Электролизер для рафинирования галлия
GALLIUM PURIFICATION CELL

Изобретение относится к области рафинирования цветных металлов, и в частности, к электрическим способам рафинирования металлического галлия.
Известный электролизер содержит ванну с электролитом и жидким галлием разделенных перегородкой для катодного и анодного пространства [1].
Прототипом является электролизер содержащий ванну с жидким галлиевым анодом, размещенную над ним катодную ячейку с перфорированным дном и токоподводом [2].
Недостатком этого электролизера является недостаточное перемешивание электролита и насыщение электролита шламами. Меняющееся межэлектродное расстояние от растворения анода, приводит к перенапряжению на аноде влияющее на растворение шламов электроположительных примесей, Мешалки для перемешивания только способствуют распределению шламов по всему объему. Это приводит к снижению качества продукта.
Техническая задача состоит в том, чтобы образующиеся на аноде шламы удалить не с объема меняющегося зазора, а непосредственно с поверхности анод в момент образования и не допустить шламы на поверхности катода.
Сущность электролизера заключается в том, что он снабжен поплавком, штуцером для сбора шлама с поверхности анода, соединенным гибким шлангом с всасывающим штуцером насоса и размещенным на поплавке с возможностью его расположения на границе раздела фаз между электролитом и галлием анодной ванны для всасывания шлама с поверхности анода и поддержания уровня анодной ванны.
Это позволяет предотвратить накопление шламов, которые после накопления начинают растворяться и затем загрязнять катод.
Электролизер снабжен лотком для слива избытка электролита с поверхности катодной ванны, расположенным с противоположной стороны от сифона возврата электролита в катодную ячейку, и фильтром с пористым дном для фильтрации шламов и стока в емкость для электролита, к которому подведен нагнетающий патрубок насоса, а в его средней части размещен трубопровод с сифоном для связи с уровнем очищенного электролита на катодной ванне.
Это также способствует позволяют селективно собирать шламы с поверхности анода и создавать перемещение слоя электролита, а также способствует обновлению поверхности растворения анода и обновлению электролита на поверхности осаждения галлия на катоде.
Конструкция электролизера поясняется на фиг 1 и поперечном разрезе фиг 2. Электролизер состоит из ванны 1 для электролита и жидкого галлиевого анода 2. В него погружен токоподвод 3 никелевой пластиной. Параллельно поверхности анода 2 устанавливается ячейка 4 (одна или несколько). Катодная ячейка 4 в виде прямоугольного ящика из пластика с перфорированным дном 5, по которому натягивается диафрагма 6 из капроновой ткани и закрепляется сверху любым способом, например обечайкой. На поверхность диафрагмы 6 в слой жидкого катодного галлия 7 устанавливается токоподвод 8 в виде пластины из никеля. Токоподвод 8 подключен к отрицательному полюсу источника постоянного тока. В одном торце ванны за перегородкой 10 с окном 11 установлен погружной насос 12 для откачивания электролита с поверхности анодного галлия. Всасывающий штуцер насоса 12 соединен гибким шлангом со штуцером 13 на поплавке для поддержания на плаву на металле анода. Это позволяет штуцеру 13 находиться на разделе фаз электролит-галлий при изменении его уровня в промежутках между загрузками (пунктиром показаны минимальный и максимальный уровень анодного металла. Нагнетающий патрубок насоса подведен к фильтру 14 с пористым дном для фильтрации шламов и стока в емкость 15 для электролита. В средней части емкость 14 снабжена трубопроводом 16 с сифом 17 для связи с уровнем очищенного электролита на катодной ванне (фиг 2), установленная на кронштейнах 18. С противоположного стороны ванны от сифона 17, поступления очищенного электролита, катодная ванна снабжена лотком 19 слива обедненного по галлию электролита в анодную ванну. Ванна 1 снабжена сифонным карманом 20 для заливки жидкого галлия на дно ванны и погружения токоподвода 3. Дно ванны 1 выполнено с полостью охлаждения, разделенной перегородками 21. Полость охлаждения снабжена штуцерами 22 подвода и отвода воды для термостатирования.
Электролизер работает следующим образом. В ванну 1 заливается электролит из 10-20% раствора едкого натрия высокой чистоты. На дно ванны 1 через сифонный карман 20 заливается жидкий галлий в качестве анода 2.
К токолодводам 8, 3 лопается постоянный ток напряжением 2-4 в и силой тока 20-100а, С анода 2 галлий растворяется в электролит и при концентрации 10-50 г\л Ga диффундирует через диафрагму 6 (капроновую ткань), осаждается на пластине токоподвода 8, а по мере накопления галлия осаждается на всей поверхности жидкого катода 7. После накопления жидкого галлия 7 на катоде в ячейке 4 слоем 3-4 см его периодически сливают любым способом (вычерпыванием или вакуумным отсосом). Периодически через сифонный карман 20 доливают жидкий галлий. При запуске в полость охлаждения через штуцер 22 подается горячая вода (40-60°С), а при постоянной работе подается холодная вода для охлаждения жидкого галлия на аноде 2. В процессе электролиза в слое электролита на поверхности анода накапливаются шламы примесей в виде гидратов. Насосом 12 всасывается электролит со шламами через штуцер 13, плавающий на поверхности анодного металла 2. Электролит закачивается в напорный фильтр 14 с пористым дном для фильтрации шламов твердых примесей. После отделения шламов на фильтре 14 по каналу 16 подается в сифон 17 катодной ячейки 4 катодного галлия 7.
Пример: В анодную ванну заливается 3,5 л раствора 100 г\л NaOH. Включается обогрев ванны горячей водой до 50 град. Через карман 20 заливается 3 кг жидкого галлия на анод. На токоподводы 3 и 8 подается постоянный ток регулируемой силой тока 20а, напряжением 5в. Включается перистальческий насос для равномерности распределения электролита в анодном и катодном объеме. Регулярно через 2 часа отбирается проба электролита на содержание галлия. Через 12 часов после накопления галлия в электролите до 20 г\л повышается сила тока до 60а. Еще через 48 часов содержание галлия в электролите 48 г\л. Для непрерывности процесс необходима догрузка анода, но для снятия показателей разгружается катодный галлий для взвешивания и анализа, собираются шламы для анализа. Результаты приведены в таблице.
Технический результат изобретения выражается в перемешивании электролита у поверхности анода, очистки электролита от шламов и, тем самым, повышении коэффициента очистки. Предложенный электролизер согласно изобретению обеспечивает очистку галлия от примесей до содержания галлия 99,8% (по прототипу) до 99,99%.
Литература:
1. Патент России №2127328 по заявке №97111637 от 1997.07.15. Способ получения галлия, С22В 58/00, опубликован 10.03.1999.
2. Коленкова М.А, Крейн О.Е. Металлургия рассеянных и легких редких металлов, 1977, 143 с.