способ рафинирования галлия

Формула изобретения

Способ рафинирования галлия, включающий его кислотную обработку при перемешивании, отличающийся тем, что обработку проводят в реакторе барабанного типа при температуре 40-60°С и при перемешивании путем вращения реактора со скоростью вращения 1-20 об/мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам рафинирования галлия и может быть использовано в электронной промышленности, цветной металлургии и других отраслях, занимающихся переработкой галлийсодержащего сырья.

Известен способ рафинирования галлия, представленный в патенте РФ (RU 2082798 С22В 58/00 от 06.06.95 г., авт. Лаврова О.В., Мартынов П.Н., Сысоев Ю.М.), при котором обработку расплава проводят газовыми смесями на основе инертного газа, содержащими пары химических реагентов, в режиме принудительной циркуляции по замкнутому трубопроводу при перепаде температур 40-400°С.

Основными недостатками предлагаемого способа являются следующие. Обработку галлия ведут газовыми смесями на основе инертного газа, содержащими пары химических реагентов при высокой температуре (до 400°С). При этой температуре будет происходить взаимодействие газовой смеси с конструкционными материалами устройства, что приведет к загрязнению обрабатываемого галлия. Также необходимы дополнительные операции по удалению образующихся продуктов реакции (регенерация фильтров) и операция по удалению остатков галлия с конструкционных материалов циркуляционного контура, так как известно, что галлий смачивает большинство конструкционных материалов, особенно с большим содержанием примесей [Яценко С.П. Галлий. Взаимодействие с металлами. М., «Наука», 1974 г. 220 с.].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ очистки галлия от примесей, приведенный в патенте РФ (RU №2162114 С22В 58/00, 9/02 от 5.04.1999 г., авт. Закурдаев И.В., Гнидо В.Ф.), который включает фильтрацию, кислотную обработку при постоянном перемешивании с помощью смесителя и отбор галлия через заборник в количестве не более 2/3 объема обработанного галлия.

Основными недостатками предлагаемого способа являются следующие: низкая степень очистки от примесей, большие потери галлия и низкий выход годного.

Это объясняется следующим. Перемешивание галлия и кислоты осуществляют механической мешалкой, и окисление примесей происходит только на поверхности раздела фаз жидкость - жидкость (кислота - расплав галлия). Доставка примесей к поверхности раздела фаз лимитируется скоростью перемешивания. При использовании механической мешалки затруднена доставка примесей с придонной и пристеночной областей резервуара, так как здесь скорость перемешивания из-за сил трения, возникающих между галлием и поверхностью резервуара, значительно ниже, чем в объеме. Это же приводит к увеличению времени обработки и, следовательно, увеличению потерь галлия.

В указанном способе производят отбор галлия через заборник в количестве не более 2/3 его объема. Оставшийся галлий, содержащий примеси, вновь подвергается обработке кислотой. Такое техническое решение приводит к снижению выхода годного.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение степени очистки, выхода годного и снижение потерь галлия.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в способе рафинирования галлия, включающем кислотную обработку при перемешивании, согласно изобретению обработку ведут в реакторе барабанного типа при температуре 40-60°С путем вращения реактора со скоростью вращения 1-20 об/мин.

Увеличение степени очистки по сравнению с прототипом происходит за счет более эффективного перемешивания галлия и кислоты, достигаемого при использовании реактора барабанного типа. Реактор размещен в ванне и выполнен в виде барабана, вращающегося вокруг центральной горизонтальной оси и состоящего из нескольких сегментов (см. чертеж). Данная конструкция реактора обеспечивает постоянное обновление поверхности обрабатываемого галлия. Поверхность реактора омывается обрабатываемым раствором, что исключает снижение эффективности очистки в слое галлия, примыкающего к стенкам и дну реактора. При этом обеспечивает предотвращение попадания галлия из реактора в ванну.

Интенсивное перемешивание при вращении реактора барабанного типа обеспечивает эффективную, глубокую очистку всего объема галлия, поэтому после процесса очистки из реактора удаляется в качестве готового продукта весь обработанный галлий, а не его часть. Данная конструкция реактора обеспечивает эффективный контакт примесь-кислота, уменьшается время контакта галлия с кислотой, что приводит к снижению потерь галлия.

При температуре процесса ниже 40°С уменьшается степень очистки галлия, так как снижается реакционная способность водного раствора азотной кислоты. При температуре процесса выше 60°С увеличивается вероятность окисления галлия, что ведет к увеличению потерь галлия.

При вращении реактора со скоростью менее 1 об/мин снижается степень очистки. Это объясняется тем, что уменьшается скорость обновления поверхности галлия. При вращении реактора со скоростью более 20 об/мин затрудняется перелив водного раствора кислоты и галлия в специальные обменные полости, что ухудшает поступление свежей порции кислоты из ванны во внутренний объем реактора и тем самым снижается эффективность очистки.

Пример конкретного использования способа (см. чертеж).

В ванну 1 через заливное отверстие 2 заливают (как и в способе-прототипе) раствор 20%-ной азотной кислоты объемом 1,0 л. Для этого открывают кран 3. Включают вращение реактора 4 и поворачивают реактор так, чтобы продольный паз полости 5 находился под заливным отверстием 2. Производят загрузку в реактор жидкого галлия 6 массой 6,0 кг с начальным содержанием примесей олова - 1·10^-2 мас.%, алюминия - 1·10^-1 мас.%, цинка - 5·10^-2 мас.%. Включают нагрев раствора кислоты и устанавливают на регуляторе температуры задание нагрева +50°С. Нагрев рабочего раствора 7 осуществляют нагревателем 8. Контроль температуры нагрева производят с помощью датчика температуры 9. Включают вращение реактора по часовой стрелке. Скорость вращения устанавливают равной 10 об/мин. При вращении через продольный паз полости 5 раствор кислоты поступает внутрь реактора 4, происходит окисление примесей, и при дальнейшем вращении этот раствор сливается в полость 5 реактора, и при дальнейшем вращении удаляется из реактора 4; при следующем обороте вновь происходит поступление во внутреннюю полость реактора порции раствора кислоты. Размеры реактора, продольных пазов и их количество, масса загружаемого галлия подобраны таким образом, что при вращении барабана по часовой стрелке происходит также перелив галлия в полость 5, что улучшает эффективность очистки, но при этом не происходит удаления галлия из реактора в ванну 1. Через полости 5 происходит удаление газообразных продуктов реакции из реактора и через барботер 10 из устройства. В барботере 10 происходит улавливание паров азотной кислоты. Процесс рафинирования ведут в течение 1 часа. После этого включают реверс и реактор 4 начинает вращаться в обратную сторону (против часовой стрелки). При этом происходит удаление галлия и кислоты через полости 5 из реактора 4 в ванну 1. После полного удаления галлия из реактора открывают кран 11 и сливают очищенный галлий из устройства. Выключают нагрев и после полного удаления галлия из ванны 1 сливают отработанный раствор кислоты. Очищенный галлий взвешивается и анализируется на содержание примесей.

Примеры на другие граничные условия приведены в таблице.

№ процесса	Скорость вращения, об/мин	Температура процесса,°С	Содержание примесей, мас.%			Выход годного, мас.%
			Sn	Al	Zn
1	1	40	4·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	98,7
2	1	60	3·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	98,4
3	1	30	5·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	98,9
4	1	70	3·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	96,2
5	10	50	3·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	98,9
6	20	40	3·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	98,8
7	20	60	2·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	98,7
8	20	30	4·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	98,6
9	20	70	2·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	96,0
10	0,5	50	8·10 -4	3·10-5	5·10-5	95,8
11	25	50	7·10 -4	<1·10-5	<1·10-5	96,1
Прототип	-	-	1·10-3	-	-	66,67