CH213292A - Process and device for the production of alkali metal by electrolytic means. - Google Patents

Process and device for the production of alkali metal by electrolytic means.

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CH213292A
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E I Du Pont De Nemours Com Inc
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Du Pont
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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/02Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of light metals
    • C25C1/04Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of light metals in mercury cathode cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/02Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of alkali or alkaline earth metals

Description

  

  Verfahren und Vorrichtung zur     Gewinnung    von     Alkalimetall    auf  elektrolytischem Wege.    Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver  fahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung  von     Alkalimetall    auf elektrolytischem Wege.  



  Es ist bereits ein sogenanntes     Zweizellen-          ,,verfahren    bekannt, bei dem in der ersten  Zelle an einer flüssigen Metallkathode aus  Blei durch Elektrolyse einer     Alkaliverbin-          dung    eine     Alkalimetallegierung    erzeugt und  diese Legierung in einer andern Zelle in einer  eine     Alkaliverbindung,    z. B     Natriumhydr-          oxyd,    enthaltenden Schmelze als Anode ver  wendet wird, wobei das darin enthaltene Al  kalimetall an der Kathode zur     Abscheidung     gelangt.

   Dieses Verfahren hat wegen der  verwendeten Blei -     Alkalimetallegierung    den  Nachteil, dass zu seiner Durchführung hohe  Temperaturen, zum Beispiel solche von etwa  350   C oder mehr benötigt werden. Ausser  dem besitzen die Zellen infolge des starken  Angriffes der Baustoffe durch die heissen    Schmelzen nur eine geringe Lebensdauer.  Ferner ergibt sich ein hoher Energieverlust  durch die starke Wärmeabstrahlung.  



  Es ist ferner ein Verfahren bekannt, bei  dem ein     Alkalimetall    durch Elektrolyse einer       wässrigen        Alkalichloridlösung    an einer Queck  silberkathode abgeschieden und die erhaltene  flüssige     Alkalilegierung    in einem andern  Raum mit Wasser unter Bildung von     Atz-          natron    zur Umsetzung gebracht wird. Ab  gesehen davon,     dass    dieses Verfahren nur mit  einem     wässrigen    Elektrolyten durchgeführt       ,vird    und lediglich     Alkaliverbindungen,    z. B.

         Atznatron,    gewonnen werden, hat dieses  Verfahren den Nachteil des sehr grossen  Raumbedarfes, da es zur Ausbildung einer       grossen    Oberfläche der Quecksilberelektrode  auf die Anwendung des Quecksilbers in einer       Horizontalsehicht    angewiesen ist. Ferner wer  den sehr grosse Mengen des flüssigen Legie-           rungsmetalles    benötigt und für den Umlauf  ist ein erheblicher Kraftaufwand erforder  lich.  



  Es hat sich aber gezeigt, dass durch An  wendung der Elektrolyse einer     wässrigen    Lö  sung von     Alkaliverbindungen    mittels Queck  silberkathode sich beim     obgenannten    Zwei  zellenverfahren wesentliche Vorteile erzielen  lassen.  



  Das erfindungsgemässe     Verfahren    zur Ge  winnung von     Alkalimetall    auf elektrolyti  schem Wege, bei welchem in einer ersten  Zelle mit einer flüssigen Metallkathode durch  Elektrolyse einer     Alkaliverbindung    eine Al  kalimetallegierung erzeugt und diese Legie  rung in einer zweiten Zelle mit einem eine       Alkaliverbindung    enthaltenden schmelzflüs  sigen Elektrolyten als Anode verwendet  wird, wobei an der Kathode der zweiten Zelle  reines     Alkalimetall    zur     Abscheidung    gelangt,  ist nun dadurch gekennzeichnet, dass in der  eisten Zelle flüssiges Amalgam in einer dün  nen,

   auf der Oberfläche eines metallischen  Trägers haftenden Schicht als Kathode durch  eine     wässrige    Lösung einer     Alkaliverbindung     hindurchgeführt wird und das erhaltene     Al-          kalimetallamalgani    in der zweiten Zelle als  Anode verwendet wird.

   Man kann vor  teilhaft in der Weise verfahren, dass in der  ersten Zelle ein mit     Amalgam    beladener,       kathodisch    geschalteter Träger durch ab  wechselnde Führung durch einen     wässrigen     Elektrolyten und einen     Amalgamsumpf    beim  Durchgang durch den Elektrolyten mit Al  kalimetall beladen wird und ihm im wei  teren Durchgang durch den Sumpf Alkali  metall entzogen wird.

   In der andern Zelle  kann ein mit Amalgam beladener Träger  durch abwechselndes Führen durch einen       Amalgamsumpf    und einen schmelzflüssigen  Elektrolyten als Anode mit     Alkalimetall        aus     dem Sumpf beladen werden, wobei ihm beim  Durchgang durch den     Elektrolyten    Alkali  metall entzogen wird. Diese beiden Zellen  stehen vorteilhaft je durch den Amalgam  sumpf in Verbindung. Auf diese Weise ist es  möglich, das     Zweizellenverfahren    in Verbin  dung der     wässrigen    Elektrolyse mit der    schmelzflüssigen Elektrolyse bei einer nied  rigen Temperatur durchzuführen, wodurch  die Lebensdauer der Apparatur erhöht wird.  



  Eine bevorzugte Ausführungsform einer  zur Herstellung von     Alkalimetall    durch  Elektrolyse dienenden Doppelzelle nach der  Erfindung ist in der Zeichnung in     Fig.    1 in  einem vertikalen Längsschnitt und in den       Fig.    2 und 3 in Vertikalschnitten nach     A-A     und     B-B    der     Fig.    1 dargestellt. Es bedeutet  darin 1     eine;    im folgenden als     "wässiige    Zelle"  bezeichnete Zelle. in der Quecksilber gemäss  der Erfindung als Kathode durch Elektro  lyse einer     wässrigen    Lösung eines Alkali  salzes, z.

   B. von Chlornatrium, mit Alkali  inetall beladen wird, während auf der rech  ten     Seite    der     Fig.    1 eine andere Zelle darge  stellt ist, in der das in der Zelle 1 erzeugte       Alkaliamalgam    als Anode in einer der     wäss-          rigen    Zelle entsprechenden Anordnung in  einem schmelzflüssigen, eine Verbindung des  selben     Alkalimetalles    enthaltenden Elektro  lyten     Verwendung    findet, wobei ihm das Al  kalimetall entzogen und an der Kathode zur       Abscheidung    gebracht wird.

   In der     wässrigen     Zelle ist der zum Beispiel aus Beton herge  stellte Zellenbehälter am Boden mit. drei etwa  Halbkreisförmigen Mulden 2 versehen, in  welche drei vertikal gelagerte, um eine hori  zontale Achse 4 in den Lagern 7 drehbare  Scheiben 3 mit ihrem untern Teil hinein  ragen. Der obere Teil der Zelle ist durch  einen     kuppelförmigen        Gassammlungsraum    8  aus chlorbeständigem, z.

   B. keramischem     -Ma-          terial,    abgedeckt.     der    oben mit     Öffnungen     versehen ist, durch welche vier vertikale, zum       Beispiel        aus    Graphit bestehende Anoden 9       hindurchgeführt    sind, die mit der Strom  zuleitung 10 verbunden sind. Am höchsten  Punkt des Deckels 9 ist ein     Gasableitungs-          rohr    11 vorgesehen.

   Der Deckel enthält fer  ner im obern Teil ein     Einlassrohr    12 und ein       Abführungsrohr    13 für den     wässrigen    Elek  trolyten, der mit Hilfe einer nicht gezeich  neten     Pumpe    und eines Zwischenbehälters  über die genannten Rohre durch die Zelle  hindurchgeführt werden kann.  



  Der Antrieb der die Scheiben 3 tragen-      den Welle 4 erfolgt über die Zahnräder 5  von der von einer nicht gezeichneten Kraft  welle angetriebenen Welle 6 aus.  



  In Ausübung des Verfahrens nach der  Erfindung wird die     vorbeschrieben        wässrige     Zelle mit Quecksilber bis zu einem Punkt  unterhalb der untern Enden der Anoden 9  angefüllt. Die Zuführung kann vermittelst  des Rohres 17 geschehen. Durch die am  Boden der in dem Zellenbehälter vorgese  henen Mulden 2 angebrachten Rohre 14 kann  das Metall aus der. Zelle wieder entfernt wer  den. Oberhalb des     -Quecksilbers    wird die Zelle  mit einer w     ässrigen        Lösung    eines Alkali  metallsalzes, z. B. von     Natriumchlorid,    an  gefüllt, bis zu einem wenig oberhalb des  Scheitels der Scheiben 3 gelegenen Punkt.  



  Vorteilhaft lässt man beim Arbeiten mit  der beschriebenen Zelle sowohl den     wässrigen     Elektrolyten, als auch das als Kathode ver  wendete flüssige Metall laufend vermittelst  der erwähnten Zu- und     Abführungsleitungen     durch die Zelle     zirkulieren.    Es ist hierbei  von Vorteil, das flüssige Metall, wie in der  Zeichnung durch Rohr 17 an einer in der  Nähe seines Spiegels in der Zelle gelegenen  Stelle eintreten zu lassen und es am Boden  der Zelle (z. B. durch die Rohre 14) abzu  führen. Indessen kann der Umlauf auch in  umgekehrter Richtung erfolgen.  



  In der in     Verbindung    mit der vorerwähn  ten     "wässrigen    Zelle" in     Fig.    1 dargestellten       ,.Schmelzflusszelle"    bedeutet 23 den untern,  verhältnismässig schwer gebauten, z. B. aus  Gusseisen oder     Gussstahl    bestehenden Teil des  Zellenbehälters, dessen oberer     Teil    24 leich  ter, z. B. aus Stahlblech, ausgeführt sein  kann. Die gesamte Zelle ist mit einer Wärme  schutzmasse 40 umkleidet.

   In dein untern  Teil 23 sind, wie bei der     wässrigen    Zelle, drei  etwa halbkreisförmige Mulden 25 vorgesehen,  während drei kreisförmige Scheiben 26 auf  einer in den Lagern 41 geführten und über  Zahnräder 28 durch die Welle 29 angetrie  benen horizontalen Welle 27 derart drehbar  befestigt sind, dass sie, wie bei der     wässrigen     Zelle. mit ihrem untern Teil in die Mulden  25 hineinragen. 30 sind vier im obern Teil    der Zelle vorgesehene, vorzugsweise aus Stahl  bestehende, an dem horizontalen     Querstück     31 in senkrechter Richtung befestigte Ka  thoden. Das     Querstück    31 ist aufgehängt an  der durch den Deckel 44 der Zelle hindurch  geführten Stromzuleitung 32.

   Das Abdecken  der Zelle durch einen solchen Deckel 44 emp  fiehlt sich, um den Zutritt von Luft zu dem  Elektrolyten zu verhindern.  



  33 ist ein zweckmässig aus     Gussstahl    be  stehender, oberhalb der Kathoden 30 auf  gehängter Sammelbehälter für das an den  Kathoden abgeschiedene     Alkalimetall,    durch  den oben die Stromzuleitung 32 für die Ka  thoden hindurchgeführt ist. An das obere,  durch den Deckel der Zelle hindurchgeführte  Ende dieses     Sammelbehälters    ist das in den  Behälter 37 für das aufsteigende geschmol  zene     Alkalimetall    einmündende Rohr 36 an  geschlossen.  



  Durch den Hahn 38 kann aus dem Behäl  ter 37 das darin angesammelte Metall nach  Wunsch abgelassen werden. Die     Abführung     des flüssigen     Anodenmetalles    nach der Zelle  1 erfolgt durch Rohr 22, die Zuführung  durch die am Boden der     Mulden    25 vorgese  henen Rohre 39.  



  Im obern Teil der Zelle     befindet    sich zwi  schen der Aussenwand des Behälters und dem  Sammelraum 33 für das abgeschiedene Al  kalimetall eine den Sammelbehälter ganz um  schliessende Scheidewand 34, die sich nach  unten bis fast zu dem Spiegel des flüssigen       Metalles        herunter    erstreckt, zum Beispiel aus  Metall besteht und am     obern    Ende vermit  telst einer nicht leitenden     Zwischenlage    35  elektrisch isoliert vor der Behälterwand an  gebracht ist. 42 sind in     Fig.    3     I-förmige     Schienen, auf denen die Zelle gelagert ist.  



  Zum Betrieb der -     vorbeschriebenen          "Schmelzflusszelle"    wird diese im     untern    Teil  mit dem flüssigen, als Anode dienenden Me  tall, z. B.     Natriumamalgam,    zweckmässig bis  zu einem etwas oberhalb der Welle der rotie  renden Scheiben gelegenen Punkt angefüllt,  während darüber die Zelle mit einer ge  schmolzenen     Alkaliverbindung    oder einem ge  schmolzenen Gemisch von     Alkaliverbindungen         als Elektrolyt beschickt wird. Bei Strom  durchgang wird     Alkalimetall    aus der Anode  herausgelöst und an den Kathoden in Frei  heit gesetzt.  



  Dort wird es beim Aufsteigen von den  Kathoden im     obern    Teil des Sammelbehälters  33 vereinigt, von wo es     über    das Rohr 36  in den Vorratsbehälter 37 gelangt. Die Tem  peratur des schmelzflüssigen Elektrolyten  kann durch Regulierung der Stromstärke, zu  sätzlich gegebenenfalls durch Anwendung  von Heiz     und/oder    Kühlvorrichtungen ge  regelt werden.  



  Die Überführung     des    in der     "wässrigen     Zelle" mit     Alkalimetall    angereicherten Amal  gams in die     "Schmelzflusszelle"    und die  Rückführung des in der letzteren Zelle an Al  kalimetall verarmten Amalgams in die     "wäss-          rige    Zelle" erfolgt zweckmässig im Kreislauf  und mit besonderem Vorteil unter Wärme  austausch vermittelst der beispielsweise in  der     Fig.    1 der Zeichnung dargestellten, mit  18 bezeichneten Vorrichtung.

   Das flüssige  Metall wird der     Schmelzflusszelle    von der       wässrigen    Zelle über Rohr 15 durch die  Pumpe 16 und Rohr 20 über das mittlere  Rohr des     Wärmeaustauschers    und Rohr 21  und die Abzweigrohre 39 am Boden der Mul  den 25 zugeführt, während es nach dem  Durchlauf durch den untern Teil dieser Zelle  über das Rohr 22 und den das mittlere Rohr  des     Wärmeaustauschers        umgebenden    Mantel  und das anschliessende Rohr 17 wieder in die       wässrige    Zelle zurückgelangt.  



  Vorteilhaft wird nicht nur der     Wärme-          austauscher    selbst, sondern auch das Rohr 21  in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise  mit einer wärmeisolierenden Masse     19j43    um  geben.  



  An Stelle des in der Zeichnung nur bei  spielsweise dargestellten     Wärmeaustauschers     können auch in beliebiger anderer Weise aus  gebildete und angeordnete     Wärmeaustauscher     Verwendung finden.  



  In gewissen Fällen empfiehlt sich, in  Verbindung mit einem     Wärmeaustauscher,     zum Beispiel der beschriebenen Art, noch  die Anwendung einer zusätzlichen Kühlvor-         richtung    für das aus dem     Wärmeaustauscher     austretende flüssige Metall vor dessen Ein  führung in die     wässrige    Zelle.  



  Die oben erwähnte Zwischenwand 34 in  der     Schmelzflusszelle    hat den Zweck, die Sei  tenwände 24 der Zelle davor zu beschützen,  dass sie im obern Teil der Zelle als Anode  wirken, da diese ja in elektrischer Verbin  dung mit der flüssigen Metallanode stehen.  



  Bei Verwendung von Quecksilber als  flüssiges Metall     bietet    es kaum     Vorteile,    den  Gehalt an     Alkalimetall    über den Betrag von  2 Gewichtsprozent zu erhöhen, zumal bei  höheren     Konzentrationen    die Viskosität des  Amalgams in unerwünschter Weise steigen  kann. Bei der Herstellung von metallischem  Natrium hat es sich im allgemeinen als  zweckmässig erwiesen, das flüssige Amalgam  mit einem Gehalt von 0,03 bis 1,0 Gewichts  prozent an     Alkalimetall    in die "Schmelz  flusszelle" eintreten zu lassen.  



  Beim Arbeiten mit den beschriebenen, in  der Zeichnung dargestellten Zellen wird in       beiden    Zellen in gleicher Weise bei der Um  drehung der Scheiben 3 oder 26 von der  Oberfläche derselben beim Durchgang durch  das flüssige Metall eine dünne anhaftende  Schicht desselben mitgenommen und beim  weiteren Durchgang durch den     tv        ässrigen     oder schmelzflüssigen Elektrolyten mit die  sem zur Umsetzung in grosser Flächenausdeh  nung gebracht und dadurch pro Zeiteinheit  sowohl die     Abscheidung    erheblicher Mengen  von     Alkalimetall    in der     wässrigen    Zelle,

   als  auch die Herauslösung entsprechender erheb  licher Mengen von     Alkalimetall    aus der als  Anode verwendeten Legierung in der       Schmelzflusszelle    ermöglicht.  



  Beim Arbeiten mit der     "Schmelzfluss-          zelle"    empfiehlt sich die Anwendung mög  lichst niedriger Temperaturen, insbesondere  wegen der Gefahr der Verdampfung des  Quecksilbers, wie auch wegen des mit der  Wärmeabstrahlung verbundenen Energiever  lustes und der starken Abnutzung der Zellen  teile.  



  Es gelingt, in solchen Zellen die Elektro  lyse bei besonders niedrigen Temperaturen           durchzuführen,    wenn man als Elektrolyt  Gemische von     Alkalihydroxyd    oder     -hydr-          oxyden    und     Alkalihalogenid    oder     -halogeniden     mit Schmelzpunkten von nicht mehr als etwa  200 bis 300   C verwendet, so dass die Elek  trolyse bei wenig darüber liegenden Tem  peraturen, z. B. bei solchen von 240 bis  <B>310'</B> C durchgeführt werden kann.  



  Bei dem bisher bekannten Verfahren war  man dagegen zum Beispiel bei der Anwen  dung von     Natriumhydroxyd    als schmelzflüs  sigen Elektrolyt auf die Anwendung von  Temperaturen von etwa 350   C und mehr an  gewiesen, was die Anwendung von Queck  silber als Legierungsbestandteil für die flüs  sigen Anoden ausschloss und zur Anwendung  von Blei zwang.

   Da     Blei-Alkalimetallegie-          rungen    wegen ihres hohen Schmelzpunktes  aber nicht auch in mit     wässrigen    Elektro  lyten beschickten Zellen verwendet werden  können, war es somit bisher nicht möglich,  eine in wässriger Lösung arbeitende Zelle mit  einer im     Schmelzfluss    arbeitenden Zelle in  der     vorbeschriebenen    Zusammenstellung zur  Herstellung von     Alkalimetall    zu verwenden.  



  Wie gefunden wurde, kann man Ge  mische von     Alkalihydroxyden    mit Alkali  halogeniden erzielen, deren Schmelzpunkte  bei etwa 300   C bis herunter zu etwa 200   C  liegen. So kann man zum Beispiel bei der  kombinierten Anwendung der oben beschrie  benen Zellen<B>-</B>bei Verwendung von Queck  silber als Austauschmetall mit besonderem  Vorteil ein Gemisch von     Natriumhydroxyd     mit     Natriumjodid    verwenden, dessen Schmelz  punkt nicht über<B>3000</B> C liegt. Mit beson  derem Vorteil verwendet man     eutektische    Ge  mische der Komponenten, z.

   B. ein solches  mit etwa 55 Gewichtsprozent     Natriumhydr-          oxyd    und 45 Gewichtsprozent     Natriumjodid,     dessen Schmelzpunkt bei etwa 225   C oder  wenig darüber liegt. Mit einem solchen     eutek-          tischen    Gemisch kann man die Elektrolyse  schon zum Beispiel bei Temperaturen von  240 bis 250   C durchführen, wobei der  Dampfdruck des     Quecksilbers    nur etwa  Atmosphäre beträgt. Der Schmelzpunkt eines       eutektisehen    Gemisches von Natriumhydr-    Oxyd mit     Natriumbromid    beträgt etwa 260   C.

    Andere ähnliche Gemische können in der ver  schiedensten wechselnden Zusammensetzung  beim Arbeiten nach der     Erfindung,    gege  benenfalls bei Vorhandensein mehrerer Al  kalimetalle auch zur gleichzeitigen Gewin  nung von Gemischen von zwei oder mehreren       Alkalimetallen    Verwendung finden.  



  Als Beispiele besonders geeigneter     eutek=          tischer    Gemische seien die folgenden er  wähnt:  
EMI0005.0030     
  
    Zusammensetzung <SEP> Schmelz  punkt
<tb>  NaOH <SEP> (79 <SEP> molar <SEP> %) <SEP> -@-- <SEP> NaBr <SEP> 260 <SEP>   <SEP> C
<tb>  gOH <SEP> (72 <SEP> molar%) <SEP> -+-- <SEP> KI <SEP> 250 <SEP>   <SEP> C
<tb>  KOH <SEP> (65 <SEP> molar <SEP> %) <SEP> + <SEP> KBr <SEP> 300 <SEP>   <SEP> C
<tb>  LiOH <SEP> (45,5 <SEP> molar%) <SEP> -+- <SEP> LiI <SEP> 180 <SEP>   <SEP> C
<tb>  LiOH <SEP> (45 <SEP> molar%) <SEP> -+- <SEP> LiBr <SEP> 275 <SEP>   <SEP> C
<tb>  LiOH <SEP> (63 <SEP> molar <SEP> %)

   <SEP> -+- <SEP> LiCI <SEP> 290 <SEP>   <SEP> C       Bei Verwendung von Gemischen der an  gegebenen Art wird man sich sowohl bezüg  lich der Art der verwendeten     Alkalihydr-          oxyde    und     -halogenide,    als auch bezüglich des  Mengenverhältnisses derselben von Fall zu  Fall nach der gewünschten Schmelz-     bezw.     Arbeitstemperatur zu richten haben.  



  Diese Gemische haben sich als äusserst  beständig bei der Verwendung als Elektro  lyt erwiesen, so dass sie lange Zeit ohne we  sentliche Zersetzung oder Veränderung ihrer  Zusammensetzung Verwendung finden kön  nen.  



  Nach einer weiteren Ausführungsform  der Erfindung kann man zum Beispiel bei  Anwendung der Unterlage für das flüssige  Metall in Form eines laufenden Bandes die  ses zunächst durch ein flüssiges Metall hin  durchführen, wobei es mit einem Überzug  versehen     wird,    es sodann durch     einen    Elek  trolyten unter     kathodischer        Schaltung    hin  durchführen, wobei es in der Oberflächen  schicht     Alkalimetall    aufnimmt und es  schliesslich mit der     alkali-beladenen    Ober  flächenschicht als Anode in eine im Schmelz-           fluss    betriebene Zelle einführen.

   So kann  man ein endloses Band aus biegsamem Stahl  oder einem ähnlichen Material verwenden  und darauf eine dünne Oberflächenschicht  von Quecksilber oder     Alkalimetallamalgam     durch eine     "wässrige    Zelle" hindurch als Ka  thode und sodann zurück zu der     wässrigen     Zelle führen. An einer geeigneten Stelle sei  nes Weges kann dieses Band durch einen  Vorrat von Quecksilber hindurchgeführt wer  den, um den kleinen Verlust an Quecksilber  durch Verdampfung in der     "Schmelzfluss-          zelle"    zu ergänzen. Durch eine solche Ar  beitsweise kann der Kraftbedarf für den Um  lauf des Quecksilbers und der Verbrauch an  Quecksilber noch weiter vermindert werden.



  Process and device for the production of alkali metal by electrolytic means. The invention relates to a drive and a device for the production of alkali metal by electrolytic means.



  A so-called two-cell process is already known in which an alkali metal alloy is produced in the first cell on a liquid metal cathode made of lead by electrolysis of an alkali metal compound and this alloy is converted into an alkali metal compound in another cell. B melt containing sodium hydroxide is used as the anode, the alkali metal contained therein being deposited on the cathode.

   Because of the lead-alkali metal alloy used, this method has the disadvantage that high temperatures, for example temperatures of about 350 ° C. or more, are required to carry it out. In addition, the cells only have a short lifespan due to the strong attack on the building materials by the hot melts. Furthermore, there is a high energy loss due to the strong heat radiation.



  A method is also known in which an alkali metal is deposited on a mercury cathode by electrolysis of an aqueous alkali metal chloride solution and the resulting liquid alkali alloy is reacted with water in another room to form caustic soda. Apart from the fact that this process is only carried out with an aqueous electrolyte, and only alkali compounds, e.g. B.

         Caustic soda, this process has the disadvantage of requiring a great deal of space, since it depends on the use of the mercury in a horizontal layer in order to form a large surface area of the mercury electrode. Furthermore, whoever needs very large amounts of the liquid alloy metal and a considerable amount of force is required for the circulation.



  It has been shown, however, that using the electrolysis of an aqueous solution of alkali compounds by means of a mercury cathode can achieve significant advantages in the above-mentioned two-cell process.



  The inventive method for obtaining alkali metal by electrolytic means, in which an alkali metal alloy is produced in a first cell with a liquid metal cathode by electrolysis of an alkali compound and this alloy is used as an anode in a second cell with a fusible electrolyte containing an alkali compound where pure alkali metal is deposited on the cathode of the second cell, is now characterized in that in the first cell, liquid amalgam in a thin,

   is passed through an aqueous solution of an alkali compound as a cathode on the surface of a metallic support and the alkali metal amalgani obtained is used as an anode in the second cell.

   One can proceed in such a way that in the first cell an amalgam-laden, cathodically connected carrier is loaded with alkali metal by alternating guidance through an aqueous electrolyte and an amalgam sump as it passes through the electrolyte and through it in the further passage the sump alkali metal is removed.

   In the other cell, a carrier loaded with amalgam can be loaded with alkali metal from the sump by alternately passing it through an amalgam sump and a molten electrolyte as anode, with alkali metal being withdrawn from it as it passes through the electrolyte. These two cells are each advantageously connected through the amalgam sump. In this way, it is possible to carry out the two-cell process in connection with the aqueous electrolysis with the molten electrolysis at a low temperature, whereby the service life of the apparatus is increased.



  A preferred embodiment of a double cell according to the invention used for the production of alkali metal by electrolysis is shown in the drawing in FIG. 1 in a vertical longitudinal section and in FIGS. 2 and 3 in vertical sections according to A-A and B-B of FIG. In it 1 means one; hereinafter referred to as "aqueous cell". in the mercury according to the invention as the cathode by electrolysis of an aqueous solution of an alkali salt, e.g.

   B. of sodium chloride, is loaded with alkali metal, while on the right side of FIG. 1, another cell is shown in which the alkali metal amalgam generated in cell 1 as an anode in an arrangement corresponding to the aqueous cell in one molten, a compound of the same alkali metal containing electrolytes is used, the alkali metal being withdrawn from it and being deposited on the cathode.

   The cell container made of concrete, for example, is on the floor of the aqueous cell. three approximately semicircular troughs 2 provided, in which three vertically mounted, about a hori zontal axis 4 in the bearings 7 rotatable discs 3 protrude with their lower part. The upper part of the cell is surrounded by a dome-shaped gas collection space 8 made of chlorine-resistant, e.g.

   B. ceramic material, covered. which is provided at the top with openings through which four vertical anodes 9, for example made of graphite, are passed, which are connected to the power supply line 10. A gas discharge pipe 11 is provided at the highest point of the cover 9.

   The cover also contains in the upper part an inlet pipe 12 and a discharge pipe 13 for the aqueous electrolyte, which can be passed through the cell via the pipes mentioned with the aid of a pump (not shown) and an intermediate container.



  The drive of the shaft 4 carrying the disks 3 takes place via the gearwheels 5 from the shaft 6 driven by a power shaft (not shown).



  In carrying out the method according to the invention, the above-described aqueous cell is filled with mercury up to a point below the lower ends of the anodes 9. The supply can take place by means of the pipe 17. Through the tubes 14 attached to the bottom of the wells 2 in the cell container, the metal can be removed from the. Cell can be removed again. Above the mercury, the cell with an aqueous solution of an alkali metal salt, z. B. of sodium chloride, filled to a point slightly above the apex of the disks 3.



  When working with the cell described, both the aqueous electrolyte and the liquid metal used as cathode are advantageously allowed to continuously circulate through the cell by means of the supply and discharge lines mentioned. It is advantageous here to let the liquid metal enter, as in the drawing, through tube 17 at a point near its level in the cell and to lead it to the bottom of the cell (e.g. through tubes 14) . However, the circulation can also take place in the opposite direction.



  In the "melt flow cell" shown in connection with the aforementioned "aqueous cell" in FIG. 1, 23 means the lower part of the cell container, which is relatively heavily built, for example made of cast iron or cast steel, the upper part 24 of which is lighter, The entire cell is clad with a heat protection compound 40.

   In your lower part 23, as in the case of the aqueous cell, three approximately semicircular troughs 25 are provided, while three circular disks 26 are rotatably mounted on a horizontal shaft 27 guided in the bearings 41 and driven via gears 28 through the shaft 29, that they, as with the aqueous cell. with their lower part protrude into the troughs 25. 30 are four provided in the upper part of the cell, preferably made of steel, attached to the horizontal crosspiece 31 in the vertical direction Ka methods. The cross-piece 31 is suspended from the power supply line 32 passed through the cover 44 of the cell.

   It is advisable to cover the cell with such a cover 44 in order to prevent air from reaching the electrolyte.



  33 is a suitably made of cast steel be standing, above the cathodes 30 on the hanging collecting container for the alkali metal deposited on the cathodes, through which the power supply line 32 for the cathodes is passed above. At the upper end of this collecting container passed through the lid of the cell, the tube 36 opening into the container 37 for the ascending molten alkali metal is closed.



  Through the faucet 38, the accumulated metal can be drained from the Behäl ter 37 as desired. The discharge of the liquid anode metal to the cell 1 takes place through pipe 22, the supply through the pipes 39 provided at the bottom of the troughs 25.



  In the upper part of the cell there is between the outer wall of the container and the collecting space 33 for the deposited alkali metal, a partition 34 completely enclosing the collecting container, which extends downwards almost to the level of the liquid metal, for example made of metal consists and at the upper end mediating a non-conductive intermediate layer 35 is brought electrically isolated from the container wall. 42 are I-shaped rails in FIG. 3 on which the cell is mounted.



  To operate the - previously described "melt flow cell" this is tall in the lower part with the liquid, serving as an anode Me, z. B. sodium amalgam, appropriately filled up to a point located slightly above the shaft of the rotating disks, while the cell is charged with a ge molten alkali compound or a ge molten mixture of alkali compounds as the electrolyte. When the current passes through, the alkali metal is released from the anode and released at the cathodes.



  There it is combined as it rises from the cathodes in the upper part of the collecting container 33, from where it passes via the tube 36 into the storage container 37. The tem perature of the molten electrolyte can be regulated by regulating the current strength, in addition, if necessary, by using heating and / or cooling devices.



  The transfer of the amalgam enriched with alkali metal in the "aqueous cell" to the "melt flow cell" and the return of the amalgam depleted in alkali metal in the latter cell to the "aqueous cell" are expediently carried out in a cycle and with particular advantage under heat exchange by means of the device designated 18, shown for example in FIG. 1 of the drawing.

   The liquid metal is supplied to the melt flow cell from the aqueous cell via pipe 15 by the pump 16 and pipe 20 via the middle pipe of the heat exchanger and pipe 21 and the branch pipes 39 at the bottom of the Mul the 25, while after passing through the lower part of this cell via the pipe 22 and the jacket surrounding the middle pipe of the heat exchanger and the adjoining pipe 17 back into the aqueous cell.



  It is advantageous not only to surround the heat exchanger itself, but also the tube 21 in the manner shown in the drawing with a heat-insulating compound 19-43.



  Instead of the heat exchanger only shown in the drawing, for example, can also be used in any other way from formed and arranged heat exchangers.



  In certain cases, in connection with a heat exchanger, for example of the type described, it is also advisable to use an additional cooling device for the liquid metal emerging from the heat exchanger before it is introduced into the aqueous cell.



  The purpose of the above-mentioned partition 34 in the melt flow cell is to protect the side walls 24 of the cell from acting as an anode in the upper part of the cell, since these are in electrical connection with the liquid metal anode.



  When using mercury as the liquid metal, there are hardly any advantages to increasing the alkali metal content above the amount of 2 percent by weight, especially since the viscosity of the amalgam can increase in an undesirable manner at higher concentrations. In the production of metallic sodium, it has generally proven to be expedient to allow the liquid amalgam to enter the "melt flow cell" with a content of 0.03 to 1.0 percent by weight of alkali metal.



  When working with the cells described, shown in the drawing, a thin adhering layer of the same is taken along in both cells when the discs 3 or 26 are rotated in order to pass through the liquid metal, and when they pass through the tv Aqueous or molten electrolytes are brought to react with these semiconductors over a large surface area and thereby both the deposition of considerable amounts of alkali metal in the aqueous cell per unit of time,

   as well as the removal of corresponding considerable amounts of alkali metal from the alloy used as anode in the melt flow cell.



  When working with the "melt flow cell" it is recommended to use the lowest possible temperatures, especially because of the risk of evaporation of the mercury, as well as because of the loss of energy associated with the heat radiation and the severe wear and tear on the cell parts.



  It is possible to carry out the electrolysis in such cells at particularly low temperatures if the electrolyte used is mixtures of alkali hydroxide or alkali oxides and alkali halide or halides with melting points of not more than about 200 to 300 C, so that the electrolysis temperatures at little overlying Tem, z. B. with those from 240 to <B> 310 '</B> C can be carried out.



  In the previously known method, on the other hand, when using sodium hydroxide as a schmelzflüs denominated electrolyte, for example, the use of temperatures of about 350 C and more was required, which excluded the use of mercury as an alloy component for the liquid anodes and to Forced use of lead.

   Since lead-alkali metal alloys, because of their high melting point, cannot also be used in cells charged with aqueous electrolytes, it has thus far not been possible to combine a cell working in aqueous solution with a cell working in melt flow in the above-described combination for the production of Use alkali metal.



  As has been found, mixtures of alkali metal hydroxides with alkali metal halides can be achieved, the melting points of which are from about 300 ° C. down to about 200 ° C. For example, when using the above-described cells <B> - </B> when using mercury as the exchange metal, it is particularly advantageous to use a mixture of sodium hydroxide with sodium iodide whose melting point does not exceed <B> 3000 < / B> C. With particular advantage one uses eutectic Ge mixtures of the components such.

   B. one with about 55 percent by weight sodium hydroxide and 45 percent by weight sodium iodide, the melting point of which is about 225 ° C. or a little higher. With such an eutectic mixture, the electrolysis can already be carried out, for example, at temperatures of 240 to 250 C, the vapor pressure of the mercury being only about atmospheric. The melting point of a eutectic mixture of sodium hydride and sodium bromide is about 260 C.

    Other similar mixtures can be found in the most varied changing composition when working according to the invention, if necessary in the presence of several alkali metals also for the simultaneous win of mixtures of two or more alkali metals use.



  The following are examples of particularly suitable eutectic mixtures:
EMI0005.0030
  
    Composition <SEP> melting point
<tb> NaOH <SEP> (79 <SEP> molar <SEP>%) <SEP> - @ - <SEP> NaBr <SEP> 260 <SEP> <SEP> C
<tb> gOH <SEP> (72 <SEP> molar%) <SEP> - + - <SEP> KI <SEP> 250 <SEP> <SEP> C
<tb> KOH <SEP> (65 <SEP> molar <SEP>%) <SEP> + <SEP> KBr <SEP> 300 <SEP> <SEP> C
<tb> LiOH <SEP> (45.5 <SEP> molar%) <SEP> - + - <SEP> LiI <SEP> 180 <SEP> <SEP> C
<tb> LiOH <SEP> (45 <SEP> molar%) <SEP> - + - <SEP> LiBr <SEP> 275 <SEP> <SEP> C
<tb> LiOH <SEP> (63 <SEP> molar <SEP>%)

   <SEP> - + - <SEP> LiCI <SEP> 290 <SEP> <SEP> C When using mixtures of the type given, one will consider both the type of alkali metal hydroxides and halides used, as well as the Quantity ratio of the same from case to case according to the desired melting respectively. Working temperature.



  These mixtures have proven to be extremely stable when used as an electrolyte, so that they can be used for a long time without any significant decomposition or change in their composition.



  According to a further embodiment of the invention, for example, when using the base for the liquid metal in the form of a running belt, this can first be carried out through a liquid metal, with it being provided with a coating, then it by an electrolyte under cathodic connection the surface layer absorbs alkali metal and finally introduces it with the alkali-laden surface layer as anode into a cell operated in the melt flow.

   For example, one can use an endless belt of flexible steel or similar material and then pass a thin surface layer of mercury or alkali metal amalgam through an "aqueous cell" as a cathode and then back to the aqueous cell. At a suitable point on its way, this band can be passed through a supply of mercury to supplement the small loss of mercury due to evaporation in the "melt flow cell". By such an Ar process, the power required for the circulation of the mercury and the consumption of mercury can be further reduced.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH I: Verfahren zur Gewinnung von AlkaIi- metall auf elektrolytischem Wege, bei wel chem in einer ersten Zelle mit einer flüssigen Metallkathode durch Elektrolyse einer Al kaliverbindung eine Alkalimetall-Legierung erzeugt und diese Legierung in einer zweiten Zelle mit einem eine Alkaliverbindung ent haltenden schmelzflüssigen Elektrolyten als Anode verwendet wird, wobei an der Kathode der zweiten Zelle reines Alkalimetall zur Ab scheidung gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Zelle flüssiges Amalgam in einer dünnen, PATENT CLAIM I: A process for the production of alkali metal by electrolytic means, in which an alkali metal alloy is produced in a first cell with a liquid metal cathode by electrolysis of an alkali metal compound and this alloy in a second cell with a molten electrolyte containing an alkali compound is used as an anode, with pure alkali metal being deposited on the cathode of the second cell, characterized in that liquid amalgam in a thin, auf der Oberfläche eines me tallischen Trägers haftenden Schicht als Ka thode durch eine wässrige Lösung einer Al kaliverbindung hindurchgeführt wird und das erhaltene Allral imetall- Amalgam in der zweiten Zelle als Anode verwendet wird. UNTERANSPRüCHE 1. on the surface of a metallic carrier adhering layer as a cathode is passed through an aqueous solution of an alkali metal compound and the obtained Allral imetall amalgam is used in the second cell as an anode. SUBCLAIMS 1. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Zelle, in der ein mit Amalgam beladener, kathodisch ge schalteter Träger durch abwechselnde Füh rung durch einen wässrigen Elektrolyten und einen Amalgamsumpf beim Durchgang durch den Elektrolyten mit Alkalimetall beladen wird und ihm im weiteren Durchgang durch den Sumpf Alkalimetall entzogen wird, durch den Amalgamsumpf mit einer andern Zelle verbunden wird, The method according to claim, characterized in that the cell in which an amalgam-laden, cathodically connected carrier is loaded with alkali metal by alternating guidance through an aqueous electrolyte and an amalgam sump as it passes through the electrolyte and is subsequently charged with alkali metal Alkali metal is withdrawn from the swamp, through which the amalgam swamp is connected to another cell, bei der ein mit Amal gam beladener Träger durch abwechselndes Führen durch den Amalgamsumpf und einen schmelzflüssigen Elektrolyten als Anode mit Alkalimetall aus dem Sumpf beladen wird und ihm beim Durchgang durch den Elek trolyten Alkalimetall entzogen wird. 2. in which a carrier loaded with amalgam is loaded with alkali metal from the sump by alternately leading through the amalgam sump and a molten electrolyte as an anode and is withdrawn from it when passing through the electrolyte alkali metal. 2. Verfahren nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, class die Überführung der in der wässrigen Zelle mit Alkalimetall angereicherten Legie rung in die Schmelzflusszelle und die Rück führung der in der letzteren Zelle an Alkali- metall verarmten Legierung in die erstere Zelle im Kreislauf und unter Wärmeaus- tausch erfolgt. A method according to claim and dependent claim 1, characterized in the transfer of the alloy enriched with alkali metal in the aqueous cell to the melt flow cell and the return of the alloy depleted in alkali metal in the latter cell to the former cell in circulation and under heat - exchange takes place. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass als Schmelzfluss- elektrolyt ein Gemisch von Alkalihydroxyd und Alkalihalogenid verwendet wird. 4. Verfahren nach Patentanspruch und 1Tnteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, (lass als Schmelzflusselektrolyt ein Gemisch von Alkalihydroxyd und Alkalijodid verwen det wird. Method according to patent claim, characterized in that a mixture of alkali hydroxide and alkali halide is used as the melt-flow electrolyte. 4. The method according to claim 1, characterized in that (let a mixture of alkali hydroxide and alkali iodide be used as the fused-salt electrolyte. ,>. Verfahren nach Patentanspruch und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, (lass als Schmelzflusselektrolyt ein Gemisch von Alkalihydroxyd und Alkalihalogenid von eutektischer Zusammensetzung verwen det wird. ,>. Method according to claim and dependent claim 3, characterized in that (let a mixture of alkali hydroxide and alkali halide of eutectic composition be used as the molten electrolyte. PATENTANSPRUCH II: Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Zelle zur Gewinnung von Alkalimetall aus einem flüssigen Alkali metallamalgam mit einer Zelle zur Anreiche rung des Alkalimetallgehaltes des Amalgams durch Elektrolyse eines wässrigen Elektro lyten derart verbunden ist, dass das flüssige Amalgam nacheinander durch Metallsümpfe der beiden Zellen führbar ist. UNTERANSPRVCHE: 6. PATENT CLAIM II: Device for carrying out the method according to claim I, characterized in that a cell for the extraction of alkali metal from a liquid alkali metal amalgam is connected to a cell for enriching the alkali metal content of the amalgam by electrolysis of an aqueous electrolyte in such a way that the liquid amalgam can be guided successively through metal sumps of the two cells. SUBClaim: 6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Amalgam durch die Metallsümpfe der beiden Zellen im Kreislauf führbar ist. 7. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Amalgam durch die Metallsümpfe der beiden Zellen im Kreislauf über einen Wärmeaus- tauscher führbar ist. Device according to claim II, characterized in that the liquid amalgam can be circulated through the metal sumps of the two cells. 7. Device according to claim II, characterized in that the liquid amalgam can be guided through the metal sumps of the two cells in the circuit via a heat exchanger.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115305503A (en) * 2021-05-08 2022-11-08 中南大学 Method for preparing metal lithium by molten salt electrolysis
CN115305505A (en) * 2021-05-08 2022-11-08 中南大学 Molten salt electrolysis method for preparing metal lithium
WO2022237513A1 (en) * 2021-05-08 2022-11-17 中南大学 Method for preparing lithium metal by means of molten salt electrolysis

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