Спосіб очистки галія

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности, к металлургии редких и рассеянных металлов, и может быть использовано в производстве галлия. Известен способ очистки галлия от примесей [1], например, железа, которые находятся в жидком галлии в виде тонкой взвеси или в поверхностной жидкой пленке, фильтрацией через стеклянный фильтр под вакуумом. Недостаток данного способа - применение вакуумной техники, потери металла с окислами на фильтрах. Известен способ фильтрации галлия через пористые материалы (стеклянный, кварцевый фильтр) [2], включающий изотермическую выдержку расплавленного галлия в вакууме, затем собственно фильтрацию под избыточным давлением инертного газа. Фильтрацию осуществляют в герметичном контейнере, в котором содержится фильтр, тигель с галлием, приемник отфильтрованного металла. После удаления воздуха из контейнера содержимое тигля выливают на фильтр, создают избыточное давление инертного газа, за счет чего галлий фильтруется в специальный приемник. Недостаток данного способа - сложное аппаратурное оформление, применение вакуумной техники, невысокая производительность. Кроме того, данный способ не обеспечивает эффективн ую очистку от примесей, содержащихся в жидких пленках. Основное количество примесей накапливается преимущественно в поверхностных окисных пленках. При фильтрации некоторое количество пленок с примесями проникает через фильтры в отфильтрованный галлий, Данный способ выбран в качестве прототипа, поскольку включает применение пористых материалов для отделения жидкого галлия от нерастворенных твердых частиц п утем фильтрации через него. В основу изобретения положена задача создать способ очистки галлия фильтрацией, который за счет исключения применения дорогостоящей вакуумной аппаратуры позволил бы упростить технологический процесс. Сущность способа состоит в том, что фильтрацию через пористые материалы осуществляют, анодно поляризуя жидкий черновой галлий при потенциалах (-0,70 - -0,40 В) относительно серебряного электрода сравнения в щелочном электролите, содержащем растворенный галлий при температурах 30-40°С. Щелочной электролит для фильтрации имеет следующий состав, г/л: NaGa(OH)4 110-140 NaOH 180-220 При этом черновой галлий помещают на пористый диэлектрический материал, устойчивый в щелочных растворах (например капроновая ткань) и непроницаемый для атомов галлия в статическом состоянии. При наложении потенциала на электрохимическую ячейку происходит изменение поверхностного натяжения жидкого галлия и при достижении значений потенциала, равных -0,70 - -0,40 В относительно серебряного электрода сравнения, поверхностные свойства галлия становятся такими, что он начинает свободно просачиваться через поры диэлектрика в сборник очищенного металла, а примеси в виде взвесей, окисных пленок остаются на пористом диэлектрике. Установлено, что при анодной поляризации галлия в щелочных растворах он хорошо фильтруется через пористые материалы диаметром пор 3-10 мк. Необходимым условием проявления обнаруженного эффекта является наличие в электролите гидроксильных ионов заданной концентрации и анодная поляризация жидкого галлия в заданном интервале потенциалов. Установлено, что оптимальная концентрация щелочи (гидроксида натрия) в электролите составляет 180-220 г/л, потенциал поляризации -0,70-0,40 В относительно серебряного электрода сравнения. В электролитах, не содержащих гидроксильных анионов, эффект фильтрации при наложении электрического поля не наблюдается. Минимальная концентрация гидроксида натрия в электролите должна составляет 180 г/л. При более низких концентрациях наблюдается очень медленная скорость фильтрации галлия. Максимальное содержание гидроксида натрия в электролите не должно превышать 220 г/л. При более высоких концентрациях гидроокиси натрия наблюдается ошламле-ние пор фильтра, что также приводит к снижению скорости фильтрации галлия. Кроме того, в электролитах с высоким содержанием щелочи, наблюдается растворение галлия, что обуславливает его потери. В электролите присутствует также растворенный галлий в виде соединения NaGa(OH)4. Назначение данного компонента - обеспечить оптимальные условия фильтрации за счет устранения окисных пленок, увеличения смачиваемости, а, следовательно, проникающей способности жидкого галлия. Кроме того, NaGa(OH)4 подавляет растворимость галлия в электролите, устраняет потери его при фильтрации. Минимальное содержание NaGa(OH)4 не должно быть меньшим 110 г/л, в противном случае не достигается требуемая скорость фильтрации, наблюдаются потери галлия за счет растворения в электролите. Максимальная концентрация галлия в электролите не должна превышать 140 г/л. При более высоких значениях концентрации NaGa(OH)4 наблюдается ошламление пор фильтрующего элемента. Необходимым условием проявления эффекта фильтрации является также наложение электрического поля на жидкий галлий и электролит, причем галлий должен быть поляризован анодно. Минимальные значения потенциала, при которых начинает проявляться эффект фильтрации, составляют 0,70 В относительно серебряного электрода сравнения. Скорость фильтрации при этом значении потенциала составляет 1,20 г/мин . см 2. При более электроотрицательных потенциалах фильтрация практически не наблюдается. Максимальное значение потенциала поляризации не должно быть более положительным, чем - 0,40 В. Скорость фильтрации при этом потенциале составляет 3,5 г/мин . см 2 при 30°С. При более положительных потенциалах наблюдаются потери галлия за счет анодного растворения и снижение скорости фильтрации. Фильтрацию ведут в определенном интервале температур, которая в данном случае составляет 30-40°С. При более низких температурах не достигается требуемая скорость фильтрации, за счет повышения вязкости галлия. Реализация процесса при более высоких температурах, превышающи х 40°С ведет к усложнению технологического процесса, за счет применения дополнительных нагревательных устройств и термостатов. Электролит вышеуказанного состава выполняет дополнительно функции термостатирующей ванны, позволяет вести фильтрацию без применения дополнительных термостатирующих устройств. Достаточно его подогреть до требуемого интервала температур (30-40°С). За счет низкого теплообмена он довольно продолжительно сохраняет свою температур у. Процесс фильтрации реализуют в устройстве, принципиальная схема которого приведена на чертеже. Устройство состоит из диэлектрической емкости 1 (например стеклянного стакана и т.д.), которая служит приемником отфильтрованного галлия 5 и содержит электролит 7. В емкости 1 установлен фильтрующий элемент 2, выполненный в виде цилиндрической емкости, стенки которой изготовлены из литого диэлектрика (например стекла, оргстекла, фторопласта и т.д.), а основание - из пористого материала 3 (капроновая ткань, кремнеземная ткань, стеклянный фильтр и т.д.). Черновой галлий 4 загружают в фильтрующий элемент 2. Необходимый температурный режим обеспечивается с помощью нагревательного элемента 8 (электроплиты), Для слива отрафинированного галлия емкость снабжена сливным устройством 9. Устройство работает следующим образом. В емкость 1 заливают электролит указанного состава, устанавливают емкость 2, катодные и анодный токоподводы и серебряный электрод сравнения 6, включают нагреватель 8. После этого загружают черновой галлий в емкость 2. После наплавлення чернового галлия включают электрический ток и устанавливают с помощью регулятора на выпрямителе требуемое значение потенциала на аноде относительно электрода сравнения. При достижении требуемых величин потенциала галлий начинает просачиваться через пористый материал 3 и собираться под слоем электролита на дне емкости 1, После фильтрации заданного количества галлия отключают источник постоянного тока и извлекают из емкости 1 отфильтрованный галлии 5 с помощью сливного устройства. Примеры конкретной реализации способа приведены ниже. Фильтрацию галлия осуществляли в устройстве, схема которого приведена на чертеже. Для фильтрации в каждом опыте брали 0,2 кг галлия и 300 мл раствора-электролита. Фильтрацию проводили в электролитах разного состава, при разных условиях поляризации галлия. В качестве токоподводов применяли спектрально чистый графит или молибден. Электродом сравнения служила незачехленная серебряная проволока диаметром 0,5 мм, погруженная непосредственно в электролит. В опытах определяли скорость фильтрации жидкого галлия в зависимости от различных усло вий, а также его потери. Данные приведены в таблице. В качестве фильтрующего элемента использовали стеклянные фильтры (№ 2), капроновую и кремнеземные ткани. В результате выполненных исследований было также обнаружено, что разработанный процесс фильтрации дополнительно позволяет повысить чистоту фильтруемого галлия по ряду примесных металлов. Так, например, за одну операцию электрофильтрации удается понизить концентрацию примеси цинка от 0,1% до 1 . 10-3%; олова от 0,01 до 1 . 10-4; железа от 0,05 до 1 . 10-3%.