Устройство для извлечения металлов из электролитических растворов

 

Сущность изобретения: в ванне с патрубком подвода электролита сверху, установленным под углом 60° к стенке ванны, закреплена на расстоянии 0,06 0,15 м от патрубка горизонтальная перегородка. Электроды пропущены через отверстия в перегородке. Устройство снабжено системой управления потоком раствора с датчиком уровня электролита. Изобретение позволяет интенсифицировать выделение металла из разбавленных растворов. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к оборудованию для очистки отработанных промышленных растворов путем электролитической обработки с целью извлечения металлов из отработанных электролитов гальванического производства с повторным использованием извлекаемого металла.

Известен многосекционный прямоточный электролизер для получения металлов электролизом водных растворов их солей с группами электродов, расположенных внутри секций, отделенных одна от другой перегородками, которые выполнены двухстенными со сплошным щелевым зазором между стенками, причем одна стенка установлена на дне электролизера и не доходит до его верхней кромки, а другая выполнена заподлицо с верхней кромкой и не доходит до дна (авт. св. N 254100, кл. C 22 D 1/02, 1970).

Недостатком известного устройства является низкая эффективность процесса извлечения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и выбранным за прототип является электродный блок для электрической регенерации окисленного электролита, содержащий размещенный внутри рабочей ванны для электроосаждения мембранный электролизер с электродами и патрубки перетока для рециркуляции электролита. Блок снабжен растворимым анодом, размещенным в анодной камере, образованной мембранными стенками, одна из которых ниже уровня электролита в рабочей ванне, патрубком для перетока электролита из анодной камеры в промежуточную, образованную задней стенкой электродного блока, объемно-пористым катодом для протока через него электролита в катодную камеру, размещенную между анодной и промежуточной камерами, и расположенным в промежуточной камере сливным патрубком для непрерывной рециркуляции электролита в рабочую ванну (авт. св. N 1254066, кл. C 29 D 21/18, 1982).

Недостатком такого блока является сложность конструкции в изготовлении и в эксплуатации, а также недостаточно высокая эффективность процесса регенерации, связанная с необходимостью периодической очистки и замены мембран.

Задачей разработки устройства для извлечения металлов из электролитических растворов являлось получение технического результата, заключающегося в повышении интенсивности выделения металлов, в обеспечении непрерывности процесса и в получении чистого металла с последующим его использованием в процессе.

Сущность изобретения заключается в том, что предложено устройство для извлечения металлов из электролитических растворов, например растворов гальванического производства, состоящее из ванны, помещенных в нее электродов, патрубков, состоящее из ванны, помещенных в нее электродов, патрубков подвода и отвода раствора, при этом в верхней части ванны установлена горизонтальная перегородка с установленными в ней электродами, а ванна снабжена датчиком уровня электролита, соединенным с насосами, установленными на емкости, а патрубки подвода и отвода раствора установлены с противоположных сторон ванны, причем количество электродов b и их толщина l_э выбраны, исходя их кратности расстояния от патрубков подвода и отвода до перегородки к длине образуемой стоячей волны. Кратность рассчитывают, исходя из выражения g=l_r/l_v, (1) где g коэффициент кратности; l_r длина ванны; l_v длина волны, определяемая по формуле l_v=kv^-2 (2) в которой k размерный коэффициент конструкции; v линейная скорость истечения электролита из патрубка.

Размерный коэффициент конструкции k зависит от C_k (концентрации катионов), параметров патрубка и температуры и определяется в зависимости от формы ванны (прямоугольная, цилиндрическая, сферическая и др.) расчетным путем. Для прямоугольной ванны в предлагаемой конструкции устройства значение составляет k= 0,063±0,001 м³˙с^-2. При толщине прямоугольного электрода l_э=g_il_v (g_i= 6-10) величина l_A (расстояние от патрубка 6 подвода электролита до горизонтальной перегородки 5) определяется из формулы l_r= Bl_э+(B-1)l_э+l_A=gl_v=gkv^-2, (3) где Bl_э расстояние в ванне, занимаемые электродами; (B-1)l_э межэлектродные зазоры.

Тогда из (3) следует l_A=gkv^-2-(2B-1)l_э. (4)
Анализ патентной и научно-технической литературы не позволил выявить технических решений на электролизеры, в которых бы за счет предлагаемых конструктивных признаков достигалась высокая интенсификация процесса с получением чистого продукта при использовании метода образования стоячей волны в ванне электролизера. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство с местным разрезом; на фиг. 2 то же вид спереди.

Устройство состоит из ванны 1 регенерации, в которой на штангах 2 с помощью крючков 3 установлены электроды 4, размещенные в отверстиях горизонтальной перегородки 5. Электроды изготавливаются из стойких (малорастворимых) сплавов в применяемых электролитах при заданных режимах поляризации например из высококремнистого сплава Fe+(14-17)Si, углеродистых композитов, платинированного титана, ОРТА. Перегородка 5 расположена на расстоянии l_A от патрубка 6 подвода электролита в ванну 1 регенерации, установленного в верхней части ванны под углом 60^о. Расстояние _lA рассчитывается, исходя из формулы (4), составляет 0,06-0,15 м и обеспечивает образование стоячей волны в ванне 1 регенерации.

В нижней части ванны 1 регенерации расположен патрубок 7 отвода с вентилем 8, выполненным в виде трехходового крана. Устройство снабжено датчиком 9 уровня электролита, установленным в верхней части ванны 1 регенерации. На шланге, соединенном с патрубком 6 подвода электролита, закреплен всасывающий клапан 10. Патрубок 6 подвода соединен с насосом 11, а патрубок 7 отвода с насосом 12. Насосы 11 и 12 соединены с пультом 13 управления и с датчиком 9 уровня электролита. Для удобства в эксплуатации устройство может быть выполнено передвижным, установленным на колеса 14. Устройство снабжено круговым поручнем 15, который ограничивает его возможность контакта с близкорасположенным оборудованием.

Устройство работает следующим образом.

Предлагаемое устройство для извлечения металла из электролитических растворов устанавливают либо в технологическую цепь нанесения гальванопокрытий, либо в месте, где необходимо производить извлечение металлов из отработанных электролитов или растворов ванн непроточных промывок. В ванну 1 регенерации через всасывающий клапан 10 с помощью насоса 11 через патрубок 6 подвода закачивается отработанный электролит или раствор ванн непроточных промывок до уровня, обеспечивающего смачивание перегородки 5. В раствор завешиваются на штангах 2 с помощью крючков 3 электроды 4. Уровень электролита контролируется с помощью датчика 9 уровня. Работа ванны 1 регенерации осуществляется в непрерывном режиме с образованием в ванне стоячей волны, которая возникает за счет постоянного движения электролита в ванне. Для этого одновременно с подачей электролита осуществляется с помощью вентиля и насоса 12 отвод электролита через патрубок 7 отвода.

Оригинальным в предлагаемом устройстве является то, что электролит, подаваемый насосом 11 по патрубку 6 подвода, расположенному в ванне 1 регенерации под углом 60^о к его стенке, возбуждает в объеме ванны стоячую волну. Волна, создаваемая потоком электролита, истекающего из патрубка 6 ввода, отражается от стенки перегородки 5. Наложение волн противоположного направления вызывает появление стоячей волны. В пучностях стоячей волны располагаются электроды 4 (катоды) здесь происходит ламинарное обтекание поверхности электрода электролитом, резко снижается толщина S диффузионного слоя в электролите, а это улучшает условия катодного выделения металла.

Таким образом, увеличение интенсивности выделения металла из разбавленных растворов достигается в результате возникновения волнового процесса в зоне формирования двойного электрического слоя (ДЭС) вблизи поверхности электрода-катода.

Количественная оценка этого эффекта следующая. Величина тока осаждения (выделения) металла i выражается зависимостью
i=z_кF(1+z_к/z_а) (c) (5) где S толщина диффузионного слоя;
D_к коэффициент диффузии катиона в ДЭС;
Z_к и Z_а соответственно величины заряда катиона и аниона;
C_к концентрация катиона в диффузионном слое;
- концентрация катиона в растворе;
F число Фарадея.

Из соотношения (5) следует, что повышения величины тока выделения i можно добиться снижением S, а также увеличением разности (C_к-). При этом значение коэффициента D_к (T=const) мало зависит от C_к и и изменяется незначительно D_к ≃10^-5 см с^-1).

В неперемешиваемом растворе (авт. св. N 1254066) значение S ≃10^-5см. В предлагаемой конструкции регенератора величины S снижается до значений 10^-7 см, при этом разность c возрастает в 2-3 раза. Рост разности c обусловлен при = const увеличением C_к вследствие резкого повышения концентрации катионов в ДЭС. Поскольку процесс регенерации промывных вод гальванических производств идет из очень разбавленных электролитов )разбавление от 1: 5 до 1:100 по отношению к электролиту в основной ванне), где в нормальных обычных условиях (без перемешивания на плоскопараллельных электродах, как в авт. св. N 1254066) скорость выделения i невелика, то в предлагаемом устройстве локальный рост концентрации C_к позволяет кардинально улучшить катодное выделение металла. Следовательно, при (1+Z_к/Z_а) ≃2 значении, характерном для подавляющего числа электролитов в гальванотехнических производствах (цинкование, никелирование, кадмирование, меднение), величина тока осаждения i может возрастать в 20-300 раз. Однако это вытекающее из соотношения (5) значение i (теоретическое) по верхнему пределу не реализуется вследствие возникновения больших значений перенапряжения кристаллизации чем в электролизере с неперемешиваемым электролитом с плоскопаралллельными электродами. Это обусловлено снижением подвижности ионов в более плотном ДЭС, который возникает при прохождении волны.

Наблюдаемые в эксперименте на регенераторе предлагаемой конструкции значения роста тока осаждения i лежат в пределах 20-50-кратного увеличения. Работоспособность предлагаемой конструкции подтверждается следующими примерами.

П р и м е р 1. Для разбавленного (1:5) сернокислого электролита кадмирования, г/л: CdSO₄˙8/3 H₂O,10; (NH₄)₂SO₄ 50; OС-20 0,2; НФ-6 1 в режиме катодного (i_к=2А/дм², T=300К) выделения в течение t=1ч, на плоскопараллельных электродах удельная масса выделившегося кадмия составляла m= 3 г/дм² поверхности катода, а в регенераторе предлагаемой конструкции m=120 г/дм².

П р и м е р 2. Для разбавленного (1:5) хлористо-аммонийного электролита цинкования г/л: ZnSO₄ 18; NH₄Cl 44; H₃BO₃ 5; ДХТИ 104-15 мл/л при i_к=1,5 А/дм², Т= 300К, время 1 ч и удельная масса выделившегося цинка в известной конструкции m=2,7 г/дм², в предлагаемом регенераторе m=117 г/дм².

Из примеров 1,2 следует, что в регенераторе предлагаемой конструкции в 35-40 раз увеличивается степень извлечения цветного металла из разбавленного электролита.

Для определения мест монтажа электродов расчет проводили следующим образом. По формуле (2) определяли длину волны l_v, затем зная расстояние l_r от отверстия патрубка до стенки перегородки, от которой отражается волна, по формуле (1) рассчитывали кратность g=l_r/l_v и с учетом кратности g выбирали количество и размеры электродов для данной ванны регенератора.

П р и м е р 3. При линейной скорости истечения v=3 м˙с^-1, размерном коэффициенте k= 0,063 м³˙с^-2 получили значение длины волны l_v=7˙ 10^-3 м. С учетом размера l_r=0,6 м значение кратности составляет g=86, то есть имеют 86 пучностей (мест локальных изменений свойств электролита) по длине ванны. Следовательно, имеется возможность установления при плотной без зазора набивке g/2=43 шт. электродов с толщиной, равной l_v. Однако достаточную механическую прочность имеют электроды с толщиной l_э, значительно большей l_v (но кратной g); например толщиной, равной l_э=6l_v=0,042 м (здесь g_i=6). Кратной g должна быть и величина межэлектродного зазора.

Для установления пяти катодов, имеющих форму параллелепипеда (десять поверхностей, параллельных плоскости отражающей стенки), нужно ограничить их размеры по толщине l_э=0,042 м и располагать первый электрод на расстоянии 10˙l_v= 7˙10^-2м от отражающей стенки. Если расстояние между катодами будет 0,07 м, то расстояние l_A поверхности пятого катода от патрубка, рассчитанное по формуле (4), составит 0,06 м.

П р и м е р 4. Для размера l_r=0,99 м, V=3м˙с^-1, k=0,063 м³˙с^-2 и l_v= 7˙10^-3 м значение кратности g=141. Следовательно, при l_э=10 l_v=0,07 м (здесь g_i= 10) можно установить шесть катодов, и расстояние l_Aповерхности шестого катода до патрубка, рассчитанное по формуле (4), составит 0,15 м.

Таким образом, в предлагаемой конструкции возникают качественно новые возможности для извлечения металла из разбавленных растворов.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ, содержащее ванну, размещенные в ней электроды, патрубок подвода раствора сверху и патрубок отвода раствора, установленные на противоположных стенках ванны, и систему управления потоком раствора, отличающееся тем, что оно снабжено горизонтальной перегородкой с отверстиями, закрепленной на расстоянии 0,06 0,15 м от подводящего патрубка, электроды пропущены через отверстия в перегородке, а подводящий патрубок установлен под углом 60^o к стенке ванны.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком уровня электролита, соединенным с системой управления потоком раствора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2