ЭЛЕКТРОЛИЗЁР ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПЛАТИНОВОЙ ГРУППЫ ИЗ ОТРАБОТАННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАТОВ ПЛАТИНОИДОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И МЕДИ

Полезная модель относится к конструкции электролизера для эффективного извлечения металлов платиновой группы (МПГ) из отработанных катализаторов и металлических концентратов платиноидов на основе железа и меди.
Известны лабораторные установки электрохимического извлечения МПГ из отработанных катализаторов, в которых генерация хлора происходит в отдельном электролизере [1, 2]. Далее хлор поступает в отдельный реактор с помещенным образцом катализатора для выщелачивания МПГ. Перемешивание осуществляется мешалкой. Основным недостатком данной установки является отсутствие возможности использования активного атомарного хлора. Атомарный хлор, генерированный в электролизере, при выщелачивании в отдельном реакторе, успевает рекомбинировать в молекулярный. Данное обстоятельство снижает кинетику процесса и процент извлечения МПГ. Кроме того, перемешивание сырья при выщелачивании возможно при повышенном соотношении Жидкое/Твердое (Ж/Т). Это приводит к нежелательному увеличению объемов растворов. В итоге в установке получается раствор, содержащий МПГ, который должен дополнительно поступать на извлечение этих металлов.
3
Известен промышленный электрохлоратор (объем 200 дм, производительность 20 кг/сутки) для растворения богатых концентратов платины [3]. Данная конструкция, как и предыдущая, позволяет только растворять платину активным хлором, но не предусматривает ее выделение из раствора. Для этого требуется дополнительная технологическая стадия. В отходящих газах содержится HCl, который частично возвращается в анодную камеру обратным холодильником, а газовый проскок утилизируется. Перемешивание анолита, богатого хлором осуществляется турбинной мешалкой. Однако эффективность процесса переработки катализаторов достигается при производительности аппарата не менее 1000 кг/сутки. Следовательно, перемешивание сырья потребует увеличенного расхода растворов соляной кислоты и, в сою очередь, сбросных растворов на утилизацию.
Известна лабораторная установка (загрузка до 1,6 кг) для извлечения МПГ из катализаторов, в которой переработки сырья (генерация активного хлора и электросаждение МПГ из раствора) происходят в одном и том же электролизере. Гидрохлорирование и выщелачивание сырья происходит в отдельном реакторе [4]. При этом осуществляется циркуляция электролита через фильтрующие колонну, теплонагреватель и перемешивание сырья мешалкой в реакторе для выщелачивания. Данная установка имеет выше перечисленные недостатки и малоэффективна для промышленного внедрения.
Наиболее близким по конструкции для решения поставленной задачи является промышленный электролизер для извлечения золота из руды, описанный в [5]. Электролитическая ванна имеет цилиндрическую форму с вертикально поставленными электродами, катодную диафрагму и механическое устройство в анодном пространстве для перемешивания анолита, состоящего из смеси твердой и жидкой фаз. Катод ванны цилиндрической формы, изготовленный из перфорированного железа, вставлен в дно ванны и упирается в крышку. Цилиндрический анод помещен в центре ванны и состоит из графитовых пластин, скрепленных между собой. Механическое перемешивание пульпы осуществляется мешалкой, укрепленной на валу, проходящем в центре ванны. Пульпа подается в анолитное пространство, далее попадает в катодную зону, где происходит электроосаждение растворенного золота. Данная конструкция предполагает прокачку пульпы и ее перемешивание, что в условиях мелкодисперсного сырья приводит к забивкам мембран, насосов, увеличенному соотношению Жидкое/Твердое (Ж/Т). В конструкции не предусмотрен подогрев пульпы. Так же недостатком конструкции является невозможность проведения растворения платиноидов и одновременного выделения обогащенного концентрата платиноидов на катоде и регенерации электролита.
Техническим результатом полезной модели является создание устройства, позволяющего в одной установке проводить растворение платиноидов с поверхности сырья и одновременно выделять на катоде обогащенный концентрат платиноидов, а также производить регенерацию электролита, что повышает производительность процесса выделения высококонцентрированных платиноидов, сокращает время процесса и увеличивает процент извлечения платиноидов, а так же сводит к минимуму вредное экологическое воздействие процесса.
Предлагается электролизер для извлечения металлов платиновой группы из отработанных катализаторов и металлических концентратов платиноидов на основе железа и меди, содержащий цилиндрический металлический корпус, электроизолированные от корпуса нижнюю крышку и верхнюю крышку с отводящим патрубком, подключенные к источнику постоянного тока аноды-протекторы и перфорированный цилиндрический катод в катодной кассете с мембраной, расположенной вертикально в центре корпуса, при том, что он дополнительно содержит попарно расположенные на внутренней поверхности корпуса и электроизолированные от него электроды, соединенные через гермовводы в корпусе с источником переменного тока, а верхняя крышка дополнительно снабжена запорным проходным клапаном, соединенным через патрубок с устройством для конденсации паров электролита и их перегонки в накопительный приемник регенерированного электролита для повторного применения, при этом аноды-протекторы расположены на внутренней поверхности корпуса, а внешняя поверхность корпуса снабжена электроизолирующим покрытием.
При этом в частном случае, каждая пара электродов переменного тока расположена вертикально по образующей диаметрально друг против друга.
В другом частном случае количество пар электродов переменного тока выбирают не более двух, причем каждая пара электродов подключена к независимому источнику переменного тока.
В третьем частном случае каждая пара анодов-протекторов расположена вертикально по образующей диаметрально друг против друга между электродами переменного тока, а количество пар анодов-протекторов выбирают не более двух.
Ниже приведен пример конкретной реализации устройства. Он поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1-3
На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов установки с одной парой электродов переменного тока и двумя анодными пластинами.
На фиг. 2 представлена схема расположения электродов (вид сверху) для данного варианта установки.
На фиг. 3 представлен вариант установки с двумя парами электродов переменного тока и четырьмя анодами пластинами (схема расположения электродов, вид сверху).
Позициями на чертежах обозначены:
1 - цилиндрический металлический корпус;
2 - верхняя крышка из кислотостойкого материала;
3 - нижняя крышка из кислотостойкого материала;
4 - тепло-электроизоляционное покрытие;
5 - прокладки;
6 - перфорированный цилиндрический катод;
7 - катодная кассета с мембраной;
8 - анодные пластины из титана с покрытием из оксидов рутения, титана и иридия;
9 - электроизоляторы;
10 - электроды переменного тока;
11 - гермовводы;
12 - проходной запорный клапан;
13 - патрубок;
14 - химический нисходящий холодильник;
15 - накопительная емкость;
16 - источник постоянного тока;
17 - источник переменного тока.
Установка состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, верхней 2 и нижней крышки 3 из кислотостойкого материала. На поверхность корпуса и крышек нанесено тепло-электроизоляционное покрытие 4. Корпус элетроизолирован от крышек за счет прокладок 5. В центре вертикально расположен перфорированный цилиндрический катод 6 в катодной кассете с мембраной 7. На внутренней поверхности корпуса расположены анодные пластины из титана с покрытием из оксидов рутения, титана и иридия 8. Также на внутренней поверхности корпуса на электроизоляторах 9 расположены электроды переменного тока 10. Электроды 9 через гермовводы 11 в корпусе подсоединены к отдельному источнику переменного тока. На верхней крышке 2 расположен проходной запорный клапан 12 и патрубок 13, соединенный через химический нисходящий холодильник 14 с накопительной емкостью 15. Кроме того, установка содержит источник постоянного тока 16 и переменного тока 17.
Предлагаемая установка работает следующим образом. В межэлектродное пространство загружается отработанный катализатор, содержащий МПГ. Установка заполняется электролитом на основе соляной кислоты. Проходной запорный клапан 12 перекрывается. Далее в переменном токе, генерируемым источником, 17 происходит разогрев электролита за счет прямого пропускания переменного тока между электродами 10 до необходимой температуры и давления процесса. Максимально полный процесс извлечения МПГ с керамического носителя (сырья) в электролит достигается только при температурах выше 100°С, а следовательно, в условиях повышенного давления и максимальной концентрации хлора. При выходе на заданную температуру подается постоянный ток от источника 16 в радиальном направлении с выделением атомарного хлора на анодных пластинах 8. Наложение переменного и постоянного тока от независимых источников тока приводит, при наличии активного окислителя (атомарного хлора), к интенсивному выделению водорастворимых форм платиноидов в электролит с поверхности сырья. Одновременно происходит выделение богатого концентрата платиноидов на катоде 6. В условиях повышенной температуры происходит интенсивное испарение электролита. При периодическом открытии проходного запорного крана 12 расположенного на патрубке 13, пары электролита попадают в нисходящий холодильник 14 и конденсируются в накопительной емкости 15. Образуется регенерированный электролит для повторного применения. Испарение электролита приводит к снижению его уровня в межэлектродном пространстве и одновременно к повышению концентрации платиноидов в электролите. Это, в свою очередь, приводит к интенсификации кинетики выделения платиноидов на катоде 6. Процесс ведут до полного испарения электролита и его переконденсации в накопительной емкости 15.
При необходимости, процесс можно вести при атмосферном давлении. В этом случае проходной запорный клапан 12 не перекрывается, а испарение электролита при повышенной температуре и его конденсация могут происходить естественным путем.
В случае обработки сырья в виде металлических концентратов платиноидов на основе железа и меди процесс ведут аналогично. Отличием является условие корректировки содержания соляной кислоты в водном растворе. Процесс ведут с одновременным выделением на аноде атомарного хлора и повышенной концентрации кислорода. Это приводит к пассивации платиноидов и интенсивному хлорированию основы - меди и железа. В этом случае медь и железо выделяются на катоде, а концентрат платиноидов скапливается в шламе на дне установке. Наличие переменного тока при условии сырья с повышенной проводимостью приводит к постоянной переменной поляризации сырья и его интенсивному растворению в электролите.
Все выше перечисленные преимущества заявляемого электролизера делают установку эффективной для промышленного внедрения.
Таким образом, в одной установке возможно проводить растворение платиноидов с поверхности сырья и одновременно выделять на катоде обогащенный концентрат платиноидов, а также производить регенерацию электролита, что повышает производительность процесса выделения высококонцентрированных платиноидов, сокращает время процесса и увеличивает процент извлечения платиноидов, а так же сводит к минимуму вредное экологическое воздействие процесса.
Список литературных источников
1. Upadhyay А.K., Jae-chun Lee, Eun-young Kim, Min-seuk Kim, Byung-Su Kim, Vinay Kumar. «Leaching of platinum group metals (PGMs) from spent automotive catalyst using electro generated chlorine in HCl solution». - Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2013, Vol. 88, No. 11. p. 1991-1999
2. Min-Seuk Kim and other «A novel zero emission concept for electrogenerated chlorine leaching its application to extraction of platinum group metals from spent automotive catalyst». - Hydromeallurgy, 2016, Vol. 159, p. 19-27.
3. Коник К.П. и др. «Электрохлоратор для растворения шлиховой платины». - Цветные металлы, 2016, №12
4. Чернышева О.В., Чернышев В.И. «Извлечение рения и платины из отработанных катализаторов нефтепереработки методом электрохимического гидрохлорирования». - Цветные металлы, 2013, №1
5. В.И. Максимов «Электрохлоринация как метод комплексного извлечения металлов». - Москва: Металлургиздат, 1955. - 160 с. (с. 120, рис. 47, 48)