DE3508360A1 - Verfahren zum elektrolytischen herstellen von metalloxiden fuer ferrite - Google Patents

Verfahren zum elektrolytischen herstellen von metalloxiden fuer ferrite

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Description

HOFFMANN · EUTLE-A PARTNER ^ C Π ß ^ R Π
PATENT- UND-RE-fe HTS AN WALTE 0 0 U 0 0 D U
PATENTANWÄLTE BIPL-ΙΝβ. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-INe. W. LEHN DIPL.-ING. K. FÜCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-INS. K. GORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE
41 726 o/IS
Japan Metals and Chemicals Co., Ltd. Tokyo / Japan
Verfahren zum elektrolytischen Herstellen von Metalloxiden für Ferrite
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrolytischen Herstellen eines Metalloxids mit niedrigem Siliciumdioxidgehalt, das als Rohmaterial für Mn-zn-Ferrit, Mg-Ferrit, Fe-zn-Ferrit oder
Fe-Ni-Ferrit für verschiedene magnetische Materialien verwendet wird.
Oxidferrite werden technisch in großem Maßstab als magnetische Materialien verwendet. Die chemische Zusammensetzung solcher Oxidferrite ist MO.M12°v wobei M im allgemeinen ein zweiwertiges Metall ist, wie Eisen, Mangan, Zink, Magnesium, Nickel, Kobalt, Kupfer, Blei, Cadmium, Barium oder Strontium und M1 ein dreiwertiges Metall, vor allen Dingen Eisen ist. Die Oxide dieser Metalle werden im allgemeinen als spinellartige Strukturen bezeichnet.
25
iABELLASTRASSK 4 · D-BOOO MÜNCHEN B1 · TELEFON CO 893 911O 87 . TELEX 5-29619 CPATHEJ ■ TELEKOPIERER 91 S3
Bei der technischen Herstellung von Oxidferrit wird das Metalloxid fein pulverisiert und die entsprechenden Mengen werden miteinander vermischt, in Form gebracht und calciniert. Es ist bekannt, daß die Reinheit des als Ausgangsmaterial für die Ferrite verwendeten Metalloxids in hohem Maße das magnetische Verhalten des Ferrits beeinflußt. Da insbesondere Siliciumdioxid im Rohmaterial für das Ferrit das Verhalten des Ferrits nachteilig beeinflußt, besteht ein starkes Bedürfnis nach einem Magnetmaterial mit niedrigem Siliciumdioxidgehalt. Nach den üblichen Verfahren kann man jedoch Magnetmaterialien mit niedrigem Siliciumdioxidgehalt nicht erhalten. Bei dem Eisensulfatverfahren wird Eisenoxid in Eisensulfat überführt und umkristallisiert. Die dabei erhaltenen Eisensulfatkristalle schließen jedoch dabei unvermeidbar Mutterlauge ein. Das Eisensulfat muß zur Entfernung der Mutterlauge mit Wasser gewaschen werden. Darüber hinaus muß das Umkristallisieren mehrere Male wiederholt werden, wodurch das Verfahren außerordentlich unwirtschaftlich wird.
Bekannt ist auch ein Verfahren, bei dem man Siliciumoxid aus der Rohmateriallösung isoliert und entfernt, indem man Eisenoxid oxidiert oder mit einer Schwefelsäurelösung unter Druck behandelt und dann mit Wasser wäscht. Bei einem anderen Verfahren wird Siliciumdioxid abgetrennt, indem man zu einer Eisenchloridlösung zum Ausflocken des Siliciumdioxids ein hochmolekulares Flockungsmittel zugibt und dann das Siliciumdioxid abfiltriert und abtrennt und bei einem weiteren Verfahren wird das Siliciumdioxid dadurch abgetrennt,
— ο —
daß man es mittels eines Lösungsmittelextrafctions-v Verfahrens aus einer Eisenchloridlösung abtrennt und dann destilliert.
Bei dem bekannten Verfahren werden Additive, wie ein hochmolekulares Flockungsmittel, oder ein Extraktionslösungsmittel, zum Abtrennen und Entfernen von Siliciumdioxid benötigt und man benötigt auch spezielle Vorrichtungen, z.B. drucksichere Apparaturen. Diese Verfahren sind deshalb kompliziert und die Kosten sind erheblich. Darüber hinaus kann man mit den bekannten Verfahren das eingeschlossene Siliciumdioxid nur bis auf annähernd 70 ppm entfernen, und es ist sehr schwierig, den Siliciumdioxidgehalt auf einen Gehalt unter ppm zu verringern.
Infolgedessen gibt es zur Herstellung eines Ferrits mit einem Gehalt von 70 ppm oder weniger an Siliciumoxid keinen anderen Weg als daß man Elektrolyteisen in Salpetersäure unter Ausbildung von Eisennitrit löst oder daß man den Gehalt an Siliciumdioxid auf 30 bis 50 ppm verringert, indem man ein Eisenoxid verwendet, das durch thermische Zersetzung von hochreinem Eisenoxalat erhalten wurde. Dadurch werden natürlich in erheblichem Maße die Kosten erhöht.
Weiterhin werden zur Herstellung von Ferriten mit niedrigem Siliciumoxidgehalt Oxidpulver mit einem niedrigen Siliciumoxidgehalt von Mangan, zink, Magnesium, Nickel, Barium oder Strontium mit Eisenoxid mit niedrigem Siliciumdioxidgehalt vermischt und die Mischung wird in eine Form gebracht und dann calciniert, wodurch man dann einen Ferrit
der gewünschten Zusammensetzung erhält, z.B. der Zusammensetzung MnQ 5Zn0 5Fe2O4; Ni0f5Zn0,5Fe2°4' et°·)·
Aber auch wenn man ein Metalloxid, wie Manganoxid oder Zinkoxid, mit Eisenoxid oder Eisenmanganoxid vermischt, ist die Korngröße des Metalloxids unregelmäßig und man kann die Mischung deshalb nicht gleichmäßig durch mechanisches Vermischen herstellen. Wenn man eine solche Mischung dann zu einem Ferrit calciniert, dann ist dieser Ferrit nicht gleichmäßig und zeigt ein verschlechtertes Verhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Metalloxids mit niedrigem Siliciumdioxidgehalt zur Verfugung zu stellen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrolytischen Herstellen eines Metalloxids und ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine 2- bis 20 %ige anorganische Ammoniumsalzlösung mit einem einem Gehalt von 0,01 bis 5 % Fluorid mit einer Mischung aus den Metallen Eisen und/oder Mangan oder wenigstens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe Zink, Magnesium, Nickel, Kobalt, Kupfer, Blei, Cadmium, Barium und Strontrium mit Eisen und/oder Mangan als Anode und einem Graphit als Kathode elektrolysiert.
30
Das als Anode verwendete metallische Rohmaterial kann Roheisen, Stahl oder Stahlspäne als Eisenquelle sein, metallisches Mangan als Manganquelle oder aus Ferromangan verschiedener Art oder Zink, Magnesium, Nickel, Kobalt, Kupfer, Blei, Cadmium,
Barium oder Strontium sein. Die mit dem Eisen und/oder Mangan zu vermischenden Metalle sind nicht auf die vorerwähnten speziellen Metalle beschränkt, sondern es können alle solchen Metalle verwendet werden, wie sie in Ferriten verwendet werden.
Die Mischung des Metalls wird zuvor in Form einer Legierung hergestellt, oder man mischt die verschiedenen Metalle einfach miteinander und verwendet sie in einem Korb in einer Anode. Die Metalle wie Zink, Magnesium und Nickel werden in geringeren Mengen im Vergleich zu Eisen und Mangan verwendet. Man kann sie infolgedessen auch auf die Oberfläche von Stahl oder Eisen oder Ferromangan laminieren, um dadurch eine gleichmäßige Abmischung sicherzustellen. Metalle wie Mangan, Zink oder Magnesium können in einer Elektrolytlösung gelöst und dann elektrolysiert werden.
Als Elektrolyt wird ein anorganisches Ammoniumsalz verwendet und zwar vorzugsweise als wäßrige Lösung mit einem Gehalt von 2 bis 20 % NH4Cl, wobei eine Mischung der wäßrigen Lösung mit Fluoridverbindungen verwendet wird. Die Fluoridverbindungen, die in der wäßrigen Lösung gelöst sind, bilden dort vorzugsweise Fluorionen. So kann man beispielsweise NH4F, NaF oder KF verwenden, wobei NH-F besonders bevorzugt wird, weil dadurch besonders wirksam das Siliciumdioxid aus dem Oxid entfernt wird.
Die NH4C1-Konzentration der als Elektrolyt verwendeten Ammoniumchloridlösung ergibt eine vorteilhafte niedrigere Badspannung während der
Elektrolysierzeit, wenn die Konzentration höher ist. Liegt die Konzentration oberhalb 20 %, dann wird dadurch die Waschstufe erschwert und liegt sie unterhalb 2 %, dann steigt die Badspannung an. Infolgedessen wird die Konzentration der Ammoniumfluoridlösung auf 2 bis 20 % festgelegt.
Weiterhin beträgt die Menge des der wäßrigen Ammoniumfluoridlösung zugesetzten Fluorids 0,01 bis 5 %. Liegt die Menge bei weniger als 0,01 %, so kann man das Siliciumdioxid nicht auf 30 ppm oder weniger entfernen und bei einer Konzentration oberhalb 5 % tragen die Fluorionen zur Elektrolyse bei, mit dem Ergebnis, daß die Auflösung von Eisen und Mangan abnimmt und infolgedessen die Stromeffizienz verschlechtert wird.
Zwischen der Anode und der Kathode wird eine Membran eingeführt, und die Elektrolyse wird mit
einer Stromdichte von 4 bis 11 A/dm bei Umgebungstemperatur und einer Elektrolytspannung von 1,5 bis 10 Volt durchgeführt.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Elektrolyse verwendet man vorzugsweise zwischen der Anode und der Kathode eine Membran mit einer Anionenaustauschfähigkeit.
Verwendet man eine Membran aus Steingut, dann werden Metallionen, die an der Anode gebildet werden, durch Diffusion zur Kathodenseite geführt und haften an der Oberfläche der Kathode der Membran als Niederschlag des Hydroxids an. Außerdem werden metallische Ionen auf der Kathode elektro-niedergeschlagen, und dadurch wird die Stromeffizienz
verringert. Um dieses Phänomen zu vermeiden, wendet man eine Membran mit Anionenaustauschfahigkeit an. Eine Membran mit Anionenaustauschfahigkeit ist eine Membran, die selektiv nur Anionen hindurchläßt.
Wendet man eine Membran mit Anionenaustauschfahigkeit an, dann durchdringen die Metallionen, die an der Anode gebildet wurden, die Membran zur Kathodenseite. Bei der vorliegenden Erfindung ist im Elektrolyten ein Halogenid enthalten, und die an der Anode gebildeten Metallionen reagieren mit den Halogenionen im Elektrolyten unter Ausbildung von Halogenkomplexionen. Da die Ladung des Komplexes negativ wird, dringen die Metallionen nicht bis zur Kathodenseite vor und das gelöste Metall wird dann nicht an der Kathode elektro-abgeschieden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden Siliciumoxide und weitere nichtmetallische Zwischenprodukte und Verunreinigungen während der Elektrolyse durch eine geeignete Auswahl der Spannung der Elektrolysierzeit abgetrennt und können als Anodenschleim entfernt werden. Man kann infolgedessen äas Siliciumoxid auf 30 ppm oder weniger verringern, und man erhält ein Metallhydroxid mit weniger nichtmetallischen Zwischenprodukten.
Das nach dem vorerwähnten Verfahren erhaltene Hydroxid wird oxidiert und abgetrennt und dann getrocknet, und zu einem Metalloxid mit einem Gehalt von 30 ppm oder weniger an Siliciumoxid calciniert.
Da das Metalloxid gleichzeitig das fertige Ferritrohmaterial zur Verfügung stellt, indem man elektrolytisch eine Mischung der verschiedenen Metalloxidtypen mit Eisen mit einer zusammensetzung des fertigen Ferrits mit Mangan, Zink, Magnesium oder wie erwünscht, bildet, kann die Produktionseffizienz erheblich erhöht werden.
Weiterhin kann man das Metalloxid elektrolytisch gleichmäßig ohne Abtrennung gewinnen und das gleichmäßige Produkt, das in seinem Verhalten keine Unregelmäßigkeiten zeigt, kann billig hergestellt werden.
Weiterhin mußte man bei den bisherigen Verfahren als Eisenquelle oder Manganquelle als magnetische Materialien feine Pulver mit einer Teilchengröße im Bereich von 0,6 bis 2 /Um verwenden, wobei das Pulverisieren erhebliche Energie verbrauchte und es auch längere zeit dauerte, bis man die feine Pulverisierung erzielt hatte, und wobei außerdem beim Pulverisieren auch erheblicher Lärm auftritt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann man, weil es sich um ein elektrolytisches Verfahren handelt, den Lärm vermeiden.
Zur Verminderung des Gehalts an Siliciumoxid in dem Metalloxid des Endproduktes auf 30 ppm oder weniger soll die Stromdichte während der Elektrolyse bei 4 bis 11 A/dm liegen. Ist die Stromdichte niedriger, dann ist es schwierig, den SiIiciumoxidgehalt zu vermindern, und wenn die Stromdichte 11 A/dm oder mehr beträgt, ist das Verfahren nicht wirtschaftlich. Dshalb wird die Elektrolyse in der Praxis bei einer Stromdichte
2
von ungefähr 4 bis 11 A/dm durchgeführt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird, wenn man das Rohmaterial für die verschiedenen Arten der Ferrite herstellt, die Anode aus einem oder mehreren Metallen gebildet, wie Mangan, Zink und Magnesium, in Abmischung mit Eisen, so daß man die Zusammensetzung des Ferrits entsprechend dem Endprodukt erhält und dann wird die Elektrolyse unter Erhalt des fertigen Ferrites durchgeführt, wobei man die Produktionseffizienz erheblich verbessern kann, und der Siliciumoxidgehalt im Endprodukt kann auf 20 ppm vermindert werden, und das Rohmaterial für den Ferrit mit einer gleichmäßigen Zusammensetzung kann billig zur Verfugung gestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung in den Beispielen beschrieben.
Beispiel
20
Feinteiliges Metall (mit einer Korngröße von 3 bis 5 mm) der in Tabelle 1 gezeigten zusammensetzung wurde in einen Korb als Anode gegeben und als Kathode wurde eine solche aus Graphit verwendet. 2^ Eine Steingutmembran wurde zwischen die Anode und die Kathode in einem Elektrolyttank mit einem Volumen von 4 Litern eingebracht.
Nach Beendigung der Elektrolyse wurden die Ventile unter der Anode und der Kathode, die durch die Membran getrennt waren, geöffnet, um den Elektrolyt an beiden Elektroden zu entfernen, und der Elektrolyt der Kathodenseite wurde zu dem Elektrolyt der Anodenseite gegeben, um den pH einzustellen, wobei sich unter Berühren mit den Metallionen in dem Elektrolyt das Hydroxid bildete.
Zu dem Hydroxid wurde 31 %iges Wasserstoffperoxid gegeben und dabei kräftig gerührt. Nach dem Stehenlassen wurde der ausgefallene Niederschlag abfiltriert und das Filtrat gewonnen. Dieses Filtrat wurde im Kreislauf als Elektrolyt verwendet.
Der Niederschlag wurde mit Wasser gewaschen, bis er nur noch schwach alkalisch war, und dann 10 Stunden bei HO0C getrocknet, und dann erwärmt und 5 Stunden in einer Luftatmosphäre bei 8000C calciniert und anschließend pulverisiert, unter Erhalt des Endproduktes.
Die Zusammensetzung des Bades und die Elektrolytbedingungen während der Elektrolyse wird in Tabelle 2 angegeben, und die Zusammensetzung des Endproduktes wird in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle
Eisen FMnH (Teile in Mg der Mischung) Ba Sr
Versuch Kr. 61 32 Zn - Ni - -
1 65 - 7 - - - -
2 83 - 15 - 20 17 -
3 88 - - - - - 12
4 61 32 - 7 - - -
5 100 - - - - - -
6 - 100 - _ - - -
7 - -
Anmerkung: FMnH bedeutet ein Ferromangan mit hohem Kohlenstoffgehalt mit 72 % Mangan und 22 % Eisen.
14 Tabelle 2
Versuch Nr. Badzusammen
setzung (%)
NH4F Elektrolysebedingungen Zeit
(h)
Strom
dichte
(A/cfc2)
Strom
ausbeute
(%)
NH4Cl 0,5 B ab
spannung
5,0 7,5 70,8
1 10 2,30-
0,5 2,40 4,5 7I5 74,3
2 10 1,90-
0,5 2,20 4,5 6,0 76,8
3 10 1,80-
0,5 2,30 6,0 6,0 73,2
4 10 1,90-
0,5 2,15 6,0 7,0 68,2
5 10 1,95-
0,5 2,50 6,0 5,0 78,3
6 10 2,00-
0;5 2,30 6,0 7,0 73,5
7 10 2,10-
2,35
Fe2°3 Tabelle 3 ZnO (Produktzusanunensetzung: %) NiO BaO Sr SiO2(ppm) 20
67,99 6,79 MgO - - - 9 19
Versuch Nr. 64,02 MnO L4,80 - 19,70 - - 15 17
1 81,50 21,80 - - - 14,77 - 13
2 88,35 - - - - - 10,50 10
3 67,10 - - - - - -
4 99,80 - - 6,89 - - -
5 21,80 21,43 - - - - -
S - -
7 77,50
Die Badzusaminensetzung und die Elektrolysebedingungen während der Elektrolyse unter Verwendung der gleichen Anode wie in den vorhergehenden Beispielen 1 bis 7 und unter Verwendung einer Membran mit Anionenaustauschfahigkeit werden in Tabelle gezeigt und die Zusammensetzung des Endproduktes wird in Tabelle 5 gezeigt.
Tabelle 4
Versuch Nr. Badzusammen
setzung (%)
Slektrolysebedingungen Zeit Strom Strom-
NH,C1 NH„F Bad (h) dichte ausbeute
spannung (A/dm2) (%)
5,0 7,5 93,5
1 10 0,5 2,00-
2,10 4,5 7,5 92,1
2 10 0,5 1,75-
1,95 4;5 6,0 95,8
3 10 0,5 1,80-
2,10 6,0 6,0 94,5
4 10 0,5 1,90-
2,05 6,0 7,0 97,8
5 10 0,5 1,95-
2,20 6,0 5,0 95,6
6 10 0,5 1,70-
1,60 6,0 7;0 92,8
7 10 0; 5 2,05-
2,20
Fe2°3 Tabelle 5 ZnO (Produktzusammensetzung: %) NiO BaO Sr SiO2(ppm) 17
68,97 6,82 MgO - - - 11 16
Versuch Nr. . 63,92 HnO L4,79 - 20,01 - - 14 8
1 82,88 22,81 - - - 15,93 - 10
2 88,30 - - - - - 10,31 9
3 67,20 - - - - -
4 99;89 - - 6,91 - - -
5 22,60 22,63 - - - - -
6 - -
7 77,20
Aus den Ergebnissen der Tabelle 2 geht hervor, daß das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafte Stromdichten ergibt und daß man gleichzeitig ein Endprodukt als Rohmaterial für die verschiedenen Ferritarten erzielen kann, wie dies in Tabelle gezeigt wird, und wobei man außerdem den Siliciumoxidgehalt auf 20 ppm oder weniger verringert.
Verwendet man eine Membran mit Anionenaustauschfähigkeit während der Elektrolyse, dann wird die Stromausbeute auf 90 % oder mehr erhöht, wie dies aus Tabelle 4 hervorgeht.
Der Siliciumoxidgehalt im Endprodukt beträgt in diesem Falle 17 ppm oder weniger.

Claims (7)

HOFFMAiMN · EITLc <& PARTNER PATENT- UND RECHTSANWÄLTE 3508360 PATENTANWÄLTE D1PL.-1NQ. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FOCHSLE - DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN - RECHTSANWALT A. NETTE 41 726 o/IS Japan Metals and Chemicals Co., Ltd. Tokyo/Japan Verfahren zum elektrolytischen Herstellen von Metalloxiden für Ferrite Patentansprüche
1. Verfahren zum elektrolytischen Herstellen eines Metalloxids für ein Ferrit, dadurch gekennzeichnet , daß man folgende Stufen durchführt:
Elektrolysieren einer 2 bis 20 %igen anorganischen T5 Ammoniumsalzlösung, enthaltend 0,01 bis 5 % Fluoridverbindungen, als Elektrode mit Metallen oder einer Mischung von Metallen, wie sie zur Herstellung eines Ferrits erforderlich sind, als Anode und einem Graphit als Kathode, 20
ARABELLAS ι RASSE 4 . D-8OOO MÜNCHEN 81 · TELEFON C0893 911087 · TELEX 5-29619 CPATHEJ ■ TELEKOPIERER 9183
Oxidation und Abtrennen des gebildeten Hydroxids, und
Trocknen und Calcinieren des Hydroxids.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall oder die Mischung davon Eisen und/oder Mangan ist (sind).
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , daß das Metall der Mischung wenigstens ein Metall, ausgewählt aus Zink, Magnesium, Nickel, Kobalt, Kupfer, Blei, Cadmium, Barium und Strontium mit Eisen und/oder Mangan ist.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektrolyt Zink, Magnesium, Nickel, Kobalt, Kupfer, Blei, Cadmium, Barium oder Strontium als Lösung enthält.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrode eine Membran mit Anionenaustauschfähigkeit aufweist, die zwischen der Anode und der Kathode zur Durchführung der Elektrolyse eingebracht ist.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man als Fluorid NH.F, NaF oder KF verwendet.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, 35
dadurch gekennzeichnet , daß man als anorganisches Ammoniumsalz NH.Cl, (NH4^SO4, NH4NO3 verwendet, oder als organisches Ammoniumsalz Ammoniumacetat.
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