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Vorrichtung zur Elektrolyse von geschmolzenen Metallsalzen.
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Der Behalter A, welcher von einem wärmeisolierenaen material, etwa von Kleselgur, umgeben ist, ist aus einem feuerfesten, nicht leitenden Material hergestellt oder besteht aus einer metallischen Kammer mit einer feuerfesten nichtleitenden Auskleidung. Die zehn Zellen sind durch die Elektroden Bl-Bil gebildet, die in Schräglage übereinander angeordnet sind. Ein Raum a oberhalb des Elektrolyten dient zur Sammlung des Chlors, das von dort in ein Abzugsrohr D übertritt. In einem an der Sohle der Vorrichtung vorgesehenen Raum a2 sammelt sich das erzeugte geschmolzene Zink, das von dort periodisch beim Abstichloch a3 abgezogen werden kann.
Die positive Stromzuleitung einer Gleichstromquelle geht unter Abdichtung durch eine Öffnung im Deckel A2 hindurch und ist mit der obersten Elektrode in irgendeiner geeigneten Weise, vorzugsweise durch Stangen E aus Graphit oder anderem geeigneten Material, verbunden, die in die Platten eingeschraubt sind, welche die Elektrode bilden. Eine aus Graphit bestehende Stange E2 ragt in den Raum a2 für das geschmolzene Zink hinein und stellt so eine elektrische Verbindung mit der untersten Elektrode her.
Die Stange E2 liegt in einer zylindrischen Ausnehmung e2 in der Behälterwand und wird an den negativen Pol der Stromquelle angeschlossen.
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stücke b aus geschmolzener Silika, Vitreosil, Obsidianit oder anderem harten, wärmeiderstehenden und elektrisch isolierenden Material voneinander getrennt ; die Auflagerstücke bl für die unterste Platte bestehen vorzugsweise aus Graphit. Die Innenwand des Behälters A umfasst strLn ? anpassend die Platten B-B"und bildet dadurch eine isolierende Schutzschicht für die Ränder der Elektroden.
Nahe bei den unteren Enden der Elektroden angeordnete Löcher ? lassen das Abfliessen des Zinks zum Raum a2 zu, während Löcher b3 nächst der oberen Enden der Elektroden einen Weg für das Aufsteigen des Chlors zum Raum a bilden, wobei ausserdem eine Zirkulation des Elektrolyten G stattfindet. Eine abschliessbare Öffnung a4 im Deckel dient zur Einführung von geschmolzenem Zinkchlorid, vorzugsweise von einer Temperatur von ungefähr 350-400 C, da hiebei das Abrauchen des geschmolzenen Salzes verhindert wird.
Während der Elektrolyse wird der Elektrolyt auf einer Temperatur zwischen 420 und 600 C. vorzugsweise von 450-5000 C, erhalten. Wenn die Leitfähigkeit vergrössert werden soll, kann man d, iii Zinkchlorid eine entsprechende Menge von Kaliumehlorid. Natriumchlorid oder Magnesiumchlorid zu- se zen. Die Vorrichtung wird mit Zinkchlorid nachbeschiekt, um das durch den Strom zerlegte Zinkchlorid zu ersetzen und auf diese Weise kann sie für eine lange Zeit ununterbrochen arbeiten. Der Schmplz- zus tand des Elektrolyten kann mittels des elektrischen Stromes aufrecht erhalten und dem Behälter auch von aussen Wärme zugeführt werden.
Man kann aber auch den Sehmelzzustand zur Gänze oder teilweise dadurch aufrecht erhalten, dass man der ersten und letzten Elektrode der Elektrolysiervorrichtung einen zusätzlichen Wechselstrom zuführt, der billiger als der für die Elektrolyse erforderliche Gleichstrom erzeugt werden kann.
Durch die Elektrolyse wird auf den oberen Flächen der Elektroden Zink und an deren unter@n Flächen eine entsprechende Menge Chlor frei. Das Zink fliesst nach abwärts in den Raum a2 und das Chlor steigt zum oberen Teil a auf ; Zink und Chlor kommen nach ihrer Trennung durch den Strom nicht mehr miteinander in Kontakt. Eine ausreichende Zirkulation des Elektrolyten durch die ganze Yorrichtullè : " wird durch das Aufwärtsstromen des Gases und durch das Abwärtsfliessen des Mulles bewirkt.
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Vorteile verständlich zu machen, seien die Grundregeln der Elektrolyse von geschmolzenen Metallsalzen im allgemeinen und von Zinkchlorid im besonderen auseinandergesetzt.
Theoretisch ist die chemische Spannung", die für die Zerlegung von Zinkchlorid in geschmolzenem Zustande notwendig ist, ungefähr 1-6 Volt und die Faradaysehe Ausbeute per Amperestunde 1'218 g ; demzufolge beträgt die zur Erzeugung von l & Zink notwendige Minimalenergie 1315 Wattstunden. ausschliesslich jener, die erforderlich ist, um den Elektrolyten in geschmolzenem Zustande zu erhalten. Aus technischen Gründen ist es vorzuziehen, den Elektrolyten durch innere elektrische Erhitzung in geschmolzenem Zustand zu erhalten, die durch eine höhere Klemmenspannung oder durch einen zusätz- lichen Wechselstrom erzeugt wird. Es ergibt sich, dass eine gute Wärmeisolierung ein Hauptfaktor tÜr die Ökonomie ist.
Bei allen einzelnzslligen Vorrichtungen muss eine grosse Stromdichte in Anwendung kommen und der Wärmeverlust durch die Elektroden ist beträchtlich ; demzufolge nimmt man für die beste Ausführung soleher einzelliger Vorrichtungen die Klemmenspannung per Zelle mit ungefähr dem Dreifachen der notwendigen chemischen Spannung an und bei einem Stromwirkungsgrad von 90 0 kann der Wirkungsgrad der Energie nicht viel über 30 % erhöht werden. Je niedriger die bei den Elektroden verwendete Stromdichte ist, in der Absicht, eine niedrige Klemmenspannung zu sichern, desto aus-
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durch die grössere Ausdehnung und die ungeeignete Form der für einen solchen Zweck bestimmten Vorrichtung hervorgerufen.
Gewöhnlich ergibt sich, dass die in ökonomischer Hinsicht untere Grenze der Stromdichte ungefähr bei 0#6-0#9 Ampere per cm2 Elektrodenfläche liegt ; grössere Stromdichten sind oft in Verwendung getreten.
Bei der erfindungsgemässen mehrzelligen Vorrichtung können Stromdiehten von 0-3 Ampere bis 0'15 Ampere und selbst noch weniger per cm2 Elektrodenfläche verwendet werden. Der Zwischenraum zwischen den Elektroden kann auf etwa 1'2 cm oder auf noch weniger vermindert und dadurch eine niedrige Klemmenspannung per Zelle erreicht werden. Infolge des Durchganges eines kleinen Selbstentladestromes durch die Löcher und rings um die Stütz-oder Distanzstücke (die lose zwischen den Enden der Elektroden angeordnet und durch Nut und Falz in ihrer Stellung erhalten sind) ergibt sich ein etwas geringerer Stromwirkungsgrad als er bei einer einzigen Zelle erreichbar ist, jedoch erfüllt die so abgehende Energie die wichtige Aufgabe, den Elektrolyten im Schmelzzustand zu erhalten.
Mit einer Vorrichtung wurden bei Anwendung von bloss zwei Volt per Zelle (d. i. von 20 Volt für die ganze Vorrichtung mit 10 Zellen) Resultate erzielt, die einen Gesamtwirkungsgrad der Energie von 64% des theoretischen ergaben, d. i. also mehr als das Doppelte des Wirkungsgrades, den man mit den bekannten Vorrichtungen als erreichbar erachtete.
Ausser der Ersparnis an elektrischer Energie werden auch bauliche Vorteile erreicht. Die Vorrichtung ist nicht nur stark und einfach herzustellen und zu erhalten, sondern sie ergibt auch den wesentlichen
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Vorteil niedriger Stromstärken bei einer entsprechenden Verminderung der Zahl und Grösse der elektrischen Verbindungen. Man wird daher, um die Energie einer gegebenen Stromquelle auszunutzen, den Strom mit verhältnismässig niedriger Amperezahl und hoher Spannung den Elektrolysiervorrichtungen zuführen (statt wie umgekehrt, mit relativ hoher Amperezahl und niedriger Spannung bei einer Anlage von einzelzelligen Elektrolysiervorrichtungen) ; dies ermöglicht eine Verringerung sowohl in der Zahl der verwendeten Vorrichtungen als auch der erforderlichen äusseren elektrischen Leitungen und Verbindungen.
Ein weiterer Vorzug der mehrzelligen Elektrolysiervorrichtung besteht. darin, dass das Chlor in sehr konzentriertem Zustande erhalten wird.
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Schnitt und in Fig. 4 in einer Draufsicht bei abgenommenem Deckel veranschaulicht. Die Vorrichtung enthält hier einen kreisrunden Behälter A und kegelförmige oder trichterartige Elektroden, die gegen den Mittelpunkt zu geneigt sind, während der Zinksamme1raum am Boden der Vorrichtung mit Hilfe einer zentral angeordneten Graphitstange E2 leitend an die Stromquelle angeschlossen ist. Diese Stange E2 liegt innerhalb eines aus Silika bestehenden Rohres e3, das bei e4 Öffnungen besitzt. Die Teile in diesen Figuren, welche den in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten entsprechen, sind mit denselben Bezugsbuchstaben versehen.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in einem vertikalen Schnitt in Fig. 5 und in Draufsicht (bei abgenommenem Deckel) in Fig. 6 dargestellt. Diese Vorrichtung enthält eine Anzahl von lotrechten bügelförmigen Elektroden JS-B, die über Scheidewände aus feuerfestem Material angeordnet sind. In diesem Falle sammelt sich das Zink in getrennten Abteilungen a2 im unteren Teil des Behälters und kann von dort durch einzelne Auslässe a3 oder mit Hilfe eines gemeinsamen Kanales abgezogen werden. Das freigewordene Chlor gelangt in den gemeinsamen Raum a oberhalb des Niveaus C des Elektrolyten und in das Rohr D, von wo es zu der gewünschten Stelle geführt wird.
Die Elektroden B und B10 an jedem Ende des Behälters sind vermittels der Stangen E und E2 aus Kohle oder anderem
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können auch Graphitplatten verwendet werden, die in ähnlicher Weise nebeneinander angeordnet und durch Nuten od. dgl. in den Wandungen bzw. in der Auskleidung des Behälters festgehalten sind.
Es ist klar, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen besonderen Ausführungen der Vorrichtung, noch auf irgendeine bestimmte Anzahl von Zellen beschränkt ist ; so kann jede geeignete Form des Behälters und der Elektroden verwendet werden, z. B. können die einander gegenüberliegenden Flächen der Elektroden in den Abzugsrichtungen des Metalles und des Gases mit Nuten oder Rillen versehen sein.
Um eine Wärmeisolierung zu sichern, kann der Behälter allseits mit einer Schichte eines nichtleitenden Materials, wie Kieselgur, umgeben sein, was sich in der Regel als ausreichend erweist ; anderseits kann aber auch von aussen Wärme zugeführt werden, die von einer billigeren Quelle als von elektrischer Energie herrührt ; so kann beispielsweise ein Mantel angeordnet werden, in welchem überhitzter Dampf, heisse Luft, Öl oder eine Flüssigkeit von solcher Temperatur kreist, dass die Aussenseite des Behälters auf ungefähr 200-300 C erhalten wird, wobei die Wandungen des Behälters mit einer diesem Zwecke entsprechenden Dicke hergestellt sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Elektrolyse von geschmolzenen Metallsalzen mit einem wärmeisolierenden feuerfesten Behälter mit Zuführungsöffnungen für das zu behandelnde Gut und mit Abzugsöffnungen für die gewonnenen geschmolzenen und gasförmigen Produkte, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Behälter eine Reihe von in kurzem Abstande voneinander liegenden Elektroden angeordnet ist, die alle während des Betriebes in den geschmolzenen Elektrolyten tauchen und deren äussere Ränder vom Behälter umfasst sind und wobei nur die erste und letzte Elektrode mit der Sp3isestromquelle verbunden sind.