ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ ВИСМУТА В РАСПЛАВЕ СОЛЕЙ
ELECTROLYSER FOR BISMUTH REFINING IN SALTS MELT

Изобретение относится к рафинированию тяжелых цветных металлов электролизом в расплаве солей.
Известен электролизер [1] - (RU 2400548, оп 27.09.10), включающий катод и анодную ванну с расплавом исходного сплава, разделенные диафрагмой из двух слоев пористой кварцевой ткани. Недостаток применимости для электролиза висмута в отсутствии обновления поверхности анодного металла у поверхности диафрагмы разделения анода и катода. Это приведет к повышению выхода основного металла (висмута) на катод вместе с примесями при недостаточной степени удаления примесей.
Известен электролизер [2] - (SU 1072489 оп. 20.04.12), содержащий емкости анода и емкости катода, в котором основание выполнено из углеграфитовой ткани УТ-2. Этот признак позволяет несколько повысить разделение компонентов, но применительно для электролиза висмута также приведет к поляризации на поверхности диафрагмы и повышению выхода висмута с отделяемыми примесями при недостаточной степени удаления примесей.
Известен электролизер [3] - (RU 2450091, оп. 10.05.2012), содержащий обогреваемые катодную и анодную полости, разделенные пористыми вертикальными кварцевыми диафрагмами, пропитанными электролитом и разделенные прокладками. Указанные признаки обеспечивают разделение сплава с высоким содержанием компонентов. Недостаточная производительность электролизера объясняется тем, что на образование электроконтактного слоя металла на прикатодной кварцевой диафрагме требуется продолжительное время. Для удаления малых содержаний примесей из висмута указанные признаки не обеспечат глубокое удаление примесей и увеличат выход висмута с примесями.
Прототипом выбран электролизер [4] - (SU 1394748, оп. 20.04.12) для рафинирования висмута, содержащий катодную ванну и анодную емкость из пористого диэлектрика, укрепленную в катодной ванне, т.е. фактически разделены диафрагмой, смоченной электролитом. Недостаток электролизера в образовании концентрационной поляризации на поверхности диафрагмы, т.е. на момент, когда на поверхности диафрагмы примесей уже нет и начинает переходить висмут в катодную ванну. Кроме того, в анодной ванне имело место частичное расслаивание по удельному весу легких примесей. Это усложняло обслуживание электролизера, так как периодически через час требовалось перемешивание висмута в анодной емкости. При этом выход висмута на катод вместе с примесями составлял 2-6% при недостаточной степени удаления примесей.
Цель изобретения - повышение степени очистки висмута от небольшого содержания примесей с максимальной степенью разделения.
Сущность предлагаемого электролизера для достижения поставленной цели состоит в том, что катодная и анодная полости разделены вертикальными пористыми диафрагмами, пропитанными электролитом, причем прикатодная пористая диафрагма выполнена из углеграфитовой ткани, а прианодная диафрагма выполнена из диэлектрической кварцевой ткани, орошаемой жидким анодным сплавом циркуляционным насосом. Прикатодная диафрагма из углеграфитовой ткани обеспечивает быстрый выход на токовый режим, повышая производительность и сохраняя способность к разделению металлов. Прианодная диафрагма из кварцевой ткани омывается стекающим анодным металлом от насоса в режиме циркуляции.
Сочетание признаков обеспечивает повышение степени очистки висмута от примесей и снижение выхода висмута с примесями.
На чертеже показана конструкция электролизера, продольный разрез (фиг. 1) и вид сверху (фиг. 2).
Электролизер состоит из ванны 1, разделенной вертикальными пористыми диафрагмами на анодную полость 2, катодную полость 3 и промежуточную полость 4. Анодная полость 2 отделена диафрагмой 5 из кварцевой ткани марки КТ-11 с8/3ТО с зазором на величину фиксирующей П-образной прокладки 6, обеспечивающей необходимый объем рафинируемого висмута. Катодная полость отделена диафрагмой 7 из углеграфитовой ткани УТ-2 с зазором около 1 см фиксирующей малой П-образной прокладки 8. Малая П-образная прокладка обеспечивает зазор около 1 см между диэлектрической диафрагмой 5 из кварца и электропроводящей диафрагмой 7 из пористой углеграфитовой ткани с образованием промежуточной полости 4. Кварцевая ткань КТ-11 с8/3ТО и углеграфитовая ткань УТ-2 смачиваются и пропитываются солевым расплавом, но не проницаемы для металлического расплава. Стенки ванны 1 и прокладки 6, 8 из фторопласта посажены на термостойкий герметик ВГО-1 и для герметичности стянуты шпильками 9 (фиг. 2). Ванна термостатирована стальными плитами 10 и устанавливается на плиту 11 с электронагревателем. Между стенкой ванны 1 и термостатированой плитой 10 вставлена термопара 12 (фиг. 2) для измерения и регулирования заданной температуры. Снаружи закреплены плиты термоизоляции 13. В анодную полость 2 погружается насос 14 для всасывания анодного сплава со дна и подачи сплава к распылителю 15 поверхности диафрагмы 5. Насос 14 снабжен регулятором 16 производительности. Линия подачи расплава связана с тройным краном 17 с возможностью слива готового продукта в изложницу 18. В катодную полость 3 погружается графитовый катод 19, а в анодный металл в анодной полости 2 погружен графитовый токоподвод 20.
Подготовка электролизера и процесс работы электролизера осуществляются следующим образом. В анодную полость 2 ванны 1 загружается черновой висмут содержащий (вес.%): Pb - 1,5-2,5%; Zn - 0,01-0,005; Mn - 0,05-0,005; Cd - 0,2-0,05; Sb - 0,01-0,005; Cu - 0,01-0,05; Ag - 0,1-0,18; Sn - 0,5-0,1. Ванна 1 нагревается на плите 11 до 260-280 град. Предварительно расплавляется электролит из исходных солей (вес.%): 49-18% хлористого калия, 8-12% хлористого натрия, 43-70% хлористого цинка. В промежуточную полость 4 заливается расплав электролита на уровень, соответствующий уровню висмута в анодной полости 2. Включается постоянный ток к катоду 19 и анодному токоподводу 20. По мере пропитки диафрагм 5, 7 электролитом сила тока повышается. Регулировкой напряжения устанавливается сила тока на уровень плотности тока 0,1-0,2 а/кв. см к поверхности диафрагмы, контактирующей с анодным сплавом. Примеси более электроотрицательные, чем висмут, растворяются и в виде ионов диффундируют к катоду через диафрагмы, которые проницаемы для ионов. При значительном снижении примесей в объеме начинает растворяться висмут. Поэтому во время электролиза включается насос 14 для циркуляции металла через распылитель 15 на поверхность кварцевой диафрагмы. Обновление слоя металла на поверхности кварцевой диафрагмы циркуляцией анодного сплава способствует более равномерной концентрации примесей у поверхности диафрагмы и в объеме анодной полости. Углеграфитовая токопроводящая диафрагма обеспечивает упреждающий разряд висмута и электроположительных примесей как сурьма в промежуточной полости в промпродукт. Процесс ведется до получения висмута марок Ви-0 и Ви-00 по указанным примесям и затем переключается тройной кран 17 для слива висмута в изложницу 18. Промежуточная полость 4 и катодная полость 3 по мере наполнения металлическими примесями периодически разгружается после нескольких циклов рафинирования.
Изобретение иллюстрируется примером на модельном электролизере.
Пример: Навеску 250 г висмута, содержащего (вес.%): Pb-1,3; Zn - 0,01; Mn - 0,01; Cd - 0,1; Sb - 0,01; Cu - 0,05; Ag - 0,1; Sn - 0,45, загружают в анодную полость, расплавляют и поддерживают температуру 260-280 град. В промежуточную полость заливают 24 г электролита, предварительно проплавленной смеси солей 70%(вес.) хлористого цинка, 18% хлористого калия, 12% хлористого натрия. Включается ток силой 2а и электролиз ведется в течение 8 часов с периодическим отбором проб в анализ.
∧-4
∧-3
∧-3
∧-3
∧-4
∧-3
∧-3
Получен висмут с содержанием примесей (вес.%): Pb - 0,015; Zn - 5*10; Mn - 1*10; Cd - 1*10; Sb - 1*10; Cu - 1*10; Ag - 1*10; Sn - 1*10.
Сочетание указанных признаков обеспечивает высокую степень удаления примесей и снижение выхода висмута на катод с примесями.
Выход висмута в катодную полость (отходы примесей) составляет до 0,5%, а в промпродукт - 10%.
Литература
[1] - RU 2400548, оп. 27.09.10. Способ извлечения индия из отходов сплавов, электролит для извлечения индия из отходов сплавов и аппарат для осуществления способа, C25C 3/34
[2] - SU 1072489, оп 20.04.12. - Электролизер для получения легкоплавких металлов. C25C 3/34.
[3] - RU 2450091, оп. 10.05.2012). Электролизер для разделения легкоплавких сплавов на селективные концентраты, C25C 7/04.
[4] - SU1394748, оп. 20.04.12, - Электролизер для получения тяжелых цветных металлов из расплавов, C25C 3/34.