способ извлечения галлия из растворов

Формула изобретения

Способ извлечения галлия из щелочных растворов, включающий обработку сорбентом и десорбцию водой, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют пыль и шламы системы очистки отходящих газов электролизеров для получения алюминия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии редких металлов, а более конкретно к способам извлечения галлия из растворов, в том числе из алюминатных щелочных галлийсодержащих растворов глиноземного производства.

Известен способ извлечения галлия из байеровских растворов с применением импрегнированной ионообменной смолы (патент 5424050 США, МПК С22В 58/00, заявл. 13.04.1993; опубл. 13.01.1995), который специально предназначен для обработки крепких щелочных (до 140 г/л по NaOH) растворов. Элюирование осуществляется минеральной кислотой. Однако применение сильных кислот в рамках щелочных способов производства глинозема порождает серьезные проблемы, связанные с совместимостью основной и сопутствующей технологий. Практика показывает, что гораздо более важным свойством подобных смол является не кислото-, а щелочестойкость, которая в способе не оговаривается. Кроме того, такие смолы весьма дороги.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ извлечения галлия из алюминатных растворов (патент 2157421 РФ, МПК С22В 58/00, 3/24. Заявл. 07.07.1998, опубл. 10.10.2000). В раствор, содержащий галлий, добавляют реагент - сополимер винилхлорида и малеинового ангидрида, нанесенный на оксид кремния из раствора в диоксане, охлаждают до (-4)-(-8)°С и перемешивают при этой температуре в течение 25-30 мин. Затем раствор декантируют, отфильтровывают и выделяют галлий из твердой фазы промыванием дистиллированной водой. Способ исключает применение кислот, позволяет увеличить степень извлечения галлия из раствора и сократить время процесса, но охлаждение промышленных алюминатных растворов, обычная температура которых составляет 80-100°С, до отрицательных температур потребует столь значительных затрат энергии и времени, что аннулирует перечисленные преимущества. Следует отметить, что среднее содержание галлия в таких растворах составляет 0,2-0,3 г/л. Даже при условии 100-процентного извлечения из раствора целевого компонента, для получения 1 кг галлия потребуется охладить 3-5 м³ растворов, которые потом вновь придется нагревать до исходной температуры. Кроме того, на настоящий момент цена таких смол составляет около 30 тыс. долларов США за тонну. Таким образом, прототип характеризуется чрезмерно высокими производственными затратами.

Задачей изобретения является снижение затрат при извлечении галлия, использование нового сорбента, что позволит упростить процесс и утилизировать отходы производства.

Технический результат достигается тем, что в способе извлечения галлия из щелочных растворов, включающем обработку сорбентом, в качестве сорбента используют пыль и шлам, уловленные в процессе газоочистки отходящих газов от электролизеров при получении алюминия.

Сущность способа заключается в следующем.

В большинстве практических случаев непосредственное электрохимическое выделение галлия в виде металла из циркулирующих растворов глиноземных заводов растворов крайне затруднено из-за присутствия даже небольших количеств примесей, таких как хром, ванадий, железо, неокисленные формы серы и т.п., а также ряда групп органических веществ, например гуматов. Поэтому целесообразно применять предварительное избирательное сорбционное концентрирование галлия с целью повысить содержание в растворе целевого компонента и снизить общий уровень концентрации вредных примесей. Кроме того, очень важным является изменение отношения концентраций [Al₂О ₃]/[Ga] в пользу галлия, так как алюминий, выступая в качестве макрокомпонента, близок по своим свойствам к галлию, также находящемуся в III группе периодической системы элементов. Обычно для этого применяются специальные дорогостоящие ионообменные смолы и сложные технологии, описанные в аналогах и прототипе.

В заявляемом способе галлий извлекают сорбцией, используя в качестве сорбента пыль и шламы системы очистки отходящих газов электролизеров алюминиевого производства. Экспериментально установлено, что эти материалы способны избирательно сорбировать галлий из щелочных алюминатно-галлатных растворов. Емкость и регенерационная способность этих сорбентов по сравнению с синтетическими ионообменными смолами не велики, но их цена определяется только стоимостью транспортировки материала. Применяя их, можно исключить операцию регенерации, так как даже однократное использование дает эффективные результаты и экономически оправдано. Являясь отвальными продуктами, пыль и шламы мокрой газоочистки складируются на шламоотвалах. Накопленное их количество составляет десятки и сотни тысяч тонн. Для некоторых заводов, например, там, где глиноземное и электролизное производства находятся на одной промплощадке, предлагаемое техническое решение является особенно привлекательным, поскольку транспортные расходы становятся минимальными.

Примеры осуществления способа

Промышленный щелочной алюминатно-галлатный раствор, содержавший, г/л: Na ₂O_т 121,3 (Na₂ О_ку 116,3); Al₂О ₃ 42,9; Ga 0,28, обрабатывали пылью электрофильтров электролиза алюминия и обезвоженным шламом газоочистки, исходный и конечный составы которых приведены в таблице 1, путем агитации в реакторе с мешалкой при температуре 80°С и отношении Ж:Т=2:1 в течение 30 мин. Затем пульпу фильтровали и промывали на фильтре водой, нагретой до 80°С, объем которой брали, приблизительно равным половине объема кека. Фильтрат и промводу собирали раздельно их анализировали. Результаты анализов жидких фаз представлены в таблице 2. Разница между массой исходных продуктов и массой конечного кека (в пересчете на сухое вещество) в каждом опыте составляет в среднем около 6%.

Таблица 1 Состав сорбентов
	Продукт	Содержание, %
		Al	F	Na	Fe	С	Si	Ga
Пример 1	Пыль исходная	16,5	32,7	20,3	7,4	16,3	0,15	0,035
	Пыль отработанная	19,5	15,8	8,3	9,3	40,6	0,18	0,035
Пример 2	Шлам исходный	36,5	15,4	8,6	0,5	33,6	0,2	0,026
	Шлам отработанный	32,3	13,2	7,5	1,0	40,1	0,3	0,027

Таблица 2 Состав жидких фаз
Жидкая фаза	Пример 1 Сорбент-пыль				Пример 2 Сорбент-шлам
	Содержание, г/л				Содержание, г/л
	Ga	Al2 O3	Na 2От		Ga	Al 2O3	Na 2Oт
Исходный раствор	0,28	42,9	121,3	153	0,28	42,9	121,3	153
Фильтрат	0,21	53,8	132,6	256	0,23	68,4	129,2	297
Промвода	0,47	13,5	36,5	29	0,36	13,5	36,2	38

Из данных таблицы 1 видно, что при выщелачивании в обоих примерах произошло некоторое перераспределение компонентов, но содержание галлия практически не изменилось, а с учетом малой потери веса твердой фазы можно утверждать, что общее количество галлия в твердой фазе осталось прежним, и он не перешел в раствор и промводы.

С другой стороны, в составах жидких фаз (таблица 2) наблюдаются существенные изменения. Содержание галлия в фильтратах по примерам 1 и 2 по сравнению с исходным раствором уменьшилось на 25% и 18% соответственно, зато в промводах концентрация целевого компонента возросла в 1,68 и 1,29 раза.

Таким образом, в обоих примерах имеет место сорбционное извлечение галлия из исходного раствора в промводу. Причем это извлечение имеет селективный характер, поскольку отношение [Al₂О₃]/[Ga] изменилось со 153 до 29 в примере 1, и до 38 в примере 2 в пользу галлия.

Повторное использование отработанных продуктов не дало заметного положительного эффекта, поэтому оба использованных отхода алюминиевых заводов являются сорбентами однократного применения. Однако ввиду их упомянутой дешевизны достигнутые показатели по сорбционному извлечению галлия с применением пыли и шлама систем очистки отходящих газов электролизеров получения алюминия следует считать весьма положительными.