DE1783137C3

DE1783137C3 - Elektrolytisches Verfahren zur Gewinnung eines Alkalimetalles aus einer Salzschmelze dieses Metalls

Info

Publication number: DE1783137C3
Application number: DE1783137A
Authority: DE
Inventors: Joseph Talbot Ann Arbor Kummer; Neill Dearborn Weber
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1965-10-22
Filing date: 1966-08-27
Publication date: 1975-04-17
Also published as: DE1783137A1; DE1783137B2

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrolytisches Verfahren zur Gewinnung eines Alkalimetalls aus einer Salzschmelze dieses Metalls.

Seit langem ist das Downs-Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Alkalimetallen aus ihren Salzschmelzen bekannt, wobei mittlerweile zahlreiche Modifizierungen dieses Verfahrens vorgenommen wurden. Grundlegend wird hierbei zur Trennung von Kathoden- und Anodenraum ein Diaphragma ingewandt, d. h. eine halbdurchlässige Membrane, die lediglich eine mechanische Filterfunktion ausübt. Zahlreiche Materialien wurden bereits auf ihre Eignung für derartige Diaphragmen untersucht, darunter auch Tonerde und Natriumaluminat.

Es wurde demgegenüber nun ein echtes neues elektrolytisches Verfahren gefunden, bei dem die Abscheidung des Metalls durch chemische Reaktion Innerhalb des Kristallgitters einer als fester Elektrolyt wirkenden Trennwand zwischen der Anodenzone lind Kathodenzone erfolgt. Die Metallabscheidung erfolgt also nicht mitteln der Kathode, sondern mittels dieses als Trennwand dienenden festen Elektrolyts durch chemische Reaktion.

Erfindungsgegenstand ist ein elektrolytisches Verfahren zur Gewinnung eines Alkalimetalls aus einer Salzschmelze, dieses Metalls, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die anodisch geschaltete Salzschmelze von dem Kathodenraum durch einen festen Elektrolyten kristalliner Struktur, die im wesentlichen aus den Ionen des Aluminiums und Sauerstoffs in Kristallgitterbindung und den Kationen des Metalls, die im Kristallgitter unter dem Einfluß des elektrischen Feldes beweglich sind, besteht, getrennt wird, der undurchlässig für das Metall, die Salzschmelze und deren Anionen und selektiv leitend für die Kationen des Metalls »st. so daß lediglich diese Kationen durch den festen Elektrolyten zu dessen Kathodenseite wandern, wo sie zu Metall reduziert ^Wevimifisweise wird bei der elektrolytischen Gewinnung von Natrium ein fester Elektrolyt aus Natrium-/J-aluminiumoxid verwendet.

Günstieerweise wird das Metall im Kathodenraum auf einer niedrigeren Temperatur und unter einem niedrigeren Druck gehalten als die Salzschmelze im Anoden raum.

Auf Grund der erfindungsgemaß angewandten festen Elektrolyten als Halbzellentrennwand ergibt sich eine kationische Verbindung zwischen den anodischen und den kathodischen Reaktionszonen der Einrichtung, wobei der feste Elektrolyt praktisch undurchlässig gegenüber sämtlichen in den Vornchtunoen angewandten flüssigen Reaktionsteilnehmern _1St, wenn diese Reaktionspartner in elementarer oder anodische' Form oder in Verbindungsform vorliegen, während beim bekannten Diaphragma zwingend zumindest eine dieser Formen zunächst durch das Filter diffundieren muß und erst anschließend zur Reakt^;on Hangt. Durch die Erfindung wird auch das schwierige Problem der Polarisierungsüberspannung

vermieden. , ... .«,.·■ r-

Der feste Elektrolyt bringt erhebliche Vorteile. Er besitzt einen kristallinen Aufbau, der durch Sintern von gepulverten Oxiden aus Aluminium und Sauerstoff gebildet wird, welche die gleiche Zusammensetzung oder eine ähnliche Zusammensetzung wie /,-Aluminiumoxid besitzen.

/i-Aluminiumoxid oder Natrium-yi-alumtniurnoxid wird gewöhnlich durch die Formel Na₂O 11 Al₂O₅ wiedergegeben und läßt sich als eine Reihe von Schichten aus Α'.,Ο., vorstellen, die voneinander im Abstand durch Säulen aus linearen Al-O-Bindungsketten «ehalten werden, wobei Natriumionen Plätze zwische"n den vorstehend aufgeführten Schichten und den Säulen einnehmen. Dieses Material wird in weitem Umfang bei der Herstellung von feuerfesten Steinen zur Auskleidung von öfen verwendet, die der Korrosion durch eine basische Schmelze und'oder Schlacke ausgesetzt sind, während erfindungsgemäß diese Bimetalloxide mit dem kristallinen Gitter vom /i-Aiuminiumoxidtyp wirksame feste Reagenzien für die Zerlegung von geschmolzenen Alkalimetallsalzen sind.

Bei der Verwendung des Bimetalloxides in einer Zelle zur Trennung eines geschmolzenen Metalls von einem Metallsalz hiervon kann das wandernde Metallion aus Natrium oder einem anderen Alkalimetall herstammen.

Bei der nachfolgend beschriebenen Zelle ergibt die Bimetalloxidtrennwand eine wirksame Sperrschicht gegenüber einem nichtionischen Massentransport der Reaktionsteilnehmer, an Ionen von flüssigen Elektrolytreaktionspartnern und gegenüber Elektronenströmung. In der Zeichnung ist schematisch eine typische Ausführungsform dargestellt, wobei die Zelltrennwand gemäß der Erfindung verwendet wird.

In der Figur ist die Verwendung eines ionisch leitenden Bimetalloxides als Trennschicht, d.h. als fester Elektrolyt in einer Zelle mit einer Anode in einem flüssigen Reaktionsteilnehmer und einer Kathode in Berührung mit einem flüssigen Reaktionsteilnehmer als Elektrolyt gezeigt.

Die Platten oder Scheiben eines zur Verwendung

gemäß der Erfindung geeigneten polykristallinen Natrium-ß-aluminiumoxids lassen sich 7. B. nach einem der in der deutschen Patentschrift 1 596 077 vorgeschlagenen Verfahren herstellen.

Beispiel

Die Natrium-/i-aluniiniumoxid-Platten gemäß der Erfindung wurden zur Herstellung von elementarem Metall von äußerst hoher Reinheit aus einer ionisierbaren Verbindung des zu gewinnenden Metalls verwendet. Bei dieser Verwendung diente das /}-Aluminiumoxid als Trennwand, durch die eine angelegte Spannung und die dabei erhaltene Stromstärke aus dem Ion das elementare Metall erhalten wird.

Unter Verwendung einer Zelle, wie in der Figur dargestellt, wurde ein eutektisches Gemisch 2 aus geschmolzenem NaNO₃-NaNO₂ von 245° C in das Rohr 1 der Figur gegeben. Die Natrium-zi-aluminiumoxid-Platte entsprechend der Platte 3 diente als Trennwand. Eine geringe Menge an geschmolzenem Natrium wurde in das Rohr 6 eingebracht und ein Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle, der mit der äußeren Leitung verbunden war, durch die Zelle über die Leiter 4 und 5 der Figur geführt. Das angelegte Potential wird so geregelt, daß der Leiter 4 stärker negativ als die offene Kreisspannung der Zelle wird.

ίο Natriumionen verlassen das Gemisch, gehen in die /i-Alumiiiiumoxid-Platte und werden in elementares Natrium 7 überführt und abgeführt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird AIuminiummetall oder eine geeignete Legierung hiervon

für die Zellbehälter 8 verwendet. In einem derartigen Fall wird ein isolierendes Material zwischen dem Aluminium und den vorstehend beschriebenen Feststoffelektrolyten angewandt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolytisches Verfahren zur Gewinnung eines Alkalimetalls aus einer Salzschmelze dieses Metalls, dadurch gekennzeichnet, daß die anodisch geschaltete Salzschmelze von dem Kathodenraum durch einen festen Elektrolyten kristalliner Struktur, die im wesentlichen aus den Ionen des Aluminiums und Sauerstoffs in Kristallgitterbindung und den Kationen des Metalls, die im Kristallgitter unter dem Einfluß des elektrischen Feldes beweglich sind, besteht, getrennt wird, der undurchlässig für das Metall, die Salzschmelze und deren Anionen und selektiv leitend für die Kationen des Metalls ist, so daß lediglich diese Kationen durch den festen Elektrolyten zu dessen Kathodenseite wandern, wo sie zu Metall reduziert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der elektrolytischen Gewinnung von Natrium ein fester Elektrolyt aus Natrium-/;'-aIuminiumoxid verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall im Kathoden- as raum auf einer niedrigeren Temperatur und unter einem niedrigeren Druck gehalten wird als die Salzschmelze im Anodenraum.