DE2656579C2 - Vorrichtung für die elektrolytische Erzeugung von Metall - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die elektrolytische Erzeugung von Metall durch Elektrolyse einer Verbindung des Metalls, die bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls in einer schmelzflüssigen Lösung gelöst ist, mit einem Behälter, der die schmelzflüssige Lösung aufnimmt und in dem das gebildete Metall in einem Metallsumpf gesammelt wird, mit einer Anode, deren Elektrodenoberfläche mindestens teilweise in dem Behälter angeordnet ist, und mit einer Gruppe herausragender kathodischer Elemente.

In der GB-PS 8 26 634 ist ein Verfahren zur elektrolytischen Erzeugung von Metall beschrieben, bei welchem eine Verbindung des Metalls zwischen den kathodischen und anodischen Elektrodenoberflächen elektrolysiert wird. Dort ist die Kathode aus einer Gruppenanordnung von Elementen gebildet, die zur anodischen Fläche hin vorstehen. Da diese Elemente nur geringfügig in das Schmelzmetall ragen, besteht die Gefahr, daß dort Wellenbewegungen entstehen und auch der Energieverbrauch unverhältnismäßig hoch wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs umrissenen Art anzugeben, mi» welcher es möglich ist eine höhere Metallgewinnung pro Einheit bei reduziertem Stromverbrauch zu erzielen, ohne dabei technisch aufwendige Mittel einsetzen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gruppe von Elementen zur Seitenwand des Behälters freistehend angeordnet sind und aus dem Metallsumpf in die Lösung in Richtung auf die Anodenoberfläche hineinragen und daß die Gruppe von Elementen eine Kathodenoberfläche bildet, deren Abstand χ von der Anodenoberfläche bis zu 31,8 mm groß iit.

Dabei ist der Abstand χ zwischen der Anodenoberfläche und der Kathodenoberfläche bis zu 25,4 mm, vorzugsweise bis zu 19,05 mm groß.

Zweckmäßig ist die Anode in bezug auf den Behälter so angeordnet, daß der den Metallsumpf von der Anodenoberfläche trennende Abstand y mindestens 38,1 mm, vorzugsweise mindestens 50,8 mm und insbesondere mindestens 63,5 mm groß ist.

Der Behälter berührt den Metallsumpf und macht ihn kathodischer als die Anodenoberfiäche, wobei er zur Aufnahme eines Aluminium enthaltenden Metallsumpfes bzw. einer Aluminiumoxid enthaltenden Lösung dient.

Zweckmäßigerweise sind die in einer Gruppe angeordneten Elemente Schmelze aufnehmende Hohlkörper, wobei jeder Hohlkörper in die Lösung in Richtung auf die Anodenoberfläche hineinragt und an dem Ende offen ist, das der Anodenoberfläche am nächsten liegt.

Dabei bildet der Hohlkörper Röhren und die Kathodenoberfläche eines Elementes ein Gitter.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Vorschlages besteht darin, daß die Elemente Stellen geringstmöglichen Abstandes χ zwischen Anode und Kathode bilden, so daß die elektrolytische Wirkung hauptsächlich an diesen Stellen stattfindet. Dies bedeutet einen geringstmöglichen Spannungsabfall des elektrolytischen Stroms durch den Lösungsmittelelektrolyt. Somit können magnetische Turbulenzen im Metallsumpf ein Erreichen minimaler Anoden-Kathoden-Abstände nicht behindern. Der Bereich des wirksamen elektrolytischen Effekts ist aus dem Bereich der oberen Fläche des Metallsumpfes in den Bereich der Enden der Elementengruppe gelegt, die aus dem Metallsumpf ragt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt einer Vorrichtung fur die

elektrolytische Erzeugung von Metall,

Fig.2 eine Schnittansicht längs der Linie U-II in Fig. 1,

F i g. 3 und 5 teilweise weggebrochene Vertikalschnitte anderer Ausführungsformen, wobei dsr Elektrolyt weggelassen ist,

F i g.4 und 6 und 8 Schnittansichtt;i längs der Linien IV-IV, VI-VI bzw. VIII-VIII der F i g. 3,5 bzw. 7,

Fig.9 eine Draufsicht des unteren Teils einer anderen Vorrichtung.

Von besonderer Bedeutung bei der in F i g. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung ist eine Kathodenfläche in Form einer Gruppe von Elementen als zylindrische Stäbe 10, die aus einem Metallsumpf 11 in die schmelzflüssige Lösung 12 hinein zur Anode 13 ragen, um eine Anzahl von Orten zu bilden, an denen der Abstand χ zwischen Anode und Kathode bis zu 31,8 mm beträgt Vorzugsweise ist dieser Abstand χ gleich oder geringer als 25,4 mm, am besten beträgt er gleich oder weniger als 19,1 mm. Mit abnehmendem Abstand χ sinkt auch der Spannungsabfall über der Lösung. Der Metallsumpf 11 wird beispielsweise beim Ablassen nicht so weit abgesenkt, daß die Lösung 12 den Boden der Vorrichtung berühren kann.

Der Umriß der Anode 13 ist in die Ebene der F i g. 2 projiziert, um zu zeigen, wie die Anode über der Gruppe der Elemente 10 dimensioniert und angeordnet ist

Eine Leitung 14 führt von der Stromquelle zur Anode und eine Kathodenzuleitung 15 von der Stromquelle zu einem leitenden Behälter 16, der mit den Elementen 10 in Berührung steht. Eine Isolierauskleidung 17 und eine Isolierhülse 18 befinden sich innerhalb des Behälters. Die Isolierhülse 18 erstreckt sich bis zur Anode 13, berührt diese und dient dazu, ein Kurzschließen des elektrischen Stroms zwischen der Leitung 14 und dem Behälter 16 zu verhindern. Dabei ist der Metallsumpf kathodischer als die Anode, weil der Metallsumpf 11 in Berührung mit dem leitenden Behälter 16 steht, der den Elementen 10 den Kathodenstrom zuführt. Ein Benetzen der Elemente mit erzeugtem Metall verhindert Ansammlungen größerer Metallkugeln auf den der Anode nächstliegenden Enden 20 der Elemente, so daß die Gefahr eines Kurzschlusses reduziert ist und sich eine Schutzbeschichtung des erzeugten Metalls auf den Elementen ergibt, so daß die Standzeit der Elemente verlängert ist. Der Abstand χ darf nicht so klein werden, daß der elektrische Strom von der Anode durch die Schmelze auf den Enden in die Elemente kurzgeschlossen wird, ohne durch die Lösung zu fließen. Je leichter die Elemente von dem erzeugten Metall benetzt sind, "><> desto weiter läßt sich der Abstand χ verkleinern, da dann auf den Enden 20 keine Metallansammlungen vorliegen. Dieser Vorteil der Benetzung gilt auch für die Ausführungsform nach F i g. 5 und 6, da die Schmelze in der Mitte der Rohre nicht nach oben vorsteht, was jedoch der Fall wäre, wenn das Material der Rohre von der Metallschmelze nicht benetzt werden würde. Ein typisch minimaler Abstand χ ist 6,4 mm, obgleich bei verbesserter Benetzung es durchaus vorsteilbar ist, daß sich χ auf 3,2 mm oder selbst 1,6 mm reduzieren läßt.

Da die Elemente in Form einer Gruppenanordnung vorgesehen sind, ist es gewährleistet, daß an den Orten minimalen Abstands zwischen Anode und Kathode, wo die Elektrolyse hauptsächlich stattfindet, die gelöste Metallverbindung ständig nachfließt. Um zu gewährleisten, daß die Puddel 21 der Lösung ausreichende Vorratsquellen der elektrolysierten Verbindung darstellen, ist es vorteilhaft, daß der Abstand y zwischen dem Metallsumpf und der Anodenoberfläche mindestens 38,1 mm, vorzugsweise 50,7 mm und am besten 63,5 mm beträgt

Die Elemente können auf dem Boden des Behälters regellos verteilt sein. Eine wirlcingsvolle Ausnutzung der Elektrolysezone ergibt sich, wenn die Gruppenanordnung regelmäßig ist Die Elemente sind in F i g. 2 als an den Ecken einer regelmäßigen Tesselation einander kongruenter Quadrate angeordnet gezeigt Eine weitere Möglichkeit der Anordnung wäre an den Ecken einer Tesselation aus gleichzeitigen Dreiecken. Die Terminologie der Geometrie basiert auf H. M. Cundy u. a. »Mathematical Models«, 2. Auflage. Oxford University Press{1961),S.59und60.

Während mindestens ein Teil der Elemente massiv sein muß, kann der Umriß auch beispielsweise der eines Ringes sein — vergleiche F i g. 6.

Eine Tesselation aus Rechtecken ist eine weitere Möglichkeit für eine Anordnung der Elemente, und die Elemente selbst können dann einen rechteckigen Umriß aufweisen — vergleiche F i g. 9.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 und 4 ist die Kathodenoberfläche in einer Form vorgesehen, in welcher die Gruppe der Elemente als in die Lösung eingesetztes Gitter 23 vorliegt Dabei wird der Kathodenstrom zwischen dem Gitter und der Stromquelle übertragen. Ein Pfosten 24 stützt das Gitter mittig ab und ist am Boden des Behälters 16 befestigt.

Auch hier ist die Schmelze vor dem Pfosten 24 nach F i g. 3 fortgelassen, um zu zeigen, daß der Pfosten 24 bis zum Behälterboden ragt. Dieser Pfosten ist mittig angeordnet, so daß sich das Gitter thermisch ausdehnen kann, ohne die Befestigung des Pfostens am Boden des Behälters zu beeinträchtigen. Dabei weist das Gitter eine der Anode 13 zugewandte Fläche 25 auf.

Wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 und 2 ist die Möglichkeit eines verringerten Abstands χ zwischen Anode und Kathode gegeben, ohne daß magnetische Turbulenzen im darunterliegenden Metallsumpi 11 zu besorgen sind.

Diese Ausführungsform hat auch den Vorteil, daß ein Nachströmen der elektrolysierten Verbindung in die bei der Elektrolyse aktiven Bereiche aus den Elektrolytansammlungen in den Löchern 26 des Gitters und von der der Anode abgewandten Seite durch die Löcher möglich ist. Um dieses Nachströmen zu fördern, soll der Abstand y wenigstens 38,1 mm plus die Gitterdicke, vorzugsweise mindestens 50,7 mm und am besten mindestens 63,5 mm plus Gitterdicke betragen. Im Betrieb der Vorrichtung darf also der Metallsumpf die von der Anode abgewandte Fläche 27 des Gitters nicht erreichen.

Das sich bei der Elektrolyse bildende Metall wird zunächst hauptsächlich auf der Oberfläche 25 des Gitters abgelagert, die der Anode am nächsten liegt. Dieses Metall sammelt sich und läuft dann durch die Löcher 26 zum darunter liegenden Metallsumpf 11 ab. Dieses Ablaufen wird erleichtert, wenn das Material des Gitters vom geschmolzenen Metall benetzt wird. In der dargestellten Ausführungsform haben sich beispielsweise bei Aluminium als dem aus Aluminiumoxid erzeugten Metall Löcher mit einem Innendurchmesser von 19,1 mm als vorteilhaft herausgestellt, während Löcher mit einem Durchmesser von 12,7 mm während des Betriebs dazu neigten, sich zuzusetzen. Auch kann das Gitter mit Löchern versehen sein, die bis zum Rand verlaufen, so daß die Löcher keinen geschlossenen Umriß haben. Der Lochumriß kann auch quadratisch

oder rechteckig sein.

Die Löcher in dem Gitter können auf den Ecken einer regelmäßigen Tesselation liegen. Während in der Ausführungsform nach F i g. 3 und 4 vier Löcher gezeigt sind, ist ein wesentlich größeres Gitter mit einer erheblich größeren Anzahl von Löchern für den industriellen Einsatz der Vorrichtung ebenfalls möglich.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 und 6 sind die in einer Gruppe angeordneten Elemente Schmelze 31 aufnehmende Hohlkörper. Diese Hohlkörper sind am ι ο Boden des Behälters 16 befestigte Röhren 28, welche aus dem Metallsumpf 11 hervorsehen und vor der Anode 29 enden, ohne diese zu berühren. Die den Anoden benachbarten Enden 30 der Röhren sind offen. Da die Schmelze in Berührung mit dem elektrisch leitenden Material des Behälters 16 steht, ergeben sich Orte minimalen Abstands Af zwischen Anode und Kathode, wo die Kathodenfläche vom geschmolzenen Metall in den Röhren dargestellt wird. Wenn die Rohre selbst leitend sind, vergrößern ihre Ränder 32 an den der Anode benachbarten Enden die Kathodenfläche. Wenn die Röhren von dem geschmolzenen Metall benetzt sind, besteht die Kathodenfläche im wesentlichen nur aus geschmolzenem Metall. Da das geschmolzene Metall an der Anode eine begrenzte Ausdehnung hat, da es von den Seiten der Röhren eingeschränkt wird, werden Wellenbewegungen der Schmelze an der Anode, die von magnetischen Effekten verursacht werden können, vermieden, so daß auch bei dieser Ausführungsform erheblich reduzierte Abstände χ zwischen Anode und Kathode möglich sind. Wenn das der Anode zugewandte Ende der Röhren nicht offen ist, muß jeder Hohlkörper aus elektrisch leitendem Material hergestellt werden.

Es ist auch möglich, eine elektrisch nicht leitende Röhre zu Beginn der Elektrolyse mit metallischem Aluminium zu füllen, wobei das Aluminium den leitenden Pfad bildet, durch den der elektrische Strom beispielsweise aufwärts von darunterliegendem kohlehaltigem Material zu den elektrolytisch aktiven Orten fließt.

Besteht der Hohlkörper aus elektrisch leitendem Material, kann man ihn entweder zu Beginn der Elektrolyse mit geschmolzenem Metall füllen oder zunächst mit Elektrolyt vollaufen lassen und dann warten, bis das am Innenrand des Hohlkörpers sich bildende geschmolzene Metall in den Hohlkörper strömt und dabei den Elektrolyten verdrängt. Wenn der Hohlkörper aus elektrisch leitendem Material besteht, soll er unempfindlich gegenüber der Möglichkeit sein, daß sich ungelöste Metallverbindungen in seinem Innern festsetzen und eine elektrisch nichtleitende Sperre bilden, die einen Stromfluß verhindert.

In Fig.9 ist eine der Fig. 1 und 2 ähnliche Ausführungsform gezeigt. Hier sind jedoch Stäbe 35 mit rechteckigem Querschnitt als Elemente angeordnet, und die Wände 36 sind im üblichen rechteckigen Umriß industriemäßiger Zellen ausgeführt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für die elektrolytische Erzeugung von Metall durch Elektrolyse einer Verbindung des Metalls, die bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls in einer schmelzflüssigen Lösung gelöst ist, mit einem Behälter, der die schmelzflüssige Lösung aufnimmt und in dem das gebildete Metall in einem Metallsumpf gesammelt wird, mit einer Anode, deren Elektrodenoberfläche mindestens teilweise in dem Behälter angeordnet ist, und mit einer Gruppe herausragender kathodischer Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Elementen (10, 23, 28, 35) zur Seitenwand des Behälters (16) freistehend angeordnet sind und aus dem Metallsumpf (11) in die Lösung (12) in Richtung auf die Anodenoberfläche hineinragen, und daß die Gruppe von Elementen eine Kathodenoberfläche bildet, deren Abstand χ von der Anodenoberfläche bis zu 31,8 mm groß ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand χ zwischen der Anodenoberfläche und der Kathodenoberfläche bis zu

25.4 mm, vorzugsweise bis zu 19,05 mm groß ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (13,29) in bezug auf den Behälter (16) so angeordnet ist, daß der den Metallsumpf (11) von der Anodenoberfläche trennende Abstand y mindestens 38,1 mm, vorzugsweise mindestens 50,8 mm und insbesondere mindestens

63.5 mm groß ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (16) den Metallsumpf (11) berührt und ihn kathodischer macht als die Anodenoberfläche.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (16) zur Aufnahme eines Aluminium enthaltenden Metallsumpfes (11) dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter zur Aufnahme einer Aluminiumoxid enthaltenden Lösung (12) dient.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Gruppe angeordneten Elemente Schmelze aufnehmende Hohlkörper (28) sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hohlkörper (28) in die Lösung (12) in Richtung auf die Anodenoberfläche hineinragt und an dem Ende (30) offen ist, das der Anodenoberfläche am nächsten liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper (28) Röhren sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenoberfläche eines Elementes ein Gitter (23) bildet.