Электролизер для разделения легкоплавких сплавов электролизом в расплаве солей
ELECTROLYSER FOR SEPARATION OF FUSIBLE ALLOYS BY ELECTROLYSIS IN MOLTEN SALTS

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электрохимическим методам выделения металлов из расплава.
Известен электролизер для рафинирования легкоплавких металлов [1 – Пат. России №2450091], содержащий обогреваемые катодную и анодную полости, разделенные вертикальными пористыми диафрагмами пропитанных электролитом, разделенные кольцевыми прокладками с разными углами наклона внутренних стенок с нижними вырезами с образованием капиллярных каналов стока металлов в индивидуальные сборники продуктов.
Недостаток электролизера состоит в необходимости регулярной остановки для разгрузки и загрузки анодной ванны и повторного запуска.
Известен и принятый за прототип [2 - Патент России №2512724] электролизер, содержащий обогреваемые катодную и анодную полости, разделенные вертикальными пористыми вертикальными диафрагмами, пропитанных электролитом, которые в свою очередь разделены прокладками с вырезами с образованием каналов стока металлов в индивидуальные сборники продуктов. Анодная прокладка снабжена центральной перегородкой, а в анодную полость вставлена П-образная перегородка с образованием сифонных окон, а боковая стенка анодной прокладки снабжена наклонным каналом стока анодного сплава.
Недостатком электролизера по прототипу является то, что каналы стока продуктов расположены на открытой поверхности параллельно обогреваемой стенки, что ведет к окислению более активных электроотрицательных металлов и снижает выход готовой продукции.
Цель изобретения - снижение окисления полупродуктов электроотрицательных металлов.
Поставленная цель достигается тем, прокладки между диафрагмами для слива катода и промпродуктов снабжены капиллярными сифонными каналами для стока в сборники, прижимаемыми к корпусу ячейки.
Техический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении окисления активных металлов и тем самым повышении выхода продукта.
На фиг. 1 изображен электролизер в общем виде с разрезом по А-А полости катода.
На фиг. 2 - вид электролизера сверху в разрезе.
На фиг. 3 показан электролизер с разрезом Б-Б по полости катодного полупродукта.
На фиг. 4 показан электролизер с разрезом В-В по полости анодного полупродукта
На фиг. 5 показан электролизер с разрезом Г-Г по полости анода.
Электролизер состоит (фиг. 1, 2) из стенки корпуса 1 ванны из термостойкого электроизоляционного материала, например фторопласта. Герметизирующая фторопластовая прокладка 2 образует со стенкой корпуса 1 и диафрагмой 3 анодную полость 4 для расплавленного исходного сплава. В анодной полости 4 закреплен токоподвод 5 к аноду (из нержавеющей стали).
С противоположной стороны ванны катодная полость 6 (фиг. 2) образована стенкой 1 корпуса, диафрагмой 7 и прикатодной прокладкой 8. Катодная полость 6 и анодная полость 4 разделены диафрагмами 3,7,9 из кварцевой ткани марки КТ-11-с8\3-ТО, которые поочередно разделяются и фиксируются прокладками 2, 8, 10, 11. Диафрагмы выполнены из кварцевой термостойкой ткани марки КТ-11-с8\3-ТО сатинового переплетения, которая выдерживает слой 6 см металла без проницаемости, но обладает пористостью 50-60% для впитывания электролита.
В стенке прикатодной прокладки 8 сделан вырез 12 с капиллярным каналом 13 (фиг 1) для стока катодного металла. Диафрагмы 7,9 (фиг. 2) фиксирует прикатодная прокладка 10 с образованием полости в зазоре между диафрагмами 7,9. В средней части полости в прикатодной прокладке 10 сделан капиллярный канал 14. (фиг. 3) для стока прикатодного промпродукта.
Диафрагмы 3 и 9 (фиг. 2) фиксирует прианодная прокладка 11 с образованием полости в зазоре между диафрагмами 3,9. На боковой стенке в прианодной прокладки 11 сделан вырез 15 с капиллярным каналом 16 (фиг. 4) для стока металла анодного промпродукта.
Анодная прокладка 2 снабжена центральной перегородкой 17 (фиг. 5), а в анодную полость 4 вставлена П-образная перегородка 18. Перегородка 18 в нижней части с анодной прокладкой 2 образует сифонные окна 19. Боковая стенка анодной прокладки 2 снабжена наклонным каналом 20 для стока отработанного металла.
Зазоры между прокладками 2, 8,10,11, диафрагмами 3,7,9 стенками 1 при монтаже уплотнены высокотемпературным герметиком типа ВГО-1.
Под капилляром 13 размещен сборник 21 (рис. 1) для катодного продукта Под капиллярным каналом 14 размещен сборник 22 для промпродукта. Под каналом 16 размещен сборник 23 для анодного промпродукта. Под каналом 20 размещен сборник 24, смещенный от сборника 21.
Стенки 1 корпуса ванны с кольцевыми прокладками 2, 8, 10,11 помещены в термоизолирующий корпус 25 с нагревателем для регулируемого обогрева. Токоподводы анода 5 и катода 26 подключены к источнику постоянного тока. Сборники 21,22,23 установлены на платформе 27, герметично подпружиненно прижимаются ко дну ванны 1.
Электролизер работает следующим образом. Стенки 1 корпуса (фиг. 1, 2) ванны обогреваются в теплоизолирующем корпусе 25 до температуры 220-340 град. В полость анода 4, и полость катода 6, и полости промпродуктов (фиг. 2) заливается расплавленный электролит состава, вес. %: 16-18 хлористого калия, 10-12 хлористого натрия, остальное хлористый цинк, для смачивания капилляров всех диафрагм 3,7,9 из кварцевой ткани.
После разовой пропитки тканей в анодную полость 4 заливается исходный расплавленный легкоплавкий сплав, содержащий олово, свинец, висмут, индий, кадмий, галлий (например, отходы производства термометров, производства термопредохранителей, использующих сплавы Byда) и вставляется анодный токоподвод 5. Включается постоянный ток, и устанавливается сила тока.
Из расплавленного сплава в анодной полости 4 электроотрицательные металлы In, Ga, Cd, Sn ионизируются и диффундируют по электролиту в капиллярах диафрагмы 3 и накапливаются между диафрагмами 3, 9.
Одновременно за счет более высокой концентрации электроположительного свинца также происходит ионизация некоторого количества олова, свинца. Ионы свинца также диффундирует по электролиту в капиллярах диафрагм. За счет изменения напряжения на входе в следующую диафрагму более электроположительные металлы разряжаются у диафрагмы 9 и накапливаются в виде прианодного промпродукта Pb, Sn, In, Cd, Ga. После накопления промпродукта в зазоре до уровня выреза 15 (фиг. 4) расплав сифонится по капиллярному каналу 16 в прокладке 11 в сборник 23 как анодный промпродукт (преимущественно свинец).
Одновременно более электроотрицательные металлы Cd, In, Ga и частично Sn ионизируются и диффундируют через диафрагму 9, разряжаются за счет перепада напряжения у диафрагмы 7 и накапливаются в полости между диафрагмами 9, 7 в виде промпродукта Cd,Sn, In, Ga. По мере накопления более уровня канала 14 промпродукт сливается в сборник 22 (преимущественно олово) (фиг. 3).
В период накопления промпродукта одновременно происходит ионизация электроотрицательных Cd, Ga, In и диффузия их в электролите по капиллярам сквозь диафрагму 7 с осаждением на катоде 26. По мере накопления в катодной полости 6 катодного концентрата Cd до выреза 12 (фиг. 1) сплав сифонится по капиллярному каналу 13 в сборник 21. По мере снижения уровня сплава анодной полости 4 доливают исходный сплав. Периодически ослабляют прижим основания 27 и заменяют сборники 21,22,23,24. Процесс электролиза продолжается до наполнения сборников и снижения уровня в анодной полости.
Анодный сплав обедненный электроотрицательными металлами вытесняется по каналу фиг 5 19, по зазору между перегородкой 17 и 18 по второму каналу 19 и вытекает по стоку 20 в сборник 24 (малоокисляемый висмут с примесью свинца).
Технический результат отличительного признака в том, что полупродукты с активными легкоокисляющимися металлами Sn, In, Ga стекают в сборники по герметичным каналам в герметизированные сборники, что исключает их окисление, повышает выход концентратов со снижением затрат на обслуживание.
Предлагаемый электролизер с вертикальными диафрагмами позволяет исходный многокомпонентный легкоплавкий сплав сложного состава разделять на четыре селективных концентрата без потерь в виде окислов-съемов. Металлы в индивидуальных продуктах сконцентрированы в 2-3 раза в сравнении с исходным составом сплава. Электролизер работает в непрерывном режиме с периодической догрузкой исходного сплава и заменой сборников.
Пример испытания модели электролизера: Предварительно во время прогрева ячейки до температуры 330 град в катодную и анодную полости заливалось по 10 г электролита состава: 17%, хлористого калия, 11% хлористого натрия, остальное - хлористый цинк. Навеску 160 г сплава состава, вес. %: висмут 39,8%; олово 25%; свинец 20%; кадмий 8; индий 6,2%; галлий 1,0; расплавляли и заливали в анодную полость. К токоподводам подведен постоянный ток силой 2 А и напряжением 20 В. Через каждые 6 часов дважды в анодную полость добавили 40 г исходного сплава. Электролиз продолжали еще 20 часов. Получено 19 г катодного продукта, содержащего: 0,1% галлия, 0,3% индия и 99,5% кадмия, с извлечением 98,5%. Прикатодного промпродукта получено 17 г, содержащего: 0,65% свинца; 0,1% кадмия; 13,9% галлия и 83,7% индия, с извлечением 96,2%. Прианодного помпродукта получено 105,5 г, содержащего: 0,47% индия; 0,1% висмута; 44,8% свинца и 54,5% олова, с извлечением 96%. В анодном сплаве весом 98,4 г сконцентрирован висмут до его содержания 95,5%; а содержание олова 2,41%; свинца 0,49%; а содержание индия, галлия менее 0,01%. Всего окислов 0,45%, а в примере аналога 3,3%. Пример показывает, что из сплава легкоплавких отходов получены четыре отдельных селективных сплава, пригодных для припоев.
Литература
1. Патент РФ №2450091 - Электролизер для разделения легкоплавких сплавов на селективные концентраты, МПК C25C 7/04 Опубл 10.05.2012
2. Патент РФ №2512724 - Аппарат непрерывного разделения металлов из отходов сплавов электролизом в расплаве солей, МПК C25 c7/00.