Способ регенерации щелочного аккумуляторного электролита

 

Изобретение относится к прикладной электрохимии, в частности к эксплуатации химических источников тока, и может быть использовано при ремонте щелочных аккумуляторов. Техническим результатом изобретения является разработка экологически чистой, высокопроизводительной и экономически эффективной технологии регенерации щелочного аккумуляторного электролита. Согласно изобретению способ регенерации щелочного аккумуляторного электролита включает последовательные стадии механической фильтрации, разбавления электролита дистиллированной водой, декарбонизации и концентрирования очищенного электролита. Исходный электролит разбавляют до концентрации 30-50 г/л, стадию декарбонизации разбавленного электролита осуществляют путем пропускания его через анионит АВ-17 в OH^--форме, регенерацию которого проводят чистым аккумуляторным электролитом плотностью 1,21-1,25 г/см³ с последующей переработкой регенерата. Стадию концентрирования очищенного аккумуляторного электролита целесообразно проводить путем двухступенчатого электродиализа с получением рассола плотностью 1,17-1,18 г/см³ и дилюата, возвращаемого на предшествующую стадию технологической цепочки. При этом оптимальное соотношение потоков дилюата и рассола (Q_обесс/Q_расс) через электродиализатор на первой стадии концентрирования составляет (4-5): 1, а на второй стадии (2-2,5):1. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области прикладной электрохимии, в частности к эксплуатации химических источников тока, и может быть использовано при ремонте щелочных аккумуляторов. Кроме того, изобретение может быть использовано в химической промышленности при декарбонизации растворов гидроокисей щелочных металлов.

Известен химический способ регенерации щелочного электролита с использованием гидроокиси бария. Гидроокись бария растворяют в горячей воде (80-90^oC) при интенсивном перемешивании, добавляют в электролит, перемешивают, дают отстояться в течение 12-15 часов и осветлившуюся часть осторожно сливают (Аккумуляторные батареи пассажирских вагонов. Руководство по ремонту N 609 ЦЛ-91 РД, М. : МПС, 1991). Недостатком способа является использование дорогостоящей и вредной для здоровья гидроокиси бария. Кроме того, процесс отстаивания электролита продолжителен.

Известен химический способ регенерации щелочного электролита с использованием окиси кальция, в котором электролит сначала разбавляют дистиллированной водой до плотности 1,05-1,1 г/см³ (в 2,5-4 раза), проводят декарбонизацию окисью кальция с последующим осветлением раствора, а затем концентрируют упариванием до плотности 1,21-1,25 г/см³ (Заявка N 95107318 Россия 6МКИ H 01 М 10/54. Способ регенерации щелочного электролита /Квитко Н.П., Кожевников О.В., Низов В.А.). Недостатком способа является длительность процесса осветления раствора и высокие энергозатраты на упаривание раствора щелочного электролита. Данный способ выбираем за прототип.

Таким образом, задачей изобретения является разработка экологически чистой, высокопроизводительной и экономически эффективной технологии регенерации щелочного аккумуляторного электролита.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в отказе от использования дорогостоящих и вредных для здоровья химреагентов, а также в сокращении времени регенерации.

Предлагается способ регенерации щелочного аккумуляторного электролита, включающий, как и прототип, последовательные стадии механической фильтрации, разбавления электролита дистиллированной водой, декарбонизации и концентрирования очищенного электролита. В отличие от прототипа исходный электролит разбавляют в 6- 10 раз, а стадию декарбонизации разбавленного электролита осуществляют путем пропускания его через анионит АВ-17 в ОН^--форме, регенерацию которого проводят чистым аккумуляторным электролитом плотностью 1,21-1,25 г/см³ с последующей переработкой регенерата.

С целью снижения энергозатрат стадию концентрирования очищенного аккумуляторного электролита целесообразно проводить путем двухступенчатого электродиализа с получением рассола плотностью 1,17-1,18 г/см³ и дилюата, возвращаемого на предшествующую стадию технологической цепочки.

При этом оптимальное соотношение потоков дилюата и рассола (Q_обесс/Q_расс) через электродиализатор на первой стадии концентрирования составляет (4-5):1, а на второй стадии (2-2,5):1.

Дистиллированную воду для разбавления исходного электролита можно получать путем электродиализа.

В дальнейшем суть предлагаемого изобретения поясняется описанием технологической схемы (чертеж) и примерами конкретного исполнения способа.

На чертеже представлена технологическая схема процесса регенерации щелочного аккумуляторного электролита. Исходный отработанный электролит из бака 1 через блок механической фильтрации 2 поступает в бак 3, где разбавляется в 6-10 раз дистиллятом, поступающим из блока электрохимической деминерализации воды 4. Диапазон разбавления был определен экспериментально и определялся требованием высокого качества очистки электролита при минимальном разбавлении. Из бака 3 разбавленный электролит подается на установку регенерации 5, заполненную анионитом АВ-17 в ОН^- форме. Карбонат-ионы CO^2-₃ при указанной концентрации электролита вытесняют из смолы ионы OH^-, раствор очищается от карбонатов и поступает в бак очищенного разбавленного электролита 6. Из бака 6 электролит поступает в двухступенчатый электрохимический концентратор 7, состоящий из двух электродиализаторов. Концентратор состоит из двух ступеней, т. к. необходимо получить максимальную концентрацию КОН в рассоле, при минимальной концентрации КОН в дилюате. Это зависит от соотношения скоростей прокачки электролита через камеры обессоливания и концентрирования. Как показали эксперименты, для первой ступени концентрирования оптимальное соотношение потоков дилюата и рассола (Q_обесс/Q_расс) составляет (4-5):1. При этом получается рассол I с концентрацией КОН 120-150 г/л, который подается на вторую ступень концентрирования, и дилюат I с концентрацией КОН 8-10 г/л. Эта концентрация очень мала, поэтому дилюат I возвращается в бак 3 для разбавления исходного электролита. Для второй ступени концентрирования оптимальное соотношение потоков дилюата и рассола (Q_обесс/Q_расс) составляет (2-2,5): 1. При этом получается рассол II с концентрацией КОН 220-240 г/л, поступающий в бак очищенного концентрированного электролита 8, и дилюат II с концентрацией КОН 50-70 г/л. Эта концентрация близка к исходному разбавленному электролиту, поэтому дилюат II возвращается в бак 6. Регенерированный электролит в баке 8 добавлением чистого КОН доводится до плотности 1,21-1,25 г/см³ и заливается в аккумуляторы.

Регенерация анионита в установке регенерации 5 осуществляется концентрированным электролитом из бака 8, при этом получается раствор соды, который можно использовать для технологических нужд, например мытья сильно загрязненных поверхностей. После регенерации анионит промывается дистиллированной водой и вновь готов к использованию.

Предлагаемый способ регенерации щелочного аккумуляторного электролита является безреагентным, в нем используется только дистиллированная вода и не образуется токсичных отходов.

Пример 1. Для декарбонизации электролита использовалась стеклянная колонка диаметром 3,6 см и высотой 80 см. Общий объем колонки 280 см³. Объем, занимаемый смолой, 168 см³. Объем, занимаемый раствором, 112 см³. Емкость колонки по ионам CO^2-₃ 350 мг-экв, или около 10 г. Были сняты кривые сорбции и регенерации колонки при различных концентрациях гидроокиси калия в растворе и постоянной концентрации карбонатов, равной 7 г/л CO^2-₃. Данные сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, очистка электролита от карбонатов возможна только при разбавлении исходного электролита в 6-10 раз. При разбавлении менее чем в 6 раз анионит слабо поглощает ионы CO^2-₃ вследствие высокой активности ионов ОН^-, вытесняющих ионы CO^2-₃ из смолы. При разбавлении более чем в 10 раз качество очистки увеличивается незначительно, но резко возрастает количество разбавленного электролита, а соответственно, и затраты на его концентрирование. В зависимости от разбавления исходного электролита, т.е. от соотношения концентраций ионов ОН^- и CO^2-₃, емкость смолы используется на 45-95%. Содержание карбонатов в очищенном разбавленном электролите 0,2-0,6 г/л.

Пример 2. Очищенный от карбонатов разбавленный электролит концентрировался в многокамерном электродиализаторе. Площадь одной мембраны 70 см². Рабочая плотность тока 9-12 мА/см². Производительность аппарата 350 мл/ч. Исходная концентрация КОН в растворе 30 г/л. Была снята зависимость содержания КОН в концентрате от соотношения потоков дилюата и рассола (Q_обесс/Q_расс). Данные приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, наилучшее соотношение потоков через камеры обессоливания и концентрирования, Q_обесс/Q_расс, составляет (4-5):1. При соотношении менее 4:1 степень концентрирования КОН в рассольной камере резко снижается. При соотношении более 5:1 степень концентрирования КОН в рассольной камере увеличивается незначительно, но возрастает количество дилюата, который подлежит повторной обработке. Максимальная концентрация КОН в рассольных камерах электродиализатора после первого каскада концентрирования составляет 120-150 г/л.

Полученный после первого каскада концентрирования рассол направлялся на второй каскад. Исходная концентрация КОН 140 г/л. Производительность аппарата 120 мл/ч. Рабочая плотность тока 28- 32 мА/см². Была снята зависимость содержания КОН в рассоле от соотношения потоков дилюата и рассола (Q_обесс/Q_расс). Данные приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, наилучшее соотношение потоков через камеры обессоливания и концентрирования, Q_обесс/Q_расс, составляет (2-2,5):1. При соотношении менее 2:1 степень концентрирования КОН в рассольной камере резко снижается. При соотношении более 2,5:1 степень концентрирования КОН в рассольной камере остается на том же уровне, но возрастает количество дилюата, который подлежит повторной обработке. Максимальная концентрация КОН в рассольных камерах электродиализатора после второго каскада концентрирования составляет 220-240 г/л. Концентрация карбонатов в электролите в конечной стадии обработки составляет 1,5-3,5 г/л. Перед заливкой в аккумуляторы регенерированный электролит доводится до плотности 1,21- 1,25 г/см³ путем добавления чистого КОН.

Формула изобретения

1. Способ регенерации щелочного аккумуляторного электролита, включающий последовательные стадии механической фильтрации, разбавления электролита дистиллированной водой, декарбонизации и концентрирования очищенного электролита, отличающийся тем, что перед очисткой исходный электролит разбавляют до концентрации 30 - 50 г/л, а стадию декарбонизации разбавленного электролита осуществляют путем пропускания его через анионит АВ-17 в ОН^--форме, регенерацию которого проводят чистым аккумуляторным электролитом плотностью 1,21 - 1,25 г/см³ с последующей переработкой регенерата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадию концентрирования очищенного аккумуляторного электролита проводят путем двухступенчатого электродиализа с получением рассола плотностью 1,17 - 1,18 г/см³ и дилюата, возвращаемого на предшествующую стадию технологической цепочки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что соотношение потоков дилюата и рассола через электродиализатор на первой стадии концентрирования составляет (4 -5): 1, а на второй стадии (2-2,5): 1.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что дистиллированную воду для разбавления исходного электролита получают путем электродиализа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4