Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для получения гидроксида алюминия

Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к получению гидроксида алюминия из металлического алюминия окислением.

Известно устройство для получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода, основными компонентами которого являются: регулируемый источник суспензии мелкодисперсного порошкообразного алюминия с водой со смесителем, реактор, регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода и регулируемый клапан отвода гидроксидов или оксидов алюминия [пат. RU 2278077 С1, кл. C01F 7/42; С01В 3/10, опубл. 20.06.2006]. Получение гидроксидов или оксидов алюминия в данном устройстве происходит за счет окисления порошкообразного алюминия водой (водяным паром) при температуре 250-400°С и давлении 10-20 МПа.

Недостатками данного устройства являются:

- неполное протекание реакции окисления алюминия в реакторе устройства, за счет образования водорода в закрытом пространстве;

- в устройстве не предусмотрена очистка получаемого гидроксида или оксида алюминия от примесей исходного сырья, вследствие чего получаемый продукт имеет низкую чистоту;

- высокая вероятность возникновения чрезвычайной ситуации, так как окисление алюминия в устройстве происходит при повышенном давлении;

- нормальное функционирование устройства возможно только при использовании порошкообразного алюминия.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является установка для получения гидроокиси алюминия и водорода, содержащая реактор для химического взаимодействия воды с алюминием, сопровождающегося выделением водородосодержащей газовой смеси и образованием продуктов окисления алюминия, снабженная перемешивающим устройством и устройством ультразвукового излучения [пат. RU 2350563 С2, кл. C01F 7/42, С01В 3/08 опубл. 03.05.2007]. Получение гидроокиси алюминия и водорода на данной установке осуществляется следующим образом: в устройстве для смешивания производят суспензию из мелкодисперсного порошка алюминия и воды, затем указанная смесь подается в реактор для химического взаимодействия воды с алюминием, при этом внутри реактора происходит вращение суспензии и ультразвуковое облучение, после чего водородосодержащая газовая смесь и продукты окисления алюминия отводятся в виде отдельных потоков.

Недостатками данной установки являются:

- невозможность использования установки для окисления алюминия размером частиц более 20 мкм, так как при использовании алюминиевых порошков с размерами больше 20 мкм в продуктах реакции всегда имеется неокисленный алюминий в количестве до 15 мас.%;

- низкая чистота получаемого гидроксида алюминия в реакторе установки за счет совместного окисления алюминия и его примесей в реакторе с последующим внедрением оксидов примесей в структуру гидроокиси алюминия;

- необходимость использования сложных технический решений для обеспечения безопасности процесса окисления алюминия, при этом материалы, из которых сделаны перемешивающее устройство и устройство ультразвукового излучения, могут вступить в химическое взаимодействие с исходным сырьем и получаемым продуктом, что отрицательно скажется на чистоте гидроокиси алюминия;

- высокий расход исходного алюминия в расчете на 1 кг получаемой продукции;

- периодичность процесса.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность непрерывного окисления металлического алюминия любой формы с одновременным уменьшением расхода исходного алюминия не менее чем на 10% и поддержанием высокой безопасности процесса окисления, при этом содержание неокисленного алюминия и его примесей в гидроксиде алюминия не превышает 0,01 мас.%.

Указанный технический результат достигается тем, что в емкости для электролита исходный алюминий в виде электродов крепится на токоподводящие элементы, которые в свою очередь соединены с источником питания электрического тока, при этом над емкостью размещается вытяжной колпак, а выход емкости для электролита соединен со входом приемной емкости.

Кроме того, емкость для электролита и приемная емкость выполняются из органического полимера с возможностью скрепления металлическим корпусом.

При этом соединение выходного отверстия емкости для электролита со входом приемной емкости выполняется в виде трубопровода или гибкого шланга.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена емкость 1 для электролита с размещенными в ней алюминиевыми электродами 2. Алюминиевые электроды 2 закрепляются на токоподводящих элементах 3, которые соединены с источником питания 4 электрического тока. Над емкостью 1 для электролита размещается вытяжной колпак 5, а в нижней стенке емкости выполнено выходное отверстие, соединенное со входом приемной емкости 6.

Использование токоподводящих элементов, предназначенных для подвода электрической энергии к исходному сырью, позволяет производить окисление алюминия любой формы, в частности возможно окисление компактированного порошкообразного, чушкового и листового алюминия.

Использование источника питания электрического тока позволяет проводить окисление алюминия в емкости для электролита под действием силы тока, то есть электрохимически. Данное обстоятельство позволяет получать гидроксид алюминия, не содержащий примесей алюминия, за счет разницы электродного потенциала алюминия с его примесями: при электрохимическом окислении, алюминий будет окисляться в первую очередь, так как его электродный потенциал по сравнению с его примесями более электроотрицательный, поэтому примеси алюминия будут скапливаться в исходном металле и не будут загрязнять получаемый продукт.

В процессе окисления алюминия под действием силы тока образуются только катионы алюминия, которые в свою очередь взаимодействуют с гидроксид-анионами воды. В результате данной реакции образуется гидроксид алюминия в виде трехводной окиси, этот фактор способствует снижению расхода исходного алюминия не менее чем на 10% в сравнении с прототипом и в пересчете на 1 кг готовой продукции. Это связанно с тем, что при окислении алюминия в устройстве, указанном в прототипе, продуктом реакции является одноводная окись алюминия, то есть бемит, имеющий другую структуру и меньший молекулярный вес.

Электрохимическое окисление алюминия позволяет практически полностью сократить содержание неокисленного алюминия в продуктах реакции. На ионном уровне процесс образования гидроксида алюминия можно условно разделить на три стадии: растворение алюминия с образованием катионов алюминия; перенос катионов алюминия вглубь пространства электролита; взаимодействие катионов алюминия с гидроксид-анионами воды и образованием гидроксида алюминия. На последний стадии образования гидроксида алюминия катион алюминия находится в пространстве, по большей мере состоящим из окислителя, то есть из гидроксида-аниона воды, причем концентрация катионов алюминия в пространстве электролита ничтожно мала в сравнении с концентрацией гидроксид-анионов, поэтому окисление алюминия протекает полностью, вследствие чего гидроксид алюминия не содержит неокисленный алюминий. Единственным источником загрязнения гидроксида алюминия может служить вода или добавляемые в нее токонесущие добавки. В качестве таких компонентов используются хорошо растворимые неорганические соли, возгоняющиеся при низких температурах - поэтому получаемый гидроксид алюминия будет легко очищаться известными методами, в частности промывкой водой, либо термической обработкой, при этом содержание неокисленного алюминия и его примесей в гидроксиде алюминия не будет превышать 0,01 мас.%.

Использование вытяжного колпака необходимо для обеспечения безопасности процесса окисления алюминия. В процессе окисления алюминия на электроде происходит выделение незначительного количества водорода, которое зависит от величины силы тока, и тепловой энергии в виде паров воды. Данные выделения не способны отрицательно повлиять на работу устройства, также они не могут служить причиной чрезвычайной ситуации, однако для защиты рабочего персонала от потенциально опасного воздействия тепловой энергии и водорода необходимо размещать вытяжной колпак над емкостью для электролита.

Приемная емкость необходима для отвода продуктов окисления алюминия. Приемная емкость предотвращает переполнение емкости для электролита, что позволяет вести процесс окисления в непрерывном режиме и положительно сказывается на безопасности окисления алюминия.

Работа устройства осуществляется следующим образом: на токоподводящие элементы закрепляются алюминиевые электроды, которые помещаются в емкость для электролита, при этом токоподводящие элементы соединяется с источником питания электрического тока. При подаче электрического тока на алюминиевые электроды начинается процесс окисления алюминия с образованием гидроксида алюминия. По мере введения процесса образующийся водород и тепловая энергия в виде паров воды удаляются через вытяжной колпак, соединенный с общеобменной вентиляцией, а оседающий гидроксид алюминия перемещается в приемную емкость через трубопровод, соединяющий выходное отверстие емкости для электролита и приемную емкость.

Пример осуществления изобретения:

Исходный алюминий марки А995 в виде чушек крепится на токоподводящие элементы. В емкость для электролита для получения гидроксида алюминия помещается дистиллированная вода в количестве 250 кг и токонесущая добавка в виде аммониевой соли в количестве 25 кг. При помощи источника питания на электроды подается ток силой 300 А, при этом начинает протекать процесс окисления алюминия. За 24 часа введения процесса в емкости для электролита образуется 7,2 кг гидроксида алюминия, при этом расходуется не более 2,5 кг исходного алюминия. В течение всего процесса, расход исходного алюминия составляет не более 0,40 кг на 1 кг гидроксида алюминия (байерит), что не менее чем на 10% меньше расхода исходного алюминия при гидротермальном образовании гидроксида алюминия (бемит), который находится в интервале 0,45-0,70 кг на 1 кг гидроксида алюминия (бемит).

При получении гидроксида алюминия на разработанном устройстве происходит удаление тепловой энергии и водорода, с помощью вытяжного колпака, размещенного над емкостью для электролита, при этом средняя производительность по водороду не превышает 12,5 г/ч. По мере накопления гидроксида алюминия он перемещается в приемную емкость, причем процесс окисления алюминия не прерывается. После окончания процесса, гидроксид алюминия выгружается из приемной емкости и направляется по дальнейшему назначению. Анализ полученного гидроксида алюминия методом искровой масс-спектрометрии установил, что суммарное содержание неокисленного алюминия (Al) и его примесей (Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Zn, Ga, Ti, Na) не превышает 0,01 мас.%.

Устройство для получения гидроксида алюминия может быть использована в качестве составной части при производстве оксида алюминия высокой чистоты из металлического алюминия, поскольку получаемый гидроксид алюминия не содержит структурных, сложноудаляемых примесей.