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Verfahren zur Gewinnung reiner Tonerde Die Erfindung betrifft ein
Verfahren, dessen Ausgangsstoffe Leucit oder andere tonerdereiche Kalium- oder Natriumsilikate
sind. Sie bezweckt, Kalium- oder Natriumsalze sowie Tonerde in großer Reinheit zu
erhalten. Als Nebenprodukte werden Wasserstoff und Sauerstoff während der Elektrolyse
gewonnen. In einer an sich bekannten Vorstufe des Verfahrens wird außerdem Kieselsäure
erhalten.
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Wird als Ausgangsstoff Leucit verwendet, so wird dieser zunächst in
an sich bekannter Weise der Einwirkung einer Säure unterworfen, beispielsweise in
der folgenden Form: Ale 03 - K,0 - 4 S i 02 -i- 4 H2 S 04 - A12 (S04)3-Ki!S04+4H20+4Si02.
Ähnliche Verhältnisse ergeben sich, wenn man als Ausgangsstoff Kalium-Aluminium-oder
Natrium-Aluminium-Silikate oder künstliche oder natürliche. Alaune verwendet, z.
B. Kalium-, Natrium-, Rubidium- oder Cäsiumalaun, deren mengenmäßige Zusammensetzung
sich allgemein aus MeAI (S 04) 3 -ra H20 ergibt, wo Me ein Atom eines einwertigen
Metalls bedeutet.
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. Nach Aufschluß des Leucits oder der anderen natürlichen oder künstlichen
Alkali-Aluminium-Sulfat-Gemische mittels Schwefelsäure und nach Beseitigung der
unlöslichen Bestandteile werden gemäß der Erfindung die so erhaltenen Lösungen in
Diaphragmenzellen unter Zirkulation der Kathoden- und Anodenflüssigkeit im Gegenstrom
in bekannter Weise der Elektrolyse unterworfen. Die Elektrolyse wird bis zur Überführung
des Aluminiumanteils mit dem Alkali in Alkalialuminat an der Kathode durchgeführt,
und diese gelöste Verbindung wird nach Abtrennung von dem aus den Verunreinigungen
(Eisen, Calcium, Magnesium) bestehenden kathodischen Niederschlag in bekannter Weise
auf Tonerde weiterverarbeitet, beispielsweise durch Behandlung mit Kohlensäureanhydrid.
Man erhält so getrennt voneinander reine Tonerde und Alkalicarbonat.
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Die Gewinnung von Tonerde aus Tonerdemineralien, die mit Kieselsäure,
Alkali und anderen Stoffen verunreinigt sind, ist bekannt.
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Eines der bekannten Verfahren besteht aus zwei Stufen. In der ersten
Stufe wird eine Lösung des Leucitgesteins bis zur Abscheidung des metallischen Eisens
an der Kathode durch Elektrolyse behandelt. In der zweiten Stufe wird nach Neutralisierung
der freien Säure die Lösung selbst in einer mit Scheidewand
versehenen
Zelle bis zur Bildung von Aluminiumhydrat elektrolysiert. Dabei wird die Elektrolyse
unterbrochen, bevor die alkalische Reaktion an der Kathode eintritt, um die Entstehung
von Alkalialuminat zu vermeiden. Demgegenüber enthält das Verfahren nach der Erfindung
nur eine einzige Stufe, während deren die Bildung von Alkalialuminat erzielt wird,
während das unlösliche Eisenhydrat ausgeschieden wird.
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Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird Tonerde oder ein anderer
aluminiumhaltiger Stoff mit Schwefelsäure behandelt. Die erhaltene Säurelösung wird
in Gegenwart von Alkalichlorid, z. B. Chlornatrium, so lange der Elektrolyse unterworfen,
bis ein Aluminat gewonnen wird, dessen Lösung eingedampft wird. Der Rückstand wird
calciniert, um das Alkali wiederzugewinnen. Das Aluminiumoxyd bleibt unlöslich.
Die bei diesem Verfahren erforderliche gleichzeitige Elektrolyse von Sulfaten und
Chloriden macht die Durchführung verwickelter und schwieriger als beim Verfahren
nach der Erfindung, bei dem eine Calcinierung des Alkalialuminats nicht in Betracht
kommt. - Im übrigen findet sich im bekannten Verfahren nicht die Abtrennung der
Verunreinigungen.
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Den bekannten Verfahren gegenüber weist die Erfindung folgende Vorteile
auf. Zunächst ergibt sich die Möglichkeit, die Tonerde in einer einzigen Stufe der
Elektrolyse von sämtlichen mitgeführten Verunreinigungen, und zwar im wesentlichen
von Eisen, Calcium und Magnesium zu trennen. Sodann ist es möglich, das ganze Aluminium
in lösliches Aluminat überzuführen, und zwar unter Zirkulation der Anoden- und Kathodenlösung
im Gegenstrom.
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Bei dem neuen Verfahren erhält man an der Kathode außer Wasserstoff
lösliches Kälium-oder Natriumaluminat, Eisenhydrat und unter Umständen unlösliches
Calcium- oder Magnesiumhydrat, während sich an der Anode außer Sauerstoff Schwefelsäure
bildet. Diese Schwefelsäure kann zur Behandlung weiteren Materials verwendet werden.
Der Kathodenniederschlag wird, nachdem er von Verunreinigungen durch Eisen, Calcium
und Magnesium durch Filtrieren befreit ist, einem der gebräuchlichen Verfahren zur
Zersetzung des Alkalialuminats unterworfen. Um die Bildung des Aluminats zu erleichtern,
arbeitet man zweckmäßig in Gegenwart eines überschusses von Kalium- oder Natriumsulfat.
Dieses kehrt dabei ununterbrochen in den Kreislauf zurück.
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Bei der praktischen Anwendung des Verfahrens zirkuliert die Lösung
des Doppelsalzes aus Aluminium- und Kaliumsulfat oder Aluminium- und Natriumsulfat
zusammen mit einem Überschuß von Kalium- oder Natriumsulfat durch eine Reihe elektrolytischer
Zellen mit Diaphragmen aus Porzellan oder Gummi und mit Bleianoden und Eisenkathoden
bei einer elektrischen Stromdichte von z Amp./dm2 auf der Kathodenoberfläche. Dabei
werden Einrichtungen vorgesehen, die das Auffangen von Wasserstoff an der Kathode
und von Sauerstoff an der Anode gestatten. Um eine stärkere Konzentration der Nebenprodukte
an der Anode und der Kathode zu erhalten, kann man die Lösungen im Gegenstrom fließen
lassen. Die Lösungen nehmen während der Elektrolyse an Konzentration zu. Wenn die
ursprüngliche Lösung erschöpft ist, so kehrt sie in den Kreislauf zurück, um auf
neues Material einzuwirken.
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Die Behandlung der an der Kathode entwickelten Stoffe besteht in der
Abscheidung des Eisenhydrates und der anderen Verunreinigungen durch Filtrieren
und in der Zersetzung des Alkalialuminates durch bekannte Verfahren.
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Ausführungsbeispiel i. Stufe: Aufschluß des Leucits mit Schwefelsäure
A1203-K20-4Si02+4H2S04 - Alp (S 04) 3 - K. S 04 -f- 4 H2 0 -f- 4 Si 02. Die Kieselsäure
wird durch Filterung abgesondert.
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a.-Stufe: Elektrolyse Die Kalium- (oder Natrium-) Alaunlösung enthält
gewöhnlich als Verunreinigungen Eisen-, Calcium- und Magnesiumsulfate. Durch die
Wirkung des elektrischen Stromes wandern die Kationen Al, K (Na), Fe, Ca, Mg zur
Kathode, wo sich gleichzeitig unter Entwicklung von Wasserstoff die unlöslichen
Aluminium-, Eisen-, Calcium- und Magnesiumhydrate und das lösliche Kalium-(oder
Natrium-) Hydrat 'bilden; die Anionen S 04 wandern dagegen zur Anode, wo unter Entwicklung
von Sauerstoff Schwefelsäure gebildet wird.
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In einem ersten Zeitabschnitt wird somit das Aluminium in der Form
von Hydrat zusammen mit den Hydraten von Fe, Ca, Mg entwickelt. Wird aber die Bildung
von Kalium- (oder Natrium-) Hydrat an der Kathode fortgesetzt; dann geht das Aluminiumhydrat
in der Form von Alkalialuminat allmählich in Lösung über gemäß der Reaktion Z Al
(OH)a1- aKOH -ZKAl03+4H20.
3. Stufe: Zersetzung des Alkalialuminats
Die aus dem Fe-, Ca-, Mg-Hydratschlomm abgesonderte Lösung wird in bekannter Weise
der Wirkung eines Kohlensäureanhydridstromes unterworfen: 2KA102+C02+3H20 - K2 C03
+2 A1 (0H)3. Dieser Vorgang wird außerhalb der elektrolytischen Zellen ausgeführt.
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Zahlenmäßig belegte Beispiele i. Fall Als Ausgangsstoff diene Leucit
folgender Zusammensetzung: Kieselsäure ........... 55,89% Tonerde ..............
22,15 °/o Kaliumoxyd .......... 17,92)/, Eisenoxyd ............. 2,21
Calciumoxyd .......... 1,55 0/0 Magnesiumoxyd ....... 0,28"/,.
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Es werden 5 t dieses Leucits mit Schwefelsäure derart behandelt, daß
sämtliche Bestandteile in der Form von Sulfaten in Lösung gebracht werden, wobei
als unlöslicher Rest Kieselsäure zurückbleibt. Es gehen insgesamt ungefähr iooo
kg Aluminiumoxyd, und ungefähr 850 kg Kaliumoxyd in der Form von Sulfaten in Lösung,
wozu noch die Verunreinigungen von Fe, Ca, Mg kommen.
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Diese Lösung weist folgende Zusammensetzung auf: 2,5q.0/0 A1203; 2,41%
K20; 0,25 0% Fe203; 3,33 % freie H2 S 04; ferner CaO und Mg O. Diese Lösung wird
in einer zweckentsprechenden elektrolytischen Zelle als Elektrolyt an der Kathode
verwendet, während man als Elektrolyt an der Anode folgende Lösung benutzt: 2 0/0
KI S 04; 0 0% freie H2 S 04.
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Elektrolyse: Der Vorgang wird in vier in keine geschalteten Zellen
durchgeführt mit der anodischen Lösung im Gegenstrom zur kathodischen Lösung.
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Potentialdifferenz für jede Zelle: 2,5 Volt. Stromdichte: 5 Amp./dm'
der Kathodenfläche.
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Betriebstemperatur: 6o° bis 650.
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Nach 5stündigem Betriebe sind die Zusamihensetzung der beiden Lösungen
folgende: An der Kathode: Alkalische Reaktion und reichliche Abscheidung der Hydrate
von: Al, Fe, Ca, Mg.
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An der Anode: 1,35/, K2.5 04, 6,4o 0/0 freie Schwefelsäure. Nach iostündigem
Betriebe ist die Zusammensetzung der beiden Lösungen folgende: An der Kathode: 2,go
0/0 Al, 03; 3,86 0/0 K20; ferner Schlamm mit Fe-, Ca-, Mg-Hydrat (und wenig
Al).
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An der Anode: 0,85 0'o K2S04; 12,96 % freie Schwefelsäure: Gleichzeitig
tritt die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff auf gemäß der theoretischen Auffassung.
Wirkungsgrad des Stromes 92 0/0.
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Die Elektrolyse wird unterbrochen, die Lösung des Kaliumalüminats
des Schlammes wird gefiltert, und die Lösung selbst wird in bekannter Weise mit
einem Strom von CO., behandelt.
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Es werden insgesamt 92o kg A1203 und 945 leg K20 als Carbonat und
275k- als Sulfat erhalten.
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2. Fall Ursprüngliche Lösung: 2,36 0/0 A1203; 2,21 % K20; 0,404 Fe203;
2,o60/, freie H2 S 04; ferner Ca 0 und Mg O.
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Lösung an der Anode: 2 0/0 K2 S 04; 0 0/0 freie Schwefelsäure.
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Elektrolyse: Potentialdifferenz für jede Zelle: 2,5 Volt. Stromdichte:
6 Amp./dm2 der Kathode. Temperatur: 65° bis 70°.
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Nach 4stündiger Elektrolyse ist die Zusammensetzung der beiden Lösungen
folgende: An der Kathode: Stark alkalische Reaktion und reichlicher Schlamm.
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An der Anode: 1,21 '/o K2 S 04; 8,82 0/0 freie Schwefelsäure.
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Nach 8stündigem Betrieb: An der Kathode: 2,71 0/0 A1203; 3,92 0/0
K20; ferner Hydratenschlamm von Fe, Ca, Mg (und Al).
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An der Anode: o,35 % K2 S 04; 13,21 0/0 freie Schwefelsäure.
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Wirkungsgrad des Stromes: 88 0%.
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Die Elektrolyse wird unterbrochen, es wird gefiltert, und die mit
C02 behandelte Aluminatlösung liefert 89o kg Ale 03 und 9 i o kg Kaliumoxyd in Form
von Carbonat und 310 leg in Form von Sulfat.