DE1173669B - Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Zink hoher Reinheit - Google Patents

Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Zink hoher Reinheit

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DE1173669B
DE1173669B DEM49554A DEM0049554A DE1173669B DE 1173669 B DE1173669 B DE 1173669B DE M49554 A DEM49554 A DE M49554A DE M0049554 A DEM0049554 A DE M0049554A DE 1173669 B DE1173669 B DE 1173669B
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Germany
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lead
anode
diaphragm
zinc
electrolyte
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DEM49554A
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Giovanni Scacciati
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IAMONTEVECCHIOIA SOC IT DEL PI
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IAMONTEVECCHIOIA SOC IT DEL PI
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C25C1/16Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of zinc, cadmium or mercury
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/04Diaphragms; Spacing elements

Description

  • Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Zink hoher Reinheit Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Gewinnung von Zink unter Verwendung einer Anode aus Blei oder aus einer Bleilegierung.
  • Es ist bekannt, daß zur Gewinnung von stabilen, alterungsbeständigen Feinzinklegierungen sehr reines Zink mit einem Bleigehalt von höchstens 0,003% verwendet werden sollte. Ein zu diesem Zweck lange Zeit verwendetes Verfahren war das der Destillation des Zinks.
  • Es ist mehrfach versucht worden, die elektrolytischen Verfahren weiterzuentwickeln, sei es, daß man auf die Amalgamelektrolyse zurückgriff oder übliche schwefelsaure Bäder verwendete mit löslichen Zinkanoden (d. h. durch ein elektrolytisches Raffinationsverfahren) oder auch mit unlöslichen Anoden, die gewöhnlich aus einer Blei-Silber-Legierung bestehen (d. h. durch ein elektrolytisches Extraktionsverfahren unter Verwendung eines Elektrolyten: saure Zinksulfatlösung mit Mn-Gehalt; AI-Kathode).
  • Die Einführung der Verwendung von Diaphragmen verschiedener Art in Elektrolysezellen, welche es ermöglicht hatte, einige Verbesserungen zu erreichen, hat jedoch andere Schwierigkeiten hervorgerufen, weshalb die in der Praxis erzielten Ergebnisse nicht als zufriedenstellend betrachtet werden konnten.
  • Ferner erschöpfte sich die Wirkung des Diaphragmas als einfaches Filtermittel; es verhindert, daß der Elektrolyt und folglich auch die kathodische Zinkabscheidung durch den an der Anode gebildeten und sich von ihr lösenden Schlamm verunreinigt werden. Mit anderen Worten, das Diaphragma hatte bis jetzt die Aufgabe, den Durchgang fester Teilchen von der Anode zur Kathode mechanisch zu verhindern und gleichzeitig für den Elektrolyten und für den .Strom, der an der Metalloberfläche der Anode entladen wird, den Weg freizuhalten.
  • Unter diesen Umständen kann das in der Lösung in Form von PbS04 anwesende Blei nicht vom Diaphragma zurückgehalten werden und scheidet sich zusammen mit dem Zink ab.
  • Die Erfindung führt hingegen ein vollkommen anderes Prinzip ein, nämlich das Diaphragma selber wird als Hilfsanode verwendet, auf welcher sich ein Teil des Stromes entlädt; gleichzeitig verhindert es jegliche Übertragung des Elektrolyten von der Anode zur Kathode und schafft im Anolyten Bedingungen, die die Löslichkeit des PbS04 im wesentlichen auf Null herabsetzt.
  • Unter diesen Umständen ist die Wirksamkeit der Anode aus Blei oder Bleilegierung in der Praxis darauf beschränkt, hauptsächlich als Stromleiter zu wirken, während alle anodischen Vorgänge auf die Hilfsanode übertragen werden, die aus dem zwischen der Anode und dem Diaphragma befindlichen Anolyt und der Oberfläche des Diaphragmas selber besteht. Insbesondere wird die Bildung einer Mangandioxydschicht auf der Oberfläche des Gewebes des Diaphragmas hervorgerufen.
  • Diese Manganoxydschicht, die elektrisch leitend ist, ist - ebenso wie die Bleianode - positiv geladen und wirkt daher nicht nur als Diaphragma, sondern auch als Hilfsanode.
  • Zu diesem Ergebnis trägt auch wesentlich der Nebenumstand bei, daß das abgeschiedene Mangandioxyd das Diaphragma fast undurchlässig macht, weshalb die Acidität der von diesem Diaphragma eingeschlossenen Anodenflüssigkeit auf viel höhere Werte als normal steigt und Konzentrationen freier Schwefelsäure von 250 bis 280 g/1 erreicht.
  • Die Erfindung sieht demnach ein Verfahren zur Herstellung von Zink hoher Reinheit mit einem Bleigehalt von weniger als 5 ppm und einem Reinheitsgrad von mindestens. 99,999% durch Elektrolyse einer Zinksulfatlösung unter Verwendung einer Blei-oder Bleilegierungsanode vor, wobei diese Anode zusammen mit einer Hilfsanode, die ein elektrolytundurchlässiges Diaphragma umfaßt, das die Blei-oder Bleilegierungsanode von der Kathode trennt, verwendet wird; dabei wird Mangandioxyd auf dem Diaphragma abgeschieden, um es elektrisch leitend zu machen. Es muß daher beachtet werden, daß die eigentliche Anode nicht mehr aus der Blei- oder Bleilegierunganode besteht wie in üblichen Elektrolysezellen, sondern aus folgendem Komplex: Bleiplatte, die als Hauptleiter wirkt, plus Anolyt, der stark sauer ist und eine andere Zusammensetzung aufweist als dei übrige Elektrolyt und auf Grund seines Säuregehaltes eine außerordentlich hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, plus Diaphragma, das mit ebenfalls leitfähigem Mangaridioxyd beschichtet ist und auf dem alle anodischen Erscheinungen wahrzunehmen sind (Sauerstoffentwicklung, Bildung von Peroxyden usw.), die gewöhnlich beim Blei eintreten.
  • Die Folge davon ist, daß bei erfindungsgemäßem Vorgehen die an der Zinkelektrolyse beteiligte anodische Oberfläche jetzt hauptsächlich aus einer Mangandioxydschicht besteht anstatt aus einer Schicht mit starkem Bleidioxydgehalt, wie sie auf der üblichen Anode gebildet wird. Ferner werden gleichzeitig auf Grund der hohen Agidität innerhalb des Diaphragmas ideale Bedingungen für eine wesentliche Herabsetzung der Pb0, Bildung (es ist festgestellt worden, daß die Krustenbildung auf der Anode auf ein Minimum reduziert wurde) und zur Senkung der Löslichkeit der Pb'+-Ionen im Elektrolyt der Zelle auf praktisch Null geschaffen.
  • Der Stoff des Diaphragmas muß einem verhältnismäßig hohen Säuregehalt widerstehen können (bis zu 309/o H,S04) und sehr dicht gewebt sein, um von Anfang an ein Hindernis für den Durchgang von Elektrolyt zu bilden. Die MnO.-Schicht, die, wie später erläutert, sich auf dem Stoff bildet, wird ihn dann für den Elektrolyt weitgehend undurchlässig machen. Ein Stoff, der diese Eigenschaften aufweist und im vorliegenden Falle sich als der geeignetste erwiesen hat, besteht aus sehr kompakten Einfadengarnen aus synthetischen Fasern auf Vinylharzbasis mit einem Gewicht von nicht weniger als 400 g/m2.
  • Eine sehr hohe Säurekonzentration von 250 bis 280 g H.,S04/1 sollte in der im Diaphragma enthaltenen Flüssigkeit erreicht werden. Es ist bekannt, daß die Löslichkeit des PbS04 im Elektrolyt für Zink mit steigendem Säuregrad schnell abnimmt; bei den genannten Säuregraden ist sie praktisch nicht existierend. Unter diesen Umständen wird das durch anodischen Angriff in Form von PbS04 gelöste Blei unmittelbar innerhalb des Diaphragmas gefällt und hat nicht die Möglichkeit, in den Kathodenraum einzudringen.
  • Offensichtlich bleibt das von der Anode in irgendeiner anderen unlöslichen Form abgeschiedene Blei (z. B. Pb0, oder mechanisch abgetrennte Teilchen) zusammen mit dem PbS04 innerhalb des Diaphragmas.
  • Die angegebenen Bedingungen werden dadurch geschaffen, daß der Diaphragmastoff so nah wie möglich an die Anodenoberfläche gelegt wird; das Diaphragma hat zweckmäßig die Gestalt eines Säckchens, das etwas größer ist als die Anode, in das die Anode selbst eingeführt wird.
  • Das beschränkte Volumen des Anolyten ermöglicht die Bildung eines hohen Säuregrades in diesem Anolyten.
  • Wegen des sehr geringen Abstandes zwischen dem Diaphragmastoff und der Oberfläche der Bleianode wird das Diaphragma in verhältnismäßig kurzer Zeit (2 oder 3 Tage) mit einer anhaftenden und ziemlich kompakten MnO 2 Schicht bedeckt; üblicherweise enthält der Elektrolyt für Zink 1 bis 5 g/1 Mn ++ in Lösung, wenn dies aber nicht der Fall ist, muß Mn- zugesetzt werden.
  • Mangandioxyd leitet den elektrischen Strom, und daher wird der von der Kathode zur Anode in der Zelle fließende Strom zu einem Großteil auf der gebildeten MnH.- Oberfläche verbraucht. Auf diese Weise wird eine zusammengesetzte Anode erhalten, die in ihrem, nnettn und am meisten geschützten Teil @ aüs einef' übli--dhen Bleilegierung, vorzugsweise einer Blei-Silber-Legierung, besteht, während sie in ihrem äußeren Teil, der vom Strom mehr unmittelbar getroffen wird, aus einem elektrisch und chemisch inerten Stoff und einer Mn02 Schicht, auf die der größte Teil des Stromes wirkt, besteht, was eine lebhafte Sauerstoffentwicklung zur Folge hat. Diese Schicht kann offensichtlich kein Blei abscheiden, da sie bleifrei ist. Zwischen den beiden Oberflächen umfaßt die zusammengesetzte Anode eine Zwischenschicht aus Anolyt mit hoher Agidität, in der alle gegebenenfalls vorhandenen Bleiverbindungen unlöslich sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die grundlegenden Bedingungen für die Vermeidung einer Übertragung von Blei in jeglicher Form von der Anode zur Kathode geschaffen; dabei wird kathodisch Zink abgeschieden mit einem Bleigehalt unter 5-10-40/0 und sogar unter 2 bis 3-10-40/0, d. h. Zink mit einer Reinheit über 99,999%. Die Zusammensetzung ist z. B. wie folgt: 0,0002% P1, 0,0002 9/o Cd 0,0002% Cu 0,0001 91o Ni 0,0002% Fe 99,9990l0 Zn Die erfindungsgemäße Zelle arbeitet am besten mit niedriger Stromdichte von 200 bis 250 A/mp und einer Zellentemperatur von nicht über 35° C. Die der Zelle zugeführte Lösung ist ein neutraler Elektrolyt (eine wäßrige Lösung von Zinksulfat mit einem Mangansulfatgehalt), die verbrauchte Lösung weist einen verhältnismäßig niedrigen Säuregehalt von 50 bis 60 g H,S04/1 auf; sonst steigt der Säuregrad der Anolyten innerhalb des Diaphragmas übermäßig.
  • Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen wird eine Elektrolysezelle gemäß der Erfindung dargestellt.
  • F i g. 1 ist ein senkrechter Längsschnitt; F i g. 2 und 3 sind Querschnitte einer Kathode bzw. Anode, und F i g. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform. In F i g. 1 ist A die Zuführung des neutralen Elektrolyten, B der Abfiuß des sauren Elektrolyten, 1 die Anode, 2 das Säckchendiaphragma, 3 die Kathode und 4 die gesamte Zelle: in F i g. 4 bedeuten 5 U-förmige Glieder, die an das Querglied 6 gehakt sind, um das Säckchendiaphragma 2 festzuhalten.
  • Die Mangandioxydbildung wird ermöglicht durch die an sich bekannte Gegenwart von Manganionen im verwendeten Elektrolyt, und die erreichbare Reinheit hängt auch von der Reinheit des zugeführten neutralen Elektrolyts ab, der weniger als 0,0002 g Cd/1 enthalten und bleifrei sein soll.
  • Die Zellen können aus gewöhnlichem Material bestehen, das aber mit bleifreiem säurebeständigem Material, wie Polyvinylchlorid, ausgekleidet ist. Hauptsächlich auf Grund der größeren Dichte der Anodenflüssigkeit im Vergleich zur Kathodenflüssigkeit neigen die Diaphragmen dazu, zu schwellen und dadurch das erforderliche Haftvermögen am Blei zu verlieren und sogar die Kathode zu berühren. Dieser Nachteil kann. durch U-förmige Glieder, die z. B. aus mit Polyvinylchlorid ausgekleidetem Eisen bestehen und, wie in F i g. 4 gezeigt, die Säckchen festhalten, verhindert werden.
  • Der Elektrolyt soll vorzugsweise durch übliche (nicht dargestellte) Mittel auf 30 bis 35° C abgekühlt werden.
  • Die Anoden sind aus üblichem Blei oder aus einer üblichen Bleilegierung (z. B.. mit 1% Ag.-Gehalt).

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Zink mit einem Bleigehalt von weniger als 0,0005% und einer Reinheit von mindestens 99,999% durch Elektrolyse einer Zinksulfatlösung unter Verwendung einer Anode aus Blei oder einer Bleilegierung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anode zusammen mit einer Hilfsanode verwendet wird, die aus einem elektrolytundurchlässigen Diaphragma besteht, auf welchem Mangandioxyd abgeschieden ist, und welche die Bleianode von der Kathode trennt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt eine Manganionen enthaltende Zinksulfatlösung verwendet wird und das elektrolytundurchlässige Diaphragma direkt aus einem durchlässigen Diaphragma durch elektrolytische Scheidung von Mangandioxyd auf diesem während der Elektrolyse gebildet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, d.aß ein Diaphragma verwendet wird, das so gestaltet ist, daß es die Bleianode umgibt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diaphragma in Form einer zylindrischen Hülse verwendet wird, die an ihrem unteren Ende geschlossen ist und solche Abmessungen hat, daß seine Innenfläche in die unmittelbare Nähe der Bleianode gebracht wird.
  5. 5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kathode aus einer Aluminium-Mangan-Legierung verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anolyt verwendet wird, der einen Schwefelsäuregehalt von 250 bis 280 g/1 aufweist. In Betrach gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 812 722, 816 022; USA.-Patentschrift Nr. 2 539 681; Zeitschrift »Angewandte Chemie«, 62 (1950), S.519/520.
DEM49554A 1960-07-05 1961-07-04 Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Zink hoher Reinheit Pending DE1173669B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4627899A (en) * 1985-02-15 1986-12-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior Electrolytic cell and methods combining electrowinning and electrochemical reactions employing a membrane or diaphragm

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2539681A (en) * 1948-10-26 1951-01-30 American Smelting Refining Process for the electrodeposition of zinc
DE812722C (de) * 1948-10-28 1951-09-03 Hudson Bay Mining & Smelting Verfahren zur elektrolytischen Raffination von Zink
DE816022C (de) * 1948-11-12 1951-10-08 Hudson Bay Mining & Smelting Verfahren zum elektrolytischen Niederschlagen von Zink

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