Рафинирование лития

 

 

 

 

 

 

 

РАФИНИРОВАНИЕ ЛИТИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент:

Группа:

Преподаватель:

 

 

 

 

 

 

Москва 2014

 

 

Введение

 

За последнее время в современной химической технологии очень четко определилось направление, связанное с получением особо чистых неорганических веществ, без которых немыслимо развитие современной полупроводниковой и атомной техники, квантовой электроники, промышленности оптических материалов и многих других отраслей техники.

Особо чистые вещества – это вещества, в которых содержание примесей настолько незначительно, что они не влияют на основные свойства веществ.

Методы получения особо чистых неорганических веществ, приобретающие в настоящее время все большее значение, имеют ряд принципиальных особенностей, с которыми не приходилось встречаться при осуществлении обычных способов разделения компонентов смеси. Одна из таких особенностей заключается в том, что процессы глубокой очистки вещества нельзя рассматривать в отрыве от окружающей среды — материала аппаратуры, состава атмосферы, качества растворителей, вводимых реагентов и т. д. Окружающая среда вместе с обрабатываемым веществом составляет сложную многофазную и многокомпонентную систему, где все фазы участвуют в процессе перераспределения микропримесей (микрокомпонентов). Кроме того, на последних стадиях технологического процесса глубокой очистки вещества приходится иметь дело с предельно разбавленными газообразными, жидкими или твердыми растворами различных микропримесей в подвергаемом очистке химическом соединении. Это накладывает свой отпечаток на используемые методы и определяет в известной мере кинетику перераспределения микропримесей между фазами, расходы энергии и степень достижения заданной кратности очистки вещества.

Следует иметь в виду, что при производстве чистых веществ, как правило, очень легко удается снизить содержание примесей с 0,1-1% до сотых долей процента. Дальнейшая очистка является значительно более сложной и трудоемкой задачей. Снижение на один порядок содержания той или иной примеси, начиная с 10-3%, требует применения специальных методов очистки. Значительно возрастают трудности при работе с продуктами особой чистоты, содержащими примеси порядка 10-5 % и ниже. Выработка такой продукции требует специально оборудованных помещений с тщательно профильтрованным воздухом, полного отсутствия металлических предметов, использования посуды из пластмасс особых типов.

В настоящей работе будет рассмотрен один из методов получения особо чистых веществ, а именно рафинирование лития.

 

 

 

Рафинирование металлов

Рафинирование металлов, очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96—99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут представлять самостоятельную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлекаемых из меди, полностью окупает все затраты на рафинирование.                 Различают 3 основных метода рафинирования: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств разделяемых элементов: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов рафинирования. [1]

Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при высокой температуре в расплавах, имеет ряд разновидностей. Окислительное рафинирование основано на способности некоторых примесей образовывать с О, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединения основного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Ликвационное разделение основано на различии температур плавления и плотностей компонентов, составляющих сплав, и на малой их взаимной растворимости. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при Р. Sn и др. металлов. При фракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твёрдой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в твёрдой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка, плазменная металлургия, вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация). В основе ректификации, или дистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Рафинирование осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить рафинирование. Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. процессах. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. [1]

Электролитическое рафинирование, представляющее собой электролиз водных растворов или солевых расплавов, позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов.

Электролитическое рафинирование с растворимыми состоит в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно вследствие различия электрохимических потенциалов примесей и основного металла. [2]

Химическое рафинирование основано на различной растворимости металла и примесей в растворах кислот или щелочей. Примеси, постепенно накапливающиеся в растворе, выделяются из него химическим путём (гидролиз, цементация, образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена). Примером химического рафинирования может служить аффинаж благородных металлов. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рафинирование лития

Металлический литий, полученный тем или иным способом, содержит примеси щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов, неметаллические примеси, прежде всего кислород и азот, твёрдые частицы. Примеси обладают различными свойствами, поэтому универсального метода их удаления нет. При получении лития высокой степени чистоты прежде всего удаляют твердые частицы методами отстаивания расплавленного металла под слоем парафинового или трансформаторного масла или фильтрования через сетчатые фильтры из железной, титановой или молибденовой проволоки. [4]

Порошкообразные или губчатые титан и цирконий, уран могут служить поглотителями кислорода и азота из расплавленного лития. Эти металлы практически нерастворимы в литии. [5]

Очистку от других щелочных металлов ведут, используя различие в термической устойчивости гидридов. Давление диссоциации гидридов LiH, КН и NaH достигает 0,1 МПа (1 ат.) при 850, 427 и 420 °С соответственно. Температура плавления гидрида лития 688 °С. При нагревании лития в водороде при 700 - 800 °С калий и натрий испаряются и остается LiH, который затем разлагается нагреванием в вакууме. Сильно загрязненный литий, например, полученный восстановлением сподумена, может быть очищен электролитическим рафинированием. [5]

Наибольшее же значение среди методов рафинирования лития имеет вакуумная дистилляция, позволяющая производить очистку от щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов. Процесс проводят при остаточном давлении 10-1 - 10-3 Па. Сначала при 450 °С отгоняют натрий и калий, затем при 600 - 800 °С испаряют литий; температура в конденсаторе поддерживается на уровне 340 - 420 °С. При извлечении лития в конденсат 85 - 90 % содержание в нем примесей снижается до тысячных долей процента. [4]

Меры безопасности, упаковка и хранение лития

При плавке и разливке лития на воздухе возможно его загорание. Загоревшийся металл рекомендуется засыпать сухим хлористым натрием, хлористым литием, содой (не бикарбонатом) или смесью, состоящей из инертного порошка (графит, хлорид натрия), 10 - 20 % вязких органических веществ (смола, смешанная с полиэтиленом) и добавок стеара - тов и талька. Литий выпускают в виде слитков, гранул, прутков, проволоки. Хранят литий в герметичной железной таре под слоем пастообразной массы из парафина и минерального масла либо под газолином или петролейным эфиром, заполняющими тару доверху. Перед применением лития минеральное масло смывают петролейным эфиром или бензолом, которые затем испаряют в вакууме. Удобно хранить литий, запрессовывая его в герметичные тонкостенные трубчатые алюминиевые или медные оболочки, от которых затем можно отрезать нужные куски лития. [5]

 

Металлический литий, полученный электролизом, содержит механические включения и примеси других элементов. Использование лития в летательной технике, космических технологиях диктует необходимость очистки металла с целью получения лития высокой чистоты.

Технической задачей, на решение которой направлены способ и установка для рафинирования лития, является получение лития высокой чистоты с наименьшими затратами. Для этого заливают литий в реактор печи, вакуумируют, промывают инертным газом, нагревают, проводят выдержку для отделения тяжелых металлических примесей, фильтруют при избыточном давлении инертного газа и после фильтрации проводят кристаллизацию лития в направлении снизу вверх с получением слитков. Установка содержит печь нагрева, установленный в нее реактор, средства подачи инертного газа, фильтр, изложницы с теплоизоляционным колпаком и охлаждающим устройством, расположенным под днищем изложниц, трубу для слива расплавленного лития, соединенную одним концом с фильтром, а другим с прибыльной частью изложниц, бокс и стакан, в котором расположена верхняя часть трубы с фильтром, при этом стакан имеет перепускные каналы для перетока лития. Технический результат: повышение степени очистки лития в 1,8-2,0 раза и сокращение энергозатрат в 2,0-2,5 раза. [6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Пазухин В.А., Фишер А.Я., Разделение и рафинирование металлов в вакууме, М., 1969; 
2. Сучков А. Б., Электролитическое рафинирование в расплавленных средах, М., 1970;
3. http://www.alhimik.ru/
4. Редкие и рассеянные элементы. Химия и технология. 1 том. Под ред. С.С. Коровина. Москва. МИСИС. 1999;
5. Зеликман А.Н. Металлургия редких металлов. М., 1991;
6. Способ рафинирования лития и установка для его осуществления .Патент на изобретение №:2139363. Автор: Муратов Е.П., Шевкунов В.П., Шипунов Н.И.,