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Verfahren zur elektrolytischen Gewinnung von reinem Aluminium aus
Rohaluminium, Legierungen und sonstigem Aluminiumgut Es ist bereits vorgeschlagen
worden (z. B. im amerikanischen Patent 673 36-.), reines Aluminium zu gewinnen durch
einen ähnlichen elektrolytischen Raffinationsv organg, wie er bei anderen Metallen,
wie z. B. Kupfer, allgemein angewandt ist. Mit Recht aber sagt B o r c h e r s (Aluminium,
192r, S. r56), daß die Frage praktisch nicht so einfach gelöst ist, wie sie von
jenem Erfinder abgetan wird. Alle bisher vorgeschlagenen Arbeitsweisen haben denn
auch zu keinem technischen Erfolge geführt.
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Dies liegt zum Teil in apparativen Schwierigkeiten, welche einerseits
einen sehr hohen Energieverbrauch bedingen und andererseits eine außerordentlich
sorgfältige Beaufsichtigung der Elektrolyse verlangen, so daß hohe Kosten für Löhne
usw. entstehen. Ein wesentliches Hindernis zur Durchführung derartiger Prozesse
besteht auch darin, daß bei den in Frage kommenden hohen Temperaturen und den dabei
für diese Verhältnisse notwendig werdenden relativ hohen anodischen Stromdichten
die auslesende (selektive) Wirkung des verschiedenen elektrolytischen Lösungsdruckes
der einzelnen Metalle nicht genügend zur Geltung kommen kann. So hat z. B. ein Erfinder
darauf hingewiesen, daß es nicht angehe, Chloride für die Elektrolytsalzschmelzen
zu verwenden, weil in derartigen Schmelzen aus den Anodenlegierungen neben dem Aluminium
vorhandenes Silizium mit in Lösung gehe, sich an der Kathode wieder abscheide und
damit eine unerträgliche Verunreinigung des kathodisch zu erzeugenden Rohaluminiums
verursache.
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Erfinderin hat nun gefunden, daß alle diese Schwierigkeiten überwunden
werden können, wenn sowohl das zu reinigende Gut wie auch das Kathodenmetall in
fester Form als Elektroden angewendet werden.
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Dabei muß ein Elektrolyt gewählt werden, dessen Schmelzpunkt tiefer
liegt als der des zu reinigenden Gutes und des Kathodenmetalls, damit es möglich
wird, - mit anodischen Stromdichten zu arbeiten, die eine volle Auswertung aller
Vorteile ermöglichen, welche sich aus dem hohen elektrolytischen Lösungsdruck des
Aluminiums im Vergleich zu den Metallen ergeben, die praktisch als Legierungsbestandteile
in Betracht kommen.
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Auch die Stromkonzentration im Elektrolyten kann unter diesen Umständen
derart reduziert werden, daß nur ein sehr geringer Energieaufwand für den Stromdurchgang
nötig wird. Die Länge des Stromweges durch den Elektrolyten kann durch entsprechende
Entfernung der Anoden und Kathoden voneinander nach Belieben eingestellt werden.
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Es hat sich gezeigt, daß z. B. eine große Zahl von Doppelsalzen des
Chloraluminiums mit Alkali- oder Erdalkalchlorden den genannten Bedingungen entsprechen..
Auch andere Halogensalze können verwendet werden, wobei allerdings den Bromiden
und Jodiden wegen der hohen Kosten technisch nicht die gleiche Bedeutung zukommt;
ferner können auch Sulfide verwendet werden, während
Fluoride für
sich allein wegen ihres hohen Schmelzpunktes außer Betracht bleiben. Am einfachsten
gestaltet sich die Elektrolyse mit Aluminiumkaliumchlorid und Aluminiumiiatriumchlorid.
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Mit einem Elektrolyten der Zusammensetzung Na Cl # A1 Cl" kann praktisch
das Verfahren bei einer Temperatur zwischen i 5o und 300° C durchgeführt werden.
Durch Zusatz von weiteren A1 C13 kann die Badtemperatur noch erniedrigt werden.
Allgemein wird man darauf abzielen, durch entsprechende Wahl der Salzmischung den
Schmelzpunkt des Elektrolyten nach Möglichkeit zu erniedrigen. Man kann mit verschiedenen
solchen Salzgemischen die Elektrolyse schon bei Temperaturen von 8o bis 300° C durchführen.
Neben den Alkalisalzen können dem Aluminiumhalogenid auch Erdalkalisalze zugesetzt
werden, so z. B. Calciurnchlorid oder Maguesiumchlorid. Die anodischen Stromdichten,
mit denen man vorteilhaft arbeiten kann, liegen zwischen etwa i und io Ampere auf
i qdm, sie können auch über io Ampere gesteigert werden, wobei allerdings die Elektrolysenspannung
höher liegt. An der Kathode scheidet sich das Aluminium in mehr oder weniger kompakter
Form ab. Günstige Verhältnisse ergeben sich bei Kathodenstromdichten von etwa i
bis io Ampere auf i qdm; doch gelingt es noch, gut zusammenhängendes Kathodenmetall
zu erhalten, wenn mari mit Stromdichten bis über io Ampere auf i qdm arbeitet. Dabei
ist es zweckmäßig, den Elektrolyten zu bewegen. Mit etwas größeren Raumansprüchen
kann die Stromdichte auch unter i Ampere gehalten werden.
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Nach diesem Verfahren kann reines Aluminium aus verschiedenartigem
Gut gewonnen werden, so aus Aluminium handelsüblicher Reinheit aus der heutt allgemein
angewandten Aluminium-Fluorid-Elektrolyse, wie auch aus Abfällen von Reinaluminium
und Aluminiumlegierungen; vor allem können auch direkt durch thermische Reduktion
oder durch Elektrolyse aus geeigneten Rohstoffen erzeugte Legierungen des Aluminiums
mit den Elementen der Begleitsubstanzen raffiniert werden. So kann man z. B. aus
Bauxit oder Ton durch thermische Reduktion mit Kohle oder Koks im elektrischen Ofen
Legierungen erzeugen oder so vorgehen, daß gewisse Bauxite, welche wenig oder fast
kein Eisen enthalten, ohne die kostspielige chemische Reinigung und Umsetzung in
Tonerde, unmittelbar nach Feinmahlung in die Fluorid-Elektrolyse gegeben werden,
wobei ein verhältnismäßig siliziumreiches und eisenarmes Rohaluminium (gegebenenfalls
mit einem geringen Titangehalt) . gewonnen wird: Wird Aluminium, wie es bei der
bisher üblichen Fluorid-Elektrolyse gewonnen= wird, als Anodenmaterial verwendet,
so kann man einReinaluminium von 99,9 Prozent und darüber erhalten.
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Aus den Anoden wird bei der Elektrolvse das Aluminium entsprechend
seinem hohen elektrolytischen Lösungsdruck zuerst herausgelöst. Andere Metalle,
wie Eisen und Silizium, bleiben zurück und können als Anodenreste entweder in einzelnen
Teilchen oder als zusammenhängende Skelette- gesammelt und technisch verwertet werden.
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Nächst dem Aluminium hat das Eisen die größte Neigung, in Lösung zu
gehen. Dies kann vermieden werden, indem man dafür sorgt, daß stets so viel Silizium
in der Anodenlegierung vorhanden ist, daß alles Eisen in Form von Ferrosilizium
(i Fe : i Si) gebunden ist. Durch entsprechende thermische Behandlung bei der Herstellung
der Anodenlegierung kann dafür gesorgt werden, daß das freie, überschüssige Silizium
in Form von möglichst großen Kristallen vorhanden ist; dies ist z. B. dadurch zu
erreichen, daß man die Anodenlegierung beim Erstarren aus dein geschmolzenen Zustande
langsam abkühlen läßt. Um die Verunreinigung der Anoden durch Eisen möglichst gering
zu halten, kann man dieEisen-Silizium-Aluminium-Legierungeiner Zwischenbehandlung
unterwerfen, derart, daß die geschmolzene Legierung durch langsames Erstarren in
eine an Ferr osilizium reiche und eine an Ferrosilizium arme Komponente getrennt
wird, wobei dann die auf diese Weise gewonnenen Legierungen gesondert der Elektrolyse
unterworfen werden.
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Wenn die Kathoden ein passendes Gewicht erreicht haben, werden sie
aus dem Bade herausgenommen. Das Metall kann dann in Umschmelzöfen, wie sie in der
Aluminiumindustrie gebräuchlich sind, oder auf andere Weise in handelsübliche Formen
gebracht werden.
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Als Kathoden werden bei Beginn der Elektrolyse zweckmäßig Aluminiumbleche
oder Mutterbleche aus anderem Metall in den Badausmaßen angepaßter Form eingehängt.
Da jeweils eine größere Zahl derartiger Bleche parallel geschaltet im Bade hängt,
ist es leicht möglich, die einzelnen Kathoden auszuwechseln, ohne die Elektrolyse
unterbrechen zu müssen.
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Die beiliegende Zeichnung veranschaulicht beispielsweise schematisch
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Abb. i ist ein Längsschnitt.
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Abb. 2 ist ein Grundriß -des Apparates.
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i sind die Elektrolysiergefäße, die aus irgendeinem dem geschmolzenen
Elektrolyten widerstehenden Material hergestellt sein können,
gleichgültig,
ob es den Strom leitet oder nicht. In diese Elektrolysiergefäße tauchen die Kathoden
2 ein, welche aus sogenannten Mutterblechen bestehen, auf die das Aluminium elektrolytisch
niedergeschlagen wird. Als Mutterbleche können sowohl Bleche aus Reinaluminium wie
auch aus anderen Metallen verwendet werden, von denen das niedergeschlagene Aluminium,
sobald es die nötige Dicke erreicht hat, nach Herausnehmen der Kathoden mechanisch
abgelöst oder mit den Mutterblechen weiter verarbeitet werden kann. Zwischen die
Kathoden 2 sind Anodenplatten 3 eingesetzt. Sämtliche Kathoden und sämtliche Anoden
einer Elektrolysierzelle sind parallel geschaltet.
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Die Zellen i sind in dem Beispiel nach Abb. i so angeordnet, daß der
Elektrolyt aus einer höher liegenden Zelle in eine tiefer liegende abfließt; es
lassen sich auf diese Weise ganze Reihen von Zellen anordnen. Dabei können je zwei
aufeinanderfolgende Zellen entweder durch Rohre d., welche bei leitenden Zellen
mit einem Isolierstück 5 versehen sind, in der Weise verbunden werden, daß der Elektrolyt
vom Boden der einenZelle mit demElektrolvten im oberen Teil der anderen Zelle verbunden
ist, oder aber der Elektrolyt kann über einen am oberen Rand der Zelle angebrachten
Ausfluß 6 aus der höheren in die tiefer gelegene Zelle übertreten. Auch in diesem
Falle kann durch eine Trennwand 7 dafür gesorgt werden, daß der Elektrolyt jeweils
am Boden der einen Zelle entnommen wird oder aber in der tiefer gelegenen Zelle
durch die Trennwand 8 zuerst auf den Boden sinken muß. Durch diese Anordnung, wobei
der Elektrolyt jeweils oben in eine Zelle eintritt und aus dem diagonal gegenüberliegenden
unteren Teil der Zelle abgezogen wird oder unten eintritt und oben abgezogen wird,
erreicht man eine starke Bewegung und damit eine gute Mischung des Elektrolyten,
wodurch eine Verarmung einzelner Teile des Elektrolyten verhindert wird. Man kann
auch durch geeignete Anordnung der Kathodenplatten und Anodenplatten io eine Zirkulation
bewirken.
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Elektrisch können die einzelnen Zellen eines Systems derart in Serie
geschaltet werden., daß die Kathodenreihe einer Zelle mit der Anodenreihe der nächsten
Zelle elektrisch verbunden wird usw.
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Zur Beheizung der Zelle, um den Elektrolvten auf der günstigsten Betriebstemperatur
zu halten, kann jede geeignete Erhitzungsart angewendet werden, also auch Erwärmung
durch den Widerstand des Elektrolyten selbst, durch den Elektrolysenstrom oder sekundären
Wechselstrom.