АНОДНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОВЫДЕЛЕНИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Полезная модель относится к конструкциям диафрагменных ячеек для электролитического извлечения никеля из водных растворов, в частности к анодной ячейке.
Как известно электролиз широко используется в качестве одной из стадий процесса получения металлов (Ю.В. Баймаков, А.И. Журин. "Электролиз в гидрометаллургии". Гос. науч.-техн. изд. лит-ры по черной и цветной металлургии, М., 1963, стр. 136-142, 316-327, 362-363). Процесс электролиза обычно протекает в ванне, в которой находятся электролит, положительные электроды, то есть аноды, и отрицательные электроды, то есть катоды. Например, в случае извлечения никеля анодами обычно служат отлитые из свинца плиты или другие так называемые растворимые аноды, а катодами служат тонкие затравочные пластины. Между электродами подается электрическое поле, и на поверхности катодов под влиянием электрического поля осаждается металл, например никель, выделяющийся в ходе процесса из раствора или растворяющийся с анода.
В зависимости от каждого конкретного случая либо аноды либо катоды располагаются внутри диафрагменной ячейки, состоящей из каркаса и так называемого диафрагменного элемента. Как правило, каркас представляет собой конструкцию U-образной или прямоугольной формы, создающую экраны для предотвращения дендритообразования по кромкам катодов, и изготавливаются из древесины, пластмасс или изолированного пластиком металла.
Известен электродный блок (RU №2109088, МПК С25С 7/00.1998), содержащий токонепроводящую камеру с перфорированными стенками, крепящиеся к ним два перфорированных токоподвода с катодом из активированного углеродного материала, прижимаемым токонепроводящими решетками, и размещенные под ними полимерные сетки.
Это устройство не позволяет расширить площадь и объем углеродных катодов, относительно увеличивая тем самым количество извлекаемого из раствора металла.
Известен также предназначенный для электролитического извлечения благородных, редких и цветных металлов из разбавленных растворов их солей электродный блок электролизера, разделенный на катодную и анодную части. Последняя представляет собой токонепроводящую камеру с перфорированными стенками, нижним отверстием для подачи раствора, газоотводящими трубками и верхней щелью, в которую по направляющим вводится анодная пластина. Катодная часть включает два крепящихся к стенкам камеры перфорированных токоподвода, на которых с двух сторон закреплен многослойный катод из активированного углеродного волокнистого материала, прижимаемого токонепроводящими решетками. Под решетками размещена полимерная сетка. Вся конструкция стягивается болтовыми креплениями (RU №2304839, МПК С25С7/02, 2007).
Однако такой электролизер не обеспечивает повышение эффективности работы при извлечении металлов из разбавленных растворов из-за сложности его обслуживания.
Известен также диафрагменный элемент ячейки для электролитического извлечения металлов из водных растворов (RU №2256729, МПК С25С 1/00, С25С 1/08, С25С 7/04, 2005), сформированный из полотна, имеющий по меньшей мере одну боковую поверхность с вертикальными краями и горизонтальными краями, по меньшей мере один край по меньшей мере одной боковой поверхности диафрагменного элемента имеет электроизолирующий краевой участок заданной ширины, удельное электросопротивление которого по меньшей мере в 5 раз превышает удельное электросопротивление центрального участка боковой поверхности. Вертикальные и горизонтальные края боковой поверхности диафрагменного элемента имеют электроизолирующие краевые участки заданной ширины, ограничивающие центральный участок боковой поверхности, имеющий более высокую электропроводность и выполнены в отношении проницаемости жидкости более плотными, чем центральный участок боковой поверхности. При этом диафрагменный элемент представляет собой открытый с одного края мешок, изготовленный методом термической сварки.
Недостатками данной установки является невозможность обеспечить достаточный массообмен раствора электролита солевого раствора.
Известна также конструкция ванны, имеющая катодное пространство с католитом и снабженная ячейкой, включающей жесткий каркас, диафрагменный мешок с помещенным в него нерастворимым анодом, приспособление в виде ненатянутой сетки, предотвращее вывод анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ при помощи разрежения, выполненное в виде трубки, прикрепленной к диафрагменному мешку (Патент US №4201653, МПК С25С 1/00; С25С 7/00; С25С 7/04; С25С 7/06; 1980).
Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечения заданного перепада между уровнями католита и анолита, что приводит к повышению концентрации кислоты в катодном пространстве и, как следствие, к необходимости увеличения расхода католита на осуществление процесса электролиза, ухудшению качества катодного осадка, увеличению выделения гидроаэрозолей никеля и снижению катодного выхода по току. Кроме того, конструкция приспособления для предотвращения соприкосновения анода с диафрагменным мешком, выполненная в виде ненатянутой сетки, не позволяет гарантированно избежать соприкосновения анода с диафрагмой, что приводит к выделению газовой фазы в точках соприкосновения. Вследствие этого увеличивается вероятность прогара диафрагмы, что, в свою очередь, влечет за собой увеличение эксплуатационных затрат.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является анодная ячейка для электровыделения цветных металлов электролизом в ванне, имеющей катодное пространство с католитом, которая содержит жесткий каркас, диафрагменный мешок, нерастворимый анод, приспособление для предотвращения соприкосновения анода с диафрагменным мешком, устройство для вывода анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ за счет разрежения, выполненное в виде штуцера с диаметром отверстия 5-12 мм, жестко закрепленного в каркасе анодной ячейки с таким расчетом, чтобы нижний край отверстия штуцера находился на расстоянии h от верхнего края ячейки, определяемом по формуле: h=a+b, где а - расстояние от верхнего края ячейки до уровня католита в ванне; b - перепад уровня между католитом и анолитом. Приспособление, предотвращающее соприкосновение анода с диафрагменным мешком, выполнено в виде решетки из вертикально расположенных прутов толщиной k=10-15 мм, изготовленных из диэлектрического материала и закрепленных на двух горизонтальных опорных планках с интервалом, равным 10⋅k. Обеспечиваются исключение соприкосновения анода с диафрагменным мешком и заданный перепад уровней католита и анолита (RU №2353712, МПК С25С 7/02, С25С 1/08, С25С 7/04, 2008).
Недостатком такого устройства является неудобство сборки, вызванной необходимостью создания монтажного натяжения ткани для исключения ее контакта с анодом, а также повышенная металлоемкость каркаса.
Задача полезной модели - упрощение сборки, уменьшение материалоемкости и повышение надежности.
Технический результат - интенсификация процесса отделения анолита и повышение производительности электролизера.
Указанный технический результат достигается тем, что анодная ячейка для электровыделения цветных металлов электролизом в ванне, имеющей катодное пространство с католитом, содержащая жесткий каркас, диафрагменный мешок, нерастворимый анод, приспособление для предотвращения соприкосновения анода с диафрагменным мешком, устройства для вывода анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ, нерастворимый анод выполнен из титанового листа, снабженного одним или несколькими выступами, закрепленным в пазах токоподводящей штанги, анодная пластина помещена в корпус, образованный диафрагмой и укрытием анодной пластины, внутри диафрагмы установлена сетчатая оболочка из неэлектропроводящего материала, на внутренней поверхности которой закреплены взаимодействующие с анодной пластиной дистанцирующие элементы.
Сетчатая оболочка выполнена из безузловой (бипланарной) сетки.
Корпус в сечении имеет эллиптическую форму.
Дистанцирующие элементы выполнены в виде полос из листового полипропилена, сложенных пополам и с основаниями, отогнутыми по профилю диафрагмы, причем требуемая высота элемента достигается разведением складки на заданный угол.
Анодная ячейка в верхней части снабжена штуцером, соединенным с линией промывки.
Выполнение нерастворимого анода из титанового листа, снабженного одним или несколькими выступами, закрепленными в пазах токоподводящей штанги, помещение анодной пластины в корпус, образованный диафрагмой и укрытием анодной пластины, установка внутри диафрагмы сетчатой оболочки из неэлектропроводящего материала, на внутренней поверхности которой закреплены взаимодействующие с анодной пластиной дистанцирующие элементы, обеспечивает снижение энергозатрат за счет оптимизации зазора между анодной пластиной и диафрагмой, упрощение сборки и повышение надежности работы электролизера за счет использования сетчатой оболочки и дистанцирующих элементов. При этом достигаются интенсификация процесса перемешивания солевого раствора и улучшение массобмена раствора электролита солевого раствора.
Выполнение сетчатой оболочки из безузловой (бипланарной) сетки обеспечивает снижение затрат и упрощение сборки.
Придание корпусу и диафрагме эллиптической формы в сечении обеспечивает организацию равномерного движения электролита относительно анодной пластины и облегчает эвакуацию газов из полости анодного блока.
Выполнение дистанцирующих элементов виде полос из листового полипропилена, сложенных пополам и с основаниями, отогнутыми по профилю диафрагмы, причем требуемая высота элемента достигается разведением складки на заданный угол позволяет упростить сборку.
Снабжение анодной ячейки в верхней части штуцером, соединенным с линией промывки, обеспечивает подачу промывочного раствора и отвод газов, выделяющихся при электролизе.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 схематично изображена установка для электролитического извлечения металлов из водных растворов;
на фиг.2 показан анодный блок;
на фиг.3 - сечение по А-А фиг.2;
на фиг.4 - сечение по Б-Б фиг.3;
на фиг.5 показана бипланарная сетка с дистанцирующим элементом, вид по стрелке Г фиг.4;
на фиг.6 - то же, что на фиг.5, вид сбоку;
на фиг.7 показан дистанцирующий элемент;
на фиг.8 показан вариант электродного блока со штангой, расположенной над укрытием.
Перечень позиций, указанных на чертежах:
1 - электролизная ванна;
2 - электролит;
3 - анод;
4 - катод;
5 - диафрагменная ячейка;
6 - канал подачи;
7 - линия промывки;
8 - дренажный канал;
9 - вентиль сброса;
10 - переливной штуцер;
11 - штанга;
12 - корпус;
13 - диафрагма;
14 - укрытие анодной пластины;
15 - сетчатая оболочка;
16 - дистанцирующий элемент.
Установка для электролитического извлечения металлов из водных растворов в частности никеля (см. фиг.1) содержит электролизную ванну 1, в которой в качестве электролита 2 используется никелево-сульфатная смесь. В ванне 1 последовательно расположены положительные электроды, то есть аноды 3, и отрицательные электроды, то есть катоды 4. Анод 3 выполнен в виде нерастворимого титанового листа и расположен в пространстве, ограниченном диафрагменной ячейкой 5, а катод 4 расположен снаружи диафрагменной ячейки 5. Никель вводят через канал 6 подачи в виде раствора сульфата никеля в пространство ванны 1, вокруг затравочных плит, служащих катодом 4. Полости диафрагменных ячеек 5 соединены с линией промывки 7 и дренажным каналом 8, снабженным вентилем сброса 9. В верхней части ванны 1 снабжена переливным штуцером 10.
Электролизная ванна 1 (фиг. 2 и 3) содержит, по меньшей мере, одну диафрагменную ячейку 5, включающую нерастворимый анод 3 из титанового листа, закрепленного на штанге 11 и помещенного в корпус 12, образованный диафрагмой 13, изготовленной из волокнистого полимерного или пористого керамического материала, герметично соединенной с укрытием анода 14, изготовленного из стеклопластика. В качестве диафрагменной ткани обычно используют льняной брезент, льнолавсановую ткань или ткань из синтетического волокна, например ткань, содержащую волокна из полипропилена, полиакрилонитрила, поливинилового спирта и т.п. Диафрагменная ткань должна характеризоваться минимальным сопротивлением прохождению электрического тока, заданной проточностью по электролиту и химической стойкостью.
Внутри диафрагмы 13 установлена прилегающая к ней сетчатая оболочка 15 из неэлектропроводящего материала, на внутренней поверхности которой закреплены взаимодействующие с анодом 3 дистанцирующие элементы 16. Сетчатая оболочка 15 предпочтительно может быть выполнена из полипропиленовой безузловой (бипланарной) сетки, как это показано на фиг.5 и 6. На фиг.4 и 8 показан корпус 12, в сечении имеющий эллиптическую форму. Дистанцирующие элементы 16 выполнены в виде полос из листового полипропилена толщиной 0,6-1,0 мм и шириной 15-30 мм, сложенных пополам и с основаниями, отогнутыми по профилю диафрагмы, причем требуемая высота элемента достигается разведением складки на заданный угол, как это показано на фиг. 8.
Установка для электролитического извлечения металлов из водных растворов работает следующим образом.
Для проведения измерений использовались источник переменного тока, амперметр, вольтметр (на чертежах не показаны) и электроды, помещенные в электродную ванну 1. В качестве источника переменного тока применялся низкочастотный генератор сигналов ГЗ-102. Переменный ток звуковой частоты (например, около 800 Гц) использовался во избежание протекания процессов электролиза и поляризации электродов. В качестве амперметра применялся универсальный измерительный прибор В7-35. В качестве вольтметра применялся универсальный измерительный прибор В7-22А. В качестве анодов 3 применялись платинированные титановые электроды с контактными выступами, зажатыми в пазах штанги, изготовленной из медного стержня.
3
2
Эксплуатация изготовленных анодных ячеек для электровыделения цветных металлов осуществлялась следующим образом. Диафрагменная ячейка 5 помещается в электролизную ванну 1, заполненную никелевым электролитом 2 и оснащенную никелевыми катодами 4, после чего в электролизную ванну подавался исходный католит со скоростью 12 дм/А⋅ч. Перемешивание католита в ванне 1 происходило при его движении сверху вниз за счет разницы удельных весов поступающего и находящегося в ванне электролита. Через ткань диафрагмы 13 и сетчатую оболочку 15 католит просачивался в пространство диафрагменной ячейки 5 с анодом 3, выполненном из титанового листа и закрепленного в пазах штанги 11. Уровень анолита в ячейке поддерживался равным уровню католита в катодном пространстве методом постоянного выведения через дренажный канал 8 при разрежении - 5 кПа путем сброса через дренажный канал 8 и вентиль сброса 9. Избыток католита удалялся через переливной штуцер 10. Процесс электролиза никеля проводился при следующих технологических параметрах: плотности тока 200 А/м, межэлектродном расстоянии 155±5 мм, напряжении 4,0 В, температуре электролита 80°С, времени наращивания катода 6 суток.
При выходе из строя ячейки по причине повреждения мешка или каркаса ее выгружали из электролизной ванны и после замены поврежденной детали использовали повторно.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить выход высококачественного катодного металла, снизить материальные и трудовые затраты и обеспечить при этом бесперебойный производственный цикл.