DE3829121A1 - Elektrochemisches verfahren zur herstellung von chromsaeure - Google Patents
Elektrochemisches verfahren zur herstellung von chromsaeureInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung von Chromsäure CrO3 hoher Reinheit nach dem
elektrochemischen Prinzip, wobei die zu ergreifenden
Maßnahmen die Verfahrensstufen
- 1. Vorbereitung und Reinigung einer wäßrigen Natrium chromat/Natriumdichromat-Lösung
- 2. Umwandlung besagter Natriumchromat/Natriumdichro mat-Lösung in eine Natriumdichromat/Chromsäure-Lö sung mit einem molaren Verhältnis von Natriumionen zu Chromsäure von 0,45 : 0,55 bis 0,30 : 0,70 vermit tels einer mehrstufigen Membranelektrolyse
- 3. Kristallisation von fester Chromsäure aus dieser Natriumdichromat/Chromsäure-Lösung durch Eindamp fung auf einen Wassergehalt von ca. 9 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise von 12 bis 15 Gew.-% H2O bei Temperaturen zwischen 55°C und 110°C
- 4. Abtrennen der auskristallisierten Chromsäure von der Mutterlauge durch Zentrifugieren und Auswaschen der anhaftenden Mutterlauge mit einer mindestens 55°C heißen, annähernd gesättigten Chromsäure-Lö sung und Abzentrifugieren der Waschlösung
- 5. Rezirkulation der in der Zentrifuge abgetrennten Mutterlauge in eine mittlere Stufe der unter 2. aufgeführten mehrstufigen Membranelektrolyse bei gleichzeitiger Ausschleusung eines minderen Anteils der Mutterlauge zwecks Entfernung von Verunreini gungen aus dem Elektrolyse-Kristallisations-Kreis lauf
umfassen.
Chromsäure CrO3 wird technisch nach drei unterschiedli
chen Verfahren hergestellt:
Beim sogenannten Schmelzverfahren werden Natriumdichro
mat-Kristalle mit konzentrierter Schwefelsäure im Mol
verhältnis von annähernd 1 : 2 bei Temperaturen von ca.
200°C umgesetzt. Beim sogenannten Naßverfahren werden
Schwefelsäure und Natriumdichromat in konzentrierter
wäßriger Lösung miteinander zusammengebracht. Beiden
Verfahren gemeinsam ist der Zwangsanfall an mit Chrom
verunreinigtem Natriumbisulfat als Schmelze bzw. als
wäßrige Lösung.
Diesen Nachteil sowie die damit verbundenen Verluste an
Chrom vermeidet das dritte Verfahren, die Membranelek
trolyse von Natriumdichromat in wäßriger Lösung. Das
elektrochemische Verfahren, wie es z.B. in der kanadi
schen Patentschrift A-7 39 447 beschrieben ist, beruht
auf dem Prinzip, das den Membranelektrolysen mit kat
ionselektiver Membran gemeinsam ist, nämlich der Wande
rung der in einer Anodenkammer befindlichen Kationen
durch die die Trennwand zur Kathodenkammer bildende kat
ionenselektive Membran in die Kathodenkammer unter dem
Einfluß des elektrischen Feldes.
Ausführungsformen des elektrochemischen Verfahrens zur
Herstellung von Chromsäure sind beschrieben in der Pa
tentschrift CA-A-7 39 447. Aus einer in ein Anodenabteil
eingebrachten Natriumdichromat-Lösung wandern die Na
triumionen im elektrischen Feld durch die Membran in das
mit Wasser oder wäßriger Lösung gefüllte Kathodenabteil
und bilden mit den an der Kathode unter Wasserstoff-
Entwicklung gebildeten Hydroxidionen eine wäßrige Na
triumionen-haltige-Lösung, während in der Anodenkammer
die zurückgebliebenen Dichromat-Ionen durch die unter
gleichzeitiger Sauerstoff-Entwicklung an der Anode ge
bildeten Wasserstoff-Kationen elektrisch neutralisiert
werden.
Insgesamt läuft dieser Prozeß also auf eine Substitution
der Natriumionen im Natriumdichromat durch Wasserstoff
ionen, also auf die Bildung von Chromsäure, hinaus. Im
Lauf der Umwandlung der Natriumdichromat-Lösung in eine
steigende Menge an Chromsäure enthaltende Natriumdichro
mat-Lösung wird die Wanderung der Natriumionen durch die
Membran zunehmend begleitet von der Wanderung der im
Anodenabteil gebildeten Wasserstoff-Ionen, so daß die
Nutzung des elektrischen Stroms für den erwünschten Vor
gang der Natrium-Entfernung aus dem Anodenteil, auch
Stromausbeute genannt, stetig zurückgeht. Das bedeutet,
daß eine vollständige Umwandlung des Natriumdichromats
in Chromsäure im Anodenabteil nicht möglich ist und aus
wirtschaftlichen Gründen nur ein mittlerer Umwandlungs
grad angesteuert wird. Die Chromsäure muß sodann aus
diesen Lösungen durch fraktionierte Kristallisation ab
getrennt werden. Es verbleibt eine Mutterlauge, welche
das elektrochemisch noch nicht umgewandelte Natriumdi
chromat und Reste nicht auskristallisierter Chromsäure
enthält. Diese Lösung wird sinnvollerweise zur weiteren
Umwandlung in Chromsäure wieder in den Elektrolyseprozeß
eingesetzt. Aus diesen Verfahrensprinzipien resultieren
folgende Probleme: Einerseits muß die an den Chromsäure-
Kristallen anhaftende, aus nahezu konzentrierter Na
triumdichromat-Lösung bestehende Mutterlauge sorgfältig
abgewaschen werden, um ein reines Produkt zu erhalten;
andererseits werden alle Verunreinigungen, die mit der
Natriumdichromat-Lösung eingetragen werden, im System
angesammelt und letztendlich mit den und in den Chrom
säure-Kristallen ausgetragen, da nur die Elektrolysegase
Wasserstoff und Sauerstoff den Prozeß verlassen und die
das Anodenabteil abtrennende Membran für Anionen und
auch für mehrwertige Kationen weitgehend undurchlässig
ist. Es ist demnach nicht möglich, eine sehr reine
Chromsäure nach diesem Verfahren zu erhalten. Darüber
hinaus führen kationische Verunreinigungen der einge
setzten Natriumdichromat-Lösung, insbesondere mehrwer
tige Kationen, zu einer frühzeitigen Erschöpfung und
Zerstörung der die Anoden- und Kathodenräume trennenden
Membran, wahrscheinlich weil es im Bereich großer pH-Än
derungen, die innerhalb der Membran in sehr dünnen
Schichten stattfinden, zu Ausfällungen unlöslicher Hy
droxide und Salze dieser Kationen kommt.
Die DE-A-30 20 261 beschreibt ein Verfahren zur elektro
chemischen Herstellung von Chromsäure aus Dichromat, das
sich zum Ziel setzt, die Herstellung der Chromsäure mit
hohem Stromwirkungsgrad zu betreiben und die mit dem Di
chromat eingebrachten Verunreinigungen zu beseitigen.
Das Verfahren der DE-A-30 20 261 ist im wesentlichen
durch die Verwendung einer Dreiraumzelle gekennzeichnet,
wobei die Dichromatlösung in den Mittelraum eintritt und
aus diesem an Dichromat verarmt wieder austritt und im
Verlauf des Durchfließens Natriumionen an den durch eine
kationenselektive Membran abgetrennten Kathodenraum und
Dichromationen an den durch ein Diaphragma oder eine
anionselektive Membran abgetrennten Anodenraum abgibt.
Dadurch wird eine von Verunreinigungen weitgehend freie
Chromsäure-Lösung erzeugt; wegen der durch den Mittel
raum erzwungenen großen Elektrodenabstände ist aber für
den Elektrolyseprozeß eine erhöhte Spannung erforderlich
und daher sowie wegen des komplizierten und anfälligen
dreiräumigen Aufbaus kann dieses Verfahren nicht befrie
digen.
In der DE-A-30 20 260 ist die Reinigung von Natriumchro
mat-Lösung für die elektrochemische Herstellung von
Chromsäure dargelegt, indem die Natriumchromat-Lösung
im Anodenraum einer Zweiraum-Zelle mit kationselektiver
Trennwand einer Elektrolyse unterworfen wird und die
kationischen Verunreinigungen sich in der Membran nie
derschlagen unter gleichzeitiger Bildung von Natriumdi
chromat im Anodenraum und von einer alkalischen, Natri
umionen-haltigen Lösung im Kathodenraum, wie an sich aus
US-A-33 05 463 bekannt. Die derart gereinigte Natrium
chromat/Natriumdichromat-Lösung wird in zuvor genannter
Weise elektrochemisch in Chromsäure umgewandelt. Zwei
erhebliche Nachteile, nämlich häufiger Ersatz oder Rei
nigung der mit den verunreinigten Kationen beladenen,
sehr teuren Membran sowie die erforderliche Umwandlung
des eingesetzten Natriumchromats in Natriumdichromat
ausschließlich mit elektrischem Strom statt mit den
deutlich billigeren anorganischen Säuren Schwefelsäure
oder Kohlendioxid machen das vorgeschlagene Vorgehen
wirtschaftlich unattraktiv.
Demzufolge besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung darin, unter Wahrung der Vorteile des elektrochemi
schen Verfahrens zur Chromsäure-Herstellung ein Verfah
ren zu schaffen, mit dem eine sehr reine, kristalline
Chromsäure unter wirtschaftlichen Bedingungen erzeugt
wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Ver
fahren zur Herstellung von Chromsäure durch mehrstufige
Elektrolyse von Dichromat- und/oder Monochromatlösungen
in Zwei-Raum-Elektrolysezellen, deren Anoden- und Katho
denräume durch Kationenaustauschermembranen getrennt
sind, bei Temperaturen von 50 bis 90°C, wobei die Di
chromat- und/oder Monochromatlösungen durch Aufschluß
von Chromerzen und Auslaugen gewonnen werden, dadurch
gekennzeichnet, daß man die nach dem Auslaugen erhaltene
Monochromatlösung, gegebenenfalls nach der Abtrennung
von Aluminium, Vanadium und anderen Verunreinigungen bei
20 bis 110°C auf einen pH-Wert von 8 bis 12 durch Zugabe
und/oder in situ-Herstellung von Carbonat in einer Menge
von 0,01 bis 0,18 Mol/l (bei 300 bis 500 g/l Na2CrO4)
einstellt, die ausgefallenen Carbonate bzw. Hydroxide ab
trennt, die Lösung auf einen Gehalt von 750 bis 1000 g/l
Na2CrO4 einengt, mit CO2 unter Druck in eine dichromat
haltige Lösung umwandelt, die dichromathaltige Lösung
in den Anodenraum der Elektrolysezelle einführt, elek
trolytisch eine chromsäurehaltige Lösung erzeugt, in der
das molare Verhältnis von Na-Ionen zu Chromsäure
0,45 : 0,55 bis 0,30 : 0,70 beträgt und die Chromsäure durch
Kristallisation, Waschen und Trocknen aufarbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren
wie folgt ausgeführt:
- 1. Durch Auslaugen des unter Verwendung schwefelarmer Brennstoffe hergestellten und den Chromerz-Auf schlußofen verlassenden Ofenklinkers mit Wasser und Einstellen des pH-Wertes auf 7 bis 9,5 mit Dichro mat-Lösung und/oder einer anderen mineralischen Säure wird eine Natriumchromat-Lösung mit einem Na triumchromat-Gehalt von ca. 300 bis 500 g/l er zeugt, die gegebenenfalls durch Fällung bei pH 10 bis 13 in bekannter Weise von mitgelöstem Vanadat befreit wird.
- 2. Diese Lösung wird sodann bei 20°C bis 110°C, vor zugsweise 60 bis 90°C, auf pH-Werte von 8 bis 12, vorzugsweise 9 bis 11, durch Zufuhr von Natronlauge und Kohlendioxid oder aber von Natriumcarbonat in einer Menge entsprechend ca. 0,03 bis 0,1 Mol/l Carbonat eingestellt, um die mehrwertigen Kationen als schwerlösliche Carbonate und/oder Hydroxide auszufällen, wobei die Ausfällung auch mehrstufig bei jeweils zunehmenden Gehalten an Natriumchromat durchgeführt werden kann. Dabei wird eine von mehr wertigen Kationen bis auf zusammengenommen weniger als 5 mg/l befreite Natriumchromatlösung erhalten.
- 3. In der unter 2. erzeugten Lösung wird anschließend gewünschtenfalls durch sogenannten Selektiv-Katio nenaustauscher der Gehalt an mehrwertigen Kationen noch weiter herabgesetzt.
- 4. Die nach Schritt 2. und gegebenenfalls 3. erzeugte Lösung wird danach durch ein- oder mehrstufige Ver dampfung auf Gehalte von 750 bis 1000 g/l an Na2CrO4 eingeengt.
- 5. In dieser konzentrierten Lösung wird durch einstu fige oder mehrstufige Zufuhr von Kohlendioxid bis zu einem Enddruck von 4 bis 15 bar bei einer End temperatur nicht über 50°C ein pH-Wert unter 6,5 eingestellt und auf diese Weise unter Ausfällung von Natriumbicarbonat eine mindestens 80%ige Um wandlung des Natriumchromats in Natriumdichromat erreicht.
- 6. Aus dieser Suspension wird entweder unter weiterbe stehendem Kohlendioxid-Druck oder aber nach dem Entspannen das Natriumbicarbonat abgetrennt, wobei bei letzterem Verfahren die Abtrennung vor dessen Rückreaktion mit dem Natriumdichromat erfolgt.
- 7. Die resultierende, vom Natriumbicarbonat abgetrenn te Natriumchromat-/Natriumdichromat-Lösung wird nach Entnahme eines Teilstroms für die pH-Einstel lung in Schritt 1 und gegebenenfalls Entnahme eines zweiten Teilstroms für die Herstellung von Natrium dichromat und gegebenenfalls Zusatz von Wasser nun mehr dem Anodenraum einer Zweikammerzelle mit ka tionselektiver Membran als Trennwand zugeführt und bei 50 bis 90°C einer Elektrolyse derart unterwor fen, daß eine im wesentlichen Natriumdichromat ent haltende Lösung entsteht, die zwecks Ausfällung des darin gelöst enthaltenen Natriumsulfats auf tiefe Temperaturen gebracht werden kann.
- 8. Die im wesentlichen Natriumdichromat enthaltende Lösung aus Schritt 7 wird anschließend einer mehr stufigen, vorzugsweise 6- bis 15-stufigen Elektro lyse bei 50 bis 90°C in Zweikammer-Elektrolysezel len mit kationenselektiver Membran als Trennwand unterworfen, indem die genannte Lösung in die Anodenkammer der ersten Stufe eingeführt wird und nach einer teilweisen Umwandlung des Dichromats in Chromsäure sodann der zweiten Stufe, die eine teil weise weitere Umwandlung in Chromsäure bewirkt, zu fließt und so weiter stufenweise bis zur letzten Stufe geführt wird, in welcher ein Umwandlungsgrad des Dichromats in Chromsäure von 55 bis 70% ent sprechend einem molaren Verhältnis von Natriumionen zu Chromsäure von 0,45 : 0,55 bis 0,30 : 0,70 erreicht ist, wobei die Zahl der Stufen beliebig groß ge wählt werden kann.
- 9. Diese Chromsäure und einen Rest Natriumdichromat enthaltende Lösung wird durch Eindampfung auf einen Wassergehalt von ca. 12 bis 15 Gew.-% Wasser bei Temperaturen zwischen 55°C und 110°C gebracht, wo bei der überwiegende Teil der Chromsäure auskri stallisiert.
- 10. Die erhaltene Suspension wird durch Zentrifugieren bei 50 bis 110°C in einen im wesentlichen aus kri stalliner Chromsäure bestehenden Feststoff und in eine flüssige Phase, Mutterlauge genannt, welche das gelöst gebliebene Natriumdichromat und die nicht auskristallisierten Anteile Chromsäure ent hält, aufgetrennt.
- 11. Die erhaltene Mutterlauge wird ständig oder perio disch oder in unregelmäßigen Abständen derart ge teilt, daß der weit überwiegende Teil oder zeitwei se auch die gesamte Menge, gegebenenfalls nach Ver dünnen mit Wasser, in die Elektrolyse an eine ge eignete Stelle, d.h. in eine Stufe möglichst ähnli chen Dichromat-Umwandlungsgrades, zurückgeführt und ein kleinerer Anteil der Mutterlauge den in Schritt 7. genannten, nicht der Chromsäure-Erzeugung die nenden, Natriumchromat und Natriumdichromat neben einander enthaltenden Lösungen hinzugefügt, um so mit einerseits Verunreinigungen aus dem Elektroly se-Kreislauf auszuschleusen und andererseits in den genannten Natriumchromat/Natriumdichromat-Lösungen die Restabsäuerung zum Natriumdichromat zu bewir ken.
- 12. Der in Schritt 10. erhaltene Feststoff wird durch einmaliges oder mehrmaliges Waschen mit 10 bis 50 Gew.-%, bezogen auf Gewicht des Feststoffs, ge sättigter oder nahezu gesättigter Chromsäure-Lö sung, die extern oder in situ mit Wasser herge stellt wird, bei Temperaturen über 35°C und durch jeweils an jedem Waschvorgang anschließendes Zen trifugieren von anhaftender Mutterlauge befreit.
- 13. Die dabei angefallene Waschflüssigkeit wird in die unter 9. aufgeführte Eindampfung zurückgeführt, wobei eine Nutzung der bei mehrmaligem Waschen des Feststoffes fraktionsweise anfallenden Waschflüs sigkeiten als Waschlösung im nächsten Zentrifugen- Zyklus in der Weise möglich ist, daß nur jeweils der letzte Waschvorgang/die letzten Waschvorgänge mit reiner Chromsäure-Lösung ausgeführt wird/wer den.
- 14. Die in Schritt 12. erzeugte, reine, kristalline Chromsäure wird danach entweder bei 130°C bis 190°C mit indirekter Beheizung oder direkt mit erhitzten, von Reduktionsmitteln freien und an Wasserdampf un tersättigten Gasen bei 130°C bis 190°C getrocknet oder aber ohne weitere Behandlung ihrer Verwendung zugeführt oder zu Chromsäure-Lösung verarbeitet.
- 15. Die bei der Elektrolyse anfallenden Gase Sauerstoff und Wasserstoff werden jedes für sich gesammelt und gegebenenfalls gereinigt und einer Verbrennung oder einem anderen Einsatzzweck zugeführt.
- 16. Die bei der Elektrolyse von Chromat/Dichromat-Lö sung in Schritt 7. im Kathodenraum entstehende Na triumionen enthaltende Lösung und die in allen Elektrolysestufen in Schritt 8. im Kathodenraum entstehende Natriumionen enthaltende Lösung werden zusammengeführt und gegebenenfalls unter Nutzung der in Schritt 7. und 8. entwickelten und abzu führenden Elektrolysewärme aufkonzentriert.
Für die Erzeugung der Alkalimetallchromate, Alkalime
talldichromate und daraus der Chromsäure geht man tech
nisch ausschließlich von Chromeisenstein aus, der in
Mischung erstens mit Natriumcarbonat oder Natriumcarbo
nat/Natronlauge oder Natronlauge, gelegentlich unter
Zusatz von Erdalkalimetalloxiden und/oder -carbonaten,
insbesondere Calciumoxid und/oder Calciumcarbonat, als
alkalisches Schmelzmedium und zweitens in Mischung mit
einem Magerungsmittel aus im wesentlichen Eisen(III)oxid
bzw. -hydroxid, vorzugsweise sogenanntem Rückerz aus der
nachfolgend beschriebenen Laugungsstufe, bei Temperatu
ren über 1000°C der Einwirkung Sauerstoff enthaltender
Gase, vorzugsweise Luft, ausgesetzt wird.
Das Ofengut wird unter Zerkleinerung mit Wasser zumeist
im Gegenstrom über mehrere Stufen ausgelaugt, um Na
triumchromat als Lösung mit einem Gehalt an Na2CrO4 von
ca. 300 bis 500 g/l zu gewinnen. Für einen möglichst ge
ringen Gehalt der Natriumchromat-Lösung an Fremdstoffen
ist die Einstellung eines pH-Wertes 7,0 bis 9,5 erfor
derlich. Diese pH-Einstellung kann bereits bei der Aus
laugung erfolgen oder aber in der Lösung nach Abtrennung
vom ausgelaugten Feststoff. Um keine neuen Verunreini
gungen in das System einzutragen, wird die erforderliche
pH-Einstellung mit Dichromat oder mit Chromsäure oder
mit Chromsäure/Natriumdichromat-Mischungen oder mit Na
triumchromat/Natriumdichromat-Lösungen, vorzugsweise mit
jenen, die im Verlaufe des Prozesses an späterer Stelle
nach Säuerung mit Kohlendioxid unter Druck anfallen oder
mit Mischungen besagter, bevorzugt verwendeter Natrium
chromat/Natriumdichromat-Lösungen mit Natriumdichromat-
Chromsäure-Lösungen, welch letztere aus den Chromsäure-
Elektrolyse-Kristallisationskreislauf zweck Ausschleu
sung von Verunreinigungen herausgeführt werden, vorge
nommen. Nach erfolgter pH-Einstellung müssen die unge
löst gebliebenen, ausgelaugten Anteile des gemahlenen
Ofengutes und, falls die pH-Einstellung erst nach der
Abtrennung vom Laugungsrückstand erfolgt, die bei der
pH-Einstellung ausgefallenen Verunreinigungen von der
Natriumchromat-Lösung abfiltriert oder abzentrifugiert
oder durch Absitzenlassen der Feststoffe abgetrennt wer
den. Der ausgelaugte Rückstand des Ofengutes wird teil
weise als sogenanntes Rückerz wieder als Mischungsbe
standteil in den Aufschluß des Chromeisensteins zurück
geführt.
Die von den bei pH 7,0 bis 9,5 fällbaren Verunreinigun
gen befreite Natriumchromat-Lösung wird, sofern nicht
der Aufschluß des Chromerzes so geführt wurde, daß Vana
dium bei Auslaugen nicht in Lösung gehen kann, nunmehr
in an sich bekannter Weise mit Calcium in Form von Cal
ciumoxid oder Calciumhydroxid in wäßriger Lösung oder
Aufschlämmung versetzt zur Ausfällung des Vanadiums als
Calciumvanadat. Das Calcium wird im stöchiometrischen
Überschuß unter Berücksichtigung des beim Auslaugen des
Ofenklinkers in Lösung gegangenen Calciums eingesetzt.
Nach Abtrennung des Calciumvanadats wird die verbleiben
de Natriumchromat-Lösung zur Ausfällung der trotz pH-
Einstellung noch in Lösung verbliebenen mehrwertigen
Ionen, insbesondere der überschüssig eingesetzten Cal
ciumionen auf 50 bis 100°C, vorzugsweise auf 70 bis 85°C
gebracht und mit Natronlauge und Kohlendioxid und/oder
Natriumcarbonat und/oder Natriumbicarbonat auf pH 8 bis
12, vorzugsweise 9,0 bis 11,0, eingestellt. Die Zugabe
von Kohlendioxid und/oder Natriumbicarbonat und/oder Na
triumcarbonat erfolgt in einer Menge, die eine Konzen
tration von Carbonationen in Höhe von 0,01 bis
0,18 Mol/l, vorzugsweise 0,03 bis 0,1 Mol/l in der Lö
sung erzeugt. Die Ausfällung kann auch mehrstufig bei
jeweils zunehmenden Gehalten an Natriumchromat durchge
führt werden. Während einer Reife- und Verweilzeit von
5 bis 360 min bei Aufrechterhaltung des pH-Wertes er
folgt die Ausfällung des Calciums, des Strontiums und
anderer mehrwertiger Ionen und überraschenderweise auch
des Fluorids, so daß nach Abtrennung des Niederschlags
eine Natriumchromat-Lösung mit äußerst niedrigen Restge
halten an Verunreinigungen resultiert. In der so erzeug
ten Natriumchromat-Lösung liegen Restgehalte an Calcium
und Strontium von zusammengenommen weniger als 5 mg/l
vor, während andere mehrwertige Kationen wie Barium,
Magnesium, Eisen, Zink u.a. sowie auch Fluoridionen
nicht mehr vorhanden sind oder aber nur in einer Menge
unter der jeweiligen Erfassungsgrenze vorliegen, wobei
die Erfassungsgrenzen zwischen 0,5 und 1 mg/l liegen.
Das abfiltrierte Präzipitat enthält überraschenderweise
die ausgefällten Kationen praktisch ausschließlich als
Carbonate und als Hydroxide, nur in ganz untergeordnetem
Maße als Fluoride und Chromate, obwohl letztere doch in
Lösung gegenüber Carbonat- und Hydroxidionen deutlich
in der Überzahl sind.
Es hat sich nun gezeigt, daß es für den später, d.h.
stromabwärts erfolgenden Schritt der Elektrolyse von
Natriumdichromat/Natriumchromat-Lösung zu Natriumdichro
mat und weiter zu Chromsäure enthaltender Lösung vor
teilhaft ist, den Gehalt an mehrwertigen Kationen noch
weiter abzusenken auf Werte von unter 1 mg/l für jedes
noch in Lösung vertretene mehrwertige Kation. Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß in der Weise erreicht, daß die
nach den vorangegangenen Schritten erhaltene Natrium
chromat-Lösung über einen sogenannten Selektiv-Kationen
austauscher gegeben wird, der aus makroporösen Perlpo
lymeren auf Basis von vernetztem Polystyrol mit chela
tisierenden Gruppen besteht, wobei die chelatisierenden
Gruppen Substituenten aus der Reihe
sind, wenngleich die Pulverform oder die Gelform für das Ein
rührverfahren ebenfalls wirksam ist. Es ist vorteilhaft,
solche Perlpolymere einzusetzen, bei denen die H-Ionen
der Säuregruppen in den Substituenten durch Natriumionen
ersetzt sind.
Der Austauscher ist zu regenerieren durch Behandeln mit
Säure und ist durch Auswaschen mit reinem Wasser von den
Resten der mit der Regeneriersäure eingebrachten fremden
Anionen zu befreien und sodann mit Natronlauge in die
Natriumform zu überführen, so daß der Selektiv-Kationen
austauscher danach wieder gebrauchsfertig ist. Die ver
schiedenen Techniken, Kationenaustauscher mit den aus
Lösungen zu entfernenden Kationen zu beladen, verschie
dene Austauschaggregate hintereinander oder parallel zu
schalten und zu betreiben und vorzugsweise im Wechsel
zu regenerieren, sind literaturbekannt. Die Arbeitstem
peratur für die Entfernung der mehrwertigen Kationen aus
der Natriumchromat-Lösung beträgt 20 bis 90°C, vorzugs
weise 60°C bis 85°C, die Kontaktzeit von Lösung und Aus
tauscher beträgt mindestens 2 min, vorzugsweise 6 min
und mehr.
Vor weiterer Behandlung der Natriumchromat-Lösung wird
diese vorteilhafterweise weiter eingedampft bis auf Ge
halte von 750 g/l bis 1000 g/l Na2CrO4.
Die Umwandlung von Natriumchromat in Natriumdichromat
erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren mit Kohlendioxid.
Diese sogenannte Absäuerung des Natriumchromats kann
einstufig oder mehrstufig erfolgen, dabei kann in der
ersten Stufe/den ersten Stufen drucklos gearbeitet wer
den; für das erwünschte Endresultat einer mindestens
80%igen Umwandlung des Natriumchromats in Natriumdi
chromat ist aber erforderlich, in der letzten Stufe oder
auch in den letzten Stufen einen Kohlendioxid-Druck von
4 bis 15 bar, vorzugsweise 8 bis 15 bar bei einer End
temperatur unter 50°C, vorzugsweise unter 30°C, einzu
stellen. Bevorzugt ist eine mindestens 90%ige Umwand
lung des Natriumchromats bei über 8 bar Druck. Bei mehr
stufiger Arbeitsweise ist es vorteilhaft, den Kohlen
dioxid-Druck von Stufe zu Stufe zu erhöhen und die
Stofführung der flüssigen Phase mit einer Abtrennung des
ausgefallenen Natriumbicarbonats nach jeder Stufe z.B.
durch Zentrifugieren unter Druck zu verbinden. Anderer
seits besteht auch die Möglichkeit, das ausgefallene
Natriumbicarbonat nach Druckentlastung rasch abzutrennen
durch Filtrieren, Zentrifugieren oder Dekantieren, dabei
ist wegen der möglichen Rückreaktion von Natriumdichro
mat und Natriumbicarbonat eine enge zeitliche Aufeinan
derfolge von Entspannung und Phasentrennung entscheidend
wichtig. Zugleich mit der teilweisen Überführung des Na
triumchromats in Natriumdichromat findet eine Umwandlung
des in der Natriumchromat-Lösung vorhanden gewesenen Ge
misches von Natronlauge und Natriumcarbonat aus den
vorangegangenen Stufen in Natriumbicarbonat statt.
Das hier gewonnene Natriumbicarbonat kann durch thermi
sche Behandlung und/oder Umsetzung mit Natronlauge in
Natriumcarbonat, das für den Chromerzaufschluß brauchbar
ist, umgewandelt werden.
Aus der nunmehr vorliegenden Lösung, welche das
Chrom(VI) zu mindestens 80%, vorzugsweise zu mindestens
90% als Dichromat enthält und mehrwertige Kationen in
nachweisbaren Mengen praktisch nicht mehr enthält, wird
ein Teilstrom zur elektrochemischen Erzeugung von Chrom
säure entnommen. Ein weiterer Teilstrom wird benutzt zur
zuvor beschriebenen pH-Einstellung bei/nach der Laugung
des Ofengutes. Je nach Wunsch werden weitere Teile der
Lösung der Herstellung von Natriumdichromat durch Zusatz
von Schwefelsäure oder durch Zusatz von Chromsäure oder
durch Zusatz von Chromsäure-Natriumdichromat oder durch
elektrochemische Absäuerung, wie z.B. in der US-A-
33 05 463 beschrieben oder aber wie nachstehend für den
der Chromsäure-Herstellung dienenden Teilstrom beschrie
ben, zugeführt, wobei diese Maßnahmen auch gleichzeitig
ergriffen werden können. Beispielsweise ist die Kombina
tion von elektrochemischer Absäuerung mit einer gleich
zeitigen Zufuhr von Dichromat-Chromsäure-Lösung schub
weise oder kontinuierlich ein geeignetes Verfahren zur
vollständigen Umwandlung des restlichen Natriumchromats
in Natriumdichromat in dem nicht der Chromsäure-Herstel
lung dienenden Teilstrom.
Zur Erzeugung von Chromsäure wird der dafür vorgesehene
Teilstrom in die Anodenkammer einer Zweikammer-Elektro
lysezelle, deren Trennwand zwischen Anoden- und Katho
denraum eine kationenselektive Membran ist, eingeführt
und darin in eine Lösung, die im wesentlichen Natriumdi
chromat und nur untergeordnete Mengen Natriumchromat
und/oder Chromsäure enthält, elektrolytisch umgewandelt.
Im Regelfall wird eine größere Anzahl derartiger Elek
trolysezellen, die z.B. nach Art von Filterpressen zu
sammengefaßt sein können, parallel betrieben. Die zur
Erzielung einer Stromdichte von 1 bis 3,5 kA/m2, vor
zugsweise 2,5 bis 3,0 kA/m2 erforderliche Spannung kann
entweder einzeln an jede elektrisch von den anderen iso
lierte Zelle herangeführt werden oder aber, wenn die
Zellen leitend miteinander verbunden sind, in sogenann
ter bipolarer Schaltung an die Enden einer solchen,
elektrisch verbundenen Anordnung angelegt werden. Die
anzulegende Spannung ist eine Funktion der Elektroden
abstände und der Elektrodenkonstruktion, der Lösungstem
peratur, der Lösungskonzentration und der Stromstärke
und beträgt 3,8 bis 6,0 V pro Elektrolysezelle.
Jede Elektrolysezelle besitzt im Anodenabteil eine Zu
leitung für die einzusetzende Natriumchromat/Natriumdi
chromat-Lösung und einen Abfluß für die im wesentlichen
Natriumdichromat enthaltende, elektrolysierte Lösung.
Zuleitung und Abfluß sitzen üblicherweise an entgegenge
setzten Enden der jeweiligen Elektrolysezelle, wobei
sich die Zufuhr vorteilhafterweise im unteren Teil der
Elektrolysezelle, der Abfluß im oberen Teil der Elektro
lysezelle befinden. In gleicher Weise sind die Kathoden
kammern mit Zulauf und Ablauf ausgestattet. Über eigene
Öffnungen im Rahmen der Zelle oder aber, wie bevorzugt,
über die gleichen Öffnungen wie für Zulauf und Ablauf
wird zwecks Wärmeabfuhr Flüssigkeit sowohl aus Anoden
kammer wie aus Kathodenkammer über außenliegenden Wärme
tauscher umgepumpt. Die umzupumpenden Ströme aus der Ge
samtheit der Anodenkammern und der Kathodenkammern wer
den vorteilhafterweise zu einem Anolytstrom und zu einem
Katholytstrom zusammengefaßt und über je einen Anolyt
kühler und einen Katholytkühler geführt. Aus diesen Küh
lern werden die abgekühlten Anolyt- und Katholytflüssig
keiten wieder auf die einzelnen Anoden- und Kathodenkam
mern verteilt. Vermittels dieser Kühlung wird die Tempe
ratur im Anodenraum und Kathodenraum auf 50°C bis 90°C,
vorzugsweise 70 bis 80°C, gehalten.
Über eigene Öffnungen im Rahmen im oberen Teil der Zelle
und zugleich oder aber ausschließlich über die gleiche
Öffnung wie die Abläufe werden die Elektrolyseprodukte
Sauerstoff und Wasserstoff aus Anodenräumen bzw. Katho
denräumen herausgeführt. Die Gasströme werden vorteil
hafterweise jeweils getrennt nach den Gasen zusammenge
führt und gegebenenfalls von mitgerissenen Lösungen be
freit und dann einer Verwendung z.B. als Heiz- und
Brennmaterial im Chromerzaufschlußofen zugeführt.
In die Kathodenräume wird Wasser eingegeben entweder di
rekt über die Zuleitungsstutzen oder aber durch Zumi
schung zu der Katholytflüssigkeit im Kühlkreislauf z.B.
nach Katholytkühler.
Aus den Anodenräumen wird, z.B. geregelt durch einen
Überlauf, stets so viel Lösung entnommen, daß die in
einem Zeitabschnitt entnommene molare Menge Chrom(VI)
als die Summe aus Natriumchromat, Natriumdichromat und
Chromsäure gleich ist der im gleichen Zeitabschnitt zu
geführten Menge Chrom(VI) als die Summe aus Natriumchro
mat und Natriumdichromat. Aus den Kathodenräumen wird,
z.B. geregelt durch einen Überlauf und gesteuert durch
die in die Kathodenräume eingegebene Menge Wasser,
Kathodenraumflüssigkeit der gewünschten Konzentration
entnommen. Die Kathodenflüssigkeit besteht im Regelfall
aus 8 bis 30%iger, vorzugsweise etwa 12 bis 20%iger
Natronlauge; durch Zufuhr von Mitteln, die das erzeugte
Alkali abstumpfen, z.B. Kohlendioxid und/oder Natriumdi
chromat-Lösung und/oder Natriumdichromat/Natriumchromat-
Lösung aus der vorgenannten Absäuerung mit Kohlendioxid,
kann die Kathodenraumflüssigkeit gewünschtenfalls modi
fiziert werden. Im laufenden Betrieb der Zellen wird pro
Zeiteinheit so viel Alkali entnommen, wie in eben diesem
Zeitabschnitt durch den Transport des Natriums aus den
Anodenräumen über die Membranen in die Kathodenräume in
den Kathodenräumen erzeugt wird. Die Konzentration der
Kathodenraumflüssigkeit kann über die Wasserzufuhr ein
gestellt werden, sie wird vorzugsweise so hoch wie mög
lich gewählt, Beschränkungen ergeben sich hauptsächlich
aus dem eingesetzten Membranmaterial.
Kationenselektive Membranen, welche als Trennwände zwi
schen Anoden- und Kathodenraum in den Zweiraum-Elektro
lysezellen im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt
werden können, sind bereits mehrfach beschrieben und
seit langer Zeit im Handel. Bevorzugt werden durch Ein
bau von Fasern und Gewebe verstärkte Membranen erhöhter
Haltbarkeit. Sowohl einschichtige Membranen wie auch Bi
membranen, bestehend aus zwei aufeinander befindlichen,
unterschiedlichen Membrantypen, sind einsetzbar, wobei
die zweischichtigen Membranen der möglichen Diffusion
von Hydroxidionen durch die Membran einen höheren Wider
stand entgegensetzen, also den Vorteil einer höheren
Stromausbeute bieten. Die geeigneten Membranen weisen
ein Perfluorkohlenstoff-Polymergerüst mit Sulfonat-Aus
tauschgruppen auf, geeignete Verstärkungsmaterialien
sind ebenfalls Fluorkohlenstoff-Polymere, vorzugsweise
Polytetrafluorethylen, im Handel sind sie beispielsweise
unter den Namen ® Nafion 324, Nafion 435, Nafion 430 und
Nafion 423, der Firma DuPont, USA.
Die auf der Kathodenseite einzusetzenden Elektroden sind
jene, die sich auch schon in der Chloralkali-Elektrolyse
bei der Herstellung von Natronlauge verschiedener Kon
zentration bewährt haben, sie bestehen zumeist aus
Stahl, Edelstahl oder Nickel und können zur Verringerung
der Überspannung des Wasserstoffs aktiviert sein.
Die auf der Anodenseite einzusetzenden Elektroden müssen
gegen den Angriff des sauren und oxidierenden Mediums
und gegen den elektrolytisch erzeugten Sauerstoff be
ständig sein. Sie bestehen aus einem Titan-Grundgerüst
und sind gegebenenfalls nach Aufbringung einer Oxidzwi
schenschicht aus Titanoxid oder Tantaloxid oder Zinnoxid
entweder naßgalvanisch oder schmelzgalvanisch oder nach
dem Einbrennverfahren mit Platin oder mit Platin/Iridium
mit überwiegendem Iridium-Anteil beschichtet. Als Bau
formen der Anoden kommen jene in Betracht, die sich bei
anderen, Gas entwickelnden Prozessen bewährt haben, z.B.
Anoden in Lochblechformen, Streckmetallanoden, Messer
anoden, Spaghetti-Anoden und Jalousie-Anoden. Der Ab
stand der Elektroden wird möglichst klein gewählt, vor
zugsweise beträgt er unter 10 mm.
Als Konstruktionsmaterial für die Elektrolysezellen sind
gegen Natriumdichromat beständige Werkstoffe, insbeson
dere Titan und nachchloriertes PVC geeignet.
Die auf diese Weise erzeugte, sehr reine, im wesentli
chen Natriumdichromat enthaltende Lösung, nur unterge
ordnete Mengen Natriumchromat oder Chromsäure enthal
tend, wird nun ganz oder teilweise einer mehrstufigen
Elektrolyse zugeführt, indem die genannte Lösung in die
Anodenkammern der ersten Stufe eingeführt wird und dort
teilweise in Chromsäure umgewandelt wird und sodann in
die Anodenkammern der zweiten Stufe eingeführt wird,
dort um einen weiteren Anteil in Chromsäure umgewandelt
wird und dann weiter über die dritte, vierte und weitere
Stufen bis zur letzten Stufe geführt wird. Die Umwand
lungsgrade des Natriumdichromats in Chromsäure in den
einzelnen Stufen sind so bemessen, daß in der letzten
Stufe eine zu 55 bis 70%, vorzugsweise zu 59 bis 65%
abgelaufene Umwandlung erfolgt ist, so daß sich ein
Natriumionen : Chromsäure-Verhältnis von 0,45 : 0,55 bis
0,30 : 0,70, vorzugsweise von 0,41 : 0,59 bis 0,35 : 0,65
ergibt.
Die verwendeten Elektrolysezellen, die für diese Umwand
lung in allen Stufen benutzt werden, sind gleichartig
denen, die im letzten Abschnitt für die Umwandlung der
Natriumchromat/Natriumdichromat-Lösung in eine im we
sentlichen Natriumdichromat enthaltende Lösung beschrie
ben wurden und sie werden vorzugsweise zusammen mit
jenen aufgestellt und betrieben, so daß ihre Strom- und
Spannungsversorgung sowie ihre Wasserstoff- und Sauer
stoff-Reinigung und -Entsorgung sowie auch ihre Katho
denraumflüssigkeits-Behandlung, deren Kühlung und Kon
zentrierung und Entsorgung zusammengefaßt werden kann.
Insbesondere wird die gleiche monopolare oder bipolare
Strom- und Spannungsversorgung gewählt, die Stromdichte
beträgt auch hier 1 bis 3,5 kA/m2, vorzugsweise 2,5 bis
3,0 kA/m2 und die pro Elektrolysezelle anzulegende Span
nung beträgt 3,8 bis 6,0 Volt; höhere Spannungen sind
möglich, werden aber aus wirtschaftlichen wie auch aus
technischen Gründen vermieden. Über die Zuleitung der
Anodenkammern wird den Elektrolysezellen das Produkt der
jeweils vorangehenden Stufe zugeführt, über den Ablauf
wird das Produkt der jeweils nächsten Stufe zugeführt.
Je Stufe werden die Anolyten gesammelt und zwecks Wärme
abfuhr über einen Wärmeaustauscher geführt und auf der
entgegengesetzten Seite der Anodenkammer im unteren Teil
abgekühlt wieder zugeführt. Die Gesamtzahl der Wärmetau
scher für Anolyten ist demnach gleich der Zahl der Elek
trolysestufen. Die Katholyten können für alle Stufen zu
sammengefaßt werden und werden dann gemeinsam, vorzugs
weise vereinigt mit der Kathodenflüssigkeit aus dem
vorstehend beschriebenen Schritt der Umwandlung von Na
triumchromat/Natriumdichromat in Natriumdichromat-Lösung,
gekühlt und sodann wieder auf die einzelnen Kathoden
räume verteilt. Entsprechend der Zufuhr von Wasser in
die Kathodenräume bzw. in die auf die Kathodenräume zu
verteilende gekühlte Kathodenraumflüssigkeit wird Katho
denraumflüssigkeit aus dem Kreislauf entnommen und einer
Weiterverarbeitung, z.B. durch Aufkonzentrieren, zuge
führt. Eine bevorzugte Form der Weiterverarbeitung ist
die Eindampfung im Vakuum in ein bis drei Verdampferstu
fen unter Nutzung der bei der Elektrolyse freigesetzten
Wärme, so daß mindestens ein Teil der Wärmetauscher, mit
denen die Elektrolysewärme aus der Katholytflüssigkeit
abgeführt wird, identisch ist mit einem Teil der Wärme
tauscher für die Eindampfung der entnommenen Kathoden
raum-Flüssigkeit. Die Zusammensetzung der Kathodenraum-
Flüssigkeit ist dieselbe wie diejenige der vorangegange
nen Stufe der Umwandlung von Natriumchromat/Natriumdi
chromat-Lösung in Natriumdichromat-Lösung. Die Tempera
turen der Lösungen in den Elektrolysezellen betragen in
allen Stufen 50 bis 90°C, vorzugsweise 70 bis 80°C. Ein
zusetzende Membranen, Anoden, Kathoden und Konstruk
tionsmaterialien sind dieselben wie voranstehend be
schrieben.
Um eine gleichmäßige Belastung aller am Prozeß beteilig
ten Elektrolysezellen und ihrer Bestandteile wie Membra
nen, Elektroden und Rahmen durch die darin behandelten
Medien zu erreichen, können die Zellen in gewissen zeit
lichen Abständen in ihrer Funktion dahingehend geändert
werden, daß sie durch Veränderung der Fließrichtung der
Anodenkammer-Flüssigkeiten eine andere Natriumdichromat-
Chromsäure-Umwandlungsstufe realisieren. So kann durch
totale Umkehr der Fließrichtung des Anolyten die Elek
trolysestufe mit dem bisher höchsten Umwandlungsgrad in
Chromsäure die Funktion der Stufe mit dem niedrigsten
Umwandlungsgrad übernehmen und umgekehrt.
Durch partielle Änderung der Fließrichtung der Anoden
kammer-Flüssigkeiten anstelle der totalen Umkehr der
Fließrichtung kann somit jedes Zellenarrangement in
zeitlicher Abfolge die Funktion jeder Elektrolysestufe
übernehmen.
Die aus der letzten Stufe der vielstufigen Elektrolyse
entnommene Anodenkammer-Flüssigkeit wird einer ein- bis
dreistufigen Eindampfung zugeführt, wobei die letzte
Eindampfstufe als Eindampfkristallisator ausgebildet
ist. Es wird soweit eingedampft, daß durch das Über
schreiten der Löslichkeitsgrenze eine Kristallisation
von Chromsäure erfolgt. Vorzugsweise wird auf einen Was
sergehalt in der Mischung von 9 bis 20 Gew.-% einge
dampft, besonders bevorzugt auf einen Wassergehalt von
12 bis 15 Gew.-%. Die im Kristallisator einzustellende
Temperatur beträgt 50 bis 110°C, vorzugsweise 55 bis
80°C, besonders bevorzugt ca. 60°C. Für die bevorzugt
kontinuierlich vorzunehmende Kristallisation sind ver
schiedene Typen von Kristallisatoren oder Kristallisa
tionsverdampfer mit innenliegender Heizkammer oder mit
äußerem Heizkreislauf geeignet. Sie sind in jedem Fall
bei vermindertem Druck zu betreiben, so daß die Eindamp
fung bei den oben angegebenen Temperaturen ausgeführt
werden kann. Bevorzugt werden Kristallisatoren aus Titan
eingesetzt, die es ermöglichen, ein von Feinkorn freies
Kristallisat zu erzeugen, also solche, bei deren Betrieb
eine Sichtung der Kristallsuspension nach der Kristall
größe wenigstens teilweise erfolgt; das sind sogenannte
FC (forced circulation)-Kristallisatoren und auch Leit
rohr-Kristallisatoren z.B. in Kombination mit Hydrocyc
lonen oder Absetzbehältern/-tanks; noch besser geeignet
sind Leitrohrkristallisatoren mit Klärungszone, z.B.
Doppelpropeller (DP) -Kristallisatoren sowie Fließbett-
Kristallisatoren (s. W.Wöhlk, G.Hofmann, International
Chem. Engineering 27, 197 (1987); R.C.Bennett, Chemical
Engineering 1988, p. 119 ff).
Der dem Kristallisator entnommene Kristallbrei kann über
einen Flüssigkeits-Zyklon (Hydrozyclon) oder Absitzbe
hälter weiter eingedickt werden und wird entweder direkt
oder nach Eindickung auf eine Zentrifuge gegeben, die
in ihren von Flüssigkeiten berührten Teilen aus Titan
gefertigt ist. Die Flüssigkeit wird soweit wie möglich
vom Kristallkuchen abgeschleudert und sodann wird der
Kristallkuchen ein- oder mehrmals, vorzugsweise ein- bis
dreimal mit gesättigter oder nahezu gesättigter Chrom
säure-Lösung gewaschen. Die gesättigte oder nahezu ge
sättigte Chromsäure-Lösung kann außerhalb der Zentrifuge
durch Auflösen von Chromsäure, vorzugsweise durch Auflö
sen eines Teils der gereinigten Chromsäure in Form des
feuchten ausgewaschenen Filterkuchens und/oder durch
Auflösen eines abgesichteten Feinkornanteils aus der in
der letzten Verfahrensstufe getrockneten, kristallinen
Chromsäure hergestellt werden, kann aber andererseits
auch in der Zentrifuge selbst durch Aufsprühen oder Auf
düsen von Wasser oder verdünnter Chromsäure-Lösung auf
den Filterkuchen erzeugt werden. Die insgesamt einzu
setzende Menge Wasser für den Waschvorgang beträgt zwi
schen 3 und 25 Gew.-%, bezogen auf den feuchten Zentri
fugenkuchen (Filterkuchen), vorzugsweise zwischen 4 und
10 Gew.-%, diese Wassermenge wird als solche oder in
Form einer Chromsäurelösung entweder auf einmal oder in
Portionen dem auszuwaschenden Filterkuchen zugefügt. Bei
Zugabe von Waschlösung in mehreren Portionen können die
resultierenden, aus dem Filterkuchen ablaufenden Lösun
gen zusammengeführt oder auch getrennt gesammelt werden;
im Fall des getrennten Aufnehmens ist es möglich, die
unterschiedlich und von Waschschritt zu Waschschritt ab
nehmend verunreinigten Abläufe wieder im nächsten Zen
trifugierzyklus als Waschlösung für die jeweils voran
gehenden Waschstufen einzusetzen. Der Ablauf aus dem er
sten Waschschritt nach Abschleudern der Mutterlauge oder
bei einstufiger Kuchenwäsche die gesamte ablaufende
Waschflüssigkeit wird dem Eindampfkristallisator zuge
führt, dabei wird auf dem Wege die Temperatur der Lösung
aufrechterhalten oder erhöht.
Die aus der Zentrifuge abfließende Mutterlauge der
Chromsäure-Kristallisation, die an Chromsäure gesättigt
oder leicht übersättigt ist, wird ohne weitere Kühlung
mehrheitlich der Anodenseite der mehrstufigen Elektro
lyse von Natriumdichromat zu Chromsäure zugeführt. Dabei
wird für die Zufuhr der Mutterlauge, deren Zusammenset
zung aus Natriumdichromat und Chromsäure einem Umwand
lungsgrad des Natriumdichromats in Chromsäure von ca.
50% entspricht, jene Stufe unter den Elektrolysestufen
gewählt, welche dem Umwandlungsgrad nach der zufließen
den Mutterlauge am ehesten entspricht. Die zutreffende
Elektrolysestufe kann rechnerisch und/oder experimentell
ermittelt werden. Unter der Voraussetzung, daß alle
Elektrolysestufen gleiche oder annähernd gleiche Elek
troden- und Membranflächen aufweisen und mit gleicher
Stromdichte betrieben werden - wie es vorzugsweise ge
schieht - ist beispielsweise in einer achtstufigen An
lage die vierte Elektrolysestufe für die Aufnahme der
Mutterlauge geeignet, in einer elfstufigen Elektrolyse
anlage hingegen die fünfte Elektrolysestufe. Zur Erhö
hung der Leitfähigkeit kann der Mutterlauge vor Eintritt
in die Elektrolyse Wasser hinzugefügt werden oder aber
die entsprechende Wassermenge wird direkt in die Anoden
kammern oder den zugehörigen Kühlkreislauf der Anoden
flüssigkeit eingegeben. Eine gegebenenfalls zugesetzte
Wassermenge wird so begrenzt, daß der Wassergehalt der
resultierenden Lösung 50 Gew.-% nicht übersteigt, also
zwischen 25 und 50 Gew.-% beträgt.
Ein kleinerer Teil der aus der Zentrifuge abfließenden
Mutterlauge wird zwecks Ausschleusung von Verunreinigun
gen, die in den Elektrolysekreislauf eingetragen worden
sind, in die stromaufwärts gelegenen Säuerungsstufen ge
führt, also entweder in den in Verfahrensschritt 7 ent
nommenen Teilstrom für die pH-Einstellung in Schritt 1
oder aber, wie bevorzugt, in den in Schritt 7 entnomme
nen Teilstrom zur Herstellung von Natriumdichromat. Im
erstgenannten Fall durchläuft die ausgeschleuste Lösung
erneut alle aufgeführten Reinigungsstufen zur Entfernung
angesammelter Verunreinigungen, im zweiten Fall verläßt
die ausgeschleuste Lösung den Chromsäure-Herstellungs
prozeß gänzlich. Wenn vom kleineren Teil der aus der
Zentrifuge abfließenden Mutterlauge gesprochen wird, so
ist damit der im langfristigen zeitlichen Mittel kleine
re Anteil bezeichnet. Kurzfristig kann auf eine Aus
schleusung von Verunreinigungen auf diesem Wege verzich
tet werden, da ja nur sehr geringe, praktisch kaum meß
bare Mengen an Verunreinigungen mit der Natriumchromat-/
Natriumdichromat-Lösung in Schritt 7 in das Elektrolyse
system eingebracht werden. Ebenso kann, wenn es aus
wirtschaftlichen Gründen erforderlich ist, ein sehr ho
her Anteil der Mutterlauge für einen begrenzten Zeitraum
ausgeschleust werden, um an anderer Stelle aufgrund
seines hohen Säuregehaltes als Mittel zur pH-Regulierung
und zur Chromat-Dichromat-Umwandlung zu dienen. Als
kurzfristig gilt in diesem Zusammenhang ein Zeitraum,
der das annähernd dreißigfache jenes Zeitraumes nicht
übersteigt, in welchem das mittlere, aus Schritt 7 der
mehrstufigen Elektrolyse zufließende Volumen Natriumdi
chromat-Lösung das Gesamt-Anoden-Flüssigkeitsvolumen der
mehrstufigen Elektrolyse einschließlich Kühlkreisläufe
und des Kristallisators und der eventuell in diesen
Anodenflüssigkeitsstrom eingebauten Stapelbehälter er
reicht. Bevorzugt gegenüber der zeitlich ungleichmäßigen
Entnahme von Mutterlauge ist allerdings die zeitlich
gleichmäßige Entnahme eines geringen Teils der Mutter
lauge in die aus Schritt 7 herausgeführten Ströme an
Natriumdichromat-Lösung, welche zur Natriumdichromat-
Herstellung oder zur pH-Einstellung in Schritt 1
dienen.
Unter einem geringen Teil der Mutterlauge ist ein sol
cher Teil zu verstehen, der zwischen 2% und 20%, vor
zugsweise zwischen 5% und 10% derjenigen molaren Menge
Chrom(VI) enthält, die aus Schritt 7 in die mehrstufige
Elektrolyse eingebracht wird.
Die in Schritt 12 erzeugte, reine, kristalline, mit
Feuchtigkeit behaftete Chromsäure kann nach Entnahme
oder Auswurf aus der Zentrifuge in unterschiedlicher
Weise in absatzfähige Ware umgewandelt werden. Sofern
in Schritt 12 zum Waschen der Chromsäure-Kristalle eine
außerhalb der Zentrifuge erzeugte Chromsäure-Lösung
herangezogen wird, ist dieser feuchte Chromsäure-Kri
stallkuchen dafür gut geeignet und ein entsprechender
Anteil wird entnommen. Ohne weitere Behandlung kann aus
dem feuchten Kristallkuchen auch eine handelsfähige,
sehr reine Chromsäure-Lösung hergestellt werden. Um
trockene, kristalline Ware zu erhalten, muß eine Ent
fernung des Wassers unterhalb der Chromsäure-Zerset
zungstemperatur, also im Temperaturbereich unterhalb
195°C, vorzugsweise von 165 bis 185°C bewerkstelligt
werden. Dazu ist einerseits die indirekte Beheizung mit
Dampf oder mit einer umlaufenden Flüssigkeit, wobei das
zu trocknende Gut gewünschtenfalls bei vermindertem
Druck gehalten werden kann, oder auch die direkte Behei
zung mit heißem Gas, das keine unterhalb 195°C reduzie
rend wirkenden Anteile enthält und an Wasser deutlich
untersättigt ist, geeignet. Apparate, in denen nach den
genannten Prinzipien der Kontakttrocknung oder der Kon
ventionstrocknung Chromsäure getrocknet werden kann,
sind u.a. beschrieben in Ullmanns Enzyklopädie der tech
nischen Chemie, 4. Auflage, Band 2, S. 698 ff, (insbe
sondere S. 707 bis 717), Weinheim 1972. Bevorzugt kommen
Apparate zum Einsatz, die den mechanischen Abrieb der
Kristalle vermeiden oder sehr gering halten, also sol
che, in denen die Chromsäure-Kristalle gar nicht oder
nur langsam und wenig bewegt werden, dazu gehören auch
langsam rotierende, außen beheizte Drehrohre.
Der Trocknung kann sich zwecks Entfernung staubförmiger
oder feinkristalliner Anteile eine Entstaubung durch
Sichten oder Klassieren anschließen, wobei das abgesich
tete Feinmaterial der Bereitung von Chromsäure-Lösung
für das Waschen der abgeschleuderten Chromsäure-Kristal
le in der Zentrifuge in Schritt 12 dienen kann.
Die bei der Elektrolyse anfallenden Gase, Sauerstoff in
der Anodenkammer und Wasserstoff in der Kathodenkammer,
werden jedes für sich aus den Elektrolysekammern abgezo
gen, normalerweise aus dem oberen Teil der Elektrolyse
zelle und gemeinsam mit der jeweiligen Anodenkammerflüs
sigkeit bzw. Kathodenkammerflüssigkeit. Zur Entfernung
mitgerissener feiner Tröpfchen von Anodenkammer- bzw.
Kathodenkammer-Flüssigkeit können die Gasströme z.B. mit
Wasser gewaschen werden oder über sogenanne Tropfenab
scheider oder Nebelabscheider geführt werden. Insbeson
dere um Spuren Chlor, die aus einem geringen Gehalt der
eingesetzten Natriumchromat- und Natriumdichromat-Lösun
gen an Chlorid resultieren können, sicher zu entfernen,
ist eine Kontaktierung des Sauerstoffstromes mit einem
gegenüber Chlor reaktivem Absorptionsmittel, z.B. wäßri
ger Natronlauge und feuchter Aktivkohle, empfehlenswert.
Sofern nicht eine andere Nutzung vorgezogen wird, werden
sowohl der Sauerstoff wie der Wasserstoff in getrennten
Leitungen als Oxidationsmittel bzw. als Brennstoff in
den Chromerz-Aufschlußofen geführt. Möglich ist aber
auch die Verbrennung des Wasserstoffs und die Ableitung
des Sauerstoffs in die Atmosphäre.
Bei der Elektrolyse von Natriumchromat-/Natriumdichro
mat-Lösung zu Natriumdichromat-Lösung und bei der wei
tergehenden mehrstufigen Elektrolyse derselben zu einer
Chromsäure/Natriumdichromat-Lösung entsteht in den
Kathodenräumen neben Wasserstoff noch ein Natriumalkali-
Produkt aus den an der Kathode erzeugten Hydroxidionen
und den aus den Anodenräumen über die kationenselektiven
Membranen eingewanderten Natriumionen, wie bereits oben
beschrieben.
Zur Entfernung von gelöstem oder fein verteiltem Wasser
stoff aus der dem Kathodenflüssigkeits-Kühlkreislauf
entnommenen Lösung kann dieselbe vor der Weiterverarbei
tung, vorzugsweise der Eindampfung im Vakuum, behandelt
werden, beispielsweise durch Erhitzen bei Normaldruck.
Vorzugsweise wird das Natriumalkali-Produkt aus den
Kathodenräumen verwendet zur Herstellung von festem Na
triumcarbonat für den Chromerzaufschluß und als Kondi
tioniermittel für den Chromerz-Rückstand und für Na
triumchromat-Lösung. Zwischenstufen auf dem Weg zum
festen Natriumcarbonat können sein: verdünnte und kon
zentrierte Natronlauge, Natriumcarbonat-Lösung, Natrium
bicarbonat.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung von Chromsäure durch
mehrstufige Elektrolyse von Dichromat- und/oder
Monochromatlösungen in Zwei-Raum-Elektrolysezellen,
deren Anoden- und Kathodenräume durch Kationen
austauschermembranen getrennt sind, bei Tempera
turen von 50 bis 90°C, wobei die Dichromat-
und/oder Monochromatlösungen durch Aufschluß von
Chromerzen und Auslaugen gewonnen werden, dadurch
gekennzeichnet, daß man die nach dem Auslaugen
erhaltene Monochromatlösung, gegebenenfalls nach
der Abtrennung von Aluminium, Vanadium und anderen
Verunreinigungen bei 20 bis 110°C auf einen pH-Wert
von 8 bis 12 durch Zugabe und/oder in situ Her
stellung von Carbonat in einer Menge von 0,01 bis
0,18 Mol/l (bei 300 bis 500 g/l Na2CrO4) einstellt,
die ausgefallenen Carbonate bzw. Hydroxide abtrennt,
die Lösung auf einen Gehalt von 750 bis 1000 g/l
Na2CrO4 einengt, mit CO2 unter Druck in eine di
chromathaltige Lösung umwandelt, die dichromat
haltige Lösung in den Anodenraum der Elektrolyse
zelle einführt, elektrolytisch eine chromsäurehal
tige Lösung erzeugt, in der das molare Verhältnis
von Na-Ionen zu Chromsäure 0,45 : 0,55 bis 0,30 : 0,70
beträgt und die Chromsäure durch Kristallisation,
Waschen und Trocknen aufarbeitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrolysetemperatur 70 bis 80°C beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Elektrolyse in 6 bis 15 Stufen
durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Verhältnis Na-Ionen zu
Chromsäure auf 0,4 : 0,6 einstellt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Ausgangslösung (Mono
chromatlösung) mit einem Kationenaustauscher behan
delt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrolyse bei einer
Stromdichte von 2 bis 5 kA/m2 Anodenfläche durchge
führt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die bei der Aufarbeitung der
Chromsäure erhaltene Mutterlauge in den Elektrolyse-
Prozeß ganz oder teilweise zurückgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kristallisation durch Ver
dampfen von Wasser bei Temperaturen von 60 bis 80°C
durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Teil der bei der Kristalli
sation der Chromsäure anfallenden Mutterlauge aus
dem Elektrolysekreislauf ausgeschleust wird.
Priority Applications (16)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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MX017095A MX170481B (es) | 1988-08-27 | 1989-08-07 | , "PROCEDIMIENTO ELECTROQUIMICO PARA LA OBTENCION DE ACIDO CROMICO 2CrO4, se transforma con CO2 bajo presión en una s |
RO141223A RO107136B1 (ro) | 1988-08-27 | 1989-08-10 | Procedeu electrochimic, pentru obtinerea acidului cromic |
US07/393,733 US5068015A (en) | 1988-08-27 | 1989-08-15 | Electrochemical process for the production of chromic acid |
EP89115030A EP0356802B1 (de) | 1988-08-27 | 1989-08-15 | Elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von Chromsäure |
ES89115030T ES2042904T3 (es) | 1988-08-27 | 1989-08-15 | Procedimiento electroquimico para la fabricacion de acido cromico. |
DE8989115030T DE58901937D1 (de) | 1988-08-27 | 1989-08-15 | Elektrochemisches verfahren zur herstellung von chromsaeure. |
TR89/0673A TR24735A (tr) | 1988-08-27 | 1989-08-22 | Kromik asit ueretmeye mahsus elektrokimyasal yoentem |
BR898904252A BR8904252A (pt) | 1988-08-27 | 1989-08-24 | Processo para a obtencao de acido cromico por meio de eletrolise |
JP1216185A JP2812730B2 (ja) | 1988-08-27 | 1989-08-24 | クロム酸を製造する電気化学的方法 |
PL89281165A PL163883B1 (pl) | 1988-08-27 | 1989-08-25 | Sposób wytwarzania trójtlenku chromu PL PL |
ZA896495A ZA896495B (en) | 1988-08-27 | 1989-08-25 | An electrochemical process for the production of chromic acid |
CA000609439A CA1338145C (en) | 1988-08-27 | 1989-08-25 | Electrochemical process for the production of chromic acid |
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