-
Vorrichtung zur schmelzelektrolytischen Gewinnung von Leichtmetallen
Die technische Darstellung der Alkali-, Erdalkali- und Erdmetalle mit hohem Schmelzpunkt
in der bekannten Art des Schmelzflußelektrolyseverfahrens hat den Nachteil, daß
es notwendig ist, um Metall in einem flüssigen Zustand zu gewinnen, den gesamten
Elektrolyten auf die Schmelztemperatur des Metalles zu. erhitzen.
-
Es ist bekannt, daß bei der Gewinnung der Metalle, deren Schmelzpunkt
höher liegt als die Schmelztemperatur des Elektrolyten, diese in schwammiger Form
entstehen. Das Metall ist im Elektrolyten feinst verteilt, so daß die Gewinnung
desselben große Schwierigkeiten bereitet. Eine weitere unangenehme Tatsache bildet
die Löslichkeit der Metalle in ihren Salzen. Die Metallteilchen verbreiten sich
während der Elektrolyse von der Kathode aus nebelartig durch -den Elektrolyten,,
werden teilweise an seiner Oberfläche oxydiert, gelangen jedoch auch zur Anode und
werden vom Anodenprodukt wieder zu Salz zurückverwandelt. Dieser Vorgang wird um
so stärker, Je höher die -Temperatur des Elektrolyten ist,- so daß die Ausbeute
mit-steigender Temperatur desselben abnimmt. Es ist ferner bekannt, daß die Löslichkeit
von Metall; z. B. von Mg-Metall, in der Elektrolytzusammensetzung Mg C12 -E- K Cl
-[- Na Cl direkt proportional der Temperatur des Elektrolytbades ist, jedoch umgekehrt
proportional der Konzentration von K Cl und Na Cl. Dies konnte auch neuerdings experimentell
nachgewiesen werden. Die Konzentration von K Cl und Nä CI. kann jedoch nicht beliebig
gesteigert werden, da hiermit auch die Gefahr der Abscheidung von Na- oder K-Metall
wächst. Es ist außerdem bekannt, daß die Zersetzungsspannung der Alkalichloride
durch Erhöhung der Temperatur des schmelzflüssigen Elektrolyten schnell sinkt, so
daß sie für Na Cl und K Cl z. B. bei der Magnesiummetallgewinnung um iooo° C gleich
der von Magnesiumchlorid wird, und dementsprechend Mg, K und Na in gleicher Menge
abgeschieden werden. Daraus geht also hervor, daß bei steigender Temperatur auch
Kalium und Natrium in erhöhtem Maße abgeschieden werden. Diese Tatsache ist äußerst
unangenehm, z. B. ist Mg-Metall mit
einer Verunreinigung von o,i°/aNa
oder K so stark der. Korrosion unterworfen, daß es in der Praxis als Baustoff unbrauchbar
wird. Laut Regelsberger (Chem. Technologie der Leichtmetalle) ist ferner bekannt,
daß bei höherer Temperatur des Elektrolyten die sekundären Bildungen (Suboxyde,
Subchloride u. dgl.) stärker auftreten, die als solche und durch Bildung von Restströmen
Verluste an Stromausbeute verursachen.
-
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Durchführung der Schinelzflußelektrolyse
bei der normalen Schmelztemperatur des Elektrolyten und nicht wie bisher bei der
Schmelztemperatur des Kathodenproduktes. Dieser Vorteil wird gemäß der Erfindung
durch die Heizung der Sammelhaube des Kathodenproduktes über der Kathode ermöglicht.
Dadurch wird nur der kleine Teil des Elektrolyten im Kathodenraum auf die Schmelztemperatur
des Kathodenproduktes erhitzt. Damit aber werden schon die sich durch die Überhitzung
des Elektrolyten ergebenden Nachteile zum Großteil ausgeschaltet. Es wurde z. B.
neuerdings für die Gewinnung von Mg-Metall -aus der Schmelzflußelektroly se experimentell
nachgewiesen, daß bei den üblichen Schmelztemperaturen des Elektroly tgemisches
die Bildung von Suboxyden bzw. Subhaloiden unterbleibt. Die Untersuchung des erstarrten
Elektrolyten ergab außer den Zusatzsalzen ein Gemisch von Mg Cl- und fein verteiltem
Mg-Metall. Theorie wie Praxis erhärten die Annahme, daß es sich um molekulare Löslichkeit
unter Bildung instabiler Solvate von der Art Mg, MgCl2 handelt, die leicht in ihre
Komponenten zerfallen.
-
Beispielshalber sei der Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
an Hand beiliegender Zeichnung ausführlich erörtert.
-
Die Vorrichtung stellt in ihrer grundsätzlichen Anordnung eine Elektrolysezelle
in der bekannten Form dar. Das Elektrolvsegefäß i besteht aus einer keramischen
Masse, die dem Angriff des Elektrolyten widersteht und in eine Stahlwanne eingebaut
ist. Als Decke12 dient eine aus einem widerstandsfähigen keramischen Material bestehende
Platte, welche mit einer Einfüllvorrichtung 3 dem Chlorabführungsrohr q. und der
Kathodenproduktensammelhaube 5, kurz Kathodenkasten genannt, ein Ganzes bildet.
Letzterer wird im folgenden als integrierender. Erfindungsbestandteil gesondert
beschrieben. Die zylindrische Graphitanode 6 wird gemäß der Zeichnung von oben in
die Zelle eingesetzt. In die in diesem Falle zylindrische Öffnung des Kathodenkastens
wird die Eisenkathode 7 eingeführt. Der Kathodenkasten besteht aus einem an dem
in den Elektrolyten eintauchenden Ende geschlossenen Doppelzylinder. Auf den Innenzylinder
wird eine regelbare Heizung 5" in der beispielsweise gezeigten Art, eine elektrische
Widerstandsheizung aus Chromnickeldraht, welche auf einem sehr dichten keramischen
Rohr aufgetragen ist, gestülpt. Diese Heizmuffel ist so ausgeführt, daß entsprechend
der im zylindrischen Kathodenraum wachsenden Metallsäule Heizwindungen zugeschaltet
werden können. Die Wärmeisolation der Heizung wurde wie nachfolgend beschrieben
durchgeführt. Die Heiz-. rriuffel wird von einer Isolationsschicht umgeben. Die
Isolationsschicht wird durch einen Eisenblechmantel zusammengehalten; darauf folgt
ein bis zur Bodenisolation reichender schmaler, ringförmiger Luftspalt 5b, welcher
durch den darauffolgenden Eisenblechmantel begrenzt wird. Der Blechmantel ist durch
eine Isolationsschicht vom Außenmantel wärmeisoliert. Der Eisenmantel als Abschlußfläche
der Wärmeisolation der Kathodenraumheizung einerseits und der Eisenmantel als Abschluß
der Wärmeisolation des Außenzylinders des Kathodenkastens gegen den schmelzflüssigen
Elektrolyten andererseits, stellen über dem Kühlluftspalt5b einen günstigen Wärmeausgleich
dar, so daß eine zusätzliche unerwünschte Erhitzung des Elektrolyten verhindert
wird.
-
Die Gewinnung von Magnesiummetall mit dieser neuen Vorrichtung ergibt
eine bedeutende Ersparnis im Energieverbrauch. Ferner wird die Metallauflösung fast
gänzlich behoben, so daß die Stromausbeute wesentlich erhöht wird.
-
Einige der zahlreichen nach dem Stande der heutigen Technik bekannten
Vorrichtungen zur elektrolytischen Darstellung von Leichtmetallen sind in bezug
ihres Aufbaues und der Ausgestaltung ähnlich der vorliegenden Erfindung. Es ist
z. B. bekannt, die Kathode mit einer Sammelhaube zu umgeben, ferner ist bekannt,
die Kathode hohl auszuführen und zu heizen. Im ryeiteren sind noch die verschiedensten
Ausführungen von Elektrolyseuren vorgeschlagen worden, die durch ihre besondere
Bauart Vorteile in den verschiedensten Richtungen gegenüber den bereits bekannten
Apparaten ergaben.
-
Keiner dieser Vorschläge hatte jedoch den Schmelztemperaturunterschied
des Kathodenproduktes von der Schmelztemperatur des Elektrolyten und der sich daraus
ergebenden' Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung als Grundlage. Dadurch erst
wird es möglieh, das geeignetste Verhältnis der Badspannung zu dem Temperaturgefälle
zwischen der Schmelztemperatur des Kathoden-Produktes und der Schmelztemperatur
des Elektrolyten in bezug auf den Badwiderstand .
einzustellen und
über die vom elektrolytischen Prozeß unabhängige Beheizung der Sammelhaube des Kathodenproduktes
den günstigsten Wirkungsgrad für die Stromausbeute und den Energieverbrauch zu erzielen.
Ferner wird die größtmögliche Reinheit des Kathodenproduktes erreicht. Der wesentliche
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß durch die zusätzliche
Heizung der Kathodenproduktsammelhaube der elektrolytische Vorgang in jeder Hinsicht
günstig beeinflußt wird; dies konnte mit den bisher bekannten Vorrichtungen in diesem
Ausmaß nicht erreicht werden.