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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das
in einem Fluorid enthaltenden, geschmolzenen Elektrolyten gelöst ist,
wie zum Beispiel Kryolith, mit Einrichtungen, um das Auflösen von
Aluminiumoxid in dem Elektrolyten zu verbessern und um mit Aluminiumoxid
angereicherten Elektrolyten zu einem Spalt zwischen den Elektroden
zu leiten, sowie eine Metallanode mit spezieller Ausgestaltung für eine solche
Zelle, die mit diesen Einrichtungen versehen ist, und ein Verfahren
zum Erzeugen von Aluminium unter Verwendung dieser Zelle.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die Technologie für die Herstellung von Aluminium
durch die Elektrolyse von Aluminiumoxid, das in geschmolzenem Kryolith
gelöst
ist, bei Temperaturen von etwa 950°C ist seit mehr als 100 Jahren
bekannt.
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Dieser Prozess, der fast gleichzeitig
von Hall und Héroult
erdacht wurde, hat sich nicht wie viele andere elektrochemische
Prozesse weiterentwickelt.
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Ein Hauptnachteil von herkömmlichen
Zellen besteht in der Tatsache, dass unregelmäßige elektromagnetische Kräfte in dem
Bad aus geschmolzenem Aluminium Wellen erzeugen und dass der Anoden-Kathoden-Abstand
(ACD), auch als Zwischen-Elektroden-Spalt (IEG) bezeichnet, auf einem sicheren
minimalen Wert von etwa 5 cm gehalten werden muss, um einen Kurzschluss
zwischen der Aluminium-Kathode und der Anode oder eine Re-Oxidation
des Metalls durch Kontakt mit dem CO2-Gas
zu verhindern, das an der Anodenfläche gebildet wird.
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Ein weiterer Nachteil bei den herkömmlichen Zellen
ist der Anoden-Effekt, der dann auftritt, wenn der Elektrolyt in
einer Zelle unzureichend gelöstes Aluminiumoxid
enthält
und/oder eine ungleichmäßige Verteilung
von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt unter der gesamten
aktiven Fläche
der Anoden vorliegt und folglich die Elektrolyse von dem auf Fluorid
basierenden Elektrolyt ermöglicht,
wodurch Fluor und auf Fluorid basierendes Gas erzeugt werden. Das
auf Fluorid basierende Gas sammelt sich unter den Anoden und behindert
größtenteils
den Stromtransport zwischen den Anoden und den Kathoden. Folglich
offenbart sich der Anoden-Effekt durch einen plötzlichen Anstieg der Zellen-Spannung. Der Spannungsanstieg
kann in herkömmlichen Zellen
von 7–8
V bis zu 30 V variieren.
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Das US-Patent
4,602,990 (Boxall/Gamson/Green/Traugott)
beschreibt eine Zelle mit drainierter Kathode, bei der eine durch
Blasen erzeugte Bad-Zirkulation bewirkt wird, jedoch kann bei dieser Konstruktion
nicht die erwartete konstante Spannung erzielt werden. Die ADC-Reduktion
war mit einer unerwünschten
Reduktion der elektrischen Konduktivität des Bades verbunden, die
durch den Anstieg der Gasblasenkonzentration in dem reduzierten
Elektrolyt zwischen den drainierten Kathoden und den Anoden verursacht
wurde.
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Die Europäische Patentanmeldung Nr.
0 393 816 (Stedman) beschreibt
eine weitere Konstruktion einer Zelle mit drainierter Kathode, die
eine verbesserte Blasen-Abführung
hat. Jedoch kann eine solche Konfiguration mit drainierter Kathoden
keine optimale Verteilung des gelösten Aluminiumoxids gewährleisten.
Der größte Teil
von dem Aluminiumoxid erfährt
eine Elektrolyse an den Teilen der Kathode nahe dem Auflösungspunkt,
wohingegen entfernte Gebiete der Kathoden nur schlecht mit Aluminiumoxid
versorgt werden. Ursache ist die graduelle Abnahme der Aluminiumoxid-Konzentration
in dem Elektrolyten, während
sich der Elektrolyt zwischen den Elektroden bewegt, wo dessen Elektrolyse
stattfindet. Diese nicht ausreichende Verteilung von gelöstem Aluminiumoxid
kann bewirken, dass die Zelle Gegenstand des Anoden-Effekts wird,
wobei ein ungleichmäßiger Verbrauch
der Elektroden und eine nicht-optimale Verwendung der Kathodenflächen zu einer
Abnahme der Strom-Effizienz und der Zellen-Leistungsfähigkeit führen.
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Das US-Patent
4,504,369 (Keller) offenbart eine
Anode, die eine massive, auf Oxid basierende Anode mit einer zentralen
vertikalen Durchgangsöffnung
zum Zuführen
von Anoden-Konstituenten und Aluminiumoxid in den Elektrolyten aufweist.
Jedoch beschäftigt
sich diese Zellen-Konstruktion nicht mit dem Problem der Auflösung und
Verteilung von gelöstem
Aluminiumoxid zwischen den Anoden und zugewandten Kathoden.
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Das US-Patent
4,681,671 (Duruz) offenbart eine Niedrigtemperatur-Zelle
zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium mit einer Reihe von
vertikalen Anodenplatten oder vertikalen Schaufeln, die über einer
horizontalen perforierten Kathodenplatte angeordnet sind, und eine
Elektrolyt-Zirkulation, die mit Hilfe einer Pumpe oder durch elektromotorischen Kräften erzeugt
wird.
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Das US-Patent
5,310,476 (Sekhar/de Nora) beschreibt
Zellen für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium mit keilförmigen Kathodenblöcken und
Sauerstoff entwickelnden Anoden, die aus Anodenplatten hergestellt
sind, die wie Dachpfannen passend über den Keilen angeordnet sind.
Die Kathodenplatten sind miteinander verbunden und haben Öffnungen
nahe der Oberseite ihrer geneigten Flächen für das Entweichen von anodisch
erzeugtem Sauerstoff.
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Das US-Patent
5,368,702 (de Nora) offenbart Ausgestaltungen
mit rohrförmigen
oder konisch verlaufenen, vertikalen, Sauerstoff erzeugenden Anoden,
die innenseitig angeordnet und entsprechend geformten Kathoden zugewandt
sind. Die Rohre und die konischen Flächen, die die Anoden bilden,
haben seitliche Öffnungen,
die das Entweichen von anodisch freigegebenem Sauerstoff leiten,
um eine Elektrolyt-Strömung
zwischen den Anoden und den zugewandten Kathoden zu erzeugen.
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In der in dem US-Patent
5,683,559 (de Nora) beschriebenen
Zelle sind gebogene, Sauerstoff entwickelnde Anodenplatten einer
Reihe von in Juxtaposition angeordneten V-förmigen Kathodenflächen zugewandt.
Die Neigung der Anoden unterstützt
die Freigabe der anodisch erzeugten Gase durch eine zentrale Öffnung.
Es ist vorgeschlagen, die Freigabe von Gas dadurch zu verbessern,
dass an den Anoden Rippen vorgesehen sind oder die Anoden durchlöchert sind.
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Das US-Patent
5,725,744 (de Nora/Duruz) beschreibt
eine multimonopolare Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium, die mit verminderter
Temperatur betrieben wird und vertikale oder geneigte Anoden- und
Kathodenplatten aufweist, wobei Elektrolyt zwischen den Anoden-
und Kathodenplatten durch das Aufsteigen von anodisch erzeugtem
Sauerstoff zirkuliert wird.
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US-Patent
5,938,914 (Dawless/LaCamera/Troup/Ray/Hosler),
offengelegt am 17. August 1999, beschreibt eine Zelle für die elektrolytische
Gewinnung von Aluminium, die mit vertikalen, reaktionsträgen Anoden
versehen ist, die sich mit vertikalen Kathoden abwechseln. Die Anoden
sind mit einem abgewinkelten Dach überdeckt, das anodisch erzeugte
Sauerstoffblasen aufteilt, durch die der geschmolzene Elektrolyten
umgerührt
wird, um die Auflösung
von Aluminiumoxid zu verbessern.
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Obwohl die vorstehenden Dokumente
dauerhafte Anstrengungen verdeutlichen, um die Funktion von Zellen
zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium dadurch zu verbessern,
dass Sauerstoff entwickelnde Anoden verwendet werden, hat keines
von diesen Dokumenten bisher irgendeine wirtschaftliche Akzeptanz
gefunden.
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Aufgaben der
Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu
stellen, mit Metallanoden, die entweder mit einem stabilisierten
Bad aus Aluminium oder in einer drainierten Konfiguration arbeiten,
die Einrichtungen aufweisen, um das Auflösen von Aluminiumoxid zu verbessern,
das dem Elektrolyten zugeführt
wird, und um den mit Aluminiumoxid angereicherten Elektrolyt in
den Spalt zwischen den Elektroden zu leiten, wo die Elektrolyse
stattfindet.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Anode von einer Zelle für die elektrolytische Gewinnung
von Aluminium zur Verfügung
zu stellen, durch deren Konstruktion die Auflösung von Aluminiumoxid verbessert
und die Zufuhr von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt zwischen
die elektrochemisch aktiven Flächen
der Anode und einer gegenüberliegenden
Kathode zu verbessern.
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Eine wichtige Aufgabe der Erfindung
besteht darin, Einrichtungen für
das Auflösen
von Aluminiumoxid zur Verfügung
zu stellen, das einer thermisch isolierten Zellen zugeführt wird,
indem pulverförmiges
Aluminiumoxid auf die Oberfläche
des Elektrolyten, der keine Kruste bildet, geleitet und verteilt
wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zur Verfügung zu
stellen, die verbesserte Einrichtungen aufweist, um das Entweichen von
anodisch erzeugtem Gas, insbesondere Sauerstoff, zu leiten, um eine
Elektrolyt-Zirkulation zwischen dem Zwischen-Elektroden-Spalt und
der Elektrolyt-Fläche
der Zelle zu bewirken, wodurch eine Erhöhung der Aluminiumoxid-Auflösung erreicht
wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle
für die
elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das in
einem thermisch isolierten, Fluorid enthaltenden, krustenlosen geschmolzenen Elektrolyt
gelöst
ist. Die Zelle enthält
eine elektrochemisch aktive, gelochte Metallanodenstruktur für das Erzeugen
von Sauerstoff und das Entweichen von Sauerstoff durch diese hindurch,
wobei die Anode durch einen Zwischen-Elektroden-Spalt beabstandet über einer gegenüberliegenden
Kathode angeordnet ist, an der während
des Betriebs Aluminium erzeugt wird. Die Zelle beinhaltet außerdem Einrichtungen, um
das Auflösen
von pulverförmigem
Aluminiumoxid zu unterstützen,
das der Oberfläche
des Elektrolyten zugeführt
wird, und um mit Aluminiumoxid angereicherten Elektrolyt zum Zwischen-Elektroden-Spalt
zu liefern, indem eine Elektrolyt-Zirkulation aufwärts von und
abwärts
zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt induziert wird, die durch das Entweichen
von anodisch erzeugtem Sauerstoff durch die gelochte Anodenstruktur
angetrieben wird. Diese Einrichtungen beinhalten Elektrolyt-Leitbauteile,
die zumindest eine geneigte Fläche
aufweisen, die über
der gelochten Anodenstruktur in den geschmolzenen Elektrolyt eingetaucht
sind.
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Die Elektrolyt-Leitbauteile können nach
unten gerichtet konvergierende, geneigte Flächen, die eine nach unten gerichtete
Strömung
von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt
hinführen,
und/oder nach oben gerichtet konvergierende Flächen aufweisen, die eine nach
oben gerichtete Strömung
von mit Aluminiumoxid abgereichertem Elektrolyt von dem Zwischen-Elektroden-Spalt
wegführen,
die durch den anodisch erzeugten Sauerstoff angetrieben wird.
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Um die Bildung einer Elektrolyt-Kruste
an der Oberfläche
des geschmolzenen Elektrolyten zu verhindern, weist die Zelle vorzugsweise
Einrichtungen auf, um die Oberfläche
des Elektrolyten thermisch zu isolieren, wie zum Beispiel eine isolierende
Abdeckung über
dem Elektrolyt, wie in der anhängigen
Anmeldung WO 99/02763 (de Nora/Sekhar) beschrieben.
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Üblicherweise
verlaufen die gelochte Anodenstruktur und die zugewandte Kathode
horizontal oder mit einer entsprechenden Neigung, normalerweise
mit einem Winkel von unter 60°.
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Die Elektrolyt-Leitbauteile können für nachgerüstete Zellen
ausgestaltet sein, insbesondere Hall/Héroult-Zellen, die mit geeigneten
gelochten Metallanoden ausgestattet sind. Die Elektrolyt-Leitbauteile
können
in Zellen verwendet werden, die mit einer tiefen, einem flachen
oder einem stabilisierten Bad aus Aluminium betrieben werden, oder
in einer drainierten Konfiguration, wie beispielsweise in dem US-Patent
5,683,130 (de Nora), WO
99/02764 und WO 99/41429 (beide de Nora/Duruz) beschrieben ist.
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Ein wichtiges Merkmal von nachgerüsteten Zellen
mit einem tiefen Bad besteht darin, dass die Einrichtungen zum Verbessern
der Auflösung
von Aluminiumoxid zu einem Zellen-Betrieb führen, der viele der Vorteile
hat, die mit der drainierten Kathoden-Konfiguration in Beziehung stehen.
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Die Elektrolyt-Leitbauteile können vertikale parallele
Abschnitte aufweisen, die sich von der Unterseite der geneigten
Fläche
zu der gelochten Anodenstruktur und/oder von der Oberseite der geneigten
Flächen
bis nahe an die Oberfläche
des Elektrolyten erstrecken.
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Das untere Ende von jedem Elektrolyt-Leitbauteil
kann sich von der gelochten Anodenstruktur nach oben erstrecken.
Falls erforderlich, können
die unteren Enden der Elektrolyt-Leitbauteile über der oder jeder Anode beabstandet
sein, um zu ermöglichen,
dass mit Aluminiumoxid angereicherter Elektrolyt von den unteren
Enden der Elektrolyt-Leitbauteile nach unten strömt, um durch den nach oben strömenden anodisch
erzeugten Sauerstoff horizontal verteilt zu werden. In diesem Fall
kann ein Teil oder der gesamte Elektrolyt in den Zwischen-Elektroden-Spalt
treten, indem er um die Elektrodenstruktur herumströmt.
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Die Elektrolyt-Leitbauteile können relativ
zu der Oberfläche
des Elektrolyten so angeordnet sein, dass der nach oben strömende anodisch
erzeugte Sauerstoff über
den Elektrolyt-Leitbauteilen Turbulenzen erzeugt, um die Auflösung von
Aluminium oxid zu verbessern. Das oberste Ende von jedem Elektrolyt-Leitbauteil
kann in den Elektrolyt mit nicht mehr als 5 cm unter der Oberfläche des
Elektrolyten eingetaucht sein.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen die Elektrolyt-Leitbauteile
eine Reihe von Ablenkplatten parallel zur Oberfläche des Elektrolyten auf. Die
Ablenkplatten sind in einer beabstandeten parallelen Konfiguration
angeordnet und seitlich geneigt, um abwechselnde Paare von nach
oben gerichtet konvergierenden Flächen und nach unten gerichtet
konvergierenden Flächen
zu bilden.
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Alternativ können die Elektrolyt-Leitbauteile eine
Vielzahl von Trichtern bilden, die die Gestalt von Kegelstümpfen oder
kegelstumpfförmigen
Pyramiden haben können.
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Die gelochte Metallanodenstruktur
kann eine Reihe von parallel beabstandeten, koplanaren, elektrochemisch
aktiven Anodenbauteilen aufweisen, wie beispielsweise beabstandete
Platten, Stäbe,
Stangen oder Drähte.
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Jede Platte, Stange, Stab oder Draht
kann allgemein geradlinig oder alternativ in einer im wesentlichen
konzentrischen Anordnung vorgesehen sein, wobei jede Platte, Stange,
Stab oder Draht eine Schlaufe bildet, um während des Betriebs die Kanten-Effekte von dem Strom
zu minimieren. Beispielsweise kann jede Platte, Stange, Stab oder
Draht im wesentlichen rund, oval oder polygonal, insbesondere rechteckig
oder quadratisch, vorzugsweise mit abgerundeten Kanten sein.
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Die parallelen Anodenbauteile können miteinander
verbunden sein, beispielsweise in einer Gitter-ähnlichen, Netz-ähnlichen
oder Maschen-ähnlichen
Konfiguration der Anodenbauteile. Um Kanten-Effekte von dem Strom
zu vermeiden, können
die äußeren Randbereiche
der Anodenbauteile miteinander verbunden sein, beispielsweise können sie
so angeordnet sein, dass sie sich von einer Seite zu einer gegenüberliegenden
Seite des Rahmens quer über
einen im wesentlichen rechteckigen Anoden-Umfangsrahmen erstrecken.
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Alternativ können die Anodenbauteile durch zumindest
ein schräg
verlaufendes Verbindungsbauteil schräg verbunden sein. Es ist ebenfalls
möglich, dass
die Anodenbauteile durch eine Vielzahl von schräg verlaufenden Verbindungsbauteilen
verbunden sind, die wiederum durch ein oder mehrere Querbauteile
miteinander verbunden sind. Bei konzentrischen schlaufenförmigen Konfigurationen
können die
schräg
verlaufenden Verbindungsbauteile radial verlaufen. In diesem Fall
erstrecken sich die radial verlaufenden Verbindungsbauteile in radialer
Richtung von der Mitte der parallelen Anodenbauteil-Anordnung und
sind wahlweise an einem äußeren Ring an
dem Umfang dieser Anordnung befestigt oder damit integriert.
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Vorteilhafterweise haben die schräg verlaufenden
Verbindungsbauteile einen variablen Querschnitt, um eine im wesentlichen
gleichmäßige Stromdichte
in den Verbindungsbauteilen vor und hinter jeder Verbindung mit
einem Anodenbauteil zu gewährleisten.
Dies betrifft das Querbauteil, sofern vorhanden.
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Üblicherweise
hat jede Metallanode zumindest eine vertikale Stromzuführung, die
ausgestaltet ist, um mit einer positiven Sammelschiene verbunden
zu werden. Eine solche Stromzuführung
ist mechanisch und elektrisch mit einem oder mehreren schräg verlaufenden
Verbindungsbauteilen oder mit einem oder mehreren Querbauteilen
verbunden, durch die eine Vielzahl von schräg verlaufenden Verbindungsbauteilen
verbunden ist, so dass die Stromzuführung elektrischen Strom zu
den Anodenbauteilen über
das (die) schräg
verlaufende(n) Verbindungsbauteil e) leitet, und, falls vorhanden,
durch das (die) Querbauteil(e). Wenn keine schräg verlaufenden Verbindungsbauteile
vorhanden sind, dann ist die vertikale Stromzuführung direkt mit den Anodenbauteilen
verbunden, die in einer Gitter-ähnlichen, Netz-ähnlichen
oder Maschen-ähnlichen
Konfiguration vorliegen.
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Die vertikale Stromzuführung, die
Anodenbauteile, die schräg
verlaufenden Verbindungsbauteile und, falls vorhanden, die Querbauteile,
können aneinander
befestigt sein, wie zum Beispiel durch Gießen als eine Einheit. Außerdem ist
eine Montage durch Schweißen
oder durch andere mechanische Verbindungsmittel möglich.
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Auf ähnliche Weise können die
Elektrolyt-Leitbauteile aneinander befestigt sein, indem sie beispielsweise
als eine Einheit gegossen sind, durch Verschweißen oder durch andere mechanische
Verbindungsmittel, um eine Baugruppe zu bilden. Diese Baugruppe
kann mit der vertikalen Stromzuführung verbunden
oder an der gelochten Anodenstruktur befestigt oder darauf angeordnet
sein.
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Üblicherweise
verlaufen die gelochte Anodenstruktur und die zugewandte Kathode
horizontal oder mit einer entsprechenden Neigung.
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Die Kathoden der Zelle sind vorzugsweise mit
Aluminium benetzbar, insbesondere können sie in einer drainierten
Konfiguration vorliegen, wobei sie beispielsweise eine geneigte
Fläche
haben, wie oben erläutert.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine
Sauerstoff erzeugende Anode von einer Elektrolysezelle, wie vorstehend
beschrieben. Die Anode hat eine elektrochemisch aktive, gelochte
Metallstruktur für das
Erzeugen von Sauerstoff, die während
des Betriebs in einen Elektrolyten eingetaucht ist und durch einen
Zwischen-Elektroden-Spalt beabstandet über einer zugewandten Kathode
angeordnet ist, an der Aluminium erzeugt wird. Die Anode weist außerdem Einrichtungen
auf, die dazu ausgestaltet sind, um das Auflösen von pulverförmigem Aluminiumoxid
zu unterstützen,
das der Oberfläche
des Elektrolyten zugeführt
wird, und um mit Aluminium angereicherten Elektrolyt während des
Betriebs zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt zu liefern, wie oben beschrieben.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist ein Verfahren zum Erzeugen von Aluminium in einer Zelle, wie
oben beschrieben. Das Verfahren umfasst das Auflösen von Aluminiumoxid in dem
Elektrolyten durch Einleiten von Aluminiumoxid in Form von Pulver
in den krustenlosen geschmolzenen Elektrolyten von einer Stelle
oberhalb der Elektrolyt-Leitbauteile, und Durchleiten von einem
ionischen Strom zwischen der aktiven gelochten Anodenstruktur und
der zugewandten Kathode, wodurch eine Elektrolyse in dem Zwischen-Elektroden-Spalt
durchgeführt
wird, um an der Kathode Aluminium und an der gelochten Anodenstruktur
Sauerstoff zu erzeugen. Die Einrichtungen zum Verbessern der Auflösung von
pulverförmigem
Aluminiumoxid und zum Leiten von mit Aluminiumoxid angereichertem
Elektrolyt zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt sind dazu ausgestaltet,
um eine Elektrolyt-Zirkulation aufwärts von und abwärts zu dem
Zwischen-Elektroden-Spalt zu induzieren, die durch das Entweichen
von anodisch erzeugtem Sauerstoff durch die gelochte Anodenstruktur
angetrieben wird.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung
betrifft eine Elektrolysezelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das
in einem thermisch isolierten, Fluorid enthaltenden, krustenlosen
geschmolzenen Elektrolyt gelöst
ist. Die Zelle hat eine elektrochemisch aktive gelochte Metallanodenstruktur
für das
Erzeugen von Sauerstoff, die durch einen Zwischen-Elektroden-Spalt
beabstandet über einer
zugewandten Kathode angeordnet ist, an der während des Betriebs Aluminiums
erzeugt wird. Die Zelle enthält
außerdem
Einrichtungen, um das Auflösen
von pulverförmigem
Aluminiumoxid zu verbessern, das der Oberfläche des Elektrolyten zugeführt wird,
und zum gleichmäßigen Verteilen
und Zuführen von
mit Aluminium angereichertem Elektrolyt durch die gelochte Struktur
zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt. Diese Einrichtungen beinhalten
Elektrolyt-Leitbauteile, die in dem Elektrolyt über der gelochten Anodenstruktur
angeordnet sind. Die Elektrolyt-Leitbauteile weisen nach unten gerichtet
konvergierende Flächen
auf, die in den Elektrolyt eingetaucht und dazu ausgestaltet sind,
um: das Auflösen von
Aluminiumoxid zu verbessern, das über ihren nach unten gerichtet
konvergierenden Flächen
zugeführt
wird; und mit Aluminium angereicherten Elektrolyt nach unten durch
deren nach unten gerichtet konvergierenden Flächen und durch die gelochte
Struktur zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt
zu führen.
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Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung
betrifft eine Elektrolysezelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid, das
in einem thermisch isolierten, Fluorid enthaltenden, krustenlosen
geschmolzenen Elektrolyt gelöst
ist. Die Zelle hat eine elektrochemisch aktive, gelochte Metallanodenstruktur
für das
Erzeugen von Sauerstoff und die durch einen Zwischen-Elektroden-Spalt beabstandet über einer
zugewandten Kathode angeordnet ist, an der während des Betriebs Aluminium erzeugt
wird. Die Zelle weist außerdem
Einrichtungen auf, um das Auflösen
von pulverförmigem
Aluminiumoxid zu unterstützen,
das der Oberfläche
des Elektrolyten zugeführt
wird, und zum gleichmäßigen Verteilen
und Zuführen
von mit Aluminiumoxid angereichertem Elektrolyt durch und/oder um
die gelochte Struktur herum zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt. Diese
Einrichtungen beinhalten Elektrolyt-Leitbauteile, die in dem Elektrolyt über der
gelochten Anodenstruktur angeordnet sind. Die Elektrolyt-Leitbauteile weisen
nach oben gerichtet konvergierende Flächen auf, die in den Elektrolyten
eingetaucht und dazu ausgestaltet sind, um: eine nach oben gerichtete Strömung von
mit Aluminiumoxid abgereichertem Elektrolyt zu führen, die durch anodisch erzeugten Sauerstoff
angetrieben wird, der durch die gelochte Anodenstruktur entweicht;
um das Auflösen
von Aluminiumoxid zu verbessern, das über deren nach oben gerichtet
konvergierenden Flächen
zugeführt wird;
und um mit Aluminiumoxid angereicherten Elektrolyt nach unten durch
und/oder um die gelochte Anodenstruktur herum zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt
zu führen.
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Materialien
und Betrieb
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Die gelochten Metallanodenstrukturen und/oder
Elektrolyt-Leitbauteile
der vorliegenden Erfindung können
aus einem auf Eisenoxid basierenden Material bestehen oder vorzugsweise
damit beschichtet sein, das durch Oxidieren der Oberfläche von
dem Substrat der gelochte Anodenstrukturen und/oder der Elektrolyt-Leitbauteile erhalten
wird, die Eisen enthalten. Beispiele von geeigneten Materialien
sind in größerem Detail
in den anhängigen
Anmeldungen WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/40783 (de
Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz), WO
01/42534 (de Nora/Duruz) und WO 01/42535 (Duruz/de Nora) beschrieben.
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Bei bekannten Verfahren gibt auch
das am schlechtesten lösbare
Anodenmaterial wesentliche Mengen an Konstituenten in das Bad ab,
was zu einer starken Kontaminierung des Aluminiumprodukts führt. Zum
Beispiel liegt die Konzentration von Nickel (einer häufig vorkommende
Komponente bei vorgeschlagenen, auf Metall basierenden Anoden),
die in dem erzeugten Aluminium in kleinen Krustentests bei herkömmlichen
Zellen-Betriebstemperaturen gefunden wurde, normalerweise zwischen
800 und 2.000 ppm, d.h. 4 bis 10 mal über dem maximal akzeptierbaren
Wert, der 200 ppm beträgt.
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Eisenoxide und speziell Hämatit (Fe2O3) haben eine höhere Lösbarkeit
als Nickel in dem geschmolzenen Elektrolyt. Bei der industriellen
Herstellung ist aber die Kontaminierungstoleranz des Aluminiumprodukts
durch Eisenoxide ebenfalls sehr viel höher (bis zu 2.000 ppm) als
für andere
Metall-Verunreinigungen.
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Die Lösbarkeit ist eine innewohnende
Eigenschaft von Anodenmaterialien und kann nicht auf andere Weise
verändert
werden als durch Modifikation der Elektrolyt-Zusammensetzung und/oder
der Betriebstemperatur einer Zelle.
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Kleine Krustentests, bei denen eine NiFe2O4/Cu Cermet-Anode
verwendet wird und die unter stabilen Bedingungen betrieben wird,
wurden durchgeführt,
um die Konzentration von Eisen in geschmolzenem Elektrolyt und in
dem Aluminiumprodukt unter verschiedenen Betriebsbedingungen nachzuweisen.
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In dem Fall von Eisenoxid wurde herausgefunden,
dass das Absenken der Temperatur des Elektrolyten die Lösbarkeit
von Eisen-Spezies wesentlich vermindert. Dieser Effekt kann überraschend dazu
genutzt werden, eine wesentliche Verbesserung des Zellenbetriebs
zu erreichen, indem die Kontaminierung des Aluminiumprodukts durch
Eisen begrenzt wird.
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Es ist daher herausgefunden worden,
dass dann, wenn die Betriebstemperatur der Zelle unter die Temperatur
von herkömmlichen
Zellen (950–970°C) vermindert
wird, eine Anode, die mit einer äußeren Schicht
aus Eisenoxid bedeckt ist, dimensionsstabil gemacht werden kann,
indem eine Konzentration von Eisen-Spezies und Aluminiumoxid in dem geschmolzenen
Elektrolyt beibehalten wird, die ausreichend ist, um das Auflösen der
Eisenoxid-Schicht zu vermindern oder zu unterdrücken, wobei die Konzentration
von Eisen-Spezies niedrig genug ist, um den wirtschaftlich akzeptierbaren
Wert von Eisen in dem Aluminiumprodukt nicht zu überschreiten.
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Das Vorhandensein von gelöstem Aluminiumoxid
in dem Elektrolyt an der Anodenfläche hat einen begrenzenden
Effekt auf das Auflösen
von Eisen von der Anode in den Elektrolyten, wodurch die Konzentration
von Eisen-Spezies vermindert wird, was notwendig ist, um das Auflösen von
Eisen von der Anode im wesentlichen zu unterbinden.
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Wenn die Oberfläche der gelochten Metallanodenstrukturen/Elektrolyt-Leitbauteilen
auf Eisenoxid basiert, dann kann der Elektrolyt eine Menge an Eisen-Spezies
und gelöstets
Aluminiumoxid enthalten, wodurch eine Auflösung der auf Eisenoxid-basierenden
Oberfläche
verhindert wird. Die Menge an Eisen-Spezies und Aluminiumoxid, die
in dem Elektrolyt gelöst
ist, muss ausreichend sein, um das Auflösen der auf Eisenoxid-basierenden
Oberfläche
zu verhindern, so dass das erzeugte Aluminium mit nicht mehr als
2.000 ppm Eisen kontaminiert wird, vorzugsweise nicht mehr als 1.000
ppm Eisen, und noch bevorzugter mit nicht mehr als 500 ppm Eisen.
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Um in dem Elektrolyten ein Menge
von Konstituenten der gelochten Anodenstrukturen/Elektrolyt-Leitbauteilen
aufrechtzuerhalten, speziell Eisen-Spezies, wodurch bei der Betriebstemperatur das
Auflösen
der gelochten Anodenstrukturen/Elektrolyt-Leitbauteilen vermieden
wird, wenn die Aluminiumoxid-Zufuhr selbst nicht genug Eisen enthält, können die
Konstituenten stoßweise
in den Elektrolyten geleitet werden, beispielsweise periodisch zusammen
mit Aluminiumoxid, oder kontinuierlich, zum Beispiel mit Hilfe einer
verzehrenden Elektrode. Wenn die gelochten Anodenstrukturen/Elektrolyt-Leitbauteile
auf Eisenoxid basieren, können
Eisen-Spezies in den Elektrolyten in Form von Eisenmetall und/oder
einer Eisenzusammensetzung zugeführt
werden, wie zum Beispiel Eisenoxid, Eisenfluorid, Eisenoxyfluorid
und/oder eine Eisen-Aluminium-Legierung.
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Um die Kontaminierung des Aluminiumprodukts
durch kathodisch reduzierte Konstituenten der gelochte Anodenstrukturen/Elektrolyt-Leitbauteile auf
einen wirtschaftlich akzeptierbaren Wert zu begrenzen, muss die
Zelle mit einer ausreichend geringen Temperatur betrieben werden,
so dass die erforderliche Konzentration von Konstituenten, insbesondere
Eisen-Spezies, in dem Elektrolyten durch die verminderte Lösbarkeit
von Eisen-Spezies in dem Elektrolyten bei der Betriebstemperatur
begrenzt wird.
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Die Zelle kann mit einer Betriebstemperatur des
Elektrolyten von unter 910°C, üblicherweise
730 bis 870°C,
betrieben werden. Der Elektrolyt kann NaF und AlF3 in
einem Molverhältnis
NaF/AlF3 enthalten, das für die Betriebstemperatur
der Zelle erforderlich ist, und zwar zwischen 1,2 und 2,4. Die Menge
des gelösten
Aluminiumoxids, das in dem Elektrolyt enthalten ist, beträgt üblicherweise
unter 8 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 2 Gew.-% und 6 Gew.-%.
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Da die Elektrolyt-Leitbauteile nicht
elektrochemisch aktiv oder leitfähig
sein müssen,
kann deren Oberfläche
ebenfalls aus nicht-leitfähigen,
gegen Elektrolyt beständigen
Materialien hergestellt sein. Die Elektrolyt-Leitbauteile können aus
irgend einer Keramik oder Oxiden hergestellt sein, die gegenüber dem
Elektrolyten resistent sind, wie zum Beispiel Siliciumnitrid, Aluminiumnitrit,
Bornitrid, Magnesiumferrit, Magnesiumaluminat, Magnesiumchromit,
Zinkoxid, Nickeloxid und Aluminiumoxid. Jedoch können die Leitbauteile aus den
gleichen Materialien hergestellt sein wie die Anoden.
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Die Oberflächen der Leitbauteile oder
der inaktiven Teile der Anoden, die während des Zellenbetriebs dem
geschmolzenen Elektrolyten ausgesetzt sind, insbesondere jene Teile
in der Nähe
der Oberfläche
des Elektrolyten, können
mit einer auf Zink basierenden Beschichtung geschützt sein,
die insbesondere Zinkoxid mit oder ohne Aluminiumoxid oder Zinkaluminat
enthält.
während
des Zellenbetriebs muss Konzentration von gelöstem Aluminiumoxid in dem Elektrolyten
bei oder über
3 bis 4 Gew.-% gehalten werden, um das Auflösen von einer solchen Oberfläche wesentlich
zu verhindern.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Zelle für
die elektrolytische Gewinnung von Aluminium zeigt, die mit Anoden
betrieben wird, die mit Elektrolyt-Leitbauteilen gemäß der Erfindung
versehen sind;
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2, 3 und 4 vergrößerte Teile von Abwandlungen
der in 1 gezeigten Elektrolyt-Leitbauteile
während
des Zellenbetriebs zeigen;
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5 eine
Querschnittsansicht von einer anderen Anode mit Elektrolyt-Leitbauteilen
gemäß der Erfindung
zeigt, von denen lediglich eine dargestellt ist;
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6 eine
Ansicht von einer Hälfte
einer Baugruppe aus mehreren Elektrolyt-Leitbauteilen zeigt, ähnlich der,
die in 5 gezeigt ist;
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7 eine
Ansicht der in 5 gezeigten Anode
ist, zusammen mit einer Hälfte
einer Baugruppe von Elektrolyt-Leitbauteilen, wie in 6 gezeigt; und
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8 eine
Ansicht von einer Abwandlung der Anode aus 7 ist, gezeigt ohne die Elektrolyt-Leitbauteile.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 zeigt
eine Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium gemäß der Erfindung,
die mit einer Reihe von gelochten Metallanoden 10 versehen
ist, mit einer allgemein horizontalen Anodenstruktur 12, 13, 15 unter
einer Reihe von Elektrolyt-Leitbauteilen 5 gemäß der Erfindung,
eingetaucht in einen krustenlosen geschmolzenen Elektrolyt 30. Die
Zelle weist Isolierungseinrichtungen auf, wie zum Beispiel eine
isolierende Abdeckung (nicht gezeigt), die den Elektrolyten abdeckt,
um die Bildung einer Elektrolyt-Kruste an der Oberfläche des
Elektrolyten 30 zu verhindern. Es kann eine solche Abdeckung vorgesehen
sein, wie sie in der WO 99/02763 (de Nora/Sekhar) beschrieben ist.
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Die Anoden 10 sind einem
horizontalen Kathodenzellenboden 20 zugewandt, der über Stromleiterstangen 21 mit
einer negativen Sammelschiene verbunden ist. Der Kathodenzellenboden 20 ist
aus einem leitfähigen
Material hergestellt, wie zum Beispiel Graphit oder ein anderes
kohlenstoffhaltiges Material, das mit einer mit Aluminium-benetzbaren, hitzebeständigen kathodischen
Beschichtung 22 beschichtet ist, an der Aluminium 35 erzeugt
wird und von der es abläuft
oder auf dem ein flaches Bad, ein tiefes Bad oder ein stabilisiertes
Bad gebildet ist. Das geschmolzene erzeugte Aluminium 35 ist
durch einen Zwischen-Elektroden-Abstand
von den zugewandten Anoden 10 beabstandet.
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Paare von Anoden 10 sind
mit einer positiven Sammelschiene über eine erste vertikale Stromzuführung 11' und einen horizontalen
Stromverteiler 11'' verbunden,
der an seinen beiden Enden über
einen zweiten vertikalen Stromverteiler 11''' mit einer gelochten
Anode 10 verbunden ist.
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Die zweiten vertikalen Stromverteiler 11''' sind
an der Anodenstruktur 12, 13, 15 an einem Querbauteil 12 montiert,
das wiederum mit zwei oder mehr schräg verlaufenden Verbindungsbauteilen 13 verbunden
ist, um eine Reihe von Anodenbauteilen 15 zu befestigen.
Die Stromzuführungen 11', 11'', 11''', das Querbauteil 12,
die schräg
verlaufenden Verbindungsbauteile 13 und die Anodenbauteile 15 sind
durch Verschweißungen,
Nieten oder andere Einrichtungen mechanisch verbunden.
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Die Anodenbauteile 15 haben
eine elektrochemisch aktive untere Fläche 16, an denen während des
Zellenbetriebs anodisch Sauerstoff erzeugt wird. Die Anodenbauteile 15 haben
die Form von parallelen, geradlinigen Stangen in einer gelochten
koplanaren Anordnung, die durch Zwischen-Bauteil-Spalte 17 seitlich
voneinander beabstandet sind. Die Zwischen-Bauteil-Spalte 17 bilden
Durchflussöffnungen für die Zirkulation
von Elektrolyt und das Entweichen von anodisch erzeugtem Gas, das
an den elektrochemisch aktiven Flächen 16 freigesetzt
wird.
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Das Querbauteil 12 und die
schräg
verlaufenden Verbindungsbauteile 13 bewirken eine im wesentlichen
gleichmäßige Stromverteilung
durch die Anodenbauteile 15 zu ihren elektrochemisch aktiven Flächen 16.
Die Stromzuführung 11,
das Querbauteil 12 und die schräg verlaufenden Verbindungsbauteile 13 müssen nicht
elektrochemisch aktiv sein, und deren Oberflächen können passiv sein, wenn sie
dem Elektrolyten ausgesetzt sind. Sie sollten jedoch elektrisch
gut leiten, um unnötige
Spannungsabfälle
zu vermeiden, und sie sollten sich im wesentlichen nicht in dem
Elektrolyten auflösen.
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Bezüglich der Anodenstruktur 12, 13, 15 können Abwandlungen
erfolgen, wie sie beispielsweise in der WO 00/40782 (de Nora) offenbart
sind.
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Wie vorstehend erläutert, kann
die elektrochemisch aktive Oberfläche 16 der Anodenbauteile 15 auf
Eisenoxid basieren, insbesondere auf Hämatit basieren. Geeignete Anodenmaterialien
sind in der WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/40783 (de
Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804 (Crottaz/Duruz),
WO 01/42534 (de Nora/Duruz) und WO 01/42535 (Duruz/de Nora) offenbart.
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Die Eisenoxid-Oberfläche kann
sich über
alle eingetauchten Teile 11''', 12, 13, 15 der
Anode 10 erstrecken, insbesondere über den eingetauchten Teil von
dem zweiten vertikalen Stromverteiler 11''', der vorzugsweise
mit Eisenoxid bedeckt ist, und zwar zumindest 10 cm über der
Fläche
des Elektrolyten 30.
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Die eingetauchten aber inaktiven
Teile der Anode 10 können
außerdem
mit Zinkoxid beschichtet sein. Außerdem, wenn Teile der Anode 10 mit
Zinkoxid beschichtet sind, muss die Konzentration des gelösten Aluminiumoxids
in dem Elektrolyten 30 bei über 3 Gew.-% gehalten werden,
um eine übermäßige Auflösung von
Zinkoxid in den Elektrolyten 30 zu verhindern.
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Der Kern von allen Anodenkomponenten 11', 11'', 11''', 12, 13, 15 ist
vorzugsweise sehr leitfähig und
kann aus Kupfer hergestellt sein, geschützt durch aufeinanderfolgende
Schichten aus Nickel; Chrom; Nickel; Kupfer und wahlweise einer
weiteren Schicht aus Nickel.
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Die Anoden 10 sind außerdem mit
einer Reihe von Elektrolyt-Leitbauteilen
versehen, die Einrichtungen bilden, um das Auflösen von pulverförmigem Aluminiumoxid
zu unterstützen,
das dem krustenlosen geschmolzenen Elektrolyten 30 zugeführt wird, und
zwar in Form von parallelen, beabstandeten, geneigten Ablenkplatten 5,
die oberhalb und benachbart zu der gelochten Anoden struktur 12, 13, 15 angeordnet
ist. Die Ablenkplatten 5 haben obere, nach unten gerichtet
konvergierende Flächen 6 und
untere, nach oben gerichtet konvergierende Flächen 7, die gasförmigen Sauerstoff
ablenken, der anodisch unter der elektrochemisch aktiven Fläche 16 der
Anodenbauteile 15 erzeugt wird und der zwischen den Zwischen-Bauteil-Spalten 17 durch
die gelochte Anodenstruktur 12, 13, 15 entweicht.
Der Sauerstoff, der über
den Ablenkplatten 5 freigesetzt wird, unterstützt das
Auflösen
von Aluminiumoxid, das dem Elektrolyten 30 oberhalb der
nach unten gerichtet konvergierenden Flächen 6 zugeführt wird.
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Eine ähnliche Anoden-Konstruktion
wurde in dem US-Patent
4,263,107 (Pellegri)
vorgeschlagen, um die Elektrolyt-Zirkulation bei einer wässrigen Salzlaugen-Elektrolyse
zu verbessern. Die Anode war aus herkömmlichen Anoden-Materialien
für die Salzlaugen-Elektrolyse
hergestellt, wie zum Beispiel Titan beschichtet mit einem Metalloxid
aus der Platin-Gruppe, mit einer aktiven gelochte Anodenstruktur.
Obwohl diese Anoden-Konstruktion für die Elektrolyt-Zirkulation
und Gas-Freigabe bei der Salzlaugen-Elektrolyse gut angepasst war,
wurde nie vorgeschlagen oder angeregt, sie für Zellen für die elektrolytische Gewinnung
von Aluminium zu verwenden, die sich wesentlich von Chlor-Alkali-Zellen unterscheiden,
und um insbesondere das Auflösen
von zugeführtem
Aluminiumoxid zu verbessern.
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Die Aluminium-benetzbare kathodische
Beschichtung
22 der Zelle, wie in
1 gezeigt, kann vorteilhafterweise eine
durch Schlamm aufgebrachte, hitzebeständige Hartmetall-Beschichtung
sein, wie in dem US-Patent
5,651,874 (de
Nora/Sekhar) vorgeschlagen. Vorzugsweise beinhaltet die Aluminium-benetzbare
kathodische Beschichtung
22 eine dicke Beschichtung aus
hitzebeständigem
Hartmetall-Borid, wie zum Beispiel TiB
2,
wie in der WO 98/17842 (Sekhar/Duruz/Liu) offenbart, die besonders
gut geeignet ist, um den Kathodenboden einer drainierten Zelle zu
schützen,
wie in
1 gezeigt.
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Die Zelle hat außerdem Seitenwände
25 aus kohlenstoffhaltigem
Material oder aus einem anderen Material. Die Seitenwände
25 sind über der
Oberfläche
des Elektrolyten
30 mit einer Bor- oder einer schützenden
Phosphat-Beschichtung/Imprägnierung
26 beschichtet/inprägniert,
wie in dem US-Patent
5,486,278 (Manganiello/Duruz/Bellò) und
in dem US-Patent
5,534,130 (Sekhar)
beschrieben.
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Unter der Oberfläche des Elektrolyten 30 sind
die Seitenwände 25 mit
einer Aluminium-benetzbaren Beschichtung 23 beschichtet,
so dass geschmolzenes Aluminium 35, das durch Kapillar-
und magnetohydrodynamische Kräfte
getrieben wird, die Seitenwände 25 überdeckt
und vor dem Elektrolyt 35 schützt. Die Aluminium-benetzbare
Beschichtung 23 erstreckt sich von der Aluminium-benetzbaren
kathodischen Beschichtung 22 über die Fläche der verbindenden Eckprismen 28 an
den Seitenwänden 25 hoch
bis zumindest zur Oberfläche
des Elektrolyten 30. Die Aluminium-benetzbare Seiten-Beschichtung 23 kann
vorteilhafterweise aus einem aufgebrachten und getrockneten und/oder
hitzebehandelten Schlamm aus partikelförmigem TiB2 in
kolloidalem Silika hergestellt sein, die in einem hohen Maße mit Aluminium
benetzbar ist.
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Alternativ können die Seitenwände 25 oberhalb
und unterhalb der Oberfläche
des Elektrolyten 30 mit einer auf Zink-basierenden Beschichtung
beschichtet sein, wie zum Beispiel eine Zinkoxid-Beschichtung, wahlweise
mit Aluminiumoxid oder eine Zinkaluminat-Beschichtung. Wenn eine
auf Zink-basierende Beschichtung verwendet wird, um die Seitenwände 25 oder
die Anoden 10 zu beschichten, wie vorstehend beschrieben,
muss die Konzentration von gelöstem
Aluminiumoxid in dem geschmolzenen Elektrolyt 30 oberhalb
von 4 Gew.-% gehalten werden, um eine Auflösung einer solchen Beschichtung im
wesentlichen zu verhindern.
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Während
des Zellenbetriebs wird dem Elektrolyten 30 über den
Ablenkplatten 5 und der Metallanodenstruktur 12, 13, 15 Aluminiumoxid
zugeführt. Das
zugeführte
Aluminiumoxid wird auf gelöst
und von dem unteren Ende der konvergierenden Flächen 6 in dem Zwischen-Elektroden-Spalt
durch die Zwischen-Bauteil-Spalte 17 und um die Kanten
der Metallanodenstruktur 12, 13, 15 herum
verteilt, d.h. zwischen benachbarten Paaren von Anoden 10 oder zwischen
Umfangsanoden 10 und Seitenwänden 25. Durch das
Leiten von elektrischem Strom zwischen den Anoden 10 und
dem zugewandten Kathodenzellenboden 20 wird an den elektrochemisch
aktiven Anodenflächen 16 Sauerstoff
erzeugt, und Aluminium wird erzeugt, das in das kathodische geschmolzene Aluminium übergeht.
Der an den aktiven Flächen 16 erzeugte
Sauerstoff entweicht durch die Zwischen-Bauteil-Spalte 17 und
wird von den nach oben gerichtet konvergierenden Flächen 7 der
Ablenkplatten 5 abgefangen. Der Sauerstoff entweicht von
den obersten Enden der nach oben gerichtet konvergierenden Flächen 7,
wodurch das Auflösen
von Aluminiumoxid verbessert wird, das über den nach unten konvergierenden
Flächen 6 zugeführt wird.
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Die Zellen für die elektrolytische Gewinnung von
Aluminium, die in 2, 3 und 4 gezeigt sind, sind ähnlich der, die in 1 gezeigt ist.
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In 2 sind
die Leitbauteile geneigte Ablenkplatten 5, wie in 1 gezeigt. In diesem Beispiel
befindet sich das oberste Ende von jeder Ablenkplatte 5 knapp über der
mittleren Höhe
zwischen der Oberfläche
des Elektrolyten 30 und den schräg verlaufenden Verbindungsbauteilen 13.
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Wie in 2 ebenfalls
gezeigt, wird eine Elektrolyt-Zirkulation 31 durch
das Entweichen von Gas erzeugt, das an den aktiven Flächen 16 der
Anodenbauteile 15 zwischen den Zwischen-Bauteil-Spalten 17 freigesetzt
wird, das durch die nach oben gerichtet konvergierenden Flächen 7 der
Ablenkplatten 5 abgelenkt wird, die das Gas und die Elektrolyt-Strömung zwischen
ihren obersten Kanten einengen. Von den obersten Kanten der Ablenkplatten
entweicht das anodisch erzeugte Gas in Richtung auf die Oberfläche des
Elektrolyten 30, wohingegen die Elektrolyt-Zirkulation 31 nach
unten durch die nach unten gerichtet konvergierenden Flächen 6, durch
die Zwischen-Bauteil-Spalte 17 und um die Kanten der Metallanodenstruktur 12, 13, 15 strömt, um den
Druck zu kompensieren, der durch das anodisch erzeugte Gas unter
den aktiven Flächen 17 der Anodenbauteile 15 erzeugt
wird. Die Elektrolyt-Zirkulation 31 strömt nach unten in den Zwischen-Elektroden-Spalt,
wodurch Aluminiumoxidpulver 32 aufgelöst wird, das in den krustenlosen
geschmolzenen Elektrolyt von oberhalb der nach unten gerichtet konvergierenden
Flächen
zugeführt
wird, um in Richtung auf den Zwischen-Elektroden-Spalt gleichmäßig verteilt
zu werden.
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3 zeigt
einen Teil von einer Zelle zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium,
wobei die Ablenkplatten 5 als Elektrolyt-Leitbauteile dienen, wie
jene, die in der Zelle aus 2 gezeigt
sind, aber deren Flächen
lediglich teilweise konvergieren. Die unteren Abschnitte 4 der
Ablenkplatten 5 verlaufen vertikal und parallel zueinander,
wohingegen ihre oberen Abschnitte nach oben gerichtet und nach unten
gerichtet konvergierende Flächen 6, 7 haben. Das
oberste Ende von den Ablenkplatten 5 befindet sich unterhalb
aber nahe der Oberfläche
des Elektrolyten 30, um die Turbulenz an der Elektrolyt-Oberfläche zu verstärken, die
durch die Freigabe von anodisch erzeugtem Gas bewirkt wird.
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4 zeigt
eine Abwandlung der in 3 gezeigten
Ablenkplatten, bei denen parallele vertikale Abschnitte 4 über den
konvergierenden Flächen 6, 7 angeordnet
sind.
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Durch das Leiten und Einengen von
anodisch erzeugtem Sauerstoff in Richtung auf die Oberfläche des
Elektrolyten 30 mit Ablenkplatten oder anderen Einengungsmitteln,
insbesondere wie in 3 und 4 gezeigt, wird Sauerstoff
so nahe zur Oberfläche
freigegeben, um oberhalb der nach unten gerichtet konvergierenden
Flächen 6 Turbulenzen
zu erzeugen, wodurch das Auflösen
von Aluminiumoxid verbessert wird, das darüber zugeführt wird.
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Es soll verstanden werden, dass die
Elektrolyt-Einengungsbauteile 5, die in 1, 2, 3 und 4 gezeigt sind, entweder längliche
Ablenkplatten sein können
oder stattdessen eine Reihe von vertikalen Trichterkanälen mit
einem runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen, wie zum Beispiel
nachstehend beschrieben wird.
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5 und 7 zeigen eine Anode 10' mit einem runden
Boden, wobei die Anode 10' in 5 im Querschnitt und in 7 von oben gezeigt ist.
An der rechten Seite von 5 und 7 ist die Anode 10' mit Elektrolyt-Leitbauteilen 5' gemäß der Erfindung
gezeigt. Die Elektrolyt-Leitbauteile 5', die in 7 dargestellt sind, sind in 6 separat gezeigt.
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Die in 5 und 7 gezeigte Anode 10' hat mehrere,
beispielsweise vier, konzentrische runde Anodenbauteile 15.
Die Anodenbauteile 15 sind durch Zwischen-Bauteil-Spalte 17 seitlich
voneinander beabstandet und durch radiale Verbindungsbauteile in
der Form von Flanschen 13 miteinander verbunden, die mit
einem äußeren Ring 13' verbunden sind.
Der äußere Ring 13' verläuft vertikal
von den äußersten
Anodenbauteilen 15, wie in 5 gezeigt, um
mit den radial verlaufenden Flanschen 13 eine Rad-ähnliche Struktur 13, 13' zu bilden,
wie in 7 gezeigt, durch
die die Anodenbauteile 15 an einer zentralen Anodenstromzuführung 11 befestigt
sind.
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Wie in 5 gezeigt,
geht das innerste runde Anodenbauteil 15 teilweise in die
Stromzuführung 11 über, deren
Kanäle 18 zwischen
dem innersten runden Anodenbauteil 15 und der Stromzuführung 11 verlaufen,
um das Entweichen von Sauerstoff zu ermöglichen, das unter der zentralen
Stromzuführung 11 erzeugt
wird.
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Jedes Elektrolyt-Leitbauteil 5' hat im wesentlichen
die Form von einem Trichter mit einer breiten unteren Öffnung 9 zur
Aufnahme von anodisch erzeugtem Sauerstoff und einer engen oberen Öffnung 8,
aus der der Sauerstoff freigegeben wird, um das Auflösen von
Aluminiumoxid zu unterstützen,
das oberhalb der Elektrolyt-Leitbauteile 5' zugeführt wird. Die innere Fläche 7 des
Elektrolyt-Leitbauteils 5' ist dazu
ausgestaltet, um eine nach oben gerichtete Elektrolyt-Strömung zu
kanalisieren und zu unterstützen,
die durch anodisch erzeugten Sauerstoff getrieben wird. Die äußere Oberfläche 6 des
Elektrolyt-Leitbauteils 5' ist
dazu ausgestaltet, um das Auflösen
von Aluminiumoxid zu unterstützen,
das von oben zugeführt
wird, und um mit Aluminiumoxid angereicherten Elektrolyt nach unten
zu dem Zwischen-Elektroden-Spalt
zu führen,
wobei der Elektrolyt hauptsächlich
um die gelochte Struktur herumströmt.
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Wie in 6 und 7 gezeigt, sind die Elektrolyt-Leitbauteile 5' in einer runden
Anordnung angeordnet, wobei lediglich eine Hälfte der Anordnung gezeigt
ist. Die Elektrolyt-Leitbauteile 5' sind durch
Befestigungen 3 seitlich miteinander befestigt und so angeordnet,
um über
den Anodenbauteilen 15 gehalten zu werden, wobei die Befestigungen 3 beispielsweise
an den Verbindungsbauteilen 13 angeordnet oder befestigt
sind, wie in 7 gezeigt,
falls erforderlich. Jedes Elektrolyt-Leitbauteil 5' ist in einem runden
Sektor angeordnet, der durch zwei benachbarte radiale Flansche 13 und
durch einen Bogen von dem äußeren Ring 13' gebildet ist,
wie in 7 gezeigt.
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Die Anordnung der Elektrolyt-Leitbauteile 5' und der Anode 10' kann als Einheiten
geformt sein. Das hat den Vorteil, dass mechanischen Verbindungen
und die Gefahr der Veränderung
der Eigenschaften der Materialien der Elektrolyt-Leitbauteile 5' oder der Anode 10' durch das Schweißen vermieden
werden.
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Die Anoden 10' und die Elektrolyt-Leitbauteile 5' können aus
irgendeinem geeigneten Material, das einer Oxidation und dem Fluorid
enthaltenden geschmolzenen Elektrolyt widersteht, hergestellt sein,
wie beispielsweise in der WO 00/06802 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO
00/40783 (de Nora/Duruz), WO 00/06803 (Duruz/de Nora/Crottaz), WO 00/06804
(Crottaz/Duruz), WO 01/42534 (de Nora/Duruz) und WO 01/42535 (Duruz/de
Nora) offenbart ist.
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8 zeigt
eine quadratische Anode 10' als eine
Abwandlung der runden Anode 10' aus 5 und 7, aber dargestellt ohne
deren Elektrolyt-Leitbauteile. Die Anode 10' aus 8 hat
allgemein rechteckige, konzentrische, parallele Anodenbauteile 15 mit
abgerundeten Kanten. Die Elektrolyt-Leitbauteile, ähnlich denen
aus 5 bis 7, jedoch in einer entsprechend
rechteckigen Anordnung, überdecken
die Anode 10'.