ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ ИХ СОЛЕЙ

Полезная модель относится к электрохимии и предназначена для электрохимического извлечения металлов из растворов их солей. К таким металлам относятся, например, медь, серебро, золото, платиноиды, редкие металлы.
Известны электроды из углеграфитовых материалов, используемые в катодных камерах электролизеров для извлечения металлов, например, благородных, из растворов солей, которые выполнены в виде углеграфитовых пластин (патент RU 2021394 С1, МПК5 С25С 7/00, 15.10.1994) или в виде углеграфитового волокнистого материала, например, графитизированного ватина (патент RU 2248143 С2, МПК7 С25С 7/02, 20.03.2005), а также в виде лент углеграфитового электропроводного волокнистого материала (патент RU 2176441 С2 МПК7 Н01М 4/26, 27.07.2002, патент RU 2255152 С1, МПК7 D01F 11/16, 27/06/2005).
Известен также катод для использования в электролизере для электрохимического извлечения металла из водного раствора, имеющий поверхность осаждения с набором чередующихся гребней и впадин (заявка RU 2005115463 А, МПК7 С25С 1/00, 27.10.2005).
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является углеграфитовый электрод, выполненный в виде волокнистой ленты, размещенной зигзагообразно между стенками корпуса катодной камеры электролизера и токоподводами, используемый для извлечения металлов из растворов их солей (патент RU 2054055 С1, С25С 7/02, 10.02.1986) - прототип.
Недостатком известного технического решения является неудовлетворительная полнота извлечения целевого металла, а также ограниченный срок эксплуатации электрода.
Техническим результатом при использовании заявленной полезной модели является упрощение конструкции и повышение срока эксплуатации в стационарном режиме без разрушения в агрессивных химических средах в одном устройстве с разными электрическими режимами одновременно.
Указанный технический результат достигается тем, что электрод для электрохимического извлечения металлов из растворов их солей выполнен из графитированной углеродной токопроводящей ленты, содержащей участки определенной длины из токонепроводящей химически стойкой ткани; при этом концы углеродной ленты соединены в замкнутое кольцо; упомянутые концы могут быть соединены путем поворота друг относительно друга на 180° с образованием ленты Мебиуса; в качестве токонепроводящей химически стойкой ткани использована полипропиленовая ткань; участки из полипропиленовой ткани соединены с углеродной лентой путем сшивания; торцы углеродной ленты, сшиваемой с полипропиленовой тканью, зафиксированы (склеены) фторопластовой клейкой лентой.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на фиг.1 изображена схема электрода, общий вид;
на фиг.2 изображен фрагмент электрода, иллюстрирующий соединенные участки из углеродной токопроводящей ленты и токонепроводящей ткани;
на фиг.3 изображена схема соединения участков полипропиленовой ткани и углеродной ленты;
на фиг.4 изображен электрод в виде ленты Мебиуса;
на фиг.5 изображена схема установки для электрохимического извлечения металлов из растворов их солей.
Электрод для электрохимического извлечения металлов из растворов их солей (фиг.1, 2) выполнен в виде замкнутого кольца из графитированной
углеродной токопроводящей ленты 1, содержащей участки 2 из токонепроводящей химически стойкой ткани, например, полипропиленовой. Концы углеродной ленты могут быть соединены в кольцо с поворотом соединяемых концов друг относительно друга на 180° с образованием ленты Мебиуса (фиг.4).
Длина участков углеродной ленты L (фиг.1) между участками полипропиленовой ткани обусловлена конструктивными особенностями устройства, электролизера, в котором она используется, а ширина m (фиг.2) обусловлена объемом перерабатываемого исходного раствора солей металлов.
Для фиксации углеродных нитей углеродной ленты 1, ее электроизоляции и более прочного сцепления сшивки торцы ленты заклеены фторопластовой клейкой лентой 3, и соединены с полипропиленовой тканью сшивкой полиэфирными нитями 4 (фиг.3). Расстояние n (фиг.2) между соединяемыми концами графитированной ленты составляет 0,5-1,0 см, которое необходимо и достаточно для прерывания тока на различных участках электрода.
Работа электрода по извлечению металлов из раствора их солей (электроэкстракции) заключается в следующем.
Электрод 1 принудительно протягивают через установку, содержащую электролитические ванны 5, 6, 7, 8 с заданной линейной скоростью при помощи тянущих вальцов 9. Сшивки участков электрода поэтому должны обеспечивать прочность сцепления соединяемых концов, быть гидрофобными и химически стойкими в используемых растворах.
Исходный раствор, содержащий ионы целевого металла, подают электролитическкю ванну 5 (фиг.5), в которой катодом является участок заявленного электрода 1, служащий противоэлектродом стационарного электрода (анода) ванны, выполненного из ленты углеродной графитированной ткани. При пропускании постоянного тока заданной величины в гальваностатическом режиме, значение которого ниже
предельного тока извлекаемого металла в данном растворе, происходит восстановление целевых ионов до металла на катоде и обеднение исходного раствора по ионам этого металла. Далее углеродная графитированная лента 1 с извлеченным металлом поступает в ванну 6, являющуюся промывной с подготовленной проточной водой, а после выхода из ванны 6 электрод подвергают сушке горячим воздухом 10. Для продолжения процесса извлечения металла из раствора углеродную ленту 1 протягивают через электролитическую ванну 7, в которой извлекаемый металл переносится с углеродной ленты 1 на катод данной ванны, а для последующей промывки углеродную ленту протягивают через ванну 8 с подготовленной проточной водой и далее при помощи тянущих вальцов 9 снова поступает в ванну 5 с исходным раствором. Подачу электрического тока на электролитические ванны осуществляют через верхние графитовые вальцы 11 и противоэлектроды 12, которые в электролитических ваннах, кроме конечной, выполнены из углеродного графитированного материала, а в конечной электролитической ванне - из углеродного графитированного материла или из фольги металла, аналогичного извлекаемому металлу. Извлекаемый металл в конечной электролитической ванне накапливается на катодах из углеродной ткани или на пластинах металла, аналогичного извлекаемому металлу, выполненных, например, в виде кассет или рулонов.
В стационарном режиме электролиза обеднение раствора по ионам целевого металла восполняется непрерывной подачей исходного раствора.
При нахождении в растворе ионов разных металлов в первую очередь будут восстанавливаться ионы более положительных металлов. Таким образом, при заданном токовом режиме можно селективно извлекать целевые металлы.
После одной или двух, а при необходимости, и более стадий извлечения целевого металла из раствора солей, данный участок электрода попадает в ванну, в которой, как противоэлектрод, он является анодом. Металл под действием постоянного тока окисляется и переходит с него
(анода) в раствор, а затем восстанавливается на катоде из фольги данного металла или из углеродной ткани.
Накопление металла на катоде может происходить сколь угодно долго, однако количество осаждаемого на заявленном электроде металла должно быть таково, чтобы не происходило его осыпания при прохождении через вращающиеся вальцы и определяется скоростью протяжки через установку при прочих постоянных условиях.
Процесс извлечения металлов из их растворов с помощью заявленного электрода проиллюстрирован примерами.
Пример 1.
Исходный раствор содержит катионы трех металлов: палладия 0,2 г/л, меди 0,5 г/л. Железа 2,0 г/л. Электрод 1 заправляется в установку, содержащую, по меньшей мере, две электролитические ванны. В первую ванну подают ток, плотность которого при электроэкстракции палладия устанавливают ниже предельного значения тока для ионов в данном растворе, исходя из их концентрации. Это позволяет значительно повысить селективность извлечения, но при снижении степени извлечения данного иона до примерно 90%.
После извлечения в первой ванне ионов целевого металла обедненный раствор направляют с прерыванием струи во вторую ванну с более низким значением тока, в которой извлекается еще примерно 90% палладия.
Суммарное извлечение палладия после прохождения электрода через две электролитические ванны составляет около 99%. Таким образом, в растворе остается около 0,002 г/л палладия.
Далее электрод протягивают через конечную электролитическую ванну, в которой палладий электрохимически переносится на накопительный электрод до накопления на нем определенной массы.
Пример 2.
Исходный раствор по примеру 1 подают в установку, увеличенную на две ванны. После экстракции палладия из раствора и последующего его
переноса на накопительный электрод, раствор, содержащий катионы меди и железа, направляют в следующую электролитическую ванну, в которой происходит электрохимическое извлечение 99% меди. Затем электрод протягивают через ванну, в которой медь электрохимически переносится на накопительный электрод (катод).
В отработанном растворе остается около 0,002 г/л палладия, 0,005 г/л меди и исходное количество железа.
Преимуществами заявленного электрода являются:
- простота конструкции и эксплуатации;
- при соединении концов заявленного электрода в кольцо, особенно с поворотом на 180° в виде ленты Мебиуса вокруг продольной оси, вся поверхность электрода работает в одинаковых условиях, износ электрода идет равномерно, и срок эксплуатации его повышается;
- возможность использования на разных участках электрода различных токовых режимов;
- работа электрода в стационарном режиме.