DE1092217B - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Niob durch Schmelzflusselektrolyse - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Niob durch Schmelzflusselektrolyse

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DE1092217B
DE1092217B DEC17448A DEC0017448A DE1092217B DE 1092217 B DE1092217 B DE 1092217B DE C17448 A DEC17448 A DE C17448A DE C0017448 A DEC0017448 A DE C0017448A DE 1092217 B DE1092217 B DE 1092217B
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niobium
electrolysis
crucible
cathode
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DEC17448A
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Dr Kurt Huber
Dr Ernst Jost
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Novartis AG
BASF Schweiz AG
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Ciba Geigy AG
Ciba AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/34Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of metals not provided for in groups C25C3/02 - C25C3/32

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Niob durch Schmelzflußelektrolyse Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Niob auf elektrolytischem Wege.
  • Es ist bekannt, Niob durch Elektrolyse einer Alkalihalogenidschmelze herzustellen, in welcher sich ein Oxyd des Niobs gelöst befindet. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß sich auch die Teile des in der Schmelze enthaltenen Metalloxyds im Kathodenniederschlag festsetzen und daß die Entfernung dieses im abgeschiedenen Metall festgehaltenen Oxyds sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist.
  • Zur Abhilfe dieser Mängel wurde ein Verfahren zur Gewinnung von Niob auf schmelzelektrolytischem Wege vorgeschlagen, bei welchem ein Doppelfluorid des Metalls in einer sauerstofffreien Erdalkali- oder Alkalihalogenidschmelze elektrolysiert wird. Dabei kann nach einem weiteren Vorschlag dieser Prozeß so gestaltet werden, daß in die fluoridhaltige Schmelze das dampfförmige Niobpentachlorid eingeleitet wird. Dieses Verfahren bietet aber gewisse Unannehmlichkeiten dadurch, daß die fluoridhaltigen Schmelzen sehr korrosiv sind und daß zur Zeit keine für einen solchen Prozeß geeignete beständige keramische Materialien zur Verfügung stehen.
  • Der aus diesem Grund erstrebenswerten Verwendung fluoridfreier reiner Chloridsysteme steht aber der Nachteil entgegen, daß zur störungsfreien Durchführung der Elektrolyse die Temperatur der Schmelze verhältnismäßig hoch gehalten werden muß, so daß infolge des bei diesen Temperaturen hohen Dampfdrucks des Niobpentachlorids über der Schmelze mit ins Gewicht fallenden Verlusten durch Ausdampfen zu rechnen ist. Eine Verringerung der Temperatur der Schmelze ist nicht möglich, da sich sonst an der Kathode niedrigere Chloride bilden, welche bei Temperaturen von etwa 600° C als Nichtleiter wirkend, die Elektrolyse nach kurzer Zeit zum Stillstand bringen.
  • Die Erfindung soll diesem Übelstand abhelfen. Sie betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Niob auf elektrolytischem Wege und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in eine sauerstofffreie, aus Alkalichloriden bestehende Schmelze ein weniger als vierwertiges Niobchlorid eingebracht und diese Schmelze in an sich bekannter Weise elektrolysiert wird.
  • Es wird also ein Niobchlorid der Schmelze zugefügt, in welchem das Niob eine Wertigkeit von weniger als 4 hat. Vorteilhafterweise wird dabei sogenanntes Niobtrichlorid verwendet. Wie bereits aus der Fachliteratur bekanntgeworden ist, hat dies sogenannte Niobtrichlorid gemeinhin einen niedrigeren Chlorgehalt, als einer genauen Dreiwertigkeit des Niob entspräche. Es ist anzunehmen, daß dieses sich durch besondere Stabilität auszeichnende Chlorid tatsächlich die Formel Nb3 CI8 hat. Der Einfachheit halber wird aber in der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen dieses Chlorid weiterhin als »Niobtrichlorid« bezeichnet.
  • Das Niobtrichlorid wird der Schmelze in festem Zustand zugeführt, wobei gleichzeitig die gesamte Zelle vollkommen gegen die Atmosphäre abgeschlossen und vorteilhafterweise durch ein Schutzgas geschützt ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Schmelze auch während der Elektrolyse vollständig sauerstofffrei bleibt. Dadurch wird die Gefahr der Einlagerung von Oxyden oder Suboxyden in dem auf der Kathode abgeschiedenen Metall beseitigt, welche infolge der geringen oder gar nicht vorhandenen Löslichkeit dieser Oxyde in einer reinen Chloridschmelze besteht. Als besonders günstig hat sich die Verwendung eines eutektischen Gemisches aus Natriumchlorid und Kaliumchlorid als Schmelze erwiesen. Der Vorteil der Verwendung von Niobtrichlorid liegt darin, daß dieses in einer fluoridfreien Schmelze im Gegensatz zu den höherwertigen Chloriden nur einen geringen Dampfdruck über der Schmelze aufweist, so daß Verluste durch Abdampfen des Metallchlorids praktisch nicht auftreten.
  • Um zu vermeiden, daß das bei der Elektrolyse entstehende Chlor mit dem im Elektrolyten enthaltenden Niobtrichlorid in Berührung kommt und dieses zum Niobpentachlorid aufchloriert, welches dann aus der Schmelze verdampfen würde, muß das Niobtrichlorid von diesem soweit als möglich getrennt gehalten werden. Vorzugsweise wird deshalb der Anodenraum vom Kathodenraum getrennt und das Niobtrichlorid so zugeführt, daß es in in Betracht kommenden Mengen ausschließlich im Kathodenraum vorhanden ist. Vorzugsweise wird deshalb eine Elektrolysenzelle verwendet, bei welcher der Anodenraum vom Kathodenraum in an sich bekannter Weise durch ein Diaphragma oder eine Scheidewand getrennt ist und welche so ausgeführt ist, daß das bei der Elektrolyse an der Anode auftretende Chlor nicht an den Kathodenraum gelangen kann. Als vorteilhaft hat sich deshalb eine Zelle erwiesen, welche aus einem als Anode dienenden und die Schmelze enthaltenden Graphittiegel besteht, in welchem in der Mitte die aus Nickel bestehende Kathode von oben hineinragt. Am Boden des Graphittiegels ist ein den gesamten Boden bedeckender flacher Tiegel aus Aluminiumoxyd (z. B. Sinterkorund) eingesetzt, welcher verhindert, daß der Boden des Tiegels als Anode wirkt, bzw. verhindert, daß das am Boden des Tiegels entstehende Chlor aufsteigend in den Kathodenraum gelangen kann. Ein ebenfalls aus Aluminiumoxyd bestehendes Rohr umgibt zentrisch die Kathode und taucht so tief in die Schmelze ein, daß der untere Rand des Rohres sich unterhalb des oberen Randes des Korundtiegels befindet. Auf diese Weise wird die erforderliche Trennung von Kathodenraum und Anodenraum erreicht. Diese sehr vorteilhafte Anordnung, welche eine völlige Trennung des zugeführten Niobtrichlorids von dem bei der Elektrolyse entstehenden Chlor gestattet, ist nur möglich bei der Verwendung einer Alkalichloridschmelze, gegen welche das Material des Tiegels resistent ist. Dies ist bei einer fluoridhaltigen Schmelze nicht der Fall, so daß die vorliegende vorteilhafte Anordnung bei fluoridhaltigen Schmelzen nicht verwendet werden kann.
  • Die Herstellung des der Schmelze zugeführten N iobtrichlorides kann in bekannter Weise erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, NiobtrichIorid in der Weise herzustellen, daß man Wasserstoff bei etwa 180 bis 190° C mit Niobpentachloriddainpf belädt und das Gas durch eine auf 450° C erhitzte Rohrstrecke schickt, wobei sich in der heißen Zone Niobtrichlorid abscheidet (vgl. H. S c h ä f e r, Z. für anorganische und allg. Chemie, Bd. 265 [1951], S. 258 ff.).
  • Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung des im vorstehenden kurz als »Niobtrichlorid« bezeichneten Chlorids beschränkt, sondern erfaßt alle ähnlichen weniger als vierwertigen Chloride des Niobs, welche in sauerstoff- und fluoridfreien Schmelzen löslich sind und gleichzeitig einen geringfügigen Dampfdruck aufweisen. Beispiel Die Zelle bestand aus einem Graphittiegel von 0,11 Inhalt, der zugleich als Anode diente. Auf dem Boden des Graphittiegels stand ein Sinterkorundtiegel von 2 cm Randhöhe. Gleichzeitig tauchte von oben ein Rohr aus Sinterkorund in die Schmelze ein, so daß der untere Rand des Rohres sich in einer Entfernung von 1,5 cm vom Boden des Tiegels befand. Innerhalb des Rohres war zentrisch von oben ein Nickelstab von 8 mm Durchmesser angeordnet. In diese Zelle wurde als Elektrolyt 150 g einer Mischung eingebracht, welche zu 90% aus einem äquimolaren Gemisch von Na CI-K Cl und zu 10% aus Nb CI3 bestand. Die Schmelze hatte eine Temperatur von 850°C. Die Stromstärke bei der Elektrolyse wurde auf 20A gehalten, was einer kathodischen Stromdichte von 1,3 A/ dm2 entspricht.
  • Nach Einschalten des Stroms stieg die Badspannung innerhalb von 5 Minuten von 6,5 auf 6,8 Volt. Sie verharrte auf diesem Wert während 27 Minuten. Darauf stieg sie innerhalb 1 Minute auf 7,2 Volt, worauf die Elektrolyse abgebrochen wurde.
  • Nach dem Erkaltenlassen der Kathode in Argon wurden von der Kathode sowie aus dem Sinterkorundtiegel durch Auswaschen mit Wasser und anschließender Behandlung mit Salpetersäure und Schwefelsäure 3,6 g feinkristallines Niobpulver gewonnen.
  • Das Pulver erwies sich als sehr duktil und ließ sich leicht zu für die Verdichtung geeigneten Formkörpern verpressen.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Gewinnung von Niob durch Schmelzflußelektrolyse, vorzugsweise in einer durch ein Diaphragma oder eine Scheidewand in einen Anodenraum und einen Kathodenraum abgeteilten Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß in eine sauerstofffreie Schmelze aus Alkalichloriden ein weniger als vierwertiges Niobchlorid eingebracht und diese Schmelze in an sich bekannter Weise elektrolysiert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Niobtrichlorid laufend während der Elektrolyse in festem Zustand der Schmelze zugeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachfuhr des festen Niobtrichlorides in einer solchen Menge vorgenommen wird, daß der Metallgehalt des Bades während der Elektrolyse konstant bleibt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Niobtrichlorid in den Kathodenraum zugeführt wird, derart, daß es nicht mit dem bei der Elektrolyse entstehenden Chlor in Berührung kommt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine eutektische Mischung aus Natriumchlorid und Kaliumchlorid als Schmelze verwendet wird.
  6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle aus einem als Anode dienenden und die Schmelze enthaltenden Graphittiegel und einer in diesen eintauchende Kathode besteht, wobei sich am Boden des Tiegels ein flacher mit einem Rand versehener Tiegel aus Aluminiumoxyd und um die Kathode ein in den Elektrolvten eintauchendes Rohr aus Aluminiumoxyd befindet, wobei der untere Rand des Rohres tiefer liegt als der obere Rand des flachen Tiegels.
  7. 7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum oberhalb der Schmelze zur Abhaltung von Sauerstoff als geschlossener Schutzgasraum ausgebildet ist.
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