Нерастворимый анод для электроэкстракции металлов из водных растворов

Изобретение относится к технологии извлечения металлов из водных растворов электролитическим методом. Предложенная конструкция нерастворимого анода имеет рабочую часть, выполненную в виде цилиндрических элементов равного диаметра, каждый из которых помещен в пористую оболочку, изготовленную из диафрагменного материала, при этом цилиндрические элементы закреплены на токоподводящей штанге, соединяясь с ней посредством токопроводов, и расположены параллельно друг другу в ряд на расстоянии один от другого не более 1,5 и не менее 1,25 диаметра, обеспечена новая конструкция нерастворимого анода для электроэкстракции металлов из водных растворов, которая снижает удельный расход электроэнергии процесса и создает надежную безопасность работы устройства. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к технологии извлечения металлов из водных растворов электрохимическим методом.

Известно, что процессы электроэкстракции металлов (меди, цинка, никеля, кобальта и др.) из водных растворов, осуществляемые с использованием нерастворимых анодов, сопровождаются выделением газа, образующегося в качестве продукта протекающей на аноде электрохимической реакции (Ю.В.Баймаков, А.И.Жирин. Электролиз в гидрометаллургии. М.: Металлургия: 1977, с.34-35).

Известные пути защиты атмосферы цехов от выделяющихся в процессе электроэкстракции аэрозолей, заключающиеся в укрытии зеркала электролита минеральными маслами, полимерной пленкой, поплавками из различных материалов или пенообразующими ПАВ, например экстрактом мыльного корня (И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов и др. Металлургия меди, никеля и кобальта, т.1, М.: Металлургия, 1977, с.275), неизбежно вызывают затруднение обслуживания электролизных ванн, а в ряде случаев требуют дополнительных устройств, усложняющих конструкции. Кроме того, использование минеральных масел или пенообразующих ПАВ приводит к загрязнению этими веществами электролита, что может отрицательно влиять на показатели процесса электроэкстракции и качество катодного металла.

Другой важной проблемой, характерной для процессов электроэкстракции металлов с использованием плоских нерастворимых анодов из водных растворов, является повышенный расход электроэнергии. Так, например, если для процесса электролитического рафинирования меди удельный расход электроэнергии составляет 200-400 кВт·ч/т, то при получении меди электроэкстракцией из сернокислого водного раствора удельный расход электроэнергии обычно составляет 2000-2500 кВт·ч/т. Повышенный расход электроэнергии в процессах электроэкстракции металлов из водных растворов связан с большим значением перенапряжения при выделении газа на аноде.

Таким образом, представляется целесообразным создание нерастворимого анода, позволяющего предотвратить вышеуказанные отрицательные факторы.

В практике электроэкстракции нашел широкое применение нерастворимый анод, представляющий собой прямоугольную пластину толщиной 5-30 мм с токоподводящей штангой (Ю.В.Баймаков, А.И.Журин. Электролиз в гидрометаллургии. М.: Металлургия, 1977, с.465). При такой конструкции нерастворимого анода образующиеся в ходе электролиза в прианодном пространстве пузырьки газа проходят через слой раствора и выделяются в атмосферу цеха, захватывая с собой мелкие капли раствора (аэрозоли). Поскольку в состав раствора входят вредные компоненты (серная кислота, соединения никеля, хлора и т.п.), то выделение аэрозолей с поверхности электролизной ванны приводит к увеличению содержания вредных веществ в атмосфере цеха и ухудшению условий труда обслуживающегося персонала.

Кроме того, выполнение рабочей части анода в виде прямоугольной пластины обуславливает повышенный удельный расход электроэнергии при электролизе.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция нерастворимого анода, используемого в процессе электроэкстракции металлов из водных растворов, рабочая часть которого помещена в пористую оболочку, изготовленную из диафрагменного материала, при этом нерастворимый анод закреплен на токопроводящей штанге, а рабочая его часть отделена от оболочки распорками.

В такой конструкции электролит вместе с аэрозолями удаляется из-под оболочки через специально предназначенные для этой цели патрубок и систему отвода электролита и аэрозолей для их последующего разделения (патент США №4201635, приоритет Швейцарии от 21.12.77, кл. С 25 В 15/00, С 25 С 7/00, C 25 D 21/00, C 25 F 7/00, опубл. 06.05.80 - прототип).

Недостатками известной конструкции являются следующие:

- использование пористой оболочки создает дополнительное сопротивление электрическому току, что приводит к значительному удельному расходу электроэнергии на электроэкстракцию металла;

- сложность системы отвода и разделения электролита и аэрозолей, которая, хотя и позволяет предотвратить выделение аэрозолей непосредственно над ванной, однако не исключает возможности поломки системы и попадания аэрозолей в атмосферу цеха.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание новой конструкции нерастворимого анода для электроэкстракции металлов из водных растворов, которая снижает удельный расход электроэнергии процесса и создает надежную безопасность работы устройства.

Техническая задача решается в конструкции нерастворимого анода для электроэкстракции металлов из водных растворов, рабочая часть которого помещена в пористую оболочку, изготовленную из диафрагменного материала, и который закреплен на токопроводящей штанге, в котором согласно изобретению рабочая часть нерастворимого анода выполнена в виде совокупности цилиндрических элементов равного диаметра, расположенных в ряд параллельно друг другу, каждый в пористой оболочке, на расстоянии друг от друга не более 1,50 и не менее 1,25 диаметра цилиндрического элемента.

В такой конструкции нерастворимого анода для электроэкстракции металлов из водных растворов при выполнении рабочей части из совокупности цилиндрических элементов для соблюдения требования снижения удельного расхода электроэнергии необходимо, чтобы суммарная рабочая площадь нерастворимого анода из совокупности цилиндрических элементов была, как минимум, не меньше площади плоского нерастворимого анода тех же габаритных размеров. Теоретически равенство площадей нерастворимого анода, выполненного из совокупности цилиндрических электродов, и плоского нерастворимого анода тех же габаритных размеров достигается, если расстояние между параллельно расположенными цилиндрическими элементами равно 1,58 диаметра цилиндрического элемента. Однако из-за неравномерного распределения тока по поверхности каждого цилиндрического элемента при работе нерастворимого анода происходит «вытеснение» анодного процесса на те части поверхности цилиндрических элементов, которые расположены ближе к противоэлектроду, т.е. к катоду: чем меньше расстояние между частью поверхности цилиндрического элемента и катодом, тем выше на этом участке поверхности плотность тока и напряжение. В случае плоского нерастворимого анода все участки его поверхности равноудалены от катода и неравномерность распределения тока по поверхности анода отсутствует.

Указанное обстоятельство приводит к тому, что в том случае, когда площади поверхностей нерастворимого анода, выполненного из совокупности цилиндрических элементов и плоского нерастворимого анода тех же габаритных размеров равны (а это достигается, когда расстояние между цилиндрическими элементами равно 1,58 диаметра цилиндрического элемента), напряжение на электролизной ванне, а следовательно, и удельный расход электроэнергии при использовании нерастворимого анода, выполненного из совокупности цилиндрических элементов, оказывается несколько выше, чем при использовании плоского нерастворимого анода тех же геометрических размеров. Поэтому для соблюдения требования снижения удельного расхода электроэнергии необходимо, чтобы суммарная площадь поверхности нерастворимого анода, выполненного из совокупности цилиндрических элементов, была несколько больше, чем площадь плоского нерастворимого анода тех же габаритных размеров. Это может быть достигнуто за счет уменьшения расстояния между цилиндрическими элементами и соответствующего увеличения их количества. Экспериментально установлено, что, если расстояние между цилиндрическими элементами, каждый из которых помещен в пористую оболочку из диафрагменного материала, не будет превышать 1,50 диаметра цилиндрического элемента, то удельный расход электроэнергии при электролизе с использованием заявляемого нерастворимого анода будет ниже, чем при электролизе с плоским анодом, имеющим одинаковые габаритные размеры.

Для обоснования нижнего предела расстояния между цилиндрическими элементами нерастворимого анода, равного 1,25 диаметра цилиндрического элемента, обратимся опять к неравномерности распределения тока по поверхности цилиндрического элемента. Очевидно, что чем ближе друг к другу расположены два соседних цилиндрических элемента, тем труднее электрическому току проникать к внутренним, более удаленным от катода частям поверхности цилиндрических элементов нерастворимого анода. Поэтому чем ближе друг к другу расположены цилиндрические элементы, тем в большей степени электродный процесс «вытесняется» на внешние участки поверхности. Это приводит к соответствующему увеличению напряжения на электролизной ванне и, следовательно, к росту удельного расхода электроэнергии при электролизе.

Таким образом, уменьшение расстояния между цилиндрическими элементами нерастворимого анода приводит, с одной стороны, к увеличению суммарной площади поверхности цилиндрических элементов, что способствует уменьшению удельного расхода электроэнергии, а с другой стороны, к локализации электродного процесса на внешних участках поверхности цилиндрических элементов, что способствует увеличению удельного расхода электроэнергии при электролизе. Если расстояние между цилиндрическими элементами нерастворимого анода меньше 1,25 диаметра цилиндрического элемента, то преобладает второй из указанных факторов, и удельный расход электроэнергии для нерастворимого анода, выполненного из совокупности цилиндрических элементов, каждый из которых помещен в пористую оболочку, становится больше, чем для плоского нерастворимого анода тех же габаритных размеров.

Кроме того, если расстояние между цилиндрическими элементами нерастворимого анода составляет менее 1,25 диаметра цилиндрического элемента, то при этом наблюдается резкое уменьшение степени улавливания аэрозолей пористыми оболочками, в которых размещены цилиндрические элементы. Это объясняется тем, что уменьшение расстояния между цилиндрическими элементами анода обуславливает необходимость соответствующего уменьшения размеров каждой пористой оболочки. Следовательно, при этом уменьшается пространство между цилиндрическим элементом и пористой оболочкой, в которой происходит газовыделение. Для эффективного улавливания аэрозолей необходимо, чтобы образующиеся при электролизе пузырьки газа не проходили через ту часть пористой оболочки, которая расположена под уровнем раствора. Только в этом случае происходит очистка пузырьков газа от раствора и предотвращение выделения аэрозолей в атмосферу цеха. Если же создаются условия, при которых образующиеся на рабочей части анода пузырьки газа проникают через пористую оболочку под уровнем раствора, то количество аэрозолей, выделяющихся в атмосферу цеха, увеличивается. Вероятность проникновения пузырьков газа через пористую оболочку под уровнем раствора увеличивается при уменьшении расстояния между цилиндрическими элементами нерастворимого анода, т.к. при этом, как уже отмечалось, соответствующим образом уменьшаются размеры анодного пространства и, следовательно, возрастает концентрация газовых пузырьков в анодном пространстве, заключенном между цилиндрическим элементом и пористой оболочкой, и происходит их «выдавливание» в объем электролита.

Таким образом, выполнение рабочей части анода из совокупности цилиндрических элементов, размещение каждого их этих элементов в отдельной пористой оболочке, а также расположение цилиндрических элементов на определенном относительно их диаметра расстоянии один от другого позволяют создать новую конструкцию анода с пониженным удельным расходом электроэнергии процесса и повышенной надежностью безопасности работы устройства благодаря эффективной работе каждой отдельной «ячейки» цилиндрического элемента и оболочки как сепаратора аэрозолей, резко снижающего выделение их в атмосферу цеха.

Сопоставительный анализ заявляемой конструкции и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого устройства по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения «новизна».

Наличие отличительных признаков дает возможность получить положительный эффект, выражающийся в создании новой конструкции нерастворимого анода для электроэкстракции металлов из водных растворов, которая снижает удельный расход электроэнергии процесса и повышает надежную безопасность работы заявляемого устройства.

Поскольку при исследовании объекта изобретения по патентной и научно-технической литературе не выявлено решений, содержащих признаки заявляемого изобретения, отличные от прототипа, следует сделать вывод о том, что заявляемое изобретение соответствует критерию «существенные отличия».

Использование заявляемого изобретения в процессе электроэкстракции металлов из водных растворов обеспечивает ему соответствие критерию «промышленная применимость».

Устройство в соответствии с заявляемым изобретением изображено на чертеже, на котором представлен общий вид нерастворимого анода для электроэкстракции металлов из водных растворов.

Нерастворимый анод для электроэкстракции металлов из водных растворов имеет рабочую часть, выполненную в виде совокупности цилиндрических элементов 1 равного диаметра, помещенных в пористые оболочки 2, изготовленные из диафрагменного материала, при этом цилиндрические элементы 1 закреплены на токопроводящей штанге 3, соединяясь с ней посредством токопроводов 4, при этом цилиндрические элементы расположены параллельно друг другу в ряд на расстоянии один от другого не более 1,5 и не менее 1,25 диаметра.

Материал цилиндрических элементов 1, например стержней, выбирается в зависимости от специфики процесса электролиза, в котором используется нерастворимый анод. Например, для процессов электроэкстракции меди или цинка из сернокислого сульфатного электролита стержни анода изготавливаются из свинца или сплава на его основе, а для электроэкстракции никеля или кобальта - из титана, покрытого оксидами платиновых металлов. Цилиндрические элементы 1 укреплены на токоподводящей штанге 3 известным способом (сваркой, клепкой, болтовыми соединениями и т.п.). Оболочки 2, в каждую из которых помещен цилиндрический элемент 1, выполнены из диафрагменной ткани, например лавсана, при этом каждая оболочка 2 герметично укреплена по периметру верхней части цилиндрического элемента 1. Высота пористой оболочки 2 должна быть на 5-30 см больше высоты погружной части цилиндрического элемента 1, чтобы при работе анода часть цилиндрического элемента 1, помещенного в оболочку 2, была расположена над уровнем электролита.

Устройство работает следующим образом. Нерастворимые аноды завешивают в электролизные ванны. Затем устанавливают катоды, заполняют ванны электролитом, подают токовую нагрузку и проводят процесс электроэкстракции в заданном технологическом режиме. При этом образующиеся на цилиндрических элементах 1 пузырьки газа поднимаются вверх через толщу электролита, не проникая через пористую оболочку 2. Далее пузырьки газа проходят через расположенную над уровнем электролита часть пористой оболочки 2 и при этом происходит их очистка от аэрозолей.

Испытания заявляемого нерастворимого анода проводили на укрупненно-лабораторной электролизной установке на примере электроэкстракции меди из сернокислого сульфатного электролита состава, г/л: 40-45 меди, 160-180 серной кислоты и 18-20 никеля.

Цилиндрические элементы нерастворимого анода изготавливали путем заливки медного токовода диаметром 10 мм свинцом. Диаметр каждого цилиндрического элемента составляет 20 мм, высота погружной части - 1 м. Анод включал шесть цилиндрических элементов, расположенных в ряд параллельно друг другу и жестко укрепленных на общей токоподводящей штанге.

Пористые оболочки, в каждую из которых был помещен цилиндрический элемент, изготавливали из лавсана (арт. 56050). Герметичность крепления пористых оболочек в верхней части цилиндрических элементов обеспечивали при помощи резиновых стяжек.

Электролиз проводили при плотности тока 300 А/м² в течение 100 часов.

В ходе испытания измеряли напряжение на электролизере и выход меди по току. По полученным результатам рассчитывали удельный расход электроэнергии.

Для определения количества выделяющихся при электролизе аэрозолей верхняя часть электролизера герметизировалась и весь образующийся на аноде кислород после прохода его через электролит и через пористую оболочку просасывали через бумажный фильтр. По окончании электролиза фильтр отмывали и определяли количество никеля и серной кислоты в промводах.

Результаты испытаний заявляемого анода и анода по прототипу представлены в таблице 1.

Таблица 1
Показатели	Прототип	Заявляемый объект
Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/т	2200-2300	1900-2000
Количество выделяющихся аэрозолей, %	100	10-20
Металлоемкость (для свинцового анода)	200-300	120-150

Результаты испытаний заявляемого анода при различных расстояниях между цилиндрическими элементами и анода по прототипу представлены в таблице 2.

Таблица 2.
№ п/п	Расстояние между цилиндрическими элементами в единицах диаметра цилиндрического элемента	Количество выделяющихся аэрозолей г/(А·час)·103	Напря-жение В	Удельный расход электроэнергии КВт·ч/т
никель	серная кислота
1	Нерастворимый анод по прототипу (плоский)	2,60	14,1	2,50	2219
2	1,40 (28 мм)	0,14	0,70	2,33	2068
3	1,25 (25 мм)	0,20	1,13	2,41	2139
4	1,50 (30 мм)	0,13	0,62	2,40	2130
5	1,15 (23 мм)	2,32	13,6	2,59	2299
6	1,60 (32 мм)	0,13	0,86	2,60	2308

В тех случаях когда расстояние между цилиндрическими элементами нерастворимого анода составляет не более 1,50 и не менее 1,25 диаметра цилиндрического элемента (примеры 2-4), то наблюдается значительное уменьшение количества выделяющихся в атмосферу аэрозолей, а также уменьшение напряжения и удельного расхода электроэнергии при электролизе по сравнению с анодом по прототипу (пример 1).

В случае когда расстояние между цилиндрическими элементами составляет 1,25 диаметра цилиндрического элемента (пример 3) (нижний предел заявляемого интервала), имеет место некоторое увеличение напряжения на ванне и удельного расхода электроэнергии по сравнению с примером 2, что связано с незначительным вытеснением электрического тока на внешние участки поверхности цилиндрических элементов, которые расположены ближе к аноду.

В случае когда расстояние между цилиндрическими элементами составляет 1,50 диаметра цилиндрического элемента (пример 4) (верхний предел заявляемого интервала), напряжение на ванне и удельный расход электроэнергии также несколько выше, чем в примере 2, что связано с уменьшением суммарной поверхности нерастворимого анода.

Однако во всех случаях, когда расстояние между цилиндрическими элементами нерастворимого анода лежит в заявляемом интервале, напряжение на ванне и удельный расход электроэнергии при электролизе меньше, чем при электролизе с плоским нерастворимым анодом по прототипу.

В случае когда расстояние между цилиндрическими элементами составляет менее 1,25 диаметра цилиндрического элемента (пример 5), наблюдается резкое увеличение количества выделяющихся в атмосферу аэрозолей. Это объясняется тем, что в пространстве между пористой оболочкой и цилиндрическим элементом увеличивается концентрация газовых пузырьков и происходит их выдавливание в объем электролита. Соответственно значительная часть газовых пузырьков не проходит через пористую оболочку, расположенную над уровнем электролита, и степень улавливания аэрозолей резко уменьшается. Кроме того, если расстояние между цилиндрическими элементами составляет менее 1,25 диаметра цилиндрического элемента (пример 5), увеличивается напряжение на ванне и растет удельный расход электроэнергии. Это обусловлено тем, что при сближении цилиндрических элементов электрический ток концентрируется на внешних участках поверхностей цилиндрических элементов нерастворимого анода, расположенных ближе к катоду.

В случае когда расстояние между цилиндрическими элементами нерастворимого анода составляет более 1,50 диаметра цилиндрического элемента (пример 6), также имеет место увеличение напряжения на ванне и возрастание удельного расхода электроэнергии. Это связано с уменьшением суммарной электродной поверхности цилиндрических элементов и с неравномерностью распределения электрического тока по поверхности каждого цилиндрического элемента.

Во всех случаях, когда расстояние между цилиндрическими элементами нерастворимого анода составляет менее 1,25 или более 1,50 диаметра цилиндрического элемента, преимущества заявляемого нерастворимого анода по сравнению с анодом по прототипу теряются.

Таким образом, по сравнению с прототипом использование заявляемого устройства позволяет снизить удельный расход электроэнергии на 10-20%, снизить количество выделяющихся аэрозолей в 5-10 раз, обеспечивая надежную безопасность работы.

Нерастворимый анод для электроэкстракции металлов из водных растворов, имеющий рабочую часть и закрепленный на токопроводящей штанге, отличающийся тем, что рабочая часть нерастворимого анода выполнена в виде цилиндрических элементов равного диаметра, каждый из которых помещен в пористую оболочку, расположенных в ряд параллельно друг другу на расстоянии друг от друга не более 1,50 и не менее 1,25 диаметра цилиндрического элемента.