способ очистки электролита и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки электролита, содержащего ионы основного металла с потенциалом выделения f- и m-примесных металлов с потенциалом выделения f(n), где n принимает значения от 1 до m, f(n) меньше m, включающий подачу регенерируемого электролита в проточную и анодную камеры, а раствора кислоты - в катодную камеру, электролиз путем подачи тока на анод и первый катод, отличающийся тем, что регенерируемый электролит дополнительно подают в камеру очистки, а раствор кислоты - в другую катодную камеру, при этом величину тока, подаваемого на анод и первый катод, повышают до начала уменьшения концентрации наиболее электроположительного примесного металла в камере очистки, после чего проводят рабочий цикл, заключающийся в уменьшении достигнутой на аноде и первом катоде величины тока на 0,1 - 50% и ведении электролиза с одновременным переносом осажденного основного металла из камеры очистки в проточную камеру с циркулируемым исходным регенерируемым электролитом и контролем концентрации основного и примесных металлов до начала снижения концентрации примесного металла, причем рабочий цикл повторяют до достижения предварительно заданной величины концентрации основного металла C_min (Me₁), после чего подачу тока переключают на анод и второй катод и величину подаваемого тока повышают до начала выделения газа на втором катоде, затем проводят другой рабочий цикл, заключающийся в уменьшении достигнутой на втором катоде и аноде величины тока на 0,1 - 50% и ведении электролиза с одновременным удалением осажденного на втором катоде примесного металла и контролем концентрации примесного металла и выделения газа, причем другой рабочий цикл повторяют до достижения предварительно заданной величины концентрации наиболее электроотрицательного из примесных металлов C_min(Me₂), после чего электролиз прекращают, а очищенный в камере очистки электролит смешивают с электролитом из проточной и анодной камер.

2. Устройство для очистки электролита, содержащее установленные последовательно анодную камеру с анионообменной мембраной, проточную и катодную камеры, разделенные другой анионообменной мембраной, датчик уровня, установленный в проточной камере, источник постоянного тока, положительная клемма которого соединена с анодом, а отрицательная клемма соединена с катодом соответствующих камер, замкнутую систему входного и выходного трубопроводов с вентилями и циркуляционным насосом, трубопровод для подачи и слива электролита, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной катодной камерой с катионообменной мембраной, камерой очистки с установленными в ней датчиком уровня и датчиками концентрации основного и примесных металлов, первым и вторым транспортерами с замкнутой электропроводной поверхностью, переливными трубами, установленными в анодной и проточной камерах и соединенными с выходным трубопроводом, другим циркуляционным насосом, соединенным с входным и выходным трубопроводами камеры очистки, причем камера очистки с размещенной в ней анодной камерой установлена последовательно с катодной камерой и разделена с проточной камерой сплошной перегородкой, при этом одна из частей замкнутой электропроводной поверхности первого транспортера размещена в камере очистки, а другая часть - в проточной камере, одна из частей замкнутой электропроводной поверхности второго транспортера установлена в дополнительной катодной камере, а другая часть соединена с блоком разгрузки, выводы датчиков концентрации и уровней соединены с соответствующими показывающими приборами, другая отрицательная клемма источника постоянного тока соединена с электропроводной поверхностью второго транспортера, при этом входной и выходной трубопроводы подведены к анодной и проточной камерам непосредственно, а к камере очистки - через входной и выходной вентили, кроме того, замкнутая система входного и выходного трубопроводов подведена к трубопроводу для подачи и слива электролита через другие соответствующие вентили.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано в электролизах, в частности, когда в очищаемом электролите примесные металлы имеют более отрицательный потенциал выделения, чем основной металл.

Известен способ регенерации растворов для медных осадков, включающий подачу регенерируемого раствора и проведение электролиза в трактах диализата и концентрата.

Недостатками этого способа являются сложность и невысокая эффективность регенерации.

Известно устройство - электролизер для рафинирования металлов, состоящий из двух ячеек с диафрагмами и биополярного электрода, выполненного в виде бесконечной ленты.

Недостаток этого устройства - низкая эффективность разделения металлов.

Наиболее близким к предлагаемым способу и устройству является электродиализный способ регенерации металлсодержащих растворов кислот.

Известный способ заключается в подаче регенерируемого раствора в проточную и анодную камеры и проведении электролиза путем подачи тока на анод и катод соответствующих камер.

Устройство для осуществления этого способа содержит установленные последовательно катодную камеру с катионообменной мембраной, проточную и анодную камеры, разделенные анионообменной мембраной, датчики уровня, источник постоянного тока и систему входного и выходного трубопpоводов с вентилями.

Недостатками этого способа регенерации и устройства для его осуществления являются невозможность селективной очистки электролита и низкая производительность устройства.

Сущность предлагаемого способа очистки электролита заключается в подаче регенерируемого электролита в камеру очистки, проточную и анодную камеры, а также в заливе раствора кислоты в катодные камеры, и проведении электролиза путем подачи тока сначала на анод и первый катод с повышением его величины до начала уменьшения концентрации наиболее электроположительного примесного металла, после чего проводят рабочий цикл, заключающийся в уменьшении достигнутой на аноде и первом катоде величины тока на (0,1-50% ) и одновременным переносом осажденного основного металла в проточную камеру при контроле концентрации основного и примесного металлов до начала снижения концентрации примесного металла, причем этот цикл повторяют до достижения заданной величины основного металла C _min(Me1), после чего подачу тока переключают на анод и второй катод и его величину повышают до начала выделения газа на втором катоде, затем проводят дpугой рабочий цикл, заключающийся в уменьшении достигнутой на втором катоде и аноде величины тока на (0,1-50% ) с удалением осажденного на втором катоде примесного металла и контролем концентрации примесного металла и выделения газа, причем цикл повторяют до достижения предварительно заданной величины концентрации наиболее электроотрицательного из примесных металлов C_min(Me2), затем электролиз прекращают, а очищенный электролит смешивают с электролитом из проточной и анодной камер.

Для реализации этого способа в устройство, содержащее установленные последовательно анодную камеру с анионообменной мембраной, проточную и катодную камеры, разделенные анионообменной мембраной, датчик уровня, источник постоянного тока и замкнутую систему входного и выходного трубопроводов с вентилями и насосом, введены дополнительная катодная камера, камера очистки с датчиком уровня и концентрации основного и примесных металлов, первый и второй транспортеры с замкнутой электропроводной поверхностью, переливные трубы, соединенные с выходным трубопроводом и другой циркуляционный насос, соединенный с трубопроводами камеры очистки, причем анодная камера размещена внутри камеры очистки, установленной последовательно с катодной камерой и разделенной с проточной камерой сплошной перегородкой, при этом одна из частей первого транспортера размещена в камере очистки, а другая - в проточной камере, одна из частей второго транспортера размещена в дополнительной катодной камере, а другая часть соединена с блоком разгрузки, клеммы источника постоянного тока соединены с соответствующими анодом и катодами камер, а выводы датчиков уровня и концентрации - с соответствующими показывающими приборами.

Предложенные способ очистки электролита и устройство для его осуществления направлены: на возможность селективной очистки исходного электролита от примесных металлов и получении их в виде готовых продуктов (порошка, фольги и т. д. ); на снижение объемов технологических растворов, содержащих соли металлов и кислот, которые требуют дополнительной переработки, что улучшает экологическую обстановку производства; на снижение аппаратурных затрат и уменьшение габаритов, что упрощает производство и сокращает обслуживающий персонал; на сокращение расхода химических реагентов; на проведение процесса регенерации в непрерывном режиме без остановки технологического процесса; на повышение эффективности очистки электролита; на снижение расхода электроэнергии.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего способ очистки электролита, для случая, когда число примесных металлов m равно 1.

Устройство содержит установленные последовательно катодную камеру 1, камеру 2 очистки, внутри которой размещена анодная камера 3, проточную 4 и катодную 5 камеры. В камере 2 очистки установлены датчики 6 и 7 концентрации основного и примесного металлов, Катод камеры 1 выполнен в виде замкнутой электропроводной поверхности 8 и соединен с соответствующей отрицательной клеммой источника 9 постоянного тока, положительная клемма которого соединена с анодом 10 камеры 3, а другая отрицательная клемма подключена к аноду 11 камеры 5. Замкнутая электропроводная поверхность 12 первого транспортера выполнена в виде биполярного электрода, одна часть которого установлена в камере 2 очистки, а другая - в проточной камере 4. Камеры 1 и 2 разделены катионообменной мембраной 13, а камеры 2, 3 и 4,5 - соответствующими анионообменными мембранами 14. Камеры 2 и 4 разделены сплошной перегородкой 15. Камера 2 очистки через входной 16 и выходной 17 вентили соединена с входным и выходным трубопроводами. Датчики 18 и 19 уровня установлены в камерах 2 и 4 соответственно. Замкнутый трубопровод устройства через вентили 20 и 21 подведен к трубопроводу для подачи и слива электролита. Катодные камеры 1 и 5 снабжены штуцерами 22 и 23 для заполнения раствором кислоты. Насосы 24 и 25 обеспечивают циркуляцию электролита в анодной и проточной камерах 3 и 4 и в камере 2 очистки соответственно. Переливные трубы 26 и 27, установленные в камерах 3 и 4, соединены с замкнутым трубопроводом. Одна из частей замкнутой электропроводной поверхности 8 второго транспортера установлена в камере 1, а другая соединена с блоком 28 разгрузки и скребком 29. Под блоком 28 разгрузки установлен бункер-приемник 30. Датчики 6 и 7 концентрации и датчики 18 и 19 уровня соединены с соответствующими показывающими приборами 31-34. Под транспортерами камер 1, 2 и 4 установлены бункеры 35, 36 и 37.

В основу функционирования предлагаемого способа положен двухстадийный процесс электролиза, первой стадией которого является осаждение основного металла (Ме1), имеющего более электроположительный потенциал выделения f, чем присутствующие в растворе примесные металлы (Меm), из порции регенерируемого электролита с последующим его переносом и электрохимическим растворением в исходном электролите. При этом процесс электрохимического осаждения основного металла ведется таким образом, чтобы не допустить выделения на катоде одновременно с основным металлом и металлов примесей, имеющих потенциалы выделения f больше f_n, где n может быть от 1 до m (m - целое число). Второй стадией является осаждение примесных металлов (Mem) на другом катоде и непрерывное их удаление после осаждения основного металла Ме1 из порции регенерируемого электролита до достижения минимальной заданной концентрации в электролите каждого из примесных металлов C_min (Mem). После очистки от примесных металлов порция регенерированного электролита объединяется с рабочим электролитом, снижая в последнем за счет разбавления концентрацию примесных металлов.

Удаляемые примесные металлы могут быть получены как смесь металлов либо каждый индивидуально в виде металлического порошка или фольги.

Устройство, реализующее этот способ, работает следующим образом.

В катодные камеры 1 и 5 через штуцеры 22 и 23 заливают до уровня штуцеров раствор кислоты с концентрацией 3-50 г/л с одноименным как у исходного электролита анионом, открывают вентили 16 и 20, включают циркуляционный насос 24 и заполняют камеры 2-4 до верхнего уровня, который определяют по показаниям показывающих приборов 33 и 34 с датчиков 18 и 19 уровня. После заполнения камер 2-4 закрывают вентили 16 и 20, включают насос 25, обеспечивающий циркуляцию электролита в камере 2 очистки, и включают движение транспортера с электропроводной поверхностью 12. Подают напряжение от источника 9 тока на анод 10 и катод 11 и, наблюдая за показаниями приборов 31 и 32 датчиков 6 и 7 концентрации основного и примесного металлов, повышают ток. При этом происходит разряд катионов основного металла Ме1 на электропроводной поверхности 12, являющейся в камере 2 очистки катодом. Как только величина тока достигает предельного значения, при котором начинается разряд ионов примесного металла, о чем судят по снижению концентрации примесного металла Ме2, показываемой прибором 32, величину тока снижают (на 0,1-50% ). При снижении тока на величину менее 0,1% уменьшение разряда ионов примесного металла незначительно и металл Ме2 переносится электропроводной поверхностью 12 транспортера, являющейся биполярным электродом, в проточную камеру 4, где вновь растворяется в исходном электролите. При снижении тока на величину более 50% производительность процесса резко падает и при этом значении тока его вести неэффективно. После снижения тока на указанную величину проводят процесс электролиза до следующего начала выделения примесного металла Ме2 и снова снижают рабочий ток на 0,1-50% . Выделяющийся на поверхности 12 основной металл Ме1 переносится в проточную камеру 4, где замкнутая поверхность первого транспортера является анодом, и основной металл растворяется в потоке циркулирующего электролита. Дополнительная катодная камера 5 отделена от проточной камеры 4 анионообменной мембраной (типа МА-40 и др. ), которая препятствует переходу основного и примесного металлов в катодную камеру и электрохимическому выделению их на катоде 11 в процессе электролиза. Катод 11 выполнен из материала, на котоpом перенапряжение выделения водорода минимально (платиновая сетка, платинированный титан и др. ) с целью понижения напряжения при электролизе. По достижении в камере 2 очистки минимальной концентрации основного металла C_min(Me1), которое контролируют по показанию прибора 31, выключают движение первого транспортера с электропроводной поверхностью 12, снимают напряжение с катода 11 и подают напряжение на катод 8 и анод 10, включают привод электропроводной поверхности 8 транспортера и повышают ток на источнике 9 тока до начала выделения газа (водорода) на поверхности 8, которое контролируется визуально, после появления пузырьков газа, что свидетельствует о высокой плотности тока, рабочий ток уменьшают (на 0,1-50% ) и ведут процесс электролиза, контролируя снижение концентрации примесного металла Ме2 по показанию прибора 32, до следующего начала выделения пузырьков газа. Уменьшение рабочего тока на величину менее 0,1% не вызывает заметного снижения газообразования, а при снижении величины тока более чем на 50% производительность процесса резко снижается. Ионы примесного металла Ме2 проникают к катоду 8 через катионообменную мембрану 13 (типа МК-41 и др. ), которая отделяет камеру 2 очистки и катодную камеру 1, осаждаются электрохимически на катоде, выполненном в виде бесконечной токопроводящей поверхности 8 (материал - металл, токопроводящая ткань, токопроводящая резина и др. ), которая непрерывно движется в процессе выделения примесного металла Ме2. В верхней части поверхности 8, находящейся выше уровня электролита в ванне, расположен блок 28 разгрузки, отделяющей осадок примесного металла от поверхности 8 скребком 29 и сбрасывающий его в бункер-приемник 30. Выделяющийся примесный металл Ме2 удаляется из устройства в виде металлической фольги или порошка. По достижении минимальной заданной концентрации примесного металла, определяемой по показанию прибора 32, отключают ток от источника 9 тока, приводов бесконечной поверхности 8, насоса 25, открывают вентили 17 и 21. При этом раствор из камеры 2 очистки объединяется с электролитом, циркулирующим в камерах 3 и 4, и направляется потребителю. По достижении нижнего уровня электролита в камерах 2 и 4, определяемого по показаниям прибоpов 33 и 34 от датчиков уровня (типа ДМ) 18 и 19, выключают циркуляционный насос 24 и закрывают вентили 17 и 21. Осыпавшийся с транспортеров металл собирается в бункерах 35-37 под транспортерами и удаляется по мере накопления. В процессе работы по мере снижения уровня раствора кислоты в катодных камерах 1 и 5 его доливают водой до уровня штуцеров 22 и 23. (56) Заявка Великобритании N 1411293, кл. C 22 B.