АНОДНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОВЫДЕЛЕНИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
ANODE KETTLE FOR ELECTRO-SEPARATION OF NON-FERROUS METALS

Изобретение относится к области металлургии тяжелых цветных металлов, в частности к конструкциям диафрагменных ячеек для электролитического извлечения никеля из водных растворов.
Известна конструкция электролизной ванны, имеющей катодное пространство с католитом и анодную ячейку, образованную корпусом с диафрагмой, включающей размещенный в ней электрод, газовую камеру, размещенную в верхней части корпуса ячейки и соединенную с системой отвода газа, приспособления для подвода электролита в ячейку и его отвода, при этом корпус ячейки выполнен в виде усеченной пирамиды с обращенной вниз открытой вершиной, а приспособление для подвода электролита в ячейку выполнено в виде продолжающего корпус коробчатого сопла с отверстиями в боковых стенках и пластин, закрепленных на нижних боковых гранях сопла с образованием острого угла между ними и стенками сопла (Патент РФ №2206640 «Электродный комплект»).
Недостатками данной конструкции является невозможность эвакуации из ячейки анолита с постоянно заданной скоростью, что приводит к скачкам концентрации серной кислоты в ячейке и, как следствие, к повышению концентрации кислоты в катодном пространстве. В свою очередь, повышенная концентрация серной кислоты в катодном пространстве приводит 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, сложная конструкция ячейки значительно повышает ее себестоимость и приводит к увеличению эксплуатационных затрат.
Наиболее близкой по своей технической сущности является 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, предотвращающее соприкосновение анода с диафрагменным мешком, а также устройство для вывода анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ при помощи разрежения, выполненное в виде трубки, прикрепленной к диафрагменному мешку (Патент № US 4201653 Electrowinning cell with bagged anode).
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.
Задача изобретения заключается в улучшении экологической обстановки в рабочей зоне, повышении эффективности процесса электролиза, в улучшении качества катодного никеля, а также в снижении расхода диафрагменной ткани.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении заданного перепада уровней католита и анолита и в исключении соприкосновения анода с диафрагменным мешком.
Для получения указанного технического результата в ванну устанавливают анодную ячейку для электровыделения цветных металлов электролизом в ванне, имеющую катодное пространство с католитом, содержащую 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, отличающуюся тем, что устройство для вывода анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ выполнено в виде штуцера с диаметром отверстия 5-12 мм, жестко закрепленного в каркасе анодной ячейки таким образом, чтобы нижний край отверстия штуцера находился на расстоянии от верхнего края ячейки, равном сумме расстояния от верхнего края ячейки до уровня католита в ванне и перепада между уровнями католита в ванне и анолита в ячейке, при этом приспособление для предотвращения соприкосновения анода с диафрагменным мешком выполнено в виде решетки из вертикально расположенных прутов толщиной к=10-15 мм, изготовленных из диэлектрического материала и закрепленных с интервалом, равным 10·к, на двух горизонтальных опорных планках.
Использование в анодной ячейке устройства для вывода анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ при помощи разрежения, выполненного 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 анодной ячейки, определяемом по формуле: h=а+b, где а - расстояние от верхнего края ячейки до уровня католита в ванне; b - перепад уровня между католитом и анолитом, позволяет проводить эвакуацию анолита с постоянной заданной скоростью, приводит к повышению стабильности концентрации кислоты в анодном пространстве, а также позволяет минимизировать материалоемкость, обеспечивая при этом оптимальные эксплуатационные характеристики ячейки по сроку службы всех ее элементов, трудозатратам на обслуживание и качеству катодного металла.
Использование приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком, выполненного в виде решетки, состоящей из вертикально расположенных прутов толщиной k=10-15 мм, изготовленных из диэлектрического материала и закрепленных с интервалом, равным 10·k, при помощи двух горизонтальных опорных планок, позволяет увеличить срок эксплуатации ячейки, сократив при этом затраты на изготовление и эксплуатацию ячеек.
Уменьшение диаметра штуцера приводит к затруднению эвакуации анолита из ячейки и, как следствие, повышению концентрации серной кислоты в катодном пространстве, что, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения расхода католита на осуществление процесса электролиза, ухудшению качества катодного осадка, увеличению выделения гидроаэрозолей никеля и снижению катодного выхода по току.
Увеличение диаметра штуцера приводит к снижению прочности каркаса и, как следствие, к уменьшению срока службы ячейки.
Эвакуация электролита без использования разрежения приводит к резкому повышению концентрации серной кислоты в анолите, следствием чего является повышение концентрации кислоты в катодном пространстве и увеличение выделения гидроаэрозолей никеля в воздух рабочей зоны электролизной ванны.
При создании разрежения над уровнем анолита в ячейке и сохранении атмосферного давления над уровнем католита в ванне уровень анолита в ячейке будет повышаться до определенного уровня. Поскольку анолит будет подниматься вверх, газы, непрерывно выделяющиеся на аноде и находящиеся выше уровня анолита, за счет накопления вверху ячейки обеспечивают его эвакуацию, исключая запирание отверстия штуцера и образование гидравлического затвора.
Нежесткое крепление штуцера приводит к невозможности поддержания заданного перепада между уровнем католита и анолита и повышенному износу диафрагмы, что приводит к повышению концентрации серной кислоты в катодном пространстве, необходимости увеличения расхода католита на осуществление процесса электролиза, ухудшению качества катодного осадка, увеличению выделения гидроаэрозолей никеля и снижению катодного выхода по току, а также к уменьшению срока службы ячейки.
Увеличение расстояния от верхнего края анодной ячейки до нижнего края отверстия штуцера более величины h приводит к повышенному расходу анолита и, как следствие, к увеличению затрат на его регенерацию.
Уменьшение расстояния от верхнего края анодной ячейки до нижнего края отверстия штуцера менее величины h приводит к повышению концентрации серной кислоты в анолите, следствием чего является повышение концентрации кислоты в катодном пространстве и увеличение выделения гидроаэрозолей никеля в воздух рабочей зоны электролизной ванны.
Горизонтальное расположение прутов приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком, приводит к повышению расхода анолита и, как следствие, к увеличению затрат на его регенерацию, а также повышенному износу диафрагмы, следствием чего является сокращение срока службы ячейки.
Уменьшение диаметра прутов, из которых изготовлено приспособление, предотвращающее соприкосновение анода с диафрагменным мешком, приводит к увеличению вероятности соприкосновения диафрагмы с анодом и, как следствие, к снижению срока службы анодной ячейки.
Увеличение диаметра прутов, из которых изготовлено приспособление, предотвращающее соприкосновение анода с диафрагменным мешком, приводит к ухудшению качества катодного металла по причине возникновения на катоде волн.
Уменьшение интервала между прутами приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком, приводит к ухудшению качества катодного металла по причине возникновения на катоде волн.
Увеличение интервала между прутами приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком, приводит к увеличению вероятности соприкосновения диафрагмы с анодом и, как следствие, к снижению срока службы анодной ячейки.
Использование для крепежа прутов более двух горизонтальных опорных планок приводит к затруднению газовыделения и, как следствие, снижению катодного выхода по току.
Изобретение поясняется чертежом.
3
2
Анодная ячейка для электровыделения цветных металлов работает следующим образом. Ячейку помещают в электролизную ванну, заполненную никелевым электролитом и оснащенную никелевыми катодами, после чего подают исходный католит со скоростью 0,01-0,05 дм/A·ч. Перемешивание католита в ванне происходит при его движении сверху вниз за счет разницы удельных весов поступающего и находящегося в ванне электролита. Через ткань диафрагменного мешка 1 католит просачивается в анодное пространство. Уровень анолита 2 в ячейке поддерживается более низким, чем уровень католита 3 в катодном пространстве, методом постоянного выведения через штуцер 6 при помощи разрежения -5 кПа, что исключает прохождение электролита в обратном направлении, предотвращая тем самым поступление в катодное пространство образующейся на аноде серной кислоты. Процесс электролиза никеля ведут при следующих технологических параметрах: плотности тока - 200-300 А/м, межэлектродном расстоянии 155±5 мм, напряжении - 3,5-4,5 В, температуре электролита - 75-85°С. времени наращивания катода - 4-8 суток.
Пример анодной ячейки.
Анодные ячейки для электровыделения цветных металлов изготавливали в количестве, требующемся для оснащения одной опытной электролизной ванны, 2 шт. Каждая из ячеек включала диафрагменный мешок из технической ткани «Полиэстер» арт. 2255-V5 размером 1400×1100 мм, надетый сверху на каркас, изготовленный из полипропилена (марка 01005 по ТУ 6-05-1105-83), состоявший из двух стоек длиной 1300 мм и основания длиной 950 мм, скрепленных между собой методом сварки по нижним угловым стыкам. В верхней части стойки были скреплены между собой двумя титановыми (титан марки ВТ-1 ГОСТ 19807-74) планками размером 5×20×950 мм при помощи шпилек, изготовленных из титановой проволоки 3 мм сечения. Нерастворимый анод с размером рабочей поверхности 1250×900×10 мм был изготовлен из свинца (марка С01 по ГОСТ 3778-98). Приспособление, предотвращающее соприкосновение анода с диафрагменным мешком, представляло собой ненатянутую сетку толщиной 1,5 мм с размером ячеи 3 мм из полипропилена (ГОСТ 26996-86). Устройство для вывода анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ представляло собой титановый штуцер (титан марки ВТ-1 ГОСТ 19807-74) диаметром 8 мм, герметично закрепленный на диафрагменном мешке при помощи титановой накидной гайки (титан марки ВТ-1 ГОСТ 19807-74) и двух прокладок из кислотостойкой резины (ГОСТ 15180-86) с таким расчетом, чтобы нижний край отверстия штуцера находился на расстоянии h=a, где а - расстояние от верхнего края ячейки до уровня католита в ванне.
3
2
Эксплуатацию изготовленных анодных ячеек для электровыделения цветных металлов осуществляли следующим образом: ячейку помещали в электролизную ванну, заполненную никелевым электролитом и оснащенную никелевыми катодами, после чего подавали исходный католит со скоростью 12 дм/A·ч. Перемешивание католита в ванне происходило при его движении сверху вниз за счет разницы удельных весов поступающего и находящегося в ванне электролита. Через ткань диафрагменного мешка католит просачивался в анодное пространство. Уровень анолита в ячейке поддерживается равным уровню католита в катодном пространстве методом постоянного выведения через штуцер при помощи разрежения - 5 кПа. Процесс электролиза никеля вели 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.
В таблице 1, кроме описанного, приведены примеры выполнения анодной ячейки для электровыделения цветных металлов с отличиями в характеристиках устройства для вывода анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ и приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком, а также результаты их эксплуатации.
Из таблицы 1 видно, что использование анодной ячейки для электровыделения цветных металлов, оснащенной устройством для вывода анолита и выделяющихся на аноде газообразных веществ при помощи разрежения, выполненным 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 анодной 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 (пример 2), позволяет при неизменности катодного выхода по току улучшить качество катодного металла и минимизировать эксплуатационные затраты за счет 2-кратного увеличения срока службы ячейки и 1,9-кратного снижения расхода анолита, выводимого на регенерацию, по сравнению с прототипом (Пример 1)
При этом использование приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком, выполненного в виде решетки, состоящей из расположенных вертикально прутов толщиной k=10-15 мм, изготовленных из диэлектрического материала и закрепленных с интервалом, равным 10·k, при помощи двух горизонтальных опорных планок (примеры 3-7), позволяет сделать срок эксплуатации ячейки на 6,7% продолжительней, сократив, тем самым, затраты на изготовление и эксплуатацию ячеек.
3
Уменьшение диаметра штуцера до 4 мм (пример 8) приводит к затруднению эвакуации анолита из ячейки и, как следствие, повышению концентрации серной кислоты в катодном пространстве до 2 г/дм, что, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения расхода католита на осуществление процесса электролиза, ухудшению качества катодного осадка до марки Н-1, 4-кратному увеличению выделения гидроаэрозолей никеля и снижению катодного выхода по току на ~2%.
Увеличение диаметра штуцера (Пример 9) приводит к снижению прочности каркаса и, как следствие, к более чем 30%-ному уменьшению срока службы ячейки.
Эвакуация электролита без использования разрежения (Примеры 10, 11) приводит к 2-кратному повышению концентрации серной кислоты в анолите, следствием чего является пропорциональное повышение концентрации кислоты в катодном пространстве и 30-кратное увеличение выделения гидроаэрозолей никеля в воздух рабочей зоны электролизной ванны.
Уровень анолита в ячейке выше уровня католита в ванне, но за счет непрерывно выделяющихся на аноде газов, находящихся выше уровня анолита и накопившихся вверху ячейки, эвакуация анолита и газов происходит беспрепятственно.
3
Нежесткое крепление штуцера (Пример 12) приводит к невозможности поддержания заданного перепада между уровнем католита и анолита и повышенному износу диафрагмы, что, во-первых, приводит к повышению концентрации серной кислоты в катодном пространстве до 2,2 г/дм, что делает необходимым увеличение расхода католита на осуществление процесса электролиза, ухудшению качества катодного осадка, 3-кратному увеличению выделения гидроаэрозолей никеля, и 3%-ному снижению катодного выхода по току, а во-вторых, к уменьшению срока службы ячейки на 17%.
Увеличение расстояния от верхнего края анодной ячейки до нижнего края отверстия штуцера более величины h на 1 см (Пример 13) приводит к 2-кратному повышению расхода анолита и, как следствие, к увеличению затрат на его регенерацию.
3
Уменьшение расстояния от верхнего края анодной ячейки до нижнего края отверстия штуцера менее величины h на 1 см (Пример 14) приводит к 20%-ному повышению концентрации серной кислоты в анолите, следствием чего является повышение концентрации кислоты в катодном пространстве до 3 г/дм, снижение катодного выхода по току более чем на 5% и ~2-кратное увеличение выделения гидроаэрозолей никеля в воздух рабочей зоны электролизной ванны и ухудшение качества катодного металла.
Горизонтальное расположение прутков приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком (Пример 15), приводит к 2-кратному повышению расхода анолита и, как следствие, к увеличению затрат на его регенерацию, а также повышенному износу диафрагмы, следствием чего является 30%-ное сокращение срока службы ячейки.
Уменьшение диаметра прутка, из которого изготовлено приспособление, предотвращающее соприкосновение анода с диафрагменным мешком, менее 10 мм (Пример 16) приводит к увеличению вероятности соприкосновения диафрагмы с анодом и, как следствие, к снижению срока службы анодной ячейки на ~30%.
Увеличение диаметра прутка более 15 мм (Пример 17), из которого изготовлено приспособление, предотвращающее соприкосновение анода с диафрагменным мешком, приводит к ухудшению качества катодного металла до марки Н-2 по причине возникновения на катоде волн.
Уменьшение интервала между прутами приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком, менее 10·k (Пример 18) приводит к ухудшению качества катодного металла до марки Н-2 по причине возникновения на катоде волн.
Увеличение интервала между прутами приспособления, предотвращающего соприкосновение анода с диафрагменным мешком, более 10·k (Пример 19) приводит к увеличению вероятности соприкосновения диафрагмы с анодом и, как следствие, к снижению срока службы анодной ячейки на ~20%.
Использование для крепежа прутов более двух горизонтальных опорных планок (Пример 20) приводит к затруднению газовыделения и, как следствие, снижению катодного выхода по току на ~5%.
Из представленных в таблице результатов проведенных опытов следует, что использование предложенной конструкции анодной ячейки для электровыделения металлов обеспечивает снижение выделения гидроаэрозолей никеля в воздух рабочей зоны электролизной ванны, повышение качества катодного металла за счет увеличения катодного выхода, сокращение эксплуатационных затрат за счет 2-кратного увеличения срока службы ячейки и 1,9-кратного снижения расхода анолита, выводимого на регенерацию.