Способ извлечения галлия из отходов электролитического рафинирования алюминия

Способ извлечения галлия из отходов электролитического рафинирования алюминия

Реферат

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 Na₂СО₃ 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, %
1по заявляемому способу	Ударным воздействием (в центробежной мельнице)	98,0
2по заявляемому способу	Ударным воздействием (в роторной дробилке)	98,5
3для сравнения	Измельчением путем истирания (в дисковом истирателе)	85,1
4для сравнения	Измельчением путем раздавливания (в щековой дробилке)	82,9
5для сравнения	Ударным воздействием (в роторной дробилке) до размера частиц -3 мм	83,6
6для 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.

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.