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Verfahren und Vorrichtung zur Uerstetlung von Beryllium, Magnesium und Erdalkalimetallen durch Schmelzflulektrolyse.
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Elektrolysiertrog oder Elektrolysierofen durch Sehmelzflusselektrolyse eines Halogensalzes des her- zustellenden Metalls ausgeführt. Da diese Metalle im allgemeinen leichter als der geschmolzene Elektrolyt sind, steigen sie an die Oberfläche des Bades und werden von dort meistens durch Abschöpfen mit einem löffelartigen Organ abgenommen. Unter diesen Bedingungen sind jedoch die gewonnenen Metalle immer ein wenig mit Elektrolyt gemischt und müssen umgeschmolzen werden, um sie von dem
Elektrolyten zu befreien.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man bereits vorgeschlagen, die Schmelzflusselektrolyse- in einem in Anoden-und Kathodenraum unterteilten Bad auszuführen, das im unteren Teil ein zwischen
Anoden- und Kathodenraum zirkulierendes gesehmolzenes Metall enthält, welches das zu gewinnende
Metall im Anodenraum unter Legierungsbildung aufnimmt und im Kathodenraum wieder freigibt.
Man hat versucht, den Umlauf der geschmolzenen Legierung zwischen Anodenraum und
Kathodenraum durch mechanische Mittel zu bewirken, begegnete aber dabei grossen Schwierigkeiten infolge der verhältnismässig hohen Temperatur dieser Legierungen.
Die vorliegende Erfindung stellt es sich zur Aufgabe, diese Schwierigkeit zu beseitigen und bewerkstelligt zu diesem Zweck den Umlauf des geschmolzenen Metalls lediglich durch die Wärme- wirkungen, die beim Stromdurchgang durch die Verbindungsleitungen der beiden Badabteilungen im geschmolzenen Metall auftreten.
Erfindungsgemäss kann dies mittels einer Vorrichtung erfolgen, bei welcher die unteren, das geschmolzene Metall enthaltenden Teile des Anoden-und Kathodenraums durch zueinander geneigte
Rohrleitungen verbunden sind, die das Strom führende Aborptionsmetall hindurchlassen und den Strom- querschnitt so verengen, dass das geschmolzene Metall erhitzt wird ; infolge der dabei auftretenden
Dichteunterschiede steigt das geschmolzene Metall in den Rohren hoch, so dass ein stetiger Umlauf zwischen Anoden-und Kathodenraum zustandekommt.
Um eine noch bessere Trennung des durch die Schmelzflusselektrolyse gewonnenen Metalls vom
Elektrolyten zu gewährleisten, sieht die Erfindung ferner bei Vorrichtungen der vorstehend beschriebenen
Art die Anwendung einer besonderen Kathode vor, die in Form einer Hohlkathode mit seitlichen Öffnungen ausgebildet ist, welche letztere in der normalen Betriebsstellung der Kathode nur wenig über der Badoberfläche liegen und beim Senken der Kathode den Durchtritt des an der Badoberfläche angesammelten Metalls in das Kathodeninnere ermöglichen. Du Metall ist dann innerhalb dieser Hohl- kathode den im Bad unvermeidlich auftretenden Strömungen und Wirbelbildungen entzogen und bleibt in voller Ruhe, so dass es sich vollkommen vom Elektrolyten trennt und in reiner Form von Zeit zu Zeit abgeschöpft werden kann.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung erläutert werden, auf der Fig. 1 einen Längsschnitt und Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Elektrolysier- vorrichtung zeigen.
Auf Fig. 1 sieht man bei 1 den Anodentrog, bei 2 das Elektrolysebad und bei 3 die mit dem positiven Pol des die Vorrichtung speisenden elektrischen Kreises verbundene Anode. Der Trog 1 ist unten durch einen Trog 4 verlängert, welcher das im Anodenraum 1 gebildete zu gewinnende Metall
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unter Legierungsbildung aufnehmen soll. Neben dem Anodenraum 1 mit seinem unteren Trog 4 ist ein den Kathodenraum bildender Trog 6 mit unterer Verlängerung 5 vorgesehen, wobei dieser Teil 5 mit demselben Metall wie der untere Trog 4 gefüllt ist. Der Kathodenraum 6 enthält einen geschmolzenen Elektrolyten 7, in den eine Kathode 8 eintaucht. Die beiden unteren Tröge 4 und 5 sind durch Rohrleitungen 9 und 10 verbunden, die in entgegengesetztem Sinne geneigt sind.
Der Querschnitt dieser Rohre ist derart berechnet, dass der von der Anode 3 zur Kathode 8 fliessende Elektrolysierstrom, der auch durch die Röhren 9 und 10 hindurchfliessen muss, die Temperatur des in diesen Rohrleitungen enthaltenen Metalls erhöht ; beispielsweise betragen die Stromdichten in diesen Verbindungsrohren praktisch etwa 30 bis 40 Amp. jcm2, wobei diese Zahlenangaben aber lediglich als Anhaltspunkt dienen und natürlich mit den Abmessungen der Vorrichtungen, der Länge und dem Querschnitt dieser Rohrleitungen veränderlich sind. Durch entsprechende Wahl des Querschnitts und der Länge dieser Rohrleitungen 9 und 10 sowie der angewandten Stromdichten kann die Grösse der in diesen Leitungen auftretenden Temperatursteigerung und der dadurch bedingten Stärke der erzeugten Konvektionsströme nach Belieben geregelt werden.
Die Kathode 8 ist als Hohlzylinder ausgebildet, der aus einem Metall besteht, das mit dem zu gewinnenden Metall nicht reagiert. Dieser Zylinder 8 ist unten geschlossen und ist mit seitlichen Öffnungen 11 versehen, die in der normalen Betriebsstellung der Kathode ein wenig über der Badoberfläche liegen.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermassen : An der Anode 3 wird durch Elektrolyse des im Trog 1 enthaltenen, den Elektrolyten bildenden geschmolzenen Halogensalzes des betreffenden Metalls das betreffende Halogen freigemacht und kann durch irgendwelche geeigneten Mittel aufgefangen werden. An der Oberfläche des in dem unteren Trog 4 befindlichen geschmolzenen Metalls, beispielsweise Blei, das hiebei als, Kathode wirkt, wird das zu gewinnende Metall abgeschieden und von dem Metall im Trog- in L ? gierungsform gebunden.
Bei der Erhitzung des Metalls, das sich in den die beiden unteren Tröge 4 und 5 verbindenden Rohrleitungen 9 und 10 befindet, steigt infolge der dabei auftretenden Dichteunterschiede das überhitzte Metall entsprechend der Neigung der Rohrleitungen hoch, und es kommt dabei ein Umlauf zwischen den beiden unteren Trägen 4, 5 in dem durch die Pfeile der Fig. 2 angedeuteten Sinne zustande. Durch diesen Umlauf wird die Legierung aus dem unteren Trog 4 in den unteren Trog 5 geleitet, und es kann auf diese Weise nach entsprechender Einstellung eine annähernd konstante Durchschnittskonzentration der Leichtmetallegierung in den unteren Teilen 4 und 5 der beiden Elektrolysierzellen aufrechterhalten werden.
Wenn es sich beispielsweise um die Herstellung von Magnesium handelt, so beträgt der durchschnittliche Magnesiumgehalt der in den Trögen 4, 5 enthaltenen Bleilegierung bis zu etwa 3'5-4%. Die zueinander geneigten Rohrleitungen 9, 10 sorgen dabei in der Hauptsache dafür, dass das Bleibad in der rechten Elektrolyseabteilung nicht an Leichtmetall verarmt, sondern dass durch den stetigen Umlauf zwischen Anodenund Kathodenraum dauernd eine genügende Menge an in der linken Elektrolyseabteilung abgeschiedenem Leichtmetall nachgeliefert wird.
Die Legierung, welche im Trog 4 das im Trog 1 hergestellte Metall bindet, gibt dieses Metall durch elektrolytische Zersetzung im Trog 5 in Berührung mit dem Elektrolyten des Troges 6 wieder ab, worauf dieses freigemacht Metall zur Kathode 8 wandert und sich rings um diese Kathode an der Oberfläche des Bades 7 sammelt. Dieses freigemacht Metall kann sich jedoch auf der Badoberfläche infolge der durch den Durchgang des elektrischen Stroms verursachten Bewegungen des Elektrolysierbades nicht ordentlich absetzen und vom Elektrolyten trennen. Daher wird von Zeit zu Zeit die Kathode 8 derart gesenkt, dass ihre seitlichen Öffnungen 11 ein wenig in das Bad eintauchen und das an der Badoberfläche angesammelte Metall in das Kathodeninnere bei 12 eindringen kann.
Danach wird die Kathode wieder angehoben und, da das bei 12 innerhalb der Kathode angesammelte Metall nunmehr den Bewegungen des Bades entzogen ist und anderseits heiss gehalten wird, kann es sich bequem durch Absetzen vollkommen vom Elektrolyten trennen und darauf im Innern der Kathode ohne jegliche Mischung mit Elektrolyt in reiner Form abgeschöpft werden.
Diese Anordnung einer heb-und senkbaren : mit seitlichen Öffnungen versehenen Hohlkathode weist also gegenüber bekannten Überlaufvorrichtungen den Vorteil auf, dass sie es gestattet, das gewonnene Metall während einer beliebigen Zeit in vollkommener Ruhe zu halten und dadurch ein einwandfreies Absetzen und Trennen vom Elektrolyten zu gewährleisten.
Die Zusammensetzung der Salzschmelzen ist im Anodenraum und Kathodenraum im wesentlichen die gleiche und entspricht bei der Herstellung von Magnesium etwa der Zusammensetzung des Carnallits. Da die vorstehend beschriebene Vorrichtung ein Arbeiten mit verhältnismässig hoher Temperatur gestattet (bei der Herstellung von Magnesium beträgt die Temperatur des Bades im Anodenraum in unmittelbarer Nähe der Anode 3 etwa 825-850 C, so bildet sich auf der Anodenseite als einziges praktisch vorkommendes Nebenprodukt nur sehr wenig Oxychlorür.
Natürlich dient die an Hand der Fig. l und 2 beschriebene Vorrichtung lediglich zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens und kann in allen Ausführungseinzelheiten im Rahmen der Erfindung vielfach abgeändert werden. Anoden-und Kathodenraum können eine beliebige Form haben und voneinander unabhängig ausgebildet sein oder mit dem unteren, das geschmolzene Metall enthaltenden
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Teil ein einziges Gefäss bilden, das durch eine einfache Scheidewand in zwei Kammern unterteilt ist.
Bei dieser Ausführungsform fallen zwar die Verbindungsrohre 9 und 10 fort, aber es lässt sich durch eine einfache Scheidewand natürlich ebenfalls ein gewisser Ausgleich der Konzentration der Legierung auf der Kathodenseite und der Anodenseite einstellen, insbesondere wenn man diese Scheidewand i derart ausbildet,
dass zweckmässig schräge Verbindungsöffnungen oder-leitungen von verschiedener
Höhe gebildet werden.
Ganz allgemein können die Verbindungsröhren der beiden unteren Tröge 4 und 5 oder ent- sprechender, das geschmolzene Metall enthaltender Teile des Anoden-und Kathodenraums eine beliebige Form besitzen, und es können auch mehr als zwei solcher Rohrleitungen vorgesehen werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Beryllium, Magnesium und Erdalkalimetallen durch Schmelz- flusselektrolyse in einem in Anoden-und Kathodenraum unterteilten Bad, das im unteren Teil ein zwischen Anoden-und Kathodenraum zirkulierendes geschmolzenes Metall enthält, welches das zu gewinnende Metall im Anodenraum unter Legierungsbildung aufnimmt und im Kathodenraum wieder freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlauf des geschmolzenen Metalles lediglich durch die
Wärmewirkungen bewerkstelligt wird, die beim Stromdurchzug durch die Verbindungsleitungen der beiden Badabteilungen im geschmolzenen Metall auftreten.