JP2015529745A - Method for producing alkali metal - Google Patents

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Abstract

溶媒に可溶なアルカリ金属の塩からアルカリ金属を製造するための方法であって、以下の工程:・(a)陽極室(3)と陰極室(5)とを含む第一電解セル(1)において第一電解を実施する工程、ここで、第一電解セル(1)の陽極室(3)と陰極室(5)とは、アルカリ金属カチオン透過性膜(7)によって分離されており、ここで、陽極室(3)に溶媒中に溶解されたアルカリ金属の塩を供給し、陰極室(5)に硫黄と第二溶媒とを含む懸濁液を供給して、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよびさらなるイオン性硫黄化合物を含む混合物を陰極室(5)から取り出す、・(b)前記陰極室から取り出される、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよびさらなるイオン性硫黄化合物を含む混合物を濃縮して、溶媒をほとんど含まないアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物にする工程、・(c)陽極室(73)と陰極室とを含む第二電解セル(71)において、前記アルカリ金属の溶融温度を上回る温度で第二電解を実施する工程、ここで、第二電解セルの陽極室(73)と前記陰極室とは、アルカリ金属カチオン伝導性の固体電解質によって分離されており、工程(b)のアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物を陽極室(73)に供給し、前記陽極室から硫黄を取り出し、前記陰極室から液体のアルカリ金属を取り出す、を含む前記方法。A method for producing an alkali metal from a salt of an alkali metal soluble in a solvent, comprising: (a) a first electrolysis cell (1) comprising an anode chamber (3) and a cathode chamber (5) ), In which the anode chamber (3) and the cathode chamber (5) of the first electrolysis cell (1) are separated by an alkali metal cation permeable membrane (7), Here, an alkali metal salt dissolved in a solvent is supplied to the anode chamber (3), a suspension containing sulfur and a second solvent is supplied to the cathode chamber (5), and a second solvent, an alkali is supplied. A mixture comprising a metal cation, a (poly) sulfide anion and a further ionic sulfur compound is removed from the cathode chamber (5), (b) a second solvent, an alkali metal cation, (poly) sulfide anion removed from the cathode chamber And further ionic sulfur A step of concentrating the mixture containing the compound to form an alkali metal (poly) sulfide melt containing almost no solvent; (c) in the second electrolysis cell (71) comprising the anode chamber (73) and the cathode chamber; Performing the second electrolysis at a temperature above the melting temperature of the alkali metal, wherein the anode chamber (73) of the second electrolysis cell and the cathode chamber are separated by an alkali metal cation conductive solid electrolyte. Supplying the alkali metal (poly) sulfide melt of step (b) to the anode chamber (73), removing sulfur from the anode chamber, and removing liquid alkali metal from the cathode chamber.

Description

本発明は、溶媒に可溶なアルカリ金属の塩からアルカリ金属を製造するための方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an alkali metal from a salt of an alkali metal soluble in a solvent.

重要な無機の基礎化学薬品として使用されるアルカリ金属は、特にリチウム、カリウムおよびナトリウムである。例えば、リチウムは、例えば、オルガノリチウム化合物の製造に、アルミニウムまたはマグネシウムへの合金添加剤として、およびリチウムバッテリーに使用される。工業的に、リチウムは、塩化リチウムおよび塩化カリウムの共融混合物を400〜460℃で融解電解することによって製造される。しかし、このプロセスはエネルギー消費が高い。さらに、前記方法は、無水塩化リチウムしか使用できないことが重大な欠点である。したがって、一次的に水溶液として存在している塩化リチウムは、エネルギーのかかる方法で後処理されて無水の固体にする必要がある。塩化リチウムは吸湿性があるため、乾燥および取り扱いに特別な費用を必要とする。   Alkali metals used as important inorganic basic chemicals are in particular lithium, potassium and sodium. For example, lithium is used, for example, in the manufacture of organolithium compounds, as an alloy additive to aluminum or magnesium, and in lithium batteries. Industrially, lithium is produced by melt electrolysis of a eutectic mixture of lithium chloride and potassium chloride at 400-460 ° C. However, this process is energy intensive. Furthermore, the process has a serious disadvantage that only anhydrous lithium chloride can be used. Therefore, lithium chloride that is primarily present as an aqueous solution needs to be post-treated in an energetic manner to an anhydrous solid. Lithium chloride is hygroscopic and requires special costs for drying and handling.

有機リチウム反応の実施では、多くの場合、リチウム塩水溶液が生じる。リチウムバッテリーの消費量の増加により、そこにもリチウムを含む廃棄物が生じる。この廃棄物は、リチウム塩水溶液に変換されてもよい。リチウムは、その塩の形態でもきわめて高価であるため、リチウムのリサイクルは重要である。   In carrying out the organolithium reaction, an aqueous lithium salt solution is often produced. Due to the increased consumption of lithium batteries, waste containing lithium is also generated there. This waste may be converted into an aqueous lithium salt solution. Since lithium is very expensive in its salt form, lithium recycling is important.

ナトリウムは、例えば、ナトリウムアミド、ナトリウムアルコキシドおよび水素化ホウ素ナトリウムの製造に使用される。工業的には、ナトリウムは、溶融食塩の電解によるダウンズ法により得られる。このプロセスは、10kWh/ナトリウムkg超の高いエネルギー消費量を有する。さらに、前記方法は、電解セルが、停止時に塩溶融物の凝固により使用不能になるという深刻な欠点がある。さらに、ダウンズ法により得られるナトリウム金属は、プロセスに伴ってカルシウムが混ざっており、その残留含有量は、追加の洗浄工程によりわずかに減少するが、完全に除去することは決してできないという欠点がある。   Sodium is used, for example, in the production of sodium amide, sodium alkoxide and sodium borohydride. Industrially, sodium is obtained by the Downs method by electrolysis of molten salt. This process has a high energy consumption of over 10 kWh / kg sodium. Furthermore, the method has the serious disadvantage that the electrolysis cell becomes unusable due to the solidification of the salt melt when stopped. Furthermore, sodium metal obtained by the Downs method has a disadvantage that it is mixed with calcium with the process and its residual content is slightly reduced by an additional washing step, but can never be completely removed. .

カリウムは、例えば、カリウムアルコキシド、カリウムアミドおよびカリウム合金の製造に使用される。現在、カリウムは、工業的には、特に塩化カリウムとナトリウムとの反応により得られる。ここで、まずナトリウムカリウム合金NaKが生じ、続いて分留される。反応区域からカリウム蒸気が一定に取り出され、これによって、前記反応の平衡がカリウム側に移動することにより優れた収率が達成される。しかし、この方法は、約870℃の高温で操作される。さらに、生じたカリウムは、ナトリウム約1%を不純物として含んでおり、したがって、さらなる精留によりさらに精製される必要がある。しかし、最大の欠点は、使用されるナトリウムが高価であることである、それというのは、このナトリウムが、工業的には、溶融食塩の電解によるダウンズ法によって得られなければならないからである。   Potassium is used, for example, in the production of potassium alkoxides, potassium amides and potassium alloys. Currently, potassium is obtained industrially, in particular by the reaction of potassium chloride and sodium. Here, the sodium potassium alloy NaK is first produced and subsequently fractionated. Potassium vapor is withdrawn constantly from the reaction zone, whereby an excellent yield is achieved by moving the reaction equilibrium to the potassium side. However, this process is operated at a high temperature of about 870 ° C. Furthermore, the resulting potassium contains about 1% sodium as an impurity and therefore needs to be further purified by further rectification. The biggest drawback, however, is that the sodium used is expensive because it must be obtained industrially by the Downs method by electrolysis of molten salt.

水溶液からアルカリ金属を得るための代替的な方法は、WO01/14616A1に記載されている。そのためには、アルカリ金属塩の水溶液は、固体電解質により互いに分離されている陰極室と陽極室とを有する電解セルに供給される。ここで、前記固定電解質は、少なくとも1つのさらなるイオン伝導性層を有している。前記陰極室は、固定された陰極中心部を有しており、溶融されたアルカリ金属または液体電解質が充填されている。アルカリ金属は、陰極で生じて、液体電解質中で上昇し、その後抽出することができる。液体電解質として、前記得られるべきアルカリ金属の塩溶融物が使用されるのが好ましい。前記方法の欠点は、電気抵抗が高められること、および固体電解質と前記さらなるイオン伝導性層との組合せの安定性が不充分であることにある。   An alternative method for obtaining alkali metals from aqueous solutions is described in WO 01/14616 A1. For this purpose, an aqueous solution of an alkali metal salt is supplied to an electrolysis cell having a cathode chamber and an anode chamber separated from each other by a solid electrolyte. Here, the stationary electrolyte has at least one further ion-conducting layer. The cathode chamber has a fixed cathode center and is filled with molten alkali metal or liquid electrolyte. Alkali metals are generated at the cathode and can rise in the liquid electrolyte and then be extracted. As the liquid electrolyte, the alkali metal salt melt to be obtained is preferably used. The disadvantages of the method are that the electrical resistance is increased and the stability of the combination of the solid electrolyte and the further ion conductive layer is insufficient.

アルカリ金属のナトリウムを製造するためのさらなる代替的な方法は、DE19533214A1に記載されている。ここで、実質的にテトラクロロアルミン酸ナトリウムを含む電解質は、電解セルの陽極室で電気分解され、ここで、生じる塩化アルミニウムは、蒸発し、ナトリウムは、ナトリウムイオン伝導性の固体電解質を通って陰極室から抽出される。前記方法の欠点は、前記生成物が、同じ程度に求められない場合、塩化アルミニウムおよびナトリウムの副生成物である。   A further alternative method for producing the alkali metal sodium is described in DE 195332214 A1. Here, the electrolyte substantially containing sodium tetrachloroaluminate is electrolyzed in the anode chamber of the electrolysis cell, where the resulting aluminum chloride evaporates and the sodium passes through a sodium ion conductive solid electrolyte. Extracted from the cathode chamber. The disadvantage of the process is the by-product of aluminum chloride and sodium if the product is not sought to the same extent.

本発明の課題は、先行技術から公知の欠点を有していない一方で、特に、比較的低い所要エネルギー、および比較的少ない装置費用で操作することができるアルカリ金属の製造方法を提供することである。   The object of the present invention is, in particular, to provide a process for the production of alkali metals which does not have the disadvantages known from the prior art, but which can be operated in particular with a relatively low energy requirement and relatively low equipment costs. is there.

前記課題は、以下の工程を含む、溶媒に可溶なアルカリ金属の塩からアルカリ金属を製造するための方法により解決される:
(a)陽極室と陰極室とを含む第一電解セルにおいて第一電解を実施する工程、ここで、第一電解セルの陽極室と陰極室とは、アルカリ金属カチオン透過性膜によって分離されており、ここで、前記陽極室に、溶媒中に溶解されたアルカリ金属の塩が供給され、前記陰極室に、硫黄と第二溶媒とを含む懸濁液が供給され、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよび酸素硫黄化合物のアニオンを含む混合物が前記陰極室から取り出される、
(b)前記陰極室から取り出される、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよび酸素硫黄化合物のアニオンを含む混合物を濃縮して、溶媒をほとんど含まないアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物にする工程、
(c)陽極室と陰極室とを含む第二電解セルにおいて、前記アルカリ金属の溶融温度を上回る温度で第二電解を実施する工程、ここで、前記第二電解セルの陽極室と陰極室とは、アルカリ金属カチオン伝導性の固体電解質によって分離されており、工程(b)のアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物は、前記陽極室に供給され、この陽極室から硫黄および未反応のアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物が取り出され、前記陰極室から液体のアルカリ金属が取り出される。
The problem is solved by a method for producing an alkali metal from a solvent-soluble alkali metal salt comprising the following steps:
(A) A step of performing first electrolysis in a first electrolysis cell including an anode chamber and a cathode chamber, wherein the anode chamber and the cathode chamber of the first electrolysis cell are separated by an alkali metal cation permeable membrane. Here, an alkali metal salt dissolved in a solvent is supplied to the anode chamber, a suspension containing sulfur and a second solvent is supplied to the cathode chamber, and a second solvent, an alkali metal is supplied. A mixture comprising a cation, a (poly) sulfide anion and an anion of an oxygen sulfur compound is removed from the cathode chamber;
(B) Concentrating a mixture containing the second solvent, an alkali metal cation, a (poly) sulfide anion and an anion of oxygen-sulfur compound, which is taken out from the cathode chamber, to obtain an alkali metal (poly) sulfide melt containing almost no solvent. The process of
(C) In a second electrolysis cell including an anode chamber and a cathode chamber, a step of performing second electrolysis at a temperature above the melting temperature of the alkali metal, wherein the anode chamber and the cathode chamber of the second electrolysis cell Is separated by an alkali metal cation conductive solid electrolyte, and the alkali metal (poly) sulfide melt of step (b) is fed to the anode chamber from which sulfur and unreacted alkali metal ( The poly) sulfide melt is removed and the liquid alkali metal is removed from the cathode chamber.

本発明による方法は、実質的に純粋なアルカリ金属の製造、特に、ナトリウム、カリウムおよびリチウムの製造、殊に好ましくはナトリウムの製造に好適である。   The process according to the invention is suitable for the production of substantially pure alkali metals, in particular for the production of sodium, potassium and lithium, particularly preferably for the production of sodium.

実質的に純粋とは、本発明の範囲では、前記アルカリ金属中の不純金属(Fremdmetalle)による不純物の割合が、最大30ppmであることを意味する。   Substantially pure means within the scope of the invention that the proportion of impurities due to impure metals in the alkali metal is at most 30 ppm.

(ポリ)スルフィドアニオンとは、本発明の範囲では、一般式S 2-[式中、xは1〜6の任意の整数である]のアニオンであると理解される。 (Poly) sulfide anion is understood within the scope of the present invention to be an anion of the general formula S x 2− , where x is any integer from 1 to 6.

本発明の範囲におけるアルカリ金属(ポリ)スルフィドとは、以下の一般式

Figure 2015529745
[式中、Meはアルカリ金属、例えば、ナトリウム、カリウムまたはリチウムを表し、xは、1〜6の任意の整数である]のあらゆる化合物であると理解される。 The alkali metal (poly) sulfide within the scope of the present invention is the following general formula:
Figure 2015529745
It is understood that any compound of [wherein Me represents an alkali metal such as sodium, potassium or lithium and x is any integer from 1 to 6].

溶媒をほとんど含まないアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物は、本発明の範囲では、このアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物が、溶媒を最大5質量%、好ましくは溶媒を最大3質量%、特に溶媒を最大1.5質量%含んでいることを意味する。   Alkali metal (poly) sulfide melts that contain little solvent are, within the scope of the present invention, that the alkali metal (poly) sulfide melt has up to 5% by weight of solvent, preferably up to 3% by weight of solvent, in particular solvent. Is contained in a maximum of 1.5 mass%.

前記アルカリ金属を製造するため、第一の工程(a)では、陽極室と陰極室とを含む第一電解セルにおいて第一電解が実施される。前記電解セルの陽極室に、溶媒中に溶解されたアルカリ金属の塩が供給される。第一電解セルの陽極室に供給される塩として、特にアルカリ金属ハロゲン化物が好適である。アルカリ金属塩化物が使用されるのが殊に好ましい。前記溶媒は、例えば、水または有機溶媒、例えばアルコールである。前記溶媒が水であるのが好ましい。前記方法がナトリウムの製造に使用される場合、第一電解セルの陽極室に、特に塩化ナトリウム水溶液が供給される。   In order to produce the alkali metal, in the first step (a), first electrolysis is performed in a first electrolysis cell including an anode chamber and a cathode chamber. An alkali metal salt dissolved in a solvent is supplied to the anode chamber of the electrolytic cell. As the salt supplied to the anode chamber of the first electrolysis cell, an alkali metal halide is particularly suitable. Particular preference is given to using alkali metal chlorides. The solvent is, for example, water or an organic solvent such as an alcohol. The solvent is preferably water. When the method is used for the production of sodium, in particular an aqueous sodium chloride solution is supplied to the anode chamber of the first electrolysis cell.

アルカリ金属塩水溶液、例えば塩化ナトリウム水溶液または塩化カリウム水溶液が使用される場合、塩素アルカリ電解法で一般である溶液が使用されるのが好ましい。このアルカリ金属塩化物溶液は、第一電解セルの陽極室に添加される前に、非アルカリ金属イオンを除去するため、一般に精製される。   When an alkali metal salt aqueous solution, such as a sodium chloride aqueous solution or a potassium chloride aqueous solution, is used, it is preferable to use a solution that is common in chlor-alkali electrolysis. This alkali metal chloride solution is generally refined to remove non-alkali metal ions before being added to the anode chamber of the first electrolysis cell.

前記方法がナトリウムの製造に使用され、かつ前記陽極室に供給される溶液として塩化ナトリウム溶液が供給される場合、この溶液は、溶液中に含まれるナトリウムおよびカリウムの総質量に対して最大500ppmのカリウムを含んでいるのが好ましい。   When the method is used for the production of sodium and a sodium chloride solution is supplied as the solution supplied to the anode chamber, this solution has a maximum of 500 ppm relative to the total mass of sodium and potassium contained in the solution. It preferably contains potassium.

前記方法がカリウムの製造に使用される場合、同様に、塩素アルカリ電解法から公知の通り精製されており、非アルカリ金属イオンを含まない塩化カリウム水溶液が使用されるのが好ましい。ここで、前記溶液は、この溶液中のカリウムおよびナトリウムの総質量に対して最大0.1質量%のナトリウムを含んでいるのが好ましい。   When the method is used for the production of potassium, it is likewise preferred to use a potassium chloride aqueous solution which is likewise purified as known from chlor-alkali electrolysis and does not contain non-alkali metal ions. Here, the solution preferably contains a maximum of 0.1% by mass of sodium with respect to the total mass of potassium and sodium in the solution.

第一電解セルの陽極室に供給されるアルカリ金属塩の溶液は、ほぼ飽和しているのが好ましく、例えば、塩化ナトリウムを好ましくは5〜27質量%、特に15〜25質量%、例えば、塩化ナトリウムを23質量%含んでいる。   The alkali metal salt solution supplied to the anode chamber of the first electrolysis cell is preferably almost saturated, for example, sodium chloride is preferably 5-27% by mass, especially 15-25% by mass, for example, chloride. Contains 23% by weight of sodium.

前記電解セルの陰極室に、第二溶媒および硫黄粉末が懸濁液として供給される。前記陰極室に供給される溶液中に、この溶液の導電性を高めるために、さらに電導度塩、例えば、アルカリ金属水酸化物または特に好ましくはアルカリ金属(ポリ)スルフィドが含まれているのが好ましい。ここで、このアルカリ金属水酸化物またはアルカリ金属(ポリ)スルフィドのアルカリ金属は、得られるべきアルカリ金属と同一のアルカリ金属であるのが好ましい。前記陰極室に供給される溶液は、溶媒50〜95質量%、および元素硫黄2〜25質量%を含んでいるのが好ましい。さらに、アルカリ金属水酸化物2〜5質量%、およびイオン性のアルカリ金属硫黄化合物0〜48質量%を含んでいるのが好ましい。前記溶液が、連続運転で前記陰極室内を循環される場合が特に好ましい。第二溶媒および硫黄粉末は、前記循環される溶液に連続的に供給されるため、この循環される溶液は、25〜50質量%の濃度のイオン性硫黄化合物を含んでいる。これは、水50〜82質量%と硫黄粉末18〜50質量%とからの懸濁液が、前記循環される溶液に添加されて達成される。前記第二溶媒は、有機溶媒、例えば、アルコールまたは水であってよい。前記第二溶媒は、水であるのが好ましい。   A second solvent and sulfur powder are supplied as a suspension to the cathode chamber of the electrolysis cell. The solution supplied to the cathode chamber further contains a conductivity salt such as an alkali metal hydroxide or particularly preferably an alkali metal (poly) sulfide in order to increase the conductivity of the solution. preferable. Here, it is preferable that the alkali metal of the alkali metal hydroxide or alkali metal (poly) sulfide is the same alkali metal as the alkali metal to be obtained. The solution supplied to the cathode chamber preferably contains 50 to 95% by mass of solvent and 2 to 25% by mass of elemental sulfur. Further, it preferably contains 2 to 5% by mass of an alkali metal hydroxide and 0 to 48% by mass of an ionic alkali metal sulfur compound. It is particularly preferred that the solution is circulated through the cathode chamber in a continuous operation. Since the second solvent and the sulfur powder are continuously supplied to the circulated solution, the circulated solution contains an ionic sulfur compound having a concentration of 25 to 50% by mass. This is achieved by adding a suspension of 50 to 82% by weight of water and 18 to 50% by weight of sulfur powder to the circulated solution. The second solvent may be an organic solvent such as alcohol or water. The second solvent is preferably water.

第一電解セルの陽極室および陰極室は、アルカリ金属カチオンを透過して、アニオンを透過しない膜により分離されている。アルカリ金属カチオン透過性膜として、アルカリ金属カチオンを透過する、あらゆるカチオン選択性膜が好適である。好適なカチオン透過性膜は、例えば、市販されているNafion(登録商標)膜である。このような膜は、通常、固定化アニオン(immobilisierten Anionen)、一般にスルホン酸基および/またはカルボン酸基を有するポリテトラフルオロエチレンの基本骨格を有している。   The anode chamber and cathode chamber of the first electrolysis cell are separated by a membrane that transmits alkali metal cations but does not transmit anions. As the alkali metal cation permeable membrane, any cation selective membrane that transmits an alkali metal cation is suitable. A suitable cation permeable membrane is, for example, the commercially available Nafion® membrane. Such membranes usually have a basic skeleton of polytetrafluoroethylene having immobilized anions, generally sulfonic acid groups and / or carboxylic acid groups.

陽極として、例えば、塩素アルカリ電解法から公知の陽極が使用される。電極の設計に関して、一般に、例えば、網状物、層板、楕円形支柱(Ovalprofilstegen)、V字型支柱または円形支柱の形態に仕上げられた有孔材料が使用されてよい。前記陽極は、一般に、被覆されたチタンから形成される寸法安定性陽極であるのが好ましく、ここで、チタン、タンタルおよび/またはプラチナ金属、例えば、イリジウム、ルテニウム、プラチナおよびロジウムの金属混合酸化物が被覆に使用される。プラチナ金属の選択ならびに金属の割合は、塩素の析出過電圧が可能な限り低く、および酸素の過電圧が可能な限り高くなるように調整されている。例えば、塩素過電圧は0.1〜0.4Voltであり、酸素過電圧は0.6〜0.9Voltである。前記陽極の材料として、基本的に、グラファイトも好適であるが、しかし、グラファイトは、一般に、前記運転条件下に寸法安定性ではないため、それから製造される陽極は、運転の間に前記セル内で再調整され、定期的に交換する必要がある一方、混合酸化物で不動態化されたチタンの場合、被覆は、2〜4年の連続運転後に交換する必要があるにすぎない。   As the anode, for example, an anode known from chlor-alkali electrolysis is used. With regard to electrode design, generally, for example, a perforated material finished in the form of a mesh, a laminar, an oval profile, a V-shaped column or a circular column may be used. Said anode is generally preferably a dimensionally stable anode formed from coated titanium, where a mixed metal oxide of titanium, tantalum and / or platinum metals, eg iridium, ruthenium, platinum and rhodium Is used for coating. The choice of platinum metal and the proportion of metal are adjusted so that the chlorine deposition overvoltage is as low as possible and the oxygen overvoltage is as high as possible. For example, the chlorine overvoltage is 0.1 to 0.4 Volt, and the oxygen overvoltage is 0.6 to 0.9 Volt. In principle, graphite is also suitable as the material of the anode, however, graphite is generally not dimensionally stable under the operating conditions, so that the anode produced from it is in the cell during operation. In the case of titanium that has been readjusted and periodically replaced with mixed oxide passivated, the coating only needs to be replaced after 2-4 years of continuous operation.

陰極として、塩素アルカリ電解法から公知の陰極が使用されてよい。例えば、特殊鋼陰極またはニッケル電極である。好ましい実施態様では、さらにグラファイトフェルトが、特殊鋼陰極と膜との間の電極間隙に導入される。   As the cathode, a cathode known from chlor-alkali electrolysis may be used. For example, a special steel cathode or a nickel electrode. In a preferred embodiment, graphite felt is further introduced into the electrode gap between the special steel cathode and the membrane.

第一電解は、連続的に実施されるのが好ましく、ここで、前記陽極室には、溶媒中に溶解されたアルカリ金属の塩が連続的に供給され、前記陰極室には、硫黄懸濁液または第二電解から返送された(ポリ)スルフィド硫黄混合物および第二溶媒が連続的に供給される。前記電解において電流が印加されるため、アルカリ金属カチオンは、カチオン選択性膜を通って陽極側から陰極側に移動する。陽極で塩素が生じ、この塩素は、前記陽極室から除去される。さらに、前記陽極室からアルカリ金属塩を含む溶液が取り出される。この取り出されるアルカリ金属塩の溶液は、1つの実施態様において脱塩素され、供給濃度に濃縮され、洗浄されて前記陽極室に返送される。濃縮するために、例えば、アルカリ金属塩を直接アルカリ金属塩の溶液に導入することが可能である。   The first electrolysis is preferably carried out continuously, wherein the anode chamber is continuously supplied with an alkali metal salt dissolved in a solvent, and the cathode chamber has a sulfur suspension. The (poly) sulfide sulfur mixture and the second solvent returned from the liquid or the second electrolysis are continuously fed. Since an electric current is applied in the electrolysis, the alkali metal cation moves from the anode side to the cathode side through the cation selective membrane. Chlorine is produced at the anode, and this chlorine is removed from the anode chamber. Further, a solution containing an alkali metal salt is taken out from the anode chamber. This removed alkali metal salt solution is, in one embodiment, dechlorinated, concentrated to a feed concentration, washed and returned to the anode chamber. In order to concentrate, for example, it is possible to introduce the alkali metal salt directly into a solution of the alkali metal salt.

前記陰極室では、アルカリ金属(ポリ)スルフィドとイオン性硫黄化合物、例えば、亜硫酸塩、チオ硫酸塩とからの混合物が生じ、これによって、アルカリ金属カチオンとイオン性硫黄化合物とを含む溶液が得られる。さらに、前記溶液は、さしあたりさらに未反応の溶解されていない元素硫黄を含んでいる。前記溶液は、前記陰極室から取り出されて、生成物、つまり、アルカリ金属カチオンおよびイオン性硫黄化合物を濃縮するために循環されるのが好ましい。部分流は、前記陰極室を離れる、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよびイオン性硫黄化合物を含む混合物から取り出されて、工程(b)で濃縮される。   In the cathode chamber, a mixture of an alkali metal (poly) sulfide and an ionic sulfur compound such as sulfite or thiosulfate is formed, thereby obtaining a solution containing an alkali metal cation and an ionic sulfur compound. . Further, the solution further comprises unreacted undissolved elemental sulfur for the time being. The solution is preferably removed from the cathode chamber and circulated to concentrate the products, ie alkali metal cations and ionic sulfur compounds. The partial stream is taken from the mixture comprising the second solvent, alkali metal cation, (poly) sulfide anion and ionic sulfur compound leaving the cathode chamber and concentrated in step (b).

工程(a)の電解は、25〜120℃の範囲、好ましくは50〜90℃の範囲、特に75〜85℃の範囲の温度で実施されるのが好ましい。好適な電流密度は、400〜4000A/m2の範囲にあり、好適な電圧は、2.5〜6Voltの範囲にある。 The electrolysis in step (a) is preferably carried out at a temperature in the range of 25-120 ° C, preferably in the range of 50-90 ° C, in particular in the range of 75-85 ° C. A suitable current density is in the range of 400 to 4000 A / m 2 and a suitable voltage is in the range of 2.5 to 6 Volt.

前記電解では、硫黄は、水素と水酸化物アニオンへの陰極の水分解と比べて好ましくは還元するため、前記陰極室を離れた混合物は、アルカリ金属カチオンと実質的に(ポリ)スルフィドアニオンとを含んでおり、これらは、前記溶媒の濃縮および除去においてアルカリ金属(ポリ)スルフィドを形成する。   In the electrolysis, sulfur is preferably reduced as compared to the hydrolysis of the cathode to hydrogen and hydroxide anions, so that the mixture leaving the cathode chamber is substantially free of alkali metal cations and (poly) sulfide anions. Which form alkali metal (poly) sulfides in the concentration and removal of the solvent.

前記陰極室を離れた、第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンおよびさらなるイオン性硫黄化合物を含む混合物は、工程(b)で前記第二溶媒を除去することにより濃縮される。ここで、前記陰極室から取り出された、第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンおよびさらなるイオン性硫黄化合物を含む混合物の濃縮が、蒸発器内で実施されるのが好ましい。   The mixture leaving the cathode chamber and containing the second solvent, alkali metal cation and (poly) sulfide anion and further ionic sulfur compound is concentrated by removing the second solvent in step (b). Here, the concentration of the second solvent, the alkali metal cation and the (poly) sulfide anion and the further ionic sulfur compound taken out from the cathode chamber is preferably carried out in an evaporator.

前記蒸発器は、連続的または不連続的に操作されてよい。ここで、工程(b)において濃縮を実施するための当業者に公知のいずれの蒸発器も好適である。連続的な蒸発の場合、例えば、自然循環式循環蒸発器、強制循環式循環蒸発器、流下液膜式蒸発器、または薄膜蒸発器が好適である。蒸発による不連続な濃縮の場合、特に撹拌槽が好適である。連続的な蒸発でも、不連続的な蒸発でも凝縮器を有する蒸発器が使用されるのが好ましい。   The evaporator may be operated continuously or discontinuously. Here, any evaporator known to a person skilled in the art for carrying out the concentration in step (b) is suitable. In the case of continuous evaporation, for example, a natural circulation circulation evaporator, a forced circulation circulation evaporator, a falling liquid film evaporator, or a thin film evaporator is suitable. In the case of discontinuous concentration by evaporation, a stirred tank is particularly suitable. It is preferred to use an evaporator with a condenser, whether continuous or discontinuous.

前記蒸発器に供給される、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよびさらなるイオン性硫黄化合物および第二溶媒を含む混合物は、前記蒸発器に添加される前にあらかじめ温められてよい。そのために、液体の物質流を加温するためのいずれの任意の装置が使用されてよい。熱交換器が利用されるのが好ましい。加温は、伝熱媒体によってか、または電気的に実施されてよい。伝熱媒体として、例えば、熱媒油、蒸気または当業者に公知の任意の別の、熱媒体が好適である。   The mixture comprising alkali metal cations, (poly) sulfide anions and further ionic sulfur compounds and a second solvent supplied to the evaporator may be pre-warmed before being added to the evaporator. To that end, any arbitrary device for warming a liquid mass stream may be used. A heat exchanger is preferably utilized. Warming may be performed by a heat transfer medium or electrically. Suitable heat transfer media are, for example, heat transfer oil, steam or any other heat transfer medium known to those skilled in the art.

アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンの蒸発による濃縮は、好ましくは80〜400℃の範囲の温度、特に120〜350℃の範囲の温度、殊に好ましくは150〜300℃の範囲の温度で実施される。前記蒸発の蒸気圧力は、好ましくは0.1〜2bar(絶対圧)の範囲、より好ましくは0.2〜1bar(絶対圧)の範囲、特に0.5〜1bar(絶対圧)の範囲にある。   Concentration by evaporation of alkali metal cations and (poly) sulfide anions is preferably carried out at temperatures in the range from 80 to 400 ° C., in particular in the range from 120 to 350 ° C., particularly preferably in the range from 150 to 300 ° C. Is done. The vapor pressure of the evaporation is preferably in the range of 0.1 to 2 bar (absolute pressure), more preferably in the range of 0.2 to 1 bar (absolute pressure), in particular in the range of 0.5 to 1 bar (absolute pressure). .

前記使用される蒸発器の加熱は、例えば、200℃まで蒸気により行われてよい。そのために、一方では、蒸気を相応の熱交換器内の配管に通すか、またはダブルジャケットを有する装置を使用することが可能である。同じく、前記装置を通される配管による加熱も、ダブルジャケットによる加熱も可能である。蒸気の他に、任意の別の熱媒体、例えば、熱媒油または塩溶融物が使用されてもよい。さらに、蒸発に必要な熱を、電熱または直接燃焼により供給することが可能である。   The evaporator used may be heated by steam up to 200 ° C., for example. To that end, on the one hand, it is possible to pass the steam through the pipes in the corresponding heat exchangers or use a device with a double jacket. Similarly, heating by piping through the apparatus and heating by a double jacket are possible. In addition to steam, any other heat medium may be used, for example heat medium oil or salt melt. Furthermore, the heat required for evaporation can be supplied by electric heating or direct combustion.

前記蒸発は、1段階または多段階で実施されてよい。多段階の蒸発では、蒸気返送が、蒸気を圧縮してか、または蒸気を圧縮せずに向流で企図されている場合がさらに有利である。ここで、多段階の蒸発が、直結して実施されるのが好ましい。直結して蒸発させる場合、蒸発器カスケードの個々の段階では、同一か、または異なる蒸発器の種類が使用されてよい。   The evaporation may be performed in one stage or in multiple stages. In multi-stage evaporation it is further advantageous if the steam return is intended in countercurrent with or without compressing the steam. Here, it is preferable that the multi-stage evaporation is carried out directly. When evaporating directly, the same or different evaporator types may be used in the individual stages of the evaporator cascade.

工程(b)の蒸発では、第二溶媒と場合により硫化水素とを含む塔頂流が生じる。   In the evaporation of step (b), a top stream containing a second solvent and optionally hydrogen sulfide is generated.

前記蒸発で得られる塔底流は、硫黄、アルカリ金属(ポリ)スルフィドおよびさらなるイオン性硫黄化合物、ならびに微量の第二溶媒および場合によりチオ硫酸ナトリウムおよび水酸化ナトリウムも含んでいる。ナトリウム製造における蒸発濃縮残留物は、元素分析に関して、硫黄65〜75質量%、ナトリウム20〜25質量%、および酸素4〜10質量%を含んでいるのが好ましく、例えば、硫黄69質量%、ナトリウム23質量%、および酸素8質量%の含分を有している。   The bottom stream obtained from the evaporation also contains sulfur, alkali metal (poly) sulfide and further ionic sulfur compounds, and trace amounts of a second solvent and optionally sodium thiosulfate and sodium hydroxide. The evaporation concentrate residue in the production of sodium preferably contains 65 to 75% by weight of sulfur, 20 to 25% by weight of sodium and 4 to 10% by weight of oxygen for elemental analysis, for example 69% by weight of sulfur, sodium It has a content of 23% by weight and oxygen 8% by weight.

カリウム製造の場合、蒸発濃縮残留物は、元素分析に関して、例えば、硫黄60〜70質量%、カリウム25〜37質量%、および酸素4〜10質量%を含んでいる。   In the case of potassium production, the evaporation concentrate residue contains, for example, 60-70% by weight of sulfur, 25-37% by weight of potassium, and 4-10% by weight of oxygen with respect to elemental analysis.

工程(b)における蒸発により、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、さらなるイオン性硫黄化合物および(ポリ)スルフィドアニオンを含む混合物を濃縮した後、前記蒸発で塔底流として生じる、得られる濃縮された混合物は、好ましい実施態様では、工程(c)の第二電解を実施する前に、その中に含まれるイオン性硫黄酸素化合物に関して精製されてよい。   After concentrating the mixture comprising the second solvent, the alkali metal cation, the further ionic sulfur compound and the (poly) sulfide anion by evaporation in step (b), the resulting concentrated mixture resulting from the evaporation as a bottoms stream is: In a preferred embodiment, the ionic sulfur oxygen compound contained therein may be purified before carrying out the second electrolysis in step (c).

精製のために、工程(b)の塔底流を、硫化水素を含む気体流と接触させるのが好ましい。ここで、前記精製に使用される硫化水素は、工業的に純粋な硫化水素であるのが好ましい。この硫化水素に加えて、供給された気体流は、前記方法の場合、不活性ガスを含んでいてもよい。前記方法の場合に含まれていてよい不活性のガスは、例えば、窒素、水素または希ガスであり、特に窒素である。   For purification, the bottom stream of step (b) is preferably contacted with a gas stream containing hydrogen sulfide. Here, the hydrogen sulfide used for the purification is preferably industrially pure hydrogen sulfide. In addition to the hydrogen sulfide, the supplied gas stream may contain an inert gas in the case of the method. The inert gas that may be included in the case of the method is, for example, nitrogen, hydrogen or a noble gas, in particular nitrogen.

前記精製では、例えば、まだ塔底流中に含まれているアルカリ金属水酸化物と硫化水素とが反応して、アルカリ金属(ポリ)スルフィドと水とになる。同時に、まだ含まれている第二溶媒もしくは前記反応で生じた水が、前記混合物から除去されるため、実質的に不純物を含まないアルカリ金属(ポリ)スルフィドが生じる。   In the purification, for example, an alkali metal hydroxide still contained in the tower bottom stream reacts with hydrogen sulfide to become an alkali metal (poly) sulfide and water. At the same time, the second solvent still contained or the water produced in the reaction is removed from the mixture, resulting in an alkali metal (poly) sulfide that is substantially free of impurities.

前記(b)の濃縮された混合物と前記硫化水素を含む気体流とが、向流されて精製されるのが好ましい。ここで、塔が使用されるのが特に好ましく、ここで、前記工程(b)の濃縮された混合物は、前記塔の塔頂で供給され、前記硫化水素を含む気体流は、側方供給部を介して供給される。前記硫化水素は、前記塔中で上昇し、前記工程(b)の濃縮された混合物は、前記塔内で下方に流れる。   Preferably, the concentrated mixture of (b) and the gas stream containing hydrogen sulfide are counter-flowed and purified. Here, it is particularly preferred that a column is used, wherein the concentrated mixture of step (b) is fed at the top of the column and the gas stream comprising hydrogen sulfide is fed to the side feed section. Is supplied through. The hydrogen sulfide rises in the tower and the concentrated mixture of step (b) flows downward in the tower.

前記使用される塔は、内部構造物を有する塔であるのが好ましい。内部構造物として、例えば、床、不規則充填物または構造充填物が好適である。   The tower used is preferably a tower having an internal structure. Suitable internal structures are, for example, floors, irregular packings or structural packings.

前記精製が実施される装置、例えば、前記塔は、前記工程(b)の濃縮された混合物の滞留時間が、少なくとも10秒〜30分、好ましくは少なくとも2分になるように寸法決定されているのが好ましい。   The apparatus in which the purification is carried out, for example the column, is dimensioned such that the residence time of the concentrated mixture of step (b) is at least 10 seconds to 30 minutes, preferably at least 2 minutes. Is preferred.

好ましい実施態様では、前記精製が実施される塔は、さらに、前記硫化水素を含む気体流のための側方供給部の下側で加熱される。ここで、加熱は、例えば、ダブルジャケットによるか、または前記塔に導入された、熱媒体が貫流する管により行われてよい。代替的に、電気による加熱も考えられる。熱媒体として、例えば、蒸気、熱媒油または塩溶融物も好適である。   In a preferred embodiment, the column in which the purification is carried out is further heated below the side feed for the gas stream containing hydrogen sulfide. Here, the heating may be performed, for example, by a double jacket or by a tube introduced into the tower through which the heat medium flows. Alternatively, heating by electricity is also conceivable. As the heat medium, for example, steam, heat medium oil or salt melt is also suitable.

前記さらなる加熱により、前記混合物中に生じる硫化水素塩は、硫化水素とアルカリ金属(ポリ)スルフィドとに分解される。そのために、前記塔においてさらに加熱することにより、320〜400℃の範囲、好ましくは340〜350℃の範囲の温度が調節される。   By the further heating, the hydrogen sulfide salt generated in the mixture is decomposed into hydrogen sulfide and alkali metal (poly) sulfide. For this purpose, the temperature in the range of 320 to 400 ° C., preferably in the range of 340 to 350 ° C., is adjusted by further heating in the tower.

前記精製を実施するための装置の塔底では、実質的にアルカリ金属(ポリ)スルフィドを含む混合物が得られる。さらに、さらなる不純物が、最大0.5質量%、好ましくは最大0.1質量%含まれていてよい。このような不純物には、特にアルカリ金属水酸化物が含まれる。   At the bottom of the apparatus for carrying out the purification, a mixture containing substantially alkali metal (poly) sulfide is obtained. Furthermore, further impurities may be included up to 0.5% by weight, preferably up to 0.1% by weight. Such impurities include in particular alkali metal hydroxides.

さらなる精製のための装置の塔頂では、第二溶媒と硫化水素とを含む気体流が得られる。前記第二溶媒と硫化水素とを含む気体流であって、前記精製のための装置、特に前記塔から、塔頂で取り出される前記気体流は、凝縮器に導入される。この凝縮器において、第二溶媒と硫化水素とを含む前記流から、第二溶媒が凝縮されて取り出される。ここで、この凝縮された第二溶媒は、一般に、まだ硫化水素が混じっており、好ましくは、第一電解の陰極室に供給される。前記気体状の、実質的に溶媒を含んでいない硫化水素は、前記塔に返送される。   A gas stream comprising a second solvent and hydrogen sulfide is obtained at the top of the apparatus for further purification. A gas stream comprising the second solvent and hydrogen sulfide, which is withdrawn from the apparatus for purification, in particular from the column, at the top of the column, is introduced into a condenser. In this condenser, the second solvent is condensed and removed from the stream containing the second solvent and hydrogen sulfide. Here, the condensed second solvent is generally still mixed with hydrogen sulfide, and is preferably supplied to the cathode chamber of the first electrolysis. The gaseous, substantially solvent-free hydrogen sulfide is returned to the column.

工程(b)において、多段階の、直結された蒸発が使用される場合、さらなる精製を、複数の蒸発段階の1つで、好ましくは、最後の蒸発段階で、第二溶媒がほぼ完全に除去される場合に、実施することが可能である。   If multistage, direct evaporation is used in step (b), further purification can be achieved with almost complete removal of the second solvent in one of several evaporation stages, preferably in the last evaporation stage. It is possible to do so.

前記第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンを含む混合物が工程(b)で濃縮された後、もしくはさらに精製された後、この得られたアルカリ金属(ポリ)スルフィドを含む流は、第二電解に供給される。   After the mixture comprising the second solvent, alkali metal cation and (poly) sulfide anion is concentrated in step (b) or further purified, the resulting stream containing alkali metal (poly) sulfide is: Supplied to the second electrolysis.

第二電解は、アルカリ金属カチオン伝導性の固体電解質により分離されている陽極室と陰極室から形成されている第二電解セルで実施されるのが好ましい。第二電解のための電解セルとして、特に、構造が、ナトリウム硫黄バッテリーで使用されてよい電解セルの構造に相応する電解セルが好適である。   The second electrolysis is preferably carried out in a second electrolysis cell formed from an anode chamber and a cathode chamber separated by an alkali metal cation conductive solid electrolyte. As an electrolytic cell for the second electrolysis, in particular, an electrolytic cell whose structure corresponds to the structure of an electrolytic cell that may be used in a sodium-sulfur battery is suitable.

前記固体電解質は、アルカリ金属カチオン伝導性のセラミック、特にβ−酸化アルミニウム、β’’−酸化アルミニウムまたはβ/β’’−酸化アルミニウムであるのが好ましい。ここで、前記セラミックに、製造されるべきアルカリ金属のアルカリ金属カチオンそれぞれが結合している。   The solid electrolyte is preferably an alkali metal cation conductive ceramic, in particular β-aluminum oxide, β ″ -aluminum oxide or β / β ″ -aluminum oxide. Here, each alkali metal cation of the alkali metal to be produced is bonded to the ceramic.

アルカリ金属−β−酸化アルミニウム、アルカリ金属−β’’−酸化アルミニウムまたはアルカリ金属−β/β’’−酸化アルミニウムの他に、NASICON(登録商標)セラミックの相応のアルカリ金属類似物も好適である。前記使用されるアルカリ金属は、それぞれ本発明による方法により得られるアルカリ金属である。   In addition to alkali metal-β-aluminum oxide, alkali metal-β ″ -aluminum oxide or alkali metal-β / β ″ -aluminum oxide, corresponding alkali metal analogues of NASICON® ceramics are also suitable. . The alkali metals used are each alkali metals obtained by the process according to the invention.

前記製造されるべきアルカリ金属がリチウムである場合、LISICONおよび特に好ましくはガーネット構造を有するLiイオン伝導体、例えば、Li5La3Ta212またはLi7La3Zr212もさらに好適である。 If the alkali metal to be produced is lithium, then LISICON and particularly preferably Li ion conductors with a garnet structure, for example Li 5 La 3 Ta 2 O 12 or Li 7 La 3 Zr 2 O 12 are also suitable. is there.

第二電解セルでは、工程(b)における濃縮で得られたアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物、もしくは前記さらなる精製からのアルカリ金属(ポリ)スルフィドが、アルカリ金属と硫黄とに電気化学的に分離される。この電解は、前記製造されるべきアルカリ金属が溶融して存在している温度で実施される。前記電解は、290〜330℃の範囲の温度、特に310〜320℃で、大気圧下に実施されるのが好ましい。   In the second electrolysis cell, the alkali metal (poly) sulfide melt obtained by concentration in step (b) or the alkali metal (poly) sulfide from the further purification is electrochemically separated into alkali metal and sulfur. Is done. This electrolysis is carried out at a temperature at which the alkali metal to be produced is present in a molten state. The electrolysis is preferably carried out at a temperature in the range of 290 to 330 ° C., in particular 310 to 320 ° C. and atmospheric pressure.

前記電解セルの陽極側では、モリブデンにより安定化された特殊鋼、例えば、クロム化されていてよい、材料番号1.4571の特殊鋼製の電極、または例えば、材料番号1.7218の鋼であるクロム鋼製の電極が使用されるのが好ましい。前記陰極は、アルカリ金属電極であるのが好ましい。ここで、前記得られるアルカリ金属は、電極としても用いられる。   On the anode side of the electrolysis cell is a special steel stabilized with molybdenum, for example an electrode made of special steel, material number 1.4571, which may be chromed, or, for example, steel with material number 1.7218. A chromium steel electrode is preferably used. The cathode is preferably an alkali metal electrode. Here, the obtained alkali metal is also used as an electrode.

第二電解を操作するために、前記アルカリ金属(ポリ)スルフィドは、前記陽極室に液体で供給される。このアルカリ金属(ポリ)スルフィドは、アルカリ金属カチオンと(ポリ)スルフィドアニオンとに分解される。アルカリ金属カチオンは、固体電解質を通されて、このようにして陰極室に到達する。この陰極室では、アルカリ金属カチオンが電子を受け取り、このようにして溶融液体のアルカリ金属を形成する。前記陽極室では、(ポリ)スルフィドアニオンが電子を陽極で渡すため、まず還元された(ポリ)スルフィドが生じ、最後に硫黄が生じる。前記電解の温度のため、硫黄は液体で存在しており、前記陽極室から取り出すことができる。通常、硫黄は、前記陽極室の上側部分から取り除かれる、それというのは、硫黄は、アルカリ金属(ポリ)スルフィドよりも密度が低いからである。したがって、硫黄は上昇する。   In order to operate the second electrolysis, the alkali metal (poly) sulfide is supplied in liquid form to the anode chamber. This alkali metal (poly) sulfide is decomposed into an alkali metal cation and a (poly) sulfide anion. The alkali metal cation is passed through the solid electrolyte and thus reaches the cathode chamber. In this cathode chamber, the alkali metal cations receive electrons and thus form the molten liquid alkali metal. In the anode chamber, since the (poly) sulfide anion passes electrons through the anode, reduced (poly) sulfide is generated first, and finally sulfur is generated. Due to the electrolysis temperature, sulfur is present in liquid form and can be removed from the anode chamber. Usually, sulfur is removed from the upper portion of the anode chamber because sulfur is less dense than alkali metal (poly) sulfides. Therefore, sulfur increases.

第二電解で得られる硫黄、および未反応のイオン性硫黄化合物は、特に好ましい実施態様では、第一電解に返送される。そのために、硫黄は、未反応のイオン性硫黄化合物と一緒に、溶融物の形態で、第一電解の陰極室に導入された懸濁液に噴霧されるのが好ましい。ここで、前記溶融物は凝固して、第二溶媒中に、微細に分散された硫黄粒子が生じる。   In a particularly preferred embodiment, the sulfur obtained in the second electrolysis and the unreacted ionic sulfur compound are returned to the first electrolysis. For this purpose, sulfur is preferably sprayed together with unreacted ionic sulfur compounds in the form of a melt onto the suspension introduced into the cathode compartment of the first electrolysis. Here, the melt is solidified to produce finely dispersed sulfur particles in the second solvent.

本発明の実施例を図に示し、以下の記載において詳しく説明する。   Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described in detail in the following description.

図1には、第一電解が、工程フロー図として示されている。   In FIG. 1, the first electrolysis is shown as a process flow diagram.

第一電解セル1は、膜7によって互いに分離されている陽極室3と陰極室5とを含んでいる。陽極室3には、被覆されたチタンで作られているのが好ましい陽極9があり、ここで、前記被覆は、チタン、タンタルおよび/またはプラチナ金属、例えば、イリジウム、ルテニウム、プラチナおよびロジウムの金属混合酸化物から形成されている。陰極室5には、特殊鋼で作られているのが好ましい陰極11が収容されている。   The first electrolysis cell 1 includes an anode chamber 3 and a cathode chamber 5 which are separated from each other by a membrane 7. In the anode chamber 3 there is an anode 9 which is preferably made of coated titanium, wherein the coating is made of titanium, tantalum and / or platinum metals, for example iridium, ruthenium, platinum and rhodium metals. It is formed from a mixed oxide. The cathode chamber 5 houses a cathode 11 which is preferably made of special steel.

アルカリ金属塩溶液が、第一受容器15から第一供給13を介して陽極室3に供給される。第一受容器15に含まれているアルカリ金属塩溶液は、アルカリ金属ハロゲン化物水溶液、例えば、アルカリ金属塩化物水溶液であるのが好ましい。アルカリ金属ハロゲン化物は、塩化ナトリウムであるのが特に好ましい。   An alkali metal salt solution is supplied from the first receiver 15 to the anode chamber 3 via the first supply 13. The alkali metal salt solution contained in the first receiver 15 is preferably an alkali metal halide aqueous solution, for example, an alkali metal chloride aqueous solution. The alkali metal halide is particularly preferably sodium chloride.

ここで、前記アルカリ金属塩は、溶媒である水中に溶解されるのが好ましい。しかし、このアルカリ金属塩を、好適な有機溶媒、例えば、アルコール中に溶解させることも可能である。   Here, the alkali metal salt is preferably dissolved in water as a solvent. However, it is also possible to dissolve this alkali metal salt in a suitable organic solvent, for example an alcohol.

そのために、前記アルカリ金属塩は、アルカリ金属塩導管17を介して、および前記溶媒、特に水は、溶媒導管19を介して、第一受容器15に供給される。   For this purpose, the alkali metal salt is supplied to the first receiver 15 via the alkali metal salt conduit 17 and the solvent, in particular water, via the solvent conduit 19.

外部電圧をかけることにより回路が閉じて、陽極9で塩素が生じ、この塩素は、循環されるアルカリ金属塩溶液と一緒に陽極室3から取り出される。   By applying an external voltage, the circuit is closed and chlorine is produced at the anode 9, which is removed from the anode chamber 3 together with the circulated alkali metal salt solution.

脱気装置21において、前記陽極室から取り出された流から塩素が取り出され、残りの流が、第一受容器15に返送される。塩素は、塩素取り出し導管23を介してこのプロセスから取り出される。   In the degassing device 21, chlorine is removed from the stream taken out from the anode chamber and the remaining stream is returned to the first receiver 15. Chlorine is removed from this process via a chlorine removal conduit 23.

電解セル1では、アルカリ金属カチオンが、カチオン選択性膜7を介して陰極室5に侵入する。前記陰極室には、元素硫黄と、第二溶媒、例えば、有機溶媒または水、好ましくは水とを含む懸濁液が、第二供給25を介して流れ込む。   In the electrolytic cell 1, alkali metal cations enter the cathode chamber 5 through the cation selective membrane 7. A suspension containing elemental sulfur and a second solvent, such as an organic solvent or water, preferably water, flows into the cathode chamber via a second supply 25.

そのために、硫黄導管27を介して元素硫黄が、および溶媒導管29を介して第二溶媒が第二受容器31に導入されて、そこで混合される。第二受容器31から、第二溶媒と硫黄とを含む混合物が、第二供給25を介して、第一電解の陰極室5に導入される。第二受容器31内の第二溶媒と硫黄とを含む混合物の導電率を高めるために、さらに少量のアルカリ金属水酸化物が前記混合物に添加されてよい。   For this purpose, elemental sulfur is introduced via the sulfur conduit 27 and a second solvent is introduced via the solvent conduit 29 into the second receiver 31 where they are mixed. A mixture containing the second solvent and sulfur is introduced from the second receiver 31 into the cathode chamber 5 of the first electrolysis via the second supply 25. In order to increase the conductivity of the mixture containing the second solvent and sulfur in the second receiver 31, a smaller amount of alkali metal hydroxide may be added to the mixture.

溶媒とアルカリ金属塩とが混合される第一受容器15、および元素硫黄と第二溶媒とが混合される第二受容器31の代わりに、当業者に公知の、いずれの任意の別の混合装置を使用することも可能である。したがって、例えば、硫黄を溶融物として第二溶媒に噴霧して、次に陰極室5に供給することも可能である。さらに、例えば、アルカリ金属塩を、直接、前記溶媒が通る配管に計量供給することも可能である。   Instead of the first receptor 15 in which the solvent and the alkali metal salt are mixed and the second receptor 31 in which the elemental sulfur and the second solvent are mixed, any other alternative known to those skilled in the art. It is also possible to use a device. Therefore, for example, it is possible to spray sulfur as a melt on the second solvent and then supply it to the cathode chamber 5. Furthermore, for example, the alkali metal salt can be directly metered into a pipe through which the solvent passes.

陰極室5から、陰極流出部33を介して、第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンを含む混合物が取り出される。さらに、陰極流出部33を介して取り出される混合物は、アルカリ金属水酸化物を含んでいてもよい。前記混合物中に含まれているアルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンは、通常、アルカリ金属(ポリ)スルフィドを形成する。   A mixture containing the second solvent, the alkali metal cation and the (poly) sulfide anion is taken out from the cathode chamber 5 through the cathode outflow portion 33. Furthermore, the mixture taken out via the cathode outflow portion 33 may contain an alkali metal hydroxide. The alkali metal cation and (poly) sulfide anion contained in the mixture usually form an alkali metal (poly) sulfide.

1つの実施態様では、陰極流出部33を介して取り出される混合物が循環されて、硫黄および第二溶媒が富化される。そのために、例えば、陰極流出部33を介して取り出される混合物を、まず第二受容器31に返送することが可能である。   In one embodiment, the mixture withdrawn via the cathode outlet 33 is circulated to enrich sulfur and the second solvent. For this purpose, for example, the mixture taken out via the cathode outflow part 33 can first be returned to the second receiver 31.

陰極流出部33を介して取り出される混合物が循環されない場合、陰極流出部33を介して取り出される、第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンを含む混合物は、濃縮工程に供給される。陰極流出部33を介して取り出される混合物が循環される場合、部分流が取り出されて、濃縮工程に供給される。図2には、蒸発による濃縮工程がフロー図として例示的に示されている。   When the mixture taken out through the cathode outflow part 33 is not circulated, the mixture containing the second solvent, the alkali metal cation and the (poly) sulfide anion taken out through the cathode outflow part 33 is supplied to the concentration step. When the mixture taken out via the cathode outlet 33 is circulated, a partial stream is taken out and supplied to the concentration step. FIG. 2 exemplarily shows a concentration process by evaporation as a flow diagram.

陰極流出口33として取り出される、第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンを含む物質流は、蒸発器41に供給される。蒸発器41は、例えば、図2に示される通り、自然循環式循環蒸発器である。代替的に、強制循環式循環蒸発器、流下液膜式蒸発器または薄膜蒸発器を使用することも可能である。当業者に公知の、いずれの任意の別の蒸発器が使用されてもよい。蒸発が不連続に行われる場合、例えば、ここに示される自然循環式循環蒸発器の代わりに撹拌槽が使用されてもよい。   A substance stream containing the second solvent, the alkali metal cation and the (poly) sulfide anion extracted as the cathode outlet 33 is supplied to the evaporator 41. The evaporator 41 is, for example, a natural circulation type evaporator as shown in FIG. Alternatively, it is also possible to use a forced circulation circulating evaporator, a falling liquid film evaporator or a thin film evaporator. Any optional other evaporator known to those skilled in the art may be used. When evaporation is performed discontinuously, for example, a stirred tank may be used instead of the natural circulation circulating evaporator shown here.

蒸発器41は、液体分離機43が備えられているのが好ましい。   The evaporator 41 is preferably provided with a liquid separator 43.

循環蒸発器を使用する場合、液体は、循環導管45を介して蒸発器装置47に到達する。蒸発器装置47は、例えば、管束熱媒体の形態で形成されていてよい。ここで、前記管束の管を、熱媒体、例えば、蒸気、熱媒油または塩溶融物が貫流する。追加的または代替的に、蒸発器装置47は、加熱のためにダブルジャケットを有していてよい。さらに、加熱装置の代わりに、温度調節媒体で電気的に加熱するか、または直接的な加熱方法で加熱することも可能である。蒸発器装置47の最上部では、気体の第二溶媒、液体の第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンを含む上部流が取り出されて、液体分離機43に供給される。液体分離機43では、前記気体の第二溶媒が分離されて、溶媒取り出し導管49を介して前記プロセスから取り出される。第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンを含む前記混合物は、所望の濃度の残留溶媒が得られるまで循環される。定常状態になったらすぐに、第二溶媒、アルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンを含む混合物は、均一に、循環導管45に流れ出る陰極流出部33を介して供給されて、前記混合物の供給前に、前記循環導管から、取り出し配管51を介して濃縮された第二溶媒とアルカリ金属(ポリ)スルフィドとを含む混合物が取り出される。   When using a circulation evaporator, the liquid reaches the evaporator device 47 via the circulation conduit 45. The evaporator device 47 may be formed, for example, in the form of a tube bundle heat medium. Here, a heat medium such as steam, heat transfer oil or salt melt flows through the tubes of the tube bundle. Additionally or alternatively, the evaporator device 47 may have a double jacket for heating. Further, instead of the heating device, it is possible to electrically heat with a temperature control medium or to heat by a direct heating method. In the uppermost part of the evaporator device 47, an upper stream containing a gaseous second solvent, a liquid second solvent, an alkali metal cation and a (poly) sulfide anion is taken out and supplied to the liquid separator 43. In the liquid separator 43, the gaseous second solvent is separated and removed from the process via a solvent removal conduit 49. The mixture comprising the second solvent, alkali metal cation and (poly) sulfide anion is circulated until a desired concentration of residual solvent is obtained. As soon as a steady state is reached, the mixture comprising the second solvent, the alkali metal cation and the (poly) sulfide anion is fed uniformly through the cathode outlet 33 flowing out to the circulation conduit 45 before the mixture is fed. In addition, a mixture containing the concentrated second solvent and alkali metal (poly) sulfide is taken out from the circulation conduit via the takeout pipe 51.

好ましい実施態様では、取り出し配管51を通して取り出される混合物は、さらに精製される。この精製は、フロー図を用いて図3に図式的に示されている。   In a preferred embodiment, the mixture removed through the extraction line 51 is further purified. This purification is shown schematically in FIG. 3 using a flow diagram.

前記濃縮されたアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物は、場合により、予熱器53に供給されて、ここで加熱される。ここで、予熱は、例えば、電気的に、熱媒体、例えば、蒸気、熱媒油または塩溶融物によって行われてよい。あらかじめ温められたアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物は、次に、塔55の上部範囲に供給されるのが好ましい。塔55は、一般に、内部構造物、例えば、床、不規則充填物または構造充填物または非構造充填物を含んでいる。   The concentrated alkali metal (poly) sulfide melt is optionally fed to a preheater 53 where it is heated. Here, the preheating may be performed, for example, electrically, by a heat medium, for example, steam, heat transfer oil or salt melt. The prewarmed alkali metal (poly) sulfide melt is then preferably fed to the upper region of the column 55. Column 55 generally includes internal structures, such as floors, irregular packings or structured packings or non-structural packings.

前記下部範囲では、側方供給部57を通して硫化水素が塔55に添加される。この硫化水素は、追加的に不活性ガス、例えば、窒素が混合していてよい。塔55の内部では、硫化水素とアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物とが、向流されて、強く混合されるのが好ましい。これによって、前記アルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物中に場合によりまだ含まれているアルカリ金属水酸化物が、アルカリ金属(ポリ)スルフィドと水とに変換される。   In the lower range, hydrogen sulfide is added to the tower 55 through the side supply 57. This hydrogen sulfide may additionally be mixed with an inert gas, for example nitrogen. Within the column 55, it is preferred that the hydrogen sulfide and the alkali metal (poly) sulfide melt be countercurrently and mixed vigorously. Thereby, the alkali metal hydroxide optionally still contained in the alkali metal (poly) sulfide melt is converted into alkali metal (poly) sulfide and water.

塔55からは、塔頂で、水と硫化水素とを含む塔頂流59が取り出される。塔頂流59は、凝縮器61に導入され、ここで、水が凝縮される。さらに気体で存在している硫化水素は、循環導管63を介して塔55に返送される。場合により硫化水素の残留分をなおも含んでいる水は、凝縮器61から取り出されて(水が第二溶媒として使用される場合)、取り出し導管65を介して第一電解の陰極室に返送される。   From the tower 55, a tower top stream 59 containing water and hydrogen sulfide is taken out at the tower top. The top stream 59 is introduced into the condenser 61 where water is condensed. Further, the hydrogen sulfide existing as a gas is returned to the tower 55 via the circulation conduit 63. Water that still contains hydrogen sulfide residues is withdrawn from the condenser 61 (if water is used as the second solvent) and returned to the first electrolysis cathode chamber via a withdrawal conduit 65. Is done.

塔55の塔底では、実質的に溶媒を含んでいないアルカリ金属(ポリ)スルフィドを含む物質流67が取り出される。   At the bottom of the column 55, a substance stream 67 containing alkali metal (poly) sulfide substantially free of solvent is taken off.

前記蒸発で得られるアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物、または図3に記載の精製の実施において得られるアルカリ金属(ポリ)スルフィドを含む物質流67は、第二電解に供給される。これは、図4に例示的に示されている。   The alkali metal (poly) sulfide melt obtained by the evaporation or the substance stream 67 containing the alkali metal (poly) sulfide obtained in the implementation of the purification shown in FIG. 3 is supplied to the second electrolysis. This is exemplarily shown in FIG.

第二電解は、多段階で実施されてよい。そのために、複数の電解セル71が平行に接続される。   The second electrolysis may be performed in multiple stages. For this purpose, a plurality of electrolysis cells 71 are connected in parallel.

電解セル71は、それぞれ本願記載の実施態様では複数の電極装置75が導入されている陽極室73を有している。電極装置75は、それぞれ固体電解質からなる1つの円筒体を含んでおり、この固体電解質の内部に存在する陰極室と陽極室73とを区切っている。導管79を介して、図2に示される蒸発濃縮工程からのアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物、またはさらなる精製が実施される場合は、図3に示される精製からのアルカリ金属(ポリ)スルフィドが、前記電解セルそれぞれの陽極室73に供給される。   The electrolysis cell 71 has an anode chamber 73 into which a plurality of electrode devices 75 are introduced in the embodiments described in the present application. The electrode device 75 includes one cylindrical body made of a solid electrolyte, and divides the cathode chamber and the anode chamber 73 existing in the solid electrolyte. Via conduit 79, the alkali metal (poly) sulfide melt from the evaporative concentration step shown in FIG. 2 or, if further purification is carried out, the alkali metal (poly) sulfide from the purification shown in FIG. , And supplied to the anode chamber 73 of each of the electrolytic cells.

電解セル71の操作では、アルカリ金属ポリスルフィドは、電気分解によりアルカリ金属と硫黄とに分解される。そのために、アルカリ金属カチオンは、アルカリ金属カチオン伝導性の固体電解質を通ってアルカリ金属が形成される陰極室に到達する。このアルカリ金属は、前記陰極室から取り出されて、生成物導管77を介して排出される。その間に、前記陽極では硫黄がポリスルフィドから形成される。ここで、電解は、アルカリ金属が液体で存在している温度で操作される。   In the operation of the electrolytic cell 71, the alkali metal polysulfide is decomposed into alkali metal and sulfur by electrolysis. Therefore, the alkali metal cation reaches the cathode chamber where the alkali metal is formed through the alkali metal cation conductive solid electrolyte. This alkali metal is removed from the cathode chamber and discharged via the product conduit 77. Meanwhile, sulfur is formed from polysulfide at the anode. Here, the electrolysis is operated at a temperature at which the alkali metal is present in liquid form.

そのために、前記陽極室中に、特殊鋼電極が収容されているのが好ましい。前記生じた硫黄は上昇する、それというのは、この硫黄が、アルカリ金属ポリスルフィドよりも低い密度を有しているからである。前記硫黄は、次に陽極室73の上側部分で硫黄取り出し導管81を介して取り出されてよい。硫黄取り出し導管81を介して取り出される硫黄は、図1に示される第一電解に返送されるのが好ましい。そのために、前記硫黄は、例えば、硫黄導管27を介して第二受容器31に導入される。代替的に、前記の通り、硫黄溶融物として取り出される第二電解の硫黄を、第二溶媒に噴霧して、その後、第一電解セル1に供給することも可能である。   Therefore, it is preferable that a special steel electrode is accommodated in the anode chamber. The generated sulfur rises because it has a lower density than the alkali metal polysulfide. The sulfur may then be removed via the sulfur removal conduit 81 in the upper part of the anode chamber 73. The sulfur taken out via the sulfur take-out conduit 81 is preferably returned to the first electrolysis shown in FIG. For this purpose, the sulfur is introduced into the second receiver 31 via, for example, a sulfur conduit 27. Alternatively, as described above, the second electrolysis sulfur taken out as a sulfur melt can be sprayed onto the second solvent and then supplied to the first electrolysis cell 1.

図3に示される追加的な精製を含まない方法全体を、図5に例示的に示す。   The entire process without additional purification shown in FIG. 3 is exemplarily shown in FIG.

本発明による方法によりナトリウムが製造される場合、アルカリ金属塩導管17を介して塩化ナトリウムが、および溶媒導管19を介して、好ましくは水が供給され、前記塩化ナトリウムは水中に溶解されて、第一供給13を介して電解セルに導入される。第一電解セル1において、塩化ナトリウムは、ナトリウムイオンと塩素とに分離される。塩素は、循環される塩化ナトリウム溶液と一緒に、第一電解セル1の陽極室から取り出される。この塩素は、分離されて、塩素取り出し導管23を通してこのプロセスから除去される。前記残留している塩化ナトリウム溶液は、追加的な塩化ナトリウムを添加することにより濃縮されて、第一電解セル1の陽極室に返送される。   When sodium is produced by the process according to the invention, sodium chloride is preferably fed via the alkali metal salt conduit 17 and preferably via the solvent conduit 19, said sodium chloride being dissolved in water and It is introduced into the electrolysis cell via a supply 13. In the first electrolysis cell 1, sodium chloride is separated into sodium ions and chlorine. Chlorine is withdrawn from the anode chamber of the first electrolysis cell 1 together with the circulated sodium chloride solution. The chlorine is separated and removed from the process through a chlorine removal conduit 23. The remaining sodium chloride solution is concentrated by adding additional sodium chloride and returned to the anode chamber of the first electrolysis cell 1.

前記ナトリウムイオンは、カチオン透過性膜7を浸透して、陰極室5に到達する。ここで、陰極室5は、溶媒、好ましくは水および硫黄を含む混合物が貫流している。硫黄は、水素と比べて還元されるのが好ましいため、前記陰極室中でナトリウム(ポリ)スルフィドが生じ、ここで、ナトリウム(ポリ)スルフィドは、ナトリウムカチオンと(ポリ)スルフィドアニオンとに分離される。ナトリウム(ポリ)スルフィドを含む溶液は、前記陰極室から蒸発器41に供給される。蒸発器41では、ナトリウム(ポリ)スルフィドが、水の蒸発により濃縮される。前記濃縮されたナトリウム(ポリ)スルフィドは、続いて、第二電解セル71に通されて、このセル内で、ナトリウム(ポリ)スルフィドが、電気分解によりナトリウムと硫黄とに分解される。ナトリウムイオンは、ナトリウムイオン伝導性の固体電解質を浸透して、前記陰極室に到達して、この陰極室から、生じるナトリウムが溶融液体で取り出される。前記陽極室から硫黄が取り出されて、第一電解に返送される。   The sodium ions penetrate the cation permeable membrane 7 and reach the cathode chamber 5. Here, a mixture containing a solvent, preferably water and sulfur, flows through the cathode chamber 5. Since sulfur is preferably reduced compared to hydrogen, sodium (poly) sulfide is formed in the cathode chamber, where sodium (poly) sulfide is separated into sodium cation and (poly) sulfide anion. The A solution containing sodium (poly) sulfide is supplied to the evaporator 41 from the cathode chamber. In the evaporator 41, sodium (poly) sulfide is concentrated by evaporation of water. The concentrated sodium (poly) sulfide is then passed through the second electrolysis cell 71, where the sodium (poly) sulfide is decomposed into sodium and sulfur by electrolysis. Sodium ions permeate the sodium ion conductive solid electrolyte and reach the cathode chamber, from which the generated sodium is taken out as a molten liquid. Sulfur is extracted from the anode chamber and returned to the first electrolysis.

第一電解の工程フロー図First electrolysis process flow chart 濃縮の工程フロー図Concentration process flow chart 追加的な精製の工程フロー図Additional purification process flow diagram 第二電解の工程フロー図Second electrolysis process flow chart 方法全体の工程フロー図Process flow diagram of the entire method 第二電解の実施のための実験用電解セルを示す図The figure which shows the electrolytic cell for experiment for execution of the second electrolysis

例:
第一電解段階:
食塩水溶液の電解を、図1に示される電解セルで実施した。前記電解セルは、カチオン交換性膜(Nafion(登録商標)324)を用いて、陽極室と陰極室とに分けられた。陽極として、Ru/Ir−チタン混合酸化物で被覆されたチタン陽極を、エキスパンドメタル(Streckmetalls)の形態で使用した。陰極は、材料番号1.4571による特殊鋼エキスパンドメタルであった。
Example:
First electrolysis stage:
Electrolysis of the saline solution was performed in the electrolytic cell shown in FIG. The electrolysis cell was divided into an anode chamber and a cathode chamber using a cation exchange membrane (Nafion® 324). As the anode, a titanium anode coated with a Ru / Ir-titanium mixed oxide was used in the form of expanded metal. The cathode was a special steel expanded metal with material number 1.4571.

塩化ナトリウムを段階的に増加させて、電気分解を不連続に実施した。陽極液を、実験用循環ポンプを用いて、第一受容器15から前記電解セルの陽極室3を通して循環圧送した。開始にあたり、23%塩化ナトリウム水溶液1566gを陽極液として装入した。   Electrolysis was carried out discontinuously with increasing sodium chloride stepwise. The anolyte was circulated and pumped from the first receiver 15 through the anode chamber 3 of the electrolysis cell using a laboratory circulation pump. At the beginning, 1566 g of 23% aqueous sodium chloride solution was charged as the anolyte.

陰極液を、実験用循環ポンプを用いて、第二受容器31から前記電解セルの陰極室5を通して循環圧送した。開始にあたり、2.5%四硫化ナトリウム水溶液1700gを陰極液として装入した。この溶液に、硫黄粉末80gを添加した。   The catholyte was circulated and pumped from the second receiver 31 through the cathode chamber 5 of the electrolysis cell using an experimental circulation pump. At the beginning, 1700 g of a 2.5% aqueous sodium tetrasulfide solution was charged as the catholyte. To this solution, 80 g of sulfur powder was added.

前記電解は、75℃〜80℃の範囲の温度、2000A/m2の電流密度i、および3.5〜5Voltの範囲のセル電圧で実施した。 The electrolysis was performed at a temperature in the range of 75 ° C. to 80 ° C., a current density i of 2000 A / m 2 , and a cell voltage in the range of 3.5 to 5 Volt.

前記電解を、回分式にそれぞれ40Ahの4段階で行い、その結果、合計160Ahを変換した。40Ahの第一電解段階の後、塩化ナトリウム85gを陽極液に、硫黄80gを陰極液に添加した。これを計3回実施し、その結果、合計して硫黄320gおよび塩化ナトリウム255gを添加した。   The electrolysis was performed batchwise in 4 stages of 40 Ah each, resulting in a total conversion of 160 Ah. After the 40 Ah first electrolysis stage, 85 g of sodium chloride was added to the anolyte and 80 g of sulfur to the catholyte. This was performed a total of 3 times, resulting in a total addition of 320 g sulfur and 255 g sodium chloride.

前記電解の間、陽極側を窒素で洗浄した。陽極側の排ガスは、10%水性NaOHで運転される、2つの前後に接続された洗浄装置を通った。   During the electrolysis, the anode side was washed with nitrogen. The anode side exhaust gas passed through two front and rear cleaning devices operated with 10% aqueous NaOH.

同じく、陰極側も窒素で洗浄した。陰極側の排ガスは、水素含有量を測定するガス分析装置を通した。前記溶液を、電解後に排出して、元素に関して分析した。   Similarly, the cathode side was also washed with nitrogen. The cathode side exhaust gas was passed through a gas analyzer that measures the hydrogen content. The solution was drained after electrolysis and analyzed for elements.

Figure 2015529745
Figure 2015529745

前記陽極排ガスの前記両方の洗浄装置において、塩化物175gが検出された。   175 g of chloride was detected in both of the cleaning apparatuses for the anode exhaust gas.

濃縮:
陰極排出物を、不連続的に、電気的に加熱された蒸留フラスコ内で撹拌しながら、温度を上昇させて蒸発濃縮させた。沸騰温度は、この濃縮の間、102℃から200℃に上がった。前記蒸発濃縮系は、200℃に制限された。蒸留フラスコ内の内容物は、濃縮の過程にわたって液体の状態であった。蒸留は、蒸留液があふれ出なくなった時に中止した。
concentrated:
The cathode discharge was evaporated and concentrated at elevated temperatures while stirring discontinuously in an electrically heated distillation flask. The boiling temperature rose from 102 ° C to 200 ° C during this concentration. The evaporative concentration system was limited to 200 ° C. The contents in the distillation flask were in a liquid state over the course of concentration. Distillation was stopped when the distillate no longer overflowed.

蒸気凝縮液1684gが得られた。次に、フラスコ内容物を室温に冷却し、ここで、前記内容物は凝固した。この凝固したナトリウム(ポリ)スルフィド溶融物を、窒素で不活性化したグローブボックス内で突き砕いて、ナトリウム(ポリ)スルフィド粉末を得た。このナトリウム(ポリ)スルフィド粉末の部分量を、元素に関して定量分析した。   1684 g of vapor condensate was obtained. The flask contents were then cooled to room temperature where the contents solidified. The solidified sodium (poly) sulfide melt was crushed in a glove box inactivated with nitrogen to obtain sodium (poly) sulfide powder. A partial amount of the sodium (poly) sulfide powder was quantitatively analyzed with respect to elements.

Figure 2015529745
Figure 2015529745

第二電解段階:
前記ナトリウム(ポリ)スルフィド溶融物の電解を、図6に示される、電気加熱装置101によって加熱される、鋼製容器100内に室がある実験用装置で実施した。電解セル90は、ホウケイ酸ガラス製のU型管であり、ここで、両方の電極をセラミック膜と一緒に電解脚部(Elektrolyseschenkel)91内に配置した一方、第二脚部92は、何も取り付けられていない(ohne Einbau)状態にした。膜93は、ナトリウムイオン伝導性のβ’’−Al23セラミックであった。膜93は、片側が閉鎖された管の形態をしており、ここで、ナトリウム94を前記管の内側に入れ、ナトリウム(ポリ)スルフィド溶融物を前記管の外側に入れた。管状の膜93の有効表面積は、14cm2であった。陽極96として、型式GFD5EA(製造者SGL)のグラファイトフェルトを使用し、このグラファイトフェルトを、材料番号1.4404のクロムめっき鋼製の4つのコンタクトプレート97を通して電源供給装置のプラス側と電気接触させた。陰極として、特殊鋼ロッド98を通して前記電源供給装置のマイナス側と電気接触させた、溶融液体のナトリウム94が機能した。前記両方の電極室を窒素で不活性化した。
Second electrolysis stage:
The electrolysis of the sodium (poly) sulfide melt was carried out in an experimental apparatus having a chamber in a steel vessel 100, which is heated by an electric heating apparatus 101, as shown in FIG. The electrolysis cell 90 is a U-shaped tube made of borosilicate glass, where both electrodes are placed in an electrolysis leg 91 together with a ceramic membrane, while the second leg 92 is nothing. It was in the state of not being attached (ohne Einbau). The membrane 93 was a sodium ion conductive β ″ -Al 2 O 3 ceramic. Membrane 93 was in the form of a tube closed on one side, where sodium 94 was placed inside the tube and sodium (poly) sulfide melt was placed outside the tube. The effective surface area of the tubular membrane 93 was 14 cm 2 . A graphite felt of the type GFD5EA (manufacturer SGL) is used as the anode 96, and this graphite felt is brought into electrical contact with the positive side of the power supply device through four contact plates 97 made of chrome-plated steel of material number 1.4404. It was. As the cathode, molten sodium 94 functioned in electrical contact with the negative side of the power supply device through a special steel rod 98 functioned. Both electrode chambers were deactivated with nitrogen.

前記電解を不連続に実施した。電解の開始前に、グローブボックスでの濃縮により得られたナトリウム(ポリ)スルフィド粉末40gを、U型管の何も取り付けられていない脚部92に充填した。次に、充填開口部99を閉じた。その後、前記電解装置を10時間にわたって、室温から300℃にまで加熱した。ここで、ナトリウム(ポリ)スルフィド粉末は溶融した。前記何も取り付けられていない脚部にわずかな超過圧力をかけることにより、前記溶融物は電解区域に移動した。   The electrolysis was performed discontinuously. Before the start of electrolysis, 40 g of sodium (poly) sulfide powder obtained by concentration in the glove box was filled in a leg 92 to which no U-shaped tube was attached. Next, the filling opening 99 was closed. Thereafter, the electrolyzer was heated from room temperature to 300 ° C. for 10 hours. Here, the sodium (poly) sulfide powder was melted. By applying a slight overpressure to the unattached leg, the melt moved to the electrolysis zone.

前記電解は、290℃〜310℃の範囲の温度、1.4Aの電流、および2.5〜3Voltの範囲のセル電圧で、電解時間7時間にわたって実施した。   The electrolysis was performed at a temperature in the range of 290 ° C. to 310 ° C., a current of 1.4 A, and a cell voltage in the range of 2.5 to 3 Volt over an electrolysis time of 7 hours.

電解後に、ナトリウム金属8gが排出された。   After electrolysis, 8 g of sodium metal was discharged.

1 第一電解セル
3 陽極室
5 陰極室
7 膜
9 陽極
11 陰極
13 第一供給
15 第一受容器
17 アルカリ金属塩導管
19 溶媒導管
21 脱気装置
23 塩素取り出し導管
25 第二供給
27 硫黄導管
29 溶媒導管
31 第二受容器
33 陰極流出部
41 蒸発器
43 液体分離機
45 循環導管
47 蒸発器装置
49 溶媒取り出し導管
51 取り出し導管
53 予熱器
55 塔
57 側方供給部
59 塔頂流
61 凝縮器
63 循環導管
65 取り出し導管
67 実質的にアルカリ金属(ポリ)スルフィドを含む物質流
71 第二電解セル
73 陽極室
75 電極装置
77 生成物導管
79 導管
81 硫黄取り出し導管
90 電解セル
91 電解脚部
92 何も取り付けられていない脚部
93 膜
94 ナトリウム
95 ナトリウム(ポリ)スルフィド溶融物
96 陽極
97 コンタクトプレート
98 特殊鋼ロッド
99 充填開口部
100 鋼製容器
101 電気加熱装置
1 First Electrolytic Cell 3 Anode Chamber 5 Cathode Chamber 7 Membrane 9 Anode 11 Cathode 13 First Supply 15 First Receptor 17 Alkali Metal Salt Conduit 19 Solvent Conduit 21 Deaerator 23 Chlorine Extraction Conduit 25 Second Supply 27 Sulfur Conduit 29 Solvent conduit 31 Second receiver 33 Cathode outflow portion 41 Evaporator 43 Liquid separator 45 Circulating conduit 47 Evaporator device 49 Solvent extraction conduit 51 Extraction conduit 53 Preheater 55 Tower 57 Side supply portion 59 Overhead flow 61 Condenser 63 Circulation conduit 65 Extraction conduit 67 Material flow substantially containing alkali metal (poly) sulfide 71 Second electrolysis cell 73 Anode chamber 75 Electrode device 77 Product conduit 79 Conduit 81 Sulfur extraction conduit 90 Electrolysis cell 91 Electrolysis leg 92 Nothing Unattached legs 93 Membrane 94 Sodium 95 Sodium (poly) sulfide Melt 96 Anode 97 Contact plate 98 Special steel rod 99 Filling opening 100 Steel container 101 Electric heating device

Claims (14)

溶媒に可溶なアルカリ金属の塩からアルカリ金属を製造するための方法であって、以下の工程:
(a)陽極室(3)と陰極室(5)とを含む第一電解セル(1)において第一電解を実施する工程、ここで、第一電解セル(1)の陽極室(3)と陰極室(5)とは、アルカリ金属カチオン透過性膜(7)によって分離されており、ここで、陽極室(3)に、溶媒中に溶解されたアルカリ金属の塩を供給し、陰極室(5)に、硫黄と第二溶媒とを含む懸濁液を供給し、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよびさらなるイオン性硫黄化合物を含む混合物を陰極室(5)から取り出す、
(b)前記陰極室から取り出した、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよびさらなるイオン性硫黄化合物を含む混合物を濃縮して、溶媒をほとんど含まないアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物にする工程、
(c)陽極室(73)と陰極室とを含む第二電解セル(71)において、前記アルカリ金属の溶融温度を上回る温度で第二電解を実施する工程、ここで、第二電解セルの陽極室(73)と前記陰極室とは、アルカリ金属カチオン伝導性の固体電解質によって分離されており、工程(b)のアルカリ金属(ポリ)スルフィド溶融物を陽極室(73)に供給して、該陽極室から硫黄を取り出し、前記陰極室から液体のアルカリ金属を取り出す、
を含む前記方法。
A method for producing an alkali metal from a salt of an alkali metal soluble in a solvent, comprising the following steps:
(A) performing a first electrolysis in a first electrolysis cell (1) including an anode chamber (3) and a cathode chamber (5), wherein the anode chamber (3) of the first electrolysis cell (1) The cathode chamber (5) is separated by an alkali metal cation permeable membrane (7). Here, an alkali metal salt dissolved in a solvent is supplied to the anode chamber (3), and the cathode chamber ( 5) is supplied with a suspension containing sulfur and a second solvent, and a mixture containing the second solvent, alkali metal cation, (poly) sulfide anion and further ionic sulfur compound is removed from the cathode chamber (5).
(B) Concentrating the mixture containing the second solvent, alkali metal cation, (poly) sulfide anion, and further ionic sulfur compound, taken out from the cathode chamber, to thereby obtain an alkali metal (poly) sulfide melt containing almost no solvent. The process of
(C) In the second electrolysis cell (71) including the anode chamber (73) and the cathode chamber, performing the second electrolysis at a temperature exceeding the melting temperature of the alkali metal, wherein the anode of the second electrolysis cell The chamber (73) and the cathode chamber are separated by an alkali metal cation conductive solid electrolyte, and the alkali metal (poly) sulfide melt of step (b) is supplied to the anode chamber (73), Taking out sulfur from the anode chamber and taking out a liquid alkali metal from the cathode chamber,
Including said method.
第一電解セル(1)の陰極室(5)から取り出した、第二溶媒、アルカリ金属カチオン、(ポリ)スルフィドアニオンおよびさらなるイオン性硫黄化合物を含む混合物中のアルカリ金属カチオンおよび(ポリ)スルフィドアニオンの濃縮を、蒸発器(41)において実施することを特徴とする、請求項1に記載の方法。   Alkali metal cations and (poly) sulfide anions in a mixture comprising the second solvent, alkali metal cations, (poly) sulfide anions and further ionic sulfur compounds, taken from the cathode chamber (5) of the first electrolysis cell (1) The process according to claim 1, characterized in that the concentration of is carried out in an evaporator (41). 前記蒸発を、80〜400℃の範囲の温度、および0.1〜2bar(絶対圧)の範囲の蒸気圧力で実施することを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。   3. Process according to claim 1 or 2, characterized in that the evaporation is carried out at a temperature in the range from 80 to 400 [deg.] C. and a vapor pressure in the range from 0.1 to 2 bar (absolute pressure). 前記工程(b)で得られる濃縮された混合物を、第二電解の実施前に精製することを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the concentrated mixture obtained in step (b) is purified prior to performing the second electrolysis. 前記工程(b)の濃縮された混合物を、硫化水素を含む気体流と接触させて精製することを特徴とする、請求項4に記載の方法。   The process according to claim 4, characterized in that the concentrated mixture of step (b) is purified by contacting with a gas stream comprising hydrogen sulfide. 前記工程(b)の濃縮された混合物と前記硫化水素を含む気体流とを向流させることを特徴とする、請求項5に記載の方法。   6. A method according to claim 5, characterized in that the concentrated mixture of step (b) and the gaseous stream comprising hydrogen sulfide are countercurrentd. 前記精製を塔(55)内で実施し、ここで、前記工程(b)の濃縮された混合物を塔頂で供給し、前記硫化水素を含む気体流を側方供給部(57)を介して供給することを特徴とする、請求項4から6までのいずれか1項に記載の方法。   The purification is carried out in a column (55), wherein the concentrated mixture of step (b) is fed at the top of the column and the gaseous stream containing hydrogen sulfide is passed through a side feed (57). 7. A method according to any one of claims 4 to 6, characterized in that it is supplied. 前記塔(55)を、前記硫化水素を含む気体流のための側方供給部(57)の下側で加熱することを特徴とする、請求項7に記載の方法。   The method according to claim 7, characterized in that the column (55) is heated below the side supply (57) for the gas stream comprising hydrogen sulfide. 前記第二電解セル(71)のアルカリ金属イオン伝導性の固体電解質が、アルカリ金属−β−酸化アルミニウム、アルカリ金属−β’’−酸化アルミニウムまたはアルカリ金属−β/β’’−酸化アルミニウムから形成されていることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項に記載の方法。   The alkali metal ion conductive solid electrolyte of the second electrolysis cell (71) is formed from alkali metal-β-aluminum oxide, alkali metal-β ″ -aluminum oxide or alkali metal-β / β ″ -aluminum oxide. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that: 前記第二電解セル(71)の陽極室(73)から取り出した硫黄を、工程(a)の第一電解に返送することを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1項に記載の方法。   The sulfur taken out from the anode chamber (73) of the second electrolysis cell (71) is returned to the first electrolysis of the step (a), according to any one of claims 1 to 9. the method of. 前記アルカリ金属が、ナトリウム、カリウムまたはリチウムであることを特徴とする、請求項1から10までのいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the alkali metal is sodium, potassium or lithium. 前記アルカリ金属の塩が、アルカリ金属ハロゲン化物であることを特徴とする、請求項1から11までのいずれか1項に記載の方法。   12. The method according to claim 1, wherein the alkali metal salt is an alkali metal halide. 前記アルカリ金属の塩が、塩化ナトリウムであることを特徴とする、請求項1から12までのいずれか1項に記載の方法。   13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the alkali metal salt is sodium chloride. 前記アルカリ金属の塩が溶解されている溶媒、および/または第二溶媒が、水であることを特徴とする、請求項1から13までのいずれか1項に記載の方法。   14. The method according to claim 1, wherein the solvent in which the alkali metal salt is dissolved and / or the second solvent is water.
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