RS56280B1 - Postupak i uređaj za proizvodnju metalnih halkogenida - Google Patents

Description

Opis

PODRUČJE IZUMA

[0001] Izum se tiče postupka za proizvodnju metalnih halkogenida, posebno metalnih sulfida poput kalaj sulfida, pri čemu se metal i halkogen na temperaturama od 200-1700 C, a posebno od 800-1200 C, u posudi pretvaraju u metal halkogenide. Takođe se odnosi i na odgovarajući uređaj.

[0002] Elementi VI grupe periodnog sistema se nazivaju halkogeni. Po novijoj numeraciji grupa IUPAC-a radi se o 16. grupi. U tu grupu spadaju elementi kiseonik, sumpor, selen, telur, polonijum. Za predmetni pronalazak se mogu upotrebljavati samo oni elementi koji su na temperaturi okoline u čvrstom stanju, što znači da kiseonik otpada kao halkogen.

[0003] Izum je prvenstveno predviđen za proizvodnju sulfida, pri čemu se, dakle, sumpor koristi kao halkogen. Pri tome se posebno misli na proizvodnju kalaj sulfida, čija hemijska formula glasi SnS i koji se takođe naziva kalaj(II) sulfid. Kod odgovarajućeg stehiometrijskog doziranja kalaja i sumpora može se proizvesti i kalaj(IV) sulfid (SnS2).

[0004] Kao metal pored elemenata 4. grupe (sada 14. grupa), poput pomenutog kalaja, dolaze u obzir i elementi 5. grupe (sada 15. grupa), npr. antimon i bizmut. Time se sa predmetnim izumom može proizvesti i antimon(III) sulfid Sb2S3te bizmut(III) sulfid Bi2S3.

[0005] Ti različiti metali se mogu upotrebljavati za proizvodnju halkogenida, a posebno sulfida, kako u čistom obliku, tako i kao mješavina.

STANJE TEHNIKE

[0006] U DE 19815992 A1 je objelodanjen postupak za proizvodnju kalaj sulfida, kod kog se kalaj realizuje u fino raspoređenom obliku sa sumporom pod inertnim gasom ili vazdušnoj atmosferi na temperaturama od 200ºC do 1500 ºC, preporučeno 800-1200C, npr. u mufolnoj peći. Kako bi se dobio kalajni prah koji je potreban kao polazni materijal, kalaj se još prije proizvodnje kalaj sulfida mora na odgovarajući način samljeti.

[0007] US 3577231 A se odnosi na postupak za proizvodnju metal sulfida. Pri tome se metal topi u sopstvenoj posudi i tek prilikom prelijevanja u drugu posudu se miješa sa materijalom koji sadrži sumpor.

[0008] US 4676969 A pokazuje postupak za sintezu anorganskih halkogenida, gdje se najprije halkogen u komadima dovodi u posudu i isparava a potom se dodaje metal u komadima.

PRIKAZ IZUMA

[0009] Stoga je zadatak datog izuma na raspolaganje staviti postupak za proizvodnju metalnih halkogenida, posebno kalaj sulfida, a koji ne zahtijeva upotrebu metalnih prahova te sprječava reakciju između halkogena i kiseonika iz vazduha.

[0010] Ovaj zadatak rješava postupak shodno kriterijumu 1, kod kog se metal i halkogen realizuju na temperaturama od 200-1700ºC, posebno od 800-1200ºC, u posudi u metal halkogenide, tako što je predviđeno da se metal u komadima dodaje u posude, da se taj metal zagrije i istopi na 200-1700ºC, posebno na 800-1200ºC, da se halkogen, koji ima čvrsti ili tečni oblik, dodaje u posudu tek kada se stvori istopljeni metal.

[0011] Metal se time može dodavati u komadima npr.0,001 - 50 cm, prethodno usitnjavanje nije potrebno. Halkogen se takođe može dodati u komadima, pošto se dodavanjem u istopljeni metal može pretvoriti u tečni oblik. Međutim, isto tako se može dodati u posudu i u tečnom stanju. Tako što se halkogen tek onda doda, kada se stvori istopljeni metal, isti biva momentalno okružen od istopljenog metala te halkogen stoga momentalno reaguje sa istopljenim metalom.

[0012] Kako bi se u što većoj mjeri izbjegla reakcija između halkogena i kiseonika iz vazduha u toku postupka, predviđeno je da se posuda zatvori na gasonepropustan način prije ili nakon dodavanja metala i prije dodavanja halkogena te sapere sa inertnim gasom.

[0013] U tom pogledu svrsishodno je da se halkogen i/ili drugi metal ubacuje preko gasonepropusnih kanala u posudu.

[0014] Pri tome je moguće predvidjeti da se gasonepropusni kanali saperu sa inertnim gasom, i to tokom propuštanja metala i halkogena.

[0015] Kako bi se ubrzala reakcija između metala i halkogena, da bi se mješavina od metala i halkogena što homogenije oblikovala i eventualno drugi čvrsti metal brže istopio, može se predvidjeti da se halkogen i/ili drugi metal putem pomiješa sa istopljenim metalom pomiješa.

[0016] U preporučenom izvođenju halkogen je sumpor odn. metal je kalaj, a kao posebno preporučeni oblik izvođenja upotrebljavaju se sumpor i kalaj, kako bi se proizveo kalaj sulfid SnS.

[0017] Odgovarajući uređaj za realizaciju postupka u skladu sa izumom je karakterističan po tome što

- je predviđena posuda, u kojoj se pomoću grejnih uređaja dostižu temperatureod 200-1700ºC, posebno od 800-1200ºC

- je predviđen poklopac za posudu, kojeg je moguće zatvoriti na gasonepropustan način

- predviđen mikser, kojim se halkogen u čvrstom ili tečnom obliku miješa sa istopljenim metalom koji se nalazi u posudi, i

- je predviđen bar jedan gasonepropustan kanal, kroz koji bi se halkogen u čvrstom ili tečnom stanju dovodio u posudu i koji bi se mogao sapirati pomoću inertnog gasa.

[0018] Kako bi se drugi metal, posebno čvrsti metal, mogao dodati u posudu, moguće je predvidjeti još jedan gasonepropusni kanal.

[0019] I gasonepropusni kanal za halkogen i dodatni gasoneporpusni kanal za metal se mogu izvesti kroz poklopac. Stoga se posuda može izraditi bez takvih dovoda halkogena ili metala i shodno tome odgovarajuće jednostavno oblikovati.

[0020] Kako gasonepropusni kanal za halkogen tako i dodatni gasonepropusni kanal za metal se mogu čvrsto spojiti sa poklopcem. Postavljanjem poklopca na posudu istovremeno se raspoređuju i učvršćuju kanali na posudi.

[0021] Pošto je mikser potreban tek prilikom miješanja istopljenog metala i halkogena i eventualno drugog metala, može se predvidjeti da mikser bude pričvršćen na poklopcu.

[0022] Za mjerenje sadržaja kiseonika u posudi i/ili u gasonepropusnom kanalu može se predvidjeti jedan ili više uređaja za mjerenje kiseonika.

[0023] Ukoliko su predviđeni uređaji, sa kojim se posuda i/ili gasonepropusni kanal može saprati inertnim gasom, time se može smanjiti stvaranje jedinjenja između halkogena i kiseonika iz vazduha.

NAČINI IZVOĐENJA IZUMA

[0024] Izum se bliže pojašnjava na osnovu dvije šematske figure, koje predstavljaju po jedan mogući način izvođenja, pri čemu fig. 1 prikazuje uređaj u skladu sa izumom, a fig. 2 je predviđena dodatna posuda za prihvatanje gotove legure.

[0025] Uređaj obuhvata posudu koja posjeduje unutrašnju posudu 2 za leguru, koja se takođe naziva i posuda za leguru, kao i vanjsku posudu 3, koja se takođe naziva i komora za leguru i okružuje unutrašnju posudu 2. Unutrašnja posuda 2 je obuhvaćena bočno, između unutrašnje i spoljašnje posude, grijanjem 4 (npr. električnim grijanjem) tako da se u unutrašnjosti mogu dostići temperature od 200-1700ºC, posebno od 800-1200ºC, a na kojima se topi metal, u ovom slučaju kalaj. Vanjska posuda 3 je napravljena od čelika te obložena vatrostalnim šamotom, npr. grafitom. Međutim, za tu svrhu se može upotrebljavati i bilo koja druga vatrostalna obloga. Poklopcem 1 je moguće zatvoriti posudu 2, 3 na gasonepropustan način, npr. putem vatrostalne zaptivne špage na spojnim mjestima, između poklopca 1 i vanjske posude 3. Poklopac 1 je takođe napravljen od čelika i obložen je vatrostalnim materijalom. Bar vanjska posuda 3 može imati vazdušno hlađenje u svrhu hlađenja bočnih zidova unutrašnje ili vanjske posude 2, 3. Poklopac 1 je izrađen kao šuplji poklopac, kojeg je moguće hladiti pomoću vazduha. Pošto šaržna vodilica 10 završava u poklopcu 1 na gasonepropustan način, putem koje se dovodi halkogen a koja se putem kliznog zatvarača 7 može zatvoriti (slično kao kod gasonepropusnog kanala), poklopac 1 se naziva još i komora za kanale.

[0026] Unutrašnja i vanjska posuda 2, 3 time čine peć, poklopac 1 služi kao poklopac peći, na njemu su postavljeni kod ovog primjera gasonepropusni kanal 7, 10 za sumpor. I mikser 5, 9 je integrisan u poklopac 1.

[0027] Na poklopcu 1 može biti pričvršćen okvir, na kom se poklopac 1 za otvaranje posude 2, 3 diže gore odn. za zatvaranje posude 2, 3 spušta dole. Na tom okviru mogu biti pričvršćeni gasonepropusni kanali (ovdje gasonepropusni kanal 7, 10 za sumpor) kao i mikser 5, 9 - kao i za pričvršćivanje na samom poklopcu 1. Mikser 5, 9 obuhvata motor za miješanje koji je pozicioniran van posude 2, 3 odn. poklopca 1, taj motor pokreće mješač 5, koji pak zadire u posudu 2, 3 i napravljen je npr. od grafita. Mikser obezbjeđuje dobar dovod sumpora u istopljeni kalaj. Gasonepropusni kanal 7, 10 za sumpor je izveden tako da se, u slučaju potrebe, može hladiti ili zagrijavati vodom. Gasonepropusni kanal 7, 10 tako i mješač 5 prodiru kroz otvore koji su spolja gasonepropisnu putem poklopca 1 u unutrašnji prostor posude 2, 3. U poklopcu 1 se može predvidjeti i staklo za vizuelnu kontrolu, kako bi bilo moguće tačno posmatrati reakciju u peći.

[0028] Putem uređaja za mjerenje kiseonika 6 u obliku sonde za kiseonik se može mjeriti sadržaj kiseonika u gasu u posudi 2, 3, tj. u prostoru peći. Putem uređaja za mjerenje kiseonika 8 se može mjeriti sadržaj kiseonika u gasonepropusnom kanalu 7, 10. Ukoliko sadržaj kiseonika postane previsok, vrši se sapiranje inertnim gasom. Sadržaj kiseonika se kontinuirano posmatra. U slučaju previsokog sadržaja kiseonika, obustavlja se dotok halkogena, pošto bi u suprotnom rasla opasnost od sagorijevanja.

[0029] Ventil 12 služi da kod zatvorenog poklopca 1 ispusti gas iz posude 2, 3, kako bi se isti zamijenio inertnim gasom iz zaštitne posude 13. Takođe se može koristiti za redukciju nadpritiska, kojeg detektuje mjerač pritiska 11.

[0030] Postupak se može izvoditi kako u takozvanom bač (engl. batch) postupku, tako i u kontinuiranom pogonu. U nastavku se pojašnjava proizvodnja kalaj sulfida.

[0031] U bač postupku se kalaj u komadima dovodi u unutrašnju posudu 2 i zagrijava na 1000ºC. Poklopac 1, koji nosi gasonepropusni kanal 7, 10 za sumpor, postavlja se na vanjsku posudu 3 i pričvršćuje vijcima na gasonepropustan način. Prostor peći se ispire inertnim gasom iz zaštitne posude 13 kako bi se minimizirao sadržaj kiseonika sa ciljem izbjegavanja sagorijevanja sumpora, kada se isključivo sumpor dovodi kroz gasonepropusni kanal 7, 10.

[0032] Za kontinuirani pogon predviđen je dodatni gasonepropusni kanal, koji se takođe može postaviti na poklopcu 1, a preko kog se dodaje kalaj u komadima. Dakle, nije potrebno otvarati peć, kako bi se dodao kalaj u istu.

[0033] Kako u bač postupku tako i u kontinuiranom pogonu tečni ili čvrsti sumpor se u porcijama dovodi preko gasonepropusnog kanala 7, 10 (koji je prethodno sapran inertnim gasom) u tečnu istopljeni kalaj te se pomoću miksera 5, 9 homogeno raspoređuje u istopljeni kalaj. Odigrava se hemijska reakcija Sn S → SnS. Poslije smirivanja svake eksotermne reakcije dodaje se sumpor, sve dok se ne ubaci cjelokupna proračunata količina. Na osnovu tačke ključanja sumpora od 444,7ºC, na visokim temperaturama u peći isparava jedan dio sumpora. U zavisnosti od zahtjeva proizvoda, sumpor se dodaje u neisokrištenim ili deficitarnim količinama.

[0034] Nakon što je dovršen proces dodavanja sumpora, istopljeni materijal se miješa još 15-ak minuta te ostavlja sa inertnim gasom. Potom se tečni kalaj sulfid lije u pojednostavljen kalup. Pri tome se istopljeni materijal može crpiti ili isprazniti putem naginjanja posude 1. Zbog moguće oksidativne reakcije, dopuštene su samo kalupi sa finom površinskom obradom, tj. samo oni sa silikatskim unutrašnjim premazom.

[0035] Shodno fig.2 istopljeni materijal se može ispustiti i putem otvora na najdubljem mjestu unutrašnje posude 2, koji je za vrijeme proizvodnje istopljenog materijala bio zatvoren putem zatvarača 14. Prilikom ispuštanja, istopljeni materijal se prikuplja pomoću ispod postavljene posude za prihvatanje 15. Ta posuda za prihvatanje 15 se takođe može zatvoriti na gasonepropustan način putem vrata kanala 16, a vrata kanala 16 time čine drugim zidovima takozvanu komoru za izlijevanje. Putem mehanike za iznošenje 17, koja je ovdje navedena kao transportna traka, posuda za prihvatanje 15 se može odvesti od područja ispod posude 2, 3 (iz komore za lijevanje).

[0036] Između zatvarača 14 i završetka u posudu za prihvatanje 15 može se predvidjeti dodatni kanal (pretkanal), kako bi se unutrašnja posuda 2 i komora za izlijevanje razdvojili na gasonepropustan način. Poslije komore za izlijevanje može se predvidjeti još jedan kanal, koji će se moći zatvoriti od komore za izlijevanje i okoline na gasonepropustan način i gdje se izliveni istopljeni materijal hladi.

[0037] Čim se istopljeni materijal ukruti, kalaj sulfid se može usitniti na željenu veličinu zrna.

[0038] Hemijski sastav proizvedenog kalaj sulfida u procentima težine glasi kako slijedi:

Kalaj Sn 75-85%

Sumpor S 12-23%

Olovo Pb <300 ppm

Bakar Cu < 1%

Kalcijum Ca < 2%

Silicijum Si < 1,5%

Natrijum Na < 8%

Kadmijum Cd < 0,0002%

Hromat Cr(VI) < 0,0001%

REFERENTNA LISTA OZNAKA

[0039]

1. Poklopac (komora za kanale)

2. Unutrašnja posuda (posuda za legure)

3. Vanjska posuda (komora za legure)

4. Grijanje

5. Mješač miksera

6. Uređaj za mjerenje kiseonika

7. Klizni zatvarač za vodilicu šarže 10

8. Uređaj za mjerenje kiseonika za vodilicu šarže 10

9. Motor za mješanje miksrea

10. Vodilica šarže

11. Uređaj za mjerenje pritiska

12. Ventil

13. Posuda za zaštitni gas

14. Zatvarač unutrašnje posude (posuda za leguru) 2

15. Posuda za prihvatanje

16. Vrata kanala

17. Mehanika za iznošenje

Claims (12)

Patentni zahtevi

1. Postupak za proizvodnju metalnih halkogenida, posebno metal sulfida poput kalaj sulfida, pri čemu se metal i halkogen na temperaturama od 200-1700ºC, a posebno od 800-1200ºC, u posudi (2, 3) pretvaraju u metal halkogenide, što je okarakterisano time

da se metal dodaje u komadima u posudu (2, 3),

da se metal zagrijava i topi na 200-1700ºC, posebno od 800-1200ºC,

da se halkogen, koji je u čvrstom ili tečnom obliku, dodaje tek kod postojanja istopljenog metala u posudu (2, 3), da se posuda (2, 3) prije ili poslije dodavanja metala i prije dodavanja halkogena zatvori na gasonepropusni način i sapere inertnim gasom

i

da se halkogen i eventualno drugi metal dovodi putem gasonepropusnih kanala (7, 10) u posudu (2, 3).

2. Postupak shodno kriterijumu 1, karakteriše se time da se gasonepropusni kanali (7, 10) ispiru inertnim gasom.

3. Postupak po kriterijumima 1 do 2 karakteriše se time da se halkogen i/ili drugi metal miješanjem pomiješaju sa istopljenim metalom.

4. Postupak po jednom od kriterijuma 1 do 3 karakterističan je po tome da halkogen ne sadrži sumpor.

5. Postupak po kriterijumu 1 do 4 karakteriše se time da se kod metala radi o kalaju.

6. Uređaj za izvršenje postupka shodno kriterijumima 1 do 5 karakterističan je po tome da

- je predviđena posuda (2, 3) u kojoj grejni uređaji mogu dostići temperature do 200-1700C, posebno od 800-1200C,

- je predviđen poklopac (1) za posudu, koji se može zatvoriti sa posudom na gasonepropustan način (2, 3), - je predviđen mikser (5, 9), sa kojim se halkogen u čvrstom ili tečnom stanju miješa sa istopljenim metalom, i

- je predviđen bar jedan gasonepropustan kanal (7, 10), kroz koji bi se halkogen u čvrstom ili tečnom stanju dovodio u posudu (2, 3) i koji bi se mogao sapirati pomoću inertnog gasa

7. Uređaj po kriterijumu 6 se karakteriše time da je predviđen još jedan gasonepropustan kanal, kojim se metal, posebno čvrsti metal, dovodi u posudu (2, 3).

8. Uređaj po kriterijumu 6 ili 7 karakteriše to da je bar jedan gasonepropusni kanal (7, 10) sproveden kroz poklopac.

9. Uređaj po jednom od kriterijuma 6 do 8 se karakteriše time da je bar jedan gasonepropusni kanal (7, 10) spojen čvrsto sa poklopcem (1).

10. Uređaj po jednom od kriterijuma 6 do 9 karakteriše se time da je mikser (5, 9) pričvršćen na poklopcu (1).

11. Uređaji po jednom od kriterijuma 6 do 10 karakteriše se time da je predviđen jedan ili više uređaja za mjerenje kiseonika (6, 8) radi mjerenja sadržaja kiseonika u posudi (2, 3) i/ili gasonepropusnog otvora (7, 10).

12. Uređaj po jednom od kriterijuma 6 do 11 se karakteriše time da su predviđeni uređaji (13), kojima se posuda (2, 3) i/ili gasonepropusni kanal (7, 10) može saprati inertnim gasom.