JP5069292B2 - 電気化学的な水処理のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸性の水を浄化するための電解装置（Ｅｌｅｋｔｒｏｌｙｓｅｖｏｒｒｉｃｈｔｕｎｇ）であって、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に配置され、少なくとも環状に取り巻くように縁部領域で保持されるイオン交換膜とを備える形式のものにおいて、電解装置の上下の縁部領域に多数の供給部および排出部が配置され、カソード室もしくはアノード室に接続されており、その結果、カソード室およびアノード室内に、理想的には層状のプロフィールを有する押出し流れを形成するものに係る。

露天掘り跡の湖（Ｔａｇｅｓｂａｕｒｅｓｔｓｅｅ）からの硫酸性の水の再生は、大量の水に基づいて、現在ではとりわけ、場合によっては調整された外的な水の注入（Ｆｌｕｔｕｎｇ）により実施される。しかし、この方法は、特に供給可能な水量、移送の手間および緩衝すべき塩基容量により強く制限されている。石灰の添加による採掘跡の湖沼の再生は、大抵の場合、アルカリ性の物質の高い化学量論的過剰のために不経済である。

ＤＥ１９６２４０２３Ｂ１には、酸性の水を処理する方法が開示されている。この公知の方法では、水処理プロセスが、処理したい水への添加剤の混合なしに実施される。処理効果は、通常の中和に対して、高いｐＨ値を有する水へのアルカリ液の配量により達成されるのではなく、例えば以下の反応式に示すように、電気分解プロセスのカソード側の部分反応における電気化学的な析出の結果としてのプロトンの分離により達成される：
（１）４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ―＞ ２Ｈ_２
（２）４Ｈ_２Ｏ ＋ ４ｅ⁻ ―＞ ２Ｈ_２＋４ＯＨ⁻。

同様に、原則的には、水中に溶けた酸素の、水酸化物イオンへの同時進行の電気化学的な反応が、中和の働きをする：
（３）２Ｈ_２Ｏ ＋ Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻ ―＞ ４ＯＨ⁻。

しかし、反応（３）は、カソード側での水処理に僅かな貢献を示すにすぎない。電解セルのアノード室とカソード室との間にイオン交換膜を使用することにより、付加的に、ｐＨ値の上昇、およびこれに付随する加水分解、およびアルミニウムイオンおよび重金属イオンの沈殿のために、水の塩含有量もかなり減じられることが達成される。その際、カソード側の水処理プロセスと、アノード側の合成プロセスとの結合が行われる。硫酸イオンの存在時、アノードで以下の反応が進行し得る：
（４）２Ｈ_２Ｏ ―＞ ４Ｈ^＋ ＋ Ｏ_２ ＋ ４ｅ⁻
（５）２ＳＯ_４ ^２− ―＞ Ｓ_２Ｏ_８ ^２− ＋ ２ｅ⁻。

反応式（４）での反応時、発生したプロトンは、アノード室内に移動した硫酸イオンにより飽和される。まず、硫酸が形成され、濃縮される。第２の事象で、硫酸イオンはペルオキソ二硫酸塩へ酸化され、アノード室内で濃縮される。後続のプロセスにより、この生成物の獲得が可能である。類似の形式で、陰極反応で形成された水素は続いて生成物として利用され得る。

ＧＢ２０５７５０７ＡまたはＤＥ３６１４００５Ａ１には、原則的に、前記方法のための適当な電解装置が記載されている。塩素アルカリ電気分解での産業上の使用のために公知であるような電解セルは、ＤＥ１９６４１１２５、ＤＥ１９７４０６３７またはＤＥ１９６４１１２５に記載されている。これらのセルは、とりわけカソード側およびアノード側の半シェル（Ｈａｌｂｓｃｈａｌｅ）からなる。半シェル内にはカソードもしくはアノードが配置されている。電極間にはイオン交換膜が配置されており、各半シェルの内室は電極により電極室と電極背室とに分割される。電極室は膜および電極により画成され、電極背室は電極およびそれぞれのセル背壁により画成される。各セルは１つの供給部および１つの排出部を有する。

これらの原理的に公知の方法および公知の装置における欠点は、公知の電解装置では極めて高い電圧が、流体を浄化するために印加されねばならない点にある。この流体のイオン濃度は、古典的な電気分解法、例えば塩素アルカリ電気分解に比べて極めて低く、相応に伝導性は悪い。

これにより本発明の課題は、低いイオン濃度を有する流体のために適しており、規定どおりの運転で僅かな所要エネルギの点で優れた装置を開示することである。

上記課題は、本発明により、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に配置され、少なくとも環状に取り巻くように縁部領域で保持されるイオン交換膜とを備える水浄化のための電解装置が開示されることにより解決される。その際、電解装置の上下の縁部領域に多数の供給部および排出部が配置され、カソード室もしくはアノード室に流動結合されている。

押出し流れもしくは栓流によって表現され得る、相対的に狭い滞留時間範囲を有するほぼ層流のプロフィールが、本発明による装置内で形成されることが判っている。この装置の使用時、極めて良好な分解結果が、同時に僅かな電流消費で認められる。安定した層流の形成、同時に僅かな電流消費のために、イオン交換膜からの電極間隔は、最大で５ｍｍであり、１．５ｍｍを下回らない。

有利な実施の形態は、電解装置が、独立セル（Ｅｉｎｚｅｌｚｅｌｌｅ）の構造形式で構成されていることにある。このような独立セルは、実質的に２つの半シェルからなる。半シェルの最も外側の縁部は、環状に取り巻くフランジとして形成されている。フランジに、環状に取り巻くエッジに続いて、セル背壁を縁取りするセル縁部が接続する。電極はウェブにより内側からそれぞれのセル背壁に固定されており、ウェブに対向して、電極の膜側に、膜の固定および入力（Ｋｒａｆｔｄｕｒｃｈｌｅｉｔｕｎｇ）のためのスペーサが配置されている。これにより、電極ならびにアノード室およびカソード室が、複数の平行なコンパートメントに分割される。

規定どおりの運転で、多数のこの種の独立セルは、保持装置内に相前後して面平行に懸装され、互いに緊締され、かつ相前後して膜もしくは電極面に対して垂直に通電される。

有利には、供給部および排出部が、膜から見て電極の後に配置されており、各コンパートメントに少なくとも１つの供給部および１つの排出部が配設されている。さらなる改善は、セル背壁と電極との間の室、つまり電極背室が、９０％超、不活性の材料で充填されており、その結果、水が規定どおりの運転中、僅かな縁部流動（Ｒａｎｄｓｔｒｏｅｍｕｎｇ）を除いて、電極と膜との間の室内に導入されることにある。理想的には電極背室が完全に閉鎖される。

流体の供給および排出のための改善された流動案内のために、不活性の材料が供給部および排出部の領域で、上下のセル壁に対して平行に単数または複数の通路が形成されているように成形されているか、または相応の切欠きを備える。流体は、それぞれの電極の縁とセル縁部との間に生じるギャップを通って、カソード室またはアノード室内に流入する。理想的には、電極の上下のエッジとセル縁部との間のギャップの幅は、最小で０．５ｍｍ、最大で５ｍｍである。

カソード半シェル内の体積流量が極めて大きいので、カソードは付加的に、上下のエッジに切欠き、孔またはこれに類するものを備える。これにより、カソード背室内に流入した水は、供給ラインの圧力を著しく高める必要なく、適当な形式でカソード室内に導入され得る。

理想的には、本発明による装置では、アノードがエキスパンドメタル（Ｓｔｒｅｃｋｍｅｔａｌｌ）として、カソードが平坦なプレートとして形成されている。有利には、電極背室を充填する充填体の、垂直に延びるエッジが、電極背室の排水および腐食の回避のために面取りされている。

本発明は、フィルタプレスの構造形式で構成されており、相並んだ多数の独立セルからなる水浄化のための電解装置を包含する。各独立セルは、アノード室およびカソード室ならびにその間に位置するダイアフラムまたはイオン交換膜を備える。隣のセルに対して、１つの独立セルは、双極性のセル壁により閉鎖されている。その際、アノード室およびカソード室は、イオン交換膜を固定するために役立つ、流動に対してオープンな弾性的なマットで充填されていてもよい。

別の有利な実施の形態は、電極の膜側に、膜の固定および入力のためのスペーサが配置されており、これにより、電極と、電極と膜との間の中間室とが、複数のコンパートメントに分割され、各コンパートメントに少なくとも１つの供給部および１つの排出部が配設されていることにある。

装置は、膜および電極の中間室の上下に配置されているシール材料が、多数の供給部および排出部がこのシール材料を貫いて案内されることができ、理想的にはこれに螺合可能であるように成形されていることで改善され得る。

以下に、図１〜図３に示す本発明による装置の有利な実施の形態について詳説する。図１は、電解セル１の平面図を示す。周囲を環状に取り巻くセルフランジ２には、規則的な間隔で、ねじ通し部３が設けられている。図１には見て取れない上側のセル縁部４には、多数の供給部５が配置されている。やはり図示されていない下側のセル縁部６には、同じ数の排出部７が存在する。

電解セル１の全体は、コンパートメント８に分割されている。各コンパートメント８には、１つの供給部５および１つの排出部７が配設されている。図２の断面図は、電解セル１の供給部の領域を、線Ａに沿った鉛直断面図で示す。カソード半シェル９は、カソード１０とイオン交換膜１１との間にカソード室１２を有する。カソード背室１３内には、プラスチックからなる充填体１４が収納されている。充填体１４は供給部５に対して角度をなしてカットされている。その結果、セル縁部６の下側には、三角形の横断面を有する通路１５が生じる。カソード背室１３の閉塞は、縁部ギャップ１６と、通路１５の領域でカソード１０に設けられた開口１７とを介したカソード室１２内への、セル内の流体の完全な変向に至る。さらにセル背壁には、コンタクトストリップ２０が図示されている。コンタクトストリップ２０を介して、隣り合う電解セル１が電気伝導性に互いに接続されている。

アノード半シェル１８、およびそこに含まれるコンポーネントの構造は、実質的に同一である。縁部ギャップ１６の近傍でのアノード１９の付加的な開口１７は設けられていない。それというのも、体積流量がカソード側より小さいからである。

図３は、図１の線Ｂに沿った断面図である。充填体１４が見て取れる。充填体１４は電極の背室内に挿入されている。各充填体１４はちょうど１つのコンパートメント８を充填し、コンパートメント８はウェブ２１により形成される。ウェブ２１は電極を保持し、それぞれのセル半シェルの背壁に結合されている。カソード室１２およびアノード室２２内には、ウェブ２１の領域内に、イオン交換膜１１を局所的に固定するスペーサ２３が配置されている。

電解セルの平面図である。 図１の線Ａに沿った断面図である。 図１の線Ｂに沿った断面図である。

符号の説明

１ 電解セル
２ セルフランジ
３ ねじ通し部
４ セル縁部（上側）
５ 供給部
６ セル縁部（下側）
７ 排出部
８ コンパートメント
９ カソード半シェル
１０ カソード
１１ イオン交換膜
１２ カソード室
１３ カソード背室
１４ 充填体
１５ 通路
１６ 縁部ギャップ
１７ 開口
１８ アノード半シェル
１９ アノード
２０ コンタクトストリップ
２１ ウェブ
２２ アノード室
２３ スペーサ

Claims (10)

1. 水浄化のための電解装置であって、電極としてのカソードおよびアノードと、カソードとアノードとの間に配置され、少なくとも環状に取り巻くように縁部領域で保持されるイオン交換膜と、多数の供給部および排出部とを備える形式のものにおいて、前記電解装置が、独立セルの構造形式で構成されており、２つの半シェルから形成され、半シェルの最も外側の縁部が、環状に取り巻くフランジとして形成されており、該フランジに、環状に取り巻くエッジに続いて、セル背壁を縁取りするセル縁部が接続し、電極がウェブによりそれぞれのセル背壁に固定されており、ウェブに対向して、電極のイオン交換膜側に、イオン交換膜の固定および入力のためのスペーサが配置されており、これにより、電極と、それぞれの電極とイオン交換膜との間に形成されるアノード室およびカソード室とが、複数の平行なコンパートメントに分割されており、各コンパートメントに少なくとも１つの供給部および少なくとも１つの排出部が前記セル縁部に配設されていることを特徴とする、水浄化のための電解装置。
2. 供給部および排出部が、イオン交換膜から見て電極の後に配置されている、請求項１記載の水浄化のための電解装置。
3. セル背壁と電極との間の室が、９０％超、不活性の材料で充填されており、その結果、水が規定どおりの運転中、僅かな縁部流動を除いて、アノード室およびカソード室内に導入される、請求項１または２記載の水浄化のための電解装置。
4. 電極の上下のエッジが、セル縁部に対して最小で０．５ｍｍ、最大で５ｍｍの間隔を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の水浄化のための電解装置。
5. カソードが、供給部もしくは排出部に対向して位置する上下のエッジに、開口または切欠きを備える、請求項１から４までのいずれか１項記載の水浄化のための電解装置。
6. アノードがエキスパンドメタルとして、カソードが平坦なプレートとして形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の水浄化のための電解装置。
7. 当該電解装置がフィルタプレスの構造形式で構成されており、相並んだ多数の独立セルからなり、各独立セルが、アノード室およびカソード室ならびにその間に位置するダイアフラムまたはイオン交換膜を備え、隣のセルに対して双極性のセル背壁により閉鎖されている、請求項１記載の水浄化のための電解装置。
8. アノード室およびカソード室の上下に配置されているシール材料が、供給部および排出部がこのシール材料を貫いて案内可能であるように成形されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の水浄化のための電解装置。
9. 前記シール材料は、供給部および排出部がこのシール材料に螺設可能であるように成形されている、請求項８記載の水浄化のための電解装置。
10. イオン交換膜からの垂直な電極間隔が、５ｍｍ〜１．５ｍｍである、請求項１から９までのいずれか１項記載の水浄化のための電解装置。

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