Verfahren und Vorrichtung zur elektrolytisehen Behandlung geschmolzener Metallsalze behufs Gewinnung der Metalle und Säureradikale. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytiselien Behandlung geschmolzener 'Metallsalze bel-Lufs Gewinnung der Metalle und Säureradikale, zum Beispiel von Zink- oder Bleiclilorid, zur Gewinnung von Zink oder Blei, und von Chlor, und eine VorrieU- tung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Sie kann vorteilhaft bei der Ersel-iliessung von Metallerzen und dergleiche <B>*</B> n verwertet wer den, indem man dieselben mit Chlor behan" delt und die so entstandenen Chloride, ge gebenenfalls nach ihrer Reinigung, der ele - trolytischen Behandlung gemäss der Erfin dung unterwirft.
Bisher benutzte man zur Elektrolyse ge schmolzener Metallsalze, einzelne elektro lytische Zellen, bestehend aus<B>je</B> einer Koh len- oder Graphitanode und einer Metall- kat'hode, die in einen zur Aufnahme der ge- sehmolzenen Mefallsalze dienenden Behälter eingesetzt waren.
Das vorliegende Verfahren besteht nun darin, dass die Elektrolyse der geschmolzenen Metallsalze mit Hilfe einer Reilie elektrischer Elemente vorgenommen wird, die zusammen in einem feuerfesten, zur Aufnahme des durch die geschmolzenen Metallsalze gebil deten Elektrolyten bestimmten Behälter so eingebaut sind, dass nur die erste und die letzte Elektrode der Elementenreihe als An- schluss für den äussern Stromkreis dienen.
Die Vorrichtung umfasst in einem èuer- .sten, zur Aufnahme des durch die geschmal- Zeilen Metallteile gebildeten Elektrolyten be stimmten Behälter<U>eine</U> Reihe elektr#sclier Elemente, die in der Weise eingesetzt sind, dass die Elektroden derselben an den Innen wänden des Behälters einen Abschluss bilder, so dass möglichst wenig Strom an den Seiten um die Elektroden herum verloren geht.
Die Elektroden der Elemente können alle aus demselben Stoff, zum Beispiel aus Press- kohle oder Pressgraphit bestehen, und die Zahl der Elemente kann beliebig gross sein, wobei jeweils Zwei benachbarte Elektroden- flächen mit dem elektrolytgefüllten Zwischen raum<B>je</B> ein<B>E</B> leinen1 bilden.
Die Zeichnung veranschaulicht mehrere Ausführungsbeispieh, der Vorrichtung, bei spielsweise zur Behnndlung von Zinkchlorid.
Fig. <B>1</B> zeigt in senkrechtem Schnitt, und Fig. 2 in Oberan-,icht (bei abYeiiornm,2iiem Behälterdeckel) ein erstes A1,isführtint,#,sli-,i- spiel, bei dem zehn E, lemente in einem im wesentlichen rechteckigen Behälter eingebaut sind und bei dem Jed3 Elektrode als aus drei Stücken bestehend ausgebildet ist.
Der Behälter 11, welcher mit einem Wärmesellutzmantel, beispielsweise aus Kie- selgur, versehen ist, besteht hier aus feuer festem, nicht leitendem Material, könnte ab2r auch aus Metall, mit einer feuerfesten, innen nicht leitenden Ausfütterung beste- lien, und enthält zehn durch -die Elektroden Bl-, B2 <B>. . . . . . . .</B> Bil gebildete elektrische Elemente.
Die Elektroden liegen in geneig ter Lage übereinander. Über dem durch die oleschmolzenen Metalls.ulze gebildeten Elektro lyten<B>C</B> befindet sich im Behälter<B>A</B> ein freier Raum a, in dem sieh das Chlor sam melt, um durch die LeitungD zu entweichen. E;n Fangraum a# im untern Teil des B-- hälters dient zurAufnahm-- des ausgeschie- deren Zinks, das von Zeit zu Zeit durch das Stiehloch, a' abgestochen wird.
Die positive Polleitumg einer Gleiehstro-iii- quelle ist an Kohle- und Graphitstäbe<B>E</B> anaeschlossen die -unter dichtem Absehluss durch den Deckel<B>A'</B> hindurchtreten und mit der obersten Elektrode, beispielsweise durch Verschrauben, verbunden sind.
Ein Kohle- oder Graphilstab <B>E'</B> tauelit in den Metall- fangraum a' hinab und stellt so durch das Hetallbad die elektrische Verbindung mit der -untersten Elektrode her.
Dieser Stab<B>E2</B> liegt in einer senkrechten Höhl-ung e' der Seitenwand des Behälters<B>A.</B> Die Elektroden B'. <B>. .<I>.</I></B> B" bestehen aus Graphit- oder Kohle- platten, die unter einem verhältnismässig starkenWinkel geneigt und an ihren Enden durch Isolierstege<B>b</B> aus geschmolzener Kie selsäure, Vitreosil, Obsdianit oder anderem harten, hitzebeständigen und elektrisch iso- lierenden Material rretrennt sind,
während die Stützstege<B>b'</B> für die unterste Elektrode vorzugsweise aus Grapliit bestehen. Die Off- nungen <B>b'</B> beim tieferen Ende der Elektroden gestatten das Niedersinken des Metalles nach dem Fangraum a', während Öffnungen<B>b',</B> n 01 die in den Elektroden beim höher liegenden Ende vor"esehen sind, das Aufsteigen des <B>c</B> Chlorgases nach dein Raum a gestatten, -wo mit auch eine Zirkulation des Elektrolytes G stattfindet.
Im Behälterdeekel befindet sieh eine Be- schichungsöffnung a' zur Einführung d-s geschmolzenen Zinkelilorides. Dasselbe wird vorzugsweise bei einer Temperatur von un- fähr <B>350</B> bis 400<B>' C</B> eingegeben, um ein .,Rauchen" des geschmolzenen Salzes zu ver hindern.
Während < der Elektrol yse wird der Elek- trolyt auf einer Temperatur von 420 bis <B>600 ' C,</B> vorzugsweise auf 450 bis<B>500 C,</B> gehalten.
Soll die Leitfäliigheit desselben er- b.blit-. werden, so kann zum Zinkehlorid eine -Oleeignete Menge Kalium-, Natrium- oder Magnesiunichlorid hinztigesetzt werden. Zweckmässig wird der Behälter von Zeit zu Zeit mit Zinkehlorid naehb-schiekt als Er satz für die durch den Strom zersetzte, Menge, so dass die Elektrolyse lange Zeit- un unterbrochen fortgehen kann.
Der Schmelz zustand des Elektrolytes kann. mittelst des elektrischen Stromes selbst aufrechterhalten werden, aber man kann aueli in der nachli-r beschriebenen Weise die Vorrichtung von aussen her erhitzen. Auch die Zufuhr eines zusätzlichen Wechselstromes an der ersten und letzten Elektrode mag für diesen Zweck wirtsehaftlieh gute Dienste leisten.
Infolge der elektrolytischen Wirkun-- wird Zink. an den obern Flächen der Elek troden<I>B', B'</I> bis<B>R'</B> und eine entsprechende Menge Chlor an ihren untern Enden frei. Das Zink fliesst in den Sammelraum a' nie der, und das Chlor steigt in den Oberraum a empor. Die so voneinander getrennten Be- stanateile kommen nicht wieder miteinander in Berührung.
Dabei verhilft das em-Por- steigende Chlor und niederfliessende Zink zur Uliterhaltung der Zirkulation des Elek- ZD rol vtes.
Die besehriebene Mehrfachzellen-Elek- trolySe ergibt. eine Ersparnis an elektrischer Enurgie. führt zur Verweridung einer pas- -,Pilduren Spannung und bedingt noch ver schiedene andere Vorteile-baulicher-und be- triebswirtseliaftlieller Natur.
Um diese Vor teile besser würdigen zu können, ist es an- t(rezeigt, den Vorgang der Elektrolyse ge schmolzener Metallsalze im allgemeinen und von Zinkehlorid im besonderen zu betrachten.
Theoretisch beträgt die chemisch wirk same Spannung, die zur Zersetzung von ge schmolzenem Zinkclllorid notwendig ist, un gefähr<B>1,6</B> Volt und die Faradaysche Aus beute pro AmpArestunde <B>1,218</B> gr. Demnach beträgt die Minimalenergie zur Erzeugying von<B>1 kg</B> Zink<B>1315</B> Watistunden, -wenn man von der zur Aufrechterhaltung des Schmelz zustandes des Elektrolytes erforderlichen Energie absieht. Aus technischen Gründen wird der Elektrolyt am besten durch innere elektrolytische. Wärme, die einer Zusatz spannung entspricht, oder aber durch einen zusätzlichen Wechselstrom geschmolzen ge halten.
Daraus ergibt sieh, dass die Wärme isolierung des Behälters nach aussen für die Wirtschaftlichkeit; von Vorteil ist. Bei allen bekannten Einzellenvorrichtungen ist man gezwungen, eine hohe Stromdichte zu ver wenden, weil die '\Värmeverluste beträchtlich sind; daraus ergibt sich dort die Notwendig keit der Anwendung einer Klemmenspannung pro Zelle, die annähernd das Dreifache der benötigten chemisch wirksamen Spannung beträgt, und mit einer Stromausbeute von <B>90</B> '/o kann die Energieausbeute nicht viel über<B>30</B> '/o gesteigert werden.
Je geringer die Stromdichte an den Elektroden im Hinblick auf die Anwendung einer_ niedrigen Klem menspannung ist,'um so ausgeprägter treten die Seliwierigkeiten praktischer Wärmezu- sammenhaltung zutage, indem diese Sc'hwie- rigkeiten mit der Wahl der Grösse und Form der Vorrichtung Hand in Hand gehen.
Die in wirtschaftlicher Hinsicht untere Grenze der Stromdichte liegt ungefähr bei 4 bis k# <B>6</B> Amperes pro Quadratzoll Elektrodenf läelie, und grössere Stromcliebten sind oft benutzt worden.
Bei dem beschriebenen Mlehrfachzellen- betrieb lassen sieh Stromdiehten von 2 bis <B>1</B> Ampere und noch weniger pro Quadratzoll Elektrodenfläclie verwenden. Der Zwischen raum zwischen den Elektroden kann auf '/, Zoll oder noch weniger verringert -und so eine,geringe Klemmenspannung pro Zelle #erlialten werden.
Der geringe Stromdurch gang durch, die Öffnungen der Elektroden und an den Enden derselben, wo -sie durch die Stege<B>b</B> getrennt gehalten werden, führt zwar zu einer etwelchen Verringerung der elektro lytischen Stromausbeute mit Bezug auf das Einzellensystem, aber die so elektrolytisch verloren gehende elektrische Energie trägt zur Aufreellterhaltung des Schmelzzustandes des Elektrolytes bei.
Mit der beschriebenen Vorrichtung sind unter Anwendung von nur zwei Volt pro Zelle, das heisst von 20 Volt im ganzen, Ergebnisse gezeitigt worden, die einer Totalenergieausbeute von 64 '/o der Theorie entsprechen, was mghr als das Dop pelte der bisher erzielbaren Ausbeute aus macht.
Aber aboesehen von der Einsparung elek- trisch-er Energie lassen sieh -hier auch ver schiedene Vorteile baulicher Natur efzielen. Nicht nur- ist die Vorrichtung -von kompakter und einfacher Bauart und von einfachem Un terhalt, sondern man kann- sie auch- mit einer niedereren Amp6rezahl betreiben und erhält damit naturgemäss eine Verringerung<B>-</B>des er- forderliclien Querschnittes der --elektrischen Verbindungen.
Die verfügbare elektrische Energie kann derVorrichtung mit verhältnis mässig geringer Stromstärke und hoher Span nung (statt umgekehrt, wie-beiin Einzellen- systera# zugelührt werden, wodurch unter anderem auch die Zahl der notwendigen äussern elektrischen Verbindungen verringert wir.
Eine.-anclere-Ausführungs-form ist durch Fig. <B>3</B> in- senkrechtem Schnitt und durch Fig. 4 in OberanAicht (bei -abge hobenäm D ec kel) c largestellt Hier hat der- Behälter <B>1</B> eine, zylindrische Form und seine Elel -troden B'. P,
2<B>......</B> B" sind im grossen und ganzen trichter- oder keoelförmi" ausoebildet und ineinandergeschaclitelt. Der ein6 Stromzu- führungsstab, <B>E,</B> ist in die oberste Elektrodf,# eingesehraubt;
der andere,<B>E',</B> führt durch ein zentrales Rohr e' <B>'</B> aus geschmolzener Kiesel säure hinab bis in den Metallsammelraum a', wobei das Rohr e' mit Durchbreehungen e' versehen ist. b' sind die Stützen<B>für</B> die unterste Elektrode. Durch die Öffnungen b' läuft-, wie oben, Metall nieder, durch die Off- nungen <B>b'</B> zieht das Chlor ab.
Fig. <B>5</B> und<B>6</B> zeigen eine weitere Aus führungsform. Hier best#Iien die Elektroden Bl, B2 <B>......</B> BO paarweise aus hufeisen förmig gebogenen Stücken aus Presskohle oder Graphit, die sattelartio, über feuerfeste Seheidewände geschoben sind. Letztere sind in den Boden des wärmeisolierten Behälters <B>A</B> eingelassen.
Das Metall sammelt sich hier 2 in getrennten Bodenrinnen a<B>,</B> aus denen es durch getrennte Abstichkanäle a' getrennt oder in einem nIcht gezeichneten Sammel kanal. gesammelt abgeleitet werden kann. Das Chlorgas steigt in den Raum a empor und entweiclit durch die Leitung<B>D,</B> Die äussersten Elektroden B und Y' sind mit den Stromzuführungsstäben <B>E</B> und<B>E'</B> ver schraubt.
Zahl, Form und Ausbildung der Zellen oder Elemente können sieh verschiedentlich andern. Unter anderem können zum Beispiel die Elektroden auf den einander zugekehr ten Seiten in der Richtung von oben nach unten gewellt, gerillt oder genutet sein.
Während es am vorteilhaftesten ist. die Wärme des elektrischen Stromes selbst im Elektrolyten zur Erhaltung des flüssigen Zustandes desselben auszunutzen, in welchem Falle es sieh dann empfiehlt, den Behälter mit einem Wärmeisoliermantel zu umgeben. wie es bei den gezeichneten Beispielen ge schehen ist, kann man natürlich auch den Elektrolysierlehälter von aussen her beheizen, um den Elektrolyten im geschmolz enen Zu stande zu erhalten.
Es kann dies zum Bei spiel mittelst eines Ileissdampf-, Heissluft-, Heisszil- oder dergleichen Mantels geschehen, der aussen am Behälter eine Temperatur von etwa 200 bis<B>300 ' C</B> aufrecht erhält.