FI60039B - Elektrokemisk anordning - Google Patents

Description

rRl KUULUTUSJULKAISU - Λ Ä „ LJ <11) UTLÄGGNINGSSKRIFT 600 39 C(45) Γ n -te r -L ^ 1" t'^ ^ U ^ " ^ ^ (51) K».lk.3/lnt.CI.3 C 25 C 7/00 SUOMI—FINLAND (*) Pu*nnlh*k«mu« — P>t«ntan*5knlnf 751590 (22) Htk*ml*pllv« — AnsBknlngtdag 30.05.75 ^ * (23) AlkupUvA—GlMghtudag 30.05.75 (41) Tullut |ulklMlul — Bllvlt offuntiig 01.12.75

Patentti- ja rekisterihallitus .... ..... . . . .....

_ . . (44) NlhCtvUulpanon |> kuuL|ulkaltun pvm. —

Patent- och registerstyrelsen ’ Anaökan utlagd och utljkriftm puMkand 31.07.8l (32)(33)(31) Pyydetty atuolk«ii — Begird prlorltat 30.05.7^

Englanti-England(GB) 2^077/7^ (71) Parel Societe Anonyme, li Rue Aldringen, Luxembourg, Luxemburg(LU) (72) Placido M. Spaziante, Milano, Carlo Traini, Milano, Italia-Italien(lT) (7I) Oy Kolster Ab (5l) Sähkökemiallinen laite - Elektrokemisk anordning Tämä keksintö kohdistuu sähkökemialliseen laitteeseen, johon kuuluu vähintään kaksi sähkökemiallista kennoa, jotka on erotettu toisistaan läpäisemättömällä bipolaarisella osalla, jossa on levymäinen osa, joka muodostaa rajan yhden sähkökemiallisen kennon napaisuudeltaan ensimmäisen elektrodiosaston ja toisen sähkökemiallisen kennon napaisuudeltaan toisen elektrodiosaston välille, ja bipo-paarisen osan ainakin yhden pinnan osa on oleellisesti tasomainen ja kuhunkin kennoon kuuluu osasista koostuva elektrodi, ei osasista koostuva vastaelektrodi ja diafragma oikosulun estämiseksi osasista koostuvan elektrodin osasten ja vastaelektrodin välillä.

Yleisesti sähkökemiallisia prosesseja voidaan pitää joko katodisina prosesseina tai anodisina prosesseina riippuen siitä elektrodista, jolla taloudellisesti tärkeä reaktio tapahtuu. Useimmat ka-todiset prosessit kohdistuvat joko metallin saostamiseen sähköisesti tai elektrolyytin aineosan pelkistämiseen elektrolyyttisesti katodilla muodostuvan vedyn läsnäollessa. Ensimmäiseen katodisten prosessien luokkaan kuuluvat galvanointi, sähköinen puhdistus tai sähköinen tai- 2 60039 teenotto ja jälkimmäiseen luokkaan kuuluvat orgaanisten yhdisteiden pelkistys ja natriumkarbonaatin valmistus. Useimmissa anodisissa prosesseissa tapahtuu joko anionien eroittumista liuoksesta oleellisesti stabiilille anodille tai itse anodin liukenemista. Ensimmäiseen anodisten prosessien luokkaan kuuluvat kloorin ja hapen valmistusprosessit ja jälkimmäiseen luokkaan kuuluvat menetelmät arvokkaiden metallien talteenottamiseksi romuista ja metallien puhdistamiseksi. Tavanomaisten, teollisten, sähkökemiallisten prosessien yksityiskohtia on esitetty muun muassa kirjassa "Industrial Electrochemical Processes", kirjoittanut A. Kuhn ja julkaissut Elsevier Publishing Company (1971).

Useissa sähkökemiallisissa menetelmissä käytetään niinsanottuja bipolaarisia elektrodeja. Näiden bipolaaristen elektrodien toisella sivulla tapahtuu katodinen reaktio ja toisella sivulla tapahtuu anodinen reaktio. Bipolaarisia elektrodeja on käytetty muun muassa galvanointiprosesseissa, joissa metallia saostetaan sähköisesti bipolaarisen elektrodin katodisivulle, mutta siirtyy liuokseen sen anodisivulta. On eräitä sähkökemiallisia menetelmiä, joissa elektrodit säilyvät oleellisesti vakiomittaisina kennoreaktion edistyessä, esim. milloin sekä anodi- että katodireaktioissa muodostuu kaasua vastaavan elektrodin pinnalla, jolloin bipolaarisia elektrodeja on käytetty eroittimina vierekkäisten kennojen eroitta-miseksi toisistaan sähköisesti sarjaan asennetussa sähkökemiallisten kennojen järjestelyssä. Kuitenkin sähkökemiallisissa prosesseissa, joissa toisen elektrodin mitat muuttuvat kennoreaktion edistyessä, esim. jos metalli-ioneja saostuu sähköisesti katodille, bipolaris-ten elektrodien käyttö vierekkäisten kennojen eroittamiseen ei ole käytännöllistä, koska ne täytyy ajoittain poistaa kennoista ja korvata uusilla dimensioiden muuttuessa kennoreaktion edistyessä.

Äskettäin on esitetty erilaisia sähkökemiallisia laitteita, jotka pääasiallisesti käsittävät sähkökemiallisen kennon, johon kennon elektrodien väliin on sijoitettu ioneja läpäisevä diafragma ja jossa katodi on pienistä osasista muodostuva elektrodi, joka käsittää useita sähköä johtavia osasia, joille esimerkiksi voidaan saostaa metallia sähköisesti; eräs tällainen lai~e on esitetty esimerkiksi suomalaisessa patenttihakemuksessa no 2270/74, Tähän laitteeseen kuuluu elektrodisysteemi, joka soveltuu käytettäväksi anodi-sena vastaelektrodina sähkökemiallisissa prosesseissa, mikä elektrodisysteemi käsittää osasista muodostuvan katodin, virtajohdon (ta- 3 60039 vallisesti kutsutaan syöttöjohdoksi), astian, joka sisältää hienojakoisen katodin ja virtajohdon ja jonka yksi seinä on ioneja läpäisevä kallistettuna ainakin osittain hienojakoista elektrodia kohden ja peittäen hienojakoisen elektrodin sekä välineet nestemäisen väliaineen virtauksen muodostamiseksi astian lävitse kosketuksessa hienojakoisen katodin kanssa. Muita esimerkkejä hienojakoisista elektrodeista on esitetty esimerkiksi brittiläisessä patenttijulkaisussa 1,194,181, US-patenttijulkaisuissa 3,180,810, 3,527,617 ja 3,551,207 sekä ranskalaisessa patenttijulkaisussa 1,500,269. Osasista muodostuvia katodeja käyttäviä sähkökemiallisia laitteita voidaan käyttää muun muassa menetelmissä metallien talteenottami-seksi sähköisesti. Täten suomalaisessa patenttihakemuksessa no 2270/74 on esitetty menetelmä metallin talteenottamiseksi sähköisesti elektrolyytistä, joka sisältää metallin yhden tai useamman suolan vesiliuoksia, jossa menetelmässä elektrolyytti johdetaan sähkökemiallisen kennon katodiosaston lävitse, katodiosaston sisältäessä edellämainitun tyyppisen elektrodisysteemin, jolloin pieniä sähköä johtavia osasia syötetään katodiosastoon, jossa ne muodostavat osan hienojakoisesta katodista ja suurentuneet osaset, joille metallia on saostunut sähköisesti, poistetaan katodiosastosta, ka-todiosastossa olevien hienojakoisen katodin osasten jakaumaa valvottaessa prosessin aikana siten, että oleellisesti kaikki osaset kiertävät katodiosastoon muodostettujen ensimmäisen ja toisen alueen lävitse, ensimmäisen alueen ollessa ioneja läpäisevän seinämän vieressä, jossa ensimmäisessä alueessa lähes kaikki osaset ovat suuren osan siitä ajasta, jonka ne viipyvät ensimmäisessä alueessa, niin, että ne eivät kosketa toisiaan ja toisen alueen sijaitessa erillään ioneja läpäisevästä seinästä, jossa toisessa alueessa kaikki osaset ovat suurimman osan siitä ajasta, jonka ne viipyvät toisessa alueessa, kosketuksissa toistensa kanssa.

Esiteltävän keksinnön mukaan saadaan sähkökemiallinen laite, jolle on tunnusomaista, että bipolaarinen osa muodostaa sähköisen kytkennän yhden kennon osasista koostuvaa elektrodin ja toisen kennon vastaelektrodin välille, jolloin ainakin bipolaarisen osan mainittu, yhden pinnan oleellisesti tasomainen osa on sähköisesti kytketty osasista koostuvaan elektrodiin ja toimii virran syöttäjänä osasista koostuvalle elektrodille.

Vaikkakin esiteltävän keksinnön mukainen laite voi muodostua 4 60039 vain kahdesta sähkökemiallisesta kennosta, on huomattava, että keksinnön kaupallisessa sovellutuksessa voi olla edullista käyttää laitetta, johon kuuluu useampia kuin kaksi kennoa järjestettyinä sähköisesti sarjaan bipolaarisen osan eroittamina. Oletetaan, että suositeltava kennojen lukumäärä tällaisessa laitteessa on alueella 5...100 kennoa ya. edullisimmin alueella 10...30 kennoa.

Esiteltävän keksinnön mukaisessa laitteessa käytettyyn bi-polaariseen osaan kuuluu yleensä levymäinen osa, joka käytön aikana eroittaa toisistaan kaksi tai jokaiset kaksi vierekkäistä kennoa laitteessa. Levymäisessä osassa on kaksi pääsivua ja käytettäessä toinen sivuista on kosketuksessa osasista muodostuvan elektrodin kanssa ja toinen sivu on kosketuksessa viereisen kennon vastalekt-rodin kanssa tai muodostaa sen. Vähintäin osa bipolaarisen kappaleen siitä sivusta, joka on kosketuksessa osasista muodostuvan elektrodin kanssa, on sovitettu johtamaan sähkövirtaa elektrodin osasille tai niistä pois. so. se toimii virtajohtona tai syöttöjohtona osasista muodostuvaa elektrodia varten.

Esiteltävän keksinnön mukaisessa laitteessa käytetty bipolaa-rinen osa eroaa tunnetuista bipolaarisista elektrodeista siinä, että vähintäin osa bipolaarisen osan toisesta sivusta toimii virta-johtona johtaen sähkövirtaa osasista muodostuvan elektrodin osasille (tai pois niistä), joiden kanssa se on kosketuksessa. Tunnetuissa bipolaarisissa elektrodeissa molemmat sivut toimivat elektrodeina, joiden pinnalla elektrodireaktiot tapahtuvat. Useissa näiden bi-polaaristen elektrodien sovellutuksissa on tämänvuoksi tärkeää muodostaa niin suuri elektrodin pinnan ala kuin mahdollista kennoihin. Kuitenkin keksinnön mukaisia bipolaarisia kappaleita käytettäessä vähintäin osa bipolaarisen kappaleen toisesta sivusta toimii virta-johtona, jonka aktiivisen pinta-alan tarvitsee olla vain pieni osa sen kanssa kosketuksessa olevan osasista muodostuvan elektrodin pinta-alasta. Syy tähän on se, että elektrodireaktio osasista muodostuvalla elektrodilla tapahtuu elektrodin osasilla tai niiden läheisyydessä ja virtajohdon tarkoituksena on ainoastaan johtaa sähkövirta osasista muodostuvan elektrodin osasille (tai pois niistä). Vaikkakin virtajohdon pinnalla voi tapahtua jonkin verran elektrodi- , 60039 reaktiosta, .jos osasista muodostuva elektrodi ei toimi moitteettomasti, on yleensä suotavaa, .jos virtajohdon pinnalla ei tapahdu reaktiota lainkaan. Virtajohdon rakenteen tulee olla sellaisen, että se toimii suurella hyötysuhteella .ja on havaittu, että tämä voidaan saavuttaa osasista muodostuvilla elektrodeilla, jotka käsittävät kupariosasten muodostaman panoksen virtajohtimen kanssa, jonka aktiivinen pinta-ala on pieni prosenttimäärä, esimerkiksi 5-20 osasten muodostaman elektrodin pystysuuntaisesta poikkipinta-alasta. Jos kuitenkin käytetään hienojakoista elektrodia, jonka osaset johtavat sähköä heikommin kuin kupariosaset, voi olla tarpeen käyttää virtajohdinta, jonka aktiivinen pinta-ala on aina 50 prosenttiin asti mainitusta pinta-alasta. Yleensä ei virtajohdin saa ulottua niihin elektrodiosaston alueisiin, joissa osasten ja sähköisen kentän jakauma on sellainen, että sille voi saostua sähköisesti merkittäviä metallimääriä.

Osasista muodostuvan elektrodin pinta-ala, jossa elektrodi-reaktio tapahtuu, on tavallisesti kertaluokkaa suurempi kuin vastaavat mitat omaavassa kennossa käytetyn tasoelektrodin. Kennossa, jossa on yksi osasista muodostuva elektrodi ja yksi tasoelektrodi, voi tämän vuoksi olla tarpeen suurentaa tasoelektrodin aktiivista pinta-alaa niin, että se on lähempänä osasista koostuvan elektrodin pinta-alaa. Lisäksi, jos elektrodireaktiossa kehittyy kaasua taso-elektrodilla, on tärkeää huolehtia muodostuneen kaasun kuplien nopeasta poistumisesta elektrodin pinnalta. Eräs tapa tasoelektrodin pinta-alan suurentamiseksi ja muodostuneiden kaasukuplien nopeaksi poistamiseksi on muodostaa elektrodi verkoksi tai hilaksi. Bipolaa-rin osa, joka muodostaa osa tämän keksinnön mukaisesta laitteesta (vähintäin osa kappaleen toisesta sivusta toimii virtajohtona ja vähintäin osa toisesta sivusta toimii vastaelektrodina) rakennetaan tavallisesti sellaiseksi, että ensimmäisen sivun sähköisesti aktiivisen pinta-alan suhde toisen sivun pinta-alaan on alueella 1:2 -1:10, usein noin 1:5· Tavanomaisissa bipolaarisissa elektrodeissa elektrodeina toimivien sivujen sähköisesti aktiivisten pinta-alojen suhde lähenee tavallisesti arvoa 1:1. Virtajohtimen rakenne poikkeaa usein merkittävästi elektrodin rakenteesta. Elektrodin rakenne on sellainen, että se parantaa elektrodireaktion etenemistä sen pinnalla. Tämä saavutetaan tekemällä elektrodin pinnan pinta-ala suureksi ja päällystämällä usein pinta sähkökatalyyttieesti aktiivisella aineella. Pinnan täytyy kestää elektrodireaktion aiheuttamia korrosioivia vaikutuksia ja siihen mahdollisesti liittyviä rasi- 60039

O

tuksia. Virtajohtimen rakenne on toisaalta sellainen, että taataan tehokas sähköinen kytkentä sen ja elektrodin osasten välille, joihin se syöttää virtaa (tai joista se johtaa virtaa pois). Sellainen tehokas sähköinen kytkentä alentaa virtajohtimen ja sen vieressä olevien osasten välisen jännite-eron merkityksettömälle tasolle ja auttaa täten vähentämään elektrodireaktion pyrkimystä tapahtumaan virtajohdon pinnalla. Tehokas sähköinen kytkentä virta-johdon ja elektrodin osasten välille voidaan saavuttaa upottamalla virtajohdin elektrodiosaston seinään, johon osasista muodostuva elektrodi on sijoitettu siten, että osaston seinämä on sen pinnan tasalla. Lisäksi tällainen upotettu virtajohdin ei haittaa osasista koostuvan elektrodin osasten liikettä. Oletetaan, että tällainen osasten liikkeen estäminen aiheuttaa osasten kiinnittymisen virtajohtimen pinnalle ja agglomeroitumaan siihen.

Tavallisesti keksinnön mukaisessa laitteessa jokaisen kennon elektrodit eroitetaan toisistaan ioneja läpäisevän diafragman avulla, jolloin jokaiseen kennoon muodostuu anodiosasto ja katodi-osasto. Tällainen ioneja läpäisevä diafragma estää osasista muodostuvan elektrodin osasten tekemästä sähköistä kytkentää kennon toisen elektrodin kanssa ja siten oikosulkemasta kennoa. Ioneja läpäisevä diafragma voi olla nestettä läpäisevä tai voi se olla pääasiallisesti nestettä läpäisemätön ja selektiivisesti ioneja läpäisevä. Nesteitä läpäisemättömät diafragmat ovat sopivia käytettäviksi sähkökemiallisissa prosesseissa, joissa on suotavaa, että anodia ympäröivä elektrolyytti estetään pääsemästä kosketukseen katodia ympäröivän elektrolyytin kanssa.

Eräässä esiteltävän keksinnön toteutuksessa käsittää laite useita kennoja, joista jokaisessa on osasista muodostuva katodi ja kiinteä anodi eroitettuina toisistaan ioneja läpäisevän membraa-nin avulla ja jota laitetta käytetään elektrolysoimaan vesiliuosta, joka sisältää sulfaatti-ioneja ja metalli-ioneja. Tällöin happea kehittyy anodilla ja metallia saostuu sähköisesti katodin osasille. Täten keksinnön mukaista laitetta voidaan käyttää prosessissa, jossa metallia otetaan talteen sähköisesti vesipitoisesta sulfaattiliuok-sesta saatuna esimerkiksi metallipitoisesta malmista. Esiteltävän keksinnön eräässä toteutuksessa käytetään laitetta, joka käsittää useita sähkökemiallisia kennoja, joissa levymäiset osat eroittavat vierekkäiset kennot toisistaan, levymäisten osien ensimmäisten pintojen ollessa sopivia toimimaan anodeina yhdessä kennossa ja vähintäin osan toisesta pinnasta ollessa sopivan toimimaan virtajohtimena 7 60039 viereisen kennon osasista muodostuvalle katodille, kahden pinnan ollessa sähköisesti toisiinsa kytkettyinä levymäisen osan rungon avulla; levymäiset osat toimivat siten bipolaarisina osina. Useita kenno.ja asennetaan sopivasti .järjestykseen, joka muistuttaa levy-suodatinpuristinta ja sähkökytkennät kennoreaktiota varten tarvittavaan virtalähteeseen tehdään yksinomaan rakenteen molemmista päistä. Levymäiset osat tehokkaasti estävät osasista muodostuvien elektrodien osasten tai ionien siirtymisen elektrolyytin vierekkäisten kennojen välillä.

Titaani on usein sopiva materiaali, josta levymäiset bipolaa-riset osat voidaan valmistaa käytettäessä niitä keksinnön teisen kohteen mukaisessa sähkösaostusprosessissa. Tä™ä johtuu siitä, että useissa näissä prosesseissa esiintyvissä määrätyissä olosuhteissa titaani on verrattain inertti aine. Muitakin materiaaleja kuin titaania voidaan käyttää, mutta on edullista, jos ne ovat inerttejä vallitsevissa reaktio-olosuhteissa. Useita metallitankoja tai metalliverkkoa voidaan sopivasti hitsata käytettäessä anodina toimivalle titaanilevyn pinnalle, jolloin tangot tai verkko edullisesti päällystetään sähköktalyyttisesti aktiivisella päällysteellä siten, että nämä päällystetyt pinnat toimivat anodipintoina, kun taas päällystämättömät tankojen tai verkon osat ja titaanilevyn anodi-puolen muu osa pysyvät inertteinä. Voi olla edullista käyttää suo-jaavaa, johtamatonta titaanioksidipäällystettä titaanilevyn anodin puoleisilla kohdilla, jotka jäävät inerteiksi. Sähkökatalyyttisesti aktiivisen anodipäällysteen koostumus valitaan kennossa vallitsevien käyttöolosuhteiden mukaan, esimerkiksi virtatiheyden, kulloisenkin anodireaktion ja elektrolyytin koostumuksen mukaan. Valitun materiaalin vastustuskyvyn korrosiota vastaan täytyy olla verrattain hyvän niin, että anodi pysyy dimensionaalisestl stabiilina näissä olosuhteissa. Anodipäällyste voi muodostua yhdestä tai useammasta jalometallista (platinan ollessa erikoisen sopivan) tai jalometalli-oksidista tai jalometallioksidien seoksesta epäjalojen metallien oksidien kanssa; siirtymämetallit, metalliseokset ja metallioksidit, kuten lyijy, ruostumaton teräs, lyijyoksidi tai mangaanidioksidi voivat olla käyttökelpoisia. Esimerkkejä tällaisista päällysteistä on esitetty esimerkiksi USA-patenttijulkaisussa no:t 3',616,445; 3,632,498 ja 3,711,385.

keksinnön mukaisessa laitteessa käytetty levymäinen bipolaa-rinen osa voi olla bimetallinen, jonka anodin puoleinen sivu ja rakenne ovat edelläesitetyn kaltaiset ja jossa kuparilevyä oleva 8 60039 virtajohdin muodostaa osan bipolaarisen osan virtajohdinsivusta.

Osan virta.johdinsivua voidaan modifioida parantamaan sen tehokkuutta käytön aikana eristämällä osa levystä siten, että eristetyt osat eivät enään ole kosketuksessa osasista muodostuvan katodin kanssa.

Osa levystä voidaan eristää muodostamalla sen pinnalle esimerkiksi titaanibksidikerros, sivelemällä eristävää maalia, muovipäällysteel-lä tai ohuella muovikalvolla. Vaihtoehtoisesti virtajohtimen pinta-alaa voidaan suurentaa asentamalla esimerkiksi sähköä .johtavia, levyn pinnan suhteen kohtisuorassa olevia ripoja sähköiseen yhteyteen levyn kanssa. Kuitenkin on havaittu, että seuraavissa esimerkeissä esitetyissä kennoissa verrattain pienen aktiivisen pinta-alan omaava, ilman ripoja oleva virtajohdin oli tyydyttävä. Itse asiassa ripojen käyttäminen esimerkeissä esitettyjen menetelmien virtajohtimissa voi olla epäedullista, koska nämä rivat voivat häiritä osasten virtausta virtajohtimen pinnalla sekä aiheuttaa osasten kerääntymistä virtajohtimeen. Kuitenkin ripojen käyttö voi olla suotavaa tai välttämätöntä muissa sähkökemiallisissa prosesseissa, joissa sähköinen kytkentä osasten välillä virtajohtimella on heikompi, esimerkiksi jos elektrodin osaset ovat jakautuneet laajemmalle alueelle tai jos niiden pinta on sähköä huonosti johtavaa materiaalia.

Seuraavissa esimerkeissä käytetyn laitteiston osasista koostuva elektrodi oli yleiseltä rakenteeltaan suomalaisessa patenttijulkaisussa no. 57 133 mukainen. Tämän mukaan jokainen osasista koostuva elektrodi muodostaa osan osasista koostuvasta elektrodi-systeemistä, joka käsittää lukuisia sähköä johtavia osasia ja virtajohtimen sijoitettuna astiaan, jossa oleva ioneja läpäisevä seinämä on ainakin osaksi kallistettu osasista koostuvaan elektrodiin päin ja peittäen sen. Astian pohjalle on asennettu virtauksen jakolaite, jonka avulla elektrolyytti saatetaan virtaamaan siten, että se on kosketuksissa osasista koostuvaan elektrodiin ja että elektrodin muodostavat osaset virtaavat astiassa yleensä ylöspäin ioneja läpäisevän diafragman läheisyydessä ja alaspäin virtajohtimen läheisyydessä. Tällainen osasten kiertävän liikkeen ylläpitäminen aiheuttaa osasten muodostaman panoksen tilavuuden kasvamisen siihen verrattuna, minkä osaset käyttävät ollessaan paikallaan pohjalle laskeutuneina. On havaittu, että keksinnönmukaisessa laitteessa käytettynä, tällaisia kiertäviä osasista koostuvia elektrodeja käytetään sopivasti siten, että panoksen tilavuuden kokonaiskasvu on alueella 5-10 %, jos ioneja läpäisevä diafragraa on kallistettu 5-40°. edullisesti 10-30° olevan kulman verran pystysuunnasta hienojakoisen elekt- 9 60039 rodin peittämistä varten.

Keksinnön ymmärtämisen helpottamiseksi sekä sen käytön selventämiseksi viitataan seuraavassa mukaaniiitettyihin piirroksiin, .joissa: kuvio 1 on sähkökemiallisen laitteen kaaviollinen tasokuva; kuvio 2 on sähkökemiallisessa laitteessa suoritetun prosessin vuokaavio; kuviot 3, 4, 7. 8 ja 9 esittävät kukin pystyleikkausta sähkökemiallisesta laitteesta kohtisuoraan siihen kuuluvan levymäisen bipolaarisen osan tasoa vastaan; kuviot 5a ja 5b esittävät vastaavasti levymäisen bipolaarisen osan ensimmäisen toteutuksen sivua ja reunaa; kuvio 6 on kuva levymäisen bipolaarisen osan toisen toteutuksen reunasta; ja kuviot 10a, 10b ja 10c esittävät kukin vastaavasti levymäisen bipolaarisen osan kolmannen toteutuksen ensimmäistä päätysivua, poikkileikkausta yhdestä reunasta nähtynä ja toista päätysivua.

Kuviossa 1 on esitetty kaaviollisesti sähkökemiallinen laite 1, joka käsittää kaksi sähkökemiallista kennoa 2 ja 3 eristemateriaalista rakennettuina. Kennoja 2 ja 3 eroittaa toisistaan levymäinen bipolaarinen osa 4, jonka päätysivut on merkitty numeroilla 15 ja 18. Päätysivun 15 suuri pinta on päällystetty eristävällä maalilla Ib. Yleensä kuitenkaan keskeisesti sijaitsevaa sivun 15 aluetta 17 ei ole maalattu. Jokaisessa kennossa on ioneja läpäisevä diagragma 5, joka jakaa kennon kahteen osastoon. Kennossa 2 on osastot 6 ja 7 ja kennossa 3 on osastot 8 ja 9. Osastoissa 6 ja 9 laitteen molemmissa päissä ovat elektrodit 10 ja 11, jotka ovat kytketyt virtajohtimiin 12 ja 13 vastaavasti. Osastot 7 ja 9 sisältävät lukuisia sähköä johtavia osasia 14.

Sähkökemiallisen laitteen käytön aikana johdetaan elektrolyyttiä kaikkiin neljään osastoon 6-9 jokaisen osaston pohjalla sijaitsevien putkien ja virtauksen jakolaitteen (ei esitetty) avulla. Virtajohtimiin 12 ja 13 kytketään jännite-ero siten, että elektrodi 11 tulee katodiksi elektrodin 10 suhteen. Levymäinen bipolaarinen osa 4 saa sähköjännitteen, joka on elektrodien 10 ja 11 jännitteiden välillä ja on siten katodinen elektrodin 10 suhteen ja anodinen elektrodin 11 suhteen. Käytön aikana sivun 15 paljas alue 17 toimii virta.johtimena osasille 14, jotka muodostavat osasista koostuvan katodin. Päätysivulla 18 tapahtuu anodireaktio kennossa 3*

Kuviossa 2 on esitetty kaaviollisesti kuvion 1 mukaisen lait- ίο 60039 teen käsittävä laitteisto .jatkuvasti toimivaa sähkösaostusproses-sia varten. Laitteen katodiosastot 7 ja 9 on yhdistetty piiriin 20 katolyytin kierrätystä varten, piirin 20 käsittäessä kierrätys-tankin 21 ja pumpun 22. Kierrätystankki 21 on varustettu kahdella putkella 21a ja 21b. Laitteen anodiosastot 6 ja 8 on yhdistetty samalla tavalla piirin 23 anolyytin A kierrätystä varten, piirin 23 käsittäessä kierrätystenkin 24 ja pumpun 25· Kierrätystankki 24 on varustettu putkilla 24a ja 24b sekä tuuletusputkella 24c. Haara-putki 26 on avoinna kummankin osasten 14 muodostaman panoksen pohjalle katodiosastoissa 7 ja 9 ja on se liitetty osasten luokitus-laitteeseen 27. Osasten luokituslaite 27 on varustettu poistoputkel-la 28 ja putkella 29, jossa on katodiosastoihin 7 ja 9 liittyvät haarat. Putkessa 29 on edelleen haara 30, joka on yhdistetty syöttölaitteeseen 31 tuoreita osasia varten.

Kuviossa 2 esitetyn laitteen toiminta on pääasiallisesti samanlainen kuin on esitetty kuvion 1 mukaisen laitteen yhteydessä, jolloin anolyyttiä A johdetaan anodiosastoihin 6 ja 8 pumpun 25 avulla kierrätystankista 24 ja katolyyttiä C johdetaan osastoihin 7 ja 9 pumpun 22 avulla kierrätystankista 21. Käytön aikana anolyytin A ja katolyytin C koostumukset kierrätystankeissa 24 ja 21 vastaavasti pidetään tavallisesti oleellisesti vakioina poistamalla käytetty liuos kierrätystankeista putkien 24b ja 21b avulla vastaavasti ja korvaamalla tämä käytetty liuos tuoreella liuoksella syötettynä kierrätystankeista putkien 24a ja 21a kautta vastaavasti. Tuuletusputki 24c anolyytin kierrätystankissa 24 sallii mahdollisen anodilla kehittyneen kaasun poistumisen piiristä 23. Menetelmissä, joissa diafragma on ioneja selektiivisesti läpäisevä ja oleellisesti nestettä läpäisemätön, voivat anolyytin ja katolyytin koostumukset poiketa oleellisesti toisistaan. Käytettäessä sensijaan dia-fragmaa, joka pystyy läpäisemään nestettä verrattain hyvin, anolyytin ja katolyytin koostumukset ovat usein oleellisesti samat.

Niitä voidaan itse asiassa kierrättää samasta tankista. Käytön aikana osaset, joiden pinnoille on saostunut sähköisesti riittävästi metallia, tehden ne liian suuriksi käytettäviksi osasista koostuvissa elektrodeissa, poistetaan laitteesta ja korvataan tuoreilla, pienillä osasilla. Tämä suoritetaan poistamalla pieniä osasmääriä katodiosastoista 7 ja 9, joko jatkuvasti tiputusvirtauksena tai poistamalla niitä aika ajoin. Katodiosastoista 7 ja 9 poistetut osaset joutuvat putken 26 kautta osasten luokituslaitteeseen 27. Osaset, jotka ovat kasvaneet liian suuriksi käytettäviksi menetelmässä, poistetaan poistoputken 28 avulla osasten luokituslaitteesta, kun 11 60039 taas pienet osaset palautetaan katodiosastoihin putken 29 kautta. Tuoreita pieniä osasia, .joiden lukumäärä on riittävä ylläpitämään vaadittu kokojakauma panoksessa, johdetaan myös putkeen 29.

kuviossa 3 on esitetty pystyleikkauksena keksinnön mukaisen laitteen erään toteutuksen rakenne, joka on sopiva liitettäväksi kuvion 2 mukaiseen laitteistoon. Kuviossa 3 esitetyn laitteen osat vastaavat yleensä kuviota 1 ja on ne esitetty edellä kuvion 1 yhteydessä, laitteen ollessa rakennetun pääasiassa kirkkaasta muovi-materiaalista. Kuviossa 3 levymäisen bipolaarisen osan 4 sivun 18 keskiosaan on hitsattu titaanitankojen 32 ja 33 muodostama verkko. Verkolle on levitetty sähkökatalyyttinen päällyste, johon edellä on viitattu. Titaanitankojen 32 ja 33 muodostama verkko on erittäin lähellä diafragmaa 5 tukien sitä laitetta käytettäessä. Putket 34 on yhdistetty katodiosastojen 7 ja 9 pohjiin ja putket 35 on yhdistetty anodiosastojen 6 ja 8 pohjiin. Putket 36 ja 37 vastaavasti on yhdistetty katodiosastojen ja anodiosastojen ylöosiin. Putket 34 yhdistyvät katodiosastojen 7 ja 9 pohjiin virtauksen jakolaitteen 38 kautta, joka käsittää useita kiilamaisten osien 40 alaosassa sijaitsevia kanavia 39.

Laitetta käytettäessä saatetaan katolyytti C virtaamaan ylöspäin putkien ja kanavien 39 kautta nopeudella, Joka riittää katodiosastoissa 7 ja 9 olevien osasten saamiseen liikkeelle ja kiertämään vastaavissa katodiosastoissaan ylöpäin diafragman 5 läheisyydessä ja alaspäin virtajohtimen läheisyydessä. Katolyytti C poistuu katodiosastoista putkien 36 kautta, jotka ovat yleensä varustetut välineillä (ei esitetty) poistamaan katodiosastoista ja palauttamaan niihin kaikki katolyytin mukana kulkeutuvat pienet osaset 14. Kuviossa 3 ei ole esitetty niitä välineitä, joiden avulla osaset poistetaan osasista koostuvista elektrodeista luokitusta varten ja joiden avulla pienet osaset palautetaan osasista koostuvaan elektrodiin. Anolyyttiä A johdetaan anodiosastoihin 6 ja 8 putkien 35 kautta. Anolyytti ja mahdollisesti anodin pinnalla kehittynyt kaasu poistuvat anodiosastoista putken 37 kautta. Anolyytin virtausnopeus anodiosastojen lävitse ei yleensä ole niin suuri kuin katodiosaston lävitse hienojakoisen elektrodin sisältämän virtauksen nopeus. Menetelmässä, jossa käytetään kuparin seostamista sähköisesti happamasta kuparisulfaattiliuoksesta, anolyytin virtausnopeus anodiosastojen lävitse on täysin riittävä niin kauan, kun se pystyy pitämään anodien aktiivisen pinta-alan kokonaisuudessaan anolyytin kostuttamana.

i2 60039

Kuviossa 4 on esitetty osa sähkökemiallisen laitteen toisesta toteutuksesta liitettäväksi kuvion 2 mukaiseen laitteeseen.

Tässä toteutuksessa on vähintäin viisi sähkökemiallista kennoa rakennettuina kirkkaasta muovimateriaalista sijoitettu sähköisesti sarjaan. Kuviossa 4 esitettyyn osaan ei liity kumpaankaan kennojen asennus järjestelyn päätä eikä siinä siten esitetä tapaa, millä käytössä sähköiset jännite-erot on kytketty järjestelmän päihin. Järjestelmän jokainen kenno on itsessään oleellisesti samanlainen rakenteen ja toiminnan suhteen kuviossa 3 esitetyn laitteen kanssa, pääeron rakenteessa ollessa jokaisen katodiosaston pohjalla olevan kiilamaisen osan 40 muodoissa. Kuitenkin kuviossa 3 esitetyistä kennoista poiketen, kuvion 4 mukaisessa toteutuksessa kennot on sijoitettu limittäin tai ’'porrastettuina” toistensa suhteen siten, että järjestelmää voidaan laajentaa vaakasuunnassa yksittäisten järjestelmän kennojen ollessa kallistettuina pystysuunnasta niin, että järjestelmän diafragmat 5 muodostavat kaikki noin 30° kulman pystysuunnan suhteen ylöspäin.

Kuviossa 5a on esitetty levymäisen titaaniosan 4 etupinta IS ja kuviossa 5b sen reuna, jota osaa voidaan sopivasti käyttää bipolaarisena osana esimerkiksi kuvioiden 3 ja 4 mukaisten toteutuksien laitteissa. Etupintaan 18 on hitsattu tavallisesti sen keskiosaan titaanitankojen 32 ja 33 muodostama verkko. Tangot 32 ja 33 on päällystetty elektrokatalyyttisellä päällysteellä, kuten edellä on mainittu. Titaaniosan 4 toiselle sivulle 15 on levitetty sen keskiosaa lukuunottamatta eristemaalia oleva päällyste (ei esitetty).

Kuviossa 6 on esitetty toisen levymäisen titaaniosan 4 reuna, jota osaa voidaan käyttää sähkökemiallisten kennojen muodostamassa laitteessa, jolloin diafragma on asennettu likimain pystysuoraan ja jolloin osasista muodostuva elektrodi sijaitsee katkaistun kiilan muotoisessa elektrodiosastossa. Sivut 18 ja 33 ovat asennetut siten, että tangot 33 sijaitsevat tasossa, joka ei ole titaaniosan 4 tason suuntainen. Titaaniosan 4 toiselle sivulle 15 on hitsattu lukuisia ripoja 41 kohtisuoraan titaaniosan 4 tasoa vastaan.

Kuvion 6 mukaista titaaniosaa 4 käytettäessä toimivat rivat 41 hienojakoisen elektrodin virtajohtimen osana, jonka elektrodin osaset koskettavat pintaa 15· Titaaniosan 4 pinta 15 voi olla päällystämätön siten, että käytön aikana suuri osa sen pinnasta on sähköisesti aktiivista. Vaihtoehtoisesti titaaniosan 4 sivu 15 voi olla päällystetty eristävällä maalilla lukuunottamatta ripojen 41 läheisyydessä olevia alueita. Tällöin vain ripojen 41 läheisyydessä olevat alueet sivun 15 pinnalla toimivat käytön aikana virtajohti- i3 6 0 0 3 9 mena osasista koostuvaan elektrodiin.

Kuviossa 7 on esitetty toinen toteutus laitteesta, .jota voidaan sopivasti käyttää esimerkiksi kuvion 2 mukaisessa laitteessa. Kuten kuviossa 4, kenno.jär.jestelmän molemmissa päissä olevia kennoja ei ole esitetty. Kuviossa 7 esitettyjen kennojen rakenne ja toiminta on pääasiallisesti samanlainen kuin kuviossa 4 esitettyjen kennojen. Kuitenkin kuvion 7 kennoissa sekä diafragmojen 5 että bipolaaristen osien 4 tasot ovat asennetut likimain pystysuoraan kuvioissa 3 ja 4 esitetyistä laitteista poiketen, jolloin tasot on kallistettu pystytason suhteen. Kuviossa 7 esitettyjen kennojen virtauksen jakolaitteissa 38 on verrattain pieni kiilamainen osa 40 diafragman 5 vieressä sekä suurempi kiilamainen osa 42 bipolaari-sen osan 4 vieressä. Kokeissa on havaittu, että metallisulfaattien vesiliuosten sähkösaostusmenetelmissä tämä sähkökemiallisen kennon rakenne ei ole yhtä tehokas kuin kuviossa 3 esitetty kallistettu rakenne.

Kuviossa 8 on esitetty modifioitu muoto kuviossa 7 esitetystä laitteesta. Kuvion Θ mukaiseen laitteeseen kuuluu bipolaarisena osana kuvion 6 mukainen levymäinen osa 4. Kennoissa on pystysuorat diafragmat ja osasista koostuvat elektrodit sisältävien katodiosas-tojen poikkileikkaus on katkaistun kiilan muotoinen. Jokaiseen virtauksen jakolaitteeseen 38 kuuluu yksi kanava 39* joka ulottuu oleellisesti elektrodiosaston koko leveydeltä. Kanavan 39 toisen seinämän muodostaa diafragma 5· Virtauksen jakolaitteen 38 yläpuolella on suuri kiilamainen osa 42 bipolaarisen osan 4 vieressä.

Kuviossa 9 on esitetty laitteen toteutus, joka soveltuu liitettäväksi esimerkiksi kuvion 3 mukaiseen laitteeseen, jolloin jokaisessa kennossa on kaksi osasista koostuvaa elektrodia yleensä pystysuuntaisen diafragman eroittamina. Jokaisen kennon eroittavat bipolaariset osat muodostuvat tavallisesti pystysuorista titaanile-vyistä, joiden molemmille puolille on hitsattu rivat 41.

Käytettäessä tätä laitteen toteutusta bipolaaristen osien 4 molemmat pääpinnat toimivat virtajohtimina vastaaviin osasista koostuviin elektrodeihin, joiden kanssa ne ovat kosketuksessa. Kuvioiden 8 ja 9 mukaisia toteutuksia voidaan käyttää määrätyissä sähkökemiallisissa prosesseissa, kuten esimerkiksi niissä, joissa käytetään heikosti sähköä johtavia elektrodiosasia, joiden tiheys on pieni useimpiin metalleihin verrattuna. Kuitenkin on kokeissa osoittautunut, että nämä toteutukset ovat yleensä vähemmän tyydyttäviä kuin esimerkiksi kuvion 3 mukainen toteutus prosesseja varten, joissa suoritetaan sähköinen saostus metallisille elektrodiosasille.

14 c u U 3 9

Kuviossa 10 on esitetty seuraava levymäisen osan 4 toteutus, jota voidaan käyttää sopivasti esimerkiksi kuviossa 3 ja 4 esitetyissä laitteissa prosesseja varten, joissa säestetään sähköisesti esimerkiksi kuparia kuparisuolojen vesiliuoksista. Levymäinen osa 4 on valmistettu levymäisestä eristemateriaalista, jonka keskiosaan on kiinnitetty titaaniliuska 43, johon vuorostaan on hitsattu kupariliuska 44. Kupariliuskan 44 sivu 43 on osan 4 sivun 13 tasalla. Titaaniliuska 43 ulottuu osan 4 sivun 18 ulkopuolelle. Siihen on hitsattu useita titaanitankoja 33, jotka muodostavat titaani-tankoverkon toisten lukuisten titaanitankojen 32 kanssa, joihin ne on hitsattu. Tankojen 32 ja 33 muodostama verkko on päällystetty sähköaktiivisella päällysteellä, kuten edellä on esitetty.

Käytettäessä kuvion 10 mukaista levymäistä osaa 4 esimerkiksi kuvioissa 3 ja 4 esitetyissä laitteissa, suoritetaan asennus siten, että sen sivu 13 on kosketuksessa osasista koostuvan elektrodin kanssa. Käytön aikana kupariliuska 44 toimii virtajohtimena osasista koostuvalle elektrodille, kun taas titaanitangot 32 ja 33 toimivat viereisen kennon anodina.

Keksintöä esitellään seuraavassa esimerkkien avulla.

Esimerkki 1

Kahden sähkökemiallisen kennon muodostamaa kaaviollisesti kuviossa 3 esitettyä laitetta käytettiin kuparin saostamiseksi sähköisesti kuparisulfaatin ja rikkihapon liuoksesta kertapanoksena käytön kestäessä noin 10 tuntia. Tällöin käytetty laitteisto oli pääasiallisesti sama kuin kaaviollisesti kuviossa 2 esitetyssä vuo-kaaviossa .

Kummankin kahden sähkökemiallisen kennon sisäpuolinen leveys oli 430 mm, korkeus 640 mm ja paksuus 30 mm. Kennojen välinen bi-polaarinen osa oli valmistettu titaanilevystä. Suuri osa bipolaarisen osan katodisivun pinnasta oli päällystetty sähköä johtamattomalla metallioksidipäällysteellä. Titaanilevyn pinnasta oli kuitenkin jätetty pieni osa paljaaksi virran syöttä varten osasista koostuvaan elektrodiin. Pystysuuntaisten ja vaakasuuntaisten titaani-tankojen muodostama verkko hitsattiin bipolaarisen osan anodipinnal-le noin 160 x 160 mm:n alueelta. Tämä bipolaarisen osan anodisivun ala päällystettiin sitten sähkökatalyyttisellä päällysteellä, jollaiseen edellä on viitattu. Kummankin kennon anodi- ja katodiosaston eroittava diafragma oli "Darak 5000" materiaalia, jota valmistaa W.R. Grace & Co. Kennorakenne oli kallistettu siten, että diafragmat muodostivat noin 28° kulman pystysuunnan suhteen ja peittivät siten osasista koostuvan katodin, jonka kanssa ne olivat kosketuksessa. Osasista koostuvien katodien osaset olivat kuparia ja niiden läpimitat olivat alueella 200-800 mikrometriä. Anolyytin ja katolyytin koos- i5 60039 tumukset olivat oleellisesti samat.

Kennorakennetta käytettiin seuraavissa olosuhteissa: katolyytin virtausnopeus 2,5 mJ/h/kenno anolyytin virtausnopeus noin 200 l/h/kenno osasten muodostaman panoksen tilavuuden kokonaislaajentuminen noin 5 %

elektrolyytin lämpötila 35°C

Elektrolyytin alkukoostumus (lopullinen koostumus suluissa)

Cu 25 (0,05) s/1

HgSO^ 100 (138) g/1 virtatiheys (käytettävissä olevan diafragman pinta-alan suhteen) 1000 A/m

kenno jännäte 1,7 V

Katodin kokonaishyötysuhde suurempi kuin 95 %

Esimerkki 2

Esimerkin 1 mukaisessa prosessissa käytettyä kahden sähkökemiallisen kennon muodostamaa järjestelmää käytettiin jatkuvasti 100 tuntia. Mitatut määrät kyllästettyä katolyyttiliuosta lisättiin kierrätystankkiin ja käytetty liuos poistettiin tankista nopeudella, joka oli riittävä pitämään katolyytin koostumus kierrätystankissa oleellisesti vakiona. Jatkuvassa menetelmässä käytetyt olosuhteet olivat seuraavat: katolyytin virtausnopeus 2,5 mVh/kenno anolyytin virtausnopeus noin 200 l/h/kenno osasten muodostaman panoksen tilavuuden kokonaislaajeneminen noin 5 %

elektrolyytin lämpötila 35°C

kyllästetyn liuoksen koostumus:

Cu 25 g/1 h2so4 100 g/1 käytetyn liuoksen koostumus:

Cu 5 g/i

HgSO^ 131 g/1 kyllästetyn liuoksen syöttönopeus 19 i/h virtatiheys 1000 A/m2

kennojännite 1,7 V

katodin kokonaishyötysuhde suurempi kuin 95 % kuparin saanto 180 g/h/kenno

Claims (6)

60039 16

1. Sähkökemiallinen laite, johon kuuluu vähintään kaksi sähkökemiallista kennoa (2, 3), jotka on erotettu toisistaan läpäisemättömällä bipolaarisella osalla (4), jossa on levymäinen osa, joka muodostaa rajan yhden sähkökemiallisen kennon napaisuudeltaan ensimmäisen elektrodiosaston ja toisen sähkökemiallisen kennon napaisuudeltaan toisen elektrodiosaston välille, ja bipo-laarisen osan ainakin yhden pinnan osa on oleellisesti tasomainen ja kuhunkin kennoon kuuluu osasista koostuva elektrodi (7, 9), ei osasista koostuva vastaelektrodi (6, 8) ja diafragma (5) oikosulun estämiseksi osasista koostuvan elektrodin osasten ja vasta-elektrodin välillä, tunnettu siitä, että bipolaarinen osa (4) muodostaa sähköisen kytkennän yhden kennon (2) osasista koostuvan elektrodin (7) ja toisen kennon (3) vastaelektrodin (8) välille, jolloin ainakin bipolaarisen osan (4) mainittu, yhden pinnan oleellisesti tasomainen osa (17) on sähköisesti kytketty osasista koostuvaan elektrodiin ja toimii virran syöttäjänä osasista koostuvalle elektrodille (7),

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että bipolaarisen osan (4) rakenne on yleensä tasomainen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että bipolaarinen osa (4) on sijoitettu sähkökemialliseen laitteeseen siten, että se on oleellisesti yhdensuuntainen ioneja läpäisevän diafragman (5) kanssa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että bipolaarisen osan (4) sen osan (17) pinta-alan, joka käytön aikana muodostaa virtajohtimen, ja vastaelektrodin (8) pinta-alan välinen suhde on 1:2...1:10.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnett u siitä, että bipolaarisen osan (4) se osa (17), joka käytön aikana mudoostaa virtajohtimen, on pinta-alaltaan korkeintaan 50 % bipolaarisen osan (4) siitä alasta, joka on kosketuksessa osasista koostuvan elektrodin kanssa.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että bipolaarisen osan (4) se osa (17), joka käytön aikana muodostaa virtajohtimen, on valmistettu metallista, jonka koostumus on oleellisesti sama kuin oleellisesti kaikkien osasista koostuvan elektrodin osasten (14) pinnan koostumus, joihin se on kosketuksessa.