АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
AUTONOMOUS ELECTROCHEMICAL COMPLEX

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки растворов и может быть использовано для электролитического извлечения металлов или проведения окислительно-восстановительных процессов.
Известен автономный электрохимический модуль для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, размещенным в верхней части электролизера, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера, и индикатор предельного заполнения катода металлом (1. Вайс А.А., Маслий А.И., Захаров М.А. Автономный электрохимический модуль. Патент РФ №2172796, кл. С25С 7/00, 1/20, 2001, опубл. 27.08.2001 г.).
Недостатками такого устройства 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.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является автономный электрохимический комплекс для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с верхним узлом прокачки раствора, выполненный на основе объемно-пористого материала катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, расположенную в нижней части электролизера, индикатор предельного заполнения катода металлом, непроницаемый для раствора вертикальный кожух и токонепроводящую и непроницаемую для раствора горизонтальную перегородку, разделяющую на две части межэлектродное пространство, образованное внутренним анодом и объемно-пористым катодом (Вайс А.А., Маслий А.И., Ляхов Н.З. Автономный электрохимический комплекс. Патент РФ №2280713, кл. С25В 9/06, С25С 7/00, 2006 г., опубл. 27.07.2006 г.).
Недостатком прототипа, выявившимся при его широком практическом использовании для извлечения серебра из концентрированных фиксажных растворов, является образование и постепенное распространение катодного осадка серебра по внутренним токонепроводящим поверхностям между анодами и объемно-пористым катодом, а также зарастание металлическим осадком отверстий в подающих раствор токонепроводящих трубках с последующим обрастанием их боковой поверхности со стороны внутреннего анода (см. фото).
Можно указать две возможные причины такой металлизации первоначально токонепроводящих участков, расположенных между внутренним анодом и объемно-пористым катодом. Во-первых, это может быть электрохимический рост дендритов серебра вблизи наиболее электрически нагруженных зон объемно-пористого катода - например, вблизи верхнего кольцевого токоподвода.
Другой возможной причиной постепенной металлизации токонепроводящих участков может быть химическое восстановление комплексов серебра до металла продуктами катодного восстановления сульфита (например, до дитионита), которые также протекают на участках катода с наибольшей катодной поляризацией. Отметим, что в любом случае для металлизации необходим непрерывный контакт токонепроводящей поверхности с раствором.
Это самопроизвольное обрастание и разрастание металлического осадка может существенно затруднять поступление раствора в межэлектродные пространства, приводит к короткому замыканию между катодом и анодами и прекращению процесса электролиза и, следовательно, необходимости более частого проведения профилактических работ.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в повышении эффективности работы электролизера за счет исключения условий зарастания металлическим осадком отверстий, подающих раствор в межэлектродные пространства, и возникновения короткого замыкания анодов с объемно-пористым катодом.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом автономном электрохимическом комплексе для обработки растворов, включающем вертикальный цилиндрический проточный электролизер с верхним узлом прокачки раствора, выполненный на основе объемно-пористого материала катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, расположенную в нижней части электролизера, индикатор предельного заполнения катода металлом, непроницаемый для раствора вертикальный кожух и токонепроводящую и непроницаемую для раствора горизонтальную перегородку, разделяющую на две части межэлектродное пространство, образованное внутренним анодом и объемно-пористым катодом, дополнительно снабжен разделительной перегородкой, установленной в центральном отверстии внутреннего анода на уровне токонепроводящей и непроницаемой для раствора горизонтальной перегородки, содержащей со стороны первой части межэлектродного пространства, образованного внутренним анодом и объемно-пористым катодом, первый барьер, а со стороны второй части межэлектродного пространства второй барьер, причем вверху, со стороны первой части межэлектродного пространства, электролизер снабжен третьим барьером, при этом центральное отверстие внутреннего анода вверху соединено с узлом прокачки раствора, а внизу соединено с полой токонепроводящей подставкой, снабженной с внешней стороны четвертым барьером и соединенной своим основанием с отверстиями в основании сборной камеры, содержащей со стороны межэлектродного пространства, образованного внешним анодом и объемно-пористым катодом, пятый барьер, причем по всей длине боковой стенки внутреннего анода выполнены отверстия, направленные в одну сторону по касательной к поверхности объемно-пористого катода.
Предпочтительно, первый, второй, третий, четвертый и пятый барьеры выполнены в виде замкнутой кольцевой открытой полости, заполняемой воздухом и исключающей попадание в нее раствора, как в период погружения электролизера в раствор, так и в процессе электролиза.
Предпочтительно, первый, второй, третий, четвертый и пятый барьеры выполнены из токонепроводящего материала.
Предпочтительно, суммарная площадь отверстий в боковой стенке внутреннего анода не превышает площади центрального отверстия внутреннего анода.
Предпочтительно, внутренний диаметр отверстия полой токонепроводящей подставки не меньше внутреннего диаметра центрального отверстия внутреннего анода.
Предпочтительно, суммарная площадь отверстий в основании сборной камеры не меньше площади центрального отверстия внутреннего анода.
Технический результат, достигаемый с помощью заявляемого технического решения, заключается в использовании внутреннего анода и отверстий в его боковой стенке для подачи раствора в межэлектродные пространства, что делает невозможным образование металлического осадка и забивку им подающих отверстий из-за действия анодного потенциала, а на поверхности металлизирующихся в процессе электролиза токонепроводящих поверхностях между объемно-пористым катодом и анодами создаются барьеры, препятствующие контакту части этой поверхности с металлсодержащим раствором.
Проведенный анализ уровня техники, включающей поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемому, не обнаружены.
Заявляемое техническое решение по отношению к прототипу обладает следующими существенными отличительными признаками:
- дополнительно электрохимический комплекс снабжен разделительной перегородкой, установленной в центральном отверстии внутреннего анода;
- дополнительно токонепроводящая и непроницаемая для раствора горизонтальная перегородка, разделяющая на две части межэлектродное пространство, образованное внутренним анодом и катодом, снабжена со стороны первой части межэлектродного пространства первым барьером;
- дополнительно токонепроводящая и непроницаемая для раствора горизонтальная перегородка, разделяющая на две части межэлектродное пространство, образованное внутренним анодом и катодом, снабжена со стороны второй части межэлектродного пространства вторым барьером;
- дополнительно электрохимический комплекс вверху со стороны первой части межэлектродного пространства снабжен третьим барьером;
- дополнительно центральное отверстие внутреннего анода вверху соединено с узлом прокачки раствора;
- дополнительно центральное отверстие внутреннего анода внизу соединено с полой токонепроводящей подставкой;
- дополнительно полая токонепроводящая подставка снабжена четвертым барьером и соединена с отверстиями в основании сборной камеры;
- дополнительно сборная камера содержит со стороны межэлектродного пространства, образованного внешним анодом и объемно-пористым катодом, пятый барьер;
- дополнительно по всей длине боковой стенки внутреннего анода выполнены отверстия, направленные в одну сторону по касательной к поверхности объемно-пористого катода.
Совокупность существенных отличий заявляемого технического решения и взаимосвязь между ними, а также дополнительно введенные элементы заявляемого устройства по сравнению с выбранным прототипом, позволяет решить поставленную задачу и сделать вывод о соответствии данного технического решения критерию «новизна» по действующему законодательству.
Сведений об известности отличительных признаков заявляемого технического решения в совокупностях признаков известных технических решений с достижением тех же результатов, как у заявляемого, не найдено. На основании этого сделан вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Установка в центральном отверстии внутреннего анода разделительной перегородки позволяет перераспределить направление протока раствора через боковые отверстия внутреннего анода.
Снабжение первым, вторым, третьим и четвертым барьерами предотвращает сплошную металлизацию токонепроводящей поверхности на всех возможных путях тока между внутренним анодом и объемно-пористым катодом.
Снабжение пятым барьерам, выполненным в виде замкнутого кольца на внешней поверхности сборной камеры, предотвращает сплошную металлизацию на всех возможных путях тока между внешним анодом и объемно-пористым катодом.
Благодаря соединению узла подачи раствора с центральным отверстием внутреннего анода и выполнению отверстий по всей длине его боковой стенки позволяет использовать внутренний анод как распределительное устройство, обеспечивающее равномерное распределение раствора по всей высоте межэлектродных пространств, а действие анодного потенциала делает невозможным образование металлического осадка и забивку им подающих раствор отверстий.
Благодаря тому что отверстия по всей длине боковой стенки внутреннего анода направлены в одну сторону по касательной к объемно-пористому катоду, проходящий через них раствор придает вращательное движение всему объему раствора в первой и второй частях межэлектродного пространства и, следовательно, увеличивает скорость движения раствора у поверхности катода, что позволяет повысить плотность тока и скорость извлечения металла.
На чертеже схематически изображен автономный электрохимический комплекс для обработки растворов (продольный разрез погружного модуля).
Автономный электрохимический комплекс для обработки растворов содержит вертикально расположенный цилиндрический проточный электролизер 1, соединенный с узлом прокачки раствора 2, внутренний анод 3 (например, графит), внешний анод 4 (например, платинированный титан), катод 5, выполненный на основе объемно-пористого материала - металлизированного синтепона (3. Вайс А.А., Бек Р.Ю., Маслий А.И. и др. Объемно-пористый электродный материал и электрод на его основе. Патент РФ №2178017 от 10.01.2002 г., опубл. 10.01.2002 г.), электрод сравнения 6, соединенный с входом потенциостата 7, первый выход 8 которого подключен к электродвигателю 9 узла прокачки раствора, а второй 10 соединен с токоподводящими устройствами 11 и 12, соединенными с внутренним 3 и внешним 4 анодами и катодом 5 предпочтительно, с помощью локального токоподводящего кольца 13, сборную камеру 14, расположенную в нижней части электролизера 1, индикатор 15 предельного заполнения объемно-пористого материала катода металлом, токонепроводящий и непроницаемый для раствора кожух 16, разделительную перегородку 17, установленную в центральном отверстии внутреннего анода 3, токонепроводящую и непроницаемую для раствора горизонтальную перегородку 18, содержащую со стороны первой части межэлектродного пространства, образованного внутренним анодом 3 и объемно-пористым катодом 5, первый барьер 19, а со стороны второй части межэлектродного пространства второй барьер 20, вверху, со стороны первой части межэлектродного пространства, электролизер 1 содержит третий барьер 21, а в нижней части второго межэлектродного пространства электролизер 1 содержит полую токонепроводящую подставку 22, снабженную с внешней стороны четвертым барьером 23 и соединенную своим основанием с отверстиями в основании сборной камеры 14, содержащей с внешней стороны пятый барьер 24.
Автономный электрохимический комплекс работает следующим образом.
Перед началом работы электрические выводы потенциостата 7 подключаются к соответствующим клеммам электролизера 1. На электролизере устанавливается предпочтительно трехслойный катод из синтепона таким образом, чтобы токонепроводящий слой синтепона, имеющий вертикальные уплотнения, обращен в сторону внутреннего анода 3, а внешний токонепроводящий слой синтепона, имеющий горизонтальные уплотнения, обращен в сторону внешнего анода 4. Внутренний металлизированный слой синтепона соединяется с локальным кольцевым токоподводом 13. Для предотвращения возможного разложения раствора и достижения высокой скорости и высокой степени извлечения металла, устанавливается оптимальное значение потенциала в потенциостате 7. Цилиндрический проточный электролизер 1 до определенного уровня вертикально погружается в емкость с раствором, при этом в замкнутом пространстве пятого барьера 24, четвертого барьера 23, второго барьера 20, первого барьера 19 и третьего 21 оказывается воздух, который не позволяет контактировать раствору с внутренней поверхностью каждого из барьеров. Обрабатываемый раствор с помощью узла прокачки 2 подается в центральное отверстие внутреннего анода 3 и через отверстия, расположенные по боковой стенке внутреннего анода 3, вплоть до разделительной перегородки 17, равномерно по высоте распределяется в первой части межэлектродного пространства, образованного внутренним анодом 3 и объемно-пористым катодом 5.
Из первой части межэлектродного пространства раствор проходит через первую половину объемно-пористого катода 5 и поступает в межэлектродное пространство между объемно-пористым катодом 5 и внешним анодом 4, затем проходит через вторую половину объемно-пористого катода 5 и поступает во вторую часть межэлектродного пространства, образованного внутренним анодом 3 и объемно-пористым катодом 5. Раствор из второй части межэлектродного пространства через отверстия, расположенные от разделительной перегородки 17 по боковой стенке внутреннего анода 3, через полую токонепроводящую поставку 22 и отверстия в основании сборной камеры 14 вновь поступает в общий объем перерабатываемого раствора. Раствор, поступающий в первое межэлектродное пространство из отверстий в боковой стенке внутреннего анода 3, направленных в сторону по касательной к поверхности объемно-пористого катода 5, а также раствор из второго межэлектродного пространства, входящий в отверстия внутреннего анода 3, направленные в сторону по касательной к поверхности объемно-пористого катода, под действием гидродинамических сил придает вращательное движение объему раствора в межэлектродном пространстве, в результате увеличиваются скорость движения раствора и интенсивность перемешивания у поверхности объемно-пористого катода 5 со стороны вертикальных уплотнений. При этом потенциал электрода сравнения 6 поступает на вход потенциостата 7, который регулирует ток электролиза таким образом, чтобы потенциал электрода сравнения 6 не превышал заданного оптимального значения. В процессе постепенного обеднения раствора возрастает падение напряжения на участке электрод сравнения 6 - катод 5. Потенциостат 7 автоматически уменьшает ток электролиза так, чтобы потенциал электрода сравнения 6 не превышал заданного значения. При достижении минимального значения тока электролиза, соответствующего заданной минимальной концентрации металла в растворе, потенциостат 7 выдает сигнал об окончании электролиза.
Таким образом, конструктивные отличия предложенного автономного электрохимического комплекса и их взаимосвязи в сравнении с прототипом делают невозможным зарастание металлическим осадком отверстий, обеспечивающих циркуляцию раствора в межэлектродных пространствах, и предотвращают короткое замыкание анодов с объемно-пористым катодом и, следовательно, существенно повышают эффективность работы электролизера.