 als auch der in Fig. 6 und 7 dargestellten Anordnung werden keine Gase gebildet, so dafs kein Wasserstoff durch den Durchgang T in die obere Kammer des Apparates gelangen kann.

Die dem Durchgang T und dem Gasabfang zunächst liegende Zelleriwandung weist keine Oeffnung auf. Auf der anderen Seite dieser undurchlochten Zellenwand befindet sich die Auslafsröhre na (Fig. 3 und 4). Damit nun das diffundirte Natron von T nach η α gelangt, mufs es die ganze Oberfläche der Kathode dadurch bestreichen, dafs es rings um die radialen Scheidewände herum wandern mufs; auf diese Weise wird auch hier eine fortschreitende Concentration bewirkt.

Der Hauptunterschied dieser Ausführungsform der vorher beschriebenen gegenüber liegt darin, dafs alle Anschlüsse, sowohl die Zu- und Ableitung der Elektricität als auch die Zuführung des Elektrolyten und Ableitung der entstehenden Producte, durch die Kathodenbasis B hindurchgehen. Die Glocke b, welche die Wandungen der Abtheilung U bildet, kann aus dem Apparate herausgehoben und so der letztere leicht revidirt, gereinigt und ausgebessert werden, ohne dabei die Anschlufsleitungen der Kathodenbasis lösen zu müssen. Die Glocke b besteht vortheilhaft aus Glas und ist aus einem Stück gefertigt, so dafs Undichtigkeiten nicht entstehen können, während eine Beobachtung des Processes zu allen Zeiten möglich ist.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der radialen Zellen, die concentrische Anordnung der Zuführungsdrähte, sowie das Zuführungsrohr und die Art und Weise, wie die Drähte W angeordnet werden.

Fig. 5 ist eine perspectivische Ansicht der zellenartigen Kathode, aus welcher die mittlere Gruppe der Zellen, die in die Abtheilung H hineinragen, weggenommen ist; diese mittlere Gruppe wird vortheilhaft aus einem Stück hergestellt und ist in Fig. 8 veranschaulicht.

Der eben beschriebene Verschiebungsprocefs bei der Elektrolyse bewirkt bei seiner Anwendung

auf Kochsalzlösung nur einen Niedergang der schweren Producte. Dieser Verschiebungsprocefs kann jedoch bei der Behandlung von Substanzen der verschiedensten specifischen Schwere derartig ausgeführt werden, dafs sowohl eine Aufwärtsströmung als auch eine Abwärtsströmung oder sogar beide gleichzeitig auftreten können.

Um zu zeigen, dafs man in dem neuen Apparat auch eine Auf- und Abwärtsschiebung hervorbringen kann, soll im Folgenden die elektrolytische Zersetzung einer Natriumsulfatlösung beschrieben werden.

Diese wird durch den elektrischen Strom in Natrium, Schwefelsäureanhydrid und Sauerstoff zersetzt:

Na.₂ S Ot =

S O₃ + 0.

Das an der Kathode gebildete Natrium bildet sofort mit dem Lösungswasser unter Freiwerden von Wasserstoff Natriumhydroxyd. An der Anode bildet das Schwefelsäureanhydrid mit dem Wasser Schwefelsäure, welche, da leichter als die Natriumsulfatlösung, nach oben steigt und sich oberhalb der Anode ansammelt.

Fig. 9 stellt einen zur Elektrolyse von Natriumsulfatlösung geeigneten Apparat dar. Principiell unterscheidet sich dieser nicht von dem in Fig. ι und 2 dargestellten; nur ist auch hier die Kammer H im Inneren angeordnet, und- die Kathodenzellen sind weggelassen.

Das Diaphragma D trennt den Apparat in eine obere Abtheilung U und in eine untere L. Das Diaphragma D ist so geneigt angeordnet, dafs der an der Kathode frei werdende Wasserstoff in die Kammer H steigt und von hier durch eine Röhre h abgeführt wird.

Die Eisenkathode B, sowie die Platinanode W mit Gaskohlenstücken G übernehmen dieselbe Function wie früher. Die Kammern U und L verbindet eine Röhre T; na ist die Ausiafsröhre der Abtheilung L. Zwischen den Elektroden führt in den Apparat die Röhre P, welche gleichfalls wie¹ früher angeordnet ist.

Wird der elektrische Strom geschlossen, so werden die verschiedenen in Lösung befindlichen Producte in der Reihenfolge ihrer specifischen Schwere sich ablagern. Unter dem Diaphragma sammelt sich in der Zone NA concentrirtes Aetznatron. Unmittelbar über dem Diaphragma bildet sich eine Zone Z³ von diffundirtem Natron. Zwischen der Zone Z³ und der Anode W befindet sich die aus unzersetztem Natriumsulfat gebildete Zone Z². Die oberste Zone Z¹ besteht aus wässeriger Schwefelsäure, oberhalb welcher sich in dem Räume O Sauerstoff sammelt, welcher durch die Röhre 0 abgelassen wird.

Die Wiedervereinigung der gebildeten Jonen durch Diffusion wird auch hier durch das Einfliefsen von frischem Elektrolyt durch die Röhre P in die Zone Z'² verhindert. Das einströmende Natriumsulfat verdrängt die darüber befindliche Schwefelsäure, welche durch die Röhre J abgeleitet wird. Beim Steigen des Flüssigkeitsniveaus in dem oberen Theil des Apparates wird die Aetznatronlauge nach unten gedrückt, so dafs. sie durch das Rohr η α abfliefst, während die gebildete Schwefelsäure durch den Zufiufs von frischem Elektrolyt in die Zone Z² nach oben gedrückt wird.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Ein elektrolytischer Zersetzungsapparät, gekennzeichnet durch horizontal über einander gelagerte Elektroden, dazwischen mündender Elektrolytzuführung P, vom Boden der Zelle abzweigende Ableitungsröhre na und eine Röhre T, welche die Diffusionszone oberhalb des Diaphragmas mit einem möglichst weit vom Abfiufsrohr entfernten Punkt der untersten Zone verbindet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.