способ извлечения галлия из отходов электролитического рафинирования алюминия

Формула изобретения

Способ извлечения галлия из отходов электролитического рафинирования алюминия, включающий измельчение и гидрохимическую обработку щелочным раствором, отличающийся тем, что перед гидрохимической обработкой измельченные отходы подвергают механохимической активации до размера частиц не более 1 мм путем ударного воздействия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии редких металлов, в частности к получению галлия из отходов электролитического рафинирования алюминия, таких как анодные осадки и аналогичный им по составу отработанный анодный сплав.

Известен способ извлечения галлия из анодного осадка при производстве алюминия (Патент РФ №2232199, МПК С22В 58/00, С01G 15/00, заявл. 13.11.2001, опубл. 10.11.2003). Способ предусматривает окислительную плавку анодных осадков при температуре 1180-1260°С с флюсом Na ₂СО₃ и SiO₂ и добавкой в качестве окислителя Cu₂О, выщелачивание с последующим выделением металлического галлия из щелочного раствора. Применение пирометаллургического процесса делает технологию весьма затратной.

Существует способ извлечения галлия из анодного сплава (Еремин Н.И. Галлий. - М.: Металлургия, 1964, с.119), предусматривающий щелочную обработку предварительно обожженного сплава при температуре 650-700°С продолжительностью 5-10 часов. Этот способ по своей концепции мало отличается от предыдущего аналога и ему присуще те же недостатки.

Другой известный способ (Патент РФ №2064518, МПК С22В 58/00, С01G 15/00, заявл. 27.01.1992, опубл. 27.07.1996) требует выщелачивания галлия из анодного осадка щелочным раствором при температуре 100°С и давлении 1,5-4,5 атм. с подачей воздуха со скоростью 240-280 л/ч. Такой технологический прием делает процесс выщелачивания исключительно взрывоопасным, поскольку создает условия для образования гремучей смеси в сосуде под давлением.

Известен также способ извлечения галлия из анодного осадка алюминиевого производства (Иванова Р.В. Химия и технология галлия. - М.: Металлургия, 1973, с.308-309), который заключается в анодном электролитическом растворении анодного сплава в серной кислоте. Применение кислотного вскрытия требует дорогостоящего кислотостойкого оборудования. Извлечение галлия в кислый раствор не обеспечивает оптимальных условий для его прямого электрохимического восстановления и требует дополнительных технологических операций нейтрализации и подщелачивания.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ извлечения галлия из анодных осадков при производстве алюминия (Иванова Р.В. Химия и технология галлия. - М.: Металлургия, 1973, с.306-307). Измельченный анодный сплав подвергается гидрохимической обработке горячим раствором едкого натра. В этом случае сквозное извлечение галлия составляет 50-60% из-за присутствия в растворе трудно растворимых галлийсодержащих интерметаллидов, в которых сосредоточено 40-45% галлия. Для повышения степени перевода галлия в раствор недовыщелоченный осадок предлагалось дополнительно обжигать в окислительной атмосфере при температуре 650-700°С в течение 10 часов и повторно выщелачивать. В результате суммарное извлечение галлия в жидкую фазу повышалось до 95-97%, Недостатком способа является сложность технологической схемы и использование пирометаллургического передела, что ведет к увеличению производственных затрат.

Задачей изобретения является повышение химической активности исходного материала в процессе гидрохимической обработки, что позволит увеличить извлечение галлия в раствор до 97-98% упростить технологию и снизить производственные затраты.

Технический результат достигается тем, что в способе извлечения галлия из отходов процесса электролитического рафинирования алюминия, включающем измельчение и гидрохимическую обработку щелочным раствором, отходы перед гидрохимической обработкой подвергают механохимической активации путем ударного воздействия. Механохимическую активацию осуществляют до размера частиц не более 1 мм.

Сущность механохимической активации материала заключается в накоплении дефектов кристаллической структуры обрабатываемых частиц.

Для механической активации твердых веществ, приводящей к химическим последствиям, используются различные приемы: раздавливание, истирание, динамический удар и т.д. Аппараты, реализующие такие воздействия (которые необходимо довести до каждой частицы материала), по большей части являются дробилками или мельницами. В идеальном случае механохимическая активация частицы не сопровождается ее разрушением (измельчением). Однако на практике добиться этого при массовой активации большого количества частиц в одном объеме невозможно, многие частицы получают избыточное воздействие, и материал в целом измельчается. В принципе, степень измельчения может служить наиболее доступным информативным параметром для косвенного определения меры механохимической активации.

Экспериментально установлено, что если подвергнуть механическому воздействию предварительно измельченный до размера частиц -10+5 мм анодный осадок или отработанный анодный сплав, то заметная химическая активация частиц наблюдается только при ударном воздействии на них. При этом происходит неизбежное в таких случаях дальнейшее измельчение материала. Мерой механохимической активации экспериментально было избрано достижение обрабатываемым материалом дисперсности частиц -1 мм. Для корректного сравнения всех исследованных образцов присутствие более мелких частиц в пределах до -0,3 мм контролировали ситовым анализом, а в диапазоне +0,3-0,01 - с помощью лазерного гранулометра "Микросайзер-201", добиваясь практически одинакового гранулометрического состава материала после механохимической активации.

Влияние приема воздействия на частицы анодного осадка перед выщелачиванием на излечение галлия в раствор приведены в следующих примерах.

Пример 1. При осуществлении заявляемого способа анодный осадок подвергали механохимической активации в центробежной мельнице до размера частиц не более 1 мм. Измельченный материал выщелачивали в реакторе с мешалкой раствором едкого натра, содержащим Na₂О_ку 166 г/л. Твердую фазу вводили в количестве, обеспечивающим расчетный каустический модуль 2,0-2,5. Нерастворившийся осадок отделяли фильтрованием и подвергали промывке на воронке Бюхнера при объемном отношении осадка и воды 1:2. Промводу соединяли с раствором после выщелачивания, упариванием доводили полученную жидкую фазу до первоначального объема исходного раствора и анализировали. Извлечение галлия в раствор составило 98,0%.

Пример 2. Заявляемый способ осуществляли так, как это описано в примере 2, за исключением того, что анодный осадок предварительно подвергали механохимической активации в рабочей камере роторной дробилки. Извлечение галлия в раствор составило 98,5%.

Пример 3. Для определения значения метода механохимической активации анодный осадок активировали в лабораторном дисковом истирателе до размера частиц -1 мм. Выщелачивание проводили аналогично примеру 2. Извлечение галлия в раствор составило 85,1%.

Пример 4. Анодный осадок обрабатывали в тихоходной щековой дробилке до размера частиц -1 мм. Выщелачивание проводили так, как это описано в примере 2. Извлечение галлия в раствор составило 82,9%.

Пример 5. Для определения влияния меры механохимической активации анодный осадок измельчали в рабочей камере роторной дробилки до размера частиц -3 мм. Выщелачивание проводили аналогично примеру 2. Извлечение галлия в раствор составило 83,6%.

Пример 6. Для определения влияния избыточной механохимической активации анодный осадок измельчали в рабочей камере роторной дробилки до размера частиц -0,5 мм. Выщелачивание проводили аналогично примеру 2. Извлечение галлия в раствор составило 98,5%.

Данные по примерам сведены в таблицу, из которой следует, что механохимическая активация путем ударного воздействия, сопровождающаяся измельчением анодного осадка до крупности частиц -1 мм, дает возможность исключить затратный пирометаллургический передел из технологической схемы без снижения степени извлечения галлия в раствор.

Сопоставительный анализ примеров 1-4 показывает, что при активации анодного осадка ударным воздействием по сравнению с другими видами воздействия повышают извлечение галлия в раствор не менее чем на 12%, причем дисперсный состав материала, поступающего на выщелачивание, во всех случаях остается постоянным.

Использование способа (применение ударного воздействия для механохимической активации) позволяет увеличить извлечение галлия из анодного осадка в раствор до 98,0-98,5%, одновременно исключая дополнительные операции обжига и повторного выщелачивания, что приводит к снижению производственных затрат.

№ примера	Прием механической обработки измельченного анодного осадка	Извлечение галлия в раствор, %
1 по заявляемому способу	Ударным воздействием (в центробежной мельнице)	98,0
2 по заявляемому способу	Ударным воздействием (в роторной дробилке)	98,5
3 для сравнения	Измельчением путем истирания (в дисковом истирателе)	85,1
4 для сравнения	Измельчением путем раздавливания (в щековой дробилке)	82,9
5 для сравнения	Ударным воздействием (в роторной дробилке) до размера частиц -3 мм	83,6
6 для сравнения	Ударным воздействием (в роторной дробилке) до размера частиц -0,5 мм	98,5

Уменьшение степени механохимической активации динамическим ударом до конечного размера частиц материала не более 3 мм (пример 5) не дает преимущества по сравнению с остальными рассмотренными приемами механического воздействия. С другой стороны, избыточная активация, сопровождающаяся измельчением частиц до -0,5 мм, не дает в дальнейшем роста извлечения галлия в раствор (см. примеры 1, 2 и 6).

Таким образом, на основе проведенной серии экспериментов показано преимущество предлагаемого способа перед прототипом при извлечении галлия из отходов электролитического рафинирования алюминия.