EP0356804B1 - Verfahren zur Herstellung von Alkalidichromaten und Chromsäure - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Alkalidichromaten und Chromsäure Download PDFInfo
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- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/22—Inorganic acids
Definitions
- the invention relates to a process for the preparation of alkali dichromates and chromic acid by electrolysis of alkali monochromate or alkali dichromate solutions.
- alkali dichromates alkali monochromate solutions or suspensions are introduced into the anode compartment of the cell and converted into an alkali dichromate solution by selectively transferring alkali ions through the membrane into the cathode compartment.
- alkali dichromate or alkali monochromate solutions or a mixture of alkali dichromate and alkali monochromate solutions are introduced into the anode compartment and converted into solutions containing chromic acid.
- an alkaline solution containing alkali ions is obtained in the cathode compartment, which can consist, for example, of an aqueous sodium hydroxide solution or, as described in CA-A-739 447, of an aqueous solution containing sodium carbonate.
- the solutions formed in the anode compartments of the cells are concentrated, it being possible for crystallization of sodium dichromate to take place, for example, at 80 ° C. and that of chromic acid at 60-100 ° C.
- the crystallized products are separated off, optionally washed and dried.
- anodes made of lead and lead alloys are suitable as anode materials. These have the disadvantage that lead ions pass into the solution in the anode compartment as a result of corrosion, which leads to impurities in the alkali metal dichromates and chromic acid produced.
- further suitable anodes are so-called dimensionally stable anodes, which consist of a valve metal such as titanium or tantalum with an electrocatalytically active layer of noble metal or a noble metal oxide.
- dimensionally stable anodes consist of a valve metal such as titanium or tantalum with an electrocatalytically active layer of noble metal or a noble metal oxide.
- such anodes only have a limited life span of less than 100 days, in particular at electrolysis temperatures above 60 ° C. and anodic current densities of 2-5 kA / m2. This lifespan is not sufficient for economical operation of an electrolytic alkali dichromate and chromic acid production.
- the object of the invention was to provide economical processes for the production of alkali dichromates and chromic acid. It has now been found that anodes made of valve metals, which are activated by electrodeposition of precious metals and / or precious metal compounds from melts containing precious metal salts, are outstandingly suitable for producing alkali metal dichromates and chromic acid.
- the invention thus relates to a process for the preparation of alkali dichromates and chromic acid by electrolysis of alkali monochromate or alkali dichromate solutions, which is characterized in that dimensionally stable anodes of valve metals are used which are activated by electrodeposition of noble metals and / or noble metal compounds from melts containing noble metal salts are.
- Anodes which are coated with platinum, iridium, with platinum and iridium compounds or alloys of the elements mentioned, produced by electrolysis of molten salts of the corresponding elements, are particularly preferred.
- the alloys can also contain proportions of platinum and iridium compounds, in particular oxides.
- Suitable anodes which have the properties mentioned are described, for example, in the magazine METALL, 34, volume, issue 11, November 1980, pages 1016 to 1018 and in the magazine Galvanotechnik, volume 70, 1979, pages 420 to 428.
- Anodes of this type are characterized in particular at electrolysis temperatures of 70 to 90 ° C and at current densities of 2 to 5 kA / m2 by a lifespan of well over 100 days without any significant change in the initial cell voltage.
- the use of these anodes allows a particularly economical operation of alkali dichromate and chromic acid production. For example, there is no need to change the anodes frequently, combined with a loss of production.
- due to the very good resistance of these anodes at temperatures above 70 ° C the specific energy consumption of the electrolysis is consistently low.
- the electrolytic cells used in the examples consisted of anode compartments made of pure titanium and cathode compartments made of stainless steel. Cation exchange membranes from Du Pont with the designation Nafion® 324 were used as the membrane.
- the cathodes were made of stainless steel and the anodes were made of titanium with the electrocatalytically active coatings described in the individual examples. The distance between the electrodes and the membrane was 1.5 mm in all cases. Sodium dichromate solutions of different concentrations were introduced into the anode compartments. Water was supplied to the cathode compartments at such a rate that 20% sodium hydroxide solution left the cells.
- the electrolysis temperature was 80 ° C in all cases and the current density was 3 kA / m2 projected front surface of the anodes and cathodes.
- a sodium dichromate solution with 900 g / l Na2Cr2O7 ⁇ 2 H2O was electrolytically converted into a solution containing chromic acid in the electrolysis cell described.
- the rate of introduction of the sodium dichromate solution was chosen so that a molar ratio of sodium ions to chromium (VI) of 0.32 was established in the anolyte leaving the cell.
- a titanium expanded metal anode with a platinum / iridium layer was used, which was produced by the so-called baking process as follows: A titanium expanded metal anode with a front projected area of 10 cm ⁇ 3.6 cm was removed after removal of the oxide layer and etching with oxalic acid a HCl-containing solution of platinum tetrachloride and iridium tetrachloride in 1-butanol wetted with a hair brush. The weight ratio of platinum to iridium of this solution was 3.6 to 1. The wetted anode was dried at 250 ° C. for 15 minutes and then tempered in an oven at 450 ° C. for 20 to 30 minutes. This measure was repeated six times, the heat treatment being carried out only after every second step after wetting and drying. The finished anode had a layer with approx. 18 mg platinum and 5 mg iridium.
- a sodium dichromate solution with 900 g / l Na2Cr2O7 ⁇ 2 H2O was converted electrolytically into a solution containing chromic acid.
- the rate of introduction of the sodium dichromate solution was chosen so that in the anolyte leaving the cell molar ratios of sodium ions to chromium (VI) set from 0.30 to 0.73, the molar ratios being changed gradually.
- the cell voltage rose from 4.7 V to 7.8 V within 18 days.
- the cause of this voltage rise was an almost complete destruction of the electrocatalytically active layer.
- a titanium expanded metal anode with a front projected area of 11.4 cm ⁇ 6.7 cm was used with a platinum layer produced by means of hot-dip galvanizing, as described in the magazine METALL, 34, volume, issue 11, November 1980, pages 1016 to 1018 is described.
- the platinum layer thickness of this anode was 2.5 ⁇ m.
- a solution with 800 g / l Na2Cr2O7 ⁇ 2 H2O was converted into a solution containing chromic acid.
- the rate of introduction of the sodium dichromate solution was chosen so that a molar ratio of sodium ions to chromium (VI) of 0.61 was established in the anolyte leaving the cell.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkalidichromaten und Chromsäure durch Elektrolyse von Alkalimonochromat- oder Alkalidichromat-Lösungen.
- Gemäß US-A-3 305 463 und CA-A-739 447 erfolgt die elektrolytische Herstellung von Dichromaten und Chromsäure in Elektrolysezellen, deren Elektrodenräume durch Kationenaustauschermembranen getrennt sind. Bei der Erzeugung von Alkalidichromaten werden Alkalimonochromatlösungen oder Suspensionen in den Anodenraum der Zelle eingeleitet und in eine Alkalidichromatlösung umgewandelt, indem Alkaliionen selektiv durch die Membran in den Kathodenraum überführt werden. Zur Herstellung von Chromsäure werden Alkalidichromat- oder Alkalimonochromatlösungen oder eine Mischung von Alkalidichromat- und Alkalimonochromatlösungen in den Anodenraum eingeleitet und in Chromsäure-haltige Lösungen überführt. In der Regel kommen für diese Prozesse Natriummonochromat und/oder Natriumdichromat zum Einsatz. Im Kathodenraum wird bei beiden Prozessen eine alkalische Alkaliionenhaltige Lösung erhalten, die beispielsweise aus einer wäßrigen Natriumhydroxidlösung oder, wie in der CA-A-739 447 beschrieben, aus einer wäßrigen Natriumcarbonathaltigen Lösung bestehen kann.
- Zur Erzeugung von Alkalidichromat- oder Chromsäurekristallen werden die in den Anodenräumen der Zellen gebildeten Lösungen eingeengt, wobei die Kristallisation von Natriumdichromat beispielsweise bei 80°C und die von Chromsäure bei 60-100°C erfolgen kann. Die auskristallisierten Produkte werden abgetrennt, gegebenenfalls gewaschen und getrocknet.
- Als Anodenmaterialien sind nach der DE-A 3 020 260 Anoden aus Blei und Bleilegierungen geeignet. Diese haben den Nachteil, daß infolge von Korrosion Bleiionen in die Lösung im Anodenraum übergehen, was zu Verunreinigungen in den hergestellten Alkalidichromaten und Chromsäure führt. Weitere geeignete Anoden sind nach der DE-A 3 020 260 sogenannte dimensionsstabile Anoden, die aus einem Ventilmetall wie Titan oder Tantal mit einer elektrokatalytisch aktiven Schicht aus Edelmetall oder einem Edelmetalloxid bestehen. Solche Anoden haben insbesondere bei Elektrolysetemperaturen oberhalb 60°C und anodischen Stromdichten von 2-5 kA/m² jedoch nur eine zeitlich begrenzte Lebensdauer unter 100 Tagen. Diese Lebensdauer ist für ein wirtschaftliches Betreiben einer elektrolytischen Alkalidichromat- und Chromsäureherstellung nicht ausreichend.
- Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, wirtschaftliche Verfahren zur Herstellung von Alkalidichromaten und Chromsäure bereitzustellen. Es wurde nun gefunden, daß Anoden aus Ventilmetallen, die durch galvanische Abscheidung von Edelmettallen und/oder Edelmetallverbindungen aus Edelmetallsalz-haltigen Schmelzen aktiviert sind, in hervorragender Weise zur Herstellung von Alkalidichromaten und Chromsäure geeignet sind.
- Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Alkalidichromaten und Chromsäure durch Elektrolyse von Alkalimonochromat- oder Alkalidichromatlösungen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß formstabile Anoden aus Ventilmetallen verwendet werden, die durch galvanische Abscheidung von Edelmetallen und/oder Edelmetallverbindungen aus Edelmetallsalz-haltigen Schmelzen aktiviert sind.
- Besonders bevorzugt sind solche Anoden, die mit Platin, Iridium, mit Platin- und Iridiumverbindungen oder Legierungen der genannten Elemente, hergestellt durch Elektrolyse von Salzschmelzen der entsprechenden Elemente, beschichtet sind. Die Legierungen können auch Anteile an Platin- und Iridiumverbindungen, insbesondere Oxide, enthalten.
- Geeignete Anoden, die die genannten Eigenschaften aufweisen, sind beispielsweise in der Zeitschrift METALL, 34, Jahrgang, Heft 11, November 1980, Seiten 1016 bis 1018 und in der Zeitschrift Galvanotechnik, Jahrgang 70, 1979, Seite 420 bis 428 beschrieben. Anoden dieser Art zeichnen sich insbesondere bei Elektrolysetemperaturen von 70 bis 90°C und bei Stromdichten von 2 bis 5 kA/m² durch eine Lebensdauer von weit über 100 Tagen ohne nennenswerte Änderung der anfänglichen Zellenspannung aus. Der Einsatz dieser Anoden erlaubt ein besonders wirtschaftliches Betreiben einer Alkalidichromat- und Chromsäureproduktion. So entfällt beispielsweise ein häufiger Wechsel von Anoden, verbunden mit einem Ausfall der Produktion. Darüber hinaus ist auf Grund der sehr guten Beständigkeit dieser Anoden bei Temperaturen über 70°C der spezifische Energieverbrauch der Elektrolyse gleichbleibend günstig.
- Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der folgenden Beispiele noch näher erläutert.
- Die in den Beispielen verwendeten Elektrolysezellen bestanden aus Anodenräumen aus Rein-Titan und Kathodenräumen aus Edelstahl. Als Membran wurden Kationenaustauschermembranen der Firma Du Pont mit der Bezeichnung Nafion® 324 verwendet. Die Kathoden bestanden aus Edelstahl und die Anoden aus Titan mit den in den einzelnen Beispielen beschriebenen elektrokatalytisch aktiven Beschichtungen. Der Abstand der Elektroden zur Membran betrug in allen Fällen 1,5 mm. In die Anodenräume wurden Natriumdichromatlösungen unterschiedlicher Konzentration eingeleitet. Den Kathodenräumen wurde Wasser mit einer solchen Geschwindigkeit zugeführt, so daß 20 %ige Natronlauge die Zellen verließ. Die Elektrolysetemperatur betrug in allen Fällen 80°C und die Stromdichte betrug 3 kA/m² projizierte vordere Fläche der Anoden und Kathoden.
- Die in diesem Beispiel verwendete Titananode mit einer naßgalvanisch erzeugten Platinschicht wurde wie folgt hergestellt: Eine Titanstreckmetallanode mit einer vorderen, der Membran zugewandten projizierten Fläche von 10 cm · 3,6 cm wurde nach Entfernung der Oxidschicht und Ätzen mit Oxalsäure elektrolytisch mit 1,065 g Platin beschichtet, was einer Schichtdicke von 2,59 µm bezogen auf die projizierte Fläche der Anode entspricht. Der dabei eingesetzte Elektrolyt bestand aus 5 g/l PtCl₄, 45 g/l (NH₄)₂ HPO₄ und 240 g/l Na₂HPO₄ · 12 H₂O. Die elektrolytische Abscheidung wurde bei folgenden Parametern durchgeführt:
- Kathodische Stromdichte:
- 1,5 A/dm²
- Temperatur:
- 80°C
- Abscheidedauer:
- 2 Stunden
- pH-Wert:
- 7,8
- Anode:
- Platinnetz
- Elektrodenabstand:
- 70 bis 75 mm
- Mit dieser Anode wurde in der beschriebenen Elektrolysezelle eine Natriumdichromatlösung mit 900 g/l Na₂Cr₂O₇ · 2 H₂O in eine chromsäurehaltige Lösung elektrolytisch umgewandelt. Die Geschwindigkeit des Einleitens der Natriumdichromatlösung wurde so gewählt, daß sich in dem die Zelle verlassenden Anolyten ein molares Verhältnis von Natriumionen zu Chrom(VI) von 0.32 einstellte.
- Während des Versuchs stieg die Zellspannung von anfänglich 5 V innerhalb von 5 Tagen auf 8,5 V an. Ursache dieses Spannungsanstieges war eine nahezu vollständige Zerstörung der elektrokatalytisch aktiven Platinschicht der Titananode.
- In diesem Beispiel wurde eine Titanstreckmetallanode mit einer Platin/Iridium-Schicht eingesetzt, die nach dem sogenannten Einbrennverfahren wie folgt hergestellt wurde: Eine Titanstreckmetallanode mit einer vorderen projizierten Fläch von 10 cm · 3,6 cm wurde nach Entfernung der Oxidschicht und Ätzen mit Oxalsäure mit einer HCl-haltigen Lösung von Platintetrachlorid und Iridiumtetrachlorid in 1-Butanol mit einem Haarpinsel benetzt. Das Gewichtsverhältnis von Platin zu Iridium dieser Lösung betrug 3,6 zu 1. Die benetzte Anode wurde 15 Minuten bei 250°C getrocknet und anschließend in einem Ofen bei 450°C 20 bis 30 Minuten getempert. Diese Maßnahme wurde sechsmal wiederholt, wobei die Temperung nur nach jedem zweiten Schritt nach erfolgter Benetzung und Trocknung durchgeführt wurde. Die fertiggestellte Anode wies eine Schicht mit ca. 18 mg Platin und 5 mg Iridium auf.
- Mit Hilfe dieser Anode wurde eine Natriumdichromatlösung mit 900 g/l Na₂Cr₂O₇ · 2 H₂O elektrolytisch in eine chromsäurehaltige Lösung umgewandelt. Die Geschwindigkeit des Einleitens der Natriumdichromatlösung wurde so gewählt, daß sich in dem die Zelle verlassenden Anolyten molare Verhältnisse von Natriumionen zu Chrom(VI) von 0,30 bis 0,73 einstellten, wobei die molaren Verhältnisse stufenweise geändert wurden. Während des Versuchs stieg die Zellenspannung innerhalb von 18 Tagen von 4,7 V auf 7,8 V an. Ursache dieses Spannungsanstiegs war wie im Beispiel 1 eine nahezu vollständige Zerstörung der elektrokatalytisch aktiven Schicht.
- In diesem erfindungsgemäßen Beispiel wurde eine Titanstreckmetallanode mit einer vorderen projizierten Fläche von 11,4 cm · 6,7 cm mit einer schmelzgalvanisch erzeugten Platinschicht verwendet, wie sie in der Zeitschrift METALL, 34, Jahrgang, Heft 11, November 1980, Seite 1016 bis 1018 beschrieben ist. Die Platinschichtdicke dieser Anode betrug 2,5 µm. Mit dieser Anode wurde eine Lösung mit 800 g/l Na₂Cr₂O₇ · 2 H₂O in eine chromsäurehaltige Lösung umgewandelt. Die Geschwindigkeit des Einleitens der Natriumdichromatlösung wurde so gewählt, daß sich in dem die Zelle verlassenden Anolyten ein molares Verhältnis von Natriumionen zu Chrom(VI) von 0.61 einstellte.
- Während der Versuchsdauer von 150 Tagen trat nur eine unwesentliche Erhöhung der Zellspannung von anfänglich 4,9 V auf 5,0 V ein, was zeigt, daß die elektrokatalytisch aktive Schicht im wesentlichen erhalten geblieben ist.
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