Исследование возможности извлечения редких металлов из золы-уноса ТЭЦ (MS Word 97) (стр. 2 из 10)

2NaAlO₂+CO₂+3H₂O=2Al(OH)₃+Na₂CO₃

Первую карбонизацию проводят до тех пор, пока из раствора не выделится около 90% алюминия. При этом большая часть галлия остается в растворе. После повторной карбонизации фильтрата, при которой осаждается гидроокись алюминия, обогащенная галлием, содержание Ga₂O₃ в осадке составляет 1-2% от содержания Al₂O₃ [4].

По данным М. Бежа [5] процесс можно улучшить, сочетая выделение алюминия из растворов по способу выкручивания с двухстадийным выделением путем карбонизации. По способу выкручивания гидролиз алюмината натрия ускоряется введением в раствор затравки - гидроокиси алюминия:

NaAlO₂+2H₂O Al(OH)₃+NaOH

Часть алюминия (от 50 до 60%) первоначально выделяется выкручиванием. При этом осаждается незначительная часть галлия. Фильтрат затем обрабатывают по схеме двухстадийной карбонизации. При этом осадок первой (медленной) карбонизации, содержащий незначительную часть галлия, возвращается в оборот, что повышает общее извлечение галлия. Основная часть галлия выделяется из раствора в конце карбонизации вместе с последними фракциями гидроокиси алюминия и алюмокарбоната. Для извлечения галлия из гидратного осадка более богатых фракций разработано несколько методов концентрирования.

Кислотные методы получения галлиевых концентратов заключаются в обработке гидратных осадков соляной или серной кислотой и извлечении галлия из кислых растворов купферроном [6, 7] или экстракцией эфирами [3], или бутилацетатом [8].

По купферроновому методу гидратный осадок растворяют в серной кислоте, раствор фильтруют и подкисляют H₂SO₄ до 1,5-2-н. концентрации. К раствору, охлажденному до 6-10°С, добавляют 6%-ный раствор купферрона. После длительного отстаивания объемистый осадок фильтруют и прокаливают при 600°С. При этом органическое соединение разрушается и остается смесь окислов. Алюминий не осаждается купферроном, однако захватывается осадком. Железо осаждается вместе с галлием. Для отделения железа прокаленный осадок может быть сплавлен с содой и сплав обработан водой. В раствор переходят галлий и алюминий, а железо остается в осадке.

При повторном осаждении галлия из раствора купферроном получается богатый галлием продукт, содержащий 30-50% Ga₂O₃.

Схема экстракционного метода получения галлия из гидратного осадка следующая. Галлий экстрагируется из кислых растворов эфирами или бутилацетатом. Экстракт галлия отделяют от раствора алюминия и взбалтывают с водой или со слабым раствором HCl. При этом хлорид галлия из органической фазы переходит в водную. Вместе с ним в водную фазу переходят некоторые металлы, которые осаждаются затем сероводородом в виде сульфидов. Если повторно использовать водный раствор хлорида галлия при реэкстракции его из органической фазы, то можно достичь высокой концентрации галлия в этом растворе. Выделить галлий из раствора его хлорида можно электролизом либо этого же раствора, либо раствора галлата натрия, полученного после осаждения гидроокиси из кислого раствора и растворения ее в щелочи.

Щелочные методы получения галлиевых концентратов основаны на растворении гидратных осадков в щелочи и последующей двухстадийной карбонизации полученного раствора. При второй стадии выделяется галлиевый концентрат с содержанием до 10% Ga₂O₃ по отношению к окиси алюминия. Такая технология позволяет получать богатые галлием концентраты, но характеризуется низким извлечением металла, так как с гидроокисью алюминия первой стадии карбонизации теряется до 30-40% Ga₂O₃.

Наиболее эффективным и простым методом получения галлиевого концентрата из гидратных осадков является известково-карбонизационный [6, 9]. Гидратный осадок, репульпированный водой, обрабатывают сухой известью или известковым молоком, отделяют раствор галлата и алюмината натрия от алюмокальциевого осадка и затем выделяют галлий вместе с остатками алюминия при карбонизации раствора. Для получения металлического галлия галлиевый концентрат растворяют в горячей щелочи, очищают алюминатно-галлатный раствор от кремния известью и подвергают электролизу с выделением чернового металла [10].

Электрохимический метод основан на выделении галлия из алюминатных растворов электролизом на ртутном катоде [3]. Вследствие высокого перенапряжения водорода на ртути, кроме галлия, на катоде осаждаются многие другие элементы с отрицательными электродными потенциалами.

После насыщения галлием (0,3-1,0%) амальгаму промывают водой и разлагают раствором едкого натра при температуре, близкой к кипению, в герметическом реакторе в присутствии небольших кусочков (стружки) железа или графита. Разложение амальгамы может быть осуществлено также электрохимическим методом в системе амальгама (анод) - раствор NaOH - твердый катод.

В результате разложения амальгамы получается концентрированный раствор галлата натрия (содержит 10-80 г/л Ga) и ртуть, которую после некоторой, периодически осуществляемой очистки вновь применяют при электролизе. Из раствора галлата натрия электролизом в ваннах с неокисляющимся катодом (из специальной стали или жидкого галлия) выделяют металлический галлий. Однако он загрязнен примесями цинка, свинца, меди и др.

Иногда с целью получения более чистого галлия галлатные растворы перед электролизом обрабатывают сероводородом для осаждения примесей тяжелых цветных металлов в виде сульфидов.

Ванадаты, молибдаты, сульфаты и фосфаты натрия, присутствующие в алюминатных растворах в значительных количествах (0,1-0,8 г/л), восстанавливаются на ртутном катоде до нерастворимых в щелочи соединений низших валентностей и переходят в осадок, образуя ванадиево-молибденовый концентрат.

Галлий можно извлечь из алюминатных растворов цементацией амальгамой натрия. Скорость цементации галлия натриевой амальгамой зависит от температуры, концентрации натрия в амальгаме и контакта реагирующих сред.

А.Т. Нижник и З.В. Шехтер установили, что из раствора, содержащего 50 г/л NaOH и 0,4 г/л Ga можно извлечь около 90% галлия, если этот раствор перемешивать с 1%-ной амальгамой натрия со скоростью 400 об/мин при температуре 50°С [11]. Наличие примесей в щелочных галлиевых растворах не оказывают заметного влияния на скорость и глубину цементации галлия амальгамой натрия. Лишь в присутствии ванадия скорость цементации заметно снижается. Примеси, разлагая амальгаму, увеличивают ее расход, однако алюминий и пятивалентный мышьяк не восстанавливаются натриевой амальгамой и не влияют на ее расход. Цинк, аналогично галлию, восстанавливается до металла и переходит на катод.

Можно также извлекать галлий из алюминатных растворов цементацией на галламе алюминия [12]. Восстановление галлат-аниона алюминием, растворенным в галлии, идет по реакции:

NaGaO₂+2Al+NaOH+H₂O Ga+2NaAlO₂+ H₂

Использование галламы алюминия, в отличие от амальгамы имеет преимущество в том, что при этом не существует ограничения растворимости галлия, процесс нетоксичен, величина перенапряжения водорода на галламе алюминия выше, чем на твердом алюминии, что улучшает условия выделения галлия. Выделение галлия цементацией на галламе алюминия целесообразно применять к растворам, предварительно очищенным от ванадат-ионов, так как восстановление последних до низших ступеней валентности снижает степень цементации галлия с 90-93 до 40-47%.

В 1966 году опубликован способ [13] осаждения галлия из раствора алюмината натрия активным алюминиевым порошком, взятым в большом избытке. Реакция протекала при разности потенциалов систем Al/Al³⁺ 1,67в, Ga/Ga³⁺ 0,52в

Ga(OH)^{`</sup><sub>4</sub>+Al Al(OH)<sup>`}₄+Ga

Полученный осадок сплава содержал до 80% Ga. Сплав хлорировали при температуре более 300°С, получали смесь хлоридов, из которой извлекали жидкостной экстракцией алифатическими и гидроароматическими углеводородами.

Имеются сведения [3] об электролитическом осаждении галлия из алюминатных растворов на твердых катодах из свинца и меди. Катоды представляют собой пластины большой площади или движущуюся ленту. Электролиз проводился при катодной плотности тока 4-8 А/дм², температуре 40-50°С и напряжении на ванне 5-6в. В этих условиях галий выделялся на катоде вместе с другими примесями (цинком, железом) в виде сплава. Выход галлия по току составлял 0,1-1,0%. В начале электролиза, когда поверхность катода была чистой и концентрация галлия в растворе была максимальной (около 0,2 г/л), он осаждался вполне удовлетворительно. Однако вследствие пассивирования катода, которое наступало довольно быстро, выделение снижалось и затем прекращалось совсем. В результате воздействия цинка, органических примесей, молибдена, ванадия и железа на катоде образовывался черный налет. Чтобы удалить его и обновить поверхность катода, его периодически обрабатывали в течение 5-20 мин горячей концентрированной щелочью. Галлий и другие примеси переходили в щелочной раствор; концентрации галлия в нем достигали 5-50 г/л, то есть достаточно для выделения его в виде металла на катоде из нержавеющей стали.

Для извлечения галлия из анодного сплава – остатка, образующегося при электролитическом рафинировании алюминия, – применяют щелочные и кислотные способы.

Щелочной способ вскрытия сплава состоит в обработке измельченного материала горячим раствором едкого натра. При этом алюминий и галлий переходят в раствор в виде алюмината и галлата натрия, железо остается в нерастворимом остатке, кремний распределяется между раствором и остатком. Реакция растворения протекает бурно с выделением водорода и разогревом.