DE3718920A1 - Verfahren zur herstellung einer alkalimetall-metallhalogenidverbindung sowie von alkalimetall - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer alkalimetall-metallhalogenidverbindung sowie von alkalimetallInfo
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Description
Die Erfindung betrifft den in den Patentansprüchen
angegebenen Gegenstand.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
(Alkalimetall)(metall)halogenid-Verbindung der Formel
MDHal x + 1 und von Alkalimetall, wobei bedeuten
D ein Metall
M ein Alkalimetall
Hal ein Halogenid und
x die Wertigkeit des Metalles D
ist dadurch gekennzeichnet, daß man
D ein Metall
M ein Alkalimetall
Hal ein Halogenid und
x die Wertigkeit des Metalles D
ist dadurch gekennzeichnet, daß man
- - eine schmelzflüssige MDHal x + 1-Verbindung der oben angegebenen Definition, ein Metall (D) und ein Alkalimetallhalogenid der Formel MHal, worin M und Hal in MHal die oben angegebene Bedeutung haben und das gleiche Alkalimetall bzw. Halogenid wie in MDHal x + 1 sind, aufeinander einwirken läßt,
- - die MDHal x + 1-Verbindung von einem schmelzflüssigen Alkalimetall, welches dasselbe Alkalimetall wie in MDHal x + 1 und MHal ist, mit Hilfe eines Separators trennt, der sich sowohl mit dem schmelzflüssigen MDHal x + 1 als auch dem schmelzflüssigen Alkalimetall im Kontakt befindet und einen festen Leiter von Ionen dieses Alkalimetalls oder ein Mikromolekularsieb, das dieses Alkalimetall darin absorbiert enthält, aufweist, und
- - ein ausreichendes elektrisches Potential über die elektrolytische
Zelle D/MHal/MDHal x + 1//Separator//Alkalimetall anlegt
zur Bewirkung des Ablaufs der folgenden Reaktionen:
xMHal + D → xM + DHal x ,6(1)
und
MHal + D Hal x → MDHal x + 1,6(2)wobei das in Reaktion (1) gebildete Alkalimetall durch den Separator und in das schmelzflüssige Alkalimetall wandert und das elektrische Potential ein in solcher Weise eingerichtetes Gleichstrompotential ist, daß Elektronen über einen externen Stromkreis in das schmelzflüssige Alkalimetall eingeleitet werden.
Es verdient hervorgehoben zu werden, daß bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens das elektrische Potential
tatsächlich den Ablauf der elektrochemischen Reaktion (1)
bewirkt und sich die chemische Reaktion (2) automatisch
anschließt, sobald das DHal x gemäß Reaktion (1) gebildet ist.
Die auf diese Weise erzeugte MDHal x + 1-Verbindung ist typischerweise
als ein Elektrolyt in einer elektrochemischen
Zelle verwendbar.
Beim Metall D kann es sich um Aluminium (in welchem Falle x
3 bedeutet) oder Zink (in welchem Falle x 2 bedeutet)
handeln, wobei der Separator ein fester Leiter von Alkalimetallionen,
z. B. ein fester Leiter von Natriumionen, wie
Beta-Aluminiumoxid oder Nasicon ist, so daß das in Reaktion (1)
gebildete Alkalimetall durch den Separator in Ionenform
wandert und zur metallischen Form entladen wird, wenn es aus
dem Separator in das schmelzflüssige Alkalimetall
freigesetzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es
sich bei dem Separator um ein Mikromolekularsieb, wie ein
Tectosilicat, z. B. einen Feldspat, eine feldspatähnliche
Verbindung oder um Zeolith handeln. In diesem Falle kann das
in Reaktion (1) gebildete Alkalimetall durch den Separator
in ionischer Form oder metallischer Form wandern unter
Freisetzung in metallischer Form aus dem Separator in das
schmelzflüssige Alkalimetall.
Das Metall kann insbesondere Aluminium sein, wobei dann das
Verfahren dementsprechend den Verbrauch der Aluminium- und
Alkalimetallhalogenid-Ausgangsmaterialien und die Bildung
von zusätzlichem MAlHal4 auf einer Seite des Separators und
die Bildung von zusätzlichem Alkalimetall auf der anderen
Seite des Separators umfaßt. Gemäß dem durch die Reaktionsgleichungen
(1) und (2) wiedergegebenen Reaktionschema
werden für jedes Mol verbrauchtes Aluminium 4 Mol MHal
verbraucht unter Bildung von 1 Mol MAlHal4 und 3 Mol Alkalimetall
gemäß der Gesamtreaktion
4MHal + Al → MAlHal4 + 3M (3)
Das erfindungsgemäß Verfahren kann chargenweise oder vorzugsweise
kontinuierlich oder zumindest halbkontinuierlich
durchgeführt werden, wobei Aluminium und MHal kontinuierlich
oder intermittierend in stöchiometrischen Mengen zu dem
MAlHal4 auf einer Seite des Separators zugegeben werden und
MAlHal4 bei dessen Bildung von dieser Seite des Separators kontinuierlich oder intermittierend abgezogen wird, und
Alkalimetall bei dessen Bildung von der anderen Seite des
Separators kontinuierlich oder intermittierend abgezogen
wird.
Obwohl es theoretisch möglich ist, die Reaktionen ohne
Vorliegen von schmelzflüssigem Alkalimetall auf der dem
MAlHal4 gegenüberliegenden Seite des Separators zu starten,
können Probleme auftreten, wenn es gilt, Elektrone zu
veranlassen, daß sie auf diese Seite des Separators
gelangen. Es erweist sich daher als zweckmäßig, die
Reaktionen mit einer Startmenge von schmelzflüssigem
Alkalimetall auf dieser Seite des Separators zur Benetzung
des Separators in Gang zu setzen, um den Separator zu
benetzen und, soweit wie möglich, eine gleichmäßige
Stromdichte durch den Separator sicherzustellen.
Andererseits wird eine gewisse Menge von schmelzflüssigem
MAlHal4 immer benötigt, um den Separator mit dem Aluminium-
und Alkalimetallhalogenid-Ausgangsmaterialien
die bei Beginn der Reaktionen vorzugsweise in
stöchiometrischen Mengen vorliegen, zu benetzen.
Die Reaktionen werden bei einer Temperatur durchgeführt, bei
der sowohl das MAlHal4 als auch das Alkalimetall
aufgeschmolzen sind, wobei die Temperatur vorzugsweise
angemessen, jedoch nicht übermäßig oberhalb von deren
Schmelzpunten liegt, und wobei das Alkalimetallhalogenid und
das Aluminium typischerweise in fester Form vorliegen. Das
Alkalimetallhalogenid kann in mehr oder weniger fein verteilter
Teilchenform vorliegen, doch liegt das Aluminium
zweckmäßigerweise als eine einheitliche Masse vor, so daß es
als ein Endpol für den externen Stromkreis wirken kann. Für
das andere Ende des externen Stromkreises kann ein Endpol
aus rostfreiem Stahl oder Aluminium vorgesehen sein, der
sich in das schmelzflüssige Alkalimetall erstreckt.
Anders ausgedrückt wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur
Herstellung einer Alkalimetall-aluminium-halogenidverbindung
der oben definierten Formel MAlHal4 und von Alkalimetall
geschaffen, bei dem eine elektrolytische Zelle betrieben
wird, die dieses MAlHal4 in aufgeschmolzener Form aufweist,
das von einem schmelzflüssigen Alkalimetall, bei dem es sich
um das gleiche Alkalimetall wie im MAlHal4 handelt, durch
einen Separator getrennt ist, der sowohl mit diesem schmelzflüssigen
MAlHal4 und dem schmelzflüssigen Alkalimetall in
Kontakt steht und einen festen Leiter von Ionen dieses
Alkalimetalls umfaßt oder ein Mikromolekularsieb, das dieses
Alkalimetall darin sorbiert enthält, umfaßt, wobei
Elektronen aus dem externen Stromkreis der elektrolytischen
Zelle in das schmelzflüssige Alkalimetall eingeleitet werden
zur Bewirkung der oben angegebenen Reaktionen (1) und (2).
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung handelt
es sich bei der Verbindung um Natriumaluminiumchlorid der
Formel NaAlCl4, das Alkalimetallhalogenid ist Natriumchlorid,
das schmelzflüssige Alkalimetall besteht aus Natrium,
und der Separator ist Beta-Aluminiumoxid, wobei die Zelle
bei einer Temperatur betrieben wird, die zum Aufschmelzen
des NaAlCl4 ausreicht, z. B. mindestens 165°C beträgt, und
das durch den externen Stromkreis angelegte elektrische
Potential oberhalb des Bildungspotentials von AlCl3 gemäß
obiger Reaktion (1) liegt, z. B. mindestens 1,8 Volt beträgt.
Bei dieser Ausführungsform kann der im Kontakt mit dem
NaAlCl4 befindliche Pol des externen Stromkreises ein
verbrauchbarer Aluminiumstab oder eine entsprechende Stange
sein, der andere Pol kann ein Stab aus rostfreiem Stahl oder
Aluminium sein, und Natriumchlorid in Teilchenform kann zu
dem in NaAlCl4 mit der Durchschnittsrate, mit der es verbraucht
wird, zugesetzt werden, wobei der Aluminiumstab
ersetzt wird, wenn sich dies als notwendig erweist. Das
schmelzflüssige Natrium wird, sowie es gebildet wird,
abgelassen und ebenso das erzeugte NaAlCl4, zweckmäßigerweise
durch einen porösen Filter, wobei der Filter und
die Größe der anwandten NaCl-Partikel so gewählt sind, daß
die Partikel oder zumindest unerwünscht große Partikel den
Filter nicht passieren.
Das ursprünglich zu Beginn der Reaktion vorliegende NaAlCl4
kann praktisch mit der stöchiometrischen Formel übereinstimmen,
d. h. daß es ein äquimolares Gemisch aus NaCl und
AlCl3 darstellt, wodurch sichergestellt wird, daß das
angewandte NaCl darin praktisch unlöslich ist. Selbst wenn
jedoch das Ausgangs-NaAlCl4 reich an AlCl3 ist, wird nur
etwas von dem NaCl-Ausgangsmaterial darin aufgenommen, bis
stöchiometrische Anteile erreicht sind. Danach stellen die
Reaktionen (1) und (2) sicher, daß diese stöchiometrischen
Anteile erhalten bleiben.
Obwohl die Reaktionen (1) und (2) in einer einzigen Zone
oder Kammer ablaufen können, können sie physikalisch
getrennt werden, so daß sie in separaten Zonen oder Kammern
stattfinden. Die Erfindung kann somit die Verfahrensstufen
umfassen, das AlHal3 als eine Lösung in MAlHal4 aus einer
ersten Zone, wo es gemäß Reaktion (1) gebildet wird, in eine
das MHal enthaltende zweite Zone zu zirkulieren, wo es mit
dem MHal gemäß Reaktion (2) reagiert unter Bildung des
MAlHal4, und das MAlHal4 zurück in die erste Zone zu recyclisieren.
Diese Verfahrensweise kann den Vorteil bringen,
daß das fließende MAlHal4 die Al- und Separatoroberflächen
in dieser ersten Zone spülen kann unter Verhinderung einer
dort erfolgenden Bildung von AlHal3, die möglicherweise zu
einem unerwünschten Konzentrationsgradienten führen kann, der
den inneren Widerstand der elektrolytischen Zelle
beeinflussen kann, und insbesondere hat diese Verfahrensweise
den Vorteil, daß eine mögliche Vergiftung des Separators
durch ggf. erzeugtes AlHal3 verhindert oder vermindert
wird.
Die Erfindung wird durch die beigefügte Zeichnung näher
erläutert, in der darstellen:
Fig. 1 eine schematische Querschnitts-Seitenansicht einer
elektrolytischen Testzelle, die erfindungsgemäß betrieben
werden kann,
Fig. 2 eine ähnliche Ansicht einer etwas komplizierteren
Zelle, die erfindungsgemäß betrieben werden kann,
Fig. 3 eine ähnliche Ansicht einer Batterie von Zellen, die
erfindungsgemäß betrieben werden kann,
Fig. 4 eine Querschnitts-Draufsicht in Richtung der Linie
IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht einer anderen Zelle
gemäß der Erfindung, und
Fig. 6 eine schematische Querschnitt-Seitenansicht eines
Reaktors, der einen Teil der Zelle gemäß Fig. 5 bildet.
In Fig. 1 der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 10
ganz allgemein eine elektrolytische Zelle, die ein zylindrisches
Stahlgehäuse 12 aufweist, in welchem konzentrisch
eine Beta-Aluminiumoxidröhre 14 untergebracht ist, wobei die
oberen Enden des Gehäuses und der Röhre durch eine
elektrisch isolierende Dichtung 16 abgedichtet sind.
Das Innere der Röhre 14 ist gefüllt mit schmelzflüssigem
Natrium 18 dargestellt. Das Gehäuse 12 außerhalb der Röhre
14 ist bis zum Niveau 20 teilweise gefüllt mit
schmelzflüssigem NaAlCl4, das mit 22 bezeichnet ist, dargestellt,
und es wird gezeigt, daß es mit einem Natriumchlorid-
Einlaß
24 versehen ist.
Ein verbrauchbarer Aluminiumstab 26 ist gezeigt, der sich
nach unten durch die Dichtung 16 in das NaAlCl4 22 erstreckt
und an das positive Ende 28 eines externen elektrischen
Stromkreises angeschlossen ist. Eine Stange 30 aus
rostfreiem Stahl ist gezeigt, die sich indessen nach unten
durch die Dichtung 16 in das schmelzflüssige Natrium 18
erstreckt und an das negative Ende 32 des externen
Stromskreises angeschlossen ist.
Ein poröser Filter 34 wird gezeigt, der sich über das
Gehäuse 12 im Abstand unterhalb der Röhre 14 und dem Stab 26
erstreckt. Unterhalb dem Filter 34 weist das Gehäuse eine
Auslaßleitung 36 auf, die so ausgestaltet ist, daß sie einen
Überlauf von NaAlCl4 aus dem Gehäuse durch den Filter 34
gewährleistet, während das Niveau 20 des schmelzflüssigen
NaAlCl4 22 in dem Gehäuse auf der Höhe gehalten wird, wo der
Einlaß 24 in das Gehäuse 12 mündet. Das Innere der Röhre 14
ist demgegenüber mit einer Natrium-Abflußleitung 38
versehen, die sich nach oben durch die Dichtung 16 erstreckt
und so ausgestaltet ist, daß sie den Überlauf von schmelzflüssigem
Natrium 18 aus der Röhre 14 ermöglicht, während
die Röhre voll mit Natrium gefüllt gehalten wird.
Teilchenförmiges Natriumchlorid, dessen minimale
Partikelgröße so gewählt ist, daß es vom Passieren durch den
Filter 34 leicht abgehalten werden kann, wird in das NaAlCl4
durch den Einlaß 24 eingespeist. Ein elektrisches Potential
von etwa 1,8 Vol wird sodann an den Stab 26 und die Stange
30 vom externen elektrischen Stromkreis angelegt, so daß der
Stab 26 und die Stange 30 als der positive bzw. negative Pol
des Stromkreises und der Zelle 10 wirken.
In der Zelle bewirkt das elektrische Potential, daß die
folgenden Reaktionen (in Übereinstimmung mit den allgemeinen
Reaktionen (1), (2) und (3)) stattfinden, nämlich:
3NaCl + Al → 3Na + AlCl3 (4)
und
NaCl + AlCl3 → NaAlCl4 (5)
und
NaCl + AlCl3 → NaAlCl4 (5)
d. h. die Gesamtreaktion:
4NaCl + Al → NaAlCl4 + 3Na (6)
wobei das NaAlCl4 in dem Gehäuse 12 außerhalb der Röhre 14
gebildet wird und das Na durch die Röhre 14 in Ionenform
wandert und in das Innere der Röhre 14 als Natriummetall
entladen wird. Für jedes Mol verbrauchtes Al wird ein Mol
NaAlCl4 erzeugt zusammen mit 3 Mol Na, während 4 Mol NaCl
gleichzeitig verbraucht werden.
Die Rate der NaAlCl4-Produktion hängt im wesentlichen vom
inneren Widerstand der Zelle ab unter der Annahme einer
unbeschränkten Stromzufuhr und einer unbeschränkten
Beschickung mit NaCl, wobei NaCl, wie bei 40 gezeigt, über
den Einlaß 24 bei Bedarf zugegeben wird, und wobei der Stab
26 verbraucht wird. Üblicherweise wird der inneren Widerstand
der Zelle gesteuert durch die Betriebstemperatur, die
Größe (den Rauminhalt) der Röhre 14 und deren Dicke, und je
größer die Röhre ist, umso geringer ist der innere Widerstand,
und je dünner die Röhre ist, umso geringer ist der
innere Widerstand.
Das gebildete NaAlCl4 fließt mehr oder weniger kontinuierlich
aus dem Gehäuse 12 außerhalb der Röhre 14 und durch die
Leitung 36 ab, und das gebildete Na fließt mehr oder weniger
kontinuierlich aus der Röhre 14 über die Leitung 38 ab,
wobei NaCl 40 über den Einlaß 24 kontinuierlich oder intermittierend
nach Bedarf zugegeben und der Stab 26 erforderlichenfalls
ersetzt wird. Das erzeugte NaAlCl4 wird
so, daß es praktisch frei von NaCl ist, durch den Filter 34
filtriert, bei dem es sich um einen Mikroporenfilter handelt.
In Fig. 2 werden die gleichen Bezugszeichen für die
gleichen Vorrichtungsteile verwendet wie in Fig. 1, wenn
nichts anders angegeben ist. In Fig. 2 wird mit 42 ganz
allgemein eine elektrolytische Zelle zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens bezeichnet, die in bestimmten
Beziehungen von der Zelle 10 gemäß Fig. 1 etwas
verschieden ist.
Während insbesondere in Fig. 1 das Natriumchlorid 40 und
das Aluminium 26 in einer gemeinsamen Kammer untergebracht
sind, in der beide Reaktionen (4) und (5) ablaufen, wird in
Fig. 2 eine Anordnung gezeigt, worin die obigen Reaktionen
(4) und (5) in separaten Kammer stattfinden.
In Fig. 2 besteht das gezeigt Gehäuse 12 aus weichem
Flußstahl, was auch für das (nicht gezeigte, jedoch dem
Stromabnehmer 30 der Fig. 1 äquivalente) Natriumanodenmaterial
gilt, an das der Pol 32 angeschlossen ist. Die dargestellte
Beta-Aluminiumoxid-Röhre 14 weist eine darin
konzentrisch untergebrachte Innenröhre 44 aus weichem
Flußstahl auf, an deren Oberteil sich ein Gasraum 46
befindet, der ein inertes Gas wie Stickstoff enthält und der
über ein Rohr 48 mit einem Druckmesser 50 verbunden ist. Der
Gasraum 46 und der Druckmesser 50 sind vorgesehen, um die
Überwachung von unerwünschten Druckanstiegen in der Beta-
Aluminium-Röhre 14 zu ermöglichen. Die gezeigte Leitung 38
führt zu einem Natrium-Aufbewahrungs- oder -sammelbehälter
52 für erfindungsgemäß erzeugtes Natrium.
Andere, im Vergleich zu Fig. 1 vorliegende Detailänderungen
umfassen die Ausgestaltung des Aluminiums 26 in Form einer
konzentrischen zylindrischen Auskleidung für das Gehäuse 12,
welches ebenfalls zylindrisch ist, und separate, elektrisch
isolierende Dichtungen 16.1 und 16.2 für die Beta-Aluminiumoxid-
Röhre 14 bzw. das Gehäuse 12.
Der Hauptunterschied in Fig. 2 im Vergleich zur Fig. 1
liegt jedoch darin, daß das Natriumchlorid 40 in einer durch
ein Gehäuse 54 umschlossenen separaten Kammer vorgesehen
ist, zu der die Leitung 36 für das NaAlCl4-Verfahrensprodukt
führt, wobei sich der Filter 34, falls ein solcher
vorgesehen ist, am Auslaß dieses Gehäuses 54 befindet. Die
Leitung 36 weist stromabwärts vom Gehäuse 54 ein Abzweigrohr
56 auf, das über eine geeignete Pumpe 58 in das Innere
des Gehäuses 12 führt, und die Leitung 36 führt ggf. zu
einem Vorratsbehälter 60 für NaAlCl4-Produkt.
Beim Betrieb erfolgt die Reaktion (4) im Gehäuse 12, wobei
AlCl3 benachbart zum Aluminium 26 erzeugt wird.
Recyclisiertes NaAlCl4, das am Boden des Gehäuses 12 eingespeist
wird, zirkuliert durch das Gehäuse 12, spült die
Oberflächen der Beta-Aluminiumoxid-Röhre 14 und des
Aluminiums 26, und verläßt das Gehäuse 12 über Leitung 36,
die zum Gehäuse 54 führt. Das das Gehäuse 12 über die
Leitung 36 verlassende NaAlCl4 enthält AlCl3, das sich
benachbart zur Oberfläche des Aluminium 26 gebildet und in
dem im Gehäuse 12 befindlichen NaAlCl4 leicht gelöst hat,
und demzufolge wird dieses NaAlCl4 im Sinne einer Lewis-
Säure mit Säure angereichert. Dieses AlCl3-säurereiche
NaAlCl4 gelangt in das Gehäuse 54, wo die obige Reaktion (5)
erfolgt. Das im Gehäuse 54 befindliche NaCl existiert als
ein Festbett von NaCl-Partikeln, und seine Größe zusammen
mit der Partikelgröße des NaCl, der Fließrate von NaAlCl4
durch das Gehäuse 54 und die Temperatur des NaAlCl4 im
Gehäuse 54 werden in Kombination miteinander so gewählt, daß
die vom Boden des Gehäuses 54 austretende Flüssigkeit
praktisch reines NaAlCl4 ist, das in Bezug auf NaCl
gesättigt und gewünschtenfalls durch den Filter 34 filtriert
ist. Praktisch reines NaAlCl4, das ein äquimolares Gemisch
aus NaCl und AlCl3 umfaßt, wird auf diese Weise über die
Leitung 56 und die Pumpe 58 recyclisiert, wobei ein
Überschuß an Produkt-NaAlCl4 durch die Leitung 36 zum
NaAlCl4-Sammelbehälter 60 fließt.
Ein Merkmal der in Fig. 2 gezeigten Anordnung besteht
darin, daß recyclisiertes NaAlCl4 veranlaßt wird, durch das
Gehäuse 12 zu fließen und dabei gebildetes AlCl3 von der
Oberfläche des Aluminiums 26 wegzuspülen, wodurch die Ansammlung
von AlCl3 zwischen diesem Aluminium 26 und dem
Beta-Aluminiumoxid 14 verhindert wird, welche Bildungsreaktion
möglicherweise zu einem unerwünschten
Konzentrationsgradienten führt, der den inneren Widerstand
der Zelle beeinflussen kann, und insbesondere wird die
Oberfläche der Beta-Aluminiumoxid-Röhre 14 gespült, wodurch
die mögliche Vergiftung des Beta-Aluminiumoxids durch
gebildetes AlCl3 vermindert oder verhindert wird.
Die Röhre 44 aus weichem Flußstahl in der Beta-Aluminiumoxid-
Röhre 14 ist an ihrem oberen Ende an die Dichtung
16.1 abisoliert und hat nur die Funktion, den Gasraum 46 zu
schaffen, der durch das Rohr 48 zum Druckmesser 50 führt.
Die Anzeige des Druckmessers kann erkennen lassen, ob und
wann ein unerwünscht hoher Druck im Inneren der Beta-
Aluminiumoxid-Röhre 14 aufgebaut wurde, so daß Maßnahmen
ergriffen werden können, um ein Brechen dieser Beta-Aluminiumoxid-
Röhre durch diesen Druck zu verhindern.
In den nunmehr beschriebenen Fig. 3 und 4 werden wiederum
die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Bauteile wie in
den Fig. 1 und 2 verwendet, wenn nichts anderes angegeben
ist. In den Fig. 3 und 4 wird eine "Batterie" von elektrolytischen
Zellen des durch die Fig. 1 und 2 veranschaulichten
Typs gezeigt, die ganz allgemein mit 62
bezeichnet ist. In dieser Batterie ist eine Vielzahl von
Beta-Aluminiumoxid-Röhren 14 ersichtlich, die in einer
rechtwinkeligen Anordnung von vier Reihen von jeweils drei
Röhren vorliegen und in einem gemeinsamen Gehäuse 12
untergebracht sind, wobei jede Röhre 14 ihre eigene Dichtung
16.1 aufweist und das Gehäuse 12 eine einzige Dichtung 16.2
hat. Jede der Röhren 14 besitzt eine Abflußleitung 38.1 für
Natrium durch deren Dichtung 16.1 und die Rohre 38.1 führen
in der Art einer Sammelleitung in ein gemeinsames Abflußrohr
38.2, das zum Natrium-Sammelbehälter 52 führt.
Im Gehäuse 12 ist das Aluminium 26 in Form von Aluminiumscheiben
oder -platten vorgesehen, welche die Röhren 14 in
Dreiergruppen voneinander trennen, wie aus Fig. 4
ersichtlich, so daß sich vertikale Platten 26 an einander
gegenüberliegenden Seiten jeder der Röhren 14 befinden. Die
Platten 26 sind parallel zu den Stirnwänden des Gehäuses 12
angeordnet und haben obere und untere Kanten, die sich im
Abstand vom Oberteil und dem Boden des Gehäuses befinden.
Die Platten 26 sind reihenförmig im Abstand voneinander
längs der Längsrichtung des Gehäuses angeordnet und es
befinden sich Platten 26 zwischen den Stirnwänden des
Gehäuses 12 sowie den benachbarten Gruppen von Röhren 14.
Die Funktion der Anordnung gemäß Fig. 3 und 4 ist im
wesentlichen ähnlich derjenigen der Fig. 2 und schmelzflüssiges
NaAlCl4 tritt am Boden des Gehäuses 12 an einer
zentral gelegenen Stelle ein und wird durch die Platten 26
verteilt, so daß es nach oben um die Röhren 14 zwischen den
Platten 26 und damit über die Oberkanten der Platten 26 zum
Auslaß durch die Dichtung 16.2 in die Leitung 36 strömt.
In den Fig. 5 und 6 wird mit dem Bezugszeichen 100 ganz
allgemein eine elektrolytische Zelle bezeichnet, die in
bestimmten Beziehungen der Elektrolytzelle der Fig. 2 etwas
ähnlich ist.
Die Zelle 100 umfaßt einen Reaktor 110, einen Primärbehälter
170 und einen Sekundärbehälter 200, wobei der Reaktor und
die Behälter, wie im folgenden ausführlicher beschrieben,
miteinander verbunden sind.
Der Reaktor 110 weist ein zylindrisches Gehäuse 112 mit
kreisförmigem Querschnitt auf, das mit einem Boden 114 und
einem Deckel 116 versehen ist. Diese Bauteile können z. B.
aus weichem Flußstahl bestehen. Das Gehäuse 112 bildet eine
Kammer 120, die schmelzflüssiges NaAlCl4, das mit 122
bezeichnet ist, enthält. Ein rohrförmiges Anschlußstück 124
führt vom Boden 114 weg zum Abziehen von NaAlCl4 aus der
Kammer 120, während ein rohrförmiges Anschlußstück 126 in
den Deckel 116 hineinreicht zur Rückführung von NaAlCl4 und
NaCl in die Kammer 120. die Zuführpunkte der Anschlußstücke
124, 126 sind, beim Betrachten des Reaktors 110 in
Draufsicht, um 180° voneinander versetzt, d. h. sie liegen
einander diametral gegenüber. Ein verbrauchbarer
Aluminiumstab 118 erstreckt sich in abgedichteter Form durch
den Deckel 116
in die Kammer 120 und der Stab ist an den positiven Pol
eines (nicht gezeigten) externen elektrischen
Gleichstrom-Stromkreises angeschlossen.
Der Reaktor 110 weist ferner eine kreisförmige zylindrische
Beta-Aluminiumoxid-Separatorröhre 130 auf, deren
abgeschlossenes Ende sich bei 132 befindet. Die Röhre 130
bildet eine Kammer 135. Eine ersetzbare Auskleidung oder
Hülle 133, z. B. ein Filz oder Blatt aus keramischem oder
ähnlichem porösen Material, ist um die Außenseite der Röhre
130 vorgesehen, die ggf. mit NaCl-Pulver imprägniert ist, um
sie gegen AlCl3-Vergiftung zu schützen.
Statt dessen oder zusätzlich kann ein anderes
Schutzmaterial, z. B. NaCl, benachbart zum Separator
angebracht werden. Der physikalische Abstand der
Anschlußstücke 124, 126 trägt ebenfalls dazu bei, die
AlCl3-Vergiftung des Separators 130 minimal zu halten. Der
Aluminiumstab 118 kann gewünschtenfalls für den gleichen
Zweck ebenfalls ersetzt werden durch eine um den Separator
130 angebrachte Aluminiumumkleidung.
Das andere oder obere Ende 134 der Röhre erstreckt sich
unter Vorliegen von Seitenspielraum durch eine zentrale
Öffnung im Deckel 116 und eine Muffe 136, die nach außen aus
dem Deckel 116 rund um die Zentralöffnung herausragt. Das
Röhrenende 134 ist, z. B. durch Verschmelzen mit Glas, an
einen Alpha-Aluminiumoxid-Isolierring 138 angeschlossen, der
auf einem abgestuften Teil 140 der Muffe 136 aufsitzt, wobei
sich ein O-Ring 142 in einer ringförmigen Vertiefung im
abgestuften Teil 140 unter Bewirkung einer Abdichtung
zwischen dem Ring 138 und dem abgestuften Teil 140 befindet.
Ein Einsatz oder Pfropfen 145, z. B. aus Stahl oder Al,
befindet sich innerhalb der Röhre 130. Die Ausgestaltung
des Einsatzes entspricht derjenigen der Röhre 130, so daß
die Kammer 135 in Form eines ringförmigen Spalts oder
Zwischenraums zwischen dem Einsatz 145 und der Röhre 130
vorliegt. Ein sich axial erstreckender Aufsatzteil 146 ragt
nach oben aus dem Einsatz 145 hervor und ist in
abgedichteter Form mit einer Muffe 148 verbunden. Ein
Umfangsflansch oder eine Ringscheibe 150 erstreckt sich
radial nach auswärts von der Muffe 148 und ist mit einer
ringförmigen Vertiefung 152 versehen, in der ein O-Ring 154
untergebracht ist. Der Ring 154 befindet sich somit in
abdichtender Form zwischen der Scheibe 150 und dem Ring 138.
Elektrisch isolierendes Material 153 ist zwischen dem Ring
138 und einem Teil 137 der Muffe 136, zwischen dem
Außenumfang der Scheibe 150 und dem Teil 137, sowie oberhalb
der Scheibe 150 vorgesehen.
Eine Scheibe 156 schließt das obere Ende der Muffe 148 ab,
wobei eine kreisförmige Scheibe 158 oberhalb des Flansches
oder der Scheibe 150 angeordnet ist, so daß das
Isoliermaterial 153 sandwichartig zwischen den Scheiben 150,
158 liegt. Der Außenumfang der Scheibe 158 ist an dem
Bauteil 137 befestigt.
Der Aufsatzteil 146 ist mit einem axialen Na-Abzugsdurchlaß
versehen, an den eine Leitung 160, z. B. aus TEFLON
(Handelsname) angepaßt ist. Diametral einander
gegenüberliegende radiale Durchlässe 162 führen von der
Kammer 135 zu dem axialen Durchlaß im Einsatzteil.
Ein Aluminium-Stromabnehmer 163 für die Kammer 135 ist auf
der Scheibe 150 montiert und ragt mit Spielraum durch eine
Öffnung in der Scheibe 158, so daß er sich nicht in
elektrischem Kontakt mit der Scheibe 158 befindet.
Der Primärbehälter 170 besteht aus Glas und weist einen
konischen Boden 172 auf. Heizvorrichtungen 174 sind um den
Behälter 170 vorgesehen, wobei eine flexible Leitung 125,
die aus flexiblem TEFLON bestehen kann, vom Reaktoranschluß
124 in den Boden des Behälters 170 über eine Glasverbindung
176 führt. Die Leitung 125 ist mit einer positiven Verdrängungspumpe
178 ausgestattet. Glaswolle 180 befindet sich am
Boden des Behälters 170. Ein thermoelektrisches Element 181
ist im Behälter 170 untergebracht. Eine rohrförmige
Glasverbindung 182 führt vom Behälter 170 nahe von dessen
oberem Ende weg und ist an eine flexible TEFLON-Leitung 127
angeschlossen, die am Anschlußteil 126 befestigt ist. Eine
Inertgas-, z. B. Argon-Rohrleitung 184 führt in den Kopfteil
des Behälters 170, und ebenso eine mit einem Ventil 188
ausgestattete Leitung 186 und eine Argon-Rohrleitung 190.
Die Leitung 186 kommt vom Boden eines NaCl-Vorratsgefässes
192. Eine Leitung 194 führt vom Kopf des Behälters 170 zum
Kopfteil des Gefässes 192 und ist mit einem Ventil 196 und
einer Paraffinfalle 198, die als eine Druckminderungseinrichtung
wirkt, ausgestattet. Das verwendete NaCl sollte so
rein wie möglich sein, z. B. frei von schädlichen
Alkalimetallen, Erdalkalimetallen oder anderen Giften für
Beta-Aluminiumoxid, die, wenn sie vorliegen, die Lebensdauer
des Separators 130 verkürzen. Das NaCl sollte auch frei von
Wasser gehalten werden. Wenn im NaAlCl4-System Wasser
vorliegt, was, wie die Praxis gezeigt hat, manchmal
unvermeidlich ist, führt dies zur Bildung von HCl im
NaAlCl4. Das NaAlCl4 kann dann über Aluminium geleitet
werden, das das darin enthaltene HCl gettert unter Bildung
von H2 und AlCl3, die verträgliche Substanzen sind. An der
Anodenseite findet bisweilen ein unvermeidbarer
Sauerstoffkontakt statt, weshalb ein Sauerstoffgetter im
Natrium vorgesehen werden kann, z. B. Magnesium oder Titan.
Der Sekundärbehälter 200 besteht auch aus Glas und weist
ebenfalls einen konischen Boden 202 auf und ist ebenfalls
mit Heizvorrichtungen 204 und einem thermoelektrischen
Element 206 ausgestattet.
Eine mit einem Ventil 209 versehene Leitung 208 führt vom
Boden des Behälters 200 in ein abgedichtetes Sammelgefäß
210, das mit einer Argonspülung 230 ausgestattet ist. Im
Gefäß 210 wird das NaAlCl4-Produkt gesammelt. Eine
Paraffinfalle 134 für das Argon ist mit dem Gefäß 210 mit
Hilfe einer Strömungsleitung 132 verbunden. Ein Filter 212
ist in einem unteren Bereich des Behälters 200 unterhalb des
Auslasses einer Leitung 214, die vom Kopf des Behälters 170
zum Kopf des Behälters 200 führt, vorgesehen. Eine Leitung
216 führt vom Kopf des Behälters 200 zu einer Paraffinfalle
218, die eine Druckminderungseinrichtung darstellt. Eine
Argonleitung 213 führt in den Kopfteil des Behälters.
Die Leitung 160 führt in ein Gefäß 220, in dem Natrium in
Paraffin gesammelt wird, wobei Paraffin, sobald sich das
Gefäß 220 mit Natrium füllt, überfließt und in einem Gefäß
222 über eine Strömungsleitung 224, die vom Gefäß 220 kommt,
gesammelt wird.
Eine Leitung 226 führt durch den Deckel 116 von der Kammer
120 zu einer Paraffinfalle 228, die eine Druckminderungseinrichtung
bildet.
Beim Betrieb wird ein elektrisches Potential über den Stab
118 und den Stromabnehmer 163 angelegt. Im Reaktor 110
laufen die oben beschriebenen Reaktionen ab. In der Kammer
120 gebildetes NaAlCl4 wird über die Pumpe 178 abgezogen und
in den Boden des Behälters 170 gepumpt, in dem es mit NaCl
in Kontakt gelangt, das in den Behälter 170 aus dem Gefäß
192 eingespeist wird. Demzufolge findet im Behälter 170 die
oben beschriebene Reaktion (5) statt. Praktisch reines
NaAlCl4 gelangt somit in den Behälter 200 über die
Strömungsleitung 214, wo es durch den Filter 212 filtriert
wird, bevor es als ein Verfahrensprodukt in das Gefäß 210
abgezogen wird.
Praktisch reines NaAlCl4, das ein äquimolares Gemisch aus
NaCl und AlCl3 darstellt, wird in die Kammer 120 des
Reaktors 110 über die Leitungen 182, 127 recyclisiert.
In der Kammer 135 gebildetes Natrium gelangt als ein
Verfahrensprodukt über die Leitung 160 in das Gefäß 220.
Wahlweise kann das erzeugte Natrium sofort weiterverarbeitet
werden, z. B. mit Wasser zur Herstellung von NaOH umgesetzt
oder mit einem Lösungsmittel für das Natrium kontaktiert
werden, oder dergleichen.
Offensichtlich weist die Zelle 100 verschiedene
wünschenswerte Sicherheitsmerkmale auf, z. B. folgende:
- - aufgrund der Anordnung der Pumpe 178 wird NaAlCl4 vom Reaktor abgezogen statt in diesen gepumpt zur Verminderung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Überdruck im Reaktor, wobei NaAlCl4 in den Reaktor praktisch nur unter Schwerkraft wieder eintritt;
- - jeder Überdruck im Reaktor, z. B. aufgrund einer übermäßigen Pumprate oder beschleunigten chemischen Reaktion wird durch die Druckminderungseinrichtung 228 aufgehoben;
- - das Spülen der Apparatur mit Inertgas (Argon) kann über die Spülleitungen 184, 190 und 213 sowie über die Druckminderungseinrichtungen 198, 218 erfolgen;
- - die Glaswolle 180 vermindert die Wahrscheinlichkeit des Verstopfens der Verbindung 176 mit NaCl;
- - aufgrund des Einsatzteils 145 wird das Natriumvolumen im Reaktor 110 minimal gehalten; und gewünschtenfalls kann die Natriumseite der Röhre 130 mit einem Docht oder anderem Sicherheitsmedium ausgekleidet werden; und das Paraffinbad 220 wirk als ein Rückschlagventil, wobei alle diese Merkmale die Menge an freigesetztem schmelzflüssigem Natrium und dessen Beweglichkeit vermindern, im Falle daß die Röhre 130 bricht.
Als Vorteil der Erfindung erweist es sich, daß beide
verwendeten Rohmaterialien, d. h. Aluminium und
Natriumchlorid, zu vernünftigen Preisen mit hohem
Reinheitsgrad leicht verfügbar sind, so daß die Erfindung
eine einfache und leicht durchführbare Methode schafft zur
Herstellung von NaAlCl4 hohen Reinheitsgrads unter Erzeugung
von Natrium, ebenfalls mit hohem Reinheitsgrad, als ein
wertvolles Nebenprodukt.
Es verdient ebenfalls hervorgehoben zu werden, daß feste
Leiter von Natriumionen, wie Nasicon und Beta-Aluminiumoxid,
obwohl sie zur NaAlCl4-Produktion oder selbst zur NaAlHal4-
Produktion geeignet sind, wegen einer möglichen Vergiftung
des Feststoffelektrolyten nicht notwendigerweise geeignet
sind zur NAlHal4-Produktion, wenn N eine andere Bedeutung
als Natrium hat. Wenn N ein anderes Alkalimetall, z. B.
Lithium oder Kalium, ist, sollte ein anderer geeigneter
fester Leiter von Ionen des in Frage stehenden Alkalimetalls
angewandt werden, oder ein Mikromolekularsieb-Separator,
z. B. Zeolith, der das in Frage stehende Alkalimetall darin
sorbiert enthält.
Schließlich sollte noch darauf hingewiesen werden, daß
anzunehmen ist, daß die Vergiftung der Beta-Aluminiumoxid-
Röhre 130 ein limitierender Faktor für die Lebensdauer der
Zelle und des Reaktors darstellt. Außer den Giften in den
Ausgangsmaterialien, die, wie oben erwähnt, vermieden werden
sollten, wird angenommen, daß der Hauptfaktor, der zur
Vergiftung der Röhre 130 tendiert, AlCl3 ist, das durch die
obige Reaktion (4) gebildet wird. Die Zelle und der Reaktor
gemäß den Fig. 5 und 6 umfassen daher eine Anzahl von
Merkmalen, um die AlCl3-Vergiftung der Röhre 130 zu
bekämpfen.
AlCl3 wird durch die Reaktion (4) nahe dem Stab 118
gebildet. Die Auskleidung oder Hülle 134 wirkt als eine
Barriere gegen den Konzentrationsgradienten von AlCl3, das
diese Wanderung bewirkt, und die in der Hülle vorliegenden
NaCl-Partikel bewirken eine Entfernung des AlCl3 durch
Reaktion (5), bevor dieses die Hülle 134 erreicht. Die Hülle
134 wird daher periodisch ersetzt, bevor deren NaCl-Gehalt
erschöpft ist. Außerdem ist die relative Lage der Röhre 130,
des Stabes 118 und der Anschlüsse 124, 126 (wobei sich der
Stab 118 mehr oder weniger zwischen der Röhre 130 und dem
Anschluß 124 befindet) so gewählt, daß die Strömung von
NaAlCl4 durch die Kammer in einer Richtung vorbei an der
Röhre 130 zwischen der Röhre 130 und dem Stab 118 erfolgt,
und in der Regel in der Richtung vom Stab 118 und weg von
der Röhre 130 zum Anschluß 124. Dadurch wird AlCl3 von der
Röhre 130 weg und in den Behälter 170 gespült, wo es
aufgrund der Reaktion (5) gründlich mit NaCl umgesetzt wird
in zu einem Fließbett führenden Mengen, wobei der
Fluidisierträger Argon ist, das durch die Strömungsleitung
175 eingespeist wird. Wenn überhaupt, braucht nur wenig
AlCl3 über den Anschluß 126 in das Gehäuse 112 gelangen und
das aus dem Behälter 170 in das Gehäuse eintretende NaAlCl4
kann feine NaCl-Partikel herüberführen, die zur Bekämpfung
der Wanderung von AlCl3 vom Stab 118 zur Röhre 130
beitragen. Es verdient ferner Beachtung, daß irgendwelche
mikroskopische NaCl-Partikel, die durch den Filter 212 in
das Verfahrensprodukt NaAlCl4 eingebracht werden, für eine
beabsichtigte Verwendung dieses Produktes als ein Elektrolyt
nicht als eine darin vorliegende Verunreinigung anzusehen
sind. Für andere Verwendungszwecke, bei denen sie als eine
Verunreinigung anzusehen wären, sollte jedoch ein NaCl-
Entfernungsstufe vorgesehen werden, z. B. in Form eines
Absetzgefäßes.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung einer (Alkalimetall) (metall)halogenid-
Verbindung der Formel MDHal x + 1 und von Alkalimetall,
wobei bedeuten
D ein Metall
M ein Alkalimetall
Hal ein Halogenid und
x die Wertigkeit des Metalles D,
dadurch gekennzeichnet, daß man
D ein Metall
M ein Alkalimetall
Hal ein Halogenid und
x die Wertigkeit des Metalles D,
dadurch gekennzeichnet, daß man
- - eine schmelzflüssige MDHal x + 1-Verbindung der oben angegebenen Definition, ein Metall (D) und ein Alkalimetallhalogenid der Formel MHal, worin M und Hal in MHal die oben angegebene Bedeutung haben und das gleiche Alklimetall bzw. Halogenid wie in MDHal x + 1 sind, aufeinander einwirken läßt,
- - die MDHal x + 1-Verbindung von einem schmelzflüssigen Alkalimetall, welches dasselbe Alkalimetall wie in MDHal x + 1 und MHal ist, mit Hilfe eines Separators trennt, der sich sowohl mit dem schmelzflüssigen MDHal x + 1 als auch dem schmelzflüssigen Alkalimetall im Kontakt befindet und einen festen Leiter von Ionen dieses Alkalimetalls oder ein Mikromolekularsieb, das dieses Alkalimetall darin absorbiert enthält, aufweist, und
- - ein ausreichendes elektrisches Potential über die elektrolytische
Zelle D/MHal/MDHal x + 1//Separator//Alkalimetall
anlegt zur Bewirkung des Ablaufs der folgenden Reaktionen:
xMHal + D → xM + DHal x (1)
und
MHal + DHal x → MDHal x + 1 (2),wobei das in Reaktion (1) gebildete Alkalimetall durch den Separator und in das schmelzflüssige Alkalilmetall wandert und das elektrische Potential ein in solcher Weise eingerichtetes Gleichstrompotential ist, daß Elektronen über einen externen Stromkreis in das schmelzflüssige Alkalimetall eingeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Metall D aus Aluminium (wobei x 3 bedeutet) oder Zink
(wobei x 2 bedeutet) besteht und der Separator ein fester
Leiter von Alkalimetallionen ist, so daß das in Reaktion (1)
gebildete Alkalimetall durch den Separator in Ionenform
wandert und in die Metallform entladen wird, wenn es
aus dem Separator in das schmelzflüssige Alkalimetall gelangt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine kontinuierliche Verfahrensdurchführung erfolgt unter
Verwendung von Aluminium als Metall D, wobei MHal kontinuierlich
in stöchiometrischen Mengen zu dem MAlHal4 auf
einer Seite des Separators zugegeben, MAlHal4, sowie es
gebildet wird, von dieser Seite des Separators
kontinuierlich abgezogen, und Alkalimetall, sowie es
gebildet wird, von der anderen Seite des Separators kontinuierlich
abgezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Reaktionen bei einer Temperatur durchgeführt werden,
bei der sowohl das MAlHal4 als auch das Alkalimetall
schmelzflüssig sind, bei der jedoch das Alkalimetallhalogenid
und Aluminium in fester Form vorliegen, wobei das
Alkalimetallhalogenid in fein verteilter Teilchenform
vorliegt und das Aluminium eine gleichförmige Masse
bildet und als ein Endpol für den externen Stromkreis
wirkt.
5. Verfahren nach Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektrolyt Natriumaluminiumchlorid der
Formel NaAlCl4, das Alkalimetallhalogenid Natriumchlorid,
das Alkalimetall Natrium, und der Separator
Beta-Aluminiumoxid sind, wobei die Zelle bei einer
Temperatur von mindestens 165°C arbeitet und das
angelegte elektrische Potential mindestens 1,8 Volt
beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Reaktionen (1) und (2) in
physikalisch voneinander getrennten Zonen durchgeführt
werden und das in Form einer Lösung im MAlHal4 vorliegende
AlHal3 aus einer ersten Zone, wo es gebildet wird,
zu einer das MHal enthaltenden zweiten Zone, wo es mit
dem MHal gemäß Reaktion (2) unter Bildung des
MAlHal4 reagiert, zyklisiert wird und das MAlHal4 zurück
in die erste Zone rezyklisiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei kontinuierlicher Verfahrensdurchführung das Metall D
Zink ist und MHal kontinuierlich in stöchiometrischen
Mengen zu dem MZnHal3 auf einer Seite des Separators
zugegeben wird, MZnHal3, sowie es erzeugt wird, von
dieser Seite des Separators kontinuierlich abgezogen wird
und Alkalimetall, sowie es erzeugt wird, von der anderen
Seite des Separators kontinuierlich abgezogen wird.
8. (Alkalimetall)(metall)halogenid-Verbindung und Alkalimetall,
herstellbar nach einem Verfahren gemäß Ansprüchen 1
bis 6.
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