170773. lajstromszámú szabadalom • Eljárás könnyűfém, így alumínium vagy magnézium elektrolízissel történő előállítására
5 170773 6 dés. Az alumíniumnak alumíniumkloridból, elektrolízissel történő termelésénél ennek az iszapnak a jelenléte nemcsak a cellák hatásfokát rontja fokozatosan, de gyors képződése esetén sűrű leállásokat tesz szükségessé a cellák tisztítása és az iszap eltávolítása érdekében, ami természetesen a termelés gazdaságosságát rontja. A konvencionális Hali-féle redukáló cellákban alkalmazott tűzálló anyagok, mint a kvarc, kvarc-alumíniumoxid, kvarc-alumínium, de még a nitrid-kötőanyagú szilíciumkarbid is csak korlátoltan állnak ellen az elektrolitnak. Az eddig használt tűzálló anyagok további problémákat okoznak a parciális oldhatóságuk miatt is. A bennük levő oxid az anód szenét fogyasztja, azzal széndioxidot és szénmonoxidot képez, ezek az anyagok pedig végzetesen befolyásolják az alumínium alumíniumkloridból történő előállítását. Szilíciumdioxid-alapú tűzálló anyag használata esetén a szilícium szennyezi az előállított alumíniumot, és az így szennyezett alumínium az eddig használt tűzálló anyagok korrózióját elősegíti. A találmány szerint az alumíniumklorid elektrolízis számos nehézsége csökkenthető vagy elkerülhető nitridalapú tűzálló anyagok használata útján. Nitrid-alapú tűzálló anyagon olyan tűzálló szerkezetű anyagot értünk, amely vagy egy nitridből magából, vagy valamely nitridet tartalmazó keverékből, vagy valamely nitrid vegyületéből áll. Ilyen tűzálló anyagok például az olyan nitrid és szilíciumoxid, bóroxid vagy alumíniumoxid keverékek vagy vegyületek, melyek 25% és 60% közötti nitrogént tartalmaznak. Előnyösen használható nitridek a szilícium-, bór-, és alumíniumnitrid. A találmány szerint használhatók azonban egyéb nitridek is, így a titán-, króm-, hafnium-, gallium-, cirkónium- és hasonló nitridek is. A találmány szerinti értelemben használható nitrid-alapú anyagok közé tartoznak továbbá a szilíciumnitrid kötőanyagú olvasztott szilíciumoxid, a szilíciumnitrid, az alumíniumnitrid és a bórnitrid. Egyéb használható nitridek közé tartoznak például az olyan nitrid-alapú anyagok, melyekben a fémion alumínium-, bór- vagy szilíciumion. A kereskedelemben például Morton szilíciumoxinitrid LON-4072-ként kapható anyag általános képlete Si2ON 2 , melyet szilíciumnitrid (Si3 N 4 ) és szilíciumdioxid kombinációnak tartanak. Szilíciumnitrid kötőanyagú olvasztott szilíciumdioxid kapható a kereskedelemben Refrax-FS termék néven (Carborundum gyártmány). A találmány megvalósítása során használható fent nevezett tűzálló anyagok előformázhatok sajtolással, a helyszínen alakíthatók öntéssel cella-bélésanyaggá, alakíthatók melegsajtolással, vagy nagyobb tömbökből végzett kivágás útján összeillesztéssel. E tűzálló anyagok cella-bélésanyagként való használata esetén a bélés lehet folytonos bevonat, állhat különálló, egymás mellé helyezett tömbdarabokból, vagy megfelelő korrózióálló ragasztószerrel egymáshoz kötött tömb-darabokból vagy rétegekből. Ezek az anyagok a találmánynak megfelelően nemcsak cella-bélésanyagként, de egyéb cella szerkezeti elemekként, így például bipoláris elektródok egyes elektródelemeit tartó távtartókként, mintavevő-csövekként, vagy a cellák vezeték-csonkjaiként is használhatók. Ilyen tűzálló anyagok a cella valamennyi elektrolittal érintkező szerkezeti elemeként alkalmazhatók. Szemléltető példaként említjük azt az esetet, melynél egy több-rekeszes, szilíciumoxinitrid-bélésű és ugyanezen anyagból készült bipoláris elektród-távtartókkal ellátott cellában állítottunk elő alumíniumot. A cella 700 C° hőmérsékleten lényegében folytonosan üzemelt. A halogenid-só olvadék-fürdő körülbelül egyenlő súly-5 rész nátriumkloridból és lítiumkloridból állt, és oldott állapotban mintegy 6 súly% alumíniumkloridot tartalmazott. A fürdőbe az elektrolizált alumíniumklorid pótlására folytonosan friss alumíniumkloridot tápláltunk. A cellát folytonosan 120 napig üzemeltettük kb. 10 2,7 Volt rekeszenkénti feszültséggel. Ez alatt az idő alatt a fürdőben elszennyeződés nem volt kimutatható, és a műveleti hatásfok sem csökkent. Ugyanezt tapasztaltuk abban az esetben is, amikor tűzálló anyagként szilíciumoxinitrid helyett szilíciumnitrid kötőanyagú olvasztott 15 szilíciumdioxidot használtunk. Noha ez ma még nem tökéletesen tisztázott, úgy tűnik, hogy az alumíniumklorid alkálifémklorid-olvadékban végzett elektrolízisének egyes, régóta ismert problémáit bizonyos, a sóolvadék-fürdőben jelenlevő finomelosz-20 lású, nem kívánatos szennyezőanyagok okozzák. Ezeket a szennyezőanyagokat elektrosztatikus erők a katódhoz vonzzák, ahol félig-áteresztő bevonatot képeznek. Ez az oxid- vagy egyéb bevonat gátolja a katódfelületen a komplex Al-ion transzportját, mert annak 25 mérete töltéséhez képest nagy. Ezzel ellentétben az alkálifém-ionok az elektromos feszültség gradiensének hatására gyorsan vándorolnak és bőséges mennyiségük, valamint töltésükhöz képest kis méretük miatt könnyen hatolnak át nevezett rétegen, és a katódon semlegesí-30 tődnek. A redukált fémek — főként nátrium és kálium — behatolnak a grafitrácsba, mely ennek következtében kiterjed, felülete lehámlik, és így anyaga belekerül a rendszerbe. Ily módon az alumíniumklorid konvekciós vagy diffúziós mozgékonysága jelentősen hátráltatott. 35 Az előzőkön túlmenően az olvadék oxid- és hidroxidszennyezései is a szénanód fogyását idézik elő. E szenynyezések gyengén oldódnak az olvadékban, és az alumíniumkloriddal együtt elektrolitikusan bomlanak az olvadékban. Az anódon felszabaduló oxigén szénmonoxi-40 dot és széndioxidot képez, az anódok fogynak, az anódkatód távolság pedig nemkívánatos módon nő. Azt találtuk, hogy a fent említett problémák hosszú időre minimumra szoríthatók, illetve elkerülhetők, ha olyan — legalább egy alkálifémkloridot tartalmazó — 45 olvadékot készítünk, mely legalább kb. 75% alkálifémkloridot tartalmaz, és ezt az olvadékot tápláljuk az alumíniumklorid elektrolizáló cellába. A találmány egy előnyös kiviteli alakjánál az olvadékot a cellába táplálás előtt tisztítjuk. A tisztítás bármilyen szokásos szilárd 50 anyag elkülönítési módszerrel, így ülepítéssel, centrifugálással, dekantálással, fagyasztással és újraolvasztással, vagy hasonló módszerrel történhet. Az olvadékelőállítás ma előnyösnek tartott módszere az, hogy a sóolvadékot egy külön fűtött kamrában, például kemen-55 cében készítjük el, nitrogén, argon vagy egyéb iners gáz atmoszférában. A védőgáz a kamra öblítését célozza, és meggátolja a nedvesség behatolását az olvadékba. Ilyen iners gáz használható az olvadéknak egy — a találmány szerint előnyös — kiviteli alakja szerint a kamrá-60 ban elhelyezett szűrőn keresztül történő átnyomására is. Az olvadék a szűrőből az elektrolizáló cellába jut. Az egy vagy több alkálifém- vagy alkáliföldfém komponensnek a beadása az olvadékba külön-külön vagy együtt, keverék formájában, szilárd alakban történhet. 65 Kívánság esetén az elektrolizáló cellából az alumínium-3
