197948. lajstromszámú szabadalom • Eljárás gallium kinyerésére nátrium-aluminát oldatokból cementálással
A találmány tárgya új eljárás gallium kinyerésére nátrium-aluminát oldatokból cementálással. Mint ismeretes, a bauxitban néhány ezred % mennyiségben található galliumot a bauxitfeltárás során képződő nátrium-aluminát oldatokból nyerik ki elektrokémiai úton vagy extrahálással. Környezetvédelmi és egészségvédelmi szempontból legelőnyösebb a cementálási eljárás, így ez terjedt el leginkább az ipari gyakorlatban. Ilyen eljárást ismertet a 173 340 sz. magyar szabadalmi leírás, amely szerint a galliumot folyékony gallium-alumínium ötvözettel végzett cementálással választják ki a nátrium-aluminát oldatból. Az ötvözetet a cementálás közben állítják elő oly módon, hogy ha annak potenciálja —1,6 V és —1,8 V közötti értékre csökken, alumíniumot adagolnak a nátrium-aluminát oldathoz. Hasonló eljárás ismeretes a 3 988 150 sz. amerikai szabadalmi leírásból, mely szerint a cementálást 0,2—6,0% alumíniumot tartalmazó gallium-alumínium ötvözettel végzik. Noha ezeknek az eljárásoknak megvan mindaz az előnyük, amely a cementálásos technológiát kedvezőbbé teszi a többi technológiához képest, hátrányuk, hogy fajlagosan nagy mennyiségű alumínium felhasználását igénylik, ezért üzemi megvalósításuk nem gazdaságos. A találmány célja, hogy olyan eljárást biztosítson galliumnak nátrium-aluminát oldatokból való kinyerésére, amelynek révén a cementálás fajlagosan kisebb alumínium-felhasználással végezhető el, és amely eljárás alkalmas ipari méretű megvalósításra. Az találtuk, hogy a fenti célt elérhetjük, ha nátrium-aluminát oldatból a galliumot gallium-alumínium ötvözettel cementálva oly módon nyerjük ki, hogy a cementáló ötvözetet a cementáló reaktoron kívül állítjuk elő és a cementálás közben vezetjük be a reaktorba, az alumíniumban elszegényedett ötvözetet pedig elvezetjük az ötvözetgyártáshoz. A találmány az alábbiakban részletezendő felismeréseken alapszik, melyekhez a cementálás során végbemenő elektródfolyamatok vizsgálatával és megfigyeléseink elméleti megfontolásával jutottunk el. A nátrium-aluminát oldat galliumtartalmának alumíniummal történő cementálásos 1 dt egyenlettel felírható (ahol A = az oldódó felület cm2-ben, GAi,max=adott hőmérsékleten a galliumban elérhető maximális A1 koncentráció %-ban, t = a reakcióidő, óra, k, = = a sebességi állandó), amely tehát függ az alumíniumnak galliumba merült felületé-2 kinyerésénél lejátszódó bruttófolyamat (figyel' men kívül hagyva az egyéb mellékreakciókat) : A1 + (Ga (OH)4) ~->Ga-|- (A1 (OH)4) ~ A bruttófolyamat a következő részreakciókra bontható fel: Al-j-(Ga)-vAl (Ga) (I) Al(Ga)+4 OH~-*-(Ga) + (Al(OH)4)“4- +3 e" (2) (Ga) + (Ga(OH)4)-+3 e=^{Ga)+Ga + +4 OH“ (3) ahol (Ga) a cementáló reaktorban elhelyezett, úgynevezett betét-galliumot jelenti. A részreakciók sorrendje meghatározó. Az (1) és (2) részreakció irreverzibilis, a (3) részreakció pedig az elektródpotenciál értékétől függ és reverzibilis. Az (1) részreakció az alumínium folyékony galliumban való oldódását, illetve különböző összetételű ötvözeteinek képződését reprezentálja. A 173 340 sz. magyar szabadalmi leírásban ismertetett eljárás szerint a fém alumíniumot közvetlenül a nátrium-aluminát oldatba adagolják. Az alumínium 2,7 g/cm3 sűrűsége miatt a cementátor alján lévő folyékony gallium felszínén úszik. Felületének kisebb hányada a galliummal, nagyobb hányada az aluminátlúggal érintkezik. Ezért az alumínium elsődleges oldódása, azaz ötvözetének képződése folyékony galliumban csak részleges. A kialakuló rendszer — kémiai és elektrokémiai értelemben — inhomogén, többfázisú és lokális elem-halmaz, mivel abban a folyékony gallium és a gallium-alumínium ötvözet, valamint a szilárd alumínium is megtalálható. Egy ilyen rendszernél a beadagolt fém alumínium eleve nem töltheti be feladatát, amelyre később visszatérünk, mivel jelentős része hidrogén képződése közben lokálisan oldódik az aluminátlúgban. Ha azonban az alumíniumot a találmány szerinti módon, a fém alumínium és a nátrium-aluminát oldat érintkezésének kizárásával visszük be a folyékony galliumba, az rendkívül kedvező az alumínium folyékony galliumban való elsődleges oldódása, azaz a gallium-alumínium ötvözet képződése szempontjából. Kísérletekkel megállapítottuk, hogy folyékony galliumban — egyrészt az alumínium oldódási sebessége a 2 tői és — a k, sebességi állandó miatt — a hőmérséklettől, — másrészt a maximálisan elérhető alumínium-koncentráció a 197948 5 10 15 20 25 30 35 10 45 50 /CA1, 65
