Углеродно-пористый проточный электрод для извлечения хрома из агрессивных растворов

Полезная модель относится к конструкции электродов для электрохимического извлечения ионов шестивалентного хрома из высококонцентрированных агрессивных растворов и может быть использована для очистки стоков металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности.
Заявленная полезная модель относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий/ Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М. : ПАТЕНТ, 2008.- с.58], так как обеспечивает извлечение ионов хрома (VI) из сточных вод, устраняя загрязнения окружающей среды в результате сброса высококонцентрированных, канцерогенных отработанных производственных растворов.
Известна конструкция устройства (Ржевский И.В., Горяинов-Орановский Д.В., Егурнев М.А. Нерастворимый анод для электроэкстракции металлов из водных растворов. Патент РФ № 2266982, опубл. 27.12.2005) с  нерастворимыми анодами в виде цилиндрических элементов для электроэкстракции металлов из водных растворов с размещением  этих элементов в отдельной пористой оболочке. Пористые оболочки, в каждую из которых был помещен цилиндрический элемент, изготавливали из лавсана (арт. 56050). Недостатками такого устройства являются повышенный расход металла для изготовления электродов, а также не подходит для растворов содержащие ионы хрома (VI), разрушающие органические материалы из которых изготовлен электрод.
Известны катоды из углеграфитовых материалов, используемые для извлечения металлов, которые выполнены в виде углеграфитовых пластин (патент RU № 2021394 С1, МПК5 С25С 7/00, 15.10.1994) или в виде графитизированного ватина (патент RU № 2248413 С2, МПК7 С25С 7/02, 20.03.2005), а также в виде лент углеграфитового электропроводного волокнистого материала (патент RU № 2255152 С1, МПК7 D01F 11/16, 27.06.2005, патент RU № 2340708 C1, МПК C25C7/02, C25C1/20, 12.10.2008). Общими недостатками данных устройств является неудовлетворительная полнота извлечения ионов металла, а также небольшой срок эксплуатации электрода из-за агрессивности растворов.
Известен аналог заявляемого устройства 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 высокие потери при извлечении металлов.
За прототип принят патент (патент RU № 2178017 C2 А.А Вайс, Р.Ю. Бек, А.И. Маслий, А.Г. Белобаба, А.В. Королюк, Н.М. Захарова. Объемно-пористый электродный материал и проточный электрод на его основе. опубл. 10.01.2002г.). Электрод выполнен из металлизированного синтепона (утеплителя объемного) и снабжен локальным кольцевым токоподводом, установленным на внешней стороне верхней части электролизера. Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются: электрохимический метод очистки воды и водных растворов от анионов и катионов и может быть использовано для очистки природных вод, стоков металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности; пористый электродный материал и проточный электрод. 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. Также не подходит для высококонцентрированного хромсодержащего раствора, разрушающий органические материалы, из которых изготовлен электрод.
Существенное отличие заявляемого устройства от устройства-прототипа заключается в нетрадиционном использовании активированного угля и применение его для решения новой задачи в качестве электрода. Уникальные свойства активированного угля позволяют увеличить в 7 раз эффективность извлечения ионов хрома (VI), за счет селективности, развитой внутренней поверхности, большей сорбционной ёмкости со множеством активных центров. Кроме того, активированный уголь является стойким к агрессивной среде и недорогим электродным материалом по отношению к электродному материалу прототипа (волокна синтепона покрываются нанослоем серебра, а также медью, никелем и другими металлами).
Технический результат заключается в улучшении физико-механических и эксплуатационных свойств катодного материала, увеличении производительности и повышении степени извлечения ионов хрома (VI). Указанный технический результат достигается, тем, что  углеродно-пористый проточный электрод для извлечения хрома из агрессивных растворов, содержит корпус, заполненный электродным материалом, и графитовые токоподводы, размещенные внутри электродного материала, корпус выполнен из поливинилхлорида, а в качестве электродного материала используют активированный уголь с размером от 0,5 до 2 мм.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 – представлено схематично (в разрезе) устройство для электрохимического извлечения ионов шестивалентного хрома из высококонцентрированных агрессивных растворов. На фиг. 2 – представлена зависимость степени извлечения ионов хрома (VI) от разности потенциала между электродами.
Позиции на фиг. 1 обозначают следующее:
1. активированный  угль
2. корпус
3. графитовые токоподводы.
Устройство содержит корпус 2, заполненный активированным углем 1 и графитовые токоподводы 3, размещенные внутри активированного угля 1.
Устройство работает следующим образом. В начале работы электрод (см. фиг. 1) помещают в электролизер и соединяют с источником постоянного тока, а обрабатываемый раствор непрерывно пропускают через насыпной слой электрода. Активированный уголь 1 с размером частиц от 0,5 до 2 мм засыпается в корпус электрода 2 изготовленного  из поливинилхлорида (ГОСТ 9639-71). От источника постоянного тока подаётся электрический ток через токоподводы 3, выполненные из графита,  к поверхности активированного угля. Устанавливается заданное напряжение величиной в интервале 0,5-1,5 В, и ток величиной от 0,01-0,03 А, при данных условиях происходит извлечение ионов шестивалентного хрома из высококонцентрированных агрессивных растворов.
Устройство электрода направлено на интенсификацию извлечения ионов хрома (VI) из агрессивных растворов, благодаря большей емкости и развитой поверхности пористого электрода, а также в коррозионной стойкости конструкции, простоте обслуживания. К дополнительным преимуществам пористого электрода, является многократное использование очищенных растворов в технологическом процессе.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении степени извлечения ионов хрома (VI) за счет большого объема пор и высокой удельной поверхности электрода из углеродного сорбента. Степень извлечения увеличивается за счет миграции ионов в поры электродов при приложении разности электрических потенциалов.  Проведение процесса при постоянном токе выше 0,03 А приводит к возрастанию газовыделения, что будет отрицательно влиять на степень извлечения. Проведение процесса при постоянном токе ниже 0,01 А приводит к недостаточному перемещению ионов к поверхности электродов.
Использование активированного угля с размером частиц от 0,5 до 2 мм в качестве нерастворимых электродов является самым эффективным, так как, например, использование активированного угля с размером частиц менее 0,5 мм увеличивается сопротивление слоем активированного угля прохождению раствора. Использование активированного угля с размером частиц крупнее 2 мм уменьшает площадь соприкосновения раствора и активированного угля.