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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Iridiumlösung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die eingerichtet ist, um das Verfahren durchzuführen.
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Stand der Technik
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Zur Herstellung reiner Iridiumverbindungen kann elementares Iridium unterschiedlichen chemischen Reaktionen unterworfen werden. Iridiumchlorid kann beispielsweise erhalten werden, indem Iridiumpulver bei hoher Temperatur mit Chlorwasserstoff oder mit Chlor zur Reaktion gebracht wird. Allerdings sind für großtechnische Prozesse Reaktionen in wässriger Lösung bevorzugt, die mit geringem Aufwand in herkömmlichen chemischen Reaktoren durchgeführt werden können. Hierzu kann Iridium beispielsweise zunächst in eine Alkalihydroxid-Schmelze oder in eine Alkalicyanid-Schmelze eingebracht werden, um es in ein wasserlösliches Salz zu überführen. Diese Schmelzreaktionen sind jedoch großtechnisch ebenfalls schwer handhabbar und benötigen zur Erzeugung der Salzschmelze einen hohen Energieeinsatz.
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Die Erzeugung einer Iridiumchloridlösung durch Umsetzung von elementarem Iridium, das beispielsweise als Iridiumschwamm vorliegt, mit Chemikalien in wässriger Lösung ist aufgrund der hohen Inertheit des Iridiums schwierig. Eine erfolgreiche Umsetzung kann durch Einbringen von Iridium in Königswasser erfolgen. Selbst unter diesen aggressiven Bedingungen wird jedoch eine Ausbeute von weniger als 90 % erhalten. Zudem liegt Iridium nach dieser Reaktion in der wässrigen Lösung in einem Gemisch der Oxidationsstufen III und IV vor. Da chemische Produkte für die weitere Verarbeitung eine einheitliche Oxidationsstufe benötigen, sind also weitere chemische Oxidations- oder Reduktionsschritte erforderlich, um das gewünschte Produkt zu erhalten.
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Die
DE 10 2015 118 279 A1 beschreibt ein Verfahren zur Edelmetallrückgewinnung aus Altmetallen. Die Rückgewinnung von Iridium kann erfolgen, indem das Altmetall abwechselnd mit einem gasförmigen Oxidationsmittel und mit einem gasförmigen Reduktionsmittel in Kontakt gebracht wird. Die Reaktion wird in Gegenwart eines Komplexbildners durchgeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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In dem Verfahren zur Herstellung einer Iridiumlösung wird elementares Iridium in einer wässrigen Lösung behandelt, um die Iridiumlösung als Ausgangssubstanz für Iridiumsalzprodukte zu erhalten. Das elementare Iridium kann beispielsweise als Iridiumschwamm vorliegen. Es weist insbesondere einen Iridiumgehalt von mindestens 99,9 % auf, wobei es sich bei dem verbleibenden Rest um Verunreinigungen durch andere chemische Elemente handeln kann. Die wässrige Lösung weist einen pH-Wert von maximal 1,0 auf. Sie enthält mindestens 0,1 mol/l Chloridionen, um Iridiumkationen in Form von Chlorokomplexen in der wässrigen Lösung zu stabilisieren.
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Die Behandlung des Iridiums erfolgt, indem dieses abwechselnd mit Wasserstoff behandelt wird und mit Ozon behandelt wird. Dabei wird der erste Behandlungsschritt vorzugsweise unter Verwendung von Wasserstoff durchgeführt. Durch abwechselnde Reduktionszyklen und Oxidationszyklen kann das Iridium in dem Verfahren trotz seiner hohen Inertheit in einem transienten Auflösungsverfahren zu Iridium(III)-Kationen oder zu Iridium(IV)-Kationen oxidiert werden. Diese Ionen werden als Komplexe in wässriger Lösung stabilisiert. Die Auflösung des Iridiums kann mittels des Verfahrens mit einer Ausbeute von über 90 % durchgeführt werden.
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Wasserstoff und Ozon haben als Reduktionsmittel und als Oxidationsmittel den Vorteil, dass sie nicht nur die für den transienten Auflösungsprozess erforderlichen Redoxpotentiale in stark saurer wässriger Lösung aufweisen, sondern außerdem als Gase der wässrigen Lösung einfach zugeführt werden können. Grundsätzlich kann jedes der Gase dabei mit einem Trägergas vermischt werden, welches nicht an der chemischen Reaktion teilnimmt. Wasserstoff wird jedoch vorzugsweise in Reinform eingeleitet. Ozon wird vorzugsweise als Gemisch mit Sauerstoff eingeleitet, welches 3 Vol.-% bis 5 Vol.-% Ozon enthält. Ein solches Gemisch kann in einfacher Weise mittels eines Ozonisators bereitgestellt werden und ermöglicht es, eine für die Reaktion ausreichende Konzentration für Ozon in der wässrigen Lösung zu erreichen.
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Jede Behandlung mit Wasserstoff erfolgt insbesondere mit einem Volumenstrom im Bereich von 0,05 L/min bis 5,00 L/min über einen Zeitraum, der im Bereich von 1 Minute bis 60 Minuten liegt. Jede Behandlung mit Ozon erfolgt insbesondere mit einem Volumenstrom im Bereich von 0,05 L/min bis 5,00 L/min über einen Zeitraum, der im Bereich von 1 Minute bis 60 Minuten liegt. Die Volumenströme beziehen sich dabei jeweils auf das Gesamtvolumen aus Wasserstoff oder Ozon und dem gegebenenfalls vorhandenen Trägergas.
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Abhängig von der Oberfläche des elementaren Iridiums werden die Behandlungen mit Wasserstoff und mit Ozon vorzugsweise mindestens zehnmal wiederholt, um eine vollständige Auflösung des Iridiums zu gewährleisten.
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Wasserstoff oder Ozon, das sich nicht in der wässrigen Lösung löst, gast wieder aus dieser aus. Nach Abschluss jedes Reduktionszyklus und jedes Oxidationszyklus bleibt jedoch stets eine gewisse Menge an nicht abreagiertem Wasserstoff oder nicht abreagiertem Ozon in der Lösung zurück. Um zu verhindern, dass es beim Einleiten des jeweils anderen Gases zu einer exothermen Reaktion zwischen Wasserstoff und Ozon kommt, welche zum einen zu einem unnötig hohen Verbrauch der Reaktionsgase führt und zum anderen eine unnötig starke Erhitzung der wässrigen Lösung bewirkt, ist es bevorzugt, dass zwischen jeder Behandlung mit Wasserstoff und jeder Behandlung mit Ozon jeweils mindestens ein Inertgas in die Lösung eingeleitet wird. Bei dem Inertgas kann es sich insbesondere um Stickstoff oder um ein Edelgas handeln.
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Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass über den pH-Wert der wässrigen Lösung, über die Chloridionenkonzentration, über die eingeleitete Menge an Wasserstoff und über die eingeleitete Menge an Ozon die Oxidationsstufe der Iridiumkationen in der hergestellten Iridiumlösung eingestellt werden kann. Insbesondere kann Iridium in der Oxidationsstufe III, in der Oxidationsstufe IV oder in einem Gemisch dieser beiden Oxidationsstufen erhalten werden. Außerdem kann eingestellt werden in Form welcher Komplexe die Iridiumkationen in der wässrigen Lösung stabilisiert werden. Insbesondere können monomere Chlorokomplexe oder oligomere Aqua-Chlorokomplexe erhalten werden. Dies kann vorteilhaft für eine anschließende Isolierung eines Iridiumsalzproduktes sein.
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Zum Einstellen des pH-Wertes der wässrigen Lösung kann Salzsäure verwendet werden, um der wässrigen Lösung gleichzeitig Chloridionen zuzuführen. Es können aber auch andere starke Säuren verwendet werden. Bevorzugt sind hierbei insbesondere Schwefelsäure, Salpetersäure und Perchlorsäure, die allein oder in einer Mischung mit einer oder mehrerer dieser anderen Mineralsäuren verwendet werden können. Auch die Verwendung einer Mischung mindestens einer chloridfreien Mineralsäure mit Salzsäure ist möglich. Es wird jedoch vorzugsweise darauf verzichtet, reduktiv wirkende Säuren, wie beispielsweise Oxalsäure oder Ameisensäure zu verwenden. Diese könnten in einer Redoxreaktion mit dem Ozon reagieren.
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Falls die gewünschte Chloridionenkonzentration nicht bereits durch die Menge an eingesetzter Salzsäure erreicht wird, werden weitere Choridionen der wässrigen Lösung vorzugsweise in Form eines Alkalimetallchlorids und/oder eines Erdalkalimetallchlorids zugesetzt. Dabei sind Natriumchlorid, Kaliumchlorid und Calciumchlorid besonders bevorzugt. Diese Salze können in dem Verfahren als Chloridquellen dienen, ohne dass ihre jeweiligen Kationen mit den weiteren im Verfahren verwendeten Reagenzien unerwünschte Nebenreaktionen eingehen würden. Außerdem weisen sie in Wasser ein hohes Löslichkeitsprodukt auf, so dass unter Verwendung dieser Salze hohe Chloridionenkonzentrationen erreicht werden können.
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Die Vorrichtung zur Herstellung einer Iridiumlösung weist einen Reaktionsraum auf, der zur Aufnahme von elementarem Iridium und einer wässrigen Lösung eingerichtet ist. Mindestens eine Wasserstoffquelle und mindestens eine Ozonquelle sind mit dem Reaktionsraum verbunden. Dabei kann die Verbindung über eine gemeinsame Einleitstelle in den Reaktionsraum oder über unterschiedliche Einleitstellen in den Reaktionsraum erfolgen. Optional weist die Vorrichtung weiterhin eine Inertgasquelle auf, die ebenfalls mit dem Reaktionsraum verbunden ist, wobei die Verbindung über eine eigene Einleitstelle oder über eine gemeinsame Einleitstelle mit der Wasserstoffquelle und der Ozonquelle erfolgen kann.
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Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, um die Schritte des Verfahrens zur Herstellung einer Iridiumlösung durchzuführen. Diese Einrichtung kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass die Schritte des Verfahrens, d.h. die Steuerung der Schritte des Verfahrens als Computerprogramm in einem elektronischen Steuergerät implementiert sind, welches die Vorrichtung steuert. Demnach umfasst das Steuergerät Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung das Herstellungsverfahren (automatisiert) ausführt.
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Die Einleitung unterschiedlicher Gase in den Reaktionsraum bewirkt eine Durchmischung der wässrigen Lösung und des darin verteilten elementaren Iridiums. Wenn eine noch stärkere Durchmischung erwünscht ist, kann vorgesehen sein, dass der Reaktionsraum ein Rührwerk aufweist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass am Reaktionsraum eine Ultraschallquelle angeordnet ist. Diese kann zum einen für eine weitere Durchmischung des Inhalts des Reaktionsraums verwendet werden und zum anderen dazu verwendet werden, um durch die Ultraschallbehandlung eine stabile Suspension des Iridiums in der wässrigen Lösung zu erhalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung weist einen Reaktionsraum 10 auf. Dieser Reaktionsraum 10 kann mit elementarem Iridium 20 und mit einer wässrigen Lösung 30 befüllt werden. Am Boden des Reaktionsraums 10 ist eine Einleitstelle 11 zur Einleitung unterschiedlicher Gase in die wässrige Lösung 30 angeordnet. Die Einleitstelle 11 ist mit einem Vierwegeventil 12 fluidisch verbunden. Das Vierwegeventil 12 ist weiterhin fluidisch mit einer Wasserstoffquelle 13, einer Ozonquelle 14 und einer Inertgasquelle 15 verbunden. Die Wasserstoffquelle 13 stellt reinen Wasserstoff aus einem Druckgastank zur Verfügung. Die Ozonquelle 14 ist ein Ozonisator, der beispielsweise ein Gemisch von Ozon und Sauerstoff bereitstellt, welches 4 Vol.-% Ozon enthält. Die Inertgasquelle 15 stellt beispielsweise Stickstoff aus einem Druckgastank zur Verfügung. Ein Ultraschallelement 16 ist am Reaktionsraum 10 angeordnet, um die darin enthaltene wässrige Lösung 30 einer Ultraschallbehandlung zu unterziehen. Das Vierwegeventil 12 und das Ultraschallelement 16 werden von einem elektronischen Steuergerät 17 gesteuert. Das elektronische Steuergerät 17 steuert weiterhin Einlassventile zu nicht dargestellten Chemikalienreservoirs, aus denen der Reaktionsraum 10 beispielsweise mit Wasser, mit einer konzentrierten Salzsäure und mit einer gesättigten Natriumchloridlösung befüllt werden kann, um darin eine wässrige Lösung 30 mit einem im elektronischen Steuergerät 17 vorgegebenen pH-Wert und einer im elektronischen Steuergerät 17 vorgegebenen Chloridionenkonzentration zu erhalten.
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Der Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 dargestellt. Nach dem Start 40 des Verfahrens erfolgt ein Einbringen 41 des elementaren Iridiums 20 in den Reaktionsraum 10. Anschließend erfolgt ein Einbringen 42 der wässrigen Lösung 30 in den Reaktionsraum 10. Die wässrige Lösung 30 kann dabei unter Verwendung der Vorrichtung gemäß 1 im Reaktionsraum 10 aus mehreren Komponenten zusammengemischt werden, oder sie kann bereits mit der gewünschten Zusammensetzung bereitgestellt und in den Reaktionsraum 10 eingebracht werden.
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Nun erfolgt ein Behandeln 43 des elementaren Iridiums 20 mit Wasserstoff, indem dieser aus der Wasserstoffquelle 13 durch das Vierwegeventil 12 und die Einleitstelle 11 in den Reaktionsraum 10 und damit in die wässrige Lösung 30 eingeleitet wird. Nach Ablauf eines im elektronischen Steuergerät 17 vorgegebenen Zeitraums wird die Einleitung des Wasserstoffs unterbrochen und stattdessen erfolgt nun ein Einleiten 44 von Stickstoff aus der Inertgasquelle 15 durch das Vierwegeventil 12 und die Einleitstelle 11 in den Reaktionsraum 10. Dadurch wird nicht abreagierter Wasserstoff aus der wässrigen Lösung 30 ausgetrieben. Nach Ablauf eines im elektronischen Steuergerät 17 vorgegebenen Einleitungszeitraums erfolgt nun ein Behandeln 45 des elementaren Iridiums 20 mit Ozon. Hierzu wird das Ozon/Sauerstoffgemisch aus der Ozonquelle 14 durch das Vierwegeventil 12 und die Einleitstelle 11 in den Reaktionsraum 10 eingeleitet. Nach Ablauf einer im elektronischen Steuergerät 17 vorgegebenen Einleitungszeit wird die Einleitung beendet, und es erfolgt für einen weiteren vorgegebenen Zeitraum ein erneutes Einleiten 46 von Stickstoff in den Reaktionsraum 10, um nicht abreagiertes Ozon aus der wässrigen Lösung 30 auszutreiben. Das Einleiten des Stickstoffs erfolgt dabei in derselben Weise wie im Verfahrensschritt 44. Die Schritte 43 bis 46 werden beispielsweise hundertmal wiederholt, um eine vollständige Auflösung des Iridiums 20 zu gewährleisten. Wenn nach einem erneuten Einleiten 46 von Stickstoff in den Reaktionsraum 10 festgestellt wird, dass die vorgegebene Anzahl von Reaktionszyklen noch nicht durchgeführt wurde, erfolgt ein Rücksprung 47 zum Verfahrensschritt 43. Andernfalls erfolgt ein Beenden 48 des Verfahrens. Während der wiederholten Durchführung der Verfahrensschritte 43 bis 46 wird die wässrige Lösung 30 mittels des Ultraschallelements 16 mit Ultraschall behandelt. Das gesamte Verfahren wird beispielsweise bei Raumtemperatur durchgeführt.
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In dem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise im Reaktionsraum 10 der pH-Wert auf 0 eingestellt und die Chlorodionenkonzentration auf 1,0 mol/l eingestellt, indem Wasser und konzentrierte Salzsäure aus den Chemikalienreservoirs im Reaktionsraum 10 so gemischt werden, dass eine 1 M Salzsäure erhalten wird. Das Behandeln 43 mit reinem Wasserstoff erfolgt beispielsweise jeweils für einen Zeitraum von 8 Minuten mit einem Volumenstrom von 1 L/min. Das Behandeln 45 mit dem Ozon/Sauerstoffgemisch erfolgt beispielsweise ebenfalls jeweils für einen Zeitraum von 8 Minuten mit einem Volumenstrom von 1 L/min. Es wird eine klare rötliche Iridiumlösung erhalten. Eine Analyse der Lösung ergibt, dass diese überwiegend monomere Chlorokomplexe von Iridium(IV)-Kationen enthält, während weiterhin ein kleiner Anteil von Iridium(III)-Komplexen in der Lösung enthalten ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015118279 A1 [0004]
