-
Anlage zum Patentgesuch der
-
Klöckner-Humbolut-Deutz Aktiéngesellschaft vom 22. Dezember 1983 Einsatz
eines Schwingreaktors als Elektrolysezelle Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Durchführung von Elektrolysen, vornehmlich von Raffinations- und Reduktionselektrolysen
(Gewinnungselektrolysen) bei erhöhter Reaktionsgeschwindigkeit, hervorgerufen durch
mechanische Schwingungen der Elektrolysezelle. Als Elektrolyseeinrichtungen können
zu diesem Zweck handelsübliche Schwingmühlen mit modifizierten Mahirohren verwendet
werden, Schwingreaktoren genannt.
-
Die Gewinnung von reinen bis reinsten Metallen bereitet häufig Schwierigkeiten,
weil manche Metalle schmelzmetallurgisch nicht darstellbar sind, aufgrund ihrer
eingegangenen Verbindungen auf mechanischem oder physikalischem Wege nicht rein
dargestellt werden können oder sich in wässrigen Lösungen befinden.
-
Es ist üblich und Stand der Technik, daß zur Uberwindung der obengenannten
Probleme Elektrolysen zur Gewinnung von Metallen höchster Reinheit durchyeführt
werden.
-
Elektrochemische Vorgänge in wässrigen Lösungen silica, soweit sie
für uie Gewinnung beziehungsweise Raffination von Metallen von Interesse sind, allgemein
gekennzeichnet durch geringe Raum-Zeit-Ausbeuten. Wesentlichen Ein flug auf die
Reaktionsgeschwindigkeit haben bei diesen Vorgängen die Konzentrationen der Reaktionspartner
in den Lösungen sowie Druck und Temperatur des Systems.
-
Typisch für Elektrolyse- beziehungsweise Zementationsvorgänye ist
die durch die Reaktion selbst hervorgerufene Verarmung eines Reaktionspartners beziehungsweise
die relative Anreicherung des anderen am Ort der Reaktion. Die so hervorgerufenen
Konzentrationsgefälle werden bei konventionellen Systemen durch Difussionsvorgänge
und elektrostatisch verursachte lonenwanderung ausgeglichen.
-
Beide Vorgänge laufen verhältnismäßig langsam ab.
-
Eine Erhöhung der Temperatur des Systems ist, bedingt durch den Dampfdruck
des Lösungsmittels, nur in Grenzen möglich und bietet wenig Möglichkeit zur Beschleunigung
der Reaktionen.
-
Das Arbeiten mit anderem als Atmosphärendruck erfordert hohen technischen
Aufwand unu wiro nur in Sonderfällen wie für Laugung und Fällung eingesetzt.
-
Zur Beschleunigung von Elektrolyse-Reaktionen in wässrigen Lösungen
bietet sich eine mechanische Beeinflussung der vorgenannten Grenzschichten an, wobei
versucht wird, von außen einen stetigen und unmittelbaren Ausgleich der durch die
Reaktion verursachten Konzentrationsgefälle zu beirken. Hierzu sind verschiedene
Verfahren mit teilweise guten Ergebnissen vorgeschlagen worden, wie beispielsweise
der Einsatz von Rührern, die Zerstörung der Grenzschichten durch Ultraschall, kontinuierlich
bewegte Elektroden oder Wirbelschichtelektrolysen.
-
Besonders gute Ergebnisse in verfahrenstechnischer Hinsicht haben
Wirbelschichtsysteme erbracht, jedoch haben der hohe Energieverbrauch zur Aufrecht:erhaltung
der Wirbelschicht und Kavitat ionsprob rne einen großtechnischen Einsatz bisher
verhin(lert.
-
Die Nachteile der Wirbelschichtelektrolyse werden auch in der DE-AS
21 64 722 erwähnt. Die bekannte Erfindung versucht das Problem einer höheren Abscheidegeschwindigkeit
und einer besseren Abscheidequalität durch eine in Schwingungen versetzte offene
Elektrolysezelle zu lösen, die mit inerten Teilchen gefüllt ist. Diese inerten Teilchen
üben einen mechanischen Einfluß auf die abgeschiedene Metallschicht aus. Nachteilig
bei der bekannten Erfindung ist die Füllung mit sich verbrauchenden, inerten Teilchen.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung unterscheidet sich gegenüber der
bekannten Erfindung dadurch, daß die inerte Teilchenfüllung fehlt, uno eine Abtrennung
der Reaktionsräume an Anode und Kathode durch ein Diaphragma zur Verhinderung von
Kurzschlüssen durch die Metallpartikel besteht.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile, die ein schwingender
Reaktor für selbsttätig ablaufende elektrochemische Vorgänge in wässrigen Lösungen
bietet, beispielsweise bei der Zementation, auch für erzwungene Reaktionen (Elektrolyse)
auszunutzen.
-
Hierbei wird vornehmlich an die Anwendung bei Reaktionselektrolysen
und Raffinationselektrolysen gedacht.
-
Durch die Verwendung eines Schwingreaktors als Elektrolysezelle wird
vorteilhaft ausgenutzt, daß durch die Schwingungen, auch ohne incrte Teilehenfüllung,
eine kontinuierliche Zerstörung der Konzentrationsgefälle im Kathodenbereich erzielt
und dementsprechena die Abscheidege.schwindigkeit erhöht wird.
-
Die erforderlichen Schwingungen zur Erhöhung der ReaktJonsgeschwindigkeit
können vorteilhaft dadurch erzeugt werden, daß die Elektrolysen In einer modifizierten,
handelsüblichen
Schwingmühle durchgeführt werden. Die Mahlbehülter können durch geeignete, rohrförmige
Elektrolysezellen ersetzt werden., so daß ein Schwingreaktor entsteht.
-
Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile in Bezug auf konventionelle
Elektrolysensysteme bestehen in der stark erhöhten Raum-Zeit-Ausbeute, dem deutlich
verringerten Energieaufwand, der Eignung auch für stark verdünnte Lösungen (Abwasserreinigung)
sowie dem geringen Energiebedarf für den mechanischen antrieb des Reaktors.
-
Beispiele für die konstruktive Ausgestaltung der Erfindung sind in
den beigefügten Abbildungen dargestellt und werden in ihrer Funktion anhand der
Kupferelektrolyse erläutert.
-
Bei der Reduktionselektrolyse ist die Wandung des Reaktorgefäßes nach
Figur 1 aus einem geeigneten Material und als Kathode geschaltet. Die Anode E ist
stabförmig ausgebildet uno liegt, durch die Isolatoren D gehalten, in der Mittelachse
des zylindrischen Reaktionsgefäßes. Zur günstigen Prozeßführung ist die Anode E
mit einem Diaphragma F umgeben, das zwar den Durchgang des elektrischen Stromes
zuläßt, aber die Elektrolyten an Kathode und Anode trennt und bei einer Ansammlung
von Metallpartikeln Kurzschlüsse verhindert. Das Reaktionsgefäß ist schwingungsfähig
auf den Reaktorlagern G gelagert und wird durch einen nicht dargestellten und nicht
näher bezeichneten, bekannten Unwuchtantrieb in die genannte Schwingungsbewegung
versetzt.
-
Die das zu gewinnende Metall enthaltene wässrige Lösung, reicher Elektrolyt
genannt, wird durch den Einlaß A aufgegeben. Als Beispiel sei hier eine kupferhaltige
Lösung
gewählt. Aber auch die Anwendung der Erfindung auf die Gewinnung
anderer Metalle als Kupfer bietet die geschilderten Vorteile.
-
Aufgrund des an den Elektroden anliegenden Gleichstroms erfolgt in
bekannter Weise die Zerlegung des Elektrolyten in entsprechende Ionen, wobei erfindungsgcmäß
durch die Schwingungen ein entstehendes Konzentrationsgefälle im Kathodenbereich
ständig verhindert wird. Das doppelt positiv geladene Kupfer wird durch Aufnahme
zweier Elektronen zu einem Kupferatom. Das Kupfer fällt in kleinen Partikeln an,
die mit dem abfließenden armen Elektrolyten bei B ausgetragen werden. In einem Filter
C werden das raffinierte Kupfer, das Elektrolytkupfer, und Elektrolyt voneinander
getrennt.
-
Bei der Raffinationselektrolyse, wie in Figur 2 dargestellt, unterscheidet
sich der röhrenförmige Reaktor in seiner erfinderischen Gestaltung vom Reaktor in
Figur 1 dadurch, daß das Diaphragma C zum Schutz vor Kurzschlüssen den Reaktor mittig
längs teilt. Die Stirnseiten des Reaktors sind gegenüber den geteilten Mantel flächen
isoliert. Die eine Zylindermantelhälfte ist als Anode H ausgebildet, die andere
als Kathode 1, an denen eine Gleichspannung anliegt.
-
In die anodische Hälfte wird durch den Einlaß A der Anolyt und das
zu raffinierende Metall, hier zum Beispiel Kupfer, in Form von Granalien aufgeyeben.
Das Kupfer wird anodisch gelöst, wandert als doppel positiv geladene Ionen durch
das Diaphragma C in den Kathodenraum und reagiert in der oben beschriebenen Weise.
Die entstandenen Kupferpartikel werden durch den Auslaß F mit den Katholyten ausgetragen
und im Filter G vom Katholyt getrennt, der durch den Einlag E wieder aufgegeben
wird.
-
Die das Kupfer verunreinigenden Metalle, die anodisch aufgelöst, aber
kathodisch nicht abgeschieden werden oder zum Teil unlösliche Verbindungen mit dem
Elektrolyten bilden oder aber erst gar nicht anodisch angegriffen werden, verbleiben
im Anolyten gelöst beziehungsweise fallen als Anodenschlamm an. Der Anouenschlamm
flieht zusammen mit dem Anolyten über den Auslaß B aus, wobei ein entsprechend ausgebildetes
Sieb M die Kupfergranalien zurückhält. In einer Filtriereinrichtung K wird der Anodenschlamm
aus dem Anolyten entfernt. Der gereinigte und aufbereitete Anolyt wird über die
Aufgabeöffnung A dem Schwingreaktor wieder zugeführt.
-
Auch im hier dargelegten Beispiel wird der auf bekannte Federelemente
L lagernde Reaktor durch einen nicht näher beschriebenen Unwuchtantrieb in die erforderliche
Schwingungsbewegung versetzt, die sich vorteilhaft bei der Zerstörung der Konzentrationsgefälle
im Kathodenbereich auswirkt und durch die mechanische Wirkung der Kupfergranalien
aufeinander ständig neue Reaktionsflächen freilegt und sie vom Kathodenschlamm freihält.
-
- Leerseite -