[0001] Die Erfindung betrifft ein Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalbschale mit einer Anode, eine Kathodenhalbschale mit einer Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Ionenaustauscher-Membran, wobei die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich zur Verbindung der Anodenhalbschale mit der Kathodenhalbschale aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung einen bipolaren Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen. [0002] Die Entstehung schwefelsaurer Wässer mit hohen Schwermetallsalzgehalten lässt sich verstärkt in aktiven und inaktiven Bergbaugebieten beobachten, wo durch natürliche Verwitterungsprozesse eine zunehmende Gewässerversauerung seit Jahren zu beobachten ist. Insbesondere für die durch Flutung neu entstehenden Tagebaurestseen sowie die in diesen Gebieten vorkommenden Grundwässer stellt diese ein immer größeres Problem dar. Sulfationen sind weder chemisch inert noch gesundheitlich bzw. hygienisch unbedenklich, so dass ein hoher Schwermetall- und Sulfateintrag in die Grund- und Oberflächenwässer erhebliche negative Auswirkungen auf die Gewässerökologie sowie die technische Nutzbarkeit des Wassers als Trink- oder Brauchwasser bedeutet. Hohe Frachten an Schwermetallen und Sulfaten im Grundwässern sind beispielsweise für die Trinkwassernutzung unzuläs- sig, gleichzeitig wirken sulfatreiche, schwefelsaure Wässer aber auch stark korrodierend auf Stahl und Beton.

[0003] Die Sanierung mit Sulfat belasteter Oberflächenwässer wie Tagebaurestseen wird aufgrund der großen Wassermengen zurzeit vor allem durch die Flutung mit ggf. konditioniertem Fremdwasser durchgeführt. Dieses Verfahren ist jedoch unter anderem stark be- grenzt durch das zur Verfügung stehende Wasserangebot, den Aufwand zur Überleitung und die abzupuffernde Basenkapazität. Eine Sanierung der Restlochgewässer durch Kalkung ist in den meisten Fällen wegen des hohen stöchiometrischen Überschusses an basischen Stoffen unwirtschaftlich.

[0004] Es sind auch mikrobiologische Verfahren bekannt, bei denen unter Luftabschluss sulfatreiche Wässer durch Mikroben biochemisch reduziert werden können. Die dabei entstehen Sulfide werden mit Luftsauerstoff erneut zur Schwefelsäure oxidiert. Dieser Prozess, dessen Nutzung zur Sanierung von schwefelsauren Wässern schon seit längerem mit bislang eher geringem Erfolg untersucht wurde, kann natürlicherweise regelmäßig in Kanalisationssystemen und in stagnierenden Gewässern beobachtet werden. Er führt deutschland- weit jährlich zu Milliardenschäden an der Infrastruktur durch Sulfid-/ Schwefelsäurekorrosion.

[0005] Darüber hinaus sind elektrochemische Verfahren bekannt, nach denen ohne Beimischung von Zusatzstoffen die Wasseraufbereitung durchgeführt werden kann. Beispielswei- se wird in der DE19624023 B9 ein Verfahren zur Aufbereitung saurer eisenhaltiger Tagebaurestlochgewässer beschrieben, wobei der Aufbereitungseffekt im Gegensatz zur üblichen Neutralisation nicht durch die Zudosierung von Lauge zum Wasser mit hohem pH- Wert erreicht wird, sondern durch Abtrennung von Protonen infolge ihrer elektrochemischen Abscheidung in der kathodischen Teilreaktion des Elektrolyseprozesses erfolgt. [0006] Dabei werden die den niedrigen pH-Wert bestimmenden Wasserstoffionen an der Kathode zu Wasserstoff reduziert. Dieser so gebildete Wasserstoff wird mit dem behandelten Wasser aus der Zelle ausgetragen und in die Umgebung abgegeben. Mit der Reduktion der Wasserstoffionen ist ein Anstieg des pH-Wertes verbunden. Dies bewirkt wiederum die Hydrolyse und Fällung der hydrolysierbaren Kationen (z.B. Fe, AI, Mn), die mit dem neutrali- sierten Wasser als Suspension aus den Zellen ausgetragen werden:

(1 ) 4H ⁺ + 4e- ^ 2H ₂

(2) 4H ₂ 0 + 4e- -> 2H ₂ + 40H ^"

(3) Me ⁿ⁺ + nOH- -> Me(OH) _n Me=Fe, AI, Mn etc.

[0007] In gleicher Weise wirkt prinzipiell die simultan ablaufende elektrochemische Redukti- on von im Wasser gelösten Sauerstoff zu Hydroxidionen neutralisierend.

(4) 2H ₂ 0 + 0 ₂ + 4e- -> 40H ^"

[0008] Die Reaktion (4) trägt jedoch nur geringfügig zur kathodischen Wasseraufbereitung bei. Durch den Einsatz einer lonenaustauschmembran zwischen Anoden- und Kathodenraum der Elektrolysezelle wird zusätzlich erreicht, dass zur Anhebung des pH-Wertes, und der damit einher gehenden Hydrolyse und Fällung von Aluminium- und Schwermetallionen, auch der Salzgehalt der Wässer erheblich vermindert wird. Dabei wird eine Kopplung des kathodischen Wasseraufbereitungsprozesses mit einem anodischen Syntheseprozess vorgesehen. Bei Vorhandensein von Sulfationen können anodisch folgende Reaktionen ablaufen: (5) 2H ₂ 0 -> 4H ⁺ + 0 ₂ + 4e- (6) 2S0 ₄ ² - -> S ₂ 0 ₈ ² - + 2e-

[0009] Bei einer Reaktion gemäß der Gleichung (5) werden die entstehenden Protonen durch die in den Anodenraum wandernden Sulfationen abgesättigt, wobei zunächst Schwefelsäure gebildet und aufkonzentriert wird. Im zweiten Fall werden Sulfationen zu Peroxodi- sulfat oxidiert und im Anodenraum angereichert. Durch nachfolgende Prozesse ist eine Gewinnung dieser Produkte möglich. In ähnlicher Weise kann der in der Kathodenreaktion gebildete Wasserstoff nachfolgend als Produkt verwertet werden.

[0010] EP0026591 A1 oder DE 3614005 A1 beschreiben prinzipiell geeignete Elektrolysevorrichtungen für dieses vorgenannte Verfahren nach DE19624023 B9, wobei diese aller- dings im technischen Maßstab nicht erprobt wurden, sondern nur Laborergebnisse zeigen.

[0011] In der WO 2007144055 A1 wurde erstmalig eine Vorrichtung zur elektrochemischen Wasseraufbereitung beschrieben, die auch zum technischen Einsatz geeignet ist. Die beschriebene Vorrichtung zur elektrochemischen Reinigung saurer Wässer bestehend aus einer Kathode, einer Anode und einer lonenaustauschmembran, wobei die Membran zwi- sehen der Kathode und Anode angeordnet ist und mindestens umlaufend im Randbereich gehalten wird, wobei auf dem oberen und unteren Randbereich der Elektrolysevorrichtung eine Vielzahl von Zu- und Abläufen angeordnet sind, die mit dem Kathoden- beziehungsweise dem Anodenraum verbunden sind, so dass sich im Kathoden- und dem Anodenraum eine Pfropfenströmung ausbildet, die im idealen Fall ein laminares Profil aufweist. [0012] Zellelemente nach dem Prinzip dieser Vorrichtung wurden bereits im technischen Maßstab mit 2.1 m ² aktiver Elektrolysefläche erprobt. Ein Elektrolyseur bestehend aus fünf bipolar angeordneten Zellelementen nach dem Prinzip der WO 2007144055 A1 wurde über etwa zwei Jahre betrieben und die kathodische Sulfatentfernung schwefelsaurer Tagebaurestlochgewässer untersucht. Trotz schwankender Sulfationeneinlaufkonzentration des schwefelsauren Wassers im Bereich von 800 bis 1000 mg/l konnte eine Abtrennung von über 20 % mit Spitzenwerten von bis zu 25 % Sulfat erreicht werden. Je nach Einstellung des anodischen Syntheseprozesses wurden dabei spezifische Energieverbräuche von im Schnitt unter 0,5 kWh/m ³ Natriumperoxodisulfat, 0,7 kWh/m ³ Natriumsulfat bzw. 1 ,0 kWh/m ³ Schwefelsäure erreicht. Die kathodisch erzeugte basische Pufferkapazität des aufbereiteten Wassers betrug etwa 1 ,2 mmol/l.

[0013] Nachteilig bei diesem Prozess erwies sich die Fällung der im schwefelsauren Wasser vorhandenen Kationen, speziell Eisen und Aluminium, die aufgrund der Anhebung des pH-Werts als Hydroxide oder Karbonate im Kathodenraum ausgefällt werden und entgegen der Erwartung trotz des hohen Volumenstroms von etwa 1 ,2 m ³ /h nicht als Suspension ausgetragen werden, sondern als Fällschlamm in der Elektrolysezelle verbleiben. Das zwischen Rückwand und Membran in der Kathode angeordnete, inerte Füllmaterial wird dadurch verstopft und weiterer Wasserdurchsatz behindert. Regelmäßiges Öffnen und Reini- gen der Zelle ist erforderlich, da einfaches Rückspülen nicht ausreicht, die Fällschlämme zu entfernen, wodurch die Elektrolyseur-Verfügbarkeit herabgesetzt wird.

[0014] Um die Sulfatreinigungsleistung zu erhöhen, sind in DE 10 2004 026 447 B4 verschiedene technische Möglichkeiten offenbart, die über das in WO 2007144055 A1 offenbarte Prinzip hinausgehen. Hier wird eine Dreikammerzelle beschrieben, die aus zwei Kathoden und einer Anode besteht, die durch zwei Membranen von den Kathoden getrennt ist. An Unterschieden zum bekannten Stand der Technik lassen sich folgende Eigenschaften feststellen:

[0015] Die Vorrichtung weist Zuführungen für Sauerstoff und/oder Luft und/oder Kohlendioxid in den Kathodenraum auf, um die Gase fein verteilen zu können. Dadurch wird zu- nächst erreicht, dass durch den zusätzlich angebotenen Sauerstoff kathodisch Hydroxidionen erzeugt werden, welche die Neutralisierung des schwefelsauren Wassers verstärken. Durch das eingeleitete Kohlendioxid wird darüber hinaus Pufferkapazität durch Umsetzung zu Hydrogenkarbonationen in das aufzubereitende, schwefelsaure Wasser eingebracht, so dass das Produktwasser im neutralen pH Bereich stabilisiert wird und somit weniger pH- sensibel auf eingebrachte Salzfrachten reagiert.

[0016] Die anodische Stromdichte der Vorrichtung ist um den Faktor 5 höher als die kathodische Stromdichte, da das Trägermaterial der anodischen Elektrode nur mit maximal 20 %, bevorzugt sogar nur mit maximal 5 % mit elektrochemisch aktiven Substanzen beschichtet ist. Die Beschichtung soll dabei optimalerweise nicht gleichmäßig verteilt werden, sondern im unteren Drittel der Anode rechnerisch um 2-20 % über dem Belegungsdurchschnitt liegen, im oberen Drittel um 2-20 % unter dem Belegungsdurchschnitt und im mittleren Drittel der anodischen Elektrode dem rechnerischen Durchschnitt der Belegungsdichte der Beschichtung entsprechen.

[0017] Mehrere Ausführungsbeispiele werden angeführt, bei denen die verbesserte Sulfat- abscheidung durch Anwendung der genannten Eigenschaften demonstriert werden soll. In eine Laborzellen der Größe 0,05 m ² wird bei einer anodischen Stromdichte von 50 A/cm ² und kathodischen Stromdichte von 10 A cm ² eine Sulfatabreicherung von etwa 20 % erreicht, wobei die spezifische Energieverbräuche von 0,82 kWh/m ³ Sulfat und 1 ,170 kWh/m ³ Schwefelsäure betrugen. In einem anderen Versuch konnte mit einer 0,013 m ² Zelle immer- hin ein Sulfatabreicherungsgrad von etwa 28 % erreicht werden, wobei im Anodenkreislauf Natriumperoxodisulfat bei einem Energieverbrauch von 0,7 kWh/m ³ erzeugt wurde. Die neu eingebrachte basische Pufferkapazität des kathodisch aufbereiteten Wassers lag in beiden Fällen bei 0,7 bzw. 0,8 mmol/1. [0018] Werden nun die Ergebnisse der Dreikammerzelle nach DE 10 2004 026 447 B4 mit der Zweikammerzelle nach WO 2007144055 A1 verglichen, so fällt direkt auf, dass die als Verbesserung genannten Maßnahmen keine Erhöhung der kathodischen Sulfatabreiche- rung, keine Verringerung der spezifischen Energieverbräuche für die anodische Erzeugung von Schwefelsäure, Natriumsulfat oder Natriumperoxodisulfat bewirken und auch nicht mehr Pufferkapazität in das kathodisch aufbereitetet Wasser einbringen.

[0019] Weitere Nachteile ergeben sich aus dem Zellenprinzip an sich. Eine Massstabsvergrößerung erfordert das Verschalten vieler Einzelzellen, um möglichst wenig umbauten Raum und kurze verlustbehaftete Stromwege zu haben. Eine Dreikammerzelle lässt sich nur parallel - also monopolar - verschalten, indem alle Kathoden und alle Anoden jeweils miteinander elektrisch verbunden werden. Dadurch ist die Spannung aller Zellen gleich, der Strom nach dem Kirchhoffschen bzw. Ohmschen Gesetz aber variabel, da er vom individuellen Widerstand einer Zelle bestimmt wird. Da dieser ohmsche Widerstand aber bestimmt ist durch leichte Unterschiede jeder Zelle, vor allem in den elektrochemischen Eigenschaften der anodischen Beschichtung bzw. der Membran sowie durch die in jeder Zelle unter- schiedlich ablaufenden Fällprozesse, lassen sich viele Zellen hydraulisch nicht unabhängig voneinander regeln. Jede Zelle muss individuell eingestellt werden, um den gleichen neutralen Ablauf-pH-Wert zu erreichen bzw. darf einen Maximai-pH-Wert nicht überschreiten, der auch zu weiteren Fällprozessen führen kann. Ein monopolar aufgebauter Elektrolyseur erfordert somit einen hohen Regelungs- und Verkabelungsaufwand, was dessen wirtschaft- liehen Betrieb beeinträchtigt. Die Begriffe Monopolar und Bipolar sind dem Fachmann bekannt, eine Erläuterung befindet sich beispielsweise unter "Handbook of C/A Technology, Thomas F. O'Brien, Tilak V. Bommaraju and Fumio Hine, Springer Verlag, ISBN 0-306- 48618-0 (2005), pp 388ff"

[0020] Eine Dreikammerzelle mit zwei Membranen muss schon bei Fehlern einer Membran außer Betrieb genommen werden. Trotz gleicher Leistung einer Zweikammerzelle ist somit das Ausfallrisiko doppelt so hoch, was unter technischen Gesichtspunkten ein gravierender Nachteil ist. Handelsübliche Membranen lassen sich nur maximal 3-4 Jahre betreiben und können vorab durch mechanische Beanspruchung Defekte bekommen, welche die Reinigungsleistung beeinträchtigen und das kathodisch durchgeleitete Wasser durch Sulfatver- bindungen sogar verunreinigen können. [0021] Auch die Aufbringung der ungleichmäßig verteilten anodischen Beschichtung stellt unter großtechnischen Aspekten ein erhebliches Problem dar. Im Vergleich zur homogenen Gleichverteilung der Beschichtung ist der Personal- und Fertigungsaufwand bei der Herstellung deutlich erhöht, so dass ein möglicher Vorteil eines geringeren Beschichtungsanteils der Elektrode von maximal 20 % und damit eine mögliche Edelmetalleinsparung zunichte gemacht wird. Die inhomogene Beschichtung führt auch zu einer inhomogenen Stromdichteverteilung, die sich in Form erhöhter Widerstände auf die Zellspannung und damit den Energiebedarf des Verfahrens nachteilig auswirkt.

[0022] Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, die Verfügbarkeit des Elektro- lyseurs zu erhöhen und die Wasseraufbereitungsleistung zu steigern.

[0023] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Zellelement für einen bipolaren Elektrolyseur zur elektrochemischen Wasseraufbereitung, umfassend eine Anodenhalb- schale mit einer Anode, eine Kathodenhalbschale mit einer Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Ionenaustauscher-Membran, wobei die Anodenhalb- schale und die Kathodenhalbschale jeweils eine Außenwandung mit einem Flanschbereich zur Verbindung der Anodenhalbschale mit der Kathodenhalbschale aufweisen, wobei die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils mehrere Einlauföffnungen und mehrere Ablauföffnungen aufweisen, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen, und wobei die Kathodenhalbschale eine Gasein- Speisungsvorrichtung aufweist, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale, insbesondere einen zwischen der Ionenaustauscher-Membran und der Kathode angeordneten Kathodenraum einleitbar ist.

[0024] Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs eine Sulfatreinigung erreicht werden kann, die deutlich über den Ergeb- nissen liegt, welche mit Dreikammerzellen im Labormaßstab nach DE 10 2004 026 447 B4 bzw. mit Zweikammerzellen nach WO 2007144055 A1 erzielt werden können. Durch konstruktiv optimierte Strömungsführung des aufzubereitenden Wassers zwischen Kathode und Membran, Eindüsung von Luft bzw. C0 ₂ durch die Gaseinspeisungsvorrichtung in den Kathodenraum und gezielte Anpassung des Durchsatzes konnten Sulfatabreicherungen von ca. 40 % erzielt werden, die somit um 25-50 % über den bislang bekannten Sulfatentfernungsleistungen wie aus DE 10 2004 026 447 oder WO 2007144055A1 bekannt, liegen.

[0025] Die Fläche der Einlauföffnungen und Ablauföffnungen sind derart gewählt, dass der Austrag an suspendierten Schwermetallsalzen erheblich größer ist, als bisher nach dem Stand der Technik bekannt. Daher lassen sich Ausfallzeiten vermeiden und die Anlagenver- fügbarkeit erhöhen. Für den Fall eines erhöhten Anfalls an gefällten Schwermetallen im Zellelement erlaubt die Konstruktion durch entsprechende Verschaltung über eine Strömungs- umkehrung ein einfaches Rückspülen von den Ablauföffnungen zu den Einlauföffnungen. Zusätzlich lassen sich an den vertikalen Seiten der Kathode optional Spülstutzen anbrin- gen, um eine Spülmöglichkeit quer zur Hauptströmungsrichtung zu ermöglichen.

[0026] Somit wird durch das erfindungsgemäße Zellelement die Verfügbarkeit des Elektrolyseurs erhöht und die Wasseraufbereitungsleistung gesteigert.

[0027] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gesamtfläche der Einlauföffnungen um mindestens 30 %, bevorzugt um mindestens 50 %, kleiner als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen. Hierdurch kann der Austrag an suspendierten Schwermetallsalzen gesteigert werden.

[0028] Vorteilhafterweise weist die Gaseinspeisungsvorrichtung zumindest einen rohrförmi- gen Gasverteiler auf, der sich über die ganze Breite der Kathodenhalbschale erstreckt. Die Gaseinspeisungsvorrichtung ist bevorzugt waagerecht angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Gaseinspeisungsvorrichtung in einem Bereich von 300 bis 400 mm und/oder von 600 bis 800 mm oberhalb eines die Einlauföffnungen aufweisenden Einlaufkanals angeordnet. Über die Gaseinspeisungsvorrichtung kann ein Gas, beispielsweise Luft oder C0 ₂ , fein verteilt in das sich im Kathodenraum befindende zu reinigende Wasser eingeleitet werden.

[0029] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anode im Abstand von mindes- tens 0,5 mm und maximal 20 mm, bevorzugt mindestens 8 mm und maximal 12 mm, von der Ionenaustauscher-Membran entfernt angeordnet ist, wobei der Abstand über die Einbringung eines nichtleitendes Materials erreicht wird, wobei als nichtleitendes Material ein Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden.

[0030] Vorteilhaft ist es, wenn die Kathode im Abstand von mindestens 0,5 mm und maxi- mal 20 mm, besonders bevorzugt mindestens 8 mm und maximal 12 mm, von der Ionenaustauscher-Membran entfernt angeordnet ist, wobei der Abstand über die Einbringung eines nichtleitendes Materials erreicht wird, wobei als nichtleitendes Material Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden.

[0031] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Anode mit einer Rückwand der Anodenhalbschale stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden. Die Anode kann als metallisches Gewebe, als Streckmetall oder als perforiertes Blech ausgebildet sein. Die Anode kann eine Oberfläche aufweisen, die 30 % bis 70 %, bevorzugt 40 % bis 60 % der Oberfläche der lo- nentauscher-Membran entspricht. [0032] Bevorzugt ist es, wenn die Anode aus Titan besteht und die gesamte Fläche der Anode mit einer elektrochemisch aktiven Substanz beschichtet ist.

[0033] In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn als elektrochemisch aktive Substanz ein Gemisch aus Iridium und Tantal oder ein Gemisch aus Platin und Iridium verwendet wird.

[0034] Vorteilhafterweise beträgt die Belegungsdichte der Anode mit der elektrochemisch aktiven Substanz mindestens 5 g/m ² . Besonders vorteilhaft ist eine Belegungsdichte von mindestens 10 g/m ² . Bevorzugt ist die Belegung der Anode mit der elektrochemisch aktiven Substanz gleichmäßig ausgebildet, so dass die Stromdichteverteilung über die Gesamtflä- che der Anode im bestimmungsgemäßen Betrieb einheitlich ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Anode einen Öffnungsgrad von 40-50 % und eine gleichmäßige Beschichtung von etwa 10 g/m ² aufweist, so dass der Sulfattransport auf die Anodenseite deutlich erhöht ist. Hierdurch kann eine höhere durchsatzspezifische Produktausbeute an Sulfatspezies wie Schwefelsäure oder Ammoniumsulfat und durch die vereinheitlichte Stromdichtverteilung eine geringere Spannung und damit ein geringerer spezifischer Energieverbrauch erreicht werden.

[0035] Bevorzugt sind die Kathode und die Anode derart ausgebildet, dass die anodische Stromdichte um einen Faktor zwischen 1 ,4 und 3,3, besonders bevorzugt um einen Faktor zwischen 1 ,7 und 2,5, höher ist als die kathodische Stromdichte. [0036] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Kathode als ebene, metallische Platte ausgebildet ist. Die Kathode besteht bevorzugt aus einem gegen saure Medien chemisch stabilen Werkstoff, insbesondere aus Nickel oder Edelstahl.

[0037] Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher eine Rückwand der Kathodenhalb- schale mit der Kathode identisch ist, so dass sich ein konstruktiv einfacherer Aufbau der Kathodenhalbschale ergibt.

[0038] Bevorzugt weist die Anodenhalbschale eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand der Anodenhalbschale und/oder die Kathodenhalbschale eine Stabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung der Rückwand der kathodenhalbschale auf. Die Stabilisierungseinrichtung ist besonders bevorzugt außerhalb des Kathodenraums bzw. außer- halb des zwischen der Ionenaustauscher-Membran) und der Anode angeordneten Anodenraums vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, so dass sowohl der Kathodenraum als auch der Anodenraum weitgehend hindernisfrei gestaltet werden kann. Die Abstände zwischen der Anode bzw. der Kathode und der Membran können durch Einbringen eines nichtleiten- den Materials eingestellt werden, wobei als Material bevorzugt Gewebe, Gitter, Fäden, Tücher, Vliesse oder Gespinste verwendet werden, die im Gegensatz zu den nach Stand der Technik bekannten Füllkörpern nur einen geringen Strömungswiderstand aufweisen. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Kathode über mehrere, insbesondere neun, 5 dreieckformige Stege stabilisiert wird, die mit der Rückseite der Kathode vollständig oder unterbrochen stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind und aus jeweils zwei im Winkel von bevorzugt 40° bis 60° gegeneinander geneigten und verschweißten Blechen bestehen. Ebenso kann die Anode über mehrere, insbesondere neun, dreieckformige Stege stabilisiert sein, die mit der Rückseite der Anode vollständig oder unterbrochen stoffschlüssig oder 10 adhäsiv verbunden sind und aus jeweils zwei im Winkel von bevorzugt 40° bis 60° gegeneinander geneigten und verschweißten Blechen bestehen.

[0039] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils unten einen, insbesondere rechteckförmigen, Einlaufkanal auf, über den Zulauflösungen zuführbar sind, wobei der Einlaufkanal die Einlauföffnungen auf- 15 weist. Bevorzugt ist es, wenn die Anodenhalbschale und die Kathodenhalbschale jeweils oben einen, insbesondere rechteckförmigen, Ablaufkanal aufweisen, über den die Produktlösungen abführbar sind, wobei der Ablaufkanal die Ablauföffnungen aufweist.

[0040] Gemäß einer konstruktiven Ausgestaltung ist an den Einlaufkanal ein zentral angeordneter Einlaufstutzen mittig oben an eine Längsseite des Einlaufkanals angeschweißt. 20 Eine weitere konstruktive Ausgestaltung sieht vor, dass an den Ablaufkanal jeweils ein Ablaufstutzen mittig unten an eine Längsseite des Ablaufkanals angeschweißt ist.

[0041] Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der kathodische Einlaufkanal unten und der kathodische Ablaufkanal oben mit der Kathode stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind. Vorteilhaft ist es ferner, wenn der anodische Einlaufkanal unten und der anodische 25 Ablaufkanal oben mit der Anodenrückwand stoffschlüssig oder adhäsiv verbunden sind.

[0042] Bevorzugt weist der kathodische Einlaufkanal, insbesondere unten, Einlauföffnungen auf, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Einlaufkanals angeordnet sind, wobei der Abstand der Einlauföffnungen bevorzugt mindestens 20 mm und maximal 50 mm beträgt und die Höhe jeder Einlauföffnung bevorzugt mindestens 5 mm und maximal 30 15 mm. Der kathodische Einlaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen.

[0043] Vorzugsweise weist der kathodische Ablaufkanal, insbesondere oben, Ablauföffnungen auf, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Ablaufkanals angeordnet sind und deren Gesamtfläche bevorzugt mindestens 30% und besonders bevorzugt mindestens 50% größer ist als die Gesamtfläche der Einlauföffnungen des kathodischen Einlaufkanals. Der kathodische Ablaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen. [0044] Bevorzugt ist es, wenn der anodische Einlaufkanal, insbesondere unten, Einlauföffnungen aufweist, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Einlaufkanals angeordnet sind, wobei der Abstand der Einlauföffnungen bevorzugt mindestens 20 mm und maximal 50 mm beträgt und die Höhe jeder Einlauföffnung bevorzugt mindestens 5 mm und maximal 15 mm. Der anodische Einlaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum An- schluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen.

[0045] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der anodische Ablaufkanal, insbesondere oben, Ablauföffnungen aufweist, die gleichmäßig in Reihe über die gesamte Länge des Ablaufkanals angeordnet sind und deren Gesamtfläche bevorzugt mindestens 30% und besonders bevorzugt mindestens 50% größer ist als die Gesamtfläche der Einlauföffnungen des anodischen Einlaufkanals. Der anodische Ablaufkanal kann mittig einen Ablaufstutzen zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitungsverbindung aufweisen.

[0046] Vorteilhaft ist es, wenn die Kathodenhalbschale mindestens einen, bevorzugt zwei, Spülstutzen aufweist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kathodenhalbschale am linken und rechten Rand der Kathode mindestens jeweils einen Spülstutzen aufweist. Die Spül- stutzen können waagerecht ausgerichtet und/oder stirnseitig angebracht sein.

[0047] Bei einem bipolaren Elektrolyseur mit mehreren in Reihe geschalteten Zellelementen trägt es zur Lösung der Aufgabe bei, wenn die Zellelemente wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind.

[0048] Ein bipolarer Elektrolyseur, der aus einzelnen Zellelementen besteht, die elektrisch in Reihe - also bipolar - verschaltet sind ist kostengünstiger und einfacher zu regeln als ein monopolar aufgebauter Elektrolyseur, beispielsweise ein aus Dreikammerzellen aufgebauter Elektrolyseur. Beim bipolaren Elektrolyseur ist der Strom und damit die Last immer gleich, so dass aufgrund der gleichen elektrochemischen Produktion bzw. Umsetzung eine einfache hydraulische Regelung des kathodisch zugeführten schwefelsauren Wassers mög- lieh ist. Auch der Verkabelungsaufwand und der umbaute Raum eines bipolaren Elektrolyseurs sind deutlich geringer und damit unter Kostengesichtspunkten wirtschaftlicher.

[0049] Die Zellelemente des Elektrolyseurs sind so konstruiert, dass sie sich bipolar, also in Reihe zu einem technischen Elektrolyseur zusammenschalten lassen, um eine möglichst einfache Stromversorgung zu ermöglichen, die wenig Aufwand in Form von Verkabelung und Personal zur Installation erfordert und gleichzeitig die Behandlung großer Wassermengen erlaubt. Idealerweise lassen sich dazu die Ein- und Ablaufkanäle der Kathoden bzw. Anoden derart verbinden, dass zentral nur eine Versorgungsleitung erforderlich ist, wo über geeignete Instrumente der Zufluss und damit die aufzubereitende Wassermenge geregelt werden kann. Ein derartiger Elektrolyseur erfordert aufgrund der vertikalen Anordnung vieler Elemente in einem Stahlgestell wenig Platzbedarf und reduziert den unter wirtschaftlichen Aspekten umbauten Raum der Einhausung, um die Anlage unter Sicherheitsaspekten fachgerecht betreiben zu können. [0050] Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in Fig. 1 -15 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Fig. 1 Innenansicht der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen

Elektrolyseurs

Fig. 2 Außenansicht der Rückwand der Kathodenhalbschale eines erfin- dungsgemäßen Elektrolyseurs

Fig. 3 Schematische Ansicht der Anordnungen der Rückwandverstrebungen der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs

Fig. 4 Querschnitt der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs Fig. 5 Schematische Ansicht des Einlaufkanals der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs

Fig. 6 Schematische Ansicht des Ablaufkanals der Kathodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs

Fig. 7 Schematische Darstellung des Querschnitts der kathodischen Vor- richtung zur Gasversorgung und Gaseindüsung

Fig. 8 Innenansicht der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs

Fig. 9 Außenansicht der Rückwand der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs Fig. 10 Schematische Ansicht der Anordnungen der Rückwandverstrebungen der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs

Fig. 1 1 Querschnitt der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs Fig. 12 Schematische Ansicht des Einlaufkanals der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs

Fig. 13 Schematische Ansicht des Ablaufkanals der Anodenhalbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs

Fig. 14 Schematische Darstellung der Anordnung von Anode und Aussparun- gen des Ablaufkanals eines erfindungsgemäßen Elektrolyseur zur Ableitung des Anolyts

Fig. 15 Schematische Darstellung der Anordnung von kathodischer und anodischer Halbschale eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im montierten Zustand

[0051] Fig.1 zeigt die Innenansicht einer Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs. Die rechteckförmige Halbschale verfügt über einen rahmenartig ausgeführten Flansch 3, über den die Kathodenhalbschale 1 mit der Anodenhalbschale 2 über ein Schraubsystem, dass durch Schraubendurchführungen 4 geführt wird, verbunden ist. Das schwefelsaure Wasser wird über einen Einlaufstutzen 16b in den Einlaufkanal 5b im Bodenbereich der Zelle zugeführt, wobei das Wasser gleichmäßig über die Breite verteilt durch Einlauföffnungen 7b im Einlaufkanal 5b in den Kathodenraum 14 eintritt und nach oben strömt. Über mehrere Gaseinspeisungsvorrichtungen 1 1 wird Gas in Form von Luft oder C0 ₂ in das zu reinigende, schwefelsaure Wasser eingedüst, um den kathodischen Neutrali- sationsprozess zu beschleunigen. Die Einbauhöhe der Gaseinspeisungsvorrichtungen 1 1 hängt vom pH-Wert und den Inhaltsstoffen des schwefelsauren Wassers ab und kann demzufolge prozessabhängig variiert werden, um eine optimierte Sulfatabreicherung zu erzielen. In der schematischen Darstellung sind zwei Höhen beispielhaft angegeben, wobei eine erste Gaseinspeisungsvorrichtung 1 1 in einem Abstand von 300-400 mm oberhalb des Einlaufkanals 5b und eine zweite Gaseinspeisungsvorrichtung 1 1 in einem Abstand von 600- 800 mm oberhalb des Einlaufkanals 5b angeordnet ist. Während des Aufströmens läuft die Neutralisationsreaktion ab, wobei der Elektrolysestrom über die Kathode 9 zugeführt wird. Das neutralisierte Wasser verlässt den Kathodenraum 14 über Ablauföffnungen 8b zum Ablaufkanal 6b, aus dem das Wasser über einen Ablaufstutzen 17b austritt. [0052] Fig. 2 zeigt die Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs von der Außenseite. Zwischen dem unten angeordneten Einlaufkanal 5b und dem oben angeordneten Ablaufkanal 6b für das Wasser liegt die Rückwand des Kathodenraums 14, die gleichzeitig als Kathode 9 arbeitet. Die konstruktive Stabilisierung der Kathodenhalbscha- le 1 erfolgt durch eine Stabilisierungseinrichtung mit neun über die Zellenbreite gleichmäßig verteilten Stegen 12, deren schematische Anordnung in Fig. 3 dargestellt ist. Die Stege 12 sind dreiecksförmig ausgeführt und mit der Kathode 9 ganz oder unterbrochen verschweißt. Die schräg angesetzten Bleche der Stege 12 sind dabei in einem Winkel von 40 bis 60° gegen die Senkrechte geneigt. [0053] Die Gleichverteilung der dreieckformig angeordneten Stege 12 geht aus Fig. 4 hervor, die einen Querschnitt der Kathodenhalbschale 1 des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs zeigt.

[0054] In Fig. 5 ist der rechteckförmige Einlaufkanal 5b der Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs in Querschnitt dargestellt. An den Einlaufkanal 5b ist ein ovalförmiger Einlaufstutzen 16b mittig angeschweißt, der beispielsweise über eine Schlauchverbindung, flexible Rohranschlüsse oder Ähnliches die Zuführung des schwefelsauren Wassers erlaubt. Das Wasser tritt über die unten angebrachten Einlauföffnungen 7b in den Kathodenraum 14, der durch die lonentauscher-Membran 13 einerseits und die Kathode 9 andererseits definiert wird. Die Kathode 9 ist mit dem Einlauf- kanal 5b stoffschlüssig oder adhäsiv flüssigkeitsdicht verbunden.

[0055] Fig. 6 zeigt analog den Querschnitt des rechteckig ausgeführten Ablaufkanals 6b der Kathodenhalbschale 1 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs. Das neutralisierte Wasser tritt über die im Kanal oben angebrachten Ablauföffnungen 8b in den Ablaufkanal 6b und wird von dort gesammelt abgeleitet. Der Ablaufkanal 6b ist mit der Kathode 9 stoffschlüssig oder adhäsiv flüssigkeitsdicht verbunden.

[0056] In Fig. 7 ist eine Gaseinspeisungsvorrichtung 1 1 zur Versorgung der Kathodenhalbschale 1 mit Gas in Form von Luft bzw. C0 ₂ im Querschnitt schematisch dargestellt. Über einen Stutzen 19 wird das Gas in den rohrförmigen Gasverteiler 18 geleitet, der über die ganze Breite der Kathodenhalbschale 1 angeordnet ist. Bei dem Zellelement gemäß dem Ausführungsbeispiel sind mehrere Gaseinspeisungsvornchtungen 1 1 vorgesehen, über welche das Gas fein verteilt in das Wasser eingedüst wird.

[0057] Fig.8 zeigt die Innenansicht einer Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements eines Elektrolyseurs. Die rechteckförmige Anodenhalbschale 2 verfügt über einen rahmenartig ausgeführten Flansch 3, über den die Anodenhalbschale 2 mit der Ka- thodenhalbschale 1 über ein Schraubsystem, dass durch Schraubendurchführungen 4 geführt wird, verbunden wird. Der Anolyt wird über einen Einlaufstutzen 16a in den Einlaufkanal 5a im Bodenbereich der Zelle zugeführt, wobei die Lösung gleichmäßig über die Breite verteilt durch Einlauföffnungen 7a im Einlaufkanal 5a in den Anodenraum 15 eintritt und nach oben strömt. Während des Aufströmens reichert sich das sulfathaltige Produkt aufgrund des Übertritts des Sulfats aus dem Kathodenraum 14 an, wobei der Elektrolysestrom über die Anode 10 abgeführt wird. Der Anolyt verlässt den Anodenraum 15 über Ablauföffnungen 8a des Ablaufkanals 6a, aus dem der Anolyt über einen Ablaufstutzen 17a austritt. [0058] Fig. 9 zeigt die Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs von der Außenseite. Zwischen dem unten angeordneten Einlaufkanal 5a und dem oben angeordneten Ablaufkanal 6a für den Anolyt liegt die Rückwand 21 des Anodenraums 15, die mit der Anode 10 verschweißt ist. Die konstruktive Stabilisierung der Anodenhalbschale 2 erfolgt durch eine Stabilisierungseinrichtung mit neun über die Zellenbreite gleichmäßig verteilten Stegen 12, deren schematische Anordnung in Fig. 10 dargestellt ist. Die Stege 12 sind dreiecksförmig ausgeführt und mit der Anodenrückwand 21 verschweißt. Die schräg angesetzten Bleche der Stege 12 sind dabei in einem Winkel von 40 bis 60° gegen die Senkrechte geneigt.

[0059] Die Gleichverteilung der dreieckförmig angeordneten Stege 12 geht aus Fig. 1 1 hervor, die einen Querschnitt der Anodenhalbschale 2 des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs zeigt.

[0060] In Fig. 12 ist der rechteckförmige Einlaufkanal 5a der Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs im Querschnitt dargestellt. An den Einlaufkanal 5a ist ein ovalförmiger Einlaufstutzen 16a mittig angeschweißt, der beispiels- weise über eine Schlauchverbindung, flexible Rohranschlüse oder Ähnliches die Zuführung des Anolyts erlaubt. Die Lösung tritt über die unten angebrachten Einlauföffnungen 7a in den Anodenraum 15, der durch die lonentauscher-Membran 13 einerseits und die Anode 10 andererseits definiert wird. Die Anode 10 ist mit der Anodenrückwand 21 und diese mit dem Einlaufkanal 5a verschweißt. [0061] Fig. 13 zeigt analog den Querschnitt des rechteckig ausgeführten Ablaufkanals 6a der Anodenhalbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs. Der angereicherte Anolyt tritt über die im Ablaufkanal 6a oben angebrachten Ablauföffnungen 8a in den Ablaufkanal 6a und wird von dort gesammelt abgeleitet. Der Ablaufkanal 6a ist mit der Anodenrückwand 21 verschweißt. [0062] Die Ausführung der Anode 10 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs ist schematisch in Fig. 14 dargestellt. Die Anode 10 ist als Lochblech ausgeführt und verfügt über regelmäßige Öffnungen 20, deren Gesamtfläche 50 bis 60% der gesamten Fläche der Anode 10 beträgt. Die elektrochemisch aktive Fläche der Anode 10 beträgt somit 40-50% ihrer rechnerischen Fläche aus Länge multipliziert mit Breite. Die Anode 10 ist so ausgeführt, dass die Ablauföffnungen 8a zum Ablaufkanal 6a nicht von der Anode 10 bedeckt werden, um die Gesamtfläche der Fläche der Ablauföffnungen 8a nutzen zu können. Dementsprechend bedeckt die Anode 10 auch nicht die Einlauföffnungen 7a des Einlaufkanals 5a im Bodenbereich der Anodenhalbschale 2. [0063] Fig. 15 zeigt schließlich eine schematische Darstellung der Anordnung von kathodi- scherund anodischer Halbschale 2 eines erfindungsgemäßen Zellelements des Elektrolyseurs im montierten Zustand. Die Einlaufkanäle 5a, 5b und die Ablaufkanäle 6a, 6b der Anodenhalbschale 2 und der Kathodenhalbschale 1 sind jeweils zueinander orientiert. Die Kathodenhalbschale 1 und die Anodenhalbschale 2 sind über die Flansche 3 miteinander verschraubt. Die Anodenhalbschale 2 und die Kathodenhalbschale 1 weisen jeweils mehrere Einlauföffnungen 7a, 7b und mehrere Ablauföffnungen 8a, 8b auf, wobei die Gesamtfläche der Einlauföffnungen 7a, 7b kleiner ist als die Gesamtfläche der Ablauföffnungen 8a, 8b. Die Kathodenhalbschale 1 weist ferner eine Gaseinspeisungsvorrichtung 1 1 auf, über welche ein Gas in die Kathodenhalbschale 1 , insbesondere einen zwischen der lonentau- scher-Membran 13 und der Kathode 9 angeordneten Kathodenraum 14 einleitbar ist. Hierdurch wird die Verfügbarkeit des Elektrolyseurs erhöht und die Wasseraufbereitungsleistung gesteigert. Zudem werden durch das erfindungsgemäße Zellelement die nachfolgende aufgeführten Nachteile des Stands der Technik überwunden:

- Monopolare Verschaltung der Einzelelemente zu einem Elektrolyseur mit hohem Platzbe- darf und Verkabelungsaufwand,

- relativ hohes Anlagenausfallrisiko durch Membranwechsel,

- ungleichmäßige Stromdichteverteilung,

- hoher Personal- und Fertigungsaufwand zur Herstellung der anodischen Elektrodenbe- schichtung,

- aufwändige Maßstabsvergrößerung,

- hoher Regelungsaufwand,

- mangelnde Reinigungsmöglichkeit zur Entfernung kathodisch erzeugter Fällprodukte und

- geringe Anlagenverfügbarkeit durch regelmäßiges Entfernen des Fällschlamms. [0064] Bezugszeichenliste

1 . Kathodenhalbschale

2. Anodenhalbschale

3. Rahmenartiger Flanschbereich

5 4. Schraubendurchführungen

5a. Anodischer Einlaufkanal

5b. Kathodischer Einlaufkanal

6a. Anodischer Ablaufkanal

6b. Kathodischer Ablaufkanal

10 7a. Öffnungen anodischer Einlaufkanal

7b. Öffnungen kathodischer Einlaufkanal

8a. Öffnungen anodischer Ablaufkanal

8b. Öffnungen kathodischer Ablaufkanal

9. Kathode

15 10. Anode

1 1. Vorrichtung zur Gaseinspeisung

12. Steg

13. lonenaustauschermembran

14. Kathodenraum

20 15. Anodenraum

16a. Einlaufstutzen anodischer Einlaufkanal

16b. Einlaufstutzen kathodischer Einlaufkanal

17a. Ablaufstutzen anodischer Ablaufkanal

17b. Ablaufstutzen kathodischer Ablaufkanal

25 18. Gasverteiler

19. Gasversorgungsstutzen

20. Öffnungen in der Anode

21. Anodenrückwand