АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2006 года по МПК C25B9/06 C25C7/00 

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 и коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе объемно-пористого электродного материала (Маслий А.И., Вайс А.А., Панасенко А.В. Погружной электрохимический модуль. Свидетельство РФ на полезную модель №5184, С 25 В 7/00, 16.10.1997).

Недостатками такого устройства являются невысокая надежность узла подачи раствора. Нижнее расположение крыльчатки насоса при верхнем расположении электродвигателя требует установки длинного вала, соединяющего электродвигатель с крыльчаткой. При масштабировании электролизера с целью увеличения рабочей поверхности катода увеличиваются вертикальные размеры погружного модуля, требующие дополнительного удлинения вала, а 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.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является автономный электрохимический модуль для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, размещенным в верхней части электролизера, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостом, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера и индикатор предельного заполнения катода металлом (Вайс А.А., Маслий А.И., Захаров М.А. Автономный электрохимический модуль. Патент РФ №2172796, кл. С 25 С 7/00, 1/20, 2001).

Недостатками прототипа являются недостаточное перемешивание раствора в межэлектродном пространстве, особенно по вертикали, вызванное верхней подачей раствора. Это затрудняет поступление раствора в нижнюю часть электролизера и приводит к неравномерному заполнению металлом катодной матрицы. Это также накладывает ограничения на вертикальные размеры электролизера и затрудняет его масштабирование. Задача масштабирования не может быть решена увеличением внешнего диаметра электролизера, так как это приводит к резкому росту анодной плотности тока и быстрому разрушению графитовых анодов. Поэтому более доступным путем масштабирования является увеличение вертикальных размеров электролизера. Поскольку площадь внутреннего анода значительно меньше площади объемно-пористого катода, анодная плотность тока уже находится на верхнем пределе начала разрушения графита. Поэтому при работе происходит интенсивное подкисление раствора в прианодной области нижней части электролизера, что в свою очередь приводит к разложению раствора, образованию взвеси, ухудшению чистоты катодного осадка и равномерности заполнения им катодной матрицы. Кроме этого, под электролизером образуется застойная зона раствора, отсутствие перемешивания раствора чревато потерей драгоценного металла или необходимостью дополнительного перемешивания.

Технический результат, получаемый благодаря заявляемому техническому решению, заключается в повышении эффективности работы электролизера при его масштабировании, улучшении распределения концентрации извлекаемого металла в межэлектродном пространстве, равномерности заполнения катодной матрицы и в увеличении конечной массы металла, осаждаемого на одну пористую матрицу.

Получаемый технический результат достигается благодаря тому, что в заявляемом автономном электрохимическом комплексе для обработки растворов, включающем вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, расположенным в верхней части электролизера, 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 токонепроводящим и непроницаемым для раствора вертикальным кожухом, установленным с внешней стороны электролизера, а межэлектродное пространство, образованное внутренним анодом и объемно-пористым катодом, разделено на две части токонепроводящей и непроницаемой для раствора горизонтальной перегородкой и содержит трубки, выполненные из токонепроводящего материала и имеющие отверстия по всей их длине, установленные параллельно внутреннему аноду, при этом в первой части межэлектродного пространства трубки одним концом соединены с узлом прокачки раствора, а другим примыкают к горизонтальной перегородке, во второй части межэлектродного пространства трубки одним концом примыкают к горизонтальной перегородке, а другим к отверстиям в основании сборной камеры.

Предпочтительно, отверстия в трубках направлены в одну сторону по касательной к поверхности внутреннего анода.

Предпочтительно, суммарная площадь отверстий в боковой стенке трубки не превышает внутреннего диаметра трубки.

Предпочтительно, площадь отверстия в основании сборной камеры не меньше площади внутреннего отверстия в трубке.

Предпочтительно, кожух выполнен из токонепроводящего материала.

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 токонепроводящим и непроницаемым для раствора вертикальным кожухом, установленным с внешней стороны цилиндрического проточного электролизера;

- дополнительно электрохимический комплекс снабжен токонепроводящей и непроницаемой для раствора горизонтальной перегородкой, разделяющей на две части межэлектродное пространство, образованное внутренним анодом и катодом;

- дополнительно электрохимический комплекс снабжен трубками, выполненными из токонепроводящего материала с отверстиями по всей их длине, установленные параллельно внутреннему аноду, расположенными в первой и второй части межэлектродных пространств вблизи и параллельно внутреннему аноду;

- в первой части межэлектродного пространства трубки одним концом соединены с узлом прокачки раствора, а другим примыкают к горизонтальной перегородке.

- во второй части межэлектродного пространства трубки одним концом примыкают к горизонтальной перегородке, а другим к отверстиям в основании сборной камеры.

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".

Разделение на две части межэлектродного пространства, образованного внутренним анодом и пористым катодом токонепроводящей и непроницаемой для раствора горизонтальной перегородкой, обеспечивает в два раза большую скорость протока (без увеличения скорости вращения крыльчатки насоса) через пористый катод при сохранении прежних вертикальных размеров электролизера, что позволяет повысить плотность тока и интенсивность процесса электролиза, а при масштабировании электролизера в два раза и соответствующем увеличении в два раза поверхности катода скорость протока через пористый катод не изменяется.

Расположение трубок в первой и второй частях межэлектродного пространства параллельно внутреннему аноду обеспечивает доставку раствора в межэлектродное пространство по всей высоте электролизера, что ослабляет ограничения на вертикальные размеры электролизера и рост катодной поверхности электрода, способствует интенсификации процесса электролиза и улучшению равномерности заполнения пористой матрицы осадком по всей высоте катода.

Благодаря тому, что отверстия в трубках, выполненные по всей их длине, направлены в одну сторону по касательной к внутреннему аноду, проходящий через них раствор придает вращательное движение всему объему раствора в первой и второй частях межэлектродного пространства и, следовательно, увеличивает скорость движения раствора у поверхности катода. Это позволяет повысить плотность тока и скорость извлечения металла.

Примыкание трубок к отверстиям в основании сборной камеры исключает возникновение застойной зоны и обеспечивает обновление раствора под электролизером.

Расположение с внешней стороны электролизера токонепроводящего и непроницаемого для раствора вертикального кожуха обеспечивает смену направления протока раствора через части объемно-пористого катода, находящиеся выше и ниже горизонтальной перегородки, а также интенсивное перемешивание раствора вблизи поверхности внешнего анода.

На фиг.1. 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 - металлизированного синтепона (Вайс А.А., Бек Р.Ю., Маслий А.И. и др. Объемно-пористый электродный материал и электрод на его основе. Патент РФ №2178017 от 10.01.2002), электрод сравнения 6, соединенный со входом потенциостата 7, первый выход 8 которого подключен к электродвигателю 9 узла прокачки раствора, а второй 10 соединен с токоподводящими устройствами 11 и 12, соединенными с внутренним 3 и внешним 4 анодами и катодом 5 предпочтительно с помощью локального токоподводящего кольца 13, сборная камера 14, расположенная в нижней части электролизера, индикатор 15 предельного заполнения объемно-пористого материала катода металлом, токонепроводящий и непроницаемый для раствора вертикальный кожух 16 (например, полиэтиленовая пленка), токонепроводящую и непроницаемую для раствора перегородку 17, токонепроводящие трубки 18, соединенные одним концом с узлом прокачки раствора 2, другим примыкающие к перегородке 17, токонепроводящие трубки 19, одним концом примыкающие к перегородке 17, а другим к отверстиям в основании сборной камеры 14.

Автономный электрохимический комплекс работает следующим образом.

Перед началом работы электрические выводы потенциостата 7 подключаются к соответствующим клеммам электролизера 1. На электролизере устанавливается предпочтительно трехслойный катод из синтепона таким образом, чтобы токонепроводящий слой синтепона, имеющий вертикальные уплотнения, обращен в сторону внутреннего анода 3, а внешний токонепроводящий слой синтепона, имеющий горизонтальные уплотнения, обращен в сторону внешнего анода 4. Внутренний металлизированный слой синтепона соединяется с локальным кольцевым токоподводом 13. Для предотвращения возможного разложения раствора и достижения высокой скорости и высокой степени извлечения металла устанавливается оптимальное значение потенциала в потенциостате 7. Электролизер до определенного уровня погружается в емкость с раствором, который с помощью узла прокачки 2 подается в трубки 18 и через отверстия, расположенные по всей длине трубок 18, равномерно по высоте распределяется в первой части межэлектродного пространства, образованного внутренним анодом 3 и объемно-пористым катодом 5. Из первой части межэлектродного пространства раствор проходит через первую половину объемно-пористого катода 5 и поступает в межэлектродное пространство между объемно-пористым катодом 5 и внешним анодом 4, затем проходит через вторую половину объемно-пористого катода 5 и поступает во вторую часть межэлектродного пространства, образованного внутренним анодом 3 и объемно-пористым катодом 5. Раствор из второй части межэлектродного пространства через отверстия, расположенные по всей длине трубок 19 и отверстия в основании сборной камеры 14, вновь поступает в общий объем перерабатываемого раствора. Раствор, выходящий из отверстий, направленных в сторону по касательной к поверхности анода и расположенных по всей длине трубок 18 (см. фиг.2), а также раствор, входящий в отверстия, направленные в сторону по касательной к поверхности анода и расположенные по всей длине трубок 19, интенсивно перемешивает прианодную область и под действием гидродинамических сил придает вращательное движение объему раствора в межэлектродном пространстве, в результате увеличиваются скорость движения раствора и интенсивность перемешивания у поверхности объемно-пористого катода 5 со стороны вертикальных уплотнений. 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. В процессе постепенного обеднения раствора возрастает падение напряжения на участке электрод сравнения 6 - катод 5. Потенциостат 7 автоматически уменьшает ток электролиза так, чтобы потенциал электрода сравнения 6 не превышал заданного значения. Во время электролиза происходит заполнение металлизированного слоя катода осадком. По мере обеднения раствора осадок металла становится менее плотным и при частичном осыпании задерживается в слоях и уплотнениях неметаллизированного синтепона. При дендритообразовании происходит поглощение осыпавшихся металлических частиц, а рост дендритов и их закрепление происходит не только в направлении анода, но и по ширине неметаллизированного синтепона, что способствует развитию катодной поверхности и увеличивает металлоемкость катодной матрицы.

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 комплекса и проведены его сравнительные испытания с постоянно действующим на электролизном участке издательско-полиграфического предприятия "Советская Сибирь" автономным электрохимическим модулем - прототип. Высота опытного образца и, соответственно, катодная поверхность опытного образца увеличены в сравнении с прототипом в 1,5 раза. Катод прототипа представляет один слой синтепона, металлизированного серебром (видимая поверхность 20 дм², исходный вес 30 г, толщина слоя 1,3 см), соединенного с локальным кольцевым токоподводом. Среднестатистическая масса осадка серебра катода-прототипа составляет 5 кг. Катод заявляемого автономного электрохимического комплекса представляет два слоя неметаллизированного синтепона и один внутренний слой синтепона, металлизированного серебром (видимая поверхность 30 дм², исходный вес 47 г, толщина слоя 1,3 см), соединенного с локальным кольцевым токоподводом. Неметаллизированный слой синтепона, обращенный к внутреннему аноду, имеет вертикальные (через 50 мм) уплотнения, а слой, обращенный к внешнему аноду, - горизонтальные уплотнения (через 50 мм). Осаждение серебра из новых порций фоторастворов вели при средней скорости протока 20 л/мин до прекращения протока раствора через объемно-пористый катод (заполнение катода металлом). После разборки катода наблюдалось более равномерное заполнение пористого катода металлом по всей его высоте и значительно меньше осыпавшегося осадка в сборной камере. После сушки пористой матрицы масса трехслойного синтепона с осадком составила 12 кг 352 г, а после трехчасового обжига при температуре 600-800°С составила 11 кг 933 г.

Таким образом, конструктивные отличия предложенного автономного электрохимического комплекса и их взаимосвязи в сравнении с прототипом позволяют повысить эффективность работы электролизера при его масштабировании, улучшить распределение концентрации извлекаемого металла в межэлектродном пространстве и равномерность заполнения катодной матрицы, повысить качество катодного осадка.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки растворов и может быть использовано для электролитического извлечения металлов или проведения окислительно-восстановительных процессов. Электрохимический комплекс содержит вертикальный цилиндрический проточный электролизер 1 с узлом прокачки раствора 2, расположенным в верхней части электролизера, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала катод 5, внутренний 3 и внешний 4 аноды и электрод сравнения 6, соединенные с потенциостатом 7, сборную камеру 14, размещенную в нижней части электролизера и индикатор предельного заполнения катода металлом 15. Электрохимический комплекс дополнительно снабжен непроницаемым для раствора вертикальным кожухом 16, установленным с внешней стороны электролизера 1, а межэлектродное пространство, образованное внутренним анодом 3 и объемно-пористым катодом 5, разделено на две части токонепроводящей и непроницаемой для раствора горизонтальной перегородкой 17 и содержит трубки 18 и 19, выполненные из токонепроводящего материала и имеющие отверстия по всей их длине, установленные параллельно внутреннему аноду 3. При этом в первой части межэлектродного пространства трубки 18 одним концом соединены с узлом прокачки раствора 2, а другим примыкают к горизонтальной перегородке 17, во второй части межэлектродного пространства трубки 19 одним концом примыкают к горизонтальной перегородке 17, а другим к отверстиям в основании сборной камеры 14. Технический эффект - повышение эффективности работы электролизера при его масштабировании, улучшение распределения концентрации извлекаемого металла в межэлектродном пространстве, равномерность заполнения катодной матрицы и увеличение конечной массы металла, осаждаемого на одну пористую матрицу. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автономный электрохимический комплекс для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с верхним 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 вертикальный цилиндрический проточный электролизер с внешней стороны дополнительно снабжен не проницаемым для раствора вертикальным кожухом, а межэлектродное пространство, образованное внутренним анодом и объемно-пористым катодом, разделено на две части токонепроводящей и не проницаемой для раствора горизонтальной перегородкой и содержит трубки, выполненные из токонепроводящего материала и имеющие отверстия по всей их длине, установленные параллельно внутреннему аноду, при этом в первой части межэлектродного пространства трубки одним концом соединены с узлом прокачки раствора, а другим примыкают к перегородке, во второй части межэлектродного пространства трубки одним концом примыкают к горизонтальной перегородке, а другим к отверстиям в основании сборной камеры.2. Автономный электрохимический комплекс по п.1, отличающийся тем, что отверстия в трубках направлены в одну сторону по касательной к поверхности внутреннего анода.3. Автономный электрохимический комплекс по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь отверстий в боковой стенке трубки не превышает площади внутреннего отверстия в трубке.4. Автономный электрохимический комплекс по п.1, отличающийся тем, что площадь отверстия в основании сборной камеры не меньше площади внутреннего отверстия в трубке.5. Автономный электрохимический комплекс по п.1, отличающийся тем, что вертикальный кожух выполнен из токонепроводящего материала.