Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ ИНДИЯ ИЗ РАСПЛАВЛЕННЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электрохимическим методам выделения металлов из расплава.

Известен электролизер для рафинирования легкоплавких металлов [1. Авт. св. СССР №1482248], в котором в электрообогреваемой анодной ванне размещена катодная ванна с дном из пористой кварцевой ткани, т.е. катод и анод разделены пористой диэлектрической диафрагмой, а плоский токоподвод закреплен по оси.

Недостаток этого электролизера в том, что требует повышенные затраты на контроль своевременного погружения катодной ячейки при уменьшении уровня анодного металла в процессе электролиза, а также обеднение по индию поверхности анодного слоя под катодом и за счет этого повышенный переход электроположительных примесей на катод.

Известен электролизер [2. Пат. России №2463388], принятый за прототип, в котором катодная ванна выполнена в виде перфорированного цилиндра, на котором закреплено два слоя диафрагмы из кварцевой ткани, и вертикально погружена в сплав анодной ванны, снабженной мешалкой, а внутри катодной ванны на дно из диафрагмы вставлена чаша, закрепленная на катодном токоподводе.

Недостаток указанного электролизера в том, что в анодной ванне недостаточно равномерное перемешивание из-за локального размещения мешалки. Со стороны диафрагмы, противоположной от размещения мешалки, значительно слабое перемешивание. Влияние интенсивности перемешивания сказывается в электролизере по прототипу на сплавах, содержащих кроме висмута еще олово и свинец. Например, на поверхности диафрагмы в анодной ванне содержание индия в анодном сплаве 0,05%, в то время как у стенки анодной ванны еще составляет 0,12% индия. Поэтому при электролизе индийсодержащего свинцово-оловянного сплава катодный сплав загрязняется свинцом и оловом, повышая выход промпродукта.

Цель изобретения повысить селективность экстрагирования индия из сплава путем обеспечения равномерности перемешивания анодного сплава по всей поверхности диафрагмы. Целью также является повышение производительности путем анодной и катодной поверхности и параллельное их размещения.

Сущность предлагаемого электролизера состоит в том, что электролизер, содержащий обогреваемые анодную ванны и катодную ванну из перфорированного цилиндра, покрытого двумя слоями диафрагмы из кварцевой ткани и с чашей внутри, еще дополнительно снабжен насосом для перемешивания циркуляцией анодного сплава. Это обеспечивает интенсивное перемешивание анодного сплава со всех сторон катодной ванны.

Электролизер снабжен анодным экраном в виде цилиндра с кольцевым карманом, в котором по всему периметру стенка цилиндра снабжена отверстиями для орошения диафрагмы анодным сплавом. Это позволяет разместить анодную поверхность параллельно катодной поверхности и повысить поверхность их контакта. Устраняет неоднородность перенапряжений между вертикальной поверхностью анода и горизонтальной поверхностью катода (как в прототипе) и тем самым обеспечивает повышение разделения индия от электроположительных элементов.

Катодная ванна электролизера погружена в корзину наружной диафрагмы из кварцевой ткани с зазором между цилиндрическим экраном для циркуляционного орошения наружной диафрагмы анодным сплавом. Это обеспечивает стабильность зазора и сплошность пленки стекающего анодного сплава. Тем самым устраняется неоднородность перенапряжений и обеспечивается повышение разделения индия от электроположительных элементов.

Катодная ванна электролизера выполнена в виде цилиндра с перфорацией в средней части, на которой плотно закреплена внутренняя диафрагма с зазором от наружной диафрагмы для электролита, а снизу на дне перфорированный цилиндр герметично соединен с чашей для сбора катодного сплава. Это обеспечивает стабильность пропитки диафрагм и селективность диффузии ионов индия.

В качестве катода на стенку катодной ванны вертикально подвешивают катодные пластины из цинкового сплава. Это повышает катодную поверхность, обеспечивает селективность диффузии ионов индия и упрощает обслуживание путем замены пластин.

Катодные пластины выполнены из сплава цинка с 1-5% магнием. Это повышает выход индия в катодный сплав и снижает накапливание индия в электролите.

Технический результат указанных признаков в совокупности достигается тем, что повышается равномерность перемешивания анодного сплава, повышается анодная и катодная площадь, уменьшается и стабилизируется зазор между поверхностью анода и катод.

Технический результат предлагаемого электролизера с указанными признаками в совокупности выражается в том, что снижается переход электроположительных примесей в катодный металл, повышается селективность разделения, снижается выход промпродукта, повышается удельная производительность и упрощается обслуживание.

На Фиг. 1 приведен общий вид электролизера.

Электролизер включает анодную ванну 1 из нержавеющей стали для исходного сплава, снабженную электронагревателем 2 с регулятором температуры. В анодную ванну 1 погружен насос 3 для циркуляционного перемешивания анодного сплава.

На дно анодной ванны 1 свободно устанавливается анодный экран 4 в виде цилиндра с кольцевым карманом 5 в верхней части, в котором по всему периметру в стенке цилиндра 4 просверлены отверстия 6 для орошения анодного сплава, а в нижней части выполнены щели перетока сплава. Установку насоса 3 совмещают по уровню с карманом 5 орошения диафрагмы, чтобы обеспечивать заливку сплава в карман.

С помощью держателя 7 из изоляционного материала в ванну 1 погружают обичайку 8 для корзины наружной диафрагмы 9 из кварцевой ткани, например марки КТ-11с8\3ТО, плотно закрепляют хомутом 10 на обичайке 8, укрепленной на держателе 7. Обичайка 8 и анодный цилиндр 4 изготовлены и взаимно установлены с зазором 1-2 мм.

Корзина наружной диафрагмы 9 из кварцевой ткани, плотно герметизированная термостойким герметиком ВГО-1 в стыках, одновременно служит электроизоляцией между анодным сплавом и ванной катодной ячейки.

Через обичайку 8 устанавливают фланец 11 на изолятор 12. Цилиндр 13 катодной ванны снабжен окнами 14 для загрузки электролита в зазор к диафрагме 9. Фланец 11 соединен к отрицательному полюсу постоянного источника тока. В средней части цилиндр 13 выполнен перфорированным 15 (из нержавеющей сетки). На нижней части перфорированный цилиндр 15 герметично соединен на дне с ванной 16. На перфорированную область цилиндра 15 плотно закреплена внутренняя диафрагма 17 из кварцевой ткани с помощью хомута 18 в верхней части и хомутом 19 в нижней части. Стыки герметизированы термостойким герметиком ВГО-1.

На цилиндр 13 подвешивают штифтами 20 катодные пластины 21 из цинкового сплава.

Во внутрь катодной ячейки 13-16 опускают чашу 22 с фиксатором 23. Анодная ванна 1 заполняется легкоплавким сплавом, содержащим свинец, олово, висмут и электроотрицательный металл индий по уровень 24. В нижней части цилиндр анодного экрана 4 снабжен щелями 25 для перетока сплава.

Электролизер работает следующим образом.

В анодную ванну 1 (Фиг. 1) подвешивают погружной насос 3. Затем на дно анодной ванны 1 свободно ставят анодный экран 4 в виде цилиндра с кольцевым карманом 5 в верхней части. В кольцевом кармане 5 по всему периметру в стенке анодного экрана 4 просверлены отверстия 6. Установку насоса 3 совмещают по уровню с карманом 5, чтобы обеспечивать заливку сплава в карман для орошения наружной диафрагмы 9. Внизу стекающий сплав через щели 25 перетекает в область работы насоса для циркуляции.

С помощью держателя 7 из электроизоляционного материала в анодную ванну 1 погружают обичайку 8 для корзины наружной диафрагмы 9 из кварцевой ткани, которую плотно закрепляют хомутом 10 на обичайке 8, укрепленной на держателе 7. Обичайка 8 и цилиндр анодного экрана 4 изготовлены и концентрично взаимно установлены с зазором 1-2 мм. Через обичайку 8 устанавливают фланец 11 на изолятор 12 катодной ванны в виде цилиндра 13, перфорированного в средней части 15 и соединенного с ванной 16 на дне. На перфорированную область 15 цилиндра плотно закреплена внутренняя диафрагма 17 из кварцевой ткани с помощью хомутов 18, 19. На цилиндр подвешивают штифтами 20 катодные пластины 21 из цинкового сплава. Во внутрь катодной ячейки 13, 15, 16 опускают чашу 22 с фиксатором 23.

В зазор между слоями диафрагмы 9, 17 заливают электролит через окна в цилиндре 14 до уровня выше кольцевого кармана 5. Электролит готовят расплавлением смеси солей 74-70% хлористого цинка, 16-18% хлористого калия, 10-12% хлористого натрия. Электролит смачивает ткань диафрагмы для обеспечения ее способности переноса ионов металлов. Ткань не смачивается металлом и не проницаема для металла. В анодную ванну 1 порциями загружают исходный сплав, расплавляют до наполнения ванны 1 и выдерживают температуру. 340-360°C.

Включают насос 3 для непрерывного наполнения кармана 5 орошения сплава. Насос 3 непрерывно закачивает сплав со дна ванны в карман 5, из которой сплав непрерывно стекает по наружной диафрагме 9. Насос 3 поддерживает уровень сплава в кармане 5, из которого через отверстия 6 стекает по зазору между цилиндром анодного экрана 4 и тканью диафрагмы 9. Через электроды включают постоянный ток напряжением 1-10 В с плотностью тока 0,05-0,2 А/см². Стекающий слой сплава находится под потенциалом анодного сплава. Непрерывная пленка сплава на диафрагме создает более равномерное распределение индия в анодном сплаве, снижая обеднение придиафрагменного слоя.

Катионы индия диффундируют через капилляры ткани в электролит через зазор между цилиндром анода 4 и наружной диафрагмой 9. Более положительные олово, висмут, как правило, в присутствии индия не ионизируются. Катионы индия диффундируют к катоду, разряжаются, как в перфорации цилиндра, так и на катодных цинковых пластинах, и стекают в чашу 23. По мере наполнения катодной ванны 16 сплавом индия чашу 23 периодически извлекают и выливают сплав индия. Электролиз продолжают до снижения содержания индия в анодном сплаве до 0,1% с получением катодного чернового индия. Затем электролиз продолжают до содержания индия 0,01% в анодном сплаве, что отмечается перепадом напряжения на приборах контроля электролиза и получают оборотный промпродукт, содержащий свинец, олово.

Пример. В электрообогреваемую анодную ванну опытного электролизера диаметром 16 см, высотой 10 см из нержавеющей стали вставлен анодный экран диаметром 7 см, высотой 7 см. В анодную ячейку вставлена корзина из нержавеющей сетки с закрепленной хомутом кварцевой тканью и катодная ячейка из нержавеющей сетки с кварцевой тканью KT 11с8\3ТО с герметиком ВГ01. В анодной ванне наплавлено 8,2 кг исходного металла состава, вес %: ндий - 0,9; свинец - 67,8; олова - 29,7; висмут - 1,6. В зазор между диафрагмами загружено 100 г электролита, предварительно проплавленной смеси солей 70% хлористого цинка, 18% хлористого калия, 12% хлористого натрия. Электролиз проводился при температуре 270°C, в течение 60 мин при напряжении 2 В, силе тока 13 А с модельным наполнением кармана анодного экрана сплавом.

Снято с катодной чаши 80 г катодного чернового индия, содержащего 93% индия, 2,1% олова, 2,9% свинца, 2% цинка. Процесс электролиза продолжен на второй стадии 15 мин для доочистки анодного сплава до содержания индия 0,01%. Получено 20 г оборотного промпродукта, содержащего 1% индия, 28% олова, 69% свинца, 2% цинка. Выход индия в промпродукт 0,3%. Общее извлечение индия из исходного анодного сплава 98,8%.

Производительность по переработке исходного сплава 6,6 кг\ч.

Электролизер позволяет снизить выход промпродукта, повысить извлечение индия из анодного сплава и повысить производительность по переработке индийсодержащих отходов.

Источники информации

1. Авт. св. СССР №1482248. Дьяков В.Е., Мелехин В.Т., Корюков Ю.С., Зарубицкий O.Г., Дугельный А.П., Яковлев М.А. Электролизер для рафинирования легкоплавких металлов. МКИ C25С 7\00, опубл. 01.22.89.

2. Пат. России №2463388 от 01.08.2011. Дьяков B.E. Электролизер извлечения индия из расплавов. МПК С25С 7\04.