Tomsk Polytechnic University Химическая технология редких металлов в атомной технике Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - презентация

1 Tomsk Polytechnic University Химическая технология редких металлов в атомной технике Национальный исследовательский Томский политехнический университет ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Национальный исследовательский Томский политехнический университет ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра Химической технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов Химическая технология бериллия. Получение металлического бериллия Доцент кафедры, к.х.н., Оствальд Р.В.

2 Tomsk Polytechnic University Получение металлического бериллия Существует три классических метода получения металлического бериллия Магнийтермическое восстановление BeF 2 ; Натрийтермическое восстановление ВеCl 2 ; Электролитическое разложение ВеCl 2 в сплаве с NaCl.

3 Tomsk Polytechnic University Металлотермия Металлотермия восстановление металлов из их соединений более активными металлами при повышенных температурах. Как восстановители применяют кремний (обычно в виде ферросилиция), кальций, барий, магний, натрий, литий, лантан и др. Выбор металла-востановителя определяется экономическими показателями, термодинамическими показателями, и сильно зависит от природы восстанавливаемого соединения. Металлотермическому восстановлению подвергаются: оксиды, фториды, хлориды металлов и изредка сложные смеси оксидов и галогенидов, или непосредственно руды

4 Tomsk Polytechnic University Металлотермическое восстановление бериллия ВеО для металлотермического восстановления не используют из-за высокой термодинамической прочности. Из металлов – восстановителей можно было бы использовать Са, однако Са образует с Ве бериллид – СаВе 13. Использование С в качестве восстановителя так же осложняется образованием карбида бериллия

5 Tomsk Polytechnic University Магнийтермическое восстановление бериллия Использование ВеF 2 связано с физическими свойствами ВеF 2 (t ПЛ =790 ºС и t КИП =1327 ºС ) Использование магния Магний с бериллием не образует устойчивых соединений. ВеF 2 + Mg = Ве + MgF кДж

6 Tomsk Polytechnic University Магнийтермическое восстановление бериллия Mg берут в количестве 75% от стехиометрического количества. Избыток ВеF 2 дает с MgF 2 низкоплавкий шлак. Реакцию восстановления проводят при t = 900÷1000 ºС. Затем температуру повышают до 1300 ºС для образования слитков бериллия («линза») всплывающих на поверхность

7 Tomsk Polytechnic University Магнийтермическое восстановление бериллия При остывании слитки Be первыми застывают и извлекаются щипцами. Шлак удаляется через нижнее сливное отверстие. Шлак с поверхности слитков Be удаляется обработкой слитков в воде во вращающихся барабанах. Из измельченного шлака ВеF 2 извлекается раствором NH 4 F и возвращается в процесс.

8 Tomsk Polytechnic University Магнийтермическое восстановление бериллия Характеристики процесса Извлечение чернового Be 96-97%; Содержание основных примесей: Mg – 1,5 %; BeO – 0,1 %; C – 0,02 %; другие примеси 0,1-0,5 %.

9 Tomsk Polytechnic University Магнийтермическое восстановление бериллия Черновой бериллий подвергается рафинировочной вакуумной переплавке Нижняя часть – тигель из BeO (t=1350÷1400 ºС); Верхняя часть – конденсационная колонка (t=1050÷1150 ºС); Остаточное давление ÷10 -6 мм рт.ст. Чистота металла 99,98 %

10 Tomsk Polytechnic University Натрийтермическое восстановление бериллия Более чистый Ве и с большим выходом получают путем натрийтермического восстановления ВеCl 2 Нижняя часть – стакан из листового Mo с Na (t=650÷750ºС); Верхняя часть – никелевая реторта с BeCl 2 (t=500÷550 ºС); давление в аппарате 50 мм рт.ст.

11 Tomsk Polytechnic University Натрийтермическое восстановление бериллия После окончания процесса восстановления проводят вакуумную сепарацию. Из бериллиевой губки отгоняются низко кипящие примеси (NaCl) конденсирующиеся в средней части аппарата.

12 Tomsk Polytechnic University Натрийтермическое восстановление бериллия После окончания процесса сепарации бериллиевая губка извлекается, размачивается в воде и дробится в барабанной мельнице с бериллиевой футеровкой (-40 ÷ -30 мкм), рабочими телами бериллиевые кубики, утяжеленные вольфрамовыми вкладышами. Содержание основных примесей: Fe – 0,008 %; Mg – 0,001 %; Mo < 0,002 %; Na – 0,008 %; Cl – 0,018 % O – 0,48 %

13 Tomsk Polytechnic University Электролитический способ получения металлического бериллия Известны два основных способа получения металлического бериллия электролизом 1.Электролиз фторидных ванн Na 2 BeF 4 BeF2 : BaF2 2BeO5BeF2 : BaF2 2.Электролиз смеси хлоридов бериллия и натрия

14 Tomsk Polytechnic University Электролиз фторидных ванн Электролиз проводится выше температуры плавления бериллия, что даёт возможность получать металл в компактном состоянии на водоохлаждаемом катоде с вытягиванием бериллия из ванны в виде стержня Недостаток процесса – испарение BeF2 Следствие: низкий выход металла, сложность аппаратурного оформления

15 Tomsk Polytechnic University Электролиз фторидным систем Расплавы галогенидов Ве ток не проводят. Поэтому электролиз возможен лишь в присутствии второго компонента, обладающего достаточной электропроводностью и более высоким (по сравнению с галогенидом Ве) напряжением разложения. Для хлорида Ве таким компонентом является NaCl.

16 Tomsk Polytechnic University Электролиз фторидным систем ВеCl 2 : NaCl = 1 : 1 [t ПЛ (ВеCl 2 )=405 ºС; t ПЛ (NaCl)=801 ºС]. Температура плавления эвтектического состава (58,7% ВеCl 2 и 41,3% NaCl) равна 215 ºС. Электролиз проводят при температуре около 350 ºС

17 Tomsk Polytechnic University Электролиз фторидным систем Электролизер изготовленного из Ni. Анод – графитовый стержень, катод – либо Ni – корпус, или сменный Ni – стержень. При использовании сменного катода проводят две стадии: 1. Выделение металлов примесей Кратковременный электролиз Напряжение 1,5 В; 2. Электролиз Be i k =0,08 A/см 2 i а =0,37 A/см 2 Примесей: % Li, % Mn, % Cu, % Fe, % Ni, % Ca, % Ca

18 Tomsk Polytechnic University Центробежное литьё Тигли изготавливают из BeO Вращающиеся изложницы из графита, при быстром затвердевании металла науглероживания практически не происходит