» » Получения чистого натрия
22.09.2015

Содержание примесей в натрии, применяемом для некоторых специальных целей, например для производства титана или в качестве теплоносителя, ограничено, так как к чистоте натрия предъявляются высокие требования.
В табл. 6 указаны требования, предъявляемые к чистому натрию.
Получения чистого натрия

Из данных таблицы следует, что пробы натрия, взятые из слитков технического натрия, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к натрию марки ч. д. а. Наиболее чистыми являются пробы, вырезанные из середины слитка. Однако в процессе использования натрия он загрязняется примесями кислорода, водорода и углерода.
Наибольшее корродирующее действие оказывает на металлическую аппаратуру, подвергающуюся действию расплавленного натрия, кислород, растворенный в натрии в виде Na2O и частично в виде Na2CO3.
Растворимость в натрии кислорода в форме Na2O, Na2OH+Na2CO3 и Na2O+Na2CO3+NaH в зависимости от температуры представлена на рис. 5. Растворимость этих соединений в натрии увеличивается с повышением температуры. При 250°С в натрии растворяется ,около 0,01% O2 в виде окисла и карбоната; при 150° С она не превышает 0,002—0,003%. Незначительная растворимость Na2O и Na2O+Na2CO3 позволяет фильтрованием при 110—150° С почти полностью очистить металл от этих примесей. Допустимое содержание кислорода в натрии не должно превышать 10—20 ч. на 1 миллион атомов натрия.
Получения чистого натрия

Нежелательной примесью является примесь кальция, так как она взаимодействует с никелем, содержащимся в стальных трубопроводах, по которым циркулирует расплавленный натрий. Кроме этого, кальций может восстанавливать окись натрия, образуя еще менее растворимую в натрии окись кальция.
Калий значительно растворяется в натрии. Эвтектический сплав Na—К применяется как теплоноситель в ядерных реакторах.
Очистка технического натрия может осуществляться двумя способами: фильтрованием и дистилляцией (или ректификацией).
Очистка натрия фильтрованием

Фильтрованием натрия при 120—150° С удаляются более тугоплавкие нерастворимые примеси, главным образом его кислородные соединения.
Для фильтрования натрия наилучшими являются металлокерамические фильтры, которые имеют следующие значительные преимущества перед фильтрами из специальных тканей или сеток; они более прочны, жароупорны, легко запрессовываются или ввариваются в узлы конструкции, коррозионностойки и легко очищаются промывкой натрием, продувкой азотом или прокаливанием в восстановительной среде или в вакууме.
Для изготовления фильтров применяется порошок марки АПЖМ следующего состава: >98% Feобщ; <0,1% С; 0,5% Mn; 0,21% Si; 0,02% P и 0,02% S. Железо практически не растворимо в расплавленном натрии. Насыпная масса порошка равна 1,7 г/см3. Металлокерамические фильтры — глубинные, однако при соответствующем подборе размеров частиц порошка и пористости они по характеру работы приближаются к поверхностным. При этом основная масса загрязнений остается на поверхности фильтра, не забивая пор.
Пористость фильтров равна 40%. Фильтры прессуют под давлением 2 т/см2. Спекание железного порошка осуществляют в газовой среде, состоящей из 75% водорода и 25% окиси углерода при 1200° С в течение 2 ч.
Получения чистого натрия
Получения чистого натрия

На рис. 6 изображена схема фильтровальной установки, которая содержит 32 металлокерамических стакана.
Фильтрованием технический натрий очищается от неметаллических загрязнений, а также от примесей кальция и тяжелых металлов. Содержание калия в чистом натрии зависит от содержания его в техническом металле, так как калий нельзя удалить фильтрованием.
В табл. 7 приведены результаты анализа натрия, очищенного фильтрацией через металлокерамический фильтр, и для сравнения — результаты анализа того же металла, очищенного дистилляцией.
Получения чистого натрия

Содержание азота в натрии после фильтрации не превышает 2*10в-3%.
Очистка натрия с помощью охлаждаемых ловушек

Для очистки натрия применяют охлаждаемые ловушки с естественной конвекцией натрия и с принудительной циркуляцией его.
На рис. 7 показана схема ловушки с естественной конвекцией.
Такая ловушка представляет собой глухой отросток (камеру) в системе трубопроводов, имеющий значительно меньшую температуру, чем температура системы трубопроводов для основного потока натрия. Соотношение объемов системы и ловушки составляет от 30:1 до 100:1. Окись натрия, тугоплавкие интерметаллиды железа, хрома, кобальта, никеля, а также примеси серебра и сурьмы попадают в ловушку под влиянием естественной конвекции и в результате диффузии примесей. Наибольшее содержание окиси натрия составляет 70%; обычно оно поддерживается равным 20%. Ловушка с естественной циркуляцией очень проста в работе и не требует специального наблюдения.
В ловушке с принудительной циркуляцией часть натрия отводится от основного потока и прокачивается над холодной поверхностью ловушки. В ловушке этого типа значительно улучшено перемешивание по сравнению с перемешиванием в ловушке с естественной конвекцией. Кроме этого, в ловушке этого типа можно осуществлять непрерывную очистку натрия от окиси натрия.
Получения чистого натрия

На рис. 8 представлен эскиз ловушки с принудительной циркуляцией. Натрий, загрязненный примесями, небольшим насосом, установленным в контуре ловушки, перекачивается через ловушку, в которой поддерживается температура 150° С. При этом избыточная окись натрия осаждается на стальной проволоке, заполняющей ловушку. Очищенный от окиси натрия металл содержит не более 10 ч. О2 на 1 млн.
Очистка натрия дистилляцией и ректификацией

Чистый натрий можно получить многократной дистилляцией натрия. На рис. 9 показана схема лабораторной установки для дистилляции натрия. Дистилляцию натрия проводят в следующей последовательности: сначала в системе создают вакуум, затем натрий из резервуара 1 переливают в сборник I, который отпаивают от резервуара 1. Сборник I нагревают до 200—300° С, надвигающейся на него печью до тех пор, пока весь натрий не будет дистиллирован в сборник (II). После этого отпаивают перетяжку 2 и осуществляют вторичную дистилляцию натрия из сборника II в сборник III, а затем, наконец, отпаивают перетяжку сборника III. Перед употреблением сборник натрия III вскрывают с помощью магнита и железного бойка, вложенного в стеклянную трубку.
Получения чистого натрия

Хорсли применил установку из нержавеющей стали полунепрерывного действия для фильтрации и вакуумной дистилляции натрия, калия и лития (рис. 10).
Фильтрация металлов осуществлялась в конусообразном фильтровальном аппарате в вакууме 10в-4—10в-5 мм рт. ст. Под давлением аргона металл продавливали через железную проволочную набивку в разогретый испаритель 9. Пары металла конденсировались на крышке аппарата, откуда металл стекал в желоб 10 и далее в сборник 16. После испарения первой порции металла процесс повторяли до полного заполнения сборника. Чистый металл сливали через клапаны 8 в изложницу, которая находилась под разрежением. Скорость дистилляции щелочных металлов составляла для лития при 620°С 1,15 г/(см2*ч), для натрия при 330°С 1,3 г/(см2*ч) и для калия при 232° С 1,2 г/(см2*ч).
Получения чистого натрия

Дистилляция натрия позволяет значительно понизить содержание металлических примесей, а также примесь водорода. Однако наиболее эффективным методом очистки натрия, как и лития, может быть, по-видимому, ректификация металла в колпачковой колонне.
Химическая очистка натрия

Для очистки натрия от окиси может быть применена его обработка активными металлами (ураном, титаном и цирконием), которые восстанавливают окись натрия и образуют соответствующие нерастворимые окислы. Небольшие количества калия можно удалить из натрия нагреванием его с графитом при температуре не выше 300°С и последующей фильтрацией металла с целью отделения тугоплавкого соединения C8K.