ФОТОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ РАСТВОРОВ Российский патент 2003 года по МПК C22B3/02 C22B3/44 C22B11/00 

Область техники
Изобретение относится к гидрометаллургии драгоценных, цветных, редких, рассеянных, редкоземельных металлов, разделению изотопов, неорганическому синтезу, в т. ч. соединений сверхчистых элементов, очистке промышленных стоков, утилизации радиоактивных отходов, системам водоподготовки и очистки питьевой воды. Изобретение может быть использовано как самостоятельно, так и в технологических линиях производственных предприятий.

Предшествующий уровень техники
Известна установка для извлечения драгоценных металлов из растворов (RU 2081925 С1), состоящая из центробежного экстрактора, оснащенного системой лазерного излучения и окном для ввода излучения в смесительную камеру, куда одновременно вводятся раствор и реагенты. В результате фотохимической реакции образуется твердая фаза выделяемого элемента в нейтральном состоянии или в виде соединения, которая непрерывно выводится из раствора центробежным экстрактором-сепаратором.

У этой установки имеются следующие недостатки:
- стенки смесительной камеры поглощают и рассеивают излучение лазеров, которое теряет свои лазерные свойства (когерентность), при этом потери излучения составляют более 90%, кроме того, стенка камеры, поглощающая интенсивное лазерное излучение, испытывает сильную термическую нагрузку, требует охлаждения для защиты от быстрого разрушения;
- конструкция смесительной камеры не позволяет облучать весь объем раствора узким лучом лазера (максимальная зона эффективного облучения составляет 3 мм в диаметре, т.е. 30% от необходимого диаметра), из-за чего наряду с фотохимической реакцией проходят обычные химические реакции с образованием значительного количества примесей, загрязняющих основной продукт;
- узкий луч лазера не может быть оптически расширен без потери мощности излучения, диаметр смесительной камеры не может быть уменьшен без потери производительности установки;
- центробежный сепаратор непрерывного действия не обеспечивает достаточного обезвоживания твердого осадка;
- установка не предусматривает извлечение из растворов недрагоценных металлов.

Эти недостатки требуют дополнительных стадий перечистки, сказываются на скоростях реакций и выходе продуктов, не позволяют контролировать заданное содержание примесей.

Известна также центробежная установка для отделения примесей от жидкой среды с помощью световой энергии (RU 2112578 С1), прототип, в корпусе реакционной камеры которой соосно расположен источник импульсно-периодического излучения, а также отсеки для сбора примесей. Внутренняя поверхность реакционной камеры выполнена из материала с высокой отражающей способностью, что, по мнению авторов, должно способствовать усилению энергии световых импульсов.

У этой установки имеются следующие недостатки:
- не предусматривается селективное фотохимическое выделение металлов и их соединений из растворов;
- расположение излучателя по оси реакционной камеры неэффективно, так как излучение расходится из центра реакционной камеры, не фокусируется на объекте, а рассеивается в зоне облучения;
- кроме того, заявленного в патенте усиления энергии импульса и получения "лавины энергии" не произойдет, так как: 1) усиление излучения возможно только в активной "лазерной" среде; 2) технологические растворы интенсивно поглощают излучение, особенно в УФ-диапазоне; 3) излучение рассеивается на частицах отделяющихся примесей; 4) из-за того, что источник излучения не точечный, кванты света будут излучаться под различными углами к отражающей поверхности.

Известно устройство накачки активных элементов лазеров (Квантовая электроника, М., "Советская энциклопедия", 1969 г.), в виде эллиптического цилиндра с внутренней поверхностью из материала с высокой отражающей способностью, в фокальных линиях которого расположены источник излучения накачки и активный элемент. Такая конструкция позволяет фокусировать всю энергию излучения на активной лазерной среде, в том числе жидкой.

Недостатком устройства является то, что оно не предназначено для фотохимического выделения элементов и их соединений из растворов.

Сущность изобретения
В основу изобретения положена задача создать фотохимический реактор для экологически чистого управляемого селективного выделения элементов и их соединений из растворов, в котором техническим результатом является эффективное использование оптического излучения для активации фотохимических реакций, а также упрощение конструкции реактора, повышение степени извлечения и качества продуктов за счет конструктивного выполнения элементов реактора и их взаимного расположения в реакторе.

Технический результат достигается тем, что фотохимический реактор для выделения элементов и их соединений из растворов, включающий источник оптического излучения, реакционную камеру, центробежный сепаратор, согласно изобретению дополнительно снабжен облучательной камерой и трансформатором оптического излучения.

А также тем, что облучательная камера выполнена в виде цилиндрического или эллиптического отражателя, в котором источник оптического излучения и реакционная камера с трансформатором оптического излучения расположены в фокальных линиях отражателя.

А также тем, что облучательная камера имеет более одного эллиптического отражателя, которые расположены с возможностью иметь одну общую фокальную линию, в центре которой расположена реакционная камера.

А также тем, что реакционная камера выполнена из материала, прозрачного для оптического излучения, и размещена в центре трансформатора оптического излучения.

А также тем, что трансформатор оптического излучения представляет собой трубку из материала, прозрачного для оптического излучения, для прокачивания органического или неорганического красителя, и в центре которой коаксиально размещена реакционная камера.

А также тем, что в качестве красителя используют более одного вида красителя.

А также тем, что оснащен дополнительными источниками оптического излучения с излучателями разных длин волн.

А также тем, что центробежный сепаратор выполнен с накопительной емкостью для периодического отделения твердой фазы осаждающихся элементов или соединений.

А также тем, что центробежный сепаратор имеет верхний вертикальный ввод раствора с продуктами реакции.

Преимущества настоящего изобретения заключаются в следующем:
1) фотохимический реактор представляет собой экологически чистое устройство, так как продуктами фотохимических реакций являются углекислый газ и вода, а загрязненные химические растворы могут быть очищены до п.д.к. тем же реактором в конце рабочего цикла;
2) использование эллиптического отражателя и размещение источников излучения и облучаемого объекта в фокальных линиях позволяет полностью использовать излучение, не поглощенное облучаемым раствором, которое вновь отражается от стенок и направляется в раствор;
3) трансформатор оптического излучения одновременно перестраивает длину волны излучения источника излучения, создает когерентное излучение высокого качества и позволяет сохранять его свойства в процессе многократного отражения за счет вынужденного излучения в активной "лазерной" среде красителя;
4) за счет фокального расположения реакционной камеры излучение концентрируется на облучаемом объекте и поступает в него равномерно со всех сторон, что повышает выход продукта;
5) центробежный сепаратор периодического действия позволяет с высокой скоростью выводить продукты реакции из раствора, исключить агрегирование частиц твердой фазы и рост кристаллов, благодаря чему продукты реакции могут быть получены в виде высококачественных ультрадисперсных порошков элементов или их соединений;
6) периодический центробежный сепаратор с вертикальным вводом облученного раствора и съемной накопительной емкостью имеет более простую конструкцию, в нем отсутствуют сложные приспособления для разделения суспензии по фракциям, а благодаря вертикальному вводу раствора упрощается и удешевляется конструкция фотохимического реактора в целом, так как отпадает необходимость использования насосов-дозаторов, дополнительных емкостей и трубопроводов.

Перечень фигур и чертежей
Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами и чертежами:
фиг. 1 изображает конструкцию облучательной камеры в виде эллиптического цилиндрического отражателя с расположенными в нем импульсной лампой, трансформатором оптического излучения и реакционной камерой;
фиг.2 изображает вариант конструкции облучательной камеры с четырьмя различными источниками оптического излучения и трансформатором оптического излучения в общей фокальной линии;
фиг. 3 изображает конструкцию периодического центробежного сепаратора с верхним вводом раствора и съемной накопительной емкостью;
фиг.4 изображает принципиальную схему фотохимического реактора.

Способы осуществления изобретения
Предлагаемый фотохимический реактор имеет следующие конструктивные особенности.

Фотохимический реактор для выделения элементов и их соединений из растворов (фиг. 4) состоит из облучательной камеры 6, реакционной камеры 5, центробежного сепаратора 8, емкостей для исходного раствора 1 и реагента 2, дозаторов подачи раствора 3 и реагента 4, регулятора производительности 7.

Облучательная камера (фиг. 1) представляет собой эллиптический цилиндрический отражатель 4, в котором источник оптического излучения 2 и реакционная камера 1 с трансформатором оптического излучения 3 расположены в фокальных линиях эллиптического отражателя 4, за счет чего излучение фокусируется на реакционной камере 1.

При необходимости повышения производительности установки (если повышается концентрация элемента в растворе или увеличивается объем раствора) может быть использован вариант конструкции облучательной камеры (фиг.2), например, с четырьмя источниками излучения 2, расположенными в фокальных линиях четырех эллиптических отражателей 4, в общей фокальной линии которых находится трансформатор оптического излучения 3 с реакционной камерой 1.

В случае, если необходимо произвести совместное осаждение выбранных элементов или осуществить синтез соединения, облучательная камера может быть оснащена источниками излучения разных типов и разных длин волн излучения (импульсная лампа с трансформатором на смеси красителей, светодиоды, лазерные диоды) в различных комбинациях.

Реакционная камера 1 выполнена из материала, прозрачного для оптического излучения, и помещена коаксиально в центр трансформатора оптического излучения 3.

Трансформатор оптического излучения 3 представляет собой трубку из материала, прозрачного для оптического излучения, через которую прокачивается органический или неорганический краситель и в центре которой коаксиально размещена реакционная камера 1.

При необходимости одновременного выделения нескольких элементов или синтеза соединения трансформатор 3 может содержать комбинацию нескольких красителей.

Центробежный сепаратор периодического действия (фиг.3) состоит из неподвижного корпуса 1, закрепленного на станине установки, трубки 4 для ввода раствора с продуктами реакции, съемного ротора с накопительной камерой 3 и электродвигателя 6. Накопительная емкость 3 имеет отверстия 5 для вывода очищенного от осадков раствора, а неподвижный корпус сепаратора 1 имеет кольцевой отсек 2 для сбора и отвода очищенного раствора.

Фотохимический реактор работает следующим образом (фиг.4).

В емкость 1 заливают исходный раствор, содержащий, например, цветные металлы (Сu, Ni, Со) или редкоземельные металлы (Er, Dy, Но, Y, Yd, Lu), или драгоценные металлы (Au, Pd, Pt, Rh, Ir) в определенных концентрациях и с присутсвием различных примесей. В емкость 2 заливают реагент-восстановитель или осадитель. Определяется последовательность выделения металлов и в зависимости от вида и концентрации выделяемого элемента выбирается режим работы облучательной камеры 6 (энергия импульса излучения лампы, частота импульсов, марка красителя с необходимой длиной волны излучения). Дозатором 4 выбирают концентрацию реагента, поступающего в реакционную камеру 5, регулятором 7 выбирают скорость потока раствора через реакционную камеру 5, одновременно определяя производительность установки по выбранному элементу и тем самым время работы центробежного сепаратора S до его заполнения.

В начале работы реактора последовательно включают сепаратор 8, источник оптического излучения облучательной камеры 5, открывают кран дозатора раствора 3 и в последнюю очередь кран дозатора реагента 4. Необходимо соблюдать соотношение реагента, выделяемого элемента и общего количества энергии излучения, подающегося в реакционную камеру, так как несоблюдение соотношения приведет к возникновению обычных неселективных химических реакций восстановления-осаждения и загрязнению выделяемого элемента посторонними продуктами реакций.

В течение определенного времени накопительная емкость центробежного сепаратора 8 наполняется осадком выделяемого элемента, после чего перекрывают кран дозатора раствора 3, кран дозатора реагента 4, выключают источник излучения 6 и центробежный сепаратор 8.

Промышленная применимость
Фотохимический реактор, предлагаемый по настоящей заявке, отличается повышенными эксплуатационными показателями. Коэффициент использования полезного излучения импульсных газоразрядных ламп с трансформатором на одном красителе составляет не менее 10%, с трансформатором на смеси красителей-люминофоров с резонансной передачей электронного возбуждения - не менее 60%, тогда как КПД лазеров - 0,1-1,0%, а перестраиваемых лазеров на красителях - 0,01-0,1%. Расход реагентов в фотохимическом процессе по сравнению с осадительным и восстановительным процессами близок к стехиометрии реакций.

Производительность может быть быстро повышена за счет дополнительных облучательных камер. Учитывая, что необходимый продукт может быть получен за один цикл работы реактора без дополнительной очистки, а традиционные процессы переработки соответствующего объема растворов аналогичного состава занимают несколько дней со многими перечистками, удельная производительность реактора в сотни раз выше любых других систем селективного выделения элементов, а себестоимость переработки продукта в сотни раз меньше.

Производственная линия на 100 л/ч, например, из десяти реакторов займет площадь не более 5 кв.м при высоте 1,2 метра. Энергопотребление такой линии - не более 25 кВт•ч. Обслуживающий персонал - 2 человека.

Предлагаемый фотохимический реактор имеет низкую стоимость благодаря простой конструкции облучательной камеры и периодического центробежного сепаратора. Отказ от использования перестраиваемых лазерных систем и сложных сепараторов непрерывного действия позволяет снизить стоимость реактора в десятки раз.

Фотохимический реактор относится к гидрометаллургии. Он оснащен облучательной камерой с эллиптическим отражателем, в фокальных линиях которого расположены источник оптического излучения и трансформатор оптического излучения на растворах красителей с коаксиально расположенной в трансформаторе реакционной камерой, через которую прокачивается раствор и реагенты. В реакционной камере фокусируется трансформированное раствором красителя излучение с длиной волны, соответствующей электронному спектру полосы поглощения выделяемого из раствора элемента или его соединения, и в присутствии реагента инициируется фотохимическая реакция селективного восстановления или осаждения элементов. Образующиеся кристаллические осадки твердой фазы быстро выводятся из облученного раствора периодическим центробежным сепаратором с верхним вводом раствора и осаждаются на стенках его сменной накопительной емкости. Реактор позволяет эффективно использовать оптическое излучение, а также упростить конструкцию, повысить степень извлечения и качество продуктов. 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Фотохимический реактор для выделения элементов и их соединений из растворов, включающий источник оптического излучения, реакционную камеру, центробежный сепаратор, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен облучательной камерой и трансформатором оптического излучения. 2. Фотохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что облучательная камера выполнена в виде цилиндрического или эллиптического отражателя, в котором источник оптического излучения и реакционная камера с трансформатором оптического излучения расположены в фокальных линиях отражателя. 3. Фотохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что облучательная камера имеет более одного эллиптического отражателя, которые расположены с возможностью иметь одну общую фокальную линию, в центре которой расположена реакционная камера. 4. Фотохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что реакционная камера выполнена из материала, прозрачного для оптического излучения, и размещена в центре трансформатора оптического излучения. 5. Фотохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что трансформатор оптического излучения представляет собой трубку из материала, прозрачного для оптического излучения для прокачивания органического или неорганического красителя, в центре которой коаксиально размещена реакционная камера. 6. Фотохимический реактор по п.5, отличающийся тем, что в качестве красителя используют более одного вида красителя. 7. Фотохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что оснащен дополнительными источниками оптического излучения с излучателями разных длин волн. 8. Фотохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что центробежный сепаратор выполнен с накопительной емкостью для периодического отделения твердой фазы осаждающихся элементов или соединений. 9. Фотохимический реактор по п.8, отличающийся тем, что центробежный сепаратор имеет верхний вертикальный ввод раствора с продуктами реакции.