способ извлечения галлия из щелочных галлийсодержащих растворов

Формула изобретения

Способ извлечения галлия из щелочных галлийсодержащих растворов цементацией, включающий обработку раствора жидким сплавом галлия с алюминием, отличающийся тем, что обработку ведут путем введения под давлением галлийсодержащего раствора в жидкий сплав галлия с алюминием через барботер при перепаде давления в отверстиях барботера 0,01-1 МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии редких металлов и может быть использовано для извлечения галлия из щелочных растворов цементацией жидкими сплавами, например галламой алюминия.

Известен способ извлечения галлия из щелочных галлийсодержащих растворов цементацией галламой алюминия (Авторское свидетельство СССР №305768 МПК С22В, заявл. 09.05.69, опубл. 05.12.77), который предусматривает совмещение процессов приготовления галламы, цементацию галлия при перемешивании со скоростью 150-250 об/мин и применение алюминия в виде гранул. Процесс осуществляется при перемешивании галламы и раствора в общем объеме, что приводит к значительному увеличению размеров устройств для его реализации.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ извлечения галлия из щелочных растворов цементацией на галламе алюминия, реализуемый в устройстве (фазообменнике) полочного типа (Авторское свидетельство СССР №1799926 МПК С22В 58/00, заявл. 08.06.89, опубл. 07.03.93), которое при одинаковой производительности с вышеописанным аналогом занимает в гораздо меньший объем. В этом аппарате реализован принцип противотока галламы и раствора. Однако перекачке независимо друг от друга подвергаются обе жидкие фазы, что усложняет реализацию процесса цементации. Недостатком устройства является также трудность транспортировки сплава из нижней полости корпуса в верхнюю. Перекачка галламы алюминия вне зависимости от типа насоса (центробежного, диафрагмового или индукционного) неизбежно сопровождается всасыванием некоторого количества щелочного раствора, в результате чего в трубопроводе образовывается гидроксид алюминия, который при накоплении на стенках препятствует прохождению галламы.

Задачей изобретения является оптимизация массообмена в процессе цементации галлия галламой алюминия из щелочных растворов, что позволит исключить негативное образование гидроксида алюминия, упростить конструкцию соответствующих устройств, уменьшить их габариты и сократить занимаемые ими производственные площади.

Технический результат достигается тем, что в способе извлечения галлия из щелочных галлийсодержащих растворов цементацией, включающий обработку раствора жидким сплавом, галлийсодержащий раствор вводят в жидкий сплав галлия с алюминием путем барботирования при перепаде давления в отверстиях барботера 0,01-1 МПа.

На чертеже схематически изображен один из возможных вариантов реализации заявляемого способа.

В реактор 1, частично заполненный жидким цементирующим сплавом 2, например галламой алюминия, погружен барботер 3 в виде трубы с заглушенным нижним концом и перфорированной стенкой. Исходный галлийсодержащий раствор 4 подают под давлением через верхний конец барботера 3. Проходя через отверстия барботера, раствор внедряется в массу жидкого металла в виде капель 5, которые всплывают на поверхность цементирующего сплава и одновременно реагируют с ним. Слившиеся над металлом капли представляют собой отработанный раствор 6.

Таким образом, в процессе цементации галлия на галламе алюминия щелочной раствор вводят в жидкий сплав путем барботирования при перепаде давления в отверстиях барботера 0,01-1 МПа. Причем масса жидкого сплава не покидает своего реакционного объема и подвергается интенсивному перемешиванию. При движении пузырьков раствора через слой галламы алюминия создается большая межфазная поверхность.

Такой прием приводит не только к ускорению межфазного обмена, но и к изменению соотношения скоростей конкурирующих процессов восстановления ионов галлия и водорода в пользу выхода целевого продукта. В предложенном способе цементации галлия на галламе алюминия поверхность межфазного обмена так же развита, как и в прототипе, что благоприятно сказывается на самом процессе. Однако отпадает необходимость в специальной транспортировке жидкого сплава и исключаются связанные с этим технические трудности. Соблюдение режимного фактора (перепада давления раствора в отверстиях барботера) в заявляемых пределах, с одной стороны, обеспечивает дробление струй раствора на мелкие капли на выходе из отверстий барботера, т.е. обеспечивает высокую удельную поверхность галламы, а с другой, - препятствует диспергированию жидкого сплава в отработанном растворе при выходе капель на верхнюю границу раздела фаз.

Галлама обогащается гранулированным алюминием в ходе процесса цементации в том же реакционном объеме.

Примеры осуществления способа

Галлий извлекали цементацией галламой алюминия из раствора, содержащего, г/л: 175,6 каустической щелочи, 0,30 галлия и 0,15 пятиокиси ванадия. Раствор с помощью насоса прокачивали снизу через слой галламы алюминия, находящейся в реакторе. Таким образом осуществлялся заявляемый принцип барботирования галламы раствором. Нагнетающий трубопровод был снабжен манометром. Регулирование давления в трубопроводе осуществлялось изменением числа оборотов ротора насоса. Максимальное давление, создаваемое насосом - 0,15 МПа. В установке циркулировало 7 л раствора. Высота столба галламы составила 150 мм. Отработанный раствор периодически отбирали и анализировали на содержание галлия и на основе этих данных рассчитывали извлечение его из раствора.

Результаты опытов сведены в таблицу, из которой следует, что в заявляемом интервале перепада давления в отверстиях барботера (0,01-1 МПа) процесс цементации идет с высокими для данного раствора показателями.

Снижение перепада давления ниже 0,01 МПа приводило к струйному режиму истечения раствора из отверстий барботера и, как следствие, снижению поверхности межфазного обмена, бесполезному «проскоку» раствора через галламу и снижению извлечения. При увеличении перепада давления свыше 1 МПа наблюдались диспергирование галлия и потери его за счет химического растворения (отрицательное извлечение в опыте 5).

Условия и результаты сравнительных опытов
№ опыта	Способ	Перепад давления в отверстиях барботера, МПа	Извлечение галлия по времени (от начала опыта), %
			30 мин	60 мин	90 мин
1	Заявляемый	0,010	29,8	53,3	63,4
2		0,5	51,2	70,1	81,5
3		1,0	38,9	56,7	73,3
4	На запредельные значения	0,05	5,1	9,8	13,7
5		1,1	10,2	0	-6,8

Ни в одном из опытов не отмечено образование гидроксида алюминия, поскольку предлагаемый способ исключает принудительную циркуляцию галламы через систему трубопроводов. Соответственно отсутствие циркуляционного насоса для перекачки галламы упрощает способ, делает более рациональной и компактной конструкцию любого устройства для его реализации.

Предлагаемый способ позволяет оптимизировать массообмен процесса цементации галлия галламой алюминия, упростить устройства для его осуществления и сэкономить производственные площади.