СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ
METHOD OF PRODUCING HIGHLY PURE ALUMINIUM OXIDE BY ELECTROLYSIS

Изобретение относится к области химии, в частности к электролитическим способам получения неорганических соединений.
Известен способ получения оксида алюминия, включающий анодное растворение алюминия в водном растворе хлорида натрия, отделение гидроксида алюминия и прокаливание [пат. RU 2366608 C1, кл. C01F 7/42, опубл. 10.09.2009]. Анодное растворение алюминия осуществляют в водном растворе хлорида натрия концентрацией 30-300 г/л с помощью выпрямленного по двухполупериодной схеме переменного тока при плотности тока 0,015-0,045 А/см. Обработка осадка гидроксида алюминия включает отмывку, фильтрование, сушку, прессование и прокаливание при температуре 600-1350°C с получением оксида алюминия.
Недостатком данного способа является недостаточное удаление хлорида натрия при обработке гидроксида алюминия, которое не позволяет получать высокочистый оксид алюминия с содержанием основного компонента не менее 99,990-99,999%.
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ получения оксида алюминия, пригодного для производства искусственных кристаллов корунда, включающий анодное растворение алюминия чистотой 99,950-99,999% в хлоридном растворе, содержащем 5-150 г/л хлорид-ионов при температуре 20-95°C и плотности тока 0,045-0,12 А/см, отделение гидроксида алюминия, отмывку гидроксида алюминия специально подготовленной водой с удельным сопротивлением 0,4-18,0 МОм·см и прокаливание с получением оксида алюминия [пат. RU 2466937, кл. C01F 7/42, C25B 1/00, опубл. 20.11.2012].
При лабораторных испытаниях данного способа было также выявлено недостаточное удаление используемых хлоридов при обработке гидроксида алюминия, что отрицательно влияет на качество конечного продукта и не позволяет получать высокочистый оксид алюминия с содержанием основного компонента не менее 99,990-99,999%.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на снижение недостатков прототипа и заключается в повышении эффективности удаления хлоридов на стадии обработки гидроксида алюминия и в последующей обработке оксида алюминия.
Технический результат достигается тем, что полученный после процесса электролиза осадок фильтруют от электролита, при помощи трех вертикально расположенных сит, диаметр отверстий которых составляет соответственно: 3-4 мм, 1-2 мм, 0,1-0,5 мм для наиболее полного разделения гидроксида алюминия и электролита. Отфильтрованный гидроксид алюминия подвергают двухстадийной промывке дистиллированной водой, при отношении твердого к жидкому 1:2-10 при температуре 5-95°C для снижения концентрации свободного и адсорбированного поверхностью гидроксида алюминия хлорида аммония. Промытый осадок просушивают при температуре 340-700°C, при этом происходит сублимация хлорида аммония. Затем осадок прокаливают в электрической печи до получения оксида алюминия, с целью снижения адсорбирующих свойств осадка. Полученный оксид алюминия смешивают с дистиллированной водой в отношении твердого к жидкому 1:3-12 для образования пульпы. Пульпу подвергают перемешиванию в течение 20-120 мин со скоростью 200-1200 об/мин при температуре 5-95°C для отмывки поверхности частиц оксида алюминия от хлорида аммония. После перемешивания оксид алюминия фильтруют от раствора, содержащего остаточный хлорид аммония, и просушивают при температуре 100-300°C в сушильном шкафу для удаления влаги.
Количество используемых вертикально расположенных сит обусловлено тем, что при меньшем количестве сит в процессе фильтрации будет протекать застаивание электролита в ситах, из-за чего осадок будет загрязняться, а при большем количестве сит будет протекать испарение влаги электролита, вследствие чего выпаренный осадок хлорида аммония будет загрязнять гидроксид алюминия.
Интервал диаметров отверстий трех используемых вертикально расположенных сит 3-4 мм, 1-2 мм, 0,1-0,5 мм обусловлен тем, что при меньшей величине диаметров отверстий верхнего, среднего и нижнего сита процесс фильтрации гидроксида алюминия от электролита будет не эффективен, поскольку будет протекать застаивание электролита и, следовательно, загрязнение осадка. А при большей величине диаметров отверстий верхнего, среднего и нижнего сита процесс фильтрации гидроксида алюминия от электролита технически не осуществим, поскольку сита не будут задерживать осадок.
Двухстадийная промывка гидроксида алюминия обусловлена тем, что при меньшем количестве промывок концентрация хлорида аммония снижается незначительно, а при большем количестве промывок концентрация хлорида аммония не меняется.
Интервал отношения твердого к жидкому 1:2-10 на стадии промывки гидроксида алюминия обусловлен тем, что при меньшем количестве жидкой фазы концентрация хлорида аммония снижается незначительно, а при большем количестве концентрация хлорида аммония не меняется.
Интервал температуры промывки гидроксида алюминия 5-95°C обусловлен тем, что при температуре меньше 5 °C хлорид аммония плохо растворяется в воде и его концентрация снижается незначительно, а при температуре выше 95°C происходит испарение воды и хлорид аммония не удаляется.
Интервал температуры сушки гидроксида алюминия 340-700°C обусловлен тем, что при температуре меньше 340°C хлорид аммония не сублимирует и его концентрация не снижается, а при температуре выше 700°C концентрация хлорида аммония не меняется.
Интервал отношения твердого к жидкому 1:3-12 на стадии приготовления пульпы обусловлен тем, что при меньшем количестве жидкой фазы пульпа будет слишком вязкой и в последующем процессе перемешивания, переход хлорида аммония в жидкую фазу будет технически неосуществим, а при большем количестве жидкой фазы переход хлорида аммония в жидкую фазу будет не меняется.
Интервал времени перемешивания пульпы 20-120 мин обусловлен тем, что при перемешивании менее 20 минут переход хлорида аммония в жидкую фазу будет незначительным, а при перемешивании более 120 минут переход хлорида аммония в жидкую фазу не меняется.
Интервал скорости перемешивания 200-1200 об/мин обусловлен тем, что при скорости перемешивания менее 200 об/мин переход хлорида аммония в жидкую фазу будет незначительным, а при скорости перемешивания более 1200 об/мин переход хлорида аммония в жидкую фазу не меняется.
Интервал температуры перемешивания пульпы 5-95°C обусловлен тем, что при температуре меньше 5 C хлорид аммония плохо растворяется в воде и его переход в жидкую фазу будет незначительный, а при температуре выше 95°C происходит испарение воды и хлорид аммония не удаляется.
Интервал температуры сушки промытого оксида алюминия 100-300°C обусловлен тем, что при температуре менее 100°C остаточная влага не удаляется и получаемый оксид алюминия не соответствует заявляемым качествам, а при температуре выше 300°C чистота оксида алюминия не меняется.
Пример осуществления изобретения. В электролизер заливают электролит - водный раствор хлорида аммония заданной концентрации. В электролит помещают электроды, состоящие из алюминия высокой чистоты. Устанавливают режим подачи тока. Включают ток и поддерживают в соответствии с заданной плотностью тока. Образовавшийся осадок фильтруют от электролита, при помощи трех вертикально расположенных сит. Отфильтрованный осадок подвергают двухстадийной промывке дистиллированной водой. Промытый осадок просушивают при температуре и прокаливают в электрической печи до получения оксида алюминия. Полученный оксид алюминия смешивают с дистиллированной водой с образованием пульпы. Пульпу подвергают перемешиванию, после чего оксид алюминия фильтруют от маточного раствора и просушивают при температуре в сушильном шкафу. Для определения чистоты полученного оксида алюминия проводят рентгенофлуоресцентный анализ на спектрометре ARL 9900. Полученные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты экспериментов
Номер опыта
Фильтрация от эл-та, диаметр сит: верхнее-среднее-нижнее, мм
Промывка гидроксида алюминия
Температура сушки гидроксида алюминия, °C
Перемешивание пульпы
Температура сушки оксида алюминия, °C
Содержание Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, масс.%
Кол-во стадий
Т:Ж
Температура, °C
Т:Ж
Температура, °C
Время, мин
Скорость, об/мин
Опыт №1
3,0-1,0-0,1
2
1:2
5
340
1:3
5
20
200
100
99,992
Опыт №2
3,5-1,7-0,3
2
1:3
40
600
1:5
40
60
850
270
99,999
Опыт №3
4,0-2,0-0,5
2
1:10
95
700
1:12
95
120
1200
300
99,999