способ извлечения галлия из щелочных растворов цементацией галламой алюминия

Формула изобретения

Способ извлечения галлия из щелочных растворов цементацией галламой алюминия с выделением водорода, включающий периодическую подпитку галламы подачей гранулированного алюминия, отличающийся тем, что цементацию ведут при обновлении газовоздушной смеси над поверхностью раствора посредством вентиляции с постоянным притоком воздуха и измерением концентрации водорода в газовоздушной смеси над поверхностью раствора, а подачу алюминия в галламу осуществляют при достижении концентрации водорода ниже заданного значения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу извлечения галлия из щелочных растворов цементацией галламой алюминия.

Известен способ извлечения галлия из алюминатных растворов цементацией галламой алюминия (Гусарова Т.Д., Шалавина Е.Л., Пономарев В.Д. Об электродных потенциалах в системе галлий - алюминий. В кн.: Извлечение галлия, ванадия, скандия из продуктов глиноземного производства. - Алма-Ата, Наука АН КазССР, 1967, с.25). Контроль за процессом осуществляется по изменению потенциала в системе «раствор-галлама». В контрольно-измерительную схему вводится металлический электрод для контакта с галламой, хлорсеребряный или каломельный электрод сравнения и потенциометр,

Недостатком способа являются частые отказы схемы, объясняемые несовершенством конструкции электролитических ключей (мостиков), в которых часто происходит нарушение контакта с раствором, недолговечностью электродов сравнения, а также сложностью всей схемы.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ извлечения галлия из раствора алюмината натрия цементацией галламой алюминия с регулированным введением алюминия в цементирующий сплав по измерению электродного потенциала (А.с. СССР №1648253, кл. С22В 58/00, опубл.07.05.91). Каждая очередная порция гранулированного алюминия вводится после того, как прибор регистрирует значение потенциала -1,92-1,95 В по отношению к насыщенному каломельному электроду. Кривые изменения потенциала в зависимости от концентрации алюминия в галламе, которая меняется во времени, неполно и опосредованно отражают ход процесса, поскольку являются логарифмической функцией концентрации алюминия в галламе. В частности, при передозировке алюминия или перегреве раствора в условиях бурного выделения водорода прототип в силу своего принципа действия дает ложный исполнительный сигнал автоматической системе загрузки, что приводит к многократной передозировке алюминия в галламу и созданию аварийной ситуации. Кроме того, недостатком способа являются частые отказы измерительной системы, и связанные с этим серьезные технологические нарушения, из-за несовершенства осуществления контакта электрода сравнения с щелочным раствором в промышленных условиях, а также необходимость в постоянном обслуживании электролитических ключей. Ввиду узкой специфики процесса цементации галлия галламой алюминия промышленность не производит контрольно-измерительных устройств, готовых для эксплуатации в этой области. Поэтому на практике приходится приспосабливать доступную аппаратуру, например, комплекты приборов для измерения рН, с существенными переделками по схемам, настройкам и месту установки. В металлургии галлия такие приспособленные системы для измерения потенциала галламы дают систематические сбои, но вынужденно используются в течение многих лет, поскольку принципиальной замены им до настоящего времени им не было.

Задачей изобретения является улучшение управляемости и повышение надежности контроля за процессом цементации галлия галламой алюминия из щелочных растворов, что позволяет устранить технологические нарушения процесса.

Технический результат достигается тем, что в способе извлечения галлия из щелочных растворов цементацией галламой алюминия с выделением водорода, включающем периодическую подпитку галламы подачей гранулированного алюминия, цементацию ведут при обновлении газовоздушной смеси над поверхностью раствора посредством вентиляции с постоянным притоком воздуха и измерением концентрации водорода в газовоздушной смеси над поверхностью раствора, а подачу алюминия в галламу осуществляют при достижении концентрации водорода ниже заданного значения.

Сущность способа заключается в следующем.

При цементации галлия галламой алюминия из щелочных растворов кроме целевого процесса восстановления галлия на поверхности галламы происходит неизбежная в данной электрохимической системе конкурирующая реакция выделения водорода:

2Al+Na₂O+3Н ₂O=2NaAlO₂+3Н₂ .

В предельном случае при растворении 1 г алюминия выделяется 1,24 л водорода. Пузырьки газа проходят через раствор и поднимаются на его поверхность, где водород смешивается с атмосферным воздухом.

Аппаратурное оформление процесса цементации на практике всегда включает систему вытяжной вентиляции. Однако приток (подсос) воздуха к поверхности раствора не регламентируется и определяется в каждом конкретном случае суммарным сечением технологических отверстий и негерметичностью соединений в крышке аппарата цементатора. Если величину подсоса в аппарат отрегулировать, например, с помощью специальной заслонки и поддерживать поток воздуха строго постоянным, то за время расходования одной порции гранулированного алюминия, концентрация водорода над поверхностью раствора будет изменяться по тому же закону, что и скорость межфазного обмена на поверхности галламы. Это позволяет более точно и корректно определить момент очередной загрузки цементирующего агента по сравнению с прототипом.

На фиг.1 схематически представлен один из возможных конструктивных вариантов реализации заявляемого способа.

На фиг.2 поясняется принцип управления процессом цементации по изменяющейся во времени концентрации водорода в газовоздушной смеси над поверхностью раствора

В аппарате, имеющем корпус 1, снабженный крышкой 2, находится галлийсодержащий щелочной раствор 3 и галлама 4. При помощи дозатора 5 в аппарат порционно вводят гранулированный алюминий для подпитки галламы 4. В результате происходят параллельные электрохимические реакции вытеснения алюминием из раствора 3 галлия и водорода, то есть процесс цементации. Восстановленный галлий присоединяется к галламе 4, а выделившийся в водород выходит на поверхность раствора 3 и смешивается с воздухом, поступающим через заслонку 6. Размеры отверстия заслонки 6 и степень ее открытия выбирают так, чтобы концентрация водорода над поверхностью раствора 3 не превышала безопасный уровень. Образовавшаяся газовоздушная смесь удаляется через вытяжной короб 7, где установлен датчик 8, который реагирует на значение концентрации водорода в газовой смеси. Данные от датчика 8 передаются на анализатор 9, который в свою очередь автоматически управляет дозатором 5 алюминия. Таким образом, в данной реализации способа анализатор 9 водорода выполняет функцию контрольно-измерительного и управляющего устройства.

По мере расходования порции алюминия концентрация водорода в газовоздушной смеси над поверхностью раствора увеличивается, проходит через максимум и начинает снижаться. При концентрации водорода ниже заданного уровня загрузки от анализатора 9 поступает сигнал дозатору 5, и в галламу 4 подается следующая порция гранул. Процесс повторяется до требуемого извлечения галлия из раствора. После этого дозатор 9 алюминия отключают, и алюминий, содержащийся в галламе 4, полностью переходит в раствор, а концентрация водорода над поверхностью раствора 3 стремится к нулю. Изменение содержания водорода, регистрируемое датчиком 8 и газоанализатором 9, при порционной подаче алюминия в галламу 4 схематически показано на фиг.2.

Для исключения образования взрывоопасной смеси над поверхностью раствора 3 (под крышкой 2 аппарата) подсос воздуха должен быть отрегулирован с помощью заслонки 6 таким образом, чтобы концентрация водорода не превышала 4 об.%. Как уже отмечалось, простой стехиометрический расчет показывает, что при растворении 1 г алюминия выделяется до 1,24 л водорода. С другой стороны, промышленная практика показывает, что одна порция гранулированного алюминия расходуется в среднем за 20 мин. Поэтому для безопасности процесса на каждый грамм алюминия необходим приток воздуха не менее 0,09 м³/ч. С учетом 1,1÷10-кратного превышения этого значения с целью гарантии исключения условий образования гремучей смеси расчетная формула определения подсоса воздуха через заслонку 6 для существующих промышленных аппаратов-цементаторов галлия может быть представлена в виде:

Q K·m,

где Q - приток воздуха, м ³/ч,

K=0,1÷0,9 - коэффициент,

m - масса порции алюминия на каждую подпитку галламы, г.

Пример

Проводили цементацию галлия галламой алюминия из производственного раствора следующего состава, г/л: Na₂O _т 194,7; Na₂O_ку 132,3; Al₂O₃ 42,9; Ga 0,33 в лабораторной электрохимической ячейке объемом 0,8 л, снабженной крышкой с отверстиями, помещенной в лабораторный бокс с вытяжкой. В одном из отверстий крышки ячейки над поверхностью раствора закрепили датчик газоанализатора водорода АВП-01Г, серийно выпускаемого промышленностью. Алюминий в галламу вводили порциями в 1 г. При растворении первой порции алюминия было установлено, что максимальная концентрация водорода составляет в данном случае 0,82 об.%. Далее уровень подпитки галламы алюминием установили на значении 0,4 об.%. Всего загрузили 8 порций алюминия. Среднее время растворения одной порции составило 18 мин, а степень восстановления галлия - 84,8%. Запись концентрации водорода за время опыта, сделанная через интерфейс газоанализатора, совершенно аналогична графику, изображенному на фиг.2, что очевидно позволяет эффективно управлять процессом цементации.

Далее способ испытывался в укрупненно-лабораторном масштабе в течение месяца. Дозатор гранулированного алюминия также управлялся по сигналу газоанализатора водорода АВП-01Г. Установка и настройка контрольно-измерительного оборудования не потребовала каких-либо переделок.

Отказов системы управления дозатором алюминия и связанных с этим технологических нарушений процесса цементации за все время испытаний не было.

Для сравнения следует отметить, что в заводской практике системы с измерением потенциала галламы дают сбои в среднем 2 раза в сутки.

Таким образом, изобретение обеспечивает улучшение управляемости и повышение надежности контроля за процессом цементации галлия галламой алюминия из щелочных растворов.