DE48790C - Apparat zur Erzeugung von Metallsalzlösungen auf galvanischem Wege - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein elektrochemischer Apparat, welcher die Gewinnung von Metallsalzen, 1 im Grofsen gestattet und gleichzeitig einen'- elektrischen Strom liefert.

In diesem Apparat werden die Lösungen durch Nutzbarmachung der von dem inneren Widerstand herrührenden Wärme so weit concentrirt, dafs sie die Anzahl Grade Beaume oder die Temperatur haben, welche man zu erhalten wünscht, dergestalt, dais durch blofse Abkühlung die !Crystallisation der genannten Lösungen hervorgerufen wird.

Auf der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht Fig. ι eine zum Theil im Schnitt gezeichnete Seitenansicht eines derartigen elektrochemischen Apparates, Fig. 3 den entsprechenden Grundrifs (ein Theil ist ohne Deckplatten gezeichnet) und Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 1-2 der Fig. 3.'

Der Apparat besteht aus einem länglichen, rechteckigen Bottich a, welcher aus irgend einem Säuren widerstehenden Material geformt ist oder auch aus besonders gestalteten Plätten solchen Materials zusammengesetzt sein kann. Er enthält zwei Abtheilungen, eine obere, gröfsere, welche als Elementengefäfs dient, und eine untere, kleinere, welche dazu bestimmt ist, die concentrirten Lösungen aufzunehmen. Der Bottich ist durch senkrechte Scheidewände b aus Glas oder dergleichen, welche in Nufhen der Innenwandungen des Bottichs eingesetzt sind, in mehrere Fächer getheilt, die durch Oeffnungen in den Scheidewänden b oder Kanäle in den Wandungen mit einander communiciren.

In jedem dieser Fächer, d. h. in dem oberen Theil derselben, bringen wir mehrere Elemente unter, welche aus Kohlenelektroden C von allmälig nach oben zunehmender Dicke, porösen, diese Elektroden umgebenden flachen Zellen c und Metallelektroden F bestehen. Die Zellen c jedes Faches sind durch seitliche Zapfen oder Warzen c¹, welche bei der Herstellung der Zellen an diesen vorgesehen sind (s. Fig. 7), mit einander verbunden und jede Zelle c ruht auf einer. Platte d.

Unterhalb der Platten d befindet sich die untere Abtheilung des Bottichs a, welche wir Reservoir oder Behälter nennen.

Der sogenannte Behälter steht mit dem Theil des Bottichs in unmittelbarer Verbindung, wo die Metallelektroden, d. h. die auflöslichen Elektroden, sich befinden; der Zweck dieser Einrichtung ist weiter unten angegeben.

In jedem Fach schaltet man eine gewisse Anzahl von Elementen parallel, da es von Vortheil ist, die Anzahl der hinter einander geschalteten Elemente nicht zu grofs zu machen, und zwar wegen des Preises des Apparates und der Verluste, welche eine zu grofse Spannung zur Folge haben. würde, da alle Zellen mit einander communiciren. Man erhält auf diese Art Elemente, welche eine sehr grofse Strommenge geben.

Die so gebildeten Apparate sind mit Glasoder Schieferplatten f abgedeckt. Die Kohlen·- elektroden, sowie auch die Contacte der löslichen Elektroden ragen aus den Deckeln hervor. Die Deckel sind geneigt angeordnet, um den Zug der Esse e; Fig. 2, zu befördern, welche an dem oberen Theil des Apparates angebracht

ist. Die Schrägstellung der Deckel hat noch den folgenden Zweck. W⁷enn die Batterie in . vollem Gange ist, so erhitzt sie sich und es bildet sich Wasserdampf. Der letztere condensirt sich auf der Unterseite der Deckel und absorbirt die entwickelten salpeterhaltigen Dämpfe, wenigstens zum Theil, mit denselben Salpetersäure bildend. Diese Säure wird von einer Rinne h aufgefangen, welche in der Vorderwand des Apparates ausgearbeitet und dort unter der Stelle gelegen ist, wo der Deckel gestützt wird. Diese Einrichtung hat zwei Vortheile; sie ermöglicht, die auf diese Art wiedergewonnene Salpetersäure zu sammeln, aufserdem verhütet sie, dafs die Säure sich mit den erzeugten Metallsalzen vermischen und deren Beschaffenheit verändern kann. Ueber dem Apparat sind zwei Behälter R und R¹, Fig. i, aufgestellt, von denen der eine, R, die depolarisirende und der andere, JR¹, die erregende Flüssigkeit enthält.

Will man den Apparat füllen oder laden, so stellt man durch Oeffnen von Hähnen zwischen den die Kohlenelektroden enthaltenden porösen Zellen und dem die depolarisirende Flüssigkeit enthaltenden Behälter R, sowie zwischen dem Bottich und dem mit der erregenden Flüssigkeit gefüllten Behälter R¹ Verbindung her. Die erregende Flüssigkeit besteht aus einem Gemisch von Wasser und Säuren, dessen Bestandtheile sich nach den Producten (Sulfate, Chlorate u. s. w. des Eisens, Kupfers, Zinks u. s. w.) richten, welche man herstellen will. Sobald der Stromkreis der Elemente geschlossen ist, bilden sich die Sulfate oder Chlorüre im Innern des Apparates und entwickeln sich salpeterhaltige Dämpfe, welche letzteren durch die Esse nach Condensationsthürmen entweichen und dort regenerirt werden. Wenn die Lösung in den Thürmen 20⁰ zeigt, so verwendet man dieselbe, nachdem man sie mit Schwefel- oder Salzsäure concentrirt hat, von neuem.

Der auf diese Art eingerichtete Apparat bewirkt die Erzeugung des elektrischen Stromes auf eine ökonomische Weise, denn er löst das Problem wie folgt:

i. Er ermöglicht, mit den geringsten Kosten die durch die Verbindung der Säuren und der Metallbasen im Innern des Apparates gebildeten Salze zu sammeln, welche krystallisiren, sobald sie aus dem Apparat herauskommen. Da die Summe der Preise der Säuren und der Basen wenig höher ist als der Preis der Salze, welche aus der im Apparat stattfindenden Verbindung der Säuren und Basen resultiren, und die Ausgabe für die Concentrirung der Lösungen und deren Krystallisation (infolge der in dem Apparat entwickelten und von dem inneren Widerstand herrührenden , Wärme) gleich Null ist, so deckt man durch den Verkauf der Salze, aufser den Anschaffungskosten für die Rohstoffe, auch die Kosten für Arbeitslohn u. s. w. Der elektrische Strom wird folglich als Nebenproduct gewonnen.

2. Der in unserer Batterie verwendete Depolarisator ist nur der Sauerstoff der Luft. Die als Depolarisator angewendete Salpetersäure zersetzt sich nämlich in Stickoxyd und Sauerstoff; der letztere verbindet sich mit dem auf der Kohlenelektrode entwickelten Wasserstoff zu Wasser. Das mit der Luft in Berührung befindliche Stickoxyd giebt Untersalpetersäure, welche ihrerseits in die Condensationsthürme, wo Wasser herabrieselt, gezogen wird und in Berührung mit diesem Wasser wieder Salpetersäure bildet, welche von neuem angewendet wird.

Aus dem Vorhergehenden ergiebt sich, dafs der Kreislauf der Operationen, durch welche wir dazu gelangen, Metallsalze unter Gewinnung eines elektrischen Stromes herzustellen, ohne etwas anderes als die benutzte Säure und die verwendete Base aufzuwenden, da die Salpetersäure theoretisch vollständig wiedergewonnen wird, folgender ist:

A. Auflösung einer Metallelektrode durch Schwefelsäure, Salzsäure u. s. w.

B. Oxydation des freigewordenen Wasserstoffs durch die Salpetersäure, mit welcher die poröse Zelle gefüllt ist, die eine Kohlen- oder andere unangreifbare Elektrode enthält.

C. Oxydation der entwickelten salpetrigen Dämpfe durch die Luft und Regenerirung dieser oxydirten Dämpfe zu Salpetersäure durch Wasser, welches in den Condensationsthürmen dem Gase entgegenrieselt.

D. Krystallisation der in dem Reservoir des Bottichs gebildeten Salze, indem die Lösung durch die in dem Apparat entwickelte und durch den inneren Widerstand erzeugte Wärme auf den gewünschten Concentrationspunkt gebracht wird.

E. Wiederladung des Apparates einerseits mit angesäuertem Wasser und andererseits mit der regenerirten Salpetersäure, welche Säure mittelst eines veränderlichen Zusatzes von Schwefelsäure concentrirt wird.

In unseren Apparaten macht man die verlorene, von dem inneren Widerstand der Batterie herrührende Wärme nutzbar, um die Lösungen zu concentriren und auf einen derartigen Concentrationspunkt zu führen, dafs sie bei ihrer Herausnahme aus dem Apparat durch blofse Abkühlung krystallisiren; die Mutterlaugen werden wieder in der Batterie verwendet, nachdem dieselben mit der erregenden Lösung verdünnt worden sind. Diese Erhitzung hat aufserdem den Vortheil, die Bildung von Krystallen auf der löslichen, aus Eisen, Kupfer, Zink, Nickel, Zinn oder anderem Metall bestehenden Elektrode zu verhüten.

Wir haben auf diese Art eine allgemeine Methode der industriellen Herstellung von Metallsulfaten, -Chlorüren u. s. w. unter Erlangung des elektrischen Stromes als Nebenproduct; die gewonnenen Salze sind ganz rein, was nicht eintreten würde, wenn man einen anderen Depolarisator als Salpetersäure anwenden würde.

Unsere Apparate eignen sich besonders zur Herstellung von einfachen und doppelten Sulfaten und von Chlorverbindungen des Eisens, Mangans, Zinks, Kupfers, Nickels, Zinns u. s. w.; die erzeugten Producte sind direct verkäuflich oder anwendbar zur Herstellung von anderen Producten, z. B. die Mangansalze zur Gewinnung von Permanganaten.

Die löslichen Elektroden können aus Abfällen der oben genannten Metalle gebildet werden. In diesem Falle verwenden wir Säcke aus Asbest oder anderem unangreifbaren Material oder irgend einen durchlöcherten, unangreifbaren Behälter, welche gestatten, um eine centrale Elektrode herum die Abfälle u.s.w. zu gruppiren, was die Herstellungskosten noch mehr vermindert. Man kann z. B., Fig. 4, eine durchlöcherte Porcellanzelle. benutzen, welche zwischen zwei poröse flache Zellen c gestellt ist; es ist klar, dafs die zwischen der "centralen Elektrode χ und den Wandungen K K des Behälters untergebrachten Abfälle zuerst, eher als die centrale Elektrode, angegriffen werden, weil dieselben den Kohlenelektroden näher liegen, die centrale Elektrode könnte daher mehrere Male benutzt werden. Die Anwendung dieser Behälter ist vortheilhaft bei Benutzung von Eisen-, Messing-, Kupferu. s. w. Abfällen.

Wir verwenden in den elektrochemischen Apparaten besonders Kupfer als lösliche Elektrode; das Kupfer wird in einer verdünnten Lösung von Schwefelsäure nicht merklich angegriffen, und wenn man ein Element aus Kupfer und Schwefelsäure einerseits und Kohle und Salpetersäurelösung andererseits bildet, so ist die Menge des gebildeten Kupfersulfats proportional der Stärke des Stromes und nähert sich sehr der theoretischen Menge.

Das Sulfat wird hernach durch einfache Abkühlung der gesättigten Lösungen krystallisirt erhalten, welche, wie weiter oben erläutert, durch den inneren Widerstand der Batterie erhitzt worden sind.

Anstatt Kupfer oder Kupferabfälle kann man auch vortheilhaft Messing oder Messingabfälle anwenden. Die Säuren geben, indem sie das letztgenannte Metall auflösen, Kupfer- und Zinksulfate oder -Chlorüre, welche man später trennen kann. Wenn man Messing z. B. durch Schwefelsäure zersetzt, so bilden sich Kupfer- und Zinksulfate, und bei der Abkühlung; krystallisirt das wenig lösliche Kupfersulfate während das sehr lösliche Zinksulfat aufgelöst bleibt.

Wir verwenden, wie oben angegeben, in unseren elektrochemischen Apparaten ein unter den wirksamen Oberflächen der Elemente angebrachtes Reservoir. Dieses Reservoir gewährt den Vortheil, dafs man die Elektroden in dem oberen, die Elemente enthaltenden Theil des Bottichs so weit, als man es wünscht, einander nähern kann und gleichzeitig ein Volumen der erregenden Lösung hat, welches viel gröfser ist als dasjenige der depolarisirenden Lösung.

Es ist für den guten Gang der Apparate erforderlich, dafs die erregende und die depolarisirende Lösung gleichzeitig erschöpft werden. Der Arbeitslohn für das Füllen und Entleeren der Batterie wird dadurch sehr vermindert. Das unter der Batterie liegende Reservoir allein ermöglicht die Erzielung dieses Resultates auf rationelle Weise,· denn es gestattet, die Elektroden einander nahe zu bringen und folglich den inneren Widerstand der Batterie auf das geringste Mafs zu beschränken. Aufserdem ist bei dieser Anordnung der Gang des Apparates regelmäfsiger, denn die saure Lösung fällt, sobald sie neutralisirt und dadurch schwerer geworden ist, auf den Boden des Reservoirs und wird durch eine neue Lösung' ersetzt, welche die Zersetzung der löslichen Elektroden constant erhält. Da der Apparat infolge seines Ganges erhitzt wird, so werden die chemischen Wirkungen befördert, gerade wenn die saure Lösung schwächer wird, was ebenfalls zur Bildung eines regelmäfsigen Stromes mitwirkt. Da die porösen Zellen, welche man im Grofsen darstellen kann, immer beschränkte Dimensionen haben, so ist der Vortheil des unteren Reservoirs insofern noch bedeutender, als man gezwungen ist, mehrere dieser Zellen in einem und demselben Fache parallel zu schalten, um wirklich ökonomische und praktische Apparate zu erhalten; wenn man unter diesen Bedingungen nicht das Reservoir anwendet, um das erforderliche Verhältnifs zwischen der erregenden und der depolarisirenden Lösung herzustellen, so mufs man die Elektroden entfernter von einander aufstellen, Fig. 5, was den inneren Widerstand vermehrt, oder zwei lösliche Elektroden auf eine unlösliche anwenden, Fig. 6, was die localen Wirkungen (attaques locales), die Anzahl der Contacte und den von dem Apparat eingenommenen Raum vermehrt und die Erhitzung der Lösungen . schwieriger macht. Aufserdem sind die porösen Zellen bei Anwendung des Reservoirs niedrig, so dafs die Kohlenelektroden einen geringeren Widerstand darbieten.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   ι. Ein Apparat zur Erzeugung von Metallsalzlösungen auf galvanischem Wege, gebildet von einem" in eine obere und eine untere Abtheilung getheilten Bottich α aus Säuren widerstehendem Material, in dessen oberer Abtheilung Elemente dergestalt angeordnet sind, dafs nur die aufzulösenden Metallelektroden von der den Bottich füllenden erregenden Flüssigkeit umspült werden, zum Zwecke, die sich beständig bildende Metallsalzlösung in der unteren Abtheilung des Bottichs zu sammeln und durch die durch den inneren Widerstand erzeugte Wärme zu concentriren.
2. 2. Bei dem Apparat gemäfs Anspruch i. die Wiedergewinnung der als depolarisirende Flüssigkeit benutzten Salpetersäure einestheils durch die im Apparat erzeugten Wasserdämpfe, welche sich auf der Unterseite des den Apparat abschliefsenden geneigten Deckels condensiren und von dort •in eine unterhalb des Deckels vorgesehene Rinne h, Fig. 2, fliefsen, anderentheils durch Absaugen der salpetrigen Dämpfe nach Condensationsthürmen, in welchen den Dämpfen Wasser und eventuell auch Schwefelsäure entgegenrieselt, um die so wiedergewonnene Säure von neuem als Depolarisator zu benutzen.
   Bei dem Apparat gemäfs Anspruch 1. die Anwendung von Kohlenelektroden C mit von unten nach - oben zunehmender Dicke, welche in porösen Zellen untergebracht sind, die mit einander in Verbindung stehen, wobei die Form der Kohlenelektroden den Zweck hat, den inneren Widerstand bei Anwendung der möglich kleinsten Elektroden zu verringern.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.