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Die
Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle und ein Verfahren zur Elektrolyse
einer wässrigen Kochsalzlösung. Die
Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer
wässrigen
Natriumhydroxidlösung
durch Elektrolyse einer wässrigen Kochsalzlösung unter
Verwendung einer Gaselektrode mit einer hohen Stromausbeute und
auf stabile Weise sowie eine Elektrolysezelle für die Verwendung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Mit
der kürzlich
erfolgten bemerkenswerten Entwicklung und Verbesserung von Ionenaustauschmembranen
vom Fluor-Typ hat die Elektrolyse von Natriumchloridlösungen unter
Verwendung einer Ionenaustauschmembran als Diaphragma eine weite Verbreitung
gefunden. Diese Technik stellt eine Methode zur Herstellung von
Wasserstoffgas und Natriumhydroxid in einer Kathodenkammer und von Chlorgas
in einer Anodenkammer durch Elektrolyse einer wässrigen Kochsalzlösung dar.
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Um
den Energieverbrauch zu verringern, wurde beispielsweise in der
JP-A-52-124496 (der Ausdruck „JP-A" wird hier als Abkürzung für eine „ungeprüfte publizierte
japanische Patentanmeldung" verwendet),
in der JP-B-2-29757 (der Ausdruck „JP-B" wird hier verwendet für eine „geprüfte publizierte
japanische Patentanmeldung")
und in der JP-A-62-93388
die Verwendung einer Gaselektrode als eine Kathode zur Durchführung der
Elektrolyse vorgeschlagen, wobei gleichzeitig Sauerstoff in eine Kathodenkammer
eingeführt
wird, um die Wasserstoffentwicklung zu unterdrücken und die Zellenspannung
stark herabzusetzen. Theoretisch kann die Zellenspannung um 1,2
V oder mehr herabgesetzt werden durch Umwandlung einer kathodischen
Reaktion ohne Zufuhr von Sauerstoff, wie durch die folgende Gleichung
(1) dargestellt, in eine Reaktion mit Sauerstoffzufuhr, wie durch
die folgende Gleichung (2) dargestellt: 2H2O + 2e– → H2 +
2OH–(E
= –0,83
V vs. NHE) (1) H2O + 1/202 +
2e– → 2OH–(E
= 0,40 V vs. NHE) (2)
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Im
allgemeinen wird eine Gaselektrode in einer Kathodenkammer angeordnet,
um die Kammer in eine Lösungskammer
auf einer Seite der Ionenaustauschmembran und in eine Gaskammer
auf der gegenüberliegenden
Seite zu unterteilen. Die Gaselektrode wird in der Regel hergestellt
durch Formen einer Mischung aus einer hydrophoben Substanz wie Polytetrafluorethylen-Harz
(nachstehend abgekürzt als
PTFE bezeichnet) und einem Katalysator oder einem auf einem Träger angeordneten
Katalysator und ihre hydrophoben Eigenschaften verhindern die Permeation
der Flüssigkeit.
Die Gaselektrode verliert jedoch allmählich ihre hydrophoben Eigenschaften, wenn
sie einer hohen Temperatur von etwa 90°C und einer wässrigen
Natriumhydroxidlösung
in einer hohen Konzentration von etwa 32 Gew.-% während einer
Langzeit-Elektrolyse ausgesetzt ist. Als Folge davon beginnt die
Flüssigkeit
der Lösungskammer
in die Gaskammer einzudringen. Außerdem ist die Gaselektrode,
da sie aus einem Gemisch hauptsächlich aus
einem Kohlenstoffmaterial und einem Harz hergestellt ist, mechanisch
spröde
und neigt zum Reißen.
Diese Nachteile haben die praktische Verwendung einer Gaselektrode
für die
Elektrolyse einer wässrigen
Kochsalzlösung
verhindert.
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Die 1 zeigt eine Elektrolysezelle,
in der eine konventionelle Gaselektrode verwendet wird. Die Elektrolysezelle
(1) ist durch eine Ionenaustauschmembran (2) in
eine Anodenkammer (3) und eine Kathodenkammer (4)
unterteilt. Eine poröse
Anode (5) ist nahe bei der Ionenaustauschmembran (2) in
der Anodenkammer (3) angeordnet. Die Anodenkammer (3)
hat einen Einlass (6) zur Einführung einer gesättigten
wässrigen
Natriumchloridlösung
in ihrer unteren Seitenwand, einen Auslass (7) zum Abziehen
eines verdünnten
Salzwassers in ihrer oberen Seitenwand und einen Auslass (8)
zum Abziehen von Chlorgas auf ihrer Oberseite.
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Die
Kathodenkammer (4) ist mit einer Gaselektrode (11)
ausgestattet, die ein Platten- bzw.
Foliensubstrat (9) mit einer darauf geformten Elektrodensubstanz
(10), bestehend aus einer Mischung aus einem Kohlenstoffmaterial
und PTFE in der Weise, dass die Kathodenkammer (4) in eine
Lösungskammer
(12) auf der Seite der Elektrodensubstanz (10) und
in eine Gaskammer (13) auf der Seite des Substrats (9)
unterteilt ist, umfasst. Die Lösungskammer (12)
hat einen Einlass (14) zur Einführung einer verdünnten wässrigen
Natriumhydroxidlösung
am Boden derselben und einen Auslass (15) zum Abziehen einer
gesättigten
wässrigen
Natriumhydroxidlösung an
ihrer Oberseite. Die Gaskammer (13) hat einen Einlass (16)
zum Einführen
eines Sauerstoff enthaltenden Gases in ihrer Seitenwand und einen
Auslass (17) zum Austragen eines Sauerstoff enthaltenden Gases
in ihrem Boden.
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Die
Elektrolyse, bei der eine Zelle dieses Typs verwendet wird, wird
durchgeführt
durch Einführen
einer Kochsalzlösung
durch den Einlass (6) in die Anodenkammer (3),
einer verdünnten
wässrigen
Natriumhydroxidlösung
durch den Einlass (14) in die Lösungskammer (12) und
eines Sauerstoff enthaltenden Gases, z. B. Luft, durch den Einlass
(16) in die Gaskammer (13). Dabei wird die Gaselektrode
(11), die das Folien- bzw. Plattensubstrat (9)
mit einer Schicht aus einer Elektrodensubstanz (10) darauf umfasst,
durch die hohe Temperatur der Elektrolyselösung und die konzentrierte
wässrige
Natriumhydroxidlösung,
die bei der Elektrolyse gebildet wird, beschädigt. Als Folge davon werden
das Substrat (9) und die Elektrodensubstanz (10)
abgebaut und halten einem Langzeitbetrieb nicht Stand.
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Um
das zuvor beschriebene Problem zu lösen, das mit diesem Typ einer
Elektrolysezelle verbunden ist, wurde bereits vorgeschlagen, eine
Gaselektrode mit einer Ionenaustauschmembran zu einer einheitlichen
Struktur zu vereinigen (nachstehend als Zelle vom integralen Gaselektroden/Ionenaustauschmembran-Typ
bezeichnet), ohne die Kathodenkammer zu unterteilen, wie in der
JP-B-61-6155 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird, wie darin angegeben ist,
durch eine Gaselektrode, die durch die Ionenaustauschmembran verstärkt ist,
die mechanische Sprödigkeit überwunden.
Hochkonzentriertes Natriumhydroxid, das jedoch auf der Oberfläche der
Kathode, d. h. in der Nähe
oder auf der Oberfläche
der Ionenaustauschmembran gebildet wird, dringt in die Ionenaustauschmembran
ein und tritt in die Anodenkammer ein. Dies führt nicht nur zu einer Herabsetzung
der Stromausbeute bei der Natriumhydroxid-Bildung, sondern bietet
auch die Möglichkeit
einer Beschädigung
des die Anodenkammer aufbauenden Elements, das in der Regel nicht
alkalibeständig
ist. Andererseits muss das auf der Oberfläche der Ionenaustauschmembran
gebildete Natriumhydroxid die Gaselektrode passieren, um seine Abtrennung
zu ermöglichen.
Es ist jedoch extrem schwierig, das Natriumhydroxid abzutrennen,
während
gleichzeitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas in ausreichender Menge
in die Gaskammer eingeführt
wird.
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Die
US 4 578 159 beschreibt
eine Elektrolysezelle, die eine für Flüssigkeit durchlässige hydrophile
poröse
Kathode umfasst.
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Die
US 4 221 644 beschreibt
eine Elektrolysezelle, umfassend eine Anodenkammer, eine Kathodenkammer
und eine Gaskammer. Diese Veröffentlichung
beschreibt, dass die Kathode ein hydrophobes Material enthält, um die
Elektrodenstruktur für
Flüssigkeit
undurchlässig
zu machen.
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Die
US 4 486 276 beschreibt
eine Elektrolysezelle, umfassend eine Kathode, umfassend ein poröses, elektrisch
leitfähiges
Substrat und einen katalytischen Bestandteil. Die Kathode besteht
aus einem Material, das für
Luft oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas durchlässig ist, nicht jedoch für Flüssigkeit.
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Die
US 3 963 592 beschreibt
ein Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Kochsalzlösung, bei dem
eine Elektrolysezelle verwendet wird, umfassend eine poröse Kathode,
die unter Verwendung eines porösen
Materials, wie z. B. eines Gemisches aus Kohlenstoffpulver und PTFE,
hergestellt wurde.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektrolysezelle und
ein Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Kochsalzlösung bereit
zu stellen, bei denen eine Gaselektrode mit einer ausreichenden
Festigkeit verwendet wird, die auf wirksame Weise verhindert, dass
das während
der Elektrolyse gebildete Natriumhydroxid in eine Anodenkammer eindringt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle (21)
für die
Elektrolyse einer wässrigen Kochsalzlösung, umfassend
eine Ionenaustauschmembran (22), welche die Zelle (21)
in eine Anodenkammer (23) und eine Kathodenkammer (24)
unterteilt, eine poröse
Anode (25), die in der Anodenkammer (23) angeordnet
ist, und eine für
Gas und Flüssigkeit
durchlässige
Gaselektrode (31 ), die an einen elektrisch leitfähigen porösen Körper gebunden
ist, der in der Kathodenkammer (24) angeordnet ist und der
in Kontakt mit der Ionenaustauschmembran (22) steht, wobei
die Anodenkammer (23) einen Einlass (26) für das Einführen einer
wässrigen
Kochsalzlösung
und die Kathodenkammer (24) einen Einlass (32)
für das
Einführen
eines Sauerstoff enthaltenden Gases aufweisen, wobei die Gaselektrode
(31) mit einem Verfahren hergestellt wurde, umfassend (i)
das Beschichten einer oder beider Seiten eines elektrisch leitfähigen Materials,
das Poren aufweist, mit einem Gemisch aus Kohlenstoffpulver und
einem wasserabstoßenden
Material, um eine Überzugsschicht
zu bilden, (ii) das Calcinieren der gebildeten Überzugsschicht, um eine Gasdiffusionsschicht
zu bilden, und (iii) das Bilden einer Katalysatorschicht durch Pyrolysieren
der Oberfläche
der Gasdiffusionsschicht oder durch Bilden einer einen Katalysator
tragenden Schicht aus Kohlenstoffpulver und PTFE auf der Seite der
Gaselektrode (31), die in Kontakt mit der Ionenaustauschmembran
(22) steht, wobei das Gewichtsverhältnis von Kohlenstoffpulver
zu wasserabstoßendem
Material in Schritt (i) im Bereich von 5,0 bis 1,0 liegt.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Elektrolyse einer
wässrigen
Kochsalzlösung
unter Verwendung der zuvor beschriebenen Elektrolysezelle (21),
umfassend das Einführen
einer wässrigen
Kochsalzlösung
in die Anodenkammer (23) und eines Sauerstoff enthaltenden
Gases in die Kathodenkammer (24) und das Elektrolysieren
der wässrigen
Kochsalzlösung,
um Chlorgas aus der Anodenkammer (23) und eine wässrige Natriumhydroxidlösung aus
der Kathodenkammer (24) zu gewinnen.
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Es
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
dass das Sauerstoff enthaltende Gas ein angefeuchtetes Gas ist.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Beispiel einer konventionellen Elektrolysezelle, in der eine
Gaselektrode verwendet wird; und
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Beispiel der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.
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Erfindungsgemäß wird eine
für Gas
und Flüssigkeit
durchlässige
Gaselektrode anstelle einer konventionellen, für Gas und Flüssigkeit
undurchlässigen
Elektrode verwendet, um so die Nachteile der konventionellen Elektrolysezelle
vom integralen Gaselektroden/Ionenaustauschmembran-Typ zu eliminieren.
Die erfindungsgemäß verwendete
Gaselektrode verhindert, dass eine konzentrierte wässrige Natriumhydroxidlösung, die
während
der Elektrolyse gebildet wird, in der Nähe der Oberfläche zwischen der
Ionenaustauschmembran und der Gaselektrode verbleibt und durch die
Ionenaustauschmembran hindurch in die Anodenkammer gelangt.
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Im
Gegensatz dazu gelangt bei einer konventionellen Zelle das während der
Elektrolyse gebildete Natriumhydroxid im wesentlichen nicht durch die
Gaselektrode hindurch in die Kathodenkammer, sondern es tritt statt
dessen in die Anodenkammer ein.
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Andererseits
erlaubt die erfindungsgemäß verwendete
Gaselektrode, dass das während
der Elektrolyse gebildete Natriumhydroxid in die Kathodenkammer
eindringt und daraus leicht abgetrennt werden kann. Als Folge davon
wird eine hohe Stromausbeute bei der Natriumhydroxid-Bildung aufrechterhalten
und das nicht alkalibeständige
Element der Anodenkammer ist gegenüber dem Alkali geschützt.
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Die
erfindungsgemäß verwendete
Gaselektrode ist somit für
Gas und Flüssigkeit
durchlässig
und in dieser Hinsicht unterscheidet sie sich grundlegend von einer
für Gas
und Flüssigkeit
undurchlässigen konventionellen
Gaselektrode. Im einzelnen liegt der Druck, der für das Eindringen
der Flüssigkeit
in die erfindungsgemäß verwendete
für Gas
und Flüssigkeit
durchlässige
Gaselektrode erforderlich ist, unter 0,1 kg/cm2,
der sehr viel niedriger ist als derjenige einer konventionellen
für Gas
und Flüssigkeit
undurchlässigen
Gaselektrode (etwa 1 kg/cm2 oder weniger).
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Spezifische
Beispiele für
Gase, für
welche die erfindungsgemäß verwendete
Gaselektrode durchlässig
ist, sind Luft, Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid, und spezifische
Beispiele für
Flüssigkeiten,
für welche
die erfindungsgemäß verwendete Gaselektrode
durchlässig
ist, sind Wasser, Methanol und ein Elektrolyt mit darin gelöstem Salz.
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Die
erfindungsgemäß verwendete
Gaselektrode kann nicht nach einem konventionellen Verfahren hergestellt
werden, wie es allgemein für
Gaselektroden angewendet wird; vielmehr ist ein spezifisches Verfahren
erforderlich. Die erfindungsgemäß verwendete,
für Gas
und Flüssigkeit
durchlässige
Gaselektrode wird hergestellt, indem man (i) eine oder beide Seiten
eines elektrisch leitfähigen
Materials, das feine Poren von z. B. 1 bis 100 μm hat, z. B. eines Kohlenstoff-Gewebes,
einer Metallfaser oder eines Metall-Sintermaterials, mit einer Mischung
aus einem Kohlenstoffpulver und einem wasserabstoßenden Material,
wie z. B. PTFE, in einem Gewichtsverhältnis von Kohlenstoffpulver
zu wasserabstoßendem
Material von 5,0 bis 1,0 beschichtet, (ii) die Überzugsschicht calciniert zur
Bildung einer Gasdiffusionsschicht und (iii) eine Katalysatorschicht,
beispielsweise aus Platin oder Silber, bildet durch Pyrolyse auf der
Oberfläche
der Gasdiffusionsschicht auf der Seite, die mit der Ionenaustauschmembran
in Kontakt steht, oder durch Bildung einer einen Katalysator tragenden
dünnen
Schicht aus einem Kohlenstoffpulver und PTFE auf dieser Oberfläche.
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Der
erfindungsgemäß verwendete
elektrisch leitfähige
poröse
Körper,
welcher der Gaselektrode Elektrizität zuführt, wird hergestellt aus einem
alkalibeständigen
Material, vorzugsweise einem Metall, wie rostfreiem Stahl oder Nickel.
Als elektrisch leitfähiger
poröser
Körper
können
auch Kohlenstoffmaterialien verwendet werden. Der elektrisch leitfä hige poröse Körper hat
vorzugsweise die Form eines gestreckten Gitters, eines gewebten
Gitters, eines Stanzmetalls, einer Metallfaserbahn oder eines Gewebes.
Geeignet sind auch gesinterte Metalle und geschäumte Metalle (im Handel erhältlich unter
dem Handelsnamen „Celmet", hergestellt von
der Firma Sumitomo Electric Industries, Ltd.).
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Beispiele
für erfindungsgemäß verwendete Ionenaustauschmembranen
umfassen solche, die von der Firma E. I. Du Pont de Nemours and
Company für
die Elektrolyse einer Kochsalzlösung
hergestellt werden, wie z. B. „Nafion
901", „Nafion
90209" und „Nafion
961". Bevorzugt
ist auch die Ionenaustauschmembran FX-50, hergestellt von der Firma Asahi
Glass Co., Ltd. für
hochkonzentrierte Natronlauge wegen ihrer Beständigkeit gegenüber Natriumhydroxid.
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Die
aus den zuvor genannten Elementen aufgebaute Elektrolysezelle kann
entweder horizontal oder vertikal installiert werden. Im erstgenannten Fall
wird die Zelle vorzugsweise unterhalb der Ionenaustauschmembran
angeordnet, so dass das während
der Elektrolyse gebildete Natriumhydroxid im wesentlichen nicht
bei der Gaselektrode verbleibt.
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Das
der Kathodenkammer zugeführte,
Sauerstoff enthaltende Gas (Sauerstoffgehalt 20 bis 100 Vol.-%),
z. B. Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff, wird
vorzugsweise bis auf einen Wassergehalt von 10 bis 90 Vol.-% angefeuchtet,
bevor es in die Elektrolysezelle eingeführt wird. Der Wassergehalt
in dem Gas wird vorzugsweise eingestellt, indem man das Gas durch
einen Wasserbehälter
hindurchleitet, der bei einer Temperatur von 30 bis 100°C gehalten
wird. Die Konzentration an Natriumhydroxid, das während der
Elektrolyse gebildet wird, kann durch die Feuchtigkeit des Sauerstoff
enthaltenden Gases gesteuert werden. Es ist auch bevorzugt, Kohlendioxid
aus der Luft zu entfernen, bevor sie in die Elektrolysezelle eingeleitet
wird.
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Der
Anodenkammer wird eine wässrige Kochsalzlösung zugeführt und
eine verdünnte
wässrige
Natriumhydroxidlösung
und ein Sauerstoff enthaltendes Gas werden der Kathodenkammer zugeführt. Beim
Anlegen einer Spannung wird Chlorgas in der der Anodenkammer zugeführten Salzlösung gebildet,
während
in der Kathodenkammer Wasserstoffionen mit Sauerstoff reagieren
unter Bildung von Wasser, um dadurch eine Wasserstoffentwicklung
zu unterdrücken.
Gleichzeitig wird an dem Katalysator der Gaselektrode, die eine
Gas-Flüssigkeits-Durchlässigkeit
aufweist, im Kontakt mit der Ionenaustauschmembran Natriumhydroxid
gebildet. Das so gebildete Natriumhydroxid passiert die Gaselektrode, wandert
zu der Kathodenkammer auf der gegenüberliegenden Seite und kann
aus der Kathodenkammer leicht entfernt werden. Da die Gaselektrode
kein integraler Teil der Ionenaustauschmembran ist, sondern nur
in Kontakt damit steht, wird kein Natriumhydroxid innerhalb der
Ionenaustauschmembran gebildet. Als Folge davon wird ein Eindringen
von Natriumhydroxid in die Anodenkammer mit Sicherheit verhindert.
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Da
die Gaselektrode in Kontakt mit der Ionenaustauschmembran steht,
wird sie durch die Ionenaustauschmembran in ähnlicher Weise verstärkt wie
eine konventionelle Gaselektrode, die mit einer Ionenaustauschmembran
eine Einheit bildet. Deshalb ist die erfindungsgemäß verwendete
Gaselektrode auch bei ihrer Langzeitverwendung gegen mechanische
Verschlechterung beständig,
so dass die Elektrolyse kontinuierlich und auf stabile Weise durchgeführt werden
kann. Ferner wird durch die Verwendung eines Zwei-Kammer-Aufbaus gerade
wie bei einer Zelle vom integralen Gaselektroden/Ionenaustauschmembran-Typ,
durch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle
eine Vereinfachung des Aufbaus und der Rohrleitungen der Zelle selbst
im Vergleich mit einer Drei-Kammer-Struktur erzielt.
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Nachstehend
wird ein Beispiel für
die erfindungsgemäße Zelle
zur Durchführung
einer Elektrolyse einer wässrigen
Kochsalzlösung
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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Es
wird ein Strom an die Anode und die Kathode (⎕ und ⎕)
angelegt. Die Stromdichte an der Membran beträgt 10 bis 50 A/dm2.
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Die 2 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Die Elektrolysezelle
(21) umfasst eine Anodenkammer (23) und eine Kathodenkammer
(24), die durch eine Ionenaustauschmembran (22)
voneinander getrennt sind. Eine poröse Anode (25) wird
in die Anodenkammer (23) in der Nähe der Ionenaustauschmembran
(22) eingesetzt. Die Anodenkammer (23) hat einen
Einlass (26) zur Einführung
einer Salzlösung
im unteren Abschnitt derselben, einen Auslass (27) zum
Abziehen einer verdünnten
Salzlösung
im oberen Abschnitt derselben und einen Auslass (28) zum
Abziehen von Chlorgas an der Oberseite derselben.
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Die
Kathodenkammer (24) ist mit einer für Gas und Flüssigkeit
durchlässigen
Gaselektrode (31) ausgestattet, die ein Substrat (29)
(beispielsweise eine poröse
Platte bzw. Folie) mit einer darauf geformten Elektrodensubstanz
(30) aus einer Mischung aus einem Kohlenstoffmaterial und
PTFE umfasst. Die Kathodenkammer (24) hat einen Einlass
(32) zur Einführung
eines Sauerstoff enthaltenden Gases und einer verdünnten wässrigen
Natriumhydroxidlösung in
ihrer Wandseite und einen Auslass (33) zum Abziehen eines
Sauerstoff enthaltenden Gases und einer gesättigten wässrigen Natriumhydroxidlösung im
Boden derselben.
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Die
Elektrolyse wird durchgeführt,
indem man eine wässrige
Kochsalzlösung
durch den Einlass (26) in die Anodenkammer (23)
einführt
und eine verdünnte
wässrige
Natriumhydroxidlösung
und ein Sauerstoff enthaltendes Gas durch den Einlass (32) in
die Kathodenkammer (24) einführt. Ein Strom fließt von der
Anode zur Kathode. Das auf der Oberfläche der Elektrodensubstanz
(30) gebildete Natriumhydroxid passiert die Gaselektrode
(31) und gelangt in die Kathodenkammer (24), im
wesentlichen ohne dass es die Ionenaustauschmembran (22)
passiert und in die Anodenkammer (23) gelangt. Als Folge
davon kann die Elektrolyse ohne Verluste an dem so gebildeten Natriumhydroxid
durchgeführt
werden, wobei Natriumhydroxid mit einem hohen Wirkungsgrad in einer
hohen Ausbeute erhalten wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1
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Eine
kreisförmige
Elektrolysezelle mit dem in 2 dargestellten
Aufbau (wirksame Fläche
1 dm2) wurde zusammengebaut unter Verwendung
der folgenden Elemente in der Reihenfolge elektrisch leitfähiger poröser Körper für die Kathode/Gaselektrode (Kathode)/Ionenaustauschmembran/Anode
mit der Katalysatorschicht der Gaselektrode im Kontakt mit der Ionenaustauschmembran.
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Anode
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Es
wurde eine Überzugsschicht,
enthaltend Rutheniumoxid und Titanoxid (Rutheniumgehalt 8 g/m2 und Titangehalt 8 g/m2),
durch Pyrolyse auf einem gestreckten Titangitter mit einem längeren Durchmesser
von 8 mm, einem kürzeren
Durchmesser von 3,6 mm und einer Dicke von 1,2 mm gebildet.
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Kathode
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Ein
Kohlenstoffgewebe PWB-3, hergestellt von der Firma Zoltek Co., wurde
als Substrat mit einem Gemisch von Kohlenstoffpulver XC-72, hergestellt
von der Firma Cabot G. L. Inc., und einer Teflon-Suspension 30J
(Gewichtsverhältnis
2 : 1), hergestellt von der Firma Du Pont-Mitsui Fluorochemicals
Co., Ltd., beschichtet und heiß gepresst.
Eine Allylalkohollösung
(spezielle Sorte, hergestellt von der Firma Wako Pure Chemical Industries,
Ltd.) von Chlorplatin(IV)säure
(Konzentration: 100 g/l) wurde auf eine Seite des Substrats aufgebracht
und bei 300°C
pyrolysiert zur Bildung einer Katalysatorschicht.
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Elektrisch
leitfähiger
poröser
Körper
für die
Kathode
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Nickel-Celmit,
hergestellt von der Firma Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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Ionenaustauschmembran
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Nafion
901, hergestellt von der Firma E. I. du Pont de Nemours & Co.
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Angefeuchtetes
Sauerstoffgas von 80°C wurde
der Kathodenkammer zugeführt.
Der Anodenkammer wurde eine gesättigte
wässrige
Natriumhydroxidlösung,
die durch Chelatbildung gereinigt worden war, zugeführt. Die
Elektrolyse wurde bei 80°C und
30 A/dm2 durchgeführt. Die Zellenspannung betrug
2,30 V. Eine 25 gew.-%ige wässrige
Natriumhydroxidlösung
wurde aus der Kathodenkammer bei einer Stromausbeute von 93 % erhalten.
Die Elektrolyse wurde 50 Tage lang fortgesetzt und es wurde keine
Verschlechterung der Leistung beobachtet.
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Vergleichsbeispiel 1
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Die
Elektrolyse wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, jedoch
mit der Ausnahme, dass eine handelsübliche, für Gas und Flüssigkeit
undurchlässige
Gaselektrode, hergestellt von der Firma Tanaka Kikinzoku Kogyo K.
K., verwendet wurde. Die Gaselektrode wurde so angeordnet, dass sie
die Kathodenkammer in eine Lösungskammer und
in eine Gaskammer unterteilte, wie in 1 dargestellt,
wobei die anderen Elemente die gleichen waren wie diejenigen, die
in Beispiel 1 verwendet wurden. Die Zellenspannung betrug 2,30 V
am Beginn der Elektrolyse, sie begann jedoch ab dem 10. Tag zu steigen.
Am 30. Tag überstieg
die Zellenspannung 3,0 V, so dass die Elektrolyse beendet wurde. Ab
etwa dem 10. Tag wurde Natriumhydroxid als Abfallflüssigkeit
nachgewiesen, die aus der Gaskammer der Kathodenkammer abgezogen
wurde. Die Zelle wurde zerlegt und in der Gaselektrode wurden Risse gefunden,
die anzeigten, dass Natriumhydroxid aus der Lösungskammer ausgetreten war.
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Da
die erfindungsgemäß verwendete
Gaselektrode sowohl für
Gas als auch für
Flüssigkeit durchlässig ist,
passiert das auf dem Katalysator der Gaselektrode im Kontakt mit
der Ionenaustauschmembran gebildete Natriumhydroxid die Gaselektrode,
tritt in die Kathodenkammer auf der gegenüberliegenden Seite der Gaselektrode
ein und kann aus der Kathodenkammer leicht entnommen werden. Da
die Gaselektrode mit der Ionenaustauschmembran nur in Kontakt steht
und nicht damit eine Einheit bildet, wird kein Natriumhydroxid innerhalb
der Ionenaustauschmembran gebildet. Diese Anordnung verhindert das
Eindringen von Natriumhydroxid in die Anodenkammer.
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Da
die Gaselektrode durch Kontakt mit der Ionenaustauschmembran verstärkt ist,
wird sie auch bei ihrer Langzeitverwendung nur wenig mechanisch beeinträchtigt.
Als Folge davon kann die Elektrolyse kontinuierlich über einen
längeren
Zeitraum hinweg und in einer stabilen Weise durchgeführt werden.
Außerdem
kann durch Verwendung eines Zwei-Kammer-Aufbaus ebenso wie im Falle
der Zelle vom integralen Gaselektroden/Ionenaustauschmembran-Typ durch
die erfindungsgemäße Elektrolysezelle
eine Vereinfachung des Aufbaus und der Rohrleitungen der Zelle selbst
erzielt werden, verglichen mit einem Drei-Kammer-Aufbau.