DE1153537B - Zelle fuer die elektrolytische Herstellung von Alkali- und Erdalkalimetallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Zelle zur Elektrolyse von geschmolzenen Salzbädern für die Herstellung von Alkali- und Erdalkalimetallen, die es gestattet, eine höhere Stromausbeute und erhebliche Einsparungen an elektrischer Energie zu erzielen.

Zur Elektrolyse von geschmolzenen Salzbädern für die Herstellung von z. B. Alkalimetallen wird schon lange eine sogenannte Downsche Zelle aus einem bei der Badtemperatur dichten inerten Material verwendet, die das Bad der geschmolzenen Salze enthält. Weiterhin sind Heizvorrichtungen vorgesehen, um das Salzbad im schmelzflüssigen Zustand zu halten. Hierzu dienen eine Anode, die im allgemeinen aus Graphit besteht, sowie eine aus Metall bestehende Kathode.

In einer solchen ZeUe verlaufen die Stromlinien zwischen der Anode und der Kathode längs einer gradlinigen Bahn.

In der Zeitschrift für Elektrochemie, 43 (1937), S. 904 bis 906, insbesondere S. 905, 2. Spalte, sind ao Versuche beschrieben, wonach bei der Schmelzflußelektrolyse eines Elektrolyts aus 62,5VoNaCl, 25% NaF und 12,5¹⁰ZoKCl unter Verwendung eines Diaphragmas aus gekörntem Korund bei einer Stromstärke von 2A und einer Badtemperatur von 700° C eine kathodische Stromausbeute von 92,2% und ein Energieverbrauch von nur 7,05 kWh/kg Natrium erzielt werden konnte. Der Verfasser dieser Veröffentlichung (P. Droßbach) hat seinerzeit schon die Vermutung geäußert, daß es vielleicht möglich sei, mit einer ähnlichen Zellenkonstruktion auch technisch günstige Werte zu erhalten.

Über eine praktische Auswertung dieser Versuche ist nichts bekanntgeworden.

Es konnte bestätigt werden, daß bei Verhinderung des direkten Laufes der Stromlinien zwischen den Elektroden die Stromausbeute verbessert und proportional hierzu der Energieverbrauch für die Elektrolyse verringert werden kann, was durch Anordnung einer nicht durchdringbaren und nichtleitenden Abschirmung zwischen den Elektroden erreichbar ist.

Die Erfindung betrifft nun eine diese Erkenntnis verwendende Zelle. Die erfindungsgemäße Zelle ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Abschirmung zum Zellenboden hin sich, in einer Höhe befindet, die höchstens gleich, vorzugsweise jedoch tiefer als die Höhe Qi) ist, die dem Abstand des Endes der Kathode vom Zellenboden entspricht. Dabei ist vorzugsweise die ringförmige Anode koaxial zur Abschirmung und zur Kathode angeordnet, und das Verhältnis von Anodenoberfläche zur Kathodenober-Zelle für die elektrolytische Herstellung
von Alkali- und Erdalkalimetallen

Anmelder:
Solvay & Cie., Brüssel

Vertreter: Dr.-Ing. A. van der Werth, Patentanwalt, Hamburg-Harburg 1, Wilstoifer Str. 32

Beanspruchte Priorität:
Belgien vom 13. Mai 1959 (Nr. 578 670)

Jacques van Diest, Uccle, Brüssel (Belgien),
ist als Erfinder genannt worden

fläche ist größer als 1 und kann einen Wert von 20 erreichen.

Die Zeichnung, die eine Ausfuhrungsform der Zelle für die schmelzelektrolytische Herstellung von Alkali- und Erdalkalimetallen wiedergibt, dient zur Erläuterung.

In dieser Figur stellt das Bezugszeichen 1 die eigentliche Zelle aus undurchlässigem feuerfestem Material dar, die dazu dient, das Bad der geschmolzenen Salze 10 aufzunehmen. Die ZeUe wird durch eine dichte Abdeckung 2 verschlossen, die mit einer Leitung 5 versehen ist für die Einführung der Salze während der Elektrolyse. Weiterhin ist eine Leitung 6 für den Abzug der an der ringförmigen Anode 4 gebildeten gasförmigen Produkte angeordnet. Die Kathode 3 besteht aus einem Metall, z. B. Stahl; sie kann in verschiedenen Ausführungsformen hergestellt sein. Man kann somit ein Metall verwenden, das bei der Badtemperatur im festen Zustand vorliegt und sich mit dem Elektrolyt umsetzt. Wenn das auf der Kathode abgeschiedene Metall bei der Badtemperatur flüssig ist, z. B. in dem Fall eines Alkalimetalls, schwimmt es an die Oberfläche des geschmolzenen Salzbades. Das Metall kann auch die Rolle der Kathode übernehmen, wenn es in der Elektrolysezone verbleibt. Wenn das an der Kathode abgeschiedene Metall unter den Elektrolysebedingungen fest ist, ist es zweckmäßig, eine Drehkathode zu ver-

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wenden. In dem ähnlichen Fall, bei dem das Metall abgeschieden wird, kann das Metall die Kathode sein, oder dasselbe kann entfernt werden, indem man z. B. an der Kathode ein Abstreifmesser anordnet, das das gebildete Metall entfernt.

Man kann somit Metallkathoden im festen Zustand verwenden, die mit den herzustellenden Metallen legierbar sind. In derartiger Weise kann man Legierungen erhalten.

Schließlich kann die Kathode aus einem flüssigen Metall bestehen, in dem das hergestellte Metall löslich ist. Demzufolge ergibt sich an' der Kathode die Herstellung einer Legierung.

Der Durchmesser der Kathode 3 ist klein. Um die Kathode herum ist eine nichtleitende Abschirmung 7 angeordnet, die z. B. aus Porzellan ausgeführt ist. Diese Abschirmung ist so angeordnet, daß ihr unteres Ende sich in einer Höhe befindet, die höchstens gleich oder vorzugsweise jedoch tiefer als die Höhe h ist, die das Ende der Kathode vom Zellenboden entfernt ist. _ao

Die Zelle 1, die von der wärmeisolierenden Umkleidung 9 umgeben ist, ist auf einem Sockel 8 angeordnet, der die Heizvorrichtung zur Aufrechterhaltung des Salzbades im geschmolzenen Zustand enthält.

Die in der Kathode gebildeten Metalle werden bei 13 mittels bekannter Anordnungen der Zelle entnommen, z. B. durch Herausziehen (Ausbildung eines »Metallknüppels«).

Wenn in einer derartigen Elektrolysezelle die Abschirmung 7 nicht vorgesehen ist, so folgen die Stromlinien einem direkten Weg zwischen der Anode und der Kathode; in der Figur ist dieser Weg durch die punktierten Pfeile 11 angezeigt. Wenn man jedoch erfindungsgemäß die Abschirmung anordnet, so folgen die Stromlinien zwischen den Elektroden einem nicht geradlinien Weg, der durch die ausgezogenen Pfeile 12 angezeigt ist.

Die Kathodenoberfläche ist sehr begrenzt und nimmt in der Zeile einen begrenzten Raum ein, wodurch es ermöglicht wird, Metallverluste durch Lösung in dem Bad zu vermeiden. Im Gegensatz hierzu versucht man die Anodenoberfläche so zu vergrößern, daß die Klemmenspannung der Elektrolysezelle geringer wird. Das Verhältnis der Anodenoberfläche zur Kathodenoberfläche ist größer als 1 und kann einen Wert von 20 erreichen.

Die nichtleitende Abschirmung? begrenzt zwei Räume, und zwar einerseits den Anodenraum und andererseits den Kathodenraum. Auf Grund dieser Tatsache wird die Stromausbeute weiterhin verbessert, da die voneinander durch den Elektrolysestrom getrennten Elemente sich nicht wieder teilweise durch Diffusion vereinigen können.

Das Vorliegen einer Abschirmung gestattet auch, die Elektroden näher zueinander anzuordnen.

Die Vorteile einer derartigen Vorrichtung werden durch die folgenden Ausführungen erläutert.

Beispiel

In einer bekannten Zelle (ohne Abschirmung) wird ein »klassisches« Bad zur Herstellung von Natrium elektrolysiert. Dieses Bad besteht aus 288 g Natriumchlorid und 512 g wasserfreiem Calciumchlorid. Das so gebildete Bad wird gereinigt, damit Wasser und die Oxyde entfernt werden. Die Reinigung kann durch langsames Hindurchleiten von 121 trockener Salzsäure durch das Bad bewirkt werden, das bei einer Tempratur von 565° C im geschmolzenen Zustand gehalten wird.

Bei einer Betriebsweise ohne Abschirmung stellt man bei einem Elektrolysestrom von 2 A folgende Werte fest:

Klemmenspannung 6 V

Stromausbeute 55^o

Energieverbrauch 13 kWh/kg Natrium

Bei der Anordnung der erfindungsgemäßen nichtleitenden Abschirmung stellt man bei dem gleichen Elektrolysestrom von 2 A folgende Werte fest:

Klemmenspannung 7,29 V

Stromausbeute 92%

Energieverbrauch 9,1 kWh/kg Natrium

Dies entspricht einer relativen Vergrößerung der Stromausbeute von etwa 75¹Vo und einer Verringerung des Energieverbrauchs von etwa 30% im Vergleich zur bekannten Zelle ohne Abschirmung. Hierdurch wird der überraschende Vorteil aufgezeigt, der durch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle erzielt wird.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Zelle für die schmelzelektrolytische Herstellung von Alkali- und Erdalkalimetallen mit einer isolierenden, zwischen den Elektroden angeordneten Abschirmung, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Abschirmung zum Zellenboden hin sich in einer Höhe befindet, die höchstens gleich, vorzugsweise jedoch tiefer als die Höhe (/z) ist, die dem Abstand des Endes der Kathode vom Zellenboden entspricht.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Anode koaxial zur Abschirmung und zur Kathode angeordnet ist und daß das Verhältnis von Anodenoberfläche zur Kathodenoberfläche größer als 1 ist und einen Wert von 20 erreichen kann.

In Betracht gezogene Druckschriften: »Zeitschrift für Elektrochemie«, 43 (1937), S. 904 bis 906.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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