Установка для декарбонизации растворов, содержащих гидроксид щелочного металла

 

Изобретение относится к регенерации электролитов и может быть использовано для удаления карбонатности из отработанного щелочного электролита с одновременным получением водного раствора гидроксида щелочного металла, например калия, высокой степени очистки и сухого поташа. Установка для декарбонизации растворов, содержащих гидроксид щелочного металла, включает электродиализатор, состоящий из анода и катода, подключенных к источнику постоянного тока анодной и катодной камер, разделенных катионитовой мембраной, а также баки католита и анолита, бак-карбонизатор, выпариватель, конденсатор, насосы подачи католита, анолита и подачи карбонизированного раствора, отсечной клапан, а также магистраль подачи углекислого газа. Технический эффект - создание полностью безотходной технологии декарбонизации раствора, содержащего гидроксид щелочного металла. 1 ил.

Изобретение относится к регенерации электролитов и может быть использовано для удаления карбонатности из отработанного щелочного электролита с одновременным получением водного раствора гидроксида щелочного металла, например калия, высокой степени очистки и сухого поташа.

В процессе эксплуатации щелочных аккумуляторов, имеющих негерметичный корпус, электролит в них карбонизируется за счет поглощения углекислого газа из атмосферы. При достижении определенной концентрации карбонатов (от 50 до 90 г/л) дальнейшая эксплуатация аккумуляторов становится невозможной из-за значительного повышения их внутреннего сопротивления и снижения электрической емкости. Отработанный электролит перед сбросом в промышленную канализацию должен быть нейтрализован до значения рН, равного 6,5...8,5, однако на практике это требование не выполняется из-за отсутствия экономичных и экологически чистых методов.

Так, например, в некоторых железнодорожных депо используется метод регенерации электролитов с использованием химических реагентов, заключающийся в проведении химической реакции щелочных карбонизированных растворов с гидроксидами бария (а.с. 34252, МКИ Н 01 М 27/20). Установка для реализации метода включает емкость исходного раствора и емкость-реактор, где происходит подогрев исходного раствора, поступающего на переработку, перед подачей заданного количества гидроксида бария. В результате химической реакции исходного раствора с гидроксидом бария в емкости-реакторе образуются раствор гидроксида калия и карбонатная соль бария, выпадающая в осадок. Полученную смесь пропускают через фильтр, разделяя осадок и чистый водный раствор гидроксида калия.

Данный метод не получил широкого распространения из-за высокой стоимости реактивов, сопоставимой со стоимостью свежей щелочи, и токсичности образующегося в результате химических реакций осадка, требующего дорогостоящих мер по захоронению.

Известны методы получения гидроокисей щелочных металлов электродиализом из отходов производств, например гидрометаллургического. Однако для всех этих методов характерно образование остаточных неутилизируемых продуктов.

Так, известен способ получения гидроокиси лития электродиализом в трехкамерном электродиализаторе, оснащенном катионитовой и анионитовой мембранами [Патент РФ 2071819]. При этом карбонатсодержащие отходы поступают в емкость предварительной ступени, где они растворяются в конденсате. Для интенсификации процесса растворения взвесь перемешивают, подавая воздух через барботер. По окончании процесса растворения, сопровождающегося выпадением осадка, раствор отстаивают и подвергают фильтрации перед подачей в центральную камеру электродиализатора. Анодная камера электродиализатора связана трубопроводами с емкостью, заполненной слабым раствором серной кислоты - анолитом. С помощью насоса этот раствор в процессе электродиализа циркулирует через анодную камеру электродиализатора. Другой раствор - католит, обогащаемый в ходе процесса гидроокисью лития, циркулирует с помощью насоса католита через катодную камеру, связанную трубопроводами с емкостью католита. Очищенный от анионитов раствор, получаемый в центральной камере, направляют снова в емкость предварительной ступени, куда к оставшемуся от предыдущего растворения осадку добавляют новую порцию отходов. Процесс повторяется.

Недостаток описанного способа состоит в том, что в ходе работы электродиализной установки происходит накопление неутилизируемого остатка - фильтрата в емкости предварительной ступени.

Известна установка для декарбонизации по способу декарбонизации вольфраматно-содовых растворов и регенерации гидроксида натрия электролизом (а.с. 1750719), принятая за прототип. Регенерация гидроксида натрия из вольфраматно-содового раствора осуществляется в двухкамерном электродиализаторе, содержащем катод, анод, а также катодную и анодную камеры, разделенные катионитовой мембраной.

Недостатком прототипа является то, что в результате процесса электродиализа в катодной камере происходит накопление концентрированного раствора гидроксида натрия, а в анодной камере образуется раствор, требующий последующей стадии сорбции, т.е. в технологическом процессе также образуются неутилизируемые отходы, требующие утилизации.

Задача настоящего изобретения состоит в реализации полностью безотходной технологии декарбонизации раствора, содержащего гидроксид щелочного металла.

Сущность изобретения состоит в том, что в установке для декарбонизации растворов, содержащих гидроксид щелочного металла, включающей электродиализатор, состоящий из анода и катода, подключенных к источнику постоянного тока, анодной и катодной камер, разделенных катионитовой мембраной, дополнительно введены баки католита и анолита, бак-карбонизатор, выпариватель, конденсатор, насосы подачи католита, анолита и подачи карбонизированного раствора, отсечной клапан, магистраль подачи углекислого газа, при этом выход бака католита сообщен через насос подачи католита со входом катодной камеры электродиализатора, анодная камера которого через насос подачи анолита сообщена с баком анолита, причем выходы катодной и анодной камер сообщены соответственно с первым входом бака католита и входом бака анолита; контур: анодная камера - бак анолита с помощью насоса подачи анолита через отсечной клапан сообщен с первым входом бака-карбонизатора, второй вход которого сообщен с магистралью подачи углекислого газа, а выход с помощью насоса подачи карбонизированного раствора сообщен со входом выпаривателя, один из выходов которого по водяному пару сообщен с конденсатором, выход которого сообщен со вторым входом бака католита, причем второй выход выпаривателя является выходом сухого карбоната щелочного металла.

Работа предложенной установки иллюстрируется на примере получения щелочного электролита для аккумуляторных батарей.

На чертеже изображена предложенная установка, где 1 - электродиализатор, 2 - катод, 3 - анод, 4 - источник постоянного тока, 5 - катодная камера, 6 - анодная камера, 7 - катионитовая мембрана, 8 - бак католита, 9 - бак анолита, 10 - насос подачи католита, 11 - насос подачи анолита, 12 - отсечной клапан, 13 - бак-карбонизатор, 14 - магистраль подачи углекислого газа, 15 - насос подачи карбонизированного раствора, 16 - выпариватель, 17 - конденсатор.

Установка для декарбонизации растворов, содержащих гидроксид щелочного металла, включает в себя электродиализатор 1, состоящий из катода 2 и анода 3, подключенных к источнику постоянного тока 4, а также катодной камеры 5 и анодной камеры 6, разделенных катионитовой мембраной 7. Установка для декарбонизации включает помимо этого бак католита 8 и бак анолита 9. Первый выход бака католита 8 с помощью насоса подачи католита 10 связан со входом катодной камеры 5, выход которой, в свою очередь, связан с первым входом бака католита 8. Выход бака анолита 9 через насос подачи анолита 11 связан со входом анодной камеры 6, выход которой связан со входом бака анолита 9.

Контур: анодная камера 6 - бак анолита 9 через отсечной клапан 12 связан с первым входом бака-карбонизатора 13, второй вход которого сообщен с магистралью подачи углекислого газа 14. Выход бака-карбонизатора 13 с помощью насоса подачи карбонизированного раствора 15 связан со входом выпаривателя 16, один из выходов которого по водяному пару сообщен с конденсатором 17, а другой выход является выходом сухого карбоната щелочного металла. Выход конденсатора 17 сообщен со вторым входом бака католита 8.

Установка для декарбонизации растворов, содержащих гидроксид щелочного металла, работает следующим образом. Бак католита 8, магистраль с насосом подачи католита 10 и катодная камера 5 электродиализатора заполняются слабым раствором гидроксида калия (3...5 г/л). Исходным для переработки раствором - щелочным электролитом с содержанием карбоната калия от 50 до 90 г/л - заливаются бак анолита 9, магистраль с насосом подачи анолита 11 и анодная камера 6.

Цикл регенерации исходного раствора начинается с подачи электропитания от источника постоянного тока 4 к катоду 2 и аноду 3 и включения насосов подачи католита 10 и анолита 11 при закрытом отсечном клапане 12. В процессе электродиализа ионы калия переходят в катодную камеру 5, при этом, соответственно, концентрация гидроксида калия в анодной камере 6 снижается до 20 г/л. Дальнейшее снижение содержания гидроксида в анодной камере 6 нецелесообразно, так как с уменьшением электропроводности анолита повышаются затраты электроэнергии на перенос ионов калия в катодную камеру 5 и, кроме того, увеличивается опасность коррозии анода 3.

В результате цикла регенерации в катодной камере 5 и в баке католита 8 путем добавления из конденсатора 17 дистиллированной воды получают регенерированный, готовый для повторного использования по назначению электролит, а в анодной камере 6 и баке анолита 9 остается анолит в виде водного раствора карбоната калия, содержащего гидроксид калия в количестве 20 г/л.

После прекращения цикла регенерации открывается отсечной клапан 12 и остаточный раствор анолита подают в бак-карбонизатор 13. Барботируя в него углекислый газ, подаваемый по магистрали подачи углекислого газа 14, например, из баллона, превращают остающийся в анолите гидроксид калия в карбонат.

После завершения карбонизации начинается цикл выпаривания. Раствор, содержащий карбонат калия, из бака-карбонизатора 13 насосом подачи карбонизированного раствора 15 подают с постоянным расходом в выпариватель 16, оснащенный, например, электронагревателем (не показан). В процессе выпаривания получается сухой карбонат калия - поташ, представляющий собой полезный продукт, используемый в различных отраслях хозяйства - при производстве стекла, пигментов, в качестве обеззараживающего агента, поглотителя сероводорода при очистке газов и т.д. Образующийся в процессе выпаривания водяной пар поступает в конденсатор 17, охлаждаемый, например, водопроводной водой. Дистиллят используется для приготовления свежего электролита в баке католита 8.

Водный раствор гидроксида калия - щелочной электролит - применяется в аккумуляторных батареях, широко используемых на транспорте, в том числе железнодорожном и городском (подвижной состав метрополитена, трамваи, троллейбусы). На многих промышленных предприятиях, использующих щелочные электролиты на производстве, скапливаются значительные объемы отработанного электролита, который не перерабатывается и не утилизируется по различным причинам, в том числе финансовым. Несанкционированный сброс в промышленную канализацию отработанного электролита приводит к значительному экологическому ущербу. Данное изобретение может найти применение в локомотивных и вагонных железнодорожных депо, депо метрополитена, муниципальных транспортных предприятиях городов, на промышленных предприятиях, использующих щелочные электролиты в производстве, например, кислорода и водорода.

Формула изобретения

Установка для декарбонизации растворов, содержащих гидроксид щелочного металла, включающая электродиализатор, состоящий из анода и катода, подключенных к источнику постоянного тока, анодной и катодной камер, разделенных катионитовой мембраной, отличающаяся тем, что в нее введены баки католита и анолита, бак - карбонизатор, выпариватель, конденсатор, насосы подачи католита, анолита и подачи карбонизированного раствора, отсечной клапан, магистраль подачи углекислого газа, при этом выход бака католита сообщен через насос подачи католита со входом катодной камеры электродиализатора, анодная камера которого через насос подачи анолита сообщена с баком анолита, причем выходы катодной и анодной камер сообщены, соответственно, с первым входом бака католита и входом бака анолита; контур: анодная камера - бак анолита с помощью насоса подачи анолита через отсечной клапан сообщен с первым входом бака - карбонизатора, второй вход которого сообщен с магистралью подачи углекислого газа, а выход с помощью насоса подачи карбонизированного раствора сообщен со входом выпаривателя, один из выходов которого по водяному пару сообщен с конденсатором, выход которого сообщен со вторым входом бака католита, причем второй выход выпаривателя является выходом сухого карбоната щелочного металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1