Кинетическая оценка возможности восстановления алюминия и магния из водных растворов их солей как альтернатива электролизу расплавов

В металлургии цветных металлов особое место занимают электролитические производства, относящиеся к наиболее энергоемким и экологически небезопасным технологиям. Так, например, получение алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов сопровождается выбросами в атмосферу фтор-, серосодержащих веществ и углеводородов, производство магния – хлора и хлорорганических соединений. К настоящему времени актуальными следует считать любые предложения в области производства таких металлов, как алюминий и магний, направленные на улучшение экологической ситуации вблизи расположения металлургических предприятий. Несмотря на то, что совершенствование существующих технологий получения алюминия и магния имеет благоприятные тенденции развития и реальные возможности внедрения на действующих предприятиях, возникают идеи и предложения по созданию новых технологий на основе научных достижений в области электролитического производства легких металлов. В качестве объектов исследования применяли магний и алюминий. Рассмотрено взаимодействие металлов с водными растворами их солей – хлоридами и сульфатами MgSO4, MgCl2, Al2(SO4)3, AlCl3. Показано, что такие взаимодействия всегда протекают в диффузионной области, что открывает возможности использования различных конструктивных решений при выборе аппаратурного оформления процесса. На основе экспериментальных данных найдены порядок реакции по растворителю, константы скорости и энергии активации. Полученные результаты доказывают предпочтительность применения хлоридных сред, обеспечивающих протекание процесса на основе базовых электродных реакций и исключающих возникновение побочных взаимодействий. Показано, что хлоридные растворы могут служить рабочими электролитами и быть носителями ионов восстанавливаемого металла. При этом насыщение электролита является гарантией невозможности обратимого процесса – вторичного растворения металла, что приводит к снижению основных показателей процесса электролиза криолит-глиноземных расплавов.

1. Сизяков В.М., Власов А.А., Бажин В.Ю. Стратегические задачи металлургического комплекса России. Цвет. металлы. 2016. No. 1. С. 32—37. Sizyakov V.M., Vlasov A.A., Bazhin V.Yu. Strategy tasks of the Russian metallurgical complex. Tsvetnye metally. 2016. No. 1. P. 32—37 (In Russ.).

2. Mann V., Buzunov V., Pitertsev N., Chesnyak V., Polyakov P. Reduction in power consumption at UC RUSAL’s Smelters 2012—2014. Light Metals. 2015. Р. 757—762.

3. Arkhipov G.V., Pingin V.V., Shaydulin E.R., Mukhametchin R.Kh., Zaykov Yu.P., Tolmacheva O.Yu. Improving energy efficiency of RUSAL’s cells. In: Non-ferrous metals and minerals-2018: Book of papers of the X Intern. Congr. (Krasnoyarsk, 10—14 Sept. 2018). Krasnoyarsk, 2018. P. 363—364.

4. Радионов Е.Ю., Третьяков Я.А., Немчинова Н.В. Влия- ние положения анодной рамы на магнитогидро- динамические параметры электролизера С-8БМЭ. Технология металлов. 2018. No. 4. С. 31—39. Radionov E.Yu., Tret’yakov Ya.A., Nemchinova N.V. Influence of the position of the anode frame on the magnetohydrodynamic parameters of the electrolyzer S-8BME. Tekhnologiya metallov. 2018. No. 4. P. 31—39 (In Russ.).

5. Buzunov V., Mann V., Chichuk E., Frizorger V., Pinaev A., Nikitin E. The first results of the industrial application of the EcoSoderberg technology at the Krasnoyarsk Aluminium Smelter. Light Metals. 2013. Р. 573—576.

6. Mann V., Pingin V., Zherdev A., Bogdanov Y., Pavlov S., Somov V. Recycling process technology for spent pot lining generated by aluminium cells. Light Metals. 2017. P. 571—578.

7. Vysotsky D.V., Shemet A.D., Grigoriev V.G., Tepikin S.V., Ignatev A.V., Zherdev A.S., Knizhnik A.V. Introduction of «dry» gas treatment centres designed by RUSAL in the framework of import substitution of foreign technologies. In: Non-ferrous metals and minerals-2018: Book of papers of the X Intern. Congr. (Krasnoyarsk, 10—14 Sept. 2018). Krasnoyarsk, 2018. P. 517—521.

8. Patrin R.K., Bazhin V.Y. Spent linings from aluminum cells as a raw material for the metallurgical, chemical, and construction industries. Metallurgist. 2014. Vol. 58. Iss.7—8. Р. 625—629.

9. Галевский Г.В., Кулагин Н.М., Минцис М.Я. Экология и утилизация отходов в производстве алюминия: Учеб. пос. М.: Флинта, 2005. Galevskii G.V., Kulagin N.M., Mintsis M.Ya. Ecology and recycling of waste in the production of aluminum. Moscow: Flinta, 2005 (In Russ.).

10. Choi M.S., Lee C.K., Lee G.G., Cho S.K., Jung J.Y. Technology of molten salt electrolysis of magnesium chloride. Mater. Sci. Forum. 2010. Vol. 654—656. P. 799—802.

11. Gaertner H., Ratvik A., Aarhaug T. Particulate emissions from electrolysis cells. Light Metals. 2012. P. 345—351.

12. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to aluminium electrolysis. Dusseldorf: Aluminium Verlag, 1993.

13. Седых В.И., Баранов А.Н., Никаноров А.В., Ершов П.Р. Пути сокращения выбросов фторидов в алюминиевом производстве. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2005. No. 2. С. 26—28. Sedykh V.I., Baranov A.N., Nikanorov A.V., Ershov P.R. Ways to reduce fluoride emissions in aluminum production. Izv. vuzov. Tsvet. metallurgiya. 2005. No. 2. Р. 26—28 (In Russ.).

14. Лебедев В.А., Седых В.И. Металлургия магния: Учеб. пос. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2010. Lebedev V.A., Sedykh V.I. Magnesium metallurgy. Yekaterinburg: UGTU—UPI, 2010 (In Russ.).

15. Щеголев В.И., Лебедев О.А. Электролитическое получение магния. М.: Руда и металлы, 2002. Shchegolev V.I., Lebedev O.A. Electrolytic receiving magnesium. Moscow: Ruda i metally, 2002 (In Russ.).

16. Новый справочник химика и технолога. Электродные процессы. Химическая кинетика и диффузия. Коллоидная химия. Под. ред. С.А. Симановой. СПб.: Профессионал, 2004. New handbook chemist and technologist. Electrode processes. Chemical kinetics and diffusion. Colloid chemistry. Ed. S.A. Simanova. St. Petersburg: Professional, 2004 (In Russ.).

17. Минеев Г.Г., Минеева Т.С, Жучков И.А., Зелинская Е.В. Теория металлургических процессов: Учеб. для вузов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. Mineev G.G., Mineeva T.S., Zhuchkov I.A., Zelinskaya E.V. Theory of metallurgical processes. Irkutsk: IrGTU, 2010 (In Russ.).

18. Горшенин А.П., Иткин Г.Е., Чиркст Д.Э. Термодинамическое исследование электролиза раствора хлорида натрия. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т. 48. No. 3. С. 31—35. Gorshenin A.P., Itkin G.E., Chirkst D.E. Thermodynamic study of the electrolysis of sodium chloride solution. Izv. vuzov. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya. 2005. Vol. 48. No. 3. P. 31—35 (In Russ.).

19. Кублановский В.С., Городыский А.В., Белинский В.Н., Глущак Т.С. Концентрационные изменения в приэлектродных слоях в процессе электролиза. Киев: Наук. думка, 1978. Kublanovskii V.S., Gorodyskii A.V., Belinskii V.N., Glushchak T.S. Concentration changes in the near-electrode layers during electrolysis. Kiev: Naukova dumka, 1978 (In Russ.).

20. Свитцов А.А. Мембранные технологии в России. Водоснабжение и канализация. 2012. No. 11—12. С. 42—48 (In Russ.). Svitsov A.A. Membrane technology in Russia. Vodosnabzhenie i kanalizatsiya. 2012. No. 11—12. P. 42—48.

21. Бегунов А.И., Бегунова Л.А., Яковлева А.А., Шевелева Н.Н. Исследование физико-химических основ экологически чистого способа получения алюминия. Вестн. Иркутского гос. технич. ун-та. 2001. No. 11. С. 81—85. Begunov A.I., Begunova L.A., Yakovleva A.A., Sheveleva N.N. Study of the physicochemical basis of an environmentally friendly method of producing aluminum. Vestnik Irkutskogo gos. tekhnicheskogo un-ta. 2016. No. 11. P. 81—85 (In Russ.).

22. Naumov A.V. Modern state of the world market of gallium. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2014. Vol. 55. No. 3. P. 270—276. 23. Lu F., Xiao T., Lin J., Ning Z., Long Q., Huang L.X., Wang W., Xiao Q., Lan X., Chen H. Resources and extraction of gallium: A review. Hydrometallurgy. 2017. Vol. 174. P. 105—115.

23. Анциферов Е.А., Бегунова Л.А., Дударева Г.Н. Физико-химические методы анализа: Учеб. пос. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2017. Antsiferov E.A., Begunova L.A., Dudareva G.N. Physicochemical methods of analysis. Irkutsk: INRTU, 2017 (In Russ.).

24. Вуколов Э.А. Основы статистического анализа. Практикум по статистическим методам и исследованию операций с использованием пакетов STATISTICA и EXCEL: Учеб. пос. М.: Форум, 2013. Vukolov E.A. Basics of statistical analysis. Workshop on statistical methods and operations research using STATISTICA and EXCEL packages. Moscow: Forum, 2013 (In Russ).

25. Немчинова Н.В., Яковлева А.А. Оптимизация кинетических исследований в металлургии. Вестн. Иркут- ского гос. технич. ун-та. 2016. Т. 20. No. 9. С. 119—129. Nemchinova N.V., Yakovleva A.A. Kinetic studies optimization in metallurgy. Vestnik Irkutskogo gos. tekhnicheskogo un-ta. 2016. Vol. 20. No. 9. P. 119—129 (In Russ.).

26. Романовский Б.В. Основы химической кинетики. М.: Экзамен, 2006. Romanovskii B.V. Basics of chemical kinetics. Moscow: Ekzamen, 2006 (In Russ.). 28. Дьяченко А.Н., Шагалов В.В. Химическая кинетика гетерогенных процессов: Учеб. пос. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2014. Dyachenko A.N., Shagalov V.V. Chemical kinetics of heterogeneous processes. Tomsk: Tomsk Polytechnic University, 2014 (In Russ.).

27. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия: Учеб. пос. М.: Химия, КолосС, 2006. Damaskin B.B., Petri O.A., Tsirlina G.A. Electrochemistry. Moscow: Khimiya, KolosS, 2006 (In Russ.). 30. Бегунов А.И., Яковлева А.А., Яковлев C.А. Кинетические закономерности растворения магния в кислых средах. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2006. No. 2. С. 9—12. Begunov A.I., Yakovleva A.A., Yakovlev S.A. Kinetic patterns of magnesium dissolution in acidic environments. Izv. vuzov. Tsvet. metallurgiya. 2006. No. 2. P. 9—12 (In Russ.).

28. Schmitz Ch. Handbook of aluminium recycling. Vulkan- Verlag GmbH, 2006.

29. Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Константы неорганических веществ: Справочник. М.: Дрофа, 2006. Lidin R.A., Andreeva L.L., Molochko V.A. Constants of inorganic substances. Moscow: Drofa, 2006 (In Russ.).

30. Фрумкин А.Н. Электродные процессы: Избр. тр. М.: Наука, 1987. Frumkin A.N. Electrode processes. Moscow: Nauka, 1987 (In Russ.).

31. Бегунов А.И. Технологии получения легких метал- лов. Иркутск: Изд-во ИрНИТУ, 2017. Begunov A.I. Technologies for the production of light metals. Irkutsk: INRTU, 2017 (In Russ.).