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Verfahren zur Fällung und Trennung von Metallen durch innere Elektrolyse
Bei den bekannten Gleichstromelektrolyseverfahren werden die für den Stromeintritt
und -austritt verwendeten Pole, die Elektroden genannt werden, mit einer äußeren
Stromquelle in Verbindung gebracht und in den Elektrolyt eingetaucht, der durch
den zu- und abgeführten elektrischen Strom zersetzt wird.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fällung und Trennung von
Metallen durch innere Elektrolyse und besteht darin, daß die bezüglich ihrer stofflichen
Zusammensetzung aus der elektrochemischen Spannungsreihe ausgesuchten Fällungs-
.und Lösungselektroden außerhalb des Elektrolyts elektrisch kurz geschlossen oder
über einen bestimmten bzw. veränderlichen Widerstand miteinander verbunden und innerhalb
des Elektrolyts durch ein Diaphragma getrennt werden, -das auch den für die Abscheidung
oder Fällung geeigneten Anolyt bzw. Katholyt trennt.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind in der Einsparung
einer besonderen Energiequelle für die innere Elektrolyse nach der Erfindung, weil
letztere unabhängig von einer fremden Stromquelle erfolgt, in der daraus sich ergebenden
Freibeweglichkeit des Verfahrens, der Kürze der Ahscheidungsdauer, die wesentlich
kürzer als bei dem bisherigen Verfahren durchführbar ist, und in der Ersparnis an
unangreifbaren Anoden zu sehen.
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Das Verfahren besteht also im wesentlichen darin, daß durch mittelbaren
oder über regelbare
Widerstände unmittelbaren Kurzschluß der als
Elektroden dienenden Metalle das unedlere in Lösung geht und das edlere zur Abscheidung
kommt. Es ist zweckmäßig, in die Kurzschlußleitung der Elektroden feste oder regulierbare
Widerstände und/oder Meßinstrumente einzuschalten, um durch Drosselung der Spannung
bei der Elektrolyse aus einer Legierung nacheinander einzelne Metalle zu fällen,
da sich die Fällungen in Abhängigkeit voa der Zusammensetzung einer Lösung und in
Abhängigkeit von der Stromspannung vollziehen.
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Die benötigte Spannung ergibt sich durch Auswahl der Elektroden aus
der elektrochemischen Spannungsreihe und die erforderliche Stromdichte aus der Größe
und Ausbildüng der aktiven Elektrodenoberfläche. Die Überwindung des inneren Widerstandes
kann durch Erhöhung der Leitfähigkeit der zur Anwendung kommenden Materialien, durch
Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit, beispielsweise durch mechanisches Bewegen
der Elektrolyte oder durch Temperaturerhöhung und/oder durch Beschleunigung der
chemischen Vorgänge erzielt werden.
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Nachdem Verfahren gemäß der Erfindung können Metalle und Metallegierungen
zur Abscheidung bzw. Lösung gebracht werden. Es lassen sich nicht nur die edlen
Metalle, wie Gold, ,Silber, Quecksilber, Kupfer u. dgL nach dem . Verfahren isolieren,
sondern auch weniger edle Metalle, wie Wismut, Antimon, Zinn, Blei, Nickel, Kobalt,
Zink usw.
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Als Lösungen sind nicht nur einfache Säuren und Basen, sondern auch
komplexbildende Salze verwendbar. Die als Elektroden geeigneten Metalle sowie Art
und Konzentration der Elektrolyte werden empirisch in einfacher Weise ermittelt.
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Da Katholy t und Anolyt durch eine Diaphragmenwand getrennt sind,
können beide Lösungen nach erfolgter Auflösung und Abscheidung nahezu restlos isoliert
wiedergewonnen und gegebenenfalls von neuem aufgearbeitet werden. Ebenso ist es
möglich, Kathode und Anode aufzuarbeiten, da sie ebenfalls durch das Diaphrägma
getrennt sind.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann sowohl analytischen als auch
galvanischen Zwecken und Zwecken der Metallraffination, z. B. zur Herstellung von
Elektrolytkupfer, dienen.
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Für analytische Bestimmungen eignet sich z. B. ein Gerät, das eine
zylindrische bzw. polygonale Elektrode aus, Metall, vorzugsweise aus unedlem Metall,
besitzt, dessen elektrischer Leiter durch einen isolierenden Dialysatörträger geführt
ist. Über diesen und die Elektrode wird ein Diaphragma gestülpt und um das Diaphragma
eine Metallelektrode, vorzugsweise aus edlem Metall bzw. unangreifbaren Stoffen,
gelegt. Beide Elektroden sind durch Leiter elektrisch verbunden, im Spezialfall
kurzgeschlossen. Die Außenelektrode wird vorteilhaft als Korbgefäß ausgebildet.
Der Dialysatorträger ist mit Bodenöffnungen und Deckel zum Einfüllen des Anolyten
zwischen Innenelektrode und Diaphragma versehen. Die beiden Elektroden können zur
Beschleunigung der Elektrolyse durch einen Motor gedreht werden, wobei es zweckmäßig
ist, die Gefäßöffnung so zu hinterdrehen, daß der Anolyt nicht durch den Deckel
nach außen spritzen kann. Um ein Randhochsteigen des Katholyts bei der gegebenenfalls
gegenläufigen Drehung des Katholytgefäßes zu verhindern, wird vorteilhaft ein feststehender,
plattenförmiger Abstreifer im Umlaufweg der Flüssigkeit angeordnet, der gleichzeitig
eine stetig gute Durchmischung des Kat'holyts bewifkt. Der Dialysatorträger kann
vorteilhaft über der Gefäßausbildung eine Scheibe tragen, welche die Kurzschlußbrücke
der Elektroden gegen die Säure- bzw. Basen-dämpfe der Elektrolyte abschirmt.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Anolyt bzw. Katholyt oder
beide während des Elektrolyseverfahrens zu bewegen und außerdem anzuwärmen, wodurch
die Zeitdauer der Elektrolyse wesentlich herabsetzbar ist. Hierbei ist es beispielsweise
möglich, einen Elektrolysevorgang in nur i/5 der Zeit durchzuführen, die das bisherige
.Elektrolyseverfahren.erfordert. Dabei ist es möglich, Rührer anzuwenden, die Elektroden
zu drehen oder das Katholytgefäß in Umdrehung zu versetzen bzw. gegenläufige Bewegungen
hervorzurufen.
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In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiclz im folgenden beschriebene
Laboratoriumsgeräte zur Durchführung des Verfahrens im Schnitt dargestellt: DieLösungselektrode
i in voll- oder hohlzylinderförmiger Ausbildung besteht beispielsweise aus Zink
oder Magnesium bzw. einem sonstigen unedlen Metall und ist mit dem Messingleiter
2 verschraubt. Der Kopf der Elektrode trägt den säure-bzw. hasenfesten Dialysatorträger
3 aus Kunstharzmasse, durch dessen Bohrung der Leiter 2 geführt ist. Der. Träger
3 ist als doppelwandiges Gefäß 4 ausgebildet, dessen Boden 5 Bohrungen 6 aufweist
und dessen obere Öffnung durch einen Deckel 7 ab-' gedeckt ist, der so hochgehoben
werden kann, daß ein Anolyt bequem einzufüllen ist. Die Wandung des Trägers 3 kann
oberhalb der Bohrungen so hinterdreht werden, wie Fig. 3 zeigt, daß beim Drehen
der Elektroden Flüssigkeit nicht hineingeschleudert werden kann, sich entwickelnde
Gase aber zwischen Deckel 7 und Träger 3 entweichen können, während Dämpfe im Trägerkopf
kondensiert werden. Der Träger besitzt auf seiner Oberfläche eine Rille 8 zum dichten
Anlegen des über die .Elektrode i ,gestülpten Diaphragmas 9. Der Dialysatorträger
3 trägt des weiteren die säure- und hasenfeste Scheibe io.. Auf der Scheibe io sitzt
die Kurzschlußbrücke 12, in der die Platinnetzelektrode 13 als Fällungselektrode
mit ihren beiden Leitern 17 ebenso lösbar befestigt ist, wie der Messingleiter
2 der Lösungselektrode i. Die Platinnetzelektrode 13 hat die Ausbildung eines Korbes,
dessen Korbboden i i und Korbwand 14 das Diaphragma 9 umschließen. Der Kurzschluß
erfolgt über die Brücke 12.
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Nach Fig. 2 ist auf das Becherglas a die Scheibe io aus Kunststoff
gelegt, die an ihrer Unterfläche mittels der Halter 16 das Diaphragina 9 trägt und
auf ihrer Oberfläche die Kurzschlußbrücke 12 aufweist.
An der Kurzschlußbrficke
12 sind mittels elektrischer Leiter 2 und 17 die Elektroden i und 13 befestigt.
Die Elektrode i aus unedlem Metall ist als Hohlelektrode mit Wanddurchbrechungen
18 ausgebildet, während die Elektrode 13 als Korbnetzfällungselektrode aus edlerem
Metall hergestellt ist. In die Hohlelektrode i greift der Rührer 1c) ein, der mittels
der Welle 20 vom Motor 21 angetrieben wird. Mit 15 ist eine Heizplatte bezeichnet.
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Wenn z. B. eine Kupferbestimmung mit Hilfe des beschriebenen Geräts
nach Fig. i durchgeführt werden soll, wird nach Aufheben des Deckels durch den Gefäßraum
,4 und die ,Bbhrungen 6 Salzsäure als Anolvt in den Raum zwischen Zinkelektrode
und innerer Diaphragmawand zugeführt und eine Kupferlösung, 7.13. Cu S 04, als Katholyt
außerhalb des Diaphragmas so benutzt, daß die Platinelektrode umspült ist. Sobald
die Elektroden miteinander verbunden werden, erfolgt eine Kupferabscheidung an der
Platinelektrode 13 so lange, bis das gesamte Kupfer aus dem Katholyt abgeschieden
ist. Durch Zuführung von Wärme zur Elektrolyse und durch Rührwerk 21 zur Unterstützung
der IonenNvanderung kann das Verfahren beschleunigt werden. Der Niederschlag an
der Kathode kann ebenso weiter verarbeitet werden, wie das im Anolyt aufgelöste
':Metall.
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Es ist auch die umgekehrte Anordnung durchführbar, z. B. derart, daß
die Platinelektrode mit der Kupferlösung innerhalb des Diaphragmas untergebracht
und das Diaphragma von einem Zinkmantel umgeben wird, wobei dann die gesamte Einrichtung
in der Salzlösung rotiert.
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Fig. 4 und 5 lassen in Seitenansicht und Aufsicht auf eine KlemmenanordnungzurDurchführung
des Verfahrens erkennen, wobei angenommen ist, daß das Elektrolysegefäß samt der
als Unterlage benutzten Heizplatte gedreht und die Elektroden 2 und 17 zur Einklemmung
rechtwinklig abgebogen werden. Der gebogene :Messingträger 2.I trägt eine Öffnung
23 zum Durchstecken eines rechtwinklig abgebogenen, an seinem Unterteil abgeplatteten
Abstreifers. Auf dem Messingträger liegt die Isolierplatte 25, welche drei Klemmkörper
aus Metall trägt, in die die Elektrodenleiter 2 und 17 sowie die Leiter 22 der zwischen
dem Elektrodenkurzschluß zwischengeschalteten, nicht dargestellten Regelwiderstände
einklemmbar sind. Mit 26 ist eine Stativschelle bezeichnet.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann auch zum Galvanisieren verwandt
werden, wobei der zu galvanisierende Körper als Fällungselektrode, z. B. in bezug
auf das Ausführungsbeispiel an Stelle der Platinelektrode verwendet wird; es kann
auch zurfabrikatorischenHerstellung von Elektrolytmetallen Verwendung finden.