DE2053043A1 - Verfahren zur Herstellung von Magnesiumperchlorat hohen Reinheitsgrades - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Magnesiumperchlorat hohen Reinheitsgrades

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DE2053043A1 DE19702053043 DE2053043A DE2053043A1 DE 2053043 A1 DE2053043 A1 DE 2053043A1 DE 19702053043 DE19702053043 DE 19702053043 DE 2053043 A DE2053043 A DE 2053043A DE 2053043 A1 DE2053043 A1 DE 2053043A1
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    • C01F5/14Magnesium hydroxide
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Description

HAMBURG-MÜNCHEN ZTTSTELLTINGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NETTER WALL 41
TKL. 3*74 88 UND S«411S
TKLBQR. NIOIDAFITENT HAMBURG
ΙΙΟΟΏΏ CIISIHCAL CORPORATION München ia · mozartstr. »a
Grand !.land, JUv Terk/üSA "l-BS80SM
m,mm^mm^ TBtEGR. NBGXDAFATBNT MÜNCHIN
Hamburg, den 26. Oktober 1970
Verfahren zur Herstellung von Magnesiuraperchlorat
hohen Reinheitsgrades
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hagnesiumperchlorat, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von wässrigen Lösungen hoch reinen Magnesiumperchlorats.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung von Hagnesiumperchlorat beschrieben. Die direkte Einwirkung von Perchlorsäure auf Magnesiummetall ist nur bei der Herstellung im Labormaßstab zur Anwendung gekommen. Da diese Reaktion stark exotherm verläuft und große Mengen Wasserstoff-Gas frei werden, ist sie für die Herstellung in technischem MBstab ungeeignet. In der Technik ist Magnesiumperchlorat durch Umsetzung von Perchlorsäure mit Ilagnesiumcarbonat oder Magnesiumoxyd, wie diese Verbindungen in der Natur vorkommen, hergestellt worden. Diese natürlichen Materialien enthalten Verunreinigungen, wie Eisen und andere Schwermetalle, Chloride
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und Sulfate, die durch die normalen Reinigungsverfahren, wie Umkristallisieren, nicht entfernbar sind. In ähnlicher Weise kann Magnesiumperchlorat durch Metathese von Magnesiumsalζen mit Salzen der Perchlorsäure, wie Ammoniumperchlorat, hergestellt werden. Bei derartigen Verfahren werden Verunreinigungen von beiden Reaktanten eingeschleppt und die Reinigung noch weiter kompliziert.
ψ Ein Verfahren zur Herstellung von Magnesiumperchlorat verläuft auf dem Wege der Umsetzung von Magnesiumoarbonat mit Perchlorsäure. Dabei wird konzentrierte Perchlorsäure zu einem Überschuß von Magnesiumcarbonat in einer zur Lösung des Endproduktes ausreichenden Menge Wasser gegeben. Das Reaktionsgemisch wird während der Zugabe der konzentrierten Perchlorsäure gerührt, um das Entweichen des dabei entstehenden Kohlendioxyds zu beschleunigen. Die Umsetzung wird nicht bis zur Beendigung durchgeführt, so daß etwas Magnesiumcarbonat nach Beendigung
k unumgesetzt im Reaktionsgemisch vorliegt, um die Fällung von Eisen zu begünstigen. Das Reaktionsgemiach wird filtriert, um überschüssiges Magnesiumcarbonat und irgendwelche Eisenoxyd-Hydrate zu beseitigen.
Das resultierende Produkt kann zu wasserfreiem Magnesiumperchlorat dehydratisiert werden, das 0,02 Jb unlösliches, 0,01 $ Chlorid, 0,005 # Sulfat, 0,001 # Eisen, 0,001 $ Schwermetalle, 0,05 9& Kalium, weniger als 8 $ Wasser enthält, und in 5 ^- wässriger Lösung einen pH-Wert zwischen 5»0 und 8,0 hat.
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Aufgabe der Erfindung ist»ein sicheres und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung wässriger Lösungen -von Magnesiumperchlorat aus Magnesiummetall und Perchlorsäure zu schaffen.
Die Reaktionsbedingungen sollen genau regelbar sein, so daß eine zweite und unkontrollierte Nebenreaktion, die zu unerwünschten Nebenprodukten führen würde, vermieden wird. Die Aufgabe wird im wesentlichen durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine hoch disperse wässrige Aufschlämmung von Magnesiumoxyd-Hydrat durch Umsetzung von Magnesiummet al Jjartikeln mit Wasser in Gegenwart einer
aktivierenden Menge Perchlorsäure hergestellt und anschließend Perchlorsäure zur Bildung einer wässrigen Lösung von
Magnesiumperchlorat in kontrollierter Geschwindigkeit zugegeben wird.
Es ist gefunden worden, daß eine wässrige Lösung von
Magnesiumperchlorat in hohem Reinheitsgrad durch Umsetzung
von Magnesiummetall mit Wasser in Gegenwart einer aktivierenden Menge Perchlorsäure zur Bildung eines Reaktionsgemisches und anschließendes allmähliches Zufügen von konzentrierter
Perchlorsäure zum Reaktionsgemisch, hergestellt werden kann.
Nachstehend wird die Erfindung ins Einzelne gehend beschrieben.
Eine wässrige Lösung von Magnesiumperchlorat hohen Reinheitsgrades kann durch die Umsetzung von Kagnesiumiiietall mit
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überschüssigem Wasser in Gegenwart einer kleinen Menge HClOr als Znitiater und anschließende Zugabe von konzentrierter Perchlorsäure zum Reaktionsgemisch hergestellt werden.
Um Verunreinigung des Reaktionssystems zu vermelden, 1st
es am zweckmäßigsten, Magnesiummetall höchsten Reinheitsgrades
zu verwenden. Magnesiummetall mit 99»β $ Magnesium ist
ein Ausgangsreaktant guten Reinheitsgrades, vorzugsweise wird
Magnesiummetall mit 99$95 f> Magnesium eingesetzt·
Der Schlüssel des Problems, eine sehr reine wässrige Lösung von Magnesiumperchlorat herzustellen, liegt in der Einführung von Verunreinigungen mit den Reaktanten. Obwohl destilliertes oder deionisiertes Wasser verwendet werden kann, reicht gewöhnlich der Reinheitsgrad des Leitungswassers aus, um Magnesiumperchlorat akzeptablen Reinheitsgrades zu erhalten.
Bei der Umsetzung von M/elum mit Wasser wird das Wasser in einem stöchiometrischen Überschuß, also in einer größeren Menge als zur Herstellung eines Magnesiumoxydhydrates erforderlich ist, eingesetzt. Es wird so viel Wasser verwendet, wie für die Erhaltung der gewünschten Konzentration des Magnesiumperchlorats im Endprodukt erforderlich ist, sie ist nur durch die Löslichkeit des Magnesiumperchlorat-Hexahydrats begrenzt. Wenn das Magnesiumperchlorat nachher als wässrige Lösung verwendet wird, kann die Menge Wasser so eingestellt werden, daß die gewünschte Konzentration anfällt, ohne daß
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ein weiteres Konzentrieren oder Verdünnen des Reaktionsgemisches nötig wird. Bei einer typischen Handeleform wird die Konzentration der fertigen Magnesiumperohloratlösung so gewählt, daß die Lösung bei -17.78 °C (θ °f), mit dem bloßen Auge betrachtet, klar ist. Um eine konzentrierte, bei-17»78 C klare Magnesiumperchloratlösung herzustellen, muß die Menge Wasser, die während der Reaktion eingesetzt wird, so gewählt sein, daß eine bis zu 68,4 fä, vorzugsweise etwa 66,8 $ Magnesiumperchlorat enthaltende Lösung, berechnet als Hexahydrat, entsteht. Die konzentrierte Lösung ist besonders zweckmäßig, da sie am wirtschaftlichsten zu lagern, zu transportieren und zu handhaben ist.
Die Umsetzung von Magnesitimme tall mit Wasser verläuft langsam und nicht voraussagbar. Auf der Metalloberfläche bildet sich ein haftender Überzug der Reaktionsprodukte, wie Magnesiumoxyd, Magnesiumoxyd-Hydrat und Magnesiumhydroxyd, Die Zusammensetzung und Form dieser Abscheidungen hängt von den örtlichen Reaktionsbedingungen und der Reaktionstemperatur ab.
Um eine kontrollierte und reproduzierbare Reaktion von Magnesiummetall mit Wasser zu erhalten, ist es notwendig, ein Mittel zuzugeben, das die Reaktion auslöst und fördert. Die Reaktion sollte auch in der Weise ablaufen, daß ein Reaktionsprodukt von Magnesiummetall mit Wasser in einer Form anfällt, die leicht bei der anschließenden Reaktion mit Perchlorsäure in Magnesiumperchlorat übergeführt wird. Es ist ferner zweck-
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— ο -
mäßig, daß dieser Zusatz das Endprodukt nicht verunreinigt. Es ist nun gefunden worden, daß alle diese Anforderungen durch Zusatz einer kontrollierten Menge Perchlorsäure zur wässrigen Aufschlämmung der Magnesiummetallpartikel erfüllt werden. Um die Umsetzung von Magnesium mit Wasser auszulösen und zu beschleunigen, können etwa 0,05 ble etwa 30 $ der für die ganze Reaktion erforderlichen Menge Perchlorsäure eingesetzt werden. Vorzugsweise werden 0,1 bis 0,7 $ der " für die Umsetzung allen Magnesiummetalls zu Magnesiumperchlorat erforderlichen Menge eingesetzt.
Durch Variieren der Menge Perchlorsäure, die dem Waaser-Magnesiummetall-Gemisch zugefügt wird, kann die Konsistenz des als Zwischenprodukt gebildeten Magnesiumoxydhydrates reguliert werden. Am zweckmäßigsten ist es, das Magnesiumoxydhydrat-Produkt in möglichst geringer Viskosität zu erhalten. Etwa 0,1 bis 0,7 $ der zur vollständigen Umsetzung erforderk liehen stöchiometrischen Menge Perchlorsäure müssen der Mischung von Wasser und Magneβiummetall zugegeben werden, um ein Magnesiumoxydhydrfitprodukt zu erhalten, das eine körnige Aufschlämmung darstellt. Bei Zusätzen von Perchlorsäure als
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Inicator von 0,7 bis 5 $, wird ein Produkt mit höchster Viskosität (tatsächlich ein thixotropes Magnesiumoxydhydrat) erhalten. Es ist zweckmäßig und «ehr vorteilhaft, die Viskosität des Magnesiumoxydhydrates so einzustellen, daß während der Umsetzung mit konzentrierter Perchlorsäure das Produkt schnell durch die Phase höchster Viskosität hindurchgeht. Je mehr
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Perchlorsäure dem Magnesiummetall und Wasser zugegeben wird, um so größer ist die Reaktionsgeschwindigkeit und um so schneller der Temperaturanstieg während der Anfangsphase der Reaktion.
Es ist gefunden worden, daß es am zweckmäßigsten ist, das Magnesiummetall in Wasser von Raumtemperatur und eines pH-Wertes von etwa 7 zu geben, so daß keine Reaktion zwischen dem Magnesiummetall und dem Wasser eintritt, bis e» erwünscht ist. Sauerstoff und Kohlendioxyd wird dann aus dem Reaktor durch Hindurchleiten eines inerten Gases, wie Stickstoff oder Argon, entfernt. Danach wird die Umsetzung zwischen Magnesium und Wasser durch Zugabe einer kleinen Menge Perchlorsäure ausgelöst.
Die Umsetzung von Magnesiummetall mit Wasser ist sehr exotherm, etwa 2/3 der ganzen Reaktionswärme wird in dieser Stufe frei. Die Umsetzung von Magnesiummetall mit Wasser wird am besten bei Siedepunkt des Wassers ausgeführt, wobei die Wärme, die beim Verdampfen des Wassers frei wird, entfernt wird. Der so gebildete Wasserdampf kann kondensiert und in das Reaktionsgefäß zurückgeführt werden, oder das verdampfende Wasser kann durch Zugabe der gleichen Menge Frischwassers ersetzt werden. Dadurch wird ein isothermer Ablauf der Reaktion bewirkt, was eine glatte und gute geregelte Umsetzung gewährleistet. Wenn alles Wasser aus dem Reaktionsgemisch Magnesiummetall-Wasser verdampfen konnte, wird die Reaktion trocken und schnell aufhören, da Wasser einer der Reaktanten ist. In jedem
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Fall wird die Reaktion bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und Rückflußtemperatur des Systems durchgeführt. Wenn gewünscht, kann Außenkühlung angewendet werden, um die Reaktionstemperatur zu regeln·
Zu der Suspension des Magnesiumoxyd-Hydrates wird allmählich eine konzentrierte Perchlorsäurelösung zugegeben. Die Konzentration der verwendeten Perchlorsäure ist nicht kritisch, es kann das handelsübliche Produkt, welches 6o bis JZ Gew.-^ Perchlorsäure enthält, benutzt werden. Etwa 1/3 der gesamten Reaktionswärme wird während der Umsetzung von Magnesiu«ox.vdhydrat mit Perchlorsäure frei» Das Reaktionsmedium wird gerührt, um eine gleichmäßige Mischung und die Entfernung der Reaktionswärme durch die Gefäßwände sicherzustellen. Die Temperatur wird vorzugsweise unter dem Siedepunkt des Gemisches gehalten und durch die Geschwindigkeit der Perchlorsäurezugabe geregelt.
Zu der Lösung von Magnesiumhydroxyd oder Magnesiumoxydhydrat wird eine stöchiometrische Menge konzentrierter Perchlorsäure gegeben. Nach Beendigung der Zugabe der stöchiometrischen Menge Perchlorsäure wird noch ein geringer Überschuß zugegeben, um das Reaktionsprodukt auf die saure Seite von pH 7 zu bringen. Dem sauren Reaktionsprodukt wird dann ein Reagenz zugegeben, welches den pH-Wert auf praktisch neutral einstellt.
Es ist gefunden worden, daß Mange5iuracarbonat das idenle
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* III
Reagenz zum Zusetzen zur Magnesiumperchloratlosung ist. Die erforderliche Menge ist zu gering, um störende Verunreinigungen einzuführen. Das Magnesiumcarbonat reagiert mit der restlichen Perchlorsäure unter Bildung von Magnesiumperchlorat und gibt ein neutrales Produkt. Ein Überschuß über die zur Neutralisierung der Perchlorsäure nötige Menge wird angewandt, um ein schnell filtrierbares festes Absorptionsmittel zu schaffen, welches restliche Schwermetallsalze aus der Lösung entfernt.
Das Produkt wird zur Entfernung ausgefallener Verunreinigungen filtriert, wobei eine wässrige Lösung von Magnesiumperchlorat erhalten wird, welche enthält: weniger als 0,2 ppm, im allgemeinen weniger als 0,1 ppm Eisen, weniger als 10 ppm Calcium, 0,004 <ß> Chloridionen, weniger als 0,002 $ Chlorationen, weniger als 5 ppm Schwermetalle, wie Silber, Blei, Quecksilber, Wismut, Kadmium, Kupfer, Zinn, Antimon und Arsen, weniger als 0,001 $ Sulfationen mit einer sehr geringen Spur unlöslichen Materials, das visuell auf unter 0,001 fo geschätzt wurde,
Magnesiumperchlorat in wässriger Losing findet zur Herstellung von langlebigen Magnesiunibatterien Verwendung, die in warmen, feuchten Orten gelagert und aufbewahrt werden, wo Magnesiumbatterien sich durch LagerungsStabilität auszeichnen. Im allgemeinen sind solche Magnesiumbatterien Primärzellen,
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bei welchen das Gehäuse aus Magnesium hergestellt ist und der Elektrolyt von einer Mischung aus Kohlenstoff, H&Bgam dioxyd, Bariumchromat und Magnesiumhydroxyd gebildet wird, die mit Magneaiumperchlorat unter Bildung einer Paste angefeuchtet wird, die hydraulisch in eine Form gegossen und in dem Gehäuse verkeilt wird, wonach eine Kohlenelektrode in die Mitte der Batterien eingesetzt wird. Diese Primärzellen finden Verwendung als Kraftquellen für Radios usw. Bei der Verwendung zur Herstellung einer Magnesiumbatterie verkürzt schwach verunreinigtes Magnesiumperchlorat die Lebensdauer der Datterie. Stark verunreinigtes Magnesiumperchlorat macht die Batterie unbrauchbar. Daher ist die Schaffung einer hochreinen wässrigen MagneslumchloratIb"sung von größter Bedeutung für die Technik. In der Praxis wird eine konzentrierte Magnesiumperchloratlösung für die Verwendung als Batterieelektrolyt auf eine Konzentration von etwa 5 $ verdünnt.
I BEISPIEL I
In einen mit einem Rückflußkühler und einem Rührer versehenen Rundkolben, der in ein Wasserbad gestellt war, wurden 51|53 S (2,11 Mol) Magnesiumspäne gegeben. Das Gefäß wurde kontinuierlich mit einem Stromßlfreien Stickstoffes durchspült. Den Magnesiumspänen wurden 381 g (21,16 Mol) destilliertes Wasser zugefügt. Zu der im Gefäß befindlichen Mischung wurden etwa 50 ml Perchlorsäure langsam zugegeben. Nachdem die
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Reaktion begonnen hatte, begann die Temperatur des Reaktionsgemisches zu steigen. Es fand eine lebhafte Reaktion unter Bildung von Magnesiumhydroxyd (Magnesiumoxydhydrat) statt. Die Temperatur des Reaktionsgefässes hielt sich selbst zwischen 85 und 90 C. Nach etwa k$ Minuten wurde das Reaktionsgemisch sehr viskos. Danach wurde die übrige Perchlorsäure (Dichte etwa 1,65) langsam in das Reaktionsgefäß
-iff·
gegeben (7I #/HC10^, 57^,0 g, das sind k,07 Mol). Die
Temperatur des Reaktionsgemisches wurde auf 90 C erhöht, um vollständige Umsetzung des Magnesiummetails zu sichern. Nach Beendigung der Reaktion waren einige kleine Stückchen Magnesium im Gefäß zurückgeblieben. 10 g Magnesiumcarbonat wurden zugesetzt und das Gemisch bei 90 C etwa 10 Minuten gerührt. Dann wurde das Reaktionsgemisch filtriert, wonach 878,2 g eines Produktes, das etwa 2k ppm Chloridionen enthielt, erhalten wurde.
BEISPIEL II
Das Verfahren nach Beispiel I wurde wiederholt, ausgenommen, daß etwa 25 ml Perchlorsäure in die Magnesiummetall-Wasser-Mischung bei einer Temperatur von 25 C gegeben wurden. Die Reaktion setzte lebhaft ein und hielt sich etwa 37 Minuten selbst aufrecht. Nach dieser Zeit imrde mit der Zugabe der konzentrierten Perchlorsäure begonnen. Die Perchlorsäure wurde in einer Zeit von 18 Minuten zugegeben. Kühlen war nicht
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nötig. Nach Beendigung der Reaktion wurden der Reaktionsmischung 10 g Natriumcarbonat zugesetzt, das Gemisch kontinuierlich gerührt und bei einer Temperatur von etwa 90 C 1 Stunde gehalten , wonach filtriert wurde. Es wurden 929»2 g einer wässrigen Magnesiumperchloratlösung erhalten. Das Reaktionsprodukt enthielt etwa 18,3 ppni Chloridionen.
BEISPIEL III
Das folgende Beispiel zeigt die Anwendung der Erfindung in verschiedenen Versuchen, bei welchen von 101,4 g Magnesiumspänen, sowohl von Magnesium eines Reinheitsgrades von 991 8 als auch von 99*95 $> ausgegangen wurde. Es wurde eine stöchiometrische Menge konzentrierter (70 bis 72 %-iger) Perchlorsäure zugegeben, und nachdem die Reaktion etwas abgeklungen war, wurde ein geringer Überschuß Perchlorsäure zugegeben. Es wurde mehr Wasser eingesetzt,als für die Umsetzung mit den Magnesiumspänen erforderlich gewesen wäre, so daß eine bis zu 68,4 fo Magnesiumperchlorat enthaltende Lösung, berechnet als Ilexahydrat, erhalten wurde. Bei Konzentration über 68,4 c/o Hexahydrat wird die wässrige Lösung trüb statt klar.
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- 14 - (Fortsetzungo)
Analyse
1 0 Cl" <o, 002 Schwermetalle
(ppm)**
<D,001 Insol.
Material 0Jo
Mg(C
6H2O
4 Klarheit
-17,78 °C
Vers 3 2 0 ,oo4 <o, 002 <5 ^0,001 Spur*** 68, 2 klar
Vers. 3 0 ,oo4 <o, 002 <5 0 Spur*** 69, 4 trüb
Vers. 0 ,oo4 <o, 002 <5 0 O 68, 8 klar
Vers. 5 0 ,oo4 <o, 002 0 Spur*** 67, klar *w
Vers. 6 0 ,004 002 *5 <0,001 Spur*** klar
Vers. 7 ,oo4 Spur*** klar
Vers ο
bezogen auf die für die vollständige Umsetzung der HClO, erforderlichen Menge MgCO„
** Scfrwermetalle, einschl. Ag, Pb, Hg, Bi, Cd, Cu, Sn, Sb und As. Erhalten durch Fällung mit H„S in saurem Medium
*** geschätzt etwa ^0,001 $ - dtirch vistxelle Beobachtung
CD cn co
O CO

Claims (10)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Magnesiumperchlorat hohen Reinheitsgrades, dadurch gekennzeichnet, daß Magnesiummetall mit Wasser in Gegenwart einer aktivierend wirkenden Menge Perchlorsäure umgesetzt und danach dem Reaktionsgemisch allmählich konzentrierte Perchlorsäure zur Bildung von Magnesiumperchlorat zugegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnesiummetal in Wasser eines pH-Wertes von etwas über 7 gegeben, das Reaktionsgefäß mit einem inerten Gas durchgespült und dann die aktivierend wirkende Menge Perchlorsäure allmählich zugegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung von Magnesium mit Wasser in inerter Atmosphäre unter Rückfluß vorgenommen wird.
h, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß deionisiertes Wasser verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aktivierung der Reaktion zwischen Magnesium und Wasser 0,1 bis 0,7 'f> der zur vollständigen Umsetzung erforderlichen Menge Perchlorsäure! zugogeben wird.
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6. Verfahren nach Anspruch 1, drdurch gekenn^eiclmet, Cr-.) so viel Perchlorsäure tut Aktivierung zubegeben wird, dt 0 eine viskose thixotrope Suspension von !'iagnesiumoxydhydrat resultiert.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dan Reaktioiisgemisch während der Zugabe der konzentrierten i'erchlorsüure lebhaft gerührt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung der Zugabe der stöchiometrischen kenge Perchlorsäure noch ein geringer Überschuß an Perchlorsäure zugegeben wird, um ein saures Produkt zu erhalten, das anschließend, neutralisiert wird und dann zur Entfernung eventuell vorhandener fester Verunreinigungen aus der wässrigen Hagnesiumperchloratlösung filtriert wird,
9· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reaktionsmediums durch die Geschwindigkeit, mit der die Perchlorsäure zugegeben wird, reguliert wird,
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Magnesium eines Heinheitsgrades von 99fÖ > eingesetzt wird.
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