DE3702052C1 - Verfahren zur Herstellung von Natriumalkoholat hoher Reinheit aus dem Filtrationsrueckstand von schmelzelektrolytisch gewonnenem Rohnatrium - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Natriumalkoholat hoher Reinheit aus dem Filtrationsrueckstand von schmelzelektrolytisch gewonnenem Rohnatrium

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Natriumalkoholat mit niedrigem Gehalt an Natriumoxid, -hydroxid und -carbonat aus dem Natrium enthaltenden Rückstand, der bei der Filtration von flüssigem Rohnatrium aus der Schmelzflußelektrolyse anfällt, durch Umsetztung mit einem Alkohol und Gewinnung in Form einer Lösung in dem zur Umsetzung verwendeten Alkohol und gegebenenfalls Gewinnung des festen Alkoholats durch Abdestillieren des Lösungsmittels.
Das durch Schmelzflußelektrolyse bei etwa 600°C hergestellte Natrium, das sog. Roh-Natrium, enthält ca. 2 Gew.-% Verunreinigungen. Neben geringen Mengen mitgerissener Tiegelschmelze (BaCl₂, CaCl₂, NaCl) und Oxiden, Hydroxiden sowie Carbonaten des Natriums und Calciums liegt vornehmlich metallisches Calcium vor, das während der Abkühlung auf eine Temperatur von ca. 120°C weitgehend ausseigert und bei dieser Temperatur zusammen mit den übrigen Verunreinigungen durch Filtration mittels eines Stahlgewebefilters abgetrennt wird.
Der Calciumgehalt des so auf sog. Normalqualität gereinigten Natriums liegt in der Regel bei 300 - 600 ppm, die Sauerstoff- und Chloridgehalte liegen jeweils unter 10 ppm. Der Filterrückstand, der sog. Filterschlamm, hat dagegen Calciumgehalte von ca. 15 - 21 Gew.-%, im Mittel ca. 17 Gew.%. Durch Auspressen des Filterschlamms in einer Kolbenpresse mit Spaltsiebzylinder bei Drucken von 150 - 250 bar wird ein erheblicher Teil des Natriums wiedergewonnen, so daß sich der Calcium-Gehalt der anfallenden Preßkuchen auf ca. 25 - 33 Gew.-%, im Mittel auf ca. 29 Gew.-%, erhöht. Mit den Preßkuchen, die somit immer noch größere Mengen Natrium enthalten, wird in einer Preßkuchenaufarbeitungsanlage eine verdünnte Natrium­ hydroxid-Calciumhydroxid-Lauge hergestellt (US-PS 26 60 517); die Lauge kann z. B. zur Neutralisierung saurer Betriebs­ abwässer eingesetzt werden.
Da die Bildung eines Natriumhydroxid-Kalkmilch-Gemisches aus den Preßkuchen nicht ungefährlich ist und wegen der dabei unvermeidbaren Ausbildung von Natriumoxid-Aerosolen zum Schutz der Umwelt eine kostspielige Abluftreinigung mittels spezieller Filteranlagen, z. B. des Brink-Typs, erfordert, wurde nach Möglichkeiten gesucht, mit denen sich die apparativ aufwendige und hinsichtlich der Natrium-Rückgewinnung wenig effektive Preßkuchengewinnung wie die problematische Umarbeitung der Preßkuchen zur sog. Preßkuchenlauge vermeiden ließe.
Das nachfolgend angegebene erfindungsgemäße Verfahren löst die genannten Probleme auf überraschend einfache Weise durch ein gezieltes Herauslösen des in dem Filtrations­ rückstand von schmelzelektrolytisch gewonnenem Rohnatrium enthaltenen Restnatriums mit Alkohol, vornehmlich Methanol, gemäß der bekannten Reaktion
Na + ROH → RONa + 1/2 H₂
Für Natriumalkoholate, insbesondere das Methylat, herrscht weltweit ein große Bedarf. So wird Natriummethylat in der chemischen Industrie ( z. B. als Kondensations-, Vereste­ rungs- und Umesterungsmittel), in der pharmazeutischen Industrie (z. B. als Katalysator zur Synthese von Sulfona­ miden, Barbitursäure, Vitamin B₁), in der Speiseöl- und Fettindustrie (z. B. zur Verbesserung der Trocknung von Pflanzenölen) und in der Waschmittel- und Lackindustrie benötigt. Die Verbindung gelangt hierzu meist in Form von ca. 20 - 30 gew.-%igen alkoholischen Lösungen in den Handel, wobei die zulässigen Grenzen an Natriumoxid, Natriumhydroxid und Natriumcarbonat (als Natriumhydroxid gerechnet) bei maximal 0,5 Gew.-% angesetzt sind.
Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich sowohl zur Gewinnung von Alkoholatlösungen (in dem korrespondierenden Alkohol des Alkoholats) als auch zur Gewinnung von Alkoholaten als Feststoff.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung von Natriumalkoholat mit niedrigem Gehalt an Natriumoxid, -hydroxid und -carbonat aus dem Natrium enthaltenden Rückstand, der bei der Filtration von flüssigem Rohnatrium aus der Schmelzflußelektrolyse anfällt, durch Umsetzung mit einem Alkohol und Gewinnung in Form einer Lösung in dem zur Umsetzung verwendeten Alkohol und gegebenenfalls Gewinnung des festen Alkoholats durch Abdestillieren des Lösungsmittels. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man, jeweils unter Inertgas, den in üblichen Mengen Natrium, legiertes und suspendiertes Calcium, durch Lufteinwirkung gebildete Oxidationsprodukte des Natriums und Calciums und gegebenenfalls organische Substanz enthaltenden Rückstand 2 - 6 Stunden bei Temperaturen im Bereich von 300 - 600°C unter intensivem Durchmischen thermisch behandelt, dann zu Formstücken verarbeitet oder durch Rühren auf eine Temperatur nicht zu weit oberhalb des Natriumschmelzpunktes abkühlt und weiterrührt, ihn herauf in der festen oder fließfähigen Einsatzform der für die gewünschte Endkonzentration der Natriumalkoholatlösung benötigten Menge des Alkohols unter Rühren zusetzt, den Reaktionsablauf bei Bedarf durch Wärmezufuhr unterstützt und nach beendeter Reaktion die Alkoholatlösung durch Filtration von den unlöslichen Verunreinigungen trennt.
Wenn im Rückstand organische Substanz anwesend ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diesen 3 - 6 Stunden bei 400 - 600°C zu tempern.
Mit dem vorgestellten Verfahren lassen sich beispielsweise methanolische Lösungen aus Calciummethylat-freiem Natriummethylat mit geringem Gehalt an Natriumoxid, Natriumhydroxid und Natriumcarbonat, gerechnet als NaOH, von <0,5 Gew.-% und durch Abdestillieren des Lösungsmittels entsprechend reines Festprodukt mit einem Rest-Hydroxidgehalt, gerechnet als NaOH, von <2 Gew.-% gewinnen. Die erfindungsgemäß erhältlichen Alkoholatlösungen lassen sich in dem jeweils durch die Sättigungstemperatur vorgegebenen Rahmen mit beliebigen Konzentrationen herstellen. Bevorzugt sind bei Natriummethylat die vom Handel gewünschten Gehalte von 21 und 30 Gew.-%.
Das Verfahren soll in allen Stufen unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluß durchgeführt werden. Es wird mit Inertgasspülung gearbeitet. Verwendbare Inertgase sind Edelgase wie Argon oder Stickstoff. Zum Einsatz gelangt der unter anderen Bestandteilen etwa 78 - 84 Gew.-% Natriummetall enthaltende Filtrationsrückstand aus der Filtration des flüssigen Rohnatriums der Schmelzfluß­ elektrolyse. Wesentlich für die Gewinnung eines NaOH- armen Alkoholats ist die Einhaltung der vorgeschriebenen Temperaturen und Behandlungszeiten der unter fortwährendem intensiven Durchmischen des Filterrückstands vorzunehmenden thermischen Behandlung. Das thermisch behandelte Material kann, wenn es zu Formstücken verarbeitet wird, in kaltem oder mäßig warmen Zustand (Temperaturen zwischen Raumtemperatur und einer Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts von Natrium) in den vorgelegten Alkohol eingetragen werden.
Für den alternativ möglichen, verfahrenstechnisch einfache­ ren und daher industriell vorzuziehenden Eintrag als fließ­ fähige Masse wird es auf Temperaturen nicht zu weit ober­ halb des Natriumschmelzpunkts (z. B. 120°C) gehalten. Der Alkohol wird stets im Überschuß vorgelegt, wobei der Gesamt-Metallgehalt des zu verarbeitenden Filterrückstands bei den für die Herstellung der Alkoholatlösungen einge­ setzten Alkoholmengen jeweils vollständig umgesetzt wird.
Während des Eintrags des Natrium-haltigen Filterrückstands und der Dauer der Alkoholatbildung wird der Reaktionsge­ fäßinhalt durch Rühren in Bewegung gehalten.
Bei Verwendung z. B. von Methanol steigt die Temperatur nach dem Eintrag der für eine gewünschte Endkonzentration an Methylat berechneten Rückstandsmenge schnell bis zum Siedepunkt von Methanol (64,7°C) an. Mit zunehmender Methylat-Konzentration erhöht sich der Siedepunkt etwa wie folgt.
10 Gew.-%:auf ca. 70°C; 20 Gew.-%:auf ca. 80°C; 30 Gew.-%:auf ca. 90°C;
Das verdampfende Methanol wird in einem Rückflußkühler kondensiert und läuft in das Reaktionsgefäß zurück.
Mit zunehmender Aufkonzentrierung des Natriummethylats wird die Reaktion, insbesondere bei Fehlen einer Wärme­ isolation um das Reaktionsgefäß, langsamer, so daß Heizen erforderlich wird, um die Reaktion zum Abschluß zu bringen. Sie läßt sich dadurch quantitativ durchführen.
Der in großen Mengen anfallende und über den Rückflußkühler entweichende Wasserstoff kann aufgefangen und bei industri­ eller Produktion allein oder in Mischung mit Erdgas zu Beheizungszwecken verwendet werden. Wenn eine solche Ver­ wertung nicht möglich ist, kann der geringfügige Methanol­ mengen enthaltende Wasserstoff gefahrlos abgefackelt werden.
Die erhaltene Natriummethylatlösung muß nun von einem in ihr suspendierten feinen grauen Schlamm getrennt werden. Dieser Schlamm besteht insbesondere aus nicht umgesetzten Verunreinigungen des verarbeiteten Filterschlamms sowie aus Calciummethylat, das sich durch Umsetzung des im zu verarbeitenden Filterschlamm in Konzentrationen von durch­ schnittlich ca. 17 Gew.-% enthaltenden Calciummetalls mit Methanol bildet.
Die Trennung von Schlamm und Methylatlösung erfolgt durch Filtration, am besten durch eine Druckfiltration. Das Fil­ trat ist vollkommen calciumfrei (<1 ppm Ca) und enthält im Mittel weniger als 0,2 Gew.-% an den unerwünschten Natriumverbindungen. Es ist selbst dann völlig farblos, wenn der eingesetzte Filterrückstand bei der mit der Passage gefetteter Ventile verbundenen Überführung in das Reak­ tionsgefäß organische Substanz aufgenommen hatte.
Durch Abdestillieren des überschüssigen Alkohols kann farb­ loses pulvriges Natriummethylat erhalten werden. Die Her­ stellung anderer Alkoholate kann auf entsprechende Weise erfolgen.
Der anfallende, ca. 50 Gew.-% Natriummethylatlösung enthal­ tende Filterkuchen kann zur Gewinnung des anhaftenden Alkoholats noch mit Alkohol gewaschen oder auch direkt verbrannt werden. Dabei bleibt im wesentlichen CaO zurück. Dieses kann mit Wasser zu Kalkmilch abgelöscht werden.
Die Kalkmilch kann bei Bedarf zur Neutralisierung saurer Werksabwässer verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert:
Beispiel 1
 
(Herstellung einer 30%igen Natriummethylat­ lösung)
Es wurde ein Filterschlamm aus der Rohnatrium-Filtration mit einem Gesamtcalciumgehalt von 17,7 Gew.-% eingesetzt.
Zur thermischen Behandlung wurde ein 3 l-Labor-Rührreaktor aus Edelstahl mit aufgeflanschtem Deckel mit Rührwerk und Gaseinleitungs- und Gasableitungsrohr zur Argonspülung benutzt. Er wurde mit 1,2 kg Filtersclamm gefüllt.
Die Beheizung erfolgte durch eine stufenlos regelbare Heiz­ platte, Mantel und Deckel des Reaktors waren durch Mine­ ralwolle wärmeisoliert. Nach dem Aufschmelzen des Filter­ rückstands wurde kräftig mittels eines boden- und wandnah­ gängigen Flügelrührers mit 150 Upm gerührt und eine End­ temperatur von 500°C während 4 Stunden aufrecht erhalten. Nach Erkaltenlassen unter Argon wurden Teilmengen in eine rechteckige, 10 cm hohe (Abmessungen: Oben 12×32 cm, unten 6×32 cm) Edelstahlform unter Argonatmosphäre abge­ gossen und die Proben unter Schutzgas trocken aufbewahrt.
Zur Umsetzung des thermisch vorbehandelten Natriumfilter­ schlamms mit Methanol wurde eine Glasschliffapparatur benutzt, bestehend aus einem 2 l-Vierhalskolben mit auf­ gesetztem Einlauftrichter für Methanol, einem Eintauch­ thermometer, einer Schleuse zum Eintrag des in Würfel von ca. 1 cm Kantenlänge zerschnittenen festen Filterschlamms mit angesetztem Einführungssstutzen für das Inertgas, einem Rückflußkühler für Kondensat sowie Abführung von Inertgas und Wasserstoff über eine Abtauchung in Weißöl (Paraffinöl). Das Rühren des Reaktionsgemisches erfolgte durch einen Magnetrührer.
Wegen der heftigen Wasserstoffentwicklung bei der Reaktion zwischen Natrium und Methanol sowie zwecks Vermei­ dung einer Rückbildung von Natriumhydroxid und Alkohol durch Luftfeuchtigkeit wurde für einen vollständigen Ausschluß von Luft durch laufende Inertgasspülung gesorgt.
Zur Herstellung einer 30%igen Natriummethylat-Lösung aus Rein-Natrium nach bekanntem Verfahren sind z. B. folgende Mengen einzusetzen: 1000 ml Methanol (trocken, Restwasser­ gehalt z. B. 0,013 Gew.-%) und 115,64 g Natrium.
Bei der Verarbeitung des thermisch vorbehandelten Natrium­ haltigen Filterschlamms war die Feststoffzugabe aufgrund einer vorangegangenen Analyse des Gesamtcalciumgehaltes (17,7 Gew.-%) auf 140 g zu erhöhen. Eine genaue Einstellung der Prozentigkeit der alkoholischen Produktlösung ist nach Beendigung der Reaktion durch Vornahme einer einfachen Alkalitätsbestimmung einer filtrierten Probe nach Hydrolyse möglich; sie erfolgt bei Minderbefund entweder durch Nach­ chargieren von Filterschlamm oder durch Entzug von Destillat aus dem Rückfluß. Bei zu hohen Konzentrationswerten erfolgt sie durch weitere Zugabe von Methanol.
Zur Ausführung der Umsetzung wurde der nach der thermischen Vorbehandlung vergossene, erstarrte Filterschlamm rasch in Würfel von etwa 1 cm Kantenlänge geschnitten, die errech­ nete Menge (140 g/l) eingewogen, in die Schleuse überführt und die Argonspülung in Betrieb gesetzt. Während die gesamte Apparatur luftfrei gespült wurde, wurde die zur Einstellung der gewünschten Endkonzentration erforderliche Alkoholmenge (CH₃OH) über den Einfülltrichter in den Reaktionskolben eingelassen und das Rührwerk angestellt. Nach Feststellung von Sauerstoff-Freiheit im Apparaturraum durch Gasanalyse wurden die Filterschlammwürfel aus der Schleuse in den Kolben geschoben. Die exotherme Reaktion setzte prompt ein, die Siedetemperatur des Methanols (64,7°C) war bald (in 5 Minuten) erreicht, sie erhöht sich mit zunehmender Konzentration an Methylat bis auf 90°C bei 30 Gew.-%
Es zeigte sich, daß die Reaktion mit Methanol bei höherer Methylatkonzentration träger wird: Sie droht oberhalb von etwa 25 Gew.-% Methylat einzuschlafen, wobei natürlich in der Zeiteinheit weniger Wärmeenergie freigesetzt wird. Dies zeigte sich daran, daß bei der gegebenen Wärmeab­ strahlung des verwendeten Reaktionskolbens die Temperatur stetig absank (was die Reaktionsgeschwindigkeit wiederum verzögert). Der Kolbeninhalt wurde daher durch Beheizen von außen mittels einer Pilzhaube auf Siedetemperatur gehalten. Die Gesamtdauer der Reaktion konnte dadurch auf ca. 1,5 Stunden herabgesetzt werden.
Die gewonnene Methylatlösung ist durch feinverteilte unlösliche Stoffe graugefärbt und stark verunreinigt. Die feinkristallinen Verunreinigungen (<2 µm) lassen sich am besten durch eine Filtration unter hohem Druck abtrennen.
Verwendet wurde dazu das Einschichtenfilter Merkur EF 14/2 der Seitz-Werke, Bad Kreuznach, ausgelegt für einen maximalen Druck von 3 bar. Die freie Filterfläche, belegt mt der GORE-TEX®-Membrane C, betrug ca. 150 cm². Zur Erhöhung der Filtrationsgeschwindikeit der hochviskosen Methylatlösung wurde diese warm filtriert und dabei das Filter bis nahe dem Siedepunkt der Alkoholatlösung, z. B. auf ca. 70°C erhitzt. Es konnte ein farbloses klares Filtrat erhalten werden, obwohl der zum Einsatz gelangte Filterschlamm hier organische Fremdsubstanz in Form von Schmierfett (ca. 0,1 Gew.-%) enthielt.
Analyse der Natriummethylat-Lösung
Gehalt an CH₃ONa=30,3% Gehalt an NaOH + Na₂CO₃, als NaOH gerechnet= 0,19% Gehalt an Ca=<1 ppm (Atomabsorptionsspektro­ graphisch)
Beispiel 2 (Herstellung einer 20%igen Natriumethylat-Lösung)
Es wurde ein Filterschlamm aus der Rohnatrium-Filtration mit einem Gesamtcalciumgehalt von 15,6 Gew.-% eingesetzt.
Zur Herstellung einer 20%igen Natriumethylatlösung werden 57,33 g Natrium/1000 ml Ethanol benötigt. Bei Einsatz und Verarbeitung des Natriumfilterschlamms gemäß Beispiel 1 mußten somit 68.00 g des hier 6 Stunden bei 300°C thermisch vorbehandelten Filterschlamms dem Alkohol zugesetzt werden. Der vorgelegte Alkohol hatte einen Rest-Wassergehalt von 0,07 Gew.-%.
Analyse der Natriumethylatlösung
Gehalt an C₂H₅ONa=19,8% Gehalt an NaOH + Na₂CO₃, als NaOH gerechnet= 0,37% Gehalt an Ca= 1 ppm (Atomabsorptionsspektro­ graphisch)
Beispiel 3
 
(Herstellung einer 20%igen Natriumbenzylat-Lösung)
Es wurde ein Filterschlamm aus der Rohnatrium-Filtration mit einem Gesamtcalciumgehalt von 19,2 Gew.-% eingesetzt.
Der theoretische Natriumbedarf zur Herstellung einer 20%igen Natriumbenzylat-Lösung liegt bei 38,03 g Na/1000 ml Benzylalkohol. Von dem unter Beispiel 1 eingesetzten und hier 2 Stunden bei 600°C thermisch vorbehandelten Natriumfilterschlamm wurden somit 47,00 g zur Alkoholat­ bildung analog Beispiel 1 eingesetzt. Der benutzte Benzyl­ alkohol hatte einen Rest-Wassergehalt von 0,06 Gew.-%.
Analyse der Natriumbenzylat-Lösung
Gehalt an C₆H₅CH₂ONa=20,3% Gehalt an NaOH + Na₂CO₃, als NaOH gerechnet= 0,4% Gehalt an Ca= 4 ppm (Atomabsorptionsspektro­ graphisch)
Beispiel 4
 
(Herstellung einer 10%igen Natriumphenylethylat- Lösung)
Es wurde ein Filterschlamm aus der Rohnatrium-Filtration mit einem Gesamtcalciumgehalt von 18.0 Gew.-% eingesetzt.
Der Natriumbedarf zur Herstellung einer 10%igen Natrium­ phenylethylat-Lösung liegt theoretisch bei 16,37 g Na/1000 ml 2-Phenylethanol. Bei Verwendung des gemäß Beispiel 1 eingesetzten und hier 4 Stunden bei 550°C thermisch vorbehandelten Natriumfilterschlamms mußten 20,00 g Schlamm dem vorgelegten Alkohol mit einem H₂O- Gehalt von 0,03 Gew.-% zugesetzt werden.
Analyse der Natriumphenylethylat-Lösung
Gehalt an C₆H₅CH₂CH₂ONa=10,1% Gehalt an NaOH + Na₂CO₃, als NaOH gerechnet= 0,35% Gehalt an Ca= 7 ppm (Atomabsorptionsspektro­ graphisch)

Claims (2)

1. Verfahren zu Herstellung von Natriumalkoholat mit niedrigem Gehalt an Natriumoxid, -hydroxid und -carbonat aus dem Natrium enthaltenden Rückstand, der bei der Filtration von flüssigem Rohnatrium aus der Schmelzflußelektrolyse anfällt, durch Umsetzung mit einem Alkohol und Gewinnung in Form einer Lösung in dem zur Umsetzung verwendeten Alkohol und gegebenenfalls Gewinnung des festen Alkoholats durch Abdestillieren des Lösungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß man, jeweils unter Inertgas, den in üblichen Mengen Natrium, legiertes und suspendiertes Calcium, durch Lufteinwirkung gebildete Oxidationsprodukte des Natriums und Calciums und gegebenenfalls organische Substanz enthaltenden Rückstand 2 - 6 Stunden bei Temperaturen im Bereich von 300 - 600°C unter intensivem Durchmischen thermisch behandelt, dann zu Formstücken verarbeitet oder unter Rühren auf eine Temperatur nicht zu weit oberhalb des Natriumschmelzpunktes abkühlt und weiterrührt, ihn hierauf in der festen oder fließfähigen Einsatzform der für die gewünschte Endkonzentration der Natriumalkoholatlösung benötigten Menge des Alkohols unter Rühren zusetzt, den Reaktionsablauf bei Bedarf durch Wärmezufuhr unterstützt und nach beendeter Reaktion die Alkoholatlösung durch Filtration von den unlöslichen Verunreinigungen trennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Rückstand bei Anwesenheit organischer Substanz 3 - 6 Stunden bei 400 - 600°C behandelt.
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