АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2001 года по МПК C25C7/00 C25C1/20 

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

Известно устройство для извлечения металлов из растворов, располагающееся непосредственно в ванне с раствором, состоящее из цилиндрического корпуса с входом и выходом и снабженное внешним контуром с насосом для циркуляции раствора, расположенные в корпусе анод и катод подсоединены к источнику постоянного тока (патент США N 4276147, C 25 B 7/00, 30.06.1981).

Недостатками такого устройства являются наличие внешнего насоса и системы трубопроводов с запорной арматурой. Это требует обеспечения герметичности внешних перекачивающих систем, что усложняет их обслуживание и чревато потерей благородных металлов. Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является погружной электрохимический модуль для обработки растворов, содержащий вертикально расположенный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, размещенным в нижней части электролизера с коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе объемно-пористого проточного электродного материала (пористой матрицы), зажатого с двух сторон прижимной сеткой и сетчатым токоподводом, сборную камеру, расположенную в нижней части электролизера и сообщающуюся через каналы с межэлектродным пространством, образованным анодом и катодом, подсоединенными к источнику постоянного тока посредством токоподводов, и индикатором предельного заполнения пористой матрицы катода металлом (свидетельство РФ на полезную модель N 5184, C 25 B 7/00, 16.10.1997).

Недостатками прототипа являются невысокая эффективность работы, характеризуемая количеством металла, осаждаемого на единицу массы пористой матрицы, а также недостаточная надежность в работе, создающая неудобства при обслуживании.

Так, нижнее расположение узла прокачки раствора при верхнем расположении электродвигателя к нему требует установки длинного вала, соединяющего электродвигатель с крыльчаткой. Наличие взвешенных частиц в реальных производственных растворах приводит к износу трущихся частей узла прокачки раствора и возникновению вибрации, что в конечном итоге приводит к поломкам.

Используемая в прототипе пористая матрица катода зажата с двух сторон токонепроводящей сеткой и сетчатым токоподводом, соединенным с источником постоянного тока. Это приводит к тому, что пористая матрица катода находится в зажатом состоянии, что уменьшает ее пористость, блокирует часть ее поверхности. В процессе работы пористая матрица срастается с зажимающей ее сеткой и сетчатым токоподводом. Ее последующее отделение с целью дальнейшей переработки превращается в весьма трудоемкую ручную операцию, чреватую потерями выделяемого металла.

Фронтальная подача раствора, недостаточная пористость и малая глубина проникновения электродного процесса внутрь "зажатой" пористой матрицы катода приводит к быстрому снижению ее проходимости для обрабатываемых растворов и концентрации металла на фронтальной стороне катода, что усиливает дендритообразование и осыпание металла с поверхности катода.

Наиболее крупные дендриты осыпаются и блокируют каналы, соединяющие межэлектродное пространство со сборной камерой. Со временем это приводит к короткому замыканию с анодом. При подъеме погружного электрохимического модуля из раствора скопившийся в основании межэлектродного пространства осадок металла захватывается выходящим раствором и через каналы подачи попадает в слив отработанного раствора, то есть теряется.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в повышении надежности и эффективности работы электрохимического модуля, а также в упрощении его обслуживания.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом автономном электрохимическом модуле для обработки растворов, включающем вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора и коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе объемно-пористого проточного материала (пористой матрицы), токоподводы анода и катода, соединенные с источником постоянного тока, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера и сообщающуюся с межэлектродным пространством, и индикатор предельного заполнения катода металлом, узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим переменное направление циркуляции раствора через пористую матрицу катода, на внешней стороне сборной камеры закреплен проточный объемно-пористый материал катода, дополнительно модуль снабжен электродом сравнения, соединенным со входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй соединен с токопроводящими устройствами электродов, а также внешним анодом, соединенным с внутренним анодом.

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

Индикатор предельного заполнения катода металлом выполнен в виде выталкиваемого поршня, соединенного или с самоблокирующим указателем, или с устройством включения сигнализации, или с устройством регулировки скорости протока раствора, или с устройством выключения модуля.

Проведенный анализ уровня техники, включающей 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:
- узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим периодическую реверсивную циркуляцию раствора через катод;
- сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и на внешней стороне ее закреплен проточный объемно-пористый материал катода;
- дополнительно модуль снабжен электродом сравнения;
- электрод сравнения соединен со входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй - соединен с токопроводящими устройствами электродов;
- дополнительно модуль снабжен внешним анодом, соединенным с внутренним анодом.

Совокупность существенных отличий заявляемого технического решения и взаимосвязь между ними, а также дополнительно введенные элементы заявляемого устройства по сравнению с выбранным прототипом позволяет 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". Компактное расположение узла прокачки раствора в верхней части электролизера упрощает конструкцию электрохимического модуля, способствует сокращению расхода электроэнергии за счет уменьшения нагрузки на электродвигатель, что позволяет без дополнительных затрат увеличить скорость протока раствора и повысить эффективность электролиза.

Периодическая перемена направления подачи раствора через проточный объемно-пористый катод обеспечивает доставку к тыльной и фронтальной сторонам электродного материала более концентрированного раствора, что способствует более равномерному распределению металла по толщине электродного материала и более полному заполнению пористой матрицы осадком металла.

Контроль потенциала, изменяющегося в процессе работы, с помощью электрода сравнения предотвращает возможное разложение раствора и обеспечивает оптимальное регулирование тока электролиза при фронтальном и тыльном направлениях протока раствора через объемно-пористый катод.

Сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и соединена верхним своим концом с катодом, что обеспечивает беспрепятственное поступление в камеру осыпающегося металла, исключает его потери и упрощает обслуживание.

Внешний анод заявляемого технического решения, соединенный с внутренним, служит для достижения максимально возможного количества металла, осаждаемого на единицу массы пористой матрицы.

Предпочтительно в заявляемом техническом решении в качестве катода на основе проточного объемно-пористого материала, использовать металлизированный синтепон (утеплитель объемный -ТУ-075 061-04-66-93), который благодаря высокой электропроводности и прочности исключает необходимость в прижимном проточном токоподводе и прижимной сетке (достаточно иметь локальный кольцевой токоподвод), что значительно упрощает его конструкцию и обслуживание при установке и удалении пористой матрицы с осажденным металлом.

В результате создаются условия эксплуатации электродного материала в свободном, "несжатом" состоянии, благодаря чему устраняются указанные выше недостатки, вызванные частичным экранированием поверхности электродного материала, облегчается распространение целевого процесса на всю толщину проточного объемно-пористого катода, а также увеличивается количество осаждаемого металла на единицу массы пористой матрицы.

Индикатор предельного заполнения катода металлом, выполненный в виде выталкиваемого поршня и соединенный с самоблокирующим указателем или устройством включения сигнализации, или с устройством регулировки скорости протока раствора, или с устройством выключения модуля, прост, надежен и удобен в эксплуатации.

На чертеже схематически изображен автономный электрохимический модуль для обработки растворов, продольный разрез.

Автономный электрохимический модуль для обработки растворов содержит вертикально расположенный цилиндрический проточный электролизер 1, соединенный с узлом прокачки раствора 2, катод 3, выполненный на основе проточного объемно-пористого материала, внутренний анод 4 и внешний анод 5, электрод сравнения 6, соединенный со входом потенциостата 7, первый выход которого 8 подключен к электродвигателю 9 узла прокачки раствора, а второй 10 соединен с токоподводящими устройствами 11 и 12, соединенных с внутренним анодом 4 и катодом 3 предпочтительно с помощью локального токоподводящего кольца 13, сборная камера 14, открытая со стороны межэлектродного пространства. Катод на основе проточного объемно-пористого материала 3 закреплен на внешней стороне электролизера 1 и соединен с локальным токоподводящим кольцом 13 с одной стороны, а с другой стороны закреплен на внешней стороне сборной камеры 14. Модуль содержит также индикатор предельного заполнения объемно-пористого материала катода металлом, выполненного в виде поршня 15 и самоблокирующего указателя предельного заполнения 16.

Автономный электрохимический модуль работает следующим образом.

Перед началом работы для предотвращения возможного разложения раствора и достижения высокой скорости и высокой степени извлечения металла устанавливается оптимальное значение потенциала в потенциостате 7. Автономный электрохимический модуль погружается в емкость с раствором. Электрические выводы потенциостата 7 подключаются к соответствующим клеммам автономного электрохимического модуля. С помощью электродвигателя 9 приводится во вращение крыльчатка 17 и раствор подается в межэлектродное пространство, проходит через объемно-пористый электродный материал 3 и поступает в общий объем раствора. При этом потенциал электрода сравнения 6 поступает на вход потенциостата 7, который регулирует ток электролиза таким образом, чтобы потенциал электрода сравнения 6 не превышал заданного оптимального значения. При прохождении электрического тока на объемно-пористом электродном материале протекают процессы восстановления, например восстановления ионов металла до металла. Через заданное время плавно меняется напряжение питания электродвигателя 9 на противоположное, при этом изменяется направление протока 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 3. Потенциостат 7 уменьшает ток электролиза так, чтобы потенциал электрода сравнения 6 не превышал заданного значения.

Автоматическая регулировка тока электролиза происходит также и в процессе постепенного обеднения раствора. Во время электролиза частицы металла, не закрепившиеся на катоде, осыпаются и беспрепятственно попадают в сборную камеру 14. По мере заполнения металлом пористого катода (при постоянной скорости протока) его гидродинамическое сопротивление растет, а при фронтальной подаче раствора давление в межэлектродном пространстве будет повышаться. Из-за повышения давления происходит выталкивание поршня 15, соединенного с самоблокирующим указателем предельного заполнения 16 пористой матрицы металлом, указывающего на необходимость ее замены. Следует отметить, что поршень 15 может быть соединен с устройствами включения сигнализации, регулировки скорости протока раствора, выключения модуля и т.д.

Для улучшения равномерности работы пористого катода и достижения максимального количества металла, осаждаемого на электродном материале, используется внешний анод 5, соединенный с внутренним анодом 4. При достижении минимального значения тока электролиза, соответствующего заданной минимальной концентрации металла в растворе, потенциостат 7 выдает сигнал об окончании электролиза.

Изготовлен опытный образец автономного электрохимического модуля и проведены его сравнительные испытания с постоянно действующим на электролизном участке издательско-полиграфического предприятия "Советская Сибирь" погружным электрохимическим модулем ПМ-1 - прототип. Процесс извлечения серебра из отработанных фиксажный растворов проводили без разделения электродных пространств. Катод прототипа представляет один слой углеродного войлока типа КНМ (видимая поверхность 20 дм², исходный вес 55 г, толщина 0,4 см), зажатый между токонепроводящей сеткой и цилиндрическим сетчатым токоподводом. Катод заявляемого автономного электрохимического модуля представляет один слой синтепона, металлизированного серебром (видимая поверхность 20 дм², исходный вес 27 г, толщина слоя 1,3 см), соединенного с локальным кольцевым токоподводом. Осаждение серебра из новых порций фоторастворов вели до прекращения протока раствора через объемно-пористый катод (заполнение катода металлом). В прототипе на это указывало появление раствора из специального штуцера. После разборки катодов и сушки пористых матриц масса углеродного войлока типа КНМ, заполненного металлом, составила 1376 г, а масса синтепона с осадком металла 5208 г.

Таким образом, конструктивные отличия предложенного автономного электрохимического модуля и их взаимосвязи в сравнении с прототипом позволяет повысить надежность и эффективность работы модуля, обеспечить рост количества металлического осадка на единицу массы пористой матрицы, а также большую периодичность замены катода и значительное упрощение в его обслуживании.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки растворов и может быть использовано для электролитического извлечения металлов или проведения окислительно-восстановительных процессов. Автономный электрохимический модуль для обработки растворов включает вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе проточного объемно-пористого электродного материала, токоподвод анода и катода, соединенные с источником постоянного тока, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера и сообщающуюся с межэлектродным пространством, и индикатор предельного заполнения катода металлом. При этом узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим периодическую реверсивную циркуляцию раствора через катод, сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и на внешней стороне ее закреплен проточный объемно-пористый материал катода, дополнительно модуль снабжен электродом сравнения, соединенным с входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй соединен с токоподводящими устройствами электродов, и внешним анодом, соединенным с внутренним анодом. Использование данного изобретения позволяет повысить надежность и эффективность работы модуля. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Автономный электрохимический модуль для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе проточного объемно-пористого электродного материала, токоподвод анода и катода, соединенные с источником постоянного тока, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера и сообщающуюся с межэлектродным пространством, и индикатор предельного заполнения катода металлом, отличающийся тем, что узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим периодическую реверсивную циркуляцию раствора через катод, сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и на внешней стороне ее закреплен проточный объемно-пористый материал катода, дополнительно модуль снабжен электродом сравнения, соединенным с входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй соединен с токоподводящими устройствами электродов, и внешним анодом, соединенным с внутренним анодом. 2. Автономный электрохимический модуль по п.1, отличающийся тем, что катод на основе объемно-пористого электродного материала выполнен из металлизированного синтепона и снабжен локальным кольцевым токоподводом, установленным на внешней стороне верхней части электролизера. 3. Автономный электрохимический модуль по п.1, отличающийся тем, что индикатор предельного заполнения катода металлом выполнен в виде выталкиваемого поршня, соединенного или с самоблокирующим указателем, или с устройством включения сигнализации, или с устройством регулировки скорости протока, или с устройством выключения модуля.