Электролизер для выделения металлов

 

Изобретение относится к извлечению металлов из растворов электролизом и может быть использовано в цветной металлургии для электроэкстракции металлов и при очистке и регенерации сточных вод гальванических производств. Сущность: в электролизере для выделения металлов из растворов, содержащем корпус, крышку, неподвижные аноды, расположенные в два ряда, и вращающиеся между ними на общем валу дисковые катоды, токоподводы, корпус электролизера выполнен многосекционным с входным и выходным патрубками с межсекционными перегородками и с находящимися в них переливными патрубками, расположенными на разных высотах, уменьшающихся в направлении выходного патрубка, с расположенными в верхней части корпуса напорными вентиляторами, крышка снабжена соединенными с коллектором патрубками для выхода паровоздушной смеси и люками для загрузки матриц для осаждения металла и выемки матриц с осажденным металлом, выполненными в каждой секции, катоды выполнены сборными, состоящими из секторов, образующих в сборе диск. Сектора сборного катода выполнены трапециевидной формы с накладной ручкой из диэлектрического материала, сектора дисков помещены в радиальные направляющие, с внутренней стороны которых в специальных канавках расположены токоподводящие шины, соединенные через втулку, вал и токоподводы с источником электропитания, а на направляющих, обращенных к раствору, установлено фиксирующее устройство. Технический результат от использования изобретения заключается в повышении производительности электролизера. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к извлечению металлов из растворов электролизом и может быть использовано при очистке и регенерации сточных вод гальванических производств, в цветной металлургии для электроэкстракции металлов.

Известен электролизер для обработки водных растворов (А. С. СССР N 1597344 кл. C 02 F 1/46 опубл. 30.12.86), содержащий корпус с размещенными в нем коаксиальными цилиндрическими электродами, выполненными так, что отношение площадей внешнего (S_внеш) и внутреннего (S_внутр ) электродов удовлетворяет условию Такие электролизеры обеспечивают возможность регулирования кислотности раствора без применения диафрагм. Однако использовать такие электролизеры при извлечении металлов из разбавленных растворов, какими являются сточные воды, нецелесообразно, так при этом будет велико падение напряжения в электролите ΔV_R. Падение напряжения в электролите определяется следующим уравнением (В. Н. Флеров. Сборник задач по прикладной электрохимии. М.: Высшая школа, 1976 г.) где æ_э - удельная электропроводность; l_э - расстояние между электродами; j_пр - проходная плотность тока.

Проходная плотность тока определяется выражением где j_к и j_а - катодная и анодная плотности тока, соответственно и равные отношению тока в электролизере к площади соответствующего электрода.

Применительно к рассматриваемой системе коаксиальных электродов это приводит к увеличению падения напряжения в электролите от 30 до 300 раз и повышенному расходу электроэнергии на электролиз.

Известен аппарат для электрохимического извлечения металлов (патент ФРГ N 2652934, кл C 02 C 5/12), который имеет корпус, вращающийся цилиндрический катод и аноды, расположенные снаружи и внутри катода. Обрабатываемый раствор циркулирует в системе электролизер-насос-емкость-электролизер, а извлекаемый металл оседает на катоде, осыпается на дно и затем удаляется через специальный вывод. Вращение катода позволяет уменьшить диффузионные ограничения процесса выделения металла из сточных вод и позволяет достичь высокой степени очистки.

Недостатком этого аппарата является трудность в снятии катодного металла, если он получается в виде плотного компактного осадка, поэтому процесс выделения металла ведут при плотностях тока значительно выше предельного диффузионного, когда металл осаждается в виде порошка. В этих условиях на катоде протекают другие побочные реакции (как правило, выделение водорода), вследствие чего выход по току понижается, растет расход электроэнергии.

Другим недостатком этого электролизера является то, что выгрузка металла, осыпавшегося на дно, представляет определенные технические трудности, требует дополнительных устройств, например гидроциалонов. Возможна также частичная потеря осыпавшегося металла за счет его реагирования с рабочим раствором.

Кроме того, при электроэкстракции содержание металла в циркулирующем растворе уменьшается и падает выход по току, а непроизводительный расход электроэнергии возрастает.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому является электролизер для выделения металлов из водных растворов, описанный в А.С. СССР N 1675539, кл. C 25 C 7/00, C 25 C 1/18, опубл. 15.04.88. Этот электролизер состоит из корпуса, неподвижных анодов и вращающихся между ними на общем валу дисковых катодов, токоподводов, коллекторов питания, желоба-сборника отработанного электролита и ножей для срезания катодного осадка, закрепленных на крышке электролизера.

Такой электролизер позволяет вести процесс выделения металла с высоким выходом по току, получать равномерные компактные осадки металла. Однако они могут применяться только в случае мягких металлов, таких как, например, свинец, который легко снимается ножом.

Применение такого способа снятия осадка для более твердых металлов, особенно таких как никель, хром практически невозможен.

Другим недостатком электролизеров такого типа является их неприменимость для осаждения металла на основу (матрицу) из того же металла, что и выделяемый, т. к. для снятия осадка требуется разборка практически всего электролизера.

К недостаткам следует отнести и то, что в случае использования таких электролизеров при очистке сточных вод, выход по току для извлекаемого металла будет падать по мере понижения концентрации металла в растворе и приводить соответственно к повышенному расходу электроэнергии и снижению производительности.

Задача, решаемая предлагаемым устройством - усовершенствование электролизера для выделения металлов из растворов, улучшение условий труда, возможность извлечения металлов как из разбавленных, так и концентрированных растворов. Технический результат от использования изобретения заключается в повышении производительности электролизера за счет упрощения и сокращения времени при снятии катодного металла, повышения выхода по току, в улучшении качества катодного металла, возможности использования в качестве катодной матрицы любых проводящих материалов, в том числе основ из того же металла, что и осаждаемый, из углеволокнистых и объемно-пористых материалов и т.п., снижении затрат при изготовлении и эксплуатации электролизеров. Указанный результат достигается тем, что в электролизере, содержащем корпус, крышку, неподвижные аноды, расположенные в два ряда, вращающиеся между ними на общем валу дисковые катоды, токоподводы, корпус электролизера выполнен многосекционным с входными и выходными патрубками, с межсекционными перегородками, содержащими переливные патрубки, расположенные на разных высотах, уменьшающихся в направлении выходного патрубка, в верхней части корпуса расположены напорные вентиляторы, крышка электролизера снабжены соединенными с коллектором патрубками от каждой секции для выхода паровоздушной смеси и люками для загрузки матриц для осаждения металла и выемки матриц с осажденным металлом, выполненными в каждой секции, а катоды выполнены сборными, состоявший из секторов, образующих в сборе диск.

Сектора сборного дискового катода выполнены трапециевидной формы с накладной ручкой из диэлектрического материала, сектора дисков помещены в радиальные направляющие, с внутренней стороны которых в специальных канавках расположены контактные шины, соединенные через втулку, вал и токоподводы с источником электропитания, а на направляющих, обращенных к раствору, установлено устройство для фиксации секторов диска.

На фиг. 1 представлен вид спереди предлагаемого электролизера, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - сборный катод, вид сбоку, на фиг. 4 - вид спереди на фиг. 3, на фиг. 5 - разрез ВВ на фиг. 3. Электролизер содержит корпус 1, с межсекционными перегородками 2, с находящимися в них переливными патрубками 8, расположенными на разных высотах для перетока обрабатываемого раствора, с напорными вентиляторами 4, расположенными в верхней части корпуса, с входным патрубком 5 и выходным патрубком 6, крышку 7, с патрубками 3 для выхода паровоздушной смеси, подсоединенных к коллектору 9, с люками 10 для загрузки и выемки матриц с осажденным металлом. В корпусе в два ряда расположены неподвижные аноды 11, имеющие независимые токоподводы 12. Между анодами расположены вращающиеся на общем валу 13 сборные дисковые катоды 14, ток к которым подводится через токоподводы 15. Вращение вала с дисковыми катодами осуществляется от электродвигателя 16 через вариатор скорости 17 любого известного типа, например фрикционного (Справочник конструктора под ред. Явлинского К.Н., Л.: Машиностроение, 1989, с. 406-408).

Для обеспечения легкости и быстроты удаления осажденного металла из электролизера сборный катод 14 состоит из металлической втулки 18, имеющей форму полукатушки, которая прикреплена на валу 13 любым известным способом, например, с помощью фиксирующих винтов. К торцевой части втулки, имеющей больший диаметр с обеих сторон известным способом, например, винтами прикреплены радиальные направляющие 19, выполненные из диэлектрического материала, в которые помещены сектора 20 сборного катода. С внутренней стороны направляющих в специальном пазу канавках расположены тоноподводящие шины 21, соединенные с втулкой 18 и через которые ток от источника электропитания через токоподводы 15 и вал 13 подается на сектора 20 сборного катода.

На конце направляющих, которые обращены к раствору размещено фиксирующее устройство известного типа, например, выполненное в виде скобы 22 из некоррозирующего материала. С одной стороны скоба прикреплена на оси 23, находящейся в пазу 24, а с другой стороны входит в такой же паз на параллельно расположенной направляющей. Благодаря фиксирующему устройству 22 сектора не выпадают при вращении диска и обеспечен хороший контакт между токоподводящей шиной 21 и сектором 20.

Сектора, из которых образован сборный дисковый катод имеют форму трапеции, что практически полностью исключает образование отходов при их раскрое и изготовлении из прямоугольных листов, в то время как при изготовлении круглых сплошных дисков отходы составляют 25-30%. Количество секторов, исходя из получения максимальной площади покрытия, должно быть не менее четырех, максимальное количество не ограничивается.

Для удобства снятия и постановки торцевые части секторов, обращенные в раствор, имеют ручку в виде закрепленных на секторах ограничительных пластин 25, выполненных из диэлектрических материалов и имеющих форму сегментов с отверстием 26 для удобства захвата. Кроме того, сегменты защищают торцевые части секторов от дендритообразования при осаждении металла за счет краевого эффекта.

Устройство работает следующим образом.

Вначале через люки 10, происходит монтаж секторов сборных дисковых катодов 14 во всех секциях корпуса 1 электролизера, для чего сектора 20 вставляют до упора между направляющими 19 и затем фиксируют скобой 22.

Через патрубок 5 и переливные патрубки 3 заполняют все секции электролизера обрабатываемым раствором. Уровень жидкости в каждой секции определен высотой переливных патрубков 3, уменьшающейся в направлении выходного патрубка 6. Далее включают вентиляторы 4, создающие поток воздуха, обдувающий непогруженные в раствор сектора катода 14, электродвигатель 16 для вращения вала 13 и через токоподводы 12 и 15 подводят ток к анодам 11 и сборным дисковым катодам 14. Сборные дисковые катоды частично погружены в обрабатываемый раствор. Вращение дисковых катодов позволяет создать интенсивное перемешивание раствора, за счет чего облегчается доставка разряжающихся ионов металла к поверхности катода, снимаются диффузионные ограничения процесса, уменьшается катодная поляризация и, следовательно, напряжение на электролизере, снижается расход электроэнергии. При этом процесс переходит в кинетическую область, т. е. контролируется недиффузионными стадиями и исключаются условия образования на катоде порошкообразных осадков. Плотные компактные осадки имеют более высокое качество за счет отсутствия включения в осадок гидроксидов металлов, что происходит при получении на катоде порошкообразных осадков.

При вращении дисковый катод выносит на своей поверхности в пространство между зеркалом раствора и крышкой 7 электролизера обрабатываемый раствор, образующий на поверхности дисковых катодов пленку. Поток воздуха от напорных вентиляторов 4 способствует интенсивному испарению воды из обрабатываемого раствора, за счет чего концентрация разряжающихся ионов металла в обрабатываемом растворе растет, что способствует увеличению допустимого тока на электролизер, уменьшению габаритов оборудования и, следовательно, его производительности, создает условия для повышения выхода по току. После испарения 10-15% объема раствора в первой секции включают непрерывный проток обрабатываемого раствора в количестве, соответствующем проектной производительности. Из выходного патрубка 6 вытекает раствор, содержание металла в котором соответствует требуемой по технологии. Обработанный таким образом раствор в случае очистки сточных вод может быть слит в канализацию, а при электроэкстракции металлов в цветной металлургии направлен в технологический цикл на выщелачивание.

Для снятия катодного металла прекращают подачу раствора в электролизер 1, выключают ток на электролизер, отключают электродвигатель 16, отключают вентилятор 4, открывают люк 10, снимают из пазов 24 фиксирующую скобу 22 с секторов, находящихся напротив люка, и, используя для удобства захвата отверстие 26 ограничительной пластины 25, вынимают поочередно сектора 20 с осажденным на них металлом из всех дисковых катодов во всех секциях, вставляя на их место новые матрицы.

После замены всех секторов электролизер включают в работу как было описано выше. Предлагаемое техническое решение позволяет произвести замену катодов быстро, свести к минимуму простой электролизера и тем самым повысить производительность оборудования.

Паровоздушную смесь вентиляторы 4 через патрубки 8 и коллектор 9 направляют или на выброс в атмосферу или на конденсацию воды любым известным способом, например, с помощью конденсаторов смешения (Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1987, с. 162-167).

Возможна также работа предлагаемого устройства в режиме предварительного накопления, когда включены только вращение вала 13 со сборными дисковыми катодами 14 и вентиляторы 4, а ток на электролиз не включен. При этом происходит испарение воды и увеличение концентрации разряжающихся ионов металлов. Такой режим целесообразно использовать при обработке разбавленных сточных вод.

При обработке сильно концентрированных растворов можно использовать режим, когда включено вращение вала 13 со сборными дисковыми катодами 14 и ток на электролиз, а напорные вентиляторы 4 отключены.

Использование электролизеров предлагаемого типа позволяет повысить производительность оборудования за счет повышения концентрации ионов металла при испарении воды, уменьшения габаритов оборудования, сокращения времени на замену катодов, повышения выхода по току, улучшить качество осаждаемого металла за счет снятия диффузионных ограничений процесса, использовать в качестве матриц любые материалы, в том числе объемно-пористые, изготовленные из того же металла, что и осаждаемый, снизить затраты на изготовление катодов за счет использования трапециевидной формы секторов, снизить затраты на эксплуатацию электролизера.

Формула изобретения

1. Электролизер для выделения металлов из растворов, содержащий корпус, крышку, неподвижные аноды, расположенные в два ряда, и вращающиеся между ними на общем валу дисковые катоды, токоподводы, отличающийся тем, что корпус электролизера выполнен многосекционным с входным и выходным патрубками с межсекционными перегородками с находящимися в них переливными патрубками, расположенными на разных высотах, уменьшающихся в направлении выходного патрубка, с расположенными в верхней части корпуса напорными вентиляторами, крышка снабжена соединенными с коллектором патрубками для выхода паровоздушной смеси и люками для загрузки матриц для осаждения металла и выемки матриц с осажденным металлом, выполненными в каждой секции, катоды выполнены сборными, состоящими из секторов, образующих в сборе диск.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что сектора сборного дискового катода выполнены трапециевидной формы с накладной ручкой из диэлектрического материала, а сектора дисков помещены в радиальные направляющие, с внутренней стороны которых в специальных канавках расположены токоподводящие шины, соединенные через втулку, вал и токоподводы с источником электропитания, а на концах направляющих, обращенных к раствору, установлено фиксирующее устройство.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5