DE112011101460T5

DE112011101460T5 - Verfahren zum Extrahieren von Gallium aus Flugasche

Info

Publication number: DE112011101460T5
Application number: DE112011101460T
Authority: DE
Inventors: Yinshan Jiang; Jianguo Han; Ping Zou; Chunbin Guo; Dazhao Gu; Cundi Wei; Deli YU; Zhaohua Guo; Yixin Zhao
Original assignee: China Shenhua Energy Co Ltd
Current assignee: China Shenhua Energy Co Ltd
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: CN101838738A; EP2565283B1; CN102154565B; RU2506332C1; JP2013531127A; EP2565283A4; JP5379332B2; DE112011101460B4; WO2011134402A1; EP2565283A1; CN102154565A; US20130081954A1; ZA201207978B; US8728296B2

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Extrahieren von Gallium aus Flugasche, welches die folgenden Schritte aufweist: ein Mahlen der Flugasche und ein Entfernen von Fe durch eine magnetische Abscheidung; dann ein Auflösen davon unter Verwendung von Hydrochloridsäure, um Hydrochloridsäure-Eluat zu erhalten; ein Adsorbieren von Gallium, welches in dem hydrochlorigen Säure-Eluat enthalten ist, mit einem makroporösen kationischen Harz, gefolgt durch ein Eluieren, um ein Eluens, welches Gallium enthält, zu erhalten; ein Hinzufügen eines Maskier-Agens, um Eisenionen zu maskieren, um nach dem Maskieren ein Eluens zu erhalten, welches Gallium enthält; ein Adsorbieren von Gallium in dem Eluens, welches Gallium enthält, nach dem Maskieren mit einem makroporösen kationischen Harz, gefolgt durch ein Eluieren, um ein Sekundär-Eluens zu erhalten; ein Hinzfügen von Natriumhydroxid-Lösung in das Sekundär-Eluens, um zu reagieren; ein Filtern und Entfernen von Ausschwemmungen nach der Reaktion und dann ein Konzentrieren des Filtrats und Elektrolysieren, um metallisches Kalium zu erhalten. Das Verfahren vereinfacht den Vorgang und verbessert die Extraktionseffizienz von Gallium.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Extrahieren von metallischem Gallium bzw. des Metalls Gallium aus Flugasche und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Extrahieren von metallischem Gallium aus zirkulierender Wirbelschicht-Flugasche.
Hintergrund
Gallium ist ein wichtiges Halbleitermaterial und wird weit verbreitet verwendet. Der Preis von Gallium ist auf dem internationalen Markt sehr hoch und demnach hat Gallium gute Aussichten. Die Reserve an Gallium jedoch ist gering, nur ungefähr 0,015% in der Erdkruste. Gallium bildet nahezu keine Mineralien sondern existiert mit anderen Mineralien in Form von Isomorphismen. Demnach ist eine Extraktion von Gallium bemerkenswert schwierig. Gallium wird oft in Zusammenhang mit Aluminium und Zink in Mineralien in der Natur aufgefunden. Als solches dienen Sulfid-Ablagerungen von Zink- und Bauxit-Erz als primäre Quelle der Extraktion von Gallium. In der heutigen Zeit wird mehr als 90% von Gallium in der Welt aus dem Nebenprodukt der Aluminiumindustrie extrahiert, in welcher Bauxit als ein Hauptrohstoff verwendet wird. Die Mutterflüssigkeit bzw. Mutterlauge, welche für die Anreicherung und Abscheidung von Gallium verwendet wird, ist die Mutterflüssigkeit, welche aus der Kohlenstoffabscheidung (oder der Keimabscheidung) während des Vorgangs zum Herstellens von Aluminium erhalten wird. Der Hauptbestandteil einer solchen Mutterflüssigkeit, welche aus der Kohlenstoffabscheidung (oder Keimabscheidung) erhalten wird, ist eine Basis-Natrium-Meta-Aluminat-Lösung, welche Gallium enthält. Hauptverfahren zum Extrahieren von Gallium aus einer solchen Basis-Lösung weisen ein Verfahren zum Entfernen von Aluminium über Schwödebrei und eine Karbonisierung, ein Verfahren zur carbonisierten Kalkmilch-Zweistufen-Dekomposition, ein Abscheidungsverfahren und ein Harz-Adsorptionsverfahren, welches sich in den letzten Jahren entwickelt hat, auf.
Die jüngsten Studien haben gezeigt, dass die Flugasche, welche von einigen Stellen erhalten wird, eine große Menge von Gallium enthält, welche sogar den Galliumgehalt von mineralischen Ablagerungen überschreitet. Es wurde durch Untersuchungen verifiziert, dass der Galliumgehalt in der Flugasche gewöhnlicherweise 12 bis 230 μg/g ist. Verglichen mit dem Galliumgehalt anderer Rohstoffe ist es die Flugasche wert, als Rohstoff einem Extraktionsverfahren für metallisches Gallium unterzogen zu werden. Im Licht verschiedener Bedingungen von Kalzinierungen wird die Flugasche in Staubkessel-Flugasche und zirkulierende Wirbelschicht-Flugasche klassifiziert. Die Staubkessel-Flugasche wird hergestellt, wenn Kohle bei einer sehr hohen Temperatur (1400 bis 1600°C) verbrannt wird, in welcher Aluminium in einem glasigen Zustand ist, oder als eine mineralische Form von Mullit-Kristallen oder Korund-Kristallen von heißem Aluminium-Mineral vorhanden ist, welche solch ein Aluminium sehr stabil machen. Hingegen ist die Verbrennungstemperatur von zirkulierender Wirbelschicht-Flugasche viel geringer als die von traditioneller Staubkessel-Flugasche, nämlich nur ungefähr 850°. Verschiedene Verbrennungstemperaturen begründen einen wesentlichen Unterschied in der Phasenzusammensetzung zwischen der Staubkessel-Flugasche und der zirkulierenden Wirbelbett-Flugasche, d. h. amorphes Kaolinit dringt in die Hauptphasenzusammensetzung der zirkulierenden Wirbelbett-Flugasche ein, in welcher Siliziumdioxid, Aluminium und Eisenoxid oder dergleichen eine herausragende Aktivität besitzen.
Die CN 2008 100 51 209.5 offenbart ein Verfahren zum Extrahieren von sowohl Aluminium als auch Gallium aus Flugasche. Bei dem Verfahren wird durch Säure-Auswasch- und Alkali- bzw. Basen-Auswasch-Verfahren eine Natrium-Meta-Aluminat-Lösung erhalten, welche Gallium enthält, und dann wird Gallium angereichert und über einen Mehrstufen-Kohlenstoffabscheidungs-Natriumhydroxid-Lösungs-Vorgang getrennt.
Die CN 2007 100 65 366.7 offenbart ein Verfahren zum Extrahieren von Siliziumdioxid, Aluminium und Galliumoxid aus einer Hoch-Aluminium-Flugasche. Das Verfahren weist Schritte eines Behandelns der Überreste, welche nach der Extraktion von Siliziumdioxid aus Flugasche hergestellt werden, um eine Natrium-Meta-Aluminat-Lösung zu erhalten, welche Gallium enthält, eines Verwenden einer solche Lösung als die Mutterlösung, um Gallium über einen Mehrstufen-Kohlenstoffabscheidungs-Natriumhydroxid-Lösungs-Vorgang anzureichern, und einen Harz-Adsorptionsvorgang auf.
Die CN 2007 101 45 132.3 offenbart ein Verfahren zum Miterzeugen von Gallium und Aluminium. Das Verfahren weist Schritte eines Behandelns von Flugasche, um eine Natrium-Meta-Aluminat-Lösung zu erhalten, welche Gallium enthält, eines Anreicherns von Gallium durch das Bayer-Lösungssystem und dann eines Abtrennen bzw. Abscheiden des angereicherten Galliums durch einen Adsorptionsvorgang unter Verwendung eines Chelat-bildenden bzw. Komplex-bildenden Harz auf.
Die CN 2007 101 41 488.X offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Gallium. Das Zwischenprodukt, d. h. die Mutterflüssigkeit der Kohlenstoffabscheidung, welche aus dem Vorgang zum Herstellen von Aluminium aus Flugasche erhalten wird, wird als ein Rohstoff verwendet und reagiert mit Natriumbikarbonat, und wird dann einer gründlichen Karbonisierung unterworfen, um ein Galliumkonzentrat zu erhalten.
In den obigen Patentdokumenten wird die Mutterflüssigkeit der Karbonabscheidung bzw. Kohlenstoffabscheidung (oder Keimabscheidung), welche aus dem Vorgang zum Herstellen von Aluminium aus Flugasche erhalten wird, als ein Rohstoff für die Anreicherung und Abscheidung von Gallium verwendet, d. h. die Mutterflüssigkeit, welche zum Extrahieren von Gallium verwendet wird, ist eine Basis-Natrium-Meta-Aluminat-Lösung, welche Gallium enthält.
Die CN 2008 100 17 872.2 offenbart einen Vorgang zum Extrahieren von Gallium aus Flugasche und Kohlen-Gangerz. In dem Vorgang wird ein Adsorptionsverfahren über Absorptionssäulen zum Extrahieren von Gallium aus einer Aluminiumchlorid-Lösung, welche Gallium enthält, welche durch ein Mischen von Flugasche und Natriumkarbonat erhalten wird, verwendet, wobei die Mischung einer Kalzinierung, gefolgt von einer Wasserauswaschung und einer Karbonabscheidung unterzogen wird, und dann mit Hydrochloridsäure reagiert. Solch ein Vorgang ist, indem Flugasche und Natriumkarbonat gemischt und bei einer sehr hohen Temperatur vor einer Säureauswaschung kalziniert werden, geeignet zum Extrahieren von Gallium aus Staubkessel-Flugasche, welche eine schwache Aktivität hat.
Jiazhen He et al. hat „a research an technique of recycling gallium from fly ash" (Scientific Research, 2002, No. 5, p 23–26) berichtet, in welchem die Flugasche direkt mit einer Hydrochloridsäure reagiert, um eine Aluminiumchlorid-Lösung zu ergeben, welche Gallium enthält, ohne bei einer sehr hohen Temperatur kalziniert zu werden, und dann wird Gallium durch einen Harz-Adsorption extrahiert. Die Reaktionstemperatur der Flugasche und der Hydrochloridsäure ist gering (60°C), was die Auswasch-Effizienz von Gallium sehr gering macht (35,2%). Darüber hinaus ist das Harz bzw. Kunstharz zur Extraktion, welches bei dem Verfahren verwendet wird, Levextrel-Harz (CL-TBP). Das Adsorptionsprinzip eines solchen Harzes ist ähnlich zu demjenigen einer Lösungsextraktion. Solch ein Harz wird durch ein Co-Polymerisieren und Aushärten der aktiven Gruppe eines Extraktions-Agens mit dem Basisharz erhalten. Demzufolge ist die Adsorptions-Effizienz des Harzes sehr gering und die Herstellungskosten sind sehr hoch.
Kurzfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Extrahieren von metallischem Gallium aus zirkulierender Wirbelschicht-Flugasche vorzusehen.
Das Verfahren zum Extrahieren von metallischem Gallium aus zirkulierender Wirbelschicht-Flugasche gemäß der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:

a) ein Mahlen der. Flugasche auf eine Größe von 100 mesh oder kleiner, ein Entfernen von Eisen durch eine nassmagnetische Abscheidung derart, dass der Eisenoxidgehalt in der Flugasche auf 1,0 Gew.-% oder weniger verringert wird, dann ein Hinzufügen von Hydrochloridsäure in die enteisente Flugasche für eine Säure-Auswasch-Reaktion und ein Unterziehen des Reaktionsprodukts einer Fest-Flüssig-Trennung, um ein hydrochloriges bzw. salzsaures Eluat bzw. eine hydrochlorige Ausschwemmung zu ergeben, welche einen pH-Wert in dem Bereich 1 bis 3 hat;
b) ein Adsorbieren von Gallium in dem hydrochlorigen Eluat durch ein Durchführen derselben durch eine Säulenbeladung mit einem makroporösen kationischen Harz; ein Eluieren der Säule mit Wasser oder Hydrochloridsäure als einem Eluier-Agens, wenn die Adsorption eine Sättigung erreicht, um ein Gallium enthaltendes Eluens zu enthalten;
c) ein Maskieren von Eisenionen in dem Gallium enthaltenden Eluens durch ein Maskier-Agens bzw. Maskierungsmittel, gefolgt von einem Durchführen des maskierten Eluens durch die Säulenbeladung mit einem makroporösen kationischen Harz; ein Eluieren der Säule mit Wasser oder Hydrochloridsäure als einem Eluier-Agens, wenn die Adsorption eine Sättigung erreicht, um ein zweites Eluens zu erhalten; und
d) ein Hinzufügen einer Alkali- bzw. Basen-Lösung in das zweite Eluens, ein Entfernen von Abscheidungen bzw. Ausfällungen durch ein Filtern nach der Reaktion und ein Konzentrieren des Filtrats bis sowohl der Galliumgehalt als auch der Natriumhydroxidgehalt 1 mol/l oder mehr sind, dann ein Elektrolysieren des konzentrierten Filtrats, um metallisches Gallium zu erhalten.

Hierin nachstehend wird das Verfahren gemäß der Erfindung weiterhin im Detail beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
In Schritt a) weist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Flugasche zirkulierende Wirbelschicht-Flugasche auf, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt. Im Licht der Partikelgrößenverteilung der Flugasche wird die Flugasche auf eine Größe von 100 mesh oder weniger gemahlen, wobei Eisen, welches in der gemahlenen Flugasche enthalten ist, vor der Säure-Auswaschung entfernt wird derart, dass der Eisengehalt in der Flugasche auf 1,0 Gew.-% oder weniger verringert wird. Die Verfahren zum Entfernen von Eisen können irgendwelche herkömmliche Verfahren zum Entfernen von Eisen wie beispielsweise eine magnetische Abscheidung sein. Bevorzugt wird eine nassmagnetische Abscheidung in der vorliegenden Erfindung verwendet. Irgendein herkömmlicher Magnetabscheider, welcher zum Entfernen von Eisen aus pulverähnlichem Material geeignet ist, kann für die nassmagnetische Abscheidung in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, solange der Eisengehalt der Flugasche auf 1,0 Gew.-% oder weniger verringert werden kann. Der Eisengehalt in der Flugasche wird auf der Basis des Gewichts der getrockneten Flugasche, welche kein Wasser enthält, berechnet.
Vorzugsweise ist der Magnetabscheider, welcher für die Flugasche verwendet wird, ein Vertikalring-Magnetabscheider. Weiterhin vorzugsweise weist der Vertikalring-Magnetabscheider einen sich drehenden Ring, ein induktives Medium, ein oberes Eisenjoch, ein unteres Eisenjoch, eine Magnetanregungsspule bzw. magnetische Anregungsspule, eine Zuführöffnung, ein Abführgefäß und eine Wasser-Waschvorrichtung auf, wobei die Zuführöffnung zum Zuführen der Kohleasche, welche enteisent werden soll, verwendet wird, das Abführgefäß zum Abführen der nichtmagnetischen Partikel nach der Enteisenung verwendet wird, das obere Eisenjoch und das untere Eisenjoch jeweils an der inneren und der äußeren Seite des unteren Abschnitts des sich drehenden Rings angeordnet sind, die Wasser-Waschvorrichtung über dem sich drehenden Ring angeordnet ist, das induktive Medium in dem sich drehenden Ring angeordnet ist, die Magnetanregungsspule an dem Umfang bzw. an der Peripherie des oberen Eisenjochs und des unteren Eisenjochs angeordnet ist, so dass das obere Eisenjoch und das untere Eisenjoch zu einem Paar von Magnetpolen zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der vertikalen Richtung gemacht wird, und wobei das induktive Medium Lagen bzw. Schichten von Stahl-Gewebe bzw. Stahlplatten-Gewebe sind, wobei jedes Stahl-Gewebe aus Drähten gewoben ist, und die Ränder der Drähte prismatische bzw. orthorhombische spitze Winkel haben.
Vorzugsweise sind das obere Eisenjoch und das untere Eisenjoch integral gebildet, und sie sind in einer Ebene rechtwinklig zu dem sich drehenden Ring angeordnet, um die innere und die äußere Seite des unteren Abschnitts des sich drehenden Rings zu umgeben.
Vorzugsweise weist der Vertikalring-Magnetabscheider weiterhin einen Druckausgleichskammer- bzw. Druckregelkammer-Wassermantel auf, der benachbart zu der Magnetanregungsspule angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das Stahl-Gewebe aus 1Cr17 gefertigt.
Vorzugsweise ist die Magnetanregungsspule eine Flachdraht-Solenoidspule, welche aus Zweischicht-glasemailliertem bzw. doppelt glasemailliertem Aluminium gefertigt ist.
Vorzugsweise hat das Stahl-Gewebe einen mittleren Lagen- bzw. Schichtabstand von 2–5 mm. Weiter vorzugsweise hat das Stahl-Gewebe einen mittleren Lagenabstand von 3 mm.
Vorzugsweise hat das Stahl-Gewebe eine Dicke von 0,8 bis 1,5 mm, eine Gittermaschengröße von 3 mm × 8 mm bis 8 mm × 15 mm und eine Drahtbreite bzw. einen Drahtquerschnitt von 1 bis 2 mm. Weiter vorzugsweise hat das Stahl-Gewebe eine Dicke von 1 mm, eine Gittermaschengröße von 5 mm × 10 mm und eine Drahtbreite bzw. einen Drahtquerschnitt von 1,6 mm.
Vorzugsweise weist der Vertikalring-Magnetabscheider weiterhin einen Schwingmechanismus auf, welcher mit dem Abführgefäß über eine Gummiplatte gekoppelt ist.
Vorzugsweise ist das induktive Medium in dem gesamten Kreis des sich drehenden Rings vorgesehen.
Wenn der vorstehend erwähnte Vertikalring-Magnetabscheider zur magnetischen Abscheidung zum Enteisenen verwendet wird, ist es notwendig, rechtzeitig den Eisengehalt in der Aufschlämmung zu überprüfen, welche der Magnetabscheidung unterzogen wird. Wenn der Eisengehalt in der Aufschlämmung gleich zu oder geringer als ein vorbestimmter Wert ist, wird die Aufschlämmung abgeführt; wenn der Eisengehalt höher ist als der vorbestimmte Wert, wird die Aufschlämmung in die Zuführöffnung für eine weitere magnetische Abscheidung zurückverbracht. Solch eine magnetische Abscheidung kann zwei bis viermal, vorzugsweise zwei bis dreimal wiederholt werden.
Vorzugsweise sieht der Vertikalring-Magnetabscheider, wenn die Aufschlämmung durch den Vertikalring-Magnetabscheider magnetisch abgeschieden bzw. getrennt wird, eine Magnetfeldstärke von 15.000 Gs oder mehr, weiterhin vorzugsweise 15.000 bis 20.000 Gs, weiter vorzugsweise 15.000 bis 17.500 Gs vor.
In Schritt a) wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Filterkuchen der zirkulierenden Wirbelschicht-Flugasche, welche der magnetischen Abscheidung unterzogen wird, in einem säurebeständigen Reaktor platziert und dann wird die Hydrochloridsäure mit einer bevorzugten Konzentration von 20 bis 37 Gew.-% darin hinzugefügt, um eine Säurelösungsreaktion durchzuführen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das molare Verhältnis von HCl, welche in der Hydrochloridsäure enthalten ist, zu Aluminium, welches in der Flugasche enthalten ist, 4:1–9:1.
Vorzugsweise reagiert die Flugasche und die Hydrochloridsäure bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 200°C und unter einem Druck in dem Bereich von 0,1 bis 2,5 MPa, und die Reaktionszeit ist 0,5 bis 4,0 Stunden. Nachdem die Reaktion beendet ist, wird das Reaktionsprodukt einer Fest-Flüssig-Trennung und einer Auswaschung bzw. Ausschwemmung unterzogen, um ein Säure-Eluat zu erhalten, welches einen pH-Wert in dem Bereich von 1 bis 3 hat. Der Vorgang für die Fest-Flüssig-Trennung kann eines irgendeines herkömmlichen Verfahrens sein, wie beispielsweise eine Absetz-Abscheidung (settling separation), eine Vakuum-Filtration, eine Druck-Filtration oder ein Zentrifugieren oder dergleichen.
In Schritt b) ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das makroporöse kationische Harz vorzugsweise D001, 732, 742, 7020 H, 7120 H, JK008 oder SPC-1 etc. Der Vorgang zum Adsorbieren des hydrochlorigen Eluats kann eines von herkömmlichen Verfahren sein. Es ist jedoch bevorzugt, Schritt b) auf eine derartige Art und Weise durchzuführen, dass das hydrochlorige Eluat durch die Harzsäule vom Boden zu einer Oberseite bei 20 bis 90°C durchtritt, derart, dass das Eluat kolbenähnlich in den Spalten des Harzes mit einem Volumenfluss von ein bis viermal mehr als das Harzvolumen pro Stunde nach oben fließt. Die Harzsäule bzw. Harzkolumne kann eine einzelne Säule oder zwei kaskadierte Säulen sein.
Das makroporöse kationische Harz wird durch ein Eluier-Agens eluiert, um ein Eluens zu erhalten, welches Gallium enthält, wenn die Adsorption eine Sättigung erreicht. Das Eluier-Agens kann Wasser oder Hydrochloridsäure sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Eluier-Agens Hydrochloridsäure mit einer Konzentration von 2 bis 10 Gew.-%. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform können, wenn das makroporöse kationische Harz durch das Eluier-Agens eluiert wird, die Bedingungen der Eluierung einschließen, dass die Eluier-Temperatur 20 bis 60°C ist, die Menge des Eluier-Agens ein bis dreimal mehr als das Volumen des Harzes ist, der Volumenfluss des Eluier-Agens ein bis dreimal mehr als das Harzvolumen pro Stunde ist, und das Eluier-Agens durch die Harzsäule in einer oben-hinein- und-am-Boden-hinaus-Richtung während des Eluierens durchtritt.
Das makroporöse kationische Harz kann Adsorptionskapazität durch ein Regenerieren des eluierten makroporösen kationischen Harzes wiedererlangen. Hydrochloridsäure mit einer Konzentration von 2 bis 10 Gew.-% wird zur Regeneration verwendet, bei welcher die Temperatur 20 bis 60°C ist, die Menge der Hydrochloridsäure ein bis zweimal mehr als das Volumen des Harzes ist und der Volumenfluss der Hydrochloridsäure ein bis dreimal mehr als das Harzvolumen pro Stunde ist und die Hydrochloridsäure durch die Harzsäule auf einem oben-hinein- und -am-Boden-hinaus-Weg während der Regeneration hindurchtritt.
In Schritt c) kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das Maskier-Agens bzw. Maskiermittel eines oder mehrere von Natriumsulfit, Eisenpulver, Hydroxylaminhydrochlorid und Vitamin C sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das molare Verhältnis des Maskier-Agens zu den Eisenionen, welche in dem Eluens, welches letztendlich aus Schritt b) erhalten wird, enthalten ist, 1–2:1. Wenn Eisenpulver als das Maskier-Agens verwendet wird, muss das unreagierte Eisenpulver von dem Eluens über eine Fest-Flüssig-Trennung entfernt werden, nachdem das Eisenpulver mit dem Eluens reagiert, und dann tritt das Eluens, welches der Abscheidung unterzogen wird, durch die Säulenbeladung mit Harz hindurch.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in Schritt c) das makroporöse kationische Harz D001, 732, 742, 7020 H, 7120 H, JK008 oder SPC-1-Harz.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann in Schritt c) die Adsorption des Eluens, welches das Maskier-Agens enthält, über das Harz Schritte des Hindurchtretens des Eluens durch die Säulenbeladung von dem Boden zu der Oberseite bei 20 bis 90°C mit einem Volumenfluss von ein bis viermal mehr als dem Harzvolumen pro Stunde aufweisen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist in Schritt c) die Konzentration des Eluier-Agens (d. h. Hydrochloridsäure) 2 bis 10 Gew.-% und die Bedingungen der Eluierung schließen ein, dass die Eluier-Temperatur 20 bis 60°C ist, die Menge des Eluier-Agens ein bis dreimal mehr als das Volumen des Harzes ist, der Volumenfluss des Eluier-Agens ein bis dreimal mehr als das Harzvolumen pro Stunde ist.
In den Schritten b) und c) kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das makroporöse kationische Harz ein stark-säure-kationisches Harz sein, wie beispielsweise Styrenharze oder Acrylharze. Die essentiellen Eigenschaften des Harzes weisen einen Feuchtegehalt von 50,5 bis 70,0%, eine Austauschkapazität von 3,60 mmol/g oder mehr, eine Volumenaustauschkapazität von 1,20 mmol/g oder mehr, eine Raumdichte im nassen Zustand von 0,60 bis 0,80 g/ml, eine Partikelgröße von 0,315 bis 1,250 mm, eine verfügbare Partikelgröße von 0,400 bis 0,700 mm und eine maximale Arbeitstemperatur von 95°C auf.
In Schritt d) wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise Natriumhydroxid-Lösung in das Sekundär-Eluens unter einer Rührbedingung hinzugefügt, und die Konzentration der Natriumhydroxid-Lösung ist 180 bis 245 g/l und das Sekundär-Eluens reagiert mit der Natriumhydroxid-Lösung bei 20 bis 100°C. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Massenverhältnis von Natriumhydroxid zu Aluminium, welches in dem Eluens enthalten ist, 1:1 bis 2:1 derart, dass das Aluminiumchlorid und Galliumchlorid, welche in dem Sekundär-Eluens enthalten sind, mit Natriumhydrochlorid reagieren können, um Natrium-Meta-Aluminat/Natrium-Meta-Gallat und einige Eisenchlorid-Abscheidungen in der Form von Eisenhydroxid zu bilden. Das Reaktionsprodukt wird einer Fest-Flüssig-Trennungsspülung unterzogen, um eine Basislösung bzw. Basenlösung, welche Aluminium und Gallium enthält, zu erhalten.
In Schritt d) wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Basislösung, welche Aluminium und Gallium enthält, einer Alkalizitätsanpassung und einer Konzentration unterworfen derart, dass sowohl der Gallium-Gehalt als auch der Natriumhydroxid-Gehalt 1 mol/l oder mehr sind. Dann wird eine Elektrolyse durchgeführt, um ein metallisches Galliumprodukt zu erhalten. Die bevorzugten Elektrolyse-Parameter weisen eine Platin-Elektrode als die negative und positive Elektrode, einen Elektrolysestrom von 180 bis 200 mA/l, eine Elektrolysespannung von 4 V und eine Elektrolysebad-Temperatur von 35 bis 45°C auf.
Im Vergleich mit Vorgängen im Stand der Technik sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung wie die folgenden Aspekte. Die zirkulierende Wirbelschicht-Flugasche mit einer hohen Aktivität wird als der Rohstoff für die Erfindung eingesetzt und Gallium wird aus der Flugasche über einen direkten Säure-Ausschwemmungsvorgang extrahiert, welcher den Schritt der Kalzinierung und der Aktivierung mit der Anwesenheit von Natriumkarbonat bei einer sehr hohen Temperatur einspart, und demnach die Vorgänge vereinfacht und die Herstellungskosten verringert. Die Säure-Ausschwemmung der Flugasche tritt in einem säurefesten bzw. säurebeständigen Reaktor bei einer moderaten Temperatur (in dem Bereich von 100 bis 200°C) auf, und demnach ist die Auswasch-Effizienz von Aluminium hoch, sie ist 80% oder mehr. Die effektive Adsorptions-Effizienz von Gallium in hydrochlorigem Eluat ist 96% oder mehr, wenn ein makroporöses kationisches Harz zum Adsorbieren von Gallium verwendet wird. Das Massenverhältnis von Gallium zu Aluminium in dem Eluens, welches durch eine zweimalige Adsorption mittels Harz erhalten wird, erreicht 0,005 oder mehr. Während der Anreicherung von Gallium in hydrochlorischer Ausschwemmung über ein makroporöses kationisches Harz wird das Eisen, welches in dem hydrochlorigen Eluat enthalten ist, effektiv entfernt, was vorteilhafte Bedingungen für die folgende Bereitstellung bzw. Herstellung von Aluminium mit hoher Qualität erzeugt. Das Verfahren ist einfach, der Vorgang ist einfach zu steuern bzw. regeln, die Extraktionseffizienz von Gallium ist hoch, die Produktionskosten sind niedrig und die Produktqualität ist stabil.
Zusätzlich hat eine experimentelle Studie angezeigt, dass, da die Magnetabscheidevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Eisen-Entfern-Effizienz um 20% oder mehr verbessert wird, und die Eisen-Entfern-Rate von 60% auf 80% verbessert wird, was signifikant die Last des Enteisenen aus der Lösung in den nachfolgenden Vorgängen erleichtert, und wodurch die Herstellungskosten verringert werden und die Produktionseffizienz verbessert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematisches Diagramm des Vertikalring-Magnetabscheiders, welcher in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Hierin nachstehend wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weiter im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, es sollte jedoch verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung keineswegs darauf beschränkt ist.
Die Struktur des Vertikalring-Magnetabscheiders, welcher für die folgenden Beispiele verwendet wird, ist in 2 gezeigt. Der Vertikalring-Magnetabscheider weist einen sich drehenden Ring 101, ein induktives Medium 102, ein oberes Eisenjoch 103, ein unteres Eisenjoch 104, eine magnetische Anregungsspule bzw. Magnetanregungsspule 105, eine Zuführöffnung 106 und ein Abführgefäß 107 auf, und weist auch einen schwingenden Mechanismus 108 und eine Wasser-Waschvorrichtung 109 auf.
Der sich drehende Ring 101 ist ein kreisförmiger ringförmiger Träger, in welchem das induktive Medium 102 getragen wird. Wenn der sich drehende Ring 101 gedreht wird, bewegen sich das induktive Medium 102 und die Materialien, welche daran adsorbiert sind, zusammen, um die adsorbierten Materialien abzuscheiden bzw. zu trennen. Der sich drehende Ring 101 kann aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Kohlenstoffstahl etc. gefertigt sein.
Ein Elektromotor oder eine andere Antriebsvorrichtung kann Leistung für den sich drehenden Ring 101 vorsehen derart, dass sich der sich drehende Ring 101 in einer gewählten Geschwindigkeit bzw. Sollgeschwindigkeit drehen kann.
Wenn Parameter wie beispielsweise ein Eisengehalt oder eine Behandlungsmenge des Materials, welches behandelt werden soll, geringer ist als ein vorbestimmter Wert, können eine relativ geringe Drehgeschwindigkeit wie beispielsweise drei Umdrehungen pro Minute (rpm) verwendet werden, um den ferromagnetischen Verunreinigungen genug Zeit zu geben, um unter der Wirkung des Magnetfeldes an das Gewebe des induktiven Mediums adsorbiert zu werden und abgeschieden zu werden.
Das induktive Medium 102 ist in dem sich drehenden Ring 101 angeordnet. Das Magnetfeld, das durch die Magnetanregungsspule 105 erzeugt wird, veranlasst das obere Eisenjoch 103 und das untere Eisenjoch 104, ein Paar von Magnetpolen zu sein, welches ein Magnetfeld entlang der vertikalen Richtung erzeugt. Das obere Eisenjoch 103 und das untere Eisenjoch 104 sind an der inneren und äußeren Seite des unteren Abschnitts des sich drehenden Rings 101 derart angeordnet, dass sich der sich drehende Ring 101 zwischen den Magnetpolen dreht. Wenn sich der sich drehende Ring 101 dreht, wird das induktive Medium 102 in dem sich drehenden Ring 101 durch das Paar von Magnetpolen, welches aus dem oberen Eisenjoch 103 und dem unteren Eisenjoch 104 besteht, hindurchtreten und zum Entfernen des Eisens magnetisiert werden.
Das induktive Medium 102 kann Schichten bzw. Lagen von Stahl-Gewebe bzw. Stahlplatten-Gewebe sein. Das Stahl-Gewebe ist aus 1Cr17 gefertigt. Jede Lage bzw. Schicht von Stahl-Gewebe ist aus Drähten gewoben, wobei die Gittermaschen eine rhombische Form haben. Die Ränder der Drähte haben prismatisch bzw. orthorombisch spitze Winkel. Das obere Eisenjoch 103 steht mit der Zuführöffnung 106 in Verbindung und das untere Eisenjoch 104 steht mit dem Abführgefäß 107 in Verbindung, welches zum Abführen des Materials verwendet wird. Die Stahl-Gewebe haben einen mittleren Schichtabstand von 3 mm. Die Magnetanregungsspule 105 ist aus einer Flachdraht-Solenoid-Spule gebildet, welche Zweischicht-glasemailliertes bzw. doppelt glasemailliertes Aluminium ist und ein fester Leiter bzw. Festkörperleiter ist. Der Strom, welcher durch die Magnetanregungsspule 105 hindurchtritt ist kontinuierliche anpassbar und demnach ist auch die Stärke des Magnetfeldes, welches durch die Magnetanregungsspule 105 erzeugt wird, kontinuierlich anpassbar.
Der Vertikalring-Magnetabscheider weist weiterhin einen Schwingmechanismus 108 auf, welcher mit dem Abführgefäß 107 über eine Gummiplatte 111 gekoppelt ist. Der Schwingmechanismus kann durch einen exzentrischen Verbindungsmechanismus derart erreicht werden, dass die alternierende Kraft, welche durch den Schwingmechanismus 108 erzeugt wird, die Gummiplatte 111 drückt, um sich vor und zurück zu bewegen, und es möglich ist, für die bzw. in der Mineral-Aufschlämmung in dem Abführgefäß 107 Schwingungen zu erzeugen.
Die Wasser-Waschvorrichtung 109 ist über dem sich drehenden Ring 101 angeordnet, um die Magnetpartikel durch einen Wasserstrom in den Konzentrat-Behälter bzw. -Füllschacht 113 zu spülen. Die Wasser-Waschvorrichtung 109 kann eine beliebige geeignete Spül- oder Sprühvorrichtung sein, wie beispielsweise eine Sprühdüse, eine Wasserleitung etc.
Die Zuführöffnung 106 steht mit einer Seite des oberen Eisenjochs 103 in Verbindung derart, dass die Flugasche durch den sich drehenden Ring hindurchtreten kann. Die Zuführöffnung 106 kann ein Zuführ-Füllschacht oder eine Zuführleitung bzw. ein Zuführrohr sein. Die Zuführöffnung 106 ist zum Zuführen der Mineral-Aufschlämmung konfiguriert derart, dass die Mineral-Aufschlämmung in das obere Eisenjoch 103 mit einem relativ geringen Fall eintritt, um zu Verhindern, dass die magnetischen Partikel das induktive Medium 102 aufgrund der Schwerkraft durchtreten, wodurch die Wirksamkeit des magnetischen Abscheidens und der Verunreinigungsentfernung verbessert werden.
Der Vertikalring-Magnetabscheider weist weiterhin eine Kühlvorrichtung 112 auf, welche benachbart zu der Magnetanregungsspule zum Verringern der Arbeitstemperatur der Magnetanregungsspule vorgesehen ist. Die Kühlvorrichtung ist ein Druckausgleichskammer- bzw. Druckregelkammer-Wassermantel. Der Druckausgleichskammer- bzw. Druckregelkammer-Wassermantel ist aus einem rostfreien Stahlmaterial gefertigt und demnach nicht anfällig für die Baugröße. Da die Druckausgleichskammern bzw. Druckregelkammern jeweils an dem Einlass und Auslass des Wassermantels angebracht sind, stellen sie sicher, dass das Wasser gleichmäßig durch jede Schicht des Wassermantels strömt und sich über das Innere des Mantels füllt, wodurch verhindert wird, dass irgendein lokales Wasser einen Kurzschluss bzw. eine Abkürzung verwendet, welcher andernfalls die Wärmeverteilung bzw. Wärmeableitung beeinflussen würde. Jede Schicht des Wassermantels hat einen Wasserdurchtritt mit einem großen Querschnittsbereich und demnach ist es möglich, ein Blockieren aufgrund von Ablagerungen vollständig zu vermeiden. Auch wenn es dort irgendwo eine Blockierung gibt, wird das normale Strömen des zirkulierenden Wassers in dem Wassermantel nicht beeinflusst werden. Darüber hinaus ist der Wassermantel durch ein großes Kontaktgebiet bzw. einen großen Kontaktbereich in einem engen Kontakt mit der Spule, wodurch die meiste Wärme, welche durch die Spule erzeugt wird, durch den Wasserstrom hinweggenommen werden kann.
Der Druckausgleichskammer- bzw. Druckregelkammer-Wassermantel zeigt im Vergleich mit den herkömmlichen Hohlkupferröhren zur Wärmeableitung eine hohe Wärmeableitungseffizienz, eine geringe Temperaturerhöhung der Wicklungen und eine geringe Anregungsleistung. Im Falle eines bewerteten bzw. festgestellten Anregungsstroms von 40 A kann der Magnetabscheider mit dem Druckausgleichskammer- bzw. Druckregelkammer-Wassermantel zur Wärmeableitung von 35 kW auf 21 kW verringert werden.
Wenn die Magnetabscheidevorrichtung arbeitet, strömt die zugeführte Mineral-Aufschlämmung entlang eines Schlitzes des oberen Eisenjochs 103 dann durch den sich drehenden Ring 101. Wenn das induktive Medium 102 in dem sich drehenden Ring 101 in dem Hintergrund-Magnetfeld magnetisiert wird, wird ein Magnetfeld mit einer sehr hohen magnetischen Induktionsstärke (wie beispielsweise 22.000 Gs) an der Oberfläche des induktiven Mediums 102 gebildet. Die magnetischen Partikel in der Mineral-Aufschlämmung werden unter der Wirkung des sehr hohen Magnetfeldes zu der Oberfläche des induktiven Mediums 102 herangezogen und mit dem sich drehenden Ring 101 gedreht, und sie bewegen sich in den Bereich ohne Magnetfeld an der Spitze des sich drehenden Rings 101. Dann werden die magnetischen Partikel durch die Wasser-Waschvorrichtung 109, welche über der Spitze des sich drehenden Rings platziert ist, in den Konzentrat-Behälter gespült. Die nichtmagnetischen Partikel strömen entlang der Schlitze des unteren Eisenjochs 104 in das Abführgefäß 107 und werden dann über einen Abführausgang des Abführgefäßes 107 abgeführt.
Hierin nachstehend wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weiter im Detail unter Bezugnahme auf die Beispiele beschrieben werden, es sollte jedoch verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung darauf in keiner Art und Weise beschränkt ist.
In den folgenden Beispielen wird die zirkulierende Wirbelschicht-Flugasche, welche von einer Wärmekraftanlage abgeführt wird, als der Rohstoff verwendet und ihre chemischen Bestandteile bzw. Komponenten sind in Tabelle 1 gezeigt. Der Gallium-Gehalt in der Flugasche ist 0,0042 Gew.-%. Tabelle 1: Chemische Bestandteile der zirkulierenden Wirbelschicht-Flugasche (Gew.-%)

SiO₂ Al₂O₃ TiO₂ CaO MgO TFe₂O₃ FeO K₂O Na₂O LOS SO₃ Gesamt

34,7 46,28 1,48 3,61 0,21 1,54 0,22 0,39 0,17 7,17 1,32 95,77
Beispiel 1
Die experimentellen Vorgänge, welche in dem Beispiel verwendet werden, sind wie folgt:

(1) Ein Mahlen der zirkulierenden Wirbelschicht-Flugasche auf eine Größe von 200 mesh, ein Entfernen des Eisens durch eine nassmagnetische Abscheidung unter Verwendung des Vertikalring-Magnetabscheiders, wie er in 2 veranschaulicht ist derart, dass der Eisenoxid-Gehalt in der Flugasche auf 0,8 Gew.-% verringert wurde; ein Einbringen des Filterkuchens der Flugasche, welcher nach der magnetischen Abscheidung erhalten wurde, in einen säurebeständigen Reaktor und ein Hinzufügen industrieller Hydrochloridsäure, welche eine Konzentration von 37 Gew.-% darin hat, um eine Säure-Lösungs-Reaktion durchzuführen, wobei das molare Verhältnis von HCl, welches in der Hydrochloridsäure enthalten ist, zu Aluminium, welches in der Flugasche enthalten ist, 4,5:1 war, wobei die Reaktionstemperatur 150°C war, wobei der Reaktionsdruck 2,1 MPa und die Reaktionszeit zwei Stunden war; und dann ein Filtern des abgeführten Reaktionsprodukts unter Druck durch einen Schichtfilter bzw. eine Schichtfilterpresse (plate-and-frame filter press), dann ein Auswaschen, um ein hydrochloriges Eluat zu erhalten, welches ein pH von 1,7 hat, wobei die Auswasch-Effizienz von Kalium aus der Flugasche mit 84,2% gemessen wurde.
(2) Ein Kühlen des hydrochlorigen Eluats, bis seine Temperatur 65°C war mittels eines Wärmeaustauschs, dann ein Pumpen des hydrochlorigen Eluats durch eine korrosionsbeständige Pumpe in die Harzsäule (Einzelsäule, beladen mit D001-Harz (Anhui Wandong Chemical Plant)), um Gallium anzureichern, wobei der Flux-Flow des hydrochlorigen Eluats zweimal mehr als das Harzvolumen pro Stunde war; wenn die Adsorption Sättigung erreicht hat, ein Eluieren der Harzsäule mit 4 Gew.-% Hydrochloridsäure als dem Eluier-Agens bei 25°C, um ein galliumreiches Eluens zu erhalten, wobei der Flux-Flow der Hydrochloridsäure zweimal mehr als das Harzvolumen pro Stunde war, und die Gesamtmenge des Eluier-Agens, welches für die Eluierung verwendet wurde, zweimal mehr als Volumen des Harzes war; und ein Regenerieren des Harzes mit 4 Gew.-% Hydrochloridsäure, wobei die Adsorptions-Effizienz von Gallium in dem Säure-Eluat mit 96,4% gemessen wurde;
(3) Ein Hinzufügen von 5 Gew.-% Natriumsulfit in das galliumreiche Eluens als ein Maskier-Agens bzw. Maskiermittel von Eisenionen unter Rühren, wobei das molare Verhältnis des Maskier-Agens zu Eisenionen, welche in dem Eluens enthalten waren, 1:1 war;
(4) Ein weiteres Anreichern des Galliums in dem Eluens nach dem Eisen-Maskieren, wie in Schritt (2), wobei das Massenverhältnis von Gallium zu Aluminium, welches in dem Eluens enthalten war, welches in diesem Schritt erhalten wurde, mit 0,005 nach einem zweimaligen Anreichern gemessen wurde;
(5) Ein Hinzufügen von Natriumhydroxid-Lösung mit einer Konzentration von 180 g/l in das Eluens, welches in Schritt (4) erhalten wurde derart, dass das Massenverhältnis von Natriumhydroxid zu Aluminium, welches in dem Eluens enthalten war, 2:1 war, ein Reagieren bei 25°C und ein Unterziehen des Reaktionsprodukts einer Filtration und Ausschwemmung, um eine Basislösung, welche reich an Gallium ist, zu erhalten; dann ein Anpassen des Gallium-Gehalts auf 1,3 mol/l und ein Durchführen einer Elektrolyse mit Platin-Elektroden als die negative und positive Elektrode, Elektrolysestrom von 200 mA/l, Elektrolysespannung von 4 V und Elektrolytbad-Temperatur von 40°C, um ein metallisches Galliumprodukt zu erhalten. Der Gallium-Gehalt in dem Produkt wurde mit 99,9% gemäß dem Verfahren von „YS/T 520-2007, Methods for Chemical Analysis of Gallium” gemessen.

Beispiel 2
Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie diejenigen des Beispiels 1 mit Ausnahme von Schritt (1). Schritt (1) wurde wie folgt angepasst:
Ein Mahlen der zirkulierenden Wirbelschicht-Flugasche auf eine Größe von 150 mesh, ein Entfernen von Eisen durch eine nassmagnetische Abscheidung unter Verwendung des Vertikalring-Magnetabscheiders, wie er in 2 veranschaulicht ist derart, dass der Eisenoxid-Gehalt in der Flugasche auf 0,8 Gew.-% verringert wurde; ein Einbringen des Filterkuchens der Flugasche, welche nach der magnetischen Abscheidung erhalten wurde in einen säurebeständigen Reaktor und ein Hinzufügen industrieller Hydrochloridsäure, welche eine Konzentration von 28 Gew.-% darin hat, um eine Säure-Lösungs-Reaktion durchzuführen, wobei das molare Verhältnis von HCl, welches in der Hydrochloridsäure enthalten war, zu Aluminium, welches in der Flugasche enthalten war, 5:1 war, die Reaktionstemperatur 150°C war, der Reaktionsdruck 1,0 MPa war und die Reaktionszeit zwei Stunden war; und dann ein Filtern des abgeführten Reaktionsprodukts unter Druck durch einen Schichtfilter bzw. eine Schichtfilterpresse (plate-and-frame filter press), dann ein Auswaschen, um ein hydrochloriges Eluat zu erhalten, welches ein pH von 1,5 hat, wobei die Auswasch-Effizienz von Kalium aus der Flugasche mit 82,8% gemessen wurde.
Der Gallium-Gehalt in dem erhaltenen Produkt wurde mit 99,9% gemessen.
Beispiel 3
Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie diejenigen des Beispiels 1 mit Ausnahme von Schritt (1). Schritt (1) wurde wie folgt angepasst:
Ein Mahlen der zirkulierenden Wirbelschicht-Flugasche auf eine Größe von 200 mesh, ein Entfernen von Eisen durch eine nassmagnetische Abscheidung unter Verwendung des Vertikalring-Magnetabscheiders, wie er in 2 veranschaulicht ist derart, dass der Eisenoxid-Gehalt in der Flugasche auf 0,8 Gew.-% verringert wurde; ein Einbringen des Filterkuchens der Flugasche, welche nach der magnetischen Abscheidung erhalten wurde in einen säurebeständigen Reaktor und ein Hinzufügen industrieller Hydrochloridsäure, welche eine Konzentration von 20 Gew.-% darin hat, um eine Säure-Lösungs-Reaktion durchzuführen, wobei das molare Verhältnis von HCl, welches in der Hydrochloridsäure enthalten war, zu Aluminium, welches in der Flugasche enthalten war, 8:1 war, die Reaktionstemperatur 100°C war, der Reaktionsdruck 0,1 MPa war und die Reaktionszeit vier Stunden war; und dann ein Filtern des abgeführten Reaktionsprodukts unter Druck durch einen Schichtfilter bzw. eine Schichtfilterpresse (plate-and-frame filter press), dann ein Auswaschen, um ein hydrochloriges Eluat zu erhalten, welches ein pH von 1,4 hat, wobei die Auswasch-Effizienz von Kalium aus der Flugasche mit 80,1% gemessen wurde.
Der Gallium-Gehalt in dem erhaltenen Produkt wurde mit 99,9% gemessen.
Beispiel 4
Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie diejenigen des Beispiels 1 mit Ausnahme von Schritt (2). Schritt (2) wurde wie folgt angepasst:
Ein Kühlen des hydrochlorigen Eluats, bis seine Temperatur 90°C war mittels eines Wärmeaustausches, dann ein Pumpen des hydrochlorigen Eluats durch eine korrosionsbeständige Pumpe in die Harzsäulen (zwei Säulen in Serie, beladen mit JK008-Harz (Anhui Wandong Chemical Plant)), um Gallium anzureichern, wobei der Flux-Flow des hydrochlorigen Eluats viermal mehr als das Harzvolumen pro Stunde war; und wenn die Adsorption eine Sättigung erreichte, ein Eluieren der Harzsäulen mit 2 Gew.-% Hydrochloridsäure als dem Eluier-Agens bei 60°C, um ein galliumreiches Eluens zu erhalten, wobei der Flux-Flow der Hydrochloridsäure einmal mehr als das Harzvolumen pro Stunde war, und die gesamte Menge des Eluier-Agens, welches zum Eluieren verwendet wurde, zweimal mehr als das Volumen des Harzes war, wobei die Adsorptions-Effizienz von Gallium in dem Säure-Eluat mit 96,9% gemessen wurde.
Der Gallium-Gehalt in dem erhaltenen Produkt wurde mit 99,9% gemessen.
Beispiel 5
Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie diejenigen des Beispiels 1 mit Ausnahme von Schritt (2). Schritt (2) wurde wie folgt angepasst:
Ein Kühlen des hydrochlorigen Eluats, bis seine Temperatur 70°C war mittels eines Wärmeaustausches, dann ein Pumpen des hydrochlorigen Eluats durch eine korrosionsbeständige Pumpe in die Harzsäule (Einzelsäule, beladen mit 732-Harz (Anhui Sanxing Resin Ltd., Co)), um Gallium anzureichern, wobei der Flux-Flow des hydrochlorigen Eluats einmal mehr als das Harzvolumen pro Stunde war; und wenn die Adsorption eine Sättigung erreichte, ein Eluieren der Harzsäule mit Wasser als dem Eluier-Agens bei 60°C, um ein galliumreiches Eluens zu erhalten, wobei der Flux-Flow des Wassers einmal mehr als das Harzvolumen pro Stunde war, und die gesamte Menge des Eluier-Agens, welches zum Eluieren verwendet wurde, dreimal mehr als das Volumen des Harzes war und die Adsorptions-Effizienz von Gallium in dem Säure-Eluat mit 96,2% gemessen wurde.
Der Gallium-Gehalt in dem erhaltenen Produkt wurde mit 99,9% gemessen.
Beispiel 6
Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie diejenigen des Beispiels 1 mit Ausnahme von Schritt (2). Schritt (2) wurde wie folgt angepasst:
Ein Kühlen des hydrochlorigen Eluats, bis seine Temperatur 40°C war mittels eines Wärmeaustausches, dann ein Pumpen des hydrochlorigen Eluats durch eine korrosionsbeständige Pumpe in die Harzsäule (Einzelsäule, beladen mit SPC-1-Harz (Shanghai Resin Plant)), um Gallium anzureichern, wobei der Flux-Flow des hydrochlorigen Eluats einmal mehr als das Harzvolumen pro Stunde war; und wenn die Adsorption eine Sättigung erreichte, ein Eluieren der Harzsäule mit 10 Gew.-% Hydrochloridsäure als dem Eluier-Agens bei 30°C, um ein galliumreiches Eluens zu erhalten, wobei der Flux-Flow der Hydrochloridsäure dreimal mehr als das Harzvolumen pro Stunde war, und die gesamte Menge des Eluier-Agens, welches zum Eluieren verwendet wurde, einmal mehr als das Volumen des Harzes war und die Adsorptions-Effizienz von Gallium in dem Säure-Eluat mit 96,5% gemessen wurde.
Der Gallium-Gehalt in dem erhaltenen Produkt wurde mit 99,9% gemessen.
Beispiel 7
Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie diejenigen des Beispiels 1 mit Ausnahme des Schritts (3). Schritt (3) wurde wie folgt angepasst:
Ein Hinzufügen von Eisenpulver in das galliumreiche Eluens als das Maskier-Agens unter Rühren, wobei das molare Verhältnis des Maskier-Agens zu Eisenionen, welche in dem Eluens enthalten waren, 2:1 war, und dann ein Entfernen von unreagiertem Eisenpulver über eine Fest-Flüssig-Trennung bzw. -Abscheidung.
Der Gallium-Gehalt in dem erhaltenen Produkt wurde mit 99,9% gemessen.
Beispiel 8
Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie diejenigen des Beispiels 1 mit Ausnahme des Schritts (3). Schritt (3) wurde wie folgt angepasst:
Ein Hinzufügen von 3 Gew.-% wässriger Lösung von Vitamin C in das galliumreiche Eluens als das Maskier-Agens unter Rühren, wobei das molare Verhältnis des Maskier-Agens zu Eisenionen, welche in dem Eluens enthalten waren, 1,5:1 war.
Der Gallium-Gehalt in dem erhaltenen Produkt wurde mit 99,9% gemessen.
Beispiel 9
Die Betriebsbedingungen waren die gleichen wie diejenigen des Beispiels 1 mit Ausnahme von Schritt (5). Schritt (5) wurde wie folgt angepasst:
Ein Hinzufügen von Natriumhydroxid-Lösung mit einer Konzentration von 240 g/l zu dem Eluens, welches in Schritt (4) erhalten wurde derart, dass das Massenverhältnis von Natriumhydroxid zu Aluminium, welches in dem Eluens enthalten ist, 1:1 ist, ein Reagieren bei 90°C und ein Unterziehen des Reaktionsprodukts einer Filtration und einer Ausschwemmung, um eine Basis-Lösung bzw. Basen-Lösung, welche reich an Gallium ist, zu erhalten; dann ein Anpassen des Gallium-Gehalts auf 1,1 mol/l und ein Durchführen einer Elektrolyse mit Platin-Elektroden als der positiven Elektrode, Elektrolysestrom von 180 mA/l, Elektrolysespannung von 4 V und elektrolytische Bad-Temperatur von 40°C, um ein metallisches Galliumprodukt zu erhalten.
Der Gallium-Gehalt in dem erhaltenen Produkt wurde mit 99,9% gemessen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 200810051209 [0004]
CN 200710065366 [0005]
CN 200710145132 [0006]
CN 200710141488 [0007]
CN 200810017872 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jiazhen He et al. hat „a research an technique of recycling gallium from fly ash” (Scientific Research, 2002, No. 5, p 23–26 [0010]

Claims

Verfahren zum Extrahieren von Gallium aus Flugasche, das die folgenden Schritte aufweist: a) ein Mahlen der Flugasche auf eine Größe von 100 mesh oder kleiner, ein Entfernen von Eisen durch eine nassmagnetische Abscheidung derart, dass der Eisenoxidgehalt in der Flugasche auf 1,0 Gew.-% oder weniger verringert wird, dann ein Hinzufügen von Hydrochloridsäure in die enteisente Flugasche für eine Säure-Auswasch-Reaktion und ein Unterziehen des Reaktionsprodukts einer Fest-Flüssig-Trennung, um ein hydrochloriges Eluat zu ergeben, welches einen pH-Wert in dem Bereich 1 bis 3 hat; b) ein Adsorbieren von Gallium in dem hydrochlorigen Eluat durch ein Durchführen desselben durch eine Säulenbeladung mit einem makroporösen kationischen Harz; ein Eluieren der Säule mit Wasser oder Hydrochloridsäure als einem Eluier-Agens, wenn die Adsorption eine Sättigung erreicht, um ein Gallium enthaltendes Eluens zu enthalten; c) ein Maskieren von Eisenionen in dem Gallium enthaltenden Eluens durch ein Maskier-Agens, gefolgt von einem Durchführen des maskierten Eluens durch die Säulenbeladung mit einem makroporösen kationischen Harz; ein Eluieren der Säule mit Wasser oder Hydrochloridsäure als einem Eluier-Agens, wenn die Adsorption eine Sättigung erreicht, um ein zweites Eluens zu erhalten; und d) ein Hinzufügen einer Alkali- bzw. Basen-Lösung in das zweite Eluens, ein Entfernen von Abscheidungen bzw. Ausfällungen durch ein Filtern nach der Reaktion und ein Konzentrieren des Filtrats bis sowohl der Galliumgehalt als auch der Natriumhydroxidgehalt 1 mol/l oder mehr sind, dann ein Elektrolysieren des konzentrierten Filtrats, um metallisches Gallium zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a) die Konzentration der Hydrochloridsäure von 20 bis 37 Gew.-% ist, wobei das molare Verhältnis von HCl, welches in dem Hydrochlorid enthalten ist zu Aluminium, welches in der Flugasche enthalten ist, 4:1 bis 9:1 ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in der Säure-Auswasch-Reaktion von Schritt a) die Reaktionstemperatur 100 bis 200°C ist, der Reaktionsdruck 0,1 bis 2,5 MPa ist und die Reaktionszeit 0,5 bis 4,0 Stunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, sowohl in den Schritten b) als auch c) das makroporöse kationische Harz ausgewählt ist aus Styren-Harzen oder Acryl-Harzen; wobei die essentiellen Eigenschaften des Harzes vorzugsweise einen Feuchtegehalt von 50,0 bis 70,0% aufweisen, eine Austausch-Kapazität von 3,60 mmol/g oder mehr, eine Volumen-Austausch-Kapazität von 1,20 mmol/g oder mehr, eine Raumdichte im feuchten bzw. nassen Zustand von 0,60 bis 0,80 g/ml, eine Partikelgröße von 0,315 bis 1,250 mm, eine effektive Partikelgröße von 0,400 bis 0,700 mm und eine maximale Arbeitstemperatur von 95°C; wobei weiterhin vorzugsweise sowohl in Schritt b) als auch c) das makroporöse kationische Harz ausgewählt ist aus irgendeinem von D001, 732, 742, 7020 H, 7120 H, JK008 und SPC-1.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in Schritt b) ein Adsorbieren von Gallium in dem hydrochlorigen Eluat durch ein Hindurchführen des hydrochlorigen Eluats durch die Säule von der Unterseite zu der Oberseite mit einem Volumenfluss von ein bis viermal mehr als dem Harzvolumen pro Stunde bei 20 bis 90°C erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in den Schritten b) und c) ein Eluieren der Säule mit 2 bis 10 Gew.-% Hydrochloridsäure als einem Eluier-Agens durchgeführt wird, und wobei die Eluier-Temperatur 20 bis 60°C ist, die Menge von Eluier-Agens, welches verwendet wird, ein bis dreimal mehr als das Volumen des Harzes ist, und die Eluier-Rate ein bis dreimal mehr als das Harzvolumen pro Stunde ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt c) das Maskier-Agens eines oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe ist, welche aus Natriumsulfid, Eisenpulver, Hydroxylaminhydrochlorid und Vitamin C besteht; vorzugsweise ist in Schritt c) das molare Verhältnis des Maskier-Agens zu den Eisenionen, welche in dem Eluens enthalten sind, welches aus Schritt b) erthalten wird, 1–2:1.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in Schritt c) ein Hindurchführen des maskierten Eluens durch die Säule von der Unterseite zu der Oberseite bei 20 bis 90°C mit einem Volumenfluss von ein bis viermal mehr als dem Harzvolumen pro Stunde erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt d) die Alkali-Lösung eine Natriumhydroxid-Lösung ist, deren Konzentration 180 bis 245 g/l ist; das Massenverhältnis von Natriumhydroxid zu Aluminium, welches in dem zweiten Eluens enthalten ist, 1:1 bis 2:1 ist; und weiterhin vorzugsweise in Schritt d) die Reaktionstemperatur 20 bis 100°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt d) Platin-Elektroden als die negative und positive Elektrode zum Elektrolysieren zum Erhalten von metallischem Gallium verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in Schritt a) die Vorrichtung, welche zum Entfernen von Eisen durch eine nassmagnetische-Abscheidung verwendet wird, ein Vertikalring-Magnetabscheider ist, der einen sich drehenden Ring, ein induktives Medium, ein oberes Eisenjoch, ein unteres Eisenjoch, eine Magnetanregungsspule, eine Zuführöffnung, ein Abführgemäß und eine Wasser-Waschvorrichtung aufweist, wobei die Zuführöffnung zum Zuführen der Flugasche, welche enteisent werden soll, verwendet wird, das Abführgefäß zum Abführen der nichtmagnetischen Partikel nach der Enteisenung verwendet wird, das obere Eisenjoch und das untere Eisenjoch jeweils an der inneren und der äußeren Seite des unteren Abschnitts des sich drehenden Rings angeordnet sind, die Wasser-Waschvorrichtung über dem sich drehenden Ring angeordnet ist, das induktive Medium in dem sich drehenden Ring angeordnet ist, die Magnetanregungsspule an dem Umfang bzw. an der Peripherie des oberen Eisenjochs und des unteren Eisenjochs angeordnet ist, so dass das obere Eisenjoch und das untere Eisenjoch zu einem Paar von Magnetpolen zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der vertikalen Richtung gemacht wird, und wobei das induktive Medium Lagen von Stahl-Gewebe sind, wobei jedes Stahl-Gewebe aus Drähten gewoben ist, und die Ränder der Drähte prismatische bzw. orthorhombische spitze Winkel haben.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das obere Eisenjoch und das untere Eisenjoch integral gebildet sind und in einer Ebene rechtwinklig zu dem sich drehenden Ring angeordnet sind, um die innere und die äußere Seite des unteren Abschnitts des sich drehenden Rings zu umgeben.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Vertikalring-Magnetabscheider weiterhin einen Druckausgleichskammer- oder Druckregelkammer-Wassermantel aufweist, der benachbart zu der Magnetanregungsspule angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Stahl-Gewebe einen mittleren Lagen-Abstand von 2–5 mm, vorzugsweise von 3 mm hat; wobei das Stahl-Gewebe aus 1Cr17 gefertigt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Stahl-Gewebe eine Dicke von 0,8 bis 1,5 mm, eine Gittermaschengröße von 3 mm × 8 mm bis 8 mm × 15 mm und einen Drahtquerschnitt von 1 bis 2 mm hat, wobei das Stahl-Gewebe vorzugsweise eine Dicke von 1 mm, eine Gittermaschengröße von 5 mm × 10 mm und einen Drahtquerschnitt von 1,6 mm hat.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Vertikalring-Magnetabscheider weiterhin einen Schwingmechanismus aufweist, welcher mit dem Abführgefäß über eine Gummiplatte gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das induktive Medium in dem gesamten Kreis des sich drehenden Rings vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Magnetanregungsspule eine Flachdraht-Solenoidspule ist, welche doppelt glasemailliertes Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Magnetfeldstärke des Vertikalring-Magnetabscheiders 15.000 Gs oder mehr, vorzugsweise 15.000 bis 20.000 Gs, weiter vorzugsweise 15.000 bis 17.500 Gs ist.