DE158574C

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Publication number: DE158574C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung" von Alkalimetallen, insbesondere des Natriums, auf elektrplytischem Wege aus ihren Halogenverbindungen. Zur Herstellung von Natrium wird vorzugsweise eine zweikammerige Vorrichtung verwendet, deren Primärzelle geschmolzenes Natriumchlorid als Elektrolyten und Anoden aus Kohle oder Kohle und Blei erhält. Die

ίο Kathode besteht aus geschmolzenem Blei oder einem sonst bei mäßiger Hitze schmelzbaren und mit dem Natrium leicht legierungsfähigen Metall. Die Sekundärzelle enthält vorteilhaft Ätznatron als Elektrolyten, doch können natürlich auch ' andere geeignete Verbinclungen . verwendet werden, z. B. Natriumchloride, -bromide, -jodide oder ähnliche Salze, oder eine Mischung von Salzen, wie z. B. die Chloride oder Jodide von Baryum, CaI-cium, Strontium, Natrium, Kalium oder dergleichen, die bei verhältnismäßig niedriger Hitze schmelzbar sind. Diese Zelle hat eine aus Nickel oder Eisen bestehende Kathode, während die Anode durch die von der Primärzelle kommende schmelzflüssige Legierung gebildet wird. Allgemein ist die Wirkungsweise einer solchen Vorrichtung folgende:

Bei der elektrolytischen Zersetzung z. B. von Natriumchlorid wird Chlor an der Anode der ersten Zelle frei und entweicht. Das Natrium setzt sich an der Kathode ab und bildet, wenn letztere aus flüssigem Blei besteht, mit diesem eine Legierung, welche in die zweite Zelle gelangt und in dieser die Anode bildet. In diesem Gefäß wird dann das Natrium an der Kathode frei, wobei, falls wasserhaltiges Ätznatron vorhanden ist, auch etwas Wasserstoff erzeugt wird, welcher entweicht. Wenn Ätznatron als Zwischenelektrolyt verwendet wird, so entzündet sich das ausgeschiedene Natrium nicht leicht bei der während des Verfahrens erforderlichen Wärme. Wenn jedoch Natriumchlorid oder ein anderes schwer schmelzbares Mittel diesen Elektrolyten bildet, muß das Natrium vor der Außenluft sorgfältig geschützt werden, bis es genügend gekühlt ist. Weder Sauerstoff noch andere Ionen entweichen an der Anode, wobei kein Verbrauch des Elektrolyten in der Sekundärzelle wahrnehmbar ist, so daß die Bedingungen zur Ausführung dieses Verfahrens sehr günstige sind. Die Primärzelle wird mit Natriumchlorid regelmäßig beschickt, um dessen in derselben aufgebrauchte Menge ununterbrochen zu ersetzen.

Das Erwärmen in beiden Zellen wird am besten durch den elektrischen Strom bewirkt und wird durch Änderung der Entfernung zwischen den Elektroden oder durch Änderung der Stromstärke geregelt. . Die Primärzelle wird auf alle Fälle mit einem feuerfesten Futter ausgekleidet, welches für die Sekundärzelle nur dann erforderlich ist, wenn ein schwer schmelzbarer Elektrolyt zur Anwendung kommt. Den unteren Teil der Zellen kann Nickel bilden, das vorteilhaft einen

wärmeisolierendeii Überzug erhält. Die Sekundärzelle kann ein gewöhnlicher Stahl- oder Metalltopf sein, wenn Ätznatron als Elektrolyt gewählt wird.

In den beiliegenden Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Ausübung dieses A^erfahrens dargestellt.

Fig. ι ist ein Schnitt durch die Primärzelle

ίο für die elektrolytische Zersetzung von Natriumchlorid.

Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Sekundärzelle für die elektrolytische Ausscheidung des Metalles.

Fig. 3 ist eine Ansicht der zwei miteinander verbundenen Zellen, und

Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei welcher beide Zellen zu einer einzigen vereinigt sind.

Die Primärzelle A besteht aus einem Eisengehäuse A¹, dessen oberer Teil A² mit feuerfestem Ton oder dergl. und dessen unterer Teil A³ mit Kohle ausgefüttert ist, welche einen dünnen Überzug von Nickel oder Eisen besitzt. Die Salzzuführung erfolgt mittels des Rumpfes B, dessen Auslaßöffnung" nach dem Beschickungskanal B² durch ein Ventil B¹ geregelt wird. Für die gasförmigen Zersetzungserzeugnisse, z. B. Chlor, ist der Ausström- kanal C vorgesehen.

Die Anode D besteht aus einem oder mehreren, zwecks A^ergrößerung der Oberfläche mit Nuten D¹ ausgestatteten Kohlenstücken, welche in dieser Form das Entweichen der Gase erleichtern. Der Elektrolyt E ist geschmolzenes Natriumchlorid, in bekannter Weise zur Herabsetzung des Schmelzpunktes mit einem Zusatz von Baryum-, Strontium- oder Kaliumchlorid versehen. Die Kathode F besteht aus geschmolzenem Blei oder sonst geeigneten Metallen oder Legierungen, welche bei mäßiger Hitze schmelzbar sind und mit dem Natrium eine schmelzbare und leichtflüssige Legierung bilden. Um den Inhalt der Zelle einer mehr oder weniger heftigen Wirbelung zu unterwerfen, ist unterhalb derselben ein Elektromagnet G in einem Eisengefäß G¹ untergebracht, welches den magnetischen Kraftlinien als Rückleitung dient. Um das Eintreten dieser magnetischen Kraftlinien in die Zelle zu ermöglichen, ist der Boden A¹ derselben aus nicht magnetischem Metall, z. B. aus Kupfer, hergestellt. Anode und Kathode sind mit den üblichen Klemmen ausgestattet.

Die Wirkungsweise dieser Zelle ist wie folgt:

Das Chlor wird an der Anode D frei und

steigt zur Oberfläche des Elektrolyten E, von wo es durch den Ausströmkanal C entweicht.

Das Natrium scheidet sich an der Kathode F aus und bildet mit dem Blei eine Legierung, welche durch Abstechen oder durch die Einwirkung des Elektromagneten G zum Abfließen aus der Zelle gebracht wird.

In Fig. 2 ist die Sekundärzelle H dargestellt, deren eiserner Mantel H¹ im oberen Teile H² mit feuerfestem Ton oder dergl. ausgefüttert ist oder aber bei Verwendung von Ätznatron ein Eisen- oder Stahlfutter hat; der untere Teil H^x ist mit Kohle avisgekleidet und wie bei der Primärzelle mit einem dünnen Metallüberzug" versehen. Als Elektrolyt / dient z. B. Ätznatron. Die Anode K besteht aus der schmelzflüssigen Legierung von Natrium und Blei oder dergl., und die Kathode wird durch eine oder mehrere Nickel- oder Eisenelektroden L gebildet.

Auf der Zelle H sitzt ein mit Kühlrohren M¹ versehenes Gefäß M, welches zur Aufnahme des metallischen Natriums dient. Wie bei der Primärzelle so ist auch hier ein Elektromagnet N angeordnet, welcher den Zweck hat, die zu elektrolysierenden Stoffe in Wirbelung zu halten.

Der Vorgang in der Sekundärzelle ist nun wie folgt: .

An den Kathoden L scheidet sich Natrium ab und, wenn wasserhaltiges Ätznatron den Elektrolyten bildet, auch etwas Wasserstoff, welcher entweicht.

Dieses metallische Natrium wird in dem Räume M gesammelt und entzündet sich, wie schon erwähnt, nicht leicht, wenn Ätznatron den Elektrolyten bildet. Wenn jedoch Natriumchlorid oder sonst ein schwer schmelzbarer Elektrolyt für die Sekundärzelle gewählt wird, so muß, wie früher bemerkt, das Natrium gegen die äußere Luft sorgfältig geschützt werden, bis es genügend gekühlt ist.

Bei Verwendung der Primär- und Sekundärzellen in getrenntem Zustande müssen für die mechanische Überführung der Legierung und deren Rückstand nach Ausscheidung des Alkalimetalles besondere Gefäße vorgesehen sein.

Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt eine geeignete Anordnung dieser beiden Zellen A und H, welche die Möglichkeit bietet, die Zwischenelektrode von ' einem Gefäß zum anderen unter Vermittlung der zwei Elektromagnete G und N selbsttätig zu befördern.

Fig. 4 zeigt die zwei Zellen so miteinander verbunden, daß sie eine einzige Vorrichtung bilden. Die primäre Zelle A bildet den Mittelteil und ist wie früher mit den Elektroden D, F versehen, deren Elektrolyt E ist, wobei auch die Rumpfanordnung B, B¹, B² und der Kanal C zum Entweichen des Chlors dieselben geblieben sind.

Das Gehäuse A¹ und das Futter A² reichen bis nahe an den Boden des Gefäßes A³, so daß die Natriumbleilegierung F in die Sekundärzelle H überströmen kanu. Die Sekundär-

zelle H hat eine ringförmige Gestalt und umgibt die Primärzelle, wodurch der ganzen Vorrichtung eine vorzügliche Wärmeaufsparungsfähigkeit verliehen ist. Die Anode der Sekundärzelle wird durch die NatriunibleilegierungF gebildet, welche aus der Primärzelle übertritt; der Elektrolyt / besteht aus Ätznatron oder dergl., während die Kathoden L Metallkathoden sind. In dieser Ausführungsform ist

ίο ein Elektromagnet G genügend, um den Inhalt beider Zellen in kreisender Bewegung zu halten.

Da in den meisten Zellen bei Verwendung einer Zwischenelektrode die Leistungsfähigkeit des Stromes in einer Zelle nicht genau gleich ist derjenigen der anderen Zelle, so kann der Unterschied dadurch ausgeglichen werden, daß ein Bruchteil des Stromes in den Nebenschluß der stärkeren Zelle gelegt wird, oder es erfolgt dies durch Kurzschließen jener Zelle in solchem Maße, als es das Konstanthalten der Legierung der Zwischenelektrode in der geeignetsten Zusammensetzung, z. B. 2 bis 5 Prozent, erfordert. Eine Kurzschlußklemme O (Fig. I und 2) ist zu diesem Zwecke in der Zeichnung angedeutet.

In gleicher Weise kann beim Anlassen der Vorrichtung sicherheitshalber die Sekundärzelle kurzgeschlossen werden, bis die Zwischenelektrode ihren normalen Betrag von Natrium aufgenommen hat, worauf der Kurzschluß unterbrochen wird und das Ausscheiden des Natriums beginnt.

Es ist bekannt, eine Doppelzelle mit einer Zwischenelektrode aus Metall (vorteilhaft Quecksilber), welches entweder unbeweglich als Träger des abgeschiedenen Metalles verwendet oder durch geeignete Vorrichtungen mechanisch bewegt wird, und unter Benutzung eines wässerigen Elektrolyten für die intermediäre Herstellung von Natrium zu verwenden; es ist auch bekannt, Legierungen von Natrium und Blei elektrolytisch herzustellen und aus diesen das Natrium durch Destillation abzuscheiden; es ist schließlich noch bekannt, für elektrolytische Verfahren einen geschmolzenen Elektrolyten zu verwenden, dessen Bad entweder ganz oder teilweise unter Vermittlung des elektrischen Stromes geschmolzen erhalten wird.

Bei der Elektrolyse von Salzlösungen mit Quecksilber als Zwischenelektrode von Doppelzellen hat man jedoch bisher das an Quecksilber gebundene Natrium wieder in andere Verbindüngen, z. B. Ätznatron, übergeführt, während das Verfahren für die Natriumgewinnung zu kostspielig ist, unvermeidliche Quecksilberverluste zur Folge hat und auch komplizierte Vorrichtungen und kostspielige Anoden verlangt.

Die gewerbliche Herstellung von Natriumbleilegierungen aus geschmolzenem Salz ist ebenfalls bisher mit großen Schwierigkeiten verbunden, deren hauptsächlichste in der Aufgabe des Rührens oder Inbewegunghaltens des Metalles und der Elektrolyten besteht.

Ferner begegnet die Ausscheidung des Natriums aus seinen Legierungen mit Blei oder dergl. großen Schwierigkeiten, und alle bisher vorgeschlagenen Verfahren erwiesen sich als kostspielig und schwer durchführbar. Keines der bisher ausgeführten oder auch nur vorgeschlagenen Verfahren kennzeichnet sich durch die Verwendung der Legierung als Anode in einem Bade, welches bei Abgabe des metallischen Natriums nicht aufgebraucht wird, so daß durch das Verfahren nach vorliegender Erfindung eine praktische und gewerblich verwertbare Arbeitsweise geschaffen ist, für deren Durchführung die Vorrichtung eine äußerst einfache Form und sichere Wirkungsweise erhalten kann.

Für kleinere Primärzellen sind etwa 8 Volt erforderlich, während größere Zellen 5 bis 6 Volt und die Sekundärzelle weniger als 2 Volt für die Ausscheidung des Natriums erfordern. Die Stromleistung in beiden Zellen ist unter geregelten Verhältnissen sehr hoch (z. B. 80 bis 100 Prozent).

Während bei der Darstellung von Natrium durch Elektrolyse von geschmolzenem Ätznatron mit unlöslichen Anoden infolge des Auftretens von Wasserstoff und Sauerstoff neben ununterbrochenen kleinen Verpuffungen elektrische Energie verbraucht wird, erfolgt das Ausscheiden des Natriums nach vorliegender Erfindung in vollkommen ruhiger Weise und ergibt — abgesehen von nicht nennenswerten Verlusten — ein der aus dem aufgewendeten Strome theoretisch zu berechnenden Ausbeute fast gleichkommendes Ausbringen an Metall.

Claims

Patent-Anspruch:

Verfahren zur Gewinnung von Alkalimetallen, insbesondere von Natrium, mit Hilfe einer auf elektrolytischem AVege hergestellten schmelzflüssigen Legierung des Alkalimetalles mit Blei oder dergl., dadurch gekennzeichnet, daß diese Legierung in einer eine geschmolzene Verbindung des Alkalimetalles, z. B. Ätznatron, als Elektrolyten enthaltenden Zelle als Anode verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.