Автономный электрохимический комплекс

 

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки растворов и может быть использовано для электролитического извлечения металлов или проведения окислительно-восстановительных процессов. Технический результат изобретения заключается в повышении удобства в эксплуатации и эффективности работы автономного электрохимического комплекса. Он достигается тем, что автономный электрохимический комплекс для обработки растворов включает вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера, и индикатор предельного заполнения катода металлом, он дополнительно снабжен термодатчиком и индикаторным микроэлектродом, расположенными вблизи электрода сравнения в межэлектродном пространстве и соединенными с блоком питания и контроля. Предпочтительно индикаторный микроэлектрод выполнен в виде графитового круглого стержня, изолированного по бокам эпоксидной смолой.1 з.п. ф-лы,3 ил.,1 табл.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки растворов и может быть использовано для электролитического извлечения металлов или проведения окислительно-восстановительных процессов.

Известен погружной электрохимический модуль для обработки растворов, содержащий вертикально расположенный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, коаксиально расположенные анод и катод, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала (пористой матрицы) [1].

Недостатками такого устройства являются невысокая эффективность работы, характеризуемая количеством металла, осаждаемого на единицу массы пористой матрицы, отсутствием контроля потенциала катода, что приводит к разложению раствора и преждевременной забивке пористой матрицы.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является автономный электрохимический модуль для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера, и индикатор предельного заполнения катода металлом [2].

Недостатки прототипа следующие. Значения оптимального потенциала, при которых достигается высокая скорость и степень извлечения металла, могут отличаться для разного типа растворов (см. фиг.1 - характерные формы катодных поляризационных кривых отработанных фиксажных растворов). В прототипе оптимальный потенциал устанавливается оператором вручную по результатам предварительного анализа характеристик подлежащего обработке раствора. В процессе электролиза состав обрабатываемого раствора изменяется, соответственно изменяется и величина (значение) оптимального потенциала. Причем не всегда удается прогнозировать знак и величину смещения потенциала. Если электролиз проводят при одном значении оптимального потенциала, то снижается эффективность электрохимического модуля и может произойти разложение раствора и преждевременная забивка пористой матрицы. Если при электролизе периодически корректируют значение оптимального потенциала, то удорожается эксплуатация оборудования из-за постоянного дежурства оператора и наличия определенного набора контрольной аппаратуры. Кроме этого, в прототипе сигналом для окончания обработки раствора является минимальное значение тока электролиза, экспериментально определенное для данного типа раствора и пропорциональное заданной минимальной концентрации металла в растворе. Ток электролиза существенно зависит от состава раствора, величины оптимального потенциала и от температуры раствора. При равной остаточной концентрации металла в разных по составу растворах ток электролиза может отличаться в два и более раза, поэтому ошибка по остаточной концентрации может быть значительной, что приводит к потере благородного металла. Все это в целом существенно снижает удобство эксплуатации и эффективность работы автономного электрохимического модуля.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в повышении эффективности работы электрохимического комплекса и повышении удобства в эксплуатации.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом автономном электрохимическом комплексе для обработки растворов, включающем вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала, катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера, и индикатор предельного заполнения катода металлом, дополнительно снабжен термодатчиком и индикаторным микроэлектродом, расположенными в межэлектродном пространстве у электрода сравнения и соединенными с блоком питания и контроля.

Предпочтительно индикаторный микроэлектрод выполнен в виде графитового круглого стержня, изолированного по бокам эпоксидной смолой.

Катод автономного электрохимического модуля предпочтительно выполнен из металлизированного синтепона и снабжен локальным кольцевым токоподводом, установленным на внешней стороне верхней части электролизера.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемому, не обнаружены.

Заявляемое техническое решение по отношению к прототипу обладает следующими существенными отличительными признаками:

- дополнительно электрохимический комплекс снабжен индикаторным микроэлектродом;

- дополнительно электрохимический комплекс снабжен термодатчиком;

- индикаторный микроэлектрод и термодатчик расположены в межэлектродном пространстве вблизи электрода сравнения;

- индикаторный микроэлектрод и термодатчик соединены с блоком питания и контроля.

Совокупность существенных отличий заявляемого технического решения и взаимосвязь между ними, а также дополнительно введенные элементы заявляемого устройства по сравнению с выбранным прототипом позволяют решить поставленную задачу и сделать вывод о соответствии данного технического решения критерию “новизна” по действующему законодательству.

Сведений об известности отличительных признаков заявляемого технического решения в совокупностях признаков известных технических решений с достижением тех же результатов, как у заявляемого, не найдено. На основании этого сделан вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Определение с помощью индикаторного микроэлектрода оптимального потенциала, изменяющегося в процессе электролиза, и его автоматическая установка значительно повышают надежность предотвращения разложения электролита, удобство в эксплуатации и эффективность работы оборудования, что обеспечивает наибольший выход по току и оптимальное регулирование тока электролиза.

Автоматическое измерение концентрации металла в растворе позволяет вести входной контроль на содержание металла в растворе и прогнозировать продолжительность электролиза, что значительно повышает удобство в эксплуатации.

Автоматическое измерение концентрации металла в растворе в процессе электролиза позволяет оценить эффективность работы и оставшееся время до окончания электролиза.

Автоматическое измерение концентрации металла в растворе на конечном этапе электролиза позволяет выдать достоверный сигнал об окончании работы при достижении заданной минимальной концентрации металла в растворе, что исключает потери драгоценного металла.

Автоматическое измерение температуры обрабатываемого раствора позволяет повысить точность измерения оптимального потенциала и определения концентрации металла в растворе.

На фиг.2. схематически изображен автономный электрохимический комплекс для обработки растворов (продольный разрез погружного модуля).

Автономный электрохимический комплекс для обработки растворов содержит вертикально расположенный цилиндрический проточный электролизер 1, соединенный с узлом прокачки раствора 2, внутренний анод 3 (например, графит), внешний анод 4 (например, платинированный титан), катод 5, выполненный на основе объемно-пористого материала (например, металлизированного синтепона) [3], электрод сравнения 6, соединенный с первым 7 входом блока питания и контроля 8, первый выход 9 которого подключен к электродвигателю 10 узла прокачки раствора, а второй 11 соединен с токоподводящими устройствами 12 и 13, соединенными с внутренним 3 и внешним 4 анодами и катодом 5 предпочтительно с помощью локального токоподводящего кольца 14, сборная камера 15, расположенная в нижней части электролизера, индикатор 16 предельного заполнения объемно-пористого материала катода металлом, термодатчик 17 и индикаторный микроэлектрод 18, соединенные соответственно со вторым 19 входом и третьим 20 выходом блока питания и контроля 8.

Автономный электрохимический комплекс работает следующим образом.

Перед началом работы электрические выводы блока питания и контроля 8 подключаются к соответствующим клеммам электролизера. Электролизер до определенного уровня погружается в емкость с раствором, который подается с помощью крыльчатки в межэлектродное пространство, проходит через объемно-пористый катод 5 и вновь поступает в общий объем раствора.

Перед началом электролиза измеряется температура раствора и определяется оптимальный катодный потенциал, при котором выделение металла не сопровождается интенсивным протеканием параллельных процессов. Для этого между индикаторным электродом 18 и катодом 5 относительно электрода сравнения 6 прикладывается линейно изменяющееся напряжение, т.е. микроэлектрод 18 поляризуют заданным линейно изменяющимся потенциалом. Блок питания и контроля 8 фиксирует катодную поляризационную кривую (см. фиг.1 - катодная поляризационная кривая фиксажных растворов). По предварительно разработанной программе вычислений в зоне потенциалов, например, от -0.2 В до -0.7 В по пику восстановления на микроэлектроде определяемого металла, например серебра, измеряется концентрация его в растворе, а, например, по началу возрастания тока (после пика серебра) определяется оптимальный катодный потенциал (см. фиг.1). Этот потенциал запоминается и автоматически устанавливается в качестве опорного в блоке питания и контроля 8, который регулирует ток электролиза таким образом, чтобы потенциал электрода сравнения 6, поступающий на первый вход блока питания и контроля 8, не превышал заданного оптимального потенциала. В процессе электролиза электрическая цепь индикаторного микроэлектрода 18 разрывается, а на объемно-пористом электродном материале катоде 5 протекают процессы восстановления, например восстановления ионов металла до металла. Через заданный промежуток времени плавно меняется напряжение питания электродвигателя 10 на противоположное, при этом изменяется направление потока раствора через электродный материал. В этом случае раствор поступает в межэлектродное пространство через объемно-пористый электродный материал и его концентрация по ионам металла ниже, чем на входе, вследствие чего возрастает падение напряжения на участке электрод сравнения 6 - электродный материал 5. Блок питания и контроля 8 регулирует ток электролиза так, чтобы потенциал электрода сравнения 6 не превышал заданного значения. По заданной программе происходит обновление поверхности микроэлектрода 17, например, путем растворения осадка на микроэлектроде 18 заданным током. Окончание анодного растворения осадка на микроэлектроде 18 фиксируется, например, по скачку его потенциала относительно электрода сравнения 6. После этого микроэлектрод 18 вновь поляризуют линейно изменяющимся потенциалом для измерения оптимального катодного потенциала и определения концентрации металла в растворе. После каждого цикла измерения концентрации и оптимального потенциала выдается прогноз времени до окончания работы и регулируется частота измерений концентрации и оптимального катодного потенциала. Когда измеренная остаточная концентрация достигнет минимально заданной величины, блок питания и контроля 8 выдает сигнал об окончании работы.

Изготовлен опытный образец автономного электрохимического комплекса и проведены его испытания на электролизном участке издательско-полиграфического предприятия "Советская Сибирь". Катод автономного электрохимического комплекса представляет один слой синтепона, металлизированного серебром (видимая поверхность 20 дм², исходный вес 30 г, толщина слоя 1,3 см), соединенного с локальным кольцевым токоподводом. Осаждение серебра вели из 40 литров фиксажно-отбеливающего раствора, более сложного для электрохимической обработки в сравнение с растворами 1 и 2 (см. фиг.1). Периодически по времени, совпадающему с измерениями концентрации металла и определением оптимального потенциала U_o, отбирали пробы и контролировали концентрацию серебра в растворе по методу атомной абсорбции и химическим методом. Одновременно в этих же пробах раствора с помощью полярографа РА-2 регистрировались катодные поляризационные кривые на механически обновляемом графитовом электроде.

Изменения формы катодных поляризационных кривых в процессе электролиза отработанного фиксажно-отбеливающего раствора приведены на фиг.3.

Результаты определения концентраций серебра и значений оптимальных потенциалов в процессе электролиза отработанного фиксажно-отбеливающего раствора на автономном электрохимическом комплексе приведены в таблице.

Из таблицы видно, что результаты определения серебра всеми методами равнозначны между собой. Значения оптимального потенциала, автоматически устанавливаемые в процессе электролиза, равнозначны значениям оптимальных потенциалов, найденных из катодных поляризационных кривых (см. фиг.3). В заявляемом автономном комплексе сигнал об окончании работы появился при достижении измеренной концентрации, равной минимально заданной концентрации 0,01 г/л.

Таким образом, конструктивные отличия предложенного автономного электрохимического комплекса и их взаимосвязи в сравнении с прототипом позволяют значительно повысить удобство в эксплуатации и эффективность работы электрохимического комплекса.

Источники информации

1. Св. РФ на полезную модель N 5184, кл. С 25 В 7/00, 1997.

2. Патент РФ N 2172796, кл. С 25 С 7/00, 1/20, 2001.

3. Патент РФ N 2178017,кл. C 25 С 7/02, 2001.

Формула изобретения

1. Автономный электрохимический комплекс для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера, и индикатор предельного заполнения катода металлом, отличающийся тем, что электрохимический комплекс дополнительно снабжен термодатчиком и индикаторным микроэлектродом, расположенными в межэлектродном пространстве у электрода сравнения и соединенными с блоком питания и контроля.

2. Автономный электрохимический комплекс по п.1, отличающийся тем, что индикаторный микроэлектрод выполнен в виде графитового круглого стержня, изолированного по бокам эпоксидной смолой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3