[发明专利]制备钠和氯化铝的电化学方法

说明书

本发明涉及一种用电化学法制备钠和氯化铝的新方法。

本发明还涉及适用于进行这种方法的电解池以及一种清洗这种电解池的方法。

钠是一种重要的无机碱性物质，例如用于制备氨基钠和烷氧基钠。在工业上它可以通过电解熔融氯化钠的Downs法得到。这种方法具有超过10kWh/1kg钠的高能量消耗(Büchner等，Industrielle AnorganischeChemie[工业无机化学]，第二版，Verlag Chemie，p.228ff)。该方法还具有严重的缺点，即所说的电解池在关闭时，会由于盐熔体的固化而毁坏。

氯化铝主要用作催化剂，例如，在弗瑞德-克来福特反应中。在很大程度上，其制备可以通过熔融铝的直接氯化进行。(Büchner等，Industrielle Anorganische Chemie，[工业无机化学]，第二版，VerlagChemie，p.262)。在这种方法中，以电流的形式用于氯和铝的电解制备的大部分能量被无用地释放了。

GB-A2056757描述了通过添加碱金属氟化物降低碱金属四氯铝酸盐熔点的方法以及使用这样的混合物作为电解质。

DE-A3718920涉及了碱金属和四氯铝酸钠等碱金属卤化物共同进行的电化学制备。但是这样形成的一起得到的产品中，除了碱金属以外，对工业规模的生产是没有吸引力的。从氯化钠和氯化铝进行的四氯铝酸钠的形成自动与氯化铝的形成相关联。根据该专利的描述，为了避免对阴极和阳极室之间的分隔装置的损坏和电池电压的升高，应该避免氯化铝的浓缩。

本发明的目的是提供一种在能量上比Downs法更优选的制备钠的方法。在所说的方法中得到的副产品应该是可以在工业规模上应用的物质。这两种方法的产品应该是高纯度的，从而使得不需要进行进一步的昂贵的提纯步骤。该目的的另一个方面在于发现一种方法使得所说的电解过程可以在相同的电解池中重复进行。此外，发现一种适合于该方法的电解池是该目的的一部分。而且，将发现一种清洗用于所说的反应的电解池的方法。

我们已经发现通过一种用电解法制备钠和氯化铝的方法可以达到这一目的。这种方法包括，在一个用铝作阳极、用钠作阴极、两个电极之间用传导钠离子的固体电解质分开的电解池中，电解一种熔融电解质，这种电解质基本由阳极室内的四氯铝酸钠组成，从电解池中蒸发出在该过程中形成的氯化铝，从阴极室中除去钠。

此外，发现了下面更详细表示的电解池，可以在该电解池中进行根据本发明的方法的操作。

另外，还发现了一种清洗适用于所述方法的电解池的方法是通过用SO₂对所说的电解质充气。

根据本发明的方法在一个具有铝阳极的电解池中操作。这是一种消耗性的阳极，因为在反应中阳极溶解，使得在连续操作中必须添加铝。可以以铝片的形式添加铝，但是优选的是以小金属块的形式加入，如切屑、小球或碎片，在填充过程中排列这些小金属块使各个金属块之间有大的空隙。一般来说，颗粒尺寸可以是0.01-10mm，优选的是0.1-2mm。市场上可以购得的纯度约99.3％的铝或纯度为95％的小铝球是适用的。在阳极一侧优选的是通过铝棒提供电流，所说的铝棒可以从外面进行更换而不中断整个过程。

由钠组成的阴极，在使所说的电解质液化必须的温度下，钠以液体形式存在。在电解开始时，最好以液体的形式把钠引入阴极室。在根据本发明的方法形成的钠可以用溢流这一简单的技术方式从阴极室排出。例如，阴极电流的提供可以用铝棒进行。

用传导钠离子的固体电解质把阳极室和阴极室相互分开。用于该目的的合适的材料是陶瓷材料，如NASICON，其组成在EP-A553400中给出。传导钠离子的玻璃以及沸石和长石也是适用的。但是β″-氧化铝是优选的。

使反应开始的电解质优选的是通过熔融化学计量的氯化钠和氯化铝制备，在反应过程中，氯化铝从阳极室中蒸发。所以阳极室在电解质表面以上与排出管相连，例如以管道的形式进行连接，通过所说的排出管可以排出所说的氯化铝。最好把一个储存罐与所说的排出管装置连接，在储存罐中，通过降低温度(与电解池相比)，发生氯化铝的凝华。这一般沉积成为可以通过机械方法除去的壁上覆盖层。

对于连续操作的电解，根据排出的钠和氯化铝添加作为消耗电极的铝及氯化钠。优选的是把氯化钠以纯度为99.9％的普通盐的固体加入到阳极室。一般来说，反应温度是从作为低限的电解质液化温度(约150℃)到400℃，优选的是从250～350℃。一般地，电势为2～5V，阴极电流密度为1～10kA/m²。