DE1098932B - Method and device for the separation of isotopes of lithium by electrolysis of a lithium salt melt - Google Patents
Method and device for the separation of isotopes of lithium by electrolysis of a lithium salt meltInfo
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Description
ÜKUTSGHESÜKUTSGHES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung der Isotope des Lithiums durch Elektrolyse einer Lithiumsalzsdimelze, bei der eine für die Trennung der Isotope erforderliche Gegenströmung· im Elektrolyten durch Einführen von Stoffen in den Kathodenraum erfolgt, die das an der Kathode abgeschiedene Lithium in das den Elektrolyten bildende Salz umwandeln. The invention relates to a method for separating the isotopes of lithium by electrolysis of a Lithium salt dimelze, in which a countercurrent required for the separation of the isotopes · in the electrolyte by introducing substances into the cathode space, which is what is deposited on the cathode Convert lithium into the salt that forms the electrolyte.
Die Wirkungsweise eines solchen Trennverfahrens beruht auf dem Unterschied der Wanderungsgeschwindigkeiten der isotopen Anioneii oder Kationen bei ihrer Wanderung zu den entsprechenden Elektroden. Die Trennwirkung läßt sich dadurch steigern, daß man den Elektrolyten in einer zur Bewegungsrichtung der zu trennenden Ionen entgegengesetzten Richtung strömen läßt. Diese Gegenströmung läßt sich auch in geschmolzenen Salzen erzeugen. Sie hält das langsamste Isotop von der Zi el elektrode fern und ermöglicht daher eine Anreicherung des schnellsten Isotops im Bereich der betreffenden Elektrode. Sollen. Ka,-tionen voneinander getrennt werden, so· kann man die Gegenströmung z. B. dadurch herstellen, daß man das an der Kathode abgeschiedene Kation wieder mit einem Anion derjenigen Art zusammenbringt, von dem es soeben getrennt wurde, indem man solche Aiiionen z. B. in den Bereich der Kathode einführt.The mode of action of such a separation process is based on the difference in migration speeds of the isotopic anions or cations as they migrate to the corresponding electrodes. The separating effect can be increased by moving the electrolyte in one direction to the movement allows the ions to be separated to flow in the opposite direction. This countercurrent can also be found in generate molten salts. It keeps the slowest isotope away from the target electrode and makes it possible hence an accumulation of the fastest isotope in the area of the relevant electrode. Should. Ka, -tions are separated from each other, so · one can counterflow z. B. produce that brings the cation deposited on the cathode back together with an anion of the type of which it has just been separated by adding such aiiions e.g. B. introduces into the area of the cathode.
Es ist bereits bekannt, Lithiumisotope durch Elektrolyse geschmolzenen Li N O3 zu trennen, wobei dem Kathodenraum zwecks Überführung des. sich an der Kathode abscheidenden Lithiums in Lithiumnitrat fortlaufend NO2 und O2 zugeführt werden. Hierbei muß eine Mischung aus zwei unterschiedlichen Gasen in den Kathodenraum eingeführt werden, wobei es im allgemeinen auch bei Anwendung einer Siebkathode große Schwierigkeiten bereitet, einen innigen Kontakt zwischen dem sich abscheidenden Lithium und diesen Gasen herzustellen, die erst eine vollständige Umwandlung des Lithiums in das entsprechende Salz ergeben würde. Dieser Nachteil wirkt sich besonders bei Anwendung in industriellem Maßstab störend aus.It is already known to separate lithium isotopes from molten Li NO 3 by electrolysis, NO 2 and O 2 being continuously fed to the cathode compartment for the purpose of converting the lithium deposited on the cathode into lithium nitrate. A mixture of two different gases has to be introduced into the cathode compartment, and it is generally very difficult to establish an intimate contact between the lithium which is deposited and these gases, even when using a screen cathode, which requires a complete conversion of the lithium into the corresponding one Would result in salt. This disadvantage is particularly troublesome when used on an industrial scale.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die diesen Nachteil vermeiden.The invention is based on the object of a method and to provide a device which avoids this disadvantage.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, der im Kathodenraum befindlichen Lithiumsalzschmelze stetig oder nichtstetig ein oder mehrere thermisch leicht in Gase zersetzbare Salze zuzugeben, deren Anion das gleiche ist wie das des Elektrolyten.The solution to this problem is to keep the lithium salt melt in the cathode compartment steady or to add discontinuously one or more salts which are easily thermally decomposable into gases, the anion of which is the is the same as that of the electrolyte.
Die Durchführung des Trennverfahrens gemäß diesem Merkmal ergibt den Vorteil, daß durch die Zugal> e eines oder mehrerer thermisch zersetzbarer Salze in den Kathodenraum eine sehr vollständige und ohne besonderen technischen Aufwand erreichbare Rekombination des an der Kathode freigesetzten metal-Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Isotopen des Lithiums durch Elektrolyse einer Lithiumsalzschmelze Carrying out the separation process according to this feature has the advantage that the Zugal> e one or more thermally decomposable salts in the cathode compartment a very complete and without Recombination of the metal process released at the cathode, achievable with special technical effort and a device for separating isotopes of lithium by electrolysis of a lithium salt melt
Anmelder: Commissariat ä l'Energie Atomique, ParisApplicant: Commissariat a l'Energie Atomique, Paris
Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt, München 22, Steinsdorfstr. 10Representative: Dipl.-Ing. R. Beetz, patent attorney, Munich 22, Steinsdorfstr. 10
Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 5. Dezember 1957Claimed priority: France of December 5, 1957
Eiichi Saito, Chateau du VaI Fleuri,Eiichi Saito, Chateau du VaI Fleuri,
Gif sur Yvette, Seine-et-Oise (Frankreich),Gif sur Yvette, Seine-et-Oise (France),
ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor
lischen Lithiums möglich ist, da die zugegebenen Salzmengen innerhalb des flüssigen Elektrolyten relativ schnell in den Bereich der Kathode diffundieren und infolgedessen das Lithium in statu nascendi wieder in das den Elektrolyten bildende Salz umwandeln. Die zur Neutralisation der positiven Lithiumionen an der Kathode notwendigen chemischen Einheiten werden gewissermaßen in situ gebildet, und die Zufuhr der jeweils benötigten Mengen läßt sich mit recht einfachen Mitteln regeln.Lischen lithium is possible, since the amount of salt added is relative within the liquid electrolyte quickly diffuse into the area of the cathode and consequently the lithium in statu nascendi convert back into the salt that forms the electrolyte. The chemical units necessary to neutralize the positive lithium ions at the cathode are to a certain extent formed in situ, and the quantities required in each case can be supplied with regulate quite simple means.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung läßt sich ein gegebenenfalls vorhandener Überschuß des zugesetzten Salzes durch zusätzliche Beheizung des Elektrolyten an einer zwischen Anoden- und Kathodenraum liegenden Stelle zersetzen, so daß der elektrolytisdhe Trennungsvorgang der Isotope in keiner Weise gestört wird. Hierdurch wird auch eine einwandfreie und gegenüber Ungenauigkeiten in der Dosierung weitgehend unempfindliche Durchführung des Verfahrens möglich.According to a further feature of the invention, any excess of the added salt by additional heating of the electrolyte at one between the anode and cathode compartment decompose the lying point, so that the electrolytic separation process of the isotopes in is not disturbed in any way. This is also a flawless and against inaccuracies in the Dosing largely insensitive implementation of the process possible.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses Elektrolyseverfahrens gemäß der Erfindung ist das unmittelbar der Elektrolyse unterworfene Salz Lithiumnitrat. Das Lithiumnitrat wird dem Lithiumchlorid vorgezogen, obgleich sein Masseneffekt μ um 0,050 kleiner ist als der Masseneffekt des Chlorids, der μ = 0,147 ist {μ wird definiert als Verhältnis derIn a preferred embodiment of this electrolysis process according to the invention, the salt immediately subjected to electrolysis is lithium nitrate. Lithium nitrate is preferred to lithium chloride, although its mass effect μ is 0.050 smaller than the mass effect of chloride, which is μ = 0.147 {μ is defined as the ratio of
109 509/398109 509/398
relativem Differenzen der Beweglichkeit ν und der Massen m, alsorelative differences in mobility ν and masses m, so
Δ νΔ ν
μ =μ =
m mm m
Dieser Nachteil wird aber durch die wesentlich niedrigere Temperatur ausgeglichen, bei der man das Lithiumnitrat im Schmelzfluß elektrolysieren kann (der Schmelzpunkt des LiNO3 ist 255° C), wodurch überdies auch die Gefahr einer Korrosion durch das Lithium verringert wird.This disadvantage is offset by the much lower temperature at which the lithium nitrate can be electrolyzed in the melt flow (the melting point of LiNO 3 is 255 ° C.), which also reduces the risk of corrosion by the lithium.
Die Gegenströmung wird dadurch erzeugt, daß man im Bereich der Kathode Ammoniumnitrat hinzugibt. Die NOg-Ionen, die durch das NH4NO3 geliefert werden, vereinigen sich an der Kathode mit den Li-Ionen, die ihrerseits bei der Elektrolyse entstehen.The countercurrent is generated by adding ammonium nitrate in the area of the cathode. The NOg ions, which are supplied by the NH 4 NO 3 , combine at the cathode with the Li ions, which in turn arise during electrolysis.
Die Ionen 6Li haben eine Wanderungsgeschwindigkeit, die größer ist als die der Ionen 7Li; nach einer gewissen Zeitdauer der Elektrolyse befinden sich also an der Kathode die Ionen 6Li in einer wesentlich höheren Konzentration als an der Anode.The ions 6 Li have a migration speed which is greater than that of the ions 7 Li; After a certain period of electrolysis, the ions 6 Li are in a significantly higher concentration at the cathode than at the anode.
Um ein Mitschleppen des Zusatzsalzes in das Diaphragma und damit die gegebenenfalls mögliche Entwicklung von Gasen innerhalb dieses. Geräteteiles zu verhindern, kann man das Zusatzsalz an einer geeigneten anderen Stelle thermisch zersetzen.About dragging the additional salt into the diaphragm and thus the possible development of gases within this. To prevent part of the device, you can add the additional salt to a suitable thermally decompose at another point.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt eine beheizbare Elektrolysezelle, deren Anodenraum vom Kathodenraum durch ein Diaphragma — vorzugsweise in Form eines Rohres mit einer Füllung aus feinteiligen Inertstoffen — getrennt ist, wobei zwischen dem Kathodenraum und dem Diaphragma ein nach außen offener, auf höherer Temperatur als der Kathodenraum zu haltender Zusatzraum vorgesehen ist.The device for carrying out the method comprises a heatable electrolysis cell, its anode compartment from the cathode compartment through a diaphragm - preferably in the form of a tube with a Filling of finely divided inert substances - is separated, being between the cathode compartment and the diaphragm an additional space that is open to the outside and must be kept at a higher temperature than the cathode space is provided.
Der Zusatzraum ist vorzugsweise mit einer besonderen Heizvorrichtung versehen.The additional space is preferably provided with a special heating device.
Man kann auch den Anodenraum der Zelle mit einer zusätzlichen Heizvorrichtung versehen.The anode compartment of the cell can also be provided with an additional heating device.
Unter Hinweis auf die Zeichnung sollen nun ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine zur Durchführung des Verfahrens dienende Vorrichtung beschrieben werden. Dieses Beispiel zeigt die Ausnutzung der vorliegenden Erfindung für die Trennung der Isotopen des Lithiums durch Schmelzflußelektrolyse der Salze.With reference to the drawing, an embodiment of the method according to the invention will now be shown and a device used to carry out the method are described. This example shows the utilization of the present invention for the separation of the isotopes of lithium by Melt-flow electrolysis of the salts.
Die Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, wie sie zusammen mit dieser beispielhaften Anwendung beschrieben werden, stellen einen Teil der vorliegenden Erfindung dar.The devices for carrying out the method, as they are exemplary together with this Application described form part of the present invention.
In der Zeichnung ist im wesentlichen nur eine laboratpriumsmäßig hergestellte Elektrolysezelle dargestellt. Diese Zelle enthält gemäß der Erfindung zwisehen dem Anodenraum t und dem Kathodenraum 2 einen zusätzlichen offenen Raum bzw. Kammer 3. Der Anodenraum 1 ist mit der zusätzlichen Kammer 3 über ein U-förmig gebogenes Rohrstück 4 verbunden, in dem das für die Elektrolyse notwendige Diaphragma 5 angeordnet ist. Dieses sehr feine Diaphragma kann aus Kieselerde oder Glaspulver bestehen. In the drawing, essentially only one electrolysis cell manufactured in accordance with the laboratory is shown. According to the invention, this cell contains between the anode compartment t and the cathode compartment 2 an additional open space or chamber 3. The anode space 1 is with the additional chamber 3 Connected via a U-shaped bent pipe section 4, in which the diaphragm necessary for the electrolysis 5 is arranged. This very fine diaphragm can consist of silica or glass powder.
Der Kathodenraum 2 und die zusätzliche Kammer 3 sind ihrerseits ebenfalls über ein U-förmiges Verbindungsrohr 6 miteinander verbunden. Die oberen Schenkelenden des U-förmigen Rohres 4 sowie Teile des Anodenraumes 1 und der Kammer 3 sind erfindungsgemäß mit einer zusätzlichen elektrischen Heizung 7 versehen.The cathode space 2 and the additional chamber 3 are in turn also via a U-shaped connecting tube 6 connected to each other. The upper leg ends of the U-shaped tube 4 and parts the anode space 1 and the chamber 3 are according to the invention provided with an additional electrical heater 7.
Das Ammoniumnitrat wird in regelmäßiger Folge dem in den Kathodenraum 2 mündenden Fülltrichter 8 über ein Förderband 9 zugeführt. Es kann entweder als Pulver oder in Form von gepreßten Tabletten zugeführt werden, die dann mit größerem Abstand auf dem Förderband einander folgen.The ammonium nitrate is fed into the filling funnel 8 which opens into the cathode space 2 in a regular sequence supplied via a conveyor belt 9. It can be supplied either as a powder or in the form of compressed tablets which then follow each other at a greater distance on the conveyor belt.
Diese Zelle ist in einem (nicht dargestellten) Heizofen angeordnet, dessen Temperatur zwischen 280 und 300° C gehalten wird.This cell is placed in a heating furnace (not shown), the temperature of which is between 280 and 300 ° C is maintained.
Zu Beginn der Elektrolyse enthält die Zelle nur reines Lithiumnitrat. Sowie die Elektrolyse eingesetzt hat, gibt man in den Kathodenraum 2 bzw. die kathodenseitige Kammer der Zelle das Ammoniumnitrat regelmäßig und stetig bzw. in unstetiger Folge hinein, das teilweise bei der Rekombination des Lithiums zersetzt wird und weiterhin die erwünschte Gegenströmung in der Zelle erzeugt. Das im Überschuß vorhandene Ammoniumnitrat wird anschließend in der Zwischenkammer 3 durch zusätzliches Erhitzen thermisch vollständig unter Bildung flüchtiger Gase zersetzt. Auf diese Art vermeidet man Störungen, die eine derartige Zersetzung auslösen könnte, wenn sie innerhalb des Diaphragmas 5 erfolgte. Außerdem verhindert die ebenfalls zusätzliche Beheizung des oberen Teiles des Anodenraumes oder -behälters 1 dort die Bildung einer Salzkruste, deren Teile von Dampfblasen nitroeer Dämpfe nach oben weggeschleudert werden könnten.At the beginning of the electrolysis, the cell only contains pure lithium nitrate. As well as the electrolysis used the ammonium nitrate is added to the cathode compartment 2 or the cathode-side chamber of the cell regularly and continuously or in a discontinuous sequence, partly when the lithium is recombined is decomposed and continues to generate the desired countercurrent in the cell. That in excess existing ammonium nitrate is then in the intermediate chamber 3 by additional heating thermally completely decomposed with the formation of volatile gases. In this way one avoids disturbances that could trigger such a decomposition if it took place within the diaphragm 5. Also prevented the additional heating of the upper one Part of the anode space or container 1 there the formation of a salt crust, parts of which of vapor bubbles nitroeer vapors could be thrown upwards.
Lediglich beispielsweise sei angegeben, daß in einer derartigen, nur laboratoriumsmäßig aufgebauten Vorrichtung mit einem Strom von 0,1 A/dm2 bei 80 V nach 3tägiger Elektrolyse eine Konzentrationsänderung im Schmelzfluß innerhalb des Anodenraumes einerseits und des Kathodenraumes andererseits von 3% beobachtet werden konnte, was einer Anreicherung der unterschiedlichen Lithiumionen von 1,5% gegenüber der ursprünglichen Konzentration entspricht. Merely as an example, it should be stated that in such a device with a current of 0.1 A / dm 2 at 80 V after 3 days of electrolysis, a change in concentration of 3% in the melt flow within the anode compartment on the one hand and the cathode compartment on the other, was observed, which corresponds to an enrichment of the different lithium ions of 1.5% compared to the original concentration.
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