Электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов процесса байера

Предлагаемая полезная модель относится к металлургии цветных и редких металлов и может быть использована для электролитического извлечения из водных растворов галлия. Предлагается электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов процесса Байера, содержащий стальной корпус с наклонным с двух сторон днищем, в центре которого расположена горизонтальная площадка со сливным отверстием, разделенный по крайней мере, одной поперечной стальной перегородкой, нижняя часть которой расположена на 30-50 мм выше днища, на секции, в которых равноудалено от перегородок или от перегородки и торцевой стенки корпуса установлено нечетное число электродов в виде коробчатых водоохлаждаемых катодов, одинаковой длины с поперечными перегородками, и одинарных пластинчатых анодов, установленных крайними, или «П»-образными анодов, установленными средними, все аноды имеют фиксаторы положения, защищенные электроизоляционными колпачками, все электроды снабжены медными штангами, контактные концы которых установлены в поперечные пазы медных токонесущих шин, и укреплены в них зажимным устройством, нерабочие укороченные концы штанг свободно установлены в поперечные пазы электроизоляционных пластин, с установленными в торцевых секциях устройствами для промывки корпуса, укрытого съемным колпаком в форме полусферы, установленным на торцевых стенках корпуса и штангах электродов, соединенным с системой газоотсоса и включающим сварной каркас из полипропиленовых трубок, в нижней части стянутый стальными стержнями, покрытый тонкими гибкими листами пластмассы, например, из стеклотекстолита, с проемом над нижней опорной горизонтальной трубкой каркаса, отличающийся тем, что корпус с отношением длины продольных и поперечных стенок равным (2,0-2,1):1 разделен продольной стальной перегородкой на две равные части, каждая из которых разделена поперечными перегородками на секции с отношением длины и ширины сторон, равном 1:(0,6-0,7), электроды в секциях расположены симметрично по обе стороны от продольной перегородки и разделены на две равные части указанной перегородкой, при этом аноды на 10-20 мм длиннее, чем поперечная перегородка и катоды, пластины анодов в верхней части соединены с обоих концов сверху короткими перемычками со спусками со штангой электрода и крепежным стержнем, в средней по высоте части пластины анодов имеют окна шириной 40-50 мм. Производительность электролизера в пересчете на 1 м ³ электролизера на 53% выше аналога, а расход электроэнергии, кА·час/кг галлия снижается более чем в 2,5 раза, существенно сократился расход реагентов на 1 кг товарного галлия. Большая часть полученного товарного галлия имеет чистоту 99,9999% без использования специального рафинирования металла. Степень пенообразования снижается на 60% .

Предлагаемая полезная модель относится к металлургии цветных и редких металлов и может быть использована для электролитического извлечения из водных растворов галлия.

Известен электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов процесса Байера, содержащий стальной корпус с наклонным с двух сторон днищем, в центре которого расположена горизонтальная площадка со сливным отверстием, разделенный по крайней мере, одной поперечной стальной перегородкой, нижняя часть которой расположена на 30-50 мм выше днища, на секции, в которых равноудалено от перегородок или от перегородки и торцевой стенки корпуса установлено нечетное число электродов в виде коробчатых водоохлаждаемых катодов и одинарных пластинчатых анодов, установленных крайними, все аноды имеют фиксаторы положения, защищенные электроизоляционными колпачками, все электроды снабжены медными штангами, контактные концы которых установлены в поперечные пазы медных токонесущих шин, и укреплены в них зажимным устройством, нерабочие укороченные концы штанг свободно установлены в поперечные пазы электроизоляционных пластин, при этом отношение длины и ширины в каждой секции равно 2,1-2,4, в торцевых секциях установлены устройства для промывки корпуса, электроды равноудалены от перегородок или от перегородки и торцевой стенки на расстояние 50-75 мм, а от продольных стенок на расстояние 40-50 мм, выше днища корпуса - на 30-50 мм и ниже уровня электролита, установившегося в процессе проведения электролиза,- на 20-40 мм, средние аноды имеют «П»-образный профиль, причем высота электродов и перегородок одинакова, а межэлектродный зазор равен 25-35 мм, а электролизер укрыт съемным колпаком в форме полусферы, установленным на торцевых стенках корпуса и штангах электродов, соединенный с системой газоотсоса и включающим сварной каркас из полипропиленовых трубок, в нижней части стянутый стальными стержнями, покрытый тонкими гибкими листами пластмассы, например, из стеклотекстолита, с проемом над нижней опорной горизонтальной трубкой каркаса (патент RU 106248, МПК С22B 58/00, 2011 год).

Недостатками известного электролизера являются недостаточная производительность электролизера, а также высокое пенообразование.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать конструкцию электролизера, обеспечивающую повышения производительности и позволяющую снизить степень пенообразования.

Поставленная задача решена в электролизере, предлагаемой конструкции, содержащем стальной корпус с наклонным с двух сторон днищем, в центре которого расположена горизонтальная площадка со сливным отверстием, разделенный по крайней мере, одной поперечной стальной перегородкой, нижняя часть которой расположена на 30-50 мм выше днища, на секции, в которых равноудалено от перегородок или от перегородки и торцевой стенки корпуса установлено нечетное число электродов в виде коробчатых водоохлаждаемых катодов, одинаковой длины с поперечными перегородками, и одинарных пластинчатых анодов, установленных крайними, и «П»-образными анодов, установленными средними, все аноды имеют фиксаторы положения, защищенные электроизоляционными колпачками, все электроды снабжены медными штангами, контактные концы которых установлены в поперечные пазы медных токонесущих шин, и укреплены в них зажимным устройством, нерабочие укороченные концы штанг свободно установлены в поперечные пазы электроизоляционных пластин, с установленными в торцевых секциях устройствами для промывки корпуса, укрытого съемным колпаком в форме полусферы, установленным на торцевых стенках корпуса и штангах электродов, соединенным с системой газоотсоса и включающим сварной каркас из полипропиленовых трубок, в нижней части стянутый стальными стержнями, покрытый тонкими гибкими листами пластмассы, например, из стеклотекстолита, с проемом над нижней опорной горизонтальной трубкой каркаса, в котором корпус с отношением длины продольных и поперечных стенок равным (2,0-2,1):1 разделен продольной стальной перегородкой на две равные части, каждая из которых разделена поперечными перегородками на секции с отношением длины и ширины сторон, равном 1:(0,6-0,7), электроды в секциях расположены симметрично по обе стороны от продольной перегородки и разделены на две равные части указанной перегородкой, при этом аноды на 10-20 мм длиннее, чем поперечная перегородка и катоды, пластины анодов в верхней части соединены с обоих концов сверху короткими перемычками со спусками со штангой электрода и крепежным стержнем, в средней по высоте части пластины анодов имеют окна шириной 40-50 мм.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов предлагаемой конструкции.

Использование в конструкции электролизера корпуса с определенным соотношением длины и ширины, разделенного стальной продольной перегородкой, доходящей до дна корпуса, на две равные части и разделяющей на две равные части помещенные в корпус электроды, а также изменение конструкции «П»-образных анодов позволяет:

уменьшить расстояние, которое проходят анионы галлата и цинката из глубины электролита от анодов к катодам до 50 мм, что наряду с лучшим распределением тока в секциях позволит сократить продолжительность операции основного электролиза до 2-х часов, а также увеличить производительность за счет повышения на 20-25% суточной наработки галлия;

- снизить толщину пены с 80 мм до 50-60 мм.

На фиг 1 показан электролизер с перегородками, вид спереди и сверху; на фиг. 2 - электролизер, вид сверху, разделение на секции с расположенными в них электродами, с токонесущими медными шинами и электроизоляционными (опорными) пластинами; на фиг. 3 - электролизер, вид по стрелке А, трубчатая основа водоохлаждаемого катода; на фиг. 4 - "П"-образный анод, вид сбоку, со штангами, без верхней перемычки с крепежным стержнем.

Электролизер включает стальной прямоугольный корпус, состоящий из продольных 1 и поперечных торцевых стенок 2 с отношением длины продольных и поперечных стенок равным (2,0-2,1):1. Корпус разделен глухой продольной стальной перегородкой 3 от днища корпуса на высоту, превышающую на 100-150 мм максимальный уровень электролита 9 с пеной на две равные части - отсеки 4, каждая из которых разделена поперечными перегородками 5 на секции 6 с отношением длины и ширины сторон, равном 1:(0,6-0,7). Два днища 7 корпуса имеют наклон от продольных стенок 1 к центру, в котором имеется горизонтальная площадка 8 со сливными отверстиями 11. С обеих сторон корпуса расположены промывные устройства 12. В секциях 6 параллельно торцевым сторонам 2 корпуса расположен блок электродов 14, включающий два крайних одинарных пластинчатых анода 15, коробчатые водоохлаждаемые катоды 16 и «П»-образные аноды 17, установленные с межэлектродным зазором 25-35 мм. Перегородки 5 и катоды 16 имеют одинаковую длину, аноды 17 внизу длиннее на 10-20 мм. В «П»-образных анодах 17 в верхней части пластины соединены короткими перемычками 31, к которым крепятся три стальных подвеса 23, присоединенные к анодной штанге 28. В пластинах анодов 17 в средней части имеются окна 30 шириной 40-50 мм. В нижней части пластины анодов 17 скреплены стальными фиксаторами положения 32, концы которых защищены электроизоляционными колпачками 33. Анод 17 крепится крепежным стержнем 34. Подвод тока к электродам односторонний - через катодную токоподводящую шину 18 и через анодную токоподводящую шину 19. Рабочие концы штанг электродов, а именно катодную штангу 22 и анодную штангу 28, установлены в пазы 21 токоподводящих шин соответствующей полярности, каждая из них в контактах шина-штанга закрепляется зажимным устройством 24. Нерабочие укороченные концы штанг 22 и 28 уложены в пазы электроизоляционных пластин 20, установленных вне корпуса. Растворы в отсеки 4 поступают через подающие линии 13. Электролизер укрыт съемным колпаком в форме полусферы, установленным на торцевых стенках корпуса и штангах электродов, соединенным с системой газоотсоса и включающим сварной каркас из полипропиленовых трубок, в нижней части стянутый стальными стержнями, покрытый тонкими гибкими листами пластмассы, например, из стеклотекстолита, с проемом над нижней опорной горизонтальной трубкой каркаса. Материал рабочих частей: катода - нержавеющая сталь, например марки 1X18Н9Т; анод-никель.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Для электролиза используются смеси щелочно-алюминатных растворов процесса Байера, полученные, например, при переработке сульфидсодержащих бокситов. Составы исходных растворов, в среднем, кг/м³: маточные растворы после выделения из них гидроксида алюминия: 150-160 оксида натрия, 76 оксида алюминия, 0,23 галлия, 0,04 оксида цинка, 0,15 пятиокиси ванадия, 0,005 оксида железа (3), 0,003 марганца, 0,20 сульфид-иона, 0,69 тиасульфит-иона, 1,45 органики; оборотные растворы после упаривания маточных растворов и выделения из них соды: 310-320 оксида натрия, 153 оксида алюминия, 0,46 галлия, 0,07 оксида цинка, 0,32 пятиокиси ванадия, 0,01 оксида железа (3), 0,005 марганца, 0,40 сульфид-иона, 1,38 тиасульфит-иона, 2,9 органики; (соединения серы даны в пересчете на элементарную серу, органические вещества - в пересчете на концентрацию O₂, пошедшего на окисление раствора бихроматом калия в присутствии серебра).

Смесь растворов подвергают неглубокой очистке кислородом воздуха и известью, после чего в нее добавляют цинк в виде цинката натрия до концентрации 0,25-0,35 кг/м₃ ZnO.

В предлагаемом устройстве проводят несколько операций электролиза и концентрирования галлия. Основные из них: выделение из растворов катодного цинк-галлиевого осадка и его растворение, операция повторяется многократно для концентрирования в растворе галлия для последующих операций восстановления и очистки галлия.

В корпус электролизера со специально подготовленными катодами 16 заливают электролит 10, приготовленный из смеси растворов после очистки ввода цинка. Электрический нестационарный пульсирующий ток от преобразователя тока подают на анодную шину 19 и через анодную штангу 28 на аноды 15 и 17, далее через электролит 10 на катоды 16, на которых осаждается цинк-галлиевый сплав, и далее через катодную штангу 22 на катодную шину 18 в цепь преобразователя тока. После окончания электролиза отработанный электролит сливают под током, промывают корпус устройствами 12 и растворяют обратным током катодный цинк-галлиевый осадок в щелочном оборачивающемся принимающем растворе.

Производительность электролизера в пересчете на 1 м³ электролизера на 53% выше аналога, а расход электроэнергии, кА·час/кг галлия снижается более чем в 2,5 раза, существенно сократился расход реагентов на 1 кг товарного галлия. Большая часть полученного товарного галлия имеет чистоту 99,9999% без использования специального рафинирования металла. Степень пенообразования снижается на 60%.

Электролизер для извлечения галлия из щелочно-алюминатных растворов процесса Байера, содержащий стальной корпус с наклонным с двух сторон днищем, в центре которого расположена горизонтальная площадка со сливным отверстием и который разделен по крайней мере одной поперечной стальной перегородкой, нижняя часть которой расположена на 30-50 мм выше днища, на секции, в которых равноудаленно от перегородок или от перегородки и торцевой стенки корпуса установлено нечетное число электродов в виде коробчатых водоохлаждаемых катодов одинаковой длины с поперечными перегородками и одинарных пластинчатых анодов, установленных крайними, или "П"-образных анодов, установленных средними, причем все аноды имеют фиксаторы положения, защищенные электроизоляционными колпачками, все электроды имеют медные штанги, контактные концы которых установлены в поперечные пазы медных токонесущих шин, и укреплены в них зажимным устройством, а нерабочие укороченные концы штанг свободно установлены в поперечные пазы электроизоляционных пластин, с установленными в торцевых секциях устройствами для промывки корпуса, укрытого съемным колпаком в форме полусферы, установленным на торцевых стенках корпуса и штангах электродов, соединенным с системой газоотсоса и включающим сварной каркас из полипропиленовых трубок, который в нижней части стянут стальными стержнями и покрыт тонкими гибкими листами пластмассы из стеклотекстолита, с проемом над нижней опорной горизонтальной трубкой каркаса, отличающийся тем, что корпус выполнен с отношением длины продольных и поперечных стенок, равным (2,0-2,1 ):1, и разделен продольной стальной перегородкой на две равные части, каждая из которых разделена поперечными перегородками на секции с отношением длины и ширины сторон, равным 1:(0,6-0,7), при этом электроды в секциях расположены симметрично по обе стороны от продольной перегородки и разделены на две равные части указанной продольной перегородкой, причем аноды выполнены на 10-20 мм длиннее, чем поперечная перегородка и катоды, а пластины анодов в верхней части соединены с обоих концов сверху короткими перемычками со спусками со штангой электрода и крепежным стержнем, при этом в средней по высоте части имеют окна шириной 40-50 мм.