Разработка электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты — сырья для производства лейкосапфиров

Лейкосапфир, сапфир, рубин являются разновидностями прозрачных драгоценных корундов [1]. В настоящее время производство искусственного корунда является востребованным на мировом рынке. Развитие высокотехнологичных отраслей приводит к увеличению спроса на монокристаллический корунд, который является материалом для изготовления оптических систем, лазеров, светодиодов высокой яркости, солнечных батарей, современных интегральных схем, пуленепробиваемых материалов для средств безопасности и сверхзвуковой авиации. Искусственные кристаллы корунда используются в медицине, а также в ювелирной и часовой промышленности.

Основной проблемой при получении искусственного корунда является дороговизна сырья для его производства (оксида алюминия чистотой 99,9999,999%), которая связана со сложностью аппаратурного оформления многочисленных переделов. Такое сырье получают из металлургического глинозема, имеющего чистоту до 99,7% (марка Г-000) и требующего дополнительной очистки. Химическая очистка глинозема от примесей реализована за рубежом. В России в настоящее время не существует промышленного производства оксида алюминия необходимой чистоты.

Предлагаемый способ заключается в получении оксида алюминия высокой чистоты, пригодного для производства лейкосапфиров, из металла, заранее очищенного от примесей при помощи электролитического рафинирования и имеющего чистоту 99,99−99,995% и выше [2]. Такое сырье не нуждается в дополнительной очистке, к тому же, после окисления алюминия до оксида содержание исходных примесей снижается вдвое за счет увеличения массы продукта. Поэтому работа по созданию электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты является актуальной.

Для этого необходимо разработать научные и технологические основы нового способа получения сырья для производства лейкосапфиров, который должен стать экономичным, эффективным и позволил бы получать чистый конечный продукт.

Необходимо также создать установку для его получения и разработать аппаратурно-технологическое оформление процесса производства. Все перечисленное является целью данной работы.

Выводы.

1. Проведен анализ существующих способов получения оксида1 алюминия, t который показал, что до настоящего времени не найдено эффективной технологии его получения, обеспечивающей чистоту продукта, необходимую для производства лейкосапфиров, и высокую рентабельность производства.

2. Изучены-. электрохимические процессы при проведении электролиза. Основными являются: образование гидроксида алюминия на аноде и выделение водорода на катоде. Реакция суммарного. процесса:

Al + ЗН20 = Al (OH)3>U +1Н2Т.

3. Методом снятия поляризационной кривой установлено, что анодный процесс состоит из двух этапов. При низкой плотности тока до 0,015 А/см химически образуется водород, который адсорбируется на частицах гидроксида алюминия и закрывает часть поверхности анода. Это приводит к пассивации электрода и увеличению поляризации. Повышение плотности тока выше 0,015 А/см2 приводит к увеличению скорости образования гидроксида алюминия и более интенсивному отводу его вместе с водородомвглубь электролита. При этом поверхность анода не пассивируется.

4. Вид анодной поляризационной кривой указывает на электрохимический характер кинетики электродного процесса. Эффективный анодный выход по току составляет 117% и говорит о совместном образовании ионов А13+ и А1+ в соотношении 78,2% А13+ и 21,8% А1+.

5. Установлено, что выделение водорода на катоде происходит при равновесном потенциале —1,66 В. Это-указывает на увеличение рН в прикатодном пространстве до 14. При этом активируется поверхность металла за счет растворения оксидной пленки. Химическое взаимодействие алюминия с водой приводит к образованию гидроксида алюминия на катоде. л.

6. Суммарный удельный выход продукта при плотности тока 0,03 А/см и температуре 25 °C составляет 285 г/(мч) в пересчете на оксид алюминия, что соответствует кажущемуся выходу по току 150%. При повышении температуры до.

70 °C кажущийся выход по току достигает 170%.

7. По предложенной схеме старение раствора гидроксида алюминия происходит от коллоидного состояния до образования А1(ОН)3 в форме гидраргиллита и приводит к разделению твердой и жидкой фаз за счет поэтапного увеличения плотности осадка. Продолжительность старения составляет 30−40 мин. Оптимальная плотность тока, позволяющая достичь максимального размера частиц гу гидроксида алюминия 8−9 мкм, составляет 0,045 А/см .

8. Удельное сопротивление гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия в состоянии равновесия при температуре 70 °C составляет 23,83 Ом-см.

9. Разработана конструкция электролизной установки, включающая два электролизера, сборную емкость, насос и контур циркуляции электролита. Производительность установки по оксиду алюминия составляет 2,66 кг/ч.

10. Предложена принципиальная аппаратурно-технологическая схема получения оксида алюминия высокой чистоты, включающая три стадии:

1) подготовка сырья, материалов, энергоресурсов;

2) электролитическое получение и отделение гидроксида алюминия;

3) термическое получение оксида алюминия.

Дано описание технологического процесса. Смоделирован технологический цикл производства и проведен расчет материального баланса.

11. Проведены опытно-промышленные испытания разработанной технологии, в ходе которых создана опытно-промышленная установка для получения оксида алюминия, получена опытная партия продукта в количестве 120 кг, полученный продукт испытан в производстве монокристаллов лейкосапфиров по методу Вернейля. В результате опытно-промышленных испытаний установлено, что полученный оксид алюминия соответствует по чистоте 99,99−99,995%, а выращенные из него кристаллы удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к кристаллам лейкосапфиров, и могут быть использованы для тигельных методов выращивания кристаллов.