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Verfahren zur Darstellung von Aluminium aus seinem Oxyd durch feuerflüssige
Elektrolyse.
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grosser Hitzegrad erforderlich ist, um die Reduktion auszuführen, und dass die Temperatur sodann derart hoch ist, dass dabei das reduzierte Metall verflüchtigt wird. Es wurden auch Versuche angestellt, Aluminiumoxyd für sich zu schmelzen und durch Elektrolyse zu zersetzen.
Der hohe Schmelzpunkt hat jedoch die Verwendung dieses Verfahrens im Gross- betriebe verhindert, indem er einerseits grossen Stromverbrauch bedingt und indem sich anderseits das reduzierte Meta) ! bei der hohen Temperatur, welche zur Ausführung der Reduktion notwendig ist, zum Tci ! verflüchtigt, zum Teil aber sich mit der Elektrodenkohle verbindet, wodurch sich ein grosser Verlust an Metal) ergibt.
Es ist auch vorgeschlagen
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Kraft erforderlich ist, um die lösende Fluoridverbindung in geschmolzenem Zustande zu erhalten, wobei das Aluminiumoxyd verflüssigt und schliesslich elektrolytisch zersetzt wird.
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und sodann nach dem Schmelzen zu zersetzen oder elektrolytisch zu zersetzen, indem der Stromaufwand bis über jenen erhoben wird, der notwendig ist, die Substanz bis zu einem
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stÜnde zu beseitigen, werden nach vorliegender Erfindung Hilfsmittel angewendet, mittels deren die Eh'ktrolyso von Aluminiumoxyd in geeigneterer und ökonomischerer Weise in der Art durchgeführt werden kann,
dass als Losungsmittel für das schwer schmelzbare Ahnniniumoxyd rasch schmelzbare Sanerstoffverbindnngen solcher Metalle verwendet werden.
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barere Oxyd, welches das zu reduzierende Motalloxyd in flüssigem Zustande enthält, der Einwirkung eines elektrischen Stromes unterworfen, der imstande ist, das letztere zu zersetzen und das gewünschte Metall abzuscheiden, ohne das lösende Metalloxydbad, welches aus dem grössere Affinität zum Sauerstoff besitzenden Metall besteht, zu zersetzen.
Bei Durchführung des vorliegenden Verfahrens zur Darstellung von Aluminium werden Lithium- und Kalziumoxyd im Verhältnis von vier Teilen des ersteren auf einen Teil des letzteren verwendet und dieselben auf irgendeine ökonomische Weise, vorteilhaft durch einen eleKtrischen Wechselstrom, der zwischen Elektroden durch die Oxyde durchgeführt wird, erhitzt, wobei dieser Wechselstrom solche Eigenschaft besitzt, dass er kein Metall aus der geschmolzenen Substanz abscheidet.
Nach dem Schmelzen wird dem Bade Aluminiumoxyd zugesetzt, das sich darin rasch auflöst, und gleichzeitig wird dieses gelöste
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Aluminiumoxyd, welches unter der Einwirkung der vereinigten lösendon Substanzen unter seinem normalen Schmelzpunkt verflüssigt worden ist, der Einwirkung eines elektrischen
Stromes unterworfen, der imstande ist, das verflüssigte Aluminiumoxyd elektrolytisch zu zersetzen und daraus das Aluminium abzuscheiden.
Hiebei wird nochmals bemerkt, dass das bei der Reduktion von Aluminiumo :. yd verwendete lösliche Bad von Metalloxyde aus Oxyden jener Metalle bestehen muss, welche eine grössere Affinität zum Sauerstoff haben als Aluminium.
Die hl1uptsl1chlichsten Metalle, welche grössere Affinität zum Sauerstoff haben als Aluminium, sind : Lithium, Kalzium und Magnesium.
Von Vorteil ist es jedoch, das lösende Bad zur
Reduktion von Aluminiumoxyd aus einer Mischung oder Verbindung von Lithium-und
Kalzinmoxyd, wie oben angegeben, zu bilden, u. zw. aus dem Grunde, weil das Lithiumoxyd die Dichte oder das spezifische Gewicht des Kalziumoxydes vermindert, sowie auch dessen
Schmelzpunkt herabsetzt und ermöglicht, dass sich das innerhalb seiner Masse durch die Zer- setzung des Aluminiumoxydes abgeschiedene Aluminium rasch auf den Boden absetzen kann, so dass es von Zeit zu Zeit erforderlichenfalls abgezogen werden kann, ohne dass ein.
Verlust durch
Oxydation zu befürchten wäre, welche Oxydation dann eintreten würde, wenn das Metall inner- halb eines dichter geschmolzenen Materiales einige Zeit hindurch suspendiert bleiben würde, da dieses Metall zufolge der Strömung bis an die Badoberfläche gelangen und in Gegenwart des
Sauerstoffes der Luft verbrennen kann. Weiters wird dadurch erzielt, dass Verluste an Metall vermieden werden, welches sonst mit den flüssigen Massen beim Kühlen vermengt bleiben würde.
Für die Ausführung des vorliegenden Verfahrens wird vorteilhaft ein Apparat ver- wendet, wie er in beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. In diesen Zeichnungen ist Fig. 1 eine Oberansicht, Fig. 2 ein senkrechter Querschnitt nach der Linie ss-. ss in Fig. l :
Fig. 3 ist ein Längenschnitt nach der Linie 8-8 in Fig. 1, während die übrigen Figuren andere Schalteinrichtungen zeigen, In diesen Figuren bedeutet A einen vorteilhaft aus
Eisen hergestellten und mit einer Substanz B, wie z. B. Kohle, ausgekleideten Behälter zur
Aufnahme des Aluminiumoxydes und des zum Lösen desselben dienenden chemischen Bades.
Das Lösungsmittel wird in den Apparat durch die Öffnungen E eingeführt, welche durch isolierende Deckel oder Pfropfen F abgeschlossen sind.
Letztere sind in dem isolierenden Abschlussdeckel-Y eingepasst, durch welchen die Elektroden 6 ? und 7'dringen. Diese bestehen vorteilhaft ans Kohle oder enthalten Kohle. Der Behälter A ist als Kathode geschaltet. während die Elektroden G als Anoden dienen, wenn ein Gleichstrom in dem Stromleiter zur elektrolytischen Zersetzung von Aluminiumoxyd verwendet wird. Beim Anlassen des
Apparates bzw. beim Beginn des Verfahrens wird durch die abwechselnden Koblenstäbe oder Elektroden 7'und die Kohlenauskleidung des Behälters 4 ein Wechselstrom von solcher Beschaffenheit geleitet, dass derselbe kein Metall von den verwendeten Substanzen abscheidet.
Sodann wird ein Funken zwischen den genannten Elektroden 7'und der Kohlen- auskleidung des Behälters A dadurch zum Entstehen gebracht, dass diese Elektroden T von der Kohlenauskleidung des Behälters etwas abgehoben werden ; hierauf werden die lithium- und Kalziumoxyde eingeführt, welche rasch geschmolzen werden und sich in dom mit Kohle ausgekleideten Behälter ansammeln, der mit den Elektroden T durch die eingebrachten
Oxyde in Verbindung steht, durch welche nach dem Schmelzen der elektrische Strom hindurchgeht, sobald die Elektroden immer weiter und weiter von der Innenwand (Boden) des mit Kohle ausgekleideten Behälters entfernt werden, wobei zwischen den Elektroden der Wechselstrom übertritt und genügend grosse Hitze erzeugt, um das lösende chemische
Bad zu schmelzen und im geschmolzenen Zustande zu erhalten,
aber ohne Zersetzung.
Sobald das lösende Bad in passendem, geschmolzenem Zustande ist, wird von Zeit zu Zeit in dasselbe durch die Öffnungen E, deren Deckel F herausgezogen werden, Aluminiumoxyd t'ingeführt, welches nahezu unmittelbar darauf durch die Einwirkung des lösenden Bades verflüssigt wird. Sobald das Aluminiumoxyd verflüssigt ist, wird durch das geschmolzene
Bad ein Gleichstrom zwischen den Anoden G und den die Kathode bildenden Kohlenwänden des Behälters A durchgeführt.
Dadurch ist man imstande, den flüssigen Zustand des lösenden
Bades bei einer Temperatur unterhalb des normalen Schmelzpunktes des Aluminiumoxydes zu erhalten, u. zw. infolge der Wirkung eines Wechselstromes, der kein Metall von den verwendeten Substanzen abscheiden kann, während der gesamte Gleichstrom zu elektrolytischen
Zwecken nutzbar gemacht wird, u. zw. zum Zersetzen oder zur Elektrolyse des Aluminium- oxydes. Ein Vorteil wird auch dadurch erzielt, dass die lösende Verbindung, nämlich Lithium- und Kalziumoxyd, mit geringerem Energieaufwande schmelzbar fbt a'ls jener Energieaufwand, welcher erforderlich ist, um die kostspieligeren und widerstandsfähigeren, bisher verwendeten
Fluoridverbindungen in geschmolzenem Zustand zu erhalten.
Ein weiterer Vorteil, der durch das vorliegende Verfahren erzielt wird, besteht darin, dass die Lösungswirkung des geschmolzenen Oxydbades dreimal grösser ist als jene aes Fiuoridbades, wodurch die Menge des Lösungsmittels zum Verflüssigen einer gegebenen Mcn \on Aluminiumoxyd erheblich verringert und somit an Energie gespart wird, gegen-
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über den Verfahren, bei welchen eine grössere Masse des kostspieligeren Fluoridlösungsmittels in geschmolzenem Zustand während des Reduktionsprozessos erhalten worden muss. Das reduzierte Aluminium wird von Zeit zu Zeit durch die Öffnung K in den Trog L abfliessen gelassen, indem der Pfropfen I herausgezogen wird. Die gasförmigen Nebenprodukte entweichen durch Rohre M, N.
Anstatt das chemische Lösungsbad in der Weise zum Schmelzen zu bringen, dass ein Wechselstrom von der Auskleidung B zu und von den abwechselnden Elektroden T durch das geschmolzene Bad geschickt wird, wie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, kann man auch die Elektroden T abwechselnd als Wechselstromelektroden schalten, indem der Wechselstromkontakt von der Auskleidung B abgehoben wird und jede abwechselnde Elektrode T zu Bestandteilen der direkten Hauptverbindung mit den entgegengesetzten Polen des Wechselstromgenerators gemacht wird, derart, dass der Wechselstrom von und zu den abwechselnden Elektroden T. durch das Bad unter den Elektroden G passiert, durch welche Elektroden G ein Gleichstrom durch das geschmolzene Bad zu der die Kathode bildenden Behälterauskleidung geleitet wird, wie in Fig.
4 ersichtlich ist, in welcher Figur die Richtung des erhitzenden und kein Metall abscheidenden Wechselstromes durch kleine Pfeile zwischen den abwechselnden Elektroden T u. zw. durch das Bad hindurch angedeutet ist. Diese Figur soll bloss eine andere Art des Scbmelzens der Substanzen in dem Behälter veranschaulichen, wobei ein kein Metalt abscheidender oder Wechselstrom durch das Bad zwischen den Elektroden hindurchgeführt wird, welche
Elektroden unabhängig und isoliert sind von dem Behälter und der Auskleidung desselben.
Wenn das lösende Bad durch einen kein Metall abscheidenden oder Wechselstrom, der durch dieses Bad zwischen der Auskleidung und den Elektroden T hindurchzuführen ist. geschmolzen wird, so wird der Behälter mit dem Wechselstromleiter durch die Klemme 1l elektrisch verbunden, während die Elektroden T mit dem zweiten Leiter des Wechselstrom- generators verbunden sind, wie dies in Fig. 1, 2,3 angedeutet ist. Die Verbindung bei Il wird jedoch enthahrlich, wenn das in den Fig. 4-7 dargestellte System verwendet wird.
Die Elektrolyse des durch die Einwirkung des lösenden chemischen Bades verflüssigten Aluminiumoxydes wird dadurch herbeigeführt, dass der Behälter in einem Gleichstromleiter als Kathode verwendet und mit diesem durch die Klemme I) verbunden wird, wobei die Elektroden G mit dem anderen Pole des Gleichstromgenerators verbunden sind und während des Stromdurchtrittes und der Elektrolyse Nes Aluminiumoxydes die Elektroden bilden.
Die Elektroden 7', < ? werden mit ihren verschiedenen elektrischen Generatoren durch Metallstäbe in Verbindung gesetzt. Die Elektroden, welche mit den geschmolzenen Substanzen in leitender Verbindung stehen, bestehen vorteilhaft aus Kohle, wobei diese Kohlenelektroden, wenn sie als Anoden während der Elektrolyse benutzt werden, mit dem entwickelten Sauerstoff, sobald derselbe mit ihnen in Berührung tritt, sich verbinden und das entstehende Produkt als gasförmiges Kohlenoxyd durch die Auslassrohre J/, A"entweicht.
In den Fig. 5, 6 und 7 ist eine andere Einrichtung dargestellt, mittels deren die Substanzen in geschmolzenem Zustande dadurch erhalten werden, dass durch dieselben ein Wechselstrom zwischen den von dem Behälter durch die Isolierung 0 unabhängig gemachten und gesonderten Elektroden 7'hindurchgeschickt wird. Durch die dargestellte Einrichtung können alle senkrechten Kohlenelektroden G als Anode in dem Gleicbstromleiter eingeschaltet werden, wodurch eine grössere elektrolytische Ausbeute erzielt wird.
Es hat sich gezeigt, dass gewisse l\Ietallall1minate, wie z. B. Natrium- und Kaliumaluminat, für sich durch die Elektrolyse zersetzt werden, jedoch hat sich in diesen Fällen ergeben, dass das Natrium oder Kalium zuerst abgeschieden wird, wegen seiner geringeren Affinität zum Sauerstoff als Aluminium unter diesen vorhandenen Umständen, wobei als Rückstand ein nicht zu metallischem Aluminium reduziertes, schwer schmelzbares Aluminiumoxyd zurückbleibt, welcher Rückstand nur bei ausserordentlich hohen Temperaturen unter der
Einwirkung von Kohle reduzierbar ist und einen Verlust an Aluminium durch Verdampfen oder Verbinden mit Kohle, wobei sich Aluminiumkarbid bildet, verursacht.
Werden Aluminate, mit Kohle gemischt, auf hohe Temperatur gebracht, so scheident sich, wofern die Kohle nicht im starken Überschuss ist, das Aluminat, wenn es schmilzt, von der Masse ab und
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das Verfahren für den Grossbetrieb ungeeignet wird.
Wenn Lithium-und Kalziumoxyd, um das gemäss vorliegender Erfindung vorteilhafteste Lösungsbad für Aluminiumoxyd zu bilden, zusammengeschmolzen werden, wie oben beschrieben, so scheinen sich dieselben zu verbinden, um ein lösendes Bad zu bilden, welches Aluminiumoxyd auflöst, jedoch ohne Bildung von Aluminaten. Sollten sich jedoch ans irgendeinem Grunde Aluminate bilden, so sind dieselben nur Übergangsprodukte im Laufe der Reduktion und werden in dem geschmolzenen Bade der Oxyde von Metallen, die eine grössere Affinität zum Sauerstoff haben als Aluminium, aufgelöst. Dies bildet einen weitnr & n wesentlichen Vorteil des vorliegenden Verfahrens.
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Durch Zusetzen von Kupferoxyd zum Aluminiumoxyd oder von Kupferaluminat zum lösenden Oxydbad können Kupferaluminiumlegierungen durch Elektrolyse hergestellt werden oder es können durch Zusetzen von Aluminaten anderer Metalle oder von Mischungen anderer Oxyde von Metallen geringerer Affinität zum Sauerstoff als Aluminium auch andere Aluminiumlegierungenerzengtwerden.
Bei Verwendung von Kohlenanoden zur Reduktion von Aluminiumoxyd, das in einem Dado von geschmolzenen Oxy Verbindungen eines solchen Metalles aufgelöst oder suspendiert ist, welches grössere Affinität zum Sauerstoff hat, wird die Kohle eingetaucht und durch ein mechanisches Mittel bis unter die Oberfläche der geschmolzenen Masse tauchend erhalten, so dass der Unterschied in den spezifschen Gewichten der Kohle und geschmolzenen Substanzen keine Trennung der einander berührenden Stoffs während des Redcktionsverfahrens verursachen kann. Diese Differenz in den spezifischen Gewichten würde sonst ein Schwimmen der leichteren Kohle auf der Oberfläche der geschmolzenen Masse herbeiführen.
Anstatt geschmolzene Lithium-und Kalziumoxyde oder auch diese enthaltende Substanzen in der angegebenen Weise als lösendes chemisches Bad zu benützen, können auch geschmolzene LithiumGlyziumoxyde oder dieselben enthaltende Substanzen in Fällen verwendet werden, wo eine besondere Leichtigkeit oder geringes spezifisches Gewicht des Bades gewünscht wird.
Auch kann man irgendein Oxyd oder Oxyde mit Verbindungen derselben mischen oder zusammensetzen, sowie irgendeine Oxyverbindung von Metallen im geschmolzenen Zustand als chemisches Bad benützen, in welchem die Reduktion des Metalles durchgeführt wird, insolange als das genannte geschmolzene Bad aus einer Oxyverbindung oder Verbindungen
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der Gleichstrom so reguliert wird, dass er das Abscheiden von Metall aus der Verbindung bewirkt, welches geringere Affinität zum Sauerstoff hat als das Metall des geschmolzenen Bades. In allen diesen Fällen wird das Wesen der Erfindung nicht verändert.
Bei der Reduktion von schwer schmelzbarem Aluminiumoxyd, welches, wie angegeben, in einem geschmolzenen Bade von chemischen Stoffen aufgelöst ist, wird das schwer schmelzbare Oxyd durch die lösende Wirkung des geschmolzenen chemischen Mittels zur Auflösung gebracht und die Verflüssigung oder das Schmelzen dieses Metalloxydes unter seinem normalen Schmelzpunkt wird durch die direkte lösonde Wirkung des chemischen Bades ohne Aufwand von Hitze oder elektrischer Energie zur. Durchführung des Schmelzens ausgeführt.
Die Vertliissigung des schwer schmelzbaren Metalloxydes wird daher durch ein anderes Hilfsmittel als durch die Wirkung eines elektrischen Stromes herbeigeführt. Anstatt ein geschmolzenes Had on Oxyd oder Oxyden von solchen Metallen für sich, welche grössere Affinität zum Sauerstoff haben als das zu reduzierende Metall, als Lösungsmittel bei dem oben angegebenen Verfahren zu verwenden, kann man in Verbindung mit dem letzteren auch inerte Verdünnung-
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Darstellung von Aluminium aus seinem Oxyd durch feuernüssige Eissktrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel für das Oxyd SauerstoffVerbindungen solcher Metalle angewendet werden, deren Affinität zum Sauerstoff grösser ist als die Affinität des Aluminiums.