Способ рафинирования легкоплавких металлов

 

Использование: рафинирование легкоплавких металлов электролизом через ионопроводную диафрагму из пористого диэлектрика, пропитанного расплавленным электролитом. Сущность: электролиз осуществляют при температуре, на 30 - 60°С превышающей точку плавления рафинируемого металла, с введением в межэлектродное пространство дополнительного слоя диэлектрика, имеющего объемную пористость 75 - 90%. 2 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электрохимическим методам получения и очистки легкоплавких цветных металлов, и может быть использовано на промышленных предприятиях, производящих индий, олово, свинец, висмут. Известно техническое решение, позволяющее рафинировать легкоплавкие цветные металлы в электролизерах, в которых один из электродов отделен от расплавленного электролизера с помощью пористого диэлектрика, проницаемого для солевого расплава и непроницаемого для жидких металлов. Недостаток данного решения невысокая степень очистки металлов. Недостатки известного способа в значительной мере устранены в способе получения и рафинирования легкоплавких цветных металлов, согласно которому электролиз ведут через пористый диэлектрик при отношении объема электролита к площади анодного металла равном 1:(2-20) и напряженности электрического поля в создаваемом электролитном слое 2-30 В/см. Известный способ обеспечивает высокое качество очистки металлов, однако очень незначительное количество используемого расплава требует строгого соблюдения заданного режима и условий электролиза. В противном случае нарушается режим массопереноса через пористый диэлектрик и качество очистки ухудшается. В процессе длительной эксплуатации нарушается селективность массопереноса основного компонента за счет испарения электролита из пор диафрагмы, образования и диспропорционирования субионов (ионов низшей валентности), образования оксисоединений, что приводит к частичной "металлизации" диафрагмы (потери ионной проводимости) и к потере металлофобности диафрагмы. Ионы примесных металлов при этом, проникая через поры диафрагмы напрямую, разряжаются на катоде. Кроме того, возможно механическое просачивание черного металла через диафрагму на катод. Все это приводит к снижению надежности процесса электролиза и падению рафинировочных показателей (чистоты металла, степени очистки выхода по току). Целью изобретения является повышение показателей процесса за счет повышения очистки и выхода по току. Поставленная цель достигается тем, что электролиз осуществляют при температуре, на 30-60^оС превышающей точку плавления рафинируемого металла, с введением в межэлектродное пространство дополнительного слоя диэлектрика, имеющего объемную пористость 75-90% Общеизвестно, что перенос металлов с анода на катод при электролизе реализуется за счет трех факторов (трех потоков вещества): диффузии, миграции и конвекции. Кроме того, существенное влияние на массоперенос оказывает возникновение диссипативных структур на межфазных границах жидкий электрод-электролит (так называемый макроэффект Марангони). Если на первый фактор (диффузия) электрическое поле (плотность тока, напряженность поля) не оказывает существенного влияния, то вторые два (миграция, конвекция) существенным образом зависят от него. Большое влияние на диффузионный и конвективный потоки вещества оказывает температура. Сущность предлагаемого способа состоит в том, что электролиз осуществляют с введением в межэлектродное пространство дополнительного пористого диэлектрика, пропитанного электролитом, со значительно объемной пористостью по сравнению с основной ионопроводной диафрагмой и процесс ведут при температуре, на 30-60^оС превышающих точку плавления рафинируемого металла. При такой реализации способа электролит, находящийся в порах дополнительного пористого диэлектрика, подпитывает расплавом поры основной ионопроводной диафрагмы, чем обеспечивает стабильность селективного массопереноса основного компонента (целевого рафинируемого металла), и высокий выход по току в то же время устраняет попадание ионов примесных металлов на катод за счет конвекции. Кроме того, ионы примесных металлов рассеиваются по объему электролита в порах дополнительного диэлектрика, чем уменьшается их концентрация на поверхности основной ионопроводной диафрагмы со стороны анода, что повышает степень очистки и качество катодного целевого продукта. Функция дополнительного диэлектрика отличается от назначения основной ионопроводной диафрагмы. Если основная диафрагма имеет объемную пористость 40-55% и обеспечивает разделение электродных пространств (несмешивание катодного и анодного продуктов), то дополнительный пористый диэлектрик имеет объемную пористость 75-90% (т.е. в 1,5-2,0 раза больше) и не обеспечивает разделения электродных пространств, поскольку металл свободно протекает через него. Дополнительный пористый диэлектрик обеспечивает подпитку электролитом основной ионопроводной диафрагмой, уменьшает концентрацию ионов примесных металлов на границе раздела фаз и устраняет конвективный перенос примесей, чем обеспечивает достижение положительного эффекта, который был указан выше. Если объемная пористость дополнительного диэлектрика будет меньше чем 75% то он не сможет удерживать достаточное количество электролита для подпитки основной диафрагмы и кроме того будет создавать затруднения для массопереноса основного компонента, что приводит к снижению рафинировочных показателей. Если объемная пористость дополнительного диэлектрика будет превышать 90% он не сможет устранить конвективный перенос примесей на катод, что приводит к снижению чистоты и степени очистки целевого металла. Поскольку диффузионный поток массопереноса не зависит от плотности тока и потенциала, а в значительной мере определяется температурой, электролиз ведут в определенном температурном интервале. Экспериментально определено, что чистота катодного металла, а следовательно и перенос примесей с анода на катод, определяется диффузией не только в солевой фазе, но и в жидких металлических фазах обоих электродов (отвод и доставка примесей к межфазной границе). Установлено, что при условиях электролиза, составляющих сущность предлагаемого способа, минимальный перенос примесей с анода на катод наблюдается, если перенос вести в температурном интервале на 30-60^оС превышающем точку плавления рафинируемого металла. Если осуществлять процесс электролиза при температурах, менее чем на 30^оС превышающих точку плавления рафинируемого металла, в этом случае пограничный слой анодного металла на границе с ионопроводной диафрагмой будет обогащен примесями, что приводит к совместной ионизации их с основным компонентом, повышенному проникновению в межэлектродное пространство, а затем и на катод, что снижает рафинировочные показатели электролиза. Это обусловлено тем, что при этих значениях температуры затруднен отвод примесей вглубь анодного металла с пограничного слоя и приток основного металла из глубины к границе раздела фаз. Если осуществить процесс электролиза при температурах, превышающих более чем на 60^оС температуру плавления рафинируемого металла, то это вызывает появление конвекции в порах дополнительного диэлектрика (большая пористость), и как следствие, повышению концентрации в прикатодной зоне межэлектродного пространства, что ведет к снижению качества очистки. Кроме того, при этом ускоряется испарение электролита из межэлектродного пространства. В предлагаемом способе электролиз осуществляют с введением в межэлектродное пространство дополнительного пористого диэлектрика, пропитанного электролитом: объемная пористость дополнительного диэлектрика составляет 75-90% температура осуществления способа на 30-60^оС превышает точку плавления рафинируемого металла. Примеры конкретного выполнения способа и существенность его параметров для достижения поставленной цели проиллюстрированы на примерах рафинирования индия и свинца (табл.1 и 2). 1. Рафинирование индия. Для рафинирования был взят черновой металл, содержащий, мас. свинец 0,02; олово 0,01; медь 0,002. Черновой металл наплавляли в цилиндрической емкости. На поверхности расплавленного металла помещали вырезанный по диаметру емкости круг из пористого материала (например, МКТ-5,3 БА), состоящего из переплетенных кремнеземных волокон, Толщина данного материала составляет порядка 5 мм. Пористый материал насыщали расплавленной солевой смесью следующего состава, мас. Хлорид индия 40 (электро- моторный компонент) Хлорид цинка 52 Хлорид калия 8 На поверхность пропитанного расплавом диэлектрика устанавливали катодную емкость, основание которой было выполнено из тканевого материала толщиной порядка 0,5 мм. Электролиз вели при разной пористости диэлектрических материалов и разных температурах. Пористость материалов изменяли подбором материалов разных марок, а также удалением волокон из фактуры материала. Результаты опытов приведены в табл. 1. Для сравнения в этой же таблице приведены показатели рафинирования по прототипу. 2. Рафинирование свинца. Для очистки был взят свинец, содержащий 1,1% висмута. Электролиз вели в ячейке аналогичной выше описанной с материалами разной пористости, при разных температурах. В качестве расплава-электролита для пропитки пористых материалов использовали смесь следующего состава, мас. Хлорид свинца 38,0 (электро- моторный компонент) Хлорид цинка 31,8 Хлорид калия 15,5 Хлорид натрия 14,7 Данные по электролизу приведены в табл.2. Здесь же для сравнения приведены результаты очистки свинца по прототипу. Из приведенных в табл.1 и 2 данных следует, что соблюдение заданных параметров электролиза (температура, пористость материалов, разделяющих жидкие электроды) обеспечивает достижение поставленной цели. Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения по сравнению с известным состоит в следующем: за счет повышения качества очистки металлов предлагаемый способ позволяет производить цветные металлы высшей сортности, за одну операцию электролиза, с высоким выходом по току; применение дополнительного слоя диэлектрического материала в среднем в 2-2,5 раза увеличивает срок безремонтной эксплуатации электролизера;
способ упрощает технологическое обслуживание промышленных установок за счет исключения операций контроля за напряженностью электрического поля, за соотношением между объемом электролита и поверхностью рабочего контакта между электродами.

Формула изобретения

СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ ЛЕГКОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ, включающий электролиз через ионопроводную диафрагму из пористого диэлектрика, пропитанного расплавленным электролитом, отличающийся тем, что, с целью повышения показателей процесса за счет повышения степени очистки и выхода по току, электролиз осуществляют при температуре, на 30 60^oС превышающей точку плавления рафинируемого металла, с введением с межэлектродное пространство дополнительного слоя диэлектрика имеющего объемную пористость 75-90%

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---