катод

Формула изобретения

Катод для извлечения металлов из растворов, включающий токоподвод и примыкающий к нему слой электропроводящих частиц, отличающийся тем, что токоподвод выполнен полым и перфорированным, а пространство внутри него отделено от токоподвода растворопроницаемой диафрагмой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано для извлечения металлов из растворов, преимущественно разбавленных, например, из стоков промышленных предприятий, рудничных вод и т.п.

Известно применение компактного катода в виде металлического листа для извлечения металлов из растворов, в частности, для извлечения меди и цинка [1] . Электролизеры с такими катодами обеспечивают приемлемые механико-экономические показатели процесса (вход по току, расход электроэнергии и т.д.) лишь при переработке сравнительно концентрированных растворов (концентрация извлекаемого металла 10-100 г/л). В связи с повышенной плотностью тока на контактных катодах извлечение на них металлов из более разбавленных растворов сопровождается значительной поляризацией, что вызывает протекание на них конкурирующих реакций, главным образом - выделения водорода, с резким уменьшением эффективности процесса и ухудшением качества осадка. Это делает неприемлемым применение компактных катодов для извлечения металлов из разбавленных растворов.

В последнее время для извлечения металлов из производственных растворов и сточных вод с концентрацией металлов до 1 г/л (растворы от выщелачивания руд, стоки металлургических заводов, промывные воды гальванических цехов и т.п.) находят применение объемные катоды в виде плоской кассеты с заполнением из неподвижных углеродных волокон или гранул, через которые просачивается обрабатываемый раствор [2]. Вследствие высокой удельной поверхности частиц слоя при электролизе обеспечивается выделение на них металлов из растворов с концентрацией 10-100 мг/л до остаточной концентрации 0,005-0,7 мг/л с удовлетворительными технико-экономическими показателями (выход по току до 70% и высокая удельная производительность).

В качестве прототипа заявляемого изобретения использована конструкция катода электролизера Крейзы [3]. В соответствии с прототипом катод электролизера представляет собою вертикальный слой частиц и ограниченный ионообменной мембраной со стороны анодов. При этом обрабатываемый раствор просачивается сверху вниз (перпендикулярно линиям электрического поля) через слой катодно-поляризованных электропроводящих частиц. Скорость просачивания раствора с осаждаемых металлов и размеры частиц катода подобраны таким образом, что при однократной обработке растворов первоначальная концентрация металла уменьшается на 2-3 порядка.

Существенным недостатком такого катода является недостаточная эффективность его работы и сложность конструктивного оформления. Это связано с тем, что в связи с изменением состава обрабатываемого раствора по мере его продвижения по высоте катода соответственно должен уменьшаться потенциал катодных частиц, обеспечивающий разряд ионов извлекаемого металла на предельном токе. Однако, в катоде Крейзы все частицы, контактирующие с токоподводом, поляризуются одинаково, и поэтому для достижения градиента потенциала объемного катода по его высоте, соответствующего градиенту концентрации извлекаемого металла по ходу раствора в этом катоде, предложена весьма сложная конфигурация катодной камеры. С другой стороны, использование в электролизере Крейзы достаточно простой в изготовлении катодной камеры прямоугольной формы, не обеспечивающей создание градиента потенциала по ходу раствора в катоде, неизбежно приводит к значительному выделению водорода в конце пути раствора, блокированию частиц катода пузырьками газообразного водорода, что в конечном счете уменьшает выход извлекаемого металла по току.

Цель изобретения - упрощение конструкции катода и повышение эффективности его работы.

Для решения поставленной задачи в катоде для извлечения металлов из растворов, включающем токоподвод и примыкающий к нему слой электропроводящих частиц, токоподвод выполняют полым и перфорированным, а пространство внутри него отделяют от токоподвода растворопроницаемой диафрагмой.

Полая конструкция катодного токоподвода необходима для подачи внутрь него обрабатываемого раствора. Наличие растворопроницаемой диафрагмы обеспечивает равномерное просачивание раствора по всей рабочей поверхности токоподвода. Перфорация стенок токоподвода предусмотрена для организации потока раствора через насадку катода.

Принципиальное отличие заявляемой конструкции от прототипа заключается в том, что она обеспечивает движение раствора вдоль линий электрического поля электролизера. При этом градиент концентрации извлекаемого металла в объеме насадки соответствует градиенту потенциала в ней при прямоугольных очертаниях катодной камеры, что до минимума сводит протекание конкурирующей реакции выделения водорода на частицах катода.

Таким образом, наличие в заявляемом объекте признака, отличительного от прототипа - полая конструкция токоподвода с перфорированными стенками и расположение внутри него растворопроницаемой диафрагмы - обеспечивает решение поставленной задачи.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где схематически изображено устройство катода.

Катод расположен в корпусе электролизера 1, снабженном анодами 2. Собственно катод состоит из перфорированного катодного токоподвода 5 с примыкающими к нему со стороны анода вертикальными слоями гранул 3 электропроводящего материала, например, графитовых. Со стороны анода слои гранул ограничены перфорированным сепаратором 6, обеспечивающим заданную толщину слоя гранул. Внутри токоподвода, непосредственно примыкая к его стенкам, расположена диафрагма из растворопроницаемого материала, например, из фильтроткани типа Бельтинг.

Работает катод следующим образом.

Раствор с извлекаемым металлом подают внутрь диафрагмы токоподвода (а) со скоростью, обеспечивающей некоторое превышение уровня раствора внутри токоподвода по сравнению с уровнем раствора в межэлектродном пространстве (Ч). Под действием созданного таким образом гидравлического напора обрабатываемый раствор просачивается равномерно по всей рабочей поверхности диафрагмы и далее по всему объему насадки катода, обеспечивая одинаковые условия для протекания электрохимических реакций в каждой плоскости, параллельной рабочим поверхностям электродов. Таким образом только в горизонтальном сечении объемного катода создается одинаковый по знаку градиент потенциала и концентрации извлекаемого металла. Просачивание раствора в направлении уменьшения электродного потенциала к аноду, приводит к тому, что во всем объеме катода обеспечиваются условия для электроосаждения извлекаемого металла с наиболее высоким выходом по току: по мере уменьшения концентрации металла в процессе его движения потенциал частиц катода также закономерно уменьшается.

Работоспособность катода предлагаемой конструкции проверена и подтверждена экспериментально; при электроосаждении меди из раствора состава, г/л: медь 1,0; серная кислота 2,5 в условиях: температура 25^oC, скорость просачивания 0,62 л/час, напряжение на ванне 3,2 В.

Выход по току в катоде заявляемой конструкции составил 89,2%, а в катоде по прототипу - 74,4%.