Спосіб вилучення індію зі сплаву індій-олово та пристрій для його реалізації

Спосіб відноситься до галузі металургії рідких і розсіяних металів, зокрема до технології розділення сплаву індій олово на поставні компоненти. Широкий спектр сплавів на основі індію застосовуються в радіотелевізійній та напівпровідниковій промисловості для виготовлення прокатно-тягнутих виробів, припоїв, фольги, покриття металів сплавом індій-олово. Технологічний відпрацьований сплав індій-олово, а також технологічний індій, що застосовується в різних галузях виробництв можуть підлягати розділенню на складові компоненти. Переробці підлягали індій-оловяні сплави ПоИн-58, які містять в мас.% In –58, Sn – 48. Відомі способи по розділенню індію та олова основані на їх фізико-хімічних властивостях. Метод електрохімічного (амальгамного) розділення індію та олова, оснований на анодному окисленні індієвооловяної амальгами в сильно кислих солянокислих електролітах [1,2]. Недоліками відомих способів є токсичність ртуті і повторний електроліз для відділення слідів ртуті з послідуючим вакуумним випарюванням при температурі 900-1000°С на протязі довгого часу. Найбільш близьким по технічній суті та досягненням результату є спосіб відділення олова зонною плавкою його низших хлоридів [3]. Цей спосіб прийнятий за прототип. Запропонований спосіб включає синтез сполук Іn2СІ3, ІП4СІ7 і евтектики ІпСІз з ІП4СІ7, очистку сполук проводять зонною плавкою з послідуючим електролітичним відділенням індію в хлоридному електроліті. Спосіб має ряд суттєви х недоліків: тривалий і складний процес синтезу сполук ІпзСІз, Іn4СІ7 (інертне середовище, висока температура 500-700°С . Зонна очистка проводилась зі швидкістю переміщення зони 2 см/год при ширині 20 мм і температурі 350°С. Зонна очистка вимагає 15-20 проходів через зону розплавлення-кристалізації, що приводить до великих енергозатрат і потребує складного технічного обладнання. Запропонований спосіб малопродуктивний, так як виконується в ампульних реакторах малих розмірів. Запропоноване технічне рішення розділення індій-оловяного сплаву здійснюється електрохімічним методом з застосуванням композитного твердофазного електроліту Іn[ІnСІ4]+β-АІ2O 3 при таких співвідношеннях компонентів, мас.% тетрахлоріндату - 15-35β- глинозем (АІ 2О3) -65-85. Розділення здійснюються в електролізері з індієвими біполярними електродами, які відділяються від аноду і катоду композитним твердофазним електролітом. А в секціях І, II, III індієві біполярні електроди контакту ються також з композитними твердофазними електролітами. Через композитний твердофазний електроліт здійснюється процес розділення індію від олова, шляхом селективного розчинення індію і його рафінування з біполярними індієвими електродами. Метою те хнічного рішення, що пропонується є селективне розділення індію від олова, зменшення переносу металів-домішок з аноду на катод і питомих витрат електроенергії та електроліту при високому виході індію за струмом. Поставлена задача досягається за рахунок того, що селективне розчинення індію проводять через композитний твердофазний електроліт розплавленого тетрахлоріндату та β-глинозему в електролізері з індієвими біполярними електродами. Твердофазний композитний електроліт розділяє анод від біполярного індієвого електроду і біполярного електроду від катоду. Експериментальне встановлено, що при зміні складу композитного твердофазного електроліту можна впливати на рівноважний потенціал сплаву індій-олово і металів-домішок, а також в цілому на процес розділення індію від олова. Композитний твердофазний електроліт приведеного складу при тривалій роботі електролізера забезпечує найбільш сталі показники. Застосування композитного твердофазового електроліту збільшує концентрацію носіїв заряду ln+ навколо частинок β-Al2O3, що приводить до підвищення провідності електроліту. Для здійснення високого ступеню рафінування одержаного індію пропонується секційний електролізер з трьома індієвими біполярними електродами, та композитним електролітом, що розділяє анод і катод індієвих біполярних електродів. У третій секції протікають аналогічні процеси, як і в другій. При розділенні сплаву індій-олово індій розчиняється, так як має негативний потенціал, а олово має позитивний потенціал і не впливає на анодний процес. В подальшому при рафінуванні індію метали домішки, що мають більш позитивний потенціал концентруються на аноді і на біполярних індієвих електродах, а метали домішки, які мають більш негативний потенціал, -концентруються в електроліті. Високий вихід індію за струмом досягається за допомогою композитного твердофазового електроліту, до складу якого входять катіони одновалентного індію, що розряджаються на катоді і біполярних індієвих електродах. Електрохімічний еквівалент одновалентного індію становить 4,28 г/А-ч, що в три разі більше за електрохімічний еквівалент тривалентного індію. Для реалізації способу запропоновано електроліз з біполярними електродами принципова схема якого приведена на малюнку. Електролізер складається із корпусу 1, в якому є вхідний патрубок 2 для вводу початкового індій-оловяного сплаву 3 і аноду 4. Зверху поміщають три секції І, II, III в яких розміщено композитний твердофазний електроліт 5 і біполярні індієві електроди 6. Зверху третьої секції також розміщається композитний твердофазний електроліт. На катоді 7 накопичується чистий рафінований індій 8, який через штуцер 9 поступає в ізложниці. По всьому периметру електролізеру розташовані обігрівачі 10. Патрубок 11 забезпечує вивід рафінованого олова з електролізера. Електролізер працює таким чином: в розігрітий до заданої температури корпус поміщають сплав індійолово, зверху розміщують три секції, в яких чергуються композитний твердофазний електроліт 5 і біполярні індієві електроди 6. На поверхню індієвого біполярного електроду поміщають композитний твердофазний електроліт, над яким встановлюють катод 7. При пропусканні постійного струму, металічний індій зі сплаву індій-олово розчиняється на основному аноді з утворенням катіонів ln+ , які переносяться через композитний твердофазний електроліт і розряджаються на катодній поверхні першого біполярного індієвого електроду до металу. На анодній поверхні цього біполярного електроду індій знову розчиняється з утворенням катіонів ln+ , які переміщаються через композитний електроліт і розряджаються на катодній стороні другого біполярного індієвого електроду до металу. На анодній поверхні другого біполярного електроду індій знову розчиняється з утворенням катіонів ln+ які проходять через композитний твердофазний електроліт секції III і розряджаються на катодній поверхні індієвого біполярного електроду. На анодній поверхні третього біполярного електроду індій знову розчиняється з утворенням катіонів ln+ які проходять через композитний твердофазний електроліт і розряджається на катоді 7 з утворенням чистого рафінованного індію. За допомогою чотирьохразового електрохімічного переосадження позитивні метали домішки накопичуються в анодному сплаві індій-олово 3 і в біполярних індієвих електродах 6 та в об'ємі композитного твердофазного електроліту 5 секцій І, II, III . Очи щений індій 8 накопичується в катодній ємності звідки через штуцер 9 виводиться в спеціальні форми для одержання товарної продукції. Технічне рішення ілюструється такими прикладами. Приклад 1. В анодну камеру електролізера поміщали індій-оловяний сплав (мас.% In - 52, Sn - 48 ), для розділення в електроліті такого складу: трихлоріндат 15%, β – АІ 2О3 85%. Катодна і анодна робоча поверхня у всіх опитах була 16 см 2 . При досягненні заданої температури 240° С вмикали постійний струм і вели процес рафінування при густині струму 100 мА/см 2. За 6 годин на катоді виділилось 37,14 г індію, що відповідає виходу за струмом 90,3 % при розрахунку на одновалентний індій, або 270,9 % при розрахунку на трьох валентний індій. Вміст металів - домішок приведено в таблиці. Приклад 2. Вилучення індію проводили із сплаву попереднього складу. Твердофазовий композитний електроліт мав такий склад: трихлоріндат 40 %, β –АІ2 О3 60%. Електроліз проводили при температурі 250 °С, площа анода і катода складала 16 см 2 , а густина струму 200 мА/см 2 . За 6 годин електролізу одержано 81,43 г, що відповідає виходу індію за струмом 99,0 % при розрахунку на одновалентний індій, або 296,9 % при розрахунку на трьохвалентні сполуки. Вміст металів - домішок приведено в таблиці. Приклад 3. Розділення сплаву індію попереднього складу, проводили в композитному твердофазному електроліті який мав склад: трихлоріндат 65 %, β- АІ 2О 3 35 %. Вилучення індію вели при температурі 260° С при густині струму на катоді 300 мА/см. За 6 годин електролізу одержано 114,94 г металічного індію, що складає вихід за струмом 93.2 % в розрахунку на розряд сполук одновалентного індію. При розрахунку на трьохвалентний індій за струмом складає 279,5 %. Вміст металів - домішок приведено в таблиці. Таблиця Показники розділення індій-оловяного сплаву (мас. % In -52, Sn - 48) Склад електроліту, Вміст металів- Щільність Температура Часелектролізу, домішок в мас% струму, електролізу, час. виділенному 2 0 мА/см С індії. %-10 4 Іn[ІnСІ4] β-Аl2O 3 Sn-0,99 Те-0,51 Pb-0,91 Ni- 0,20 Сu-0,11 15 85 Fe-0,10 100 240 6 Cd-0,28 Zn-0,41 As-0,50 Hg - 0,29 40 60 65 35 Sn-0,91 Те-0,41 Pb-0,80 Ni-0,11 Сu - 0,06 Fe-0,11 Cd-0,10 Zn-0,31 As - 040 Hg-0,21 Sn-0,98 Те - 0,45 Pb - 0,97 Ni - 0,29 Сu - 0,29 Fe-0,15 Вихід індію за струмом, % в розрахунку на In3+ In+ Маса одержаного індію, г 270,9 90,3 37,14 200 250 6 296,9 99,0 81,43 300 260 6 279,5 93,2 114,94 Cd-0,19 Zn - 0,04 As - 0,49 Hg-0,27 Приведені результати свідчать про ефективність запропонованого рішення, що дозволяє одержати індій, який відповідає технічним умовам індію високої чистоти. Питома витрата електроенергії складає 0,300,35 кВт.год./кг, в той час, як в відомих хлоридних електролітах вона складає 9 кВт.год./кг.