Электролизер для извлечения металла из раствора
ELECTROLYZER FOR THE EXTRACTION OF METAL FROM SOLUTION

Изобретение относится к устройствам гальванотехники для электрохимических производств и может быть применено в металлургической промышленности.
Известен электролизер для извлечения металла из раствора, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями для раствора, поочередно расположенные внутри корпуса аноды и катоды, и дуговые перегородки, разделяющие аноды и катоды, при этом площадь поверхности анодов равна площади поверхности катодов [US4863580A дата публикации: 05.09.1989, МПК: C02F 1/461; C22B 3/02; C25C 7/00].
Недостатком известного технического решения является повышенная турбулизация потока электролита из-за наличия дуговых перегородок, разделяющих электроды, вследствие чего на катодах будут образовываться неравномерные слои извлекаемого металла, снижая производительность электролизера. При этом возникает необходимость увеличения напряжения на электродах для поддержания эффективности процесса электролиза, что приведет к загрязнению катодов шламом из раствора в результате образования дендритов.
Известен электролизер для извлечения металла из раствора, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями для раствора и поочередно расположенные внутри корпуса аноды из свинца и катоды из меди, при этом площадь поверхности анодов равна площади поверхности катодов [CN202148353U, дата публикации: 22.02.2012, МПК: C25C 1/10, C25C7/00].
В качестве прототипа выбран электролизер для извлечения металла из раствора, содержащий корпус, который содержит ячейки с n количеством катодов и (n+1) анодов, расположенных вертикально и параллельно, при этом катоды выполнены из меди, а аноды из свинца, осаждение металла происходит при подаче электрического тока на электроды, максимальная величина которого составляет около одной трети предельного катодного тока, при этом площадь поверхности катодов равна площади поверхности анодов или меньше нее [EP3420123A1, дата публикации: 02.01.2019, МПК: C25C 1/12, C25C 7/00, C25D 17/02].
Преимуществом прототипа над известным техническим решением является более высокая надежность из-за улучшенной конструкции расположения электродов, не требующей установки дополнительных перегородок.
Общим недостатком прототипа и известных технических решений является повышенный риск образования дендритов на поверхности катодов, поскольку общая площадь катодов равна или превышает площадь анодов, при этом образовавшиеся дендриты будут захватывать из резервуара раствор, содержащий примеси, вследствие чего происходит загрязнение катодов материалом анода и снижение производительности электролизера.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является улучшение эксплуатационных характеристик электролизера для извлечения металла из раствора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является снижение риска образования дендритов на катодах электролизера для извлечения металла из раствора с сопутствующим повышением его производительности.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Электролизер для извлечения металла из раствора, содержащий корпус, снабженный средством ввода раствора с извлекаемым металлом и, поочередно расположенные, аноды и катоды, причем катод выполнен из извлекаемого металла, в то время как анод выполнен из иного электропроводящего материала. В отличие от прототипа площадь поверхности катодов превышает площадь поверхности анодов в 1,5-2,5 раза.
Корпус может быть представлен резервуаром в виде прямоугольного параллелепипеда, цилиндра или конуса из кислотостойкого полимерного материала, например, полипропилена, полиэтилена, поливинилхлорида или из любого материала с кислотостойким покрытием. Средство для подачи электролита с извлекаемым металлом может быть представлено отверстием в корпусе, и/или трубой и насосом, соединенным с ней, и устойчивым к воздействию агрессивных сред.
Аноды и катоды под действием электрического тока обеспечивают транспортировку электронов для извлечения металла из раствора (электролита). Они могут иметь форму сеток, пластин или цилиндров. При этом аноды и катоды могут быть зафиксированы на направляющих, закрепленных в корпусе. Аноды или катоды, закрепленные на одной направляющей, могут быть представлены в виде ряда, содержащего два, три или более одноименных электродов.
Катоды обеспечивают извлечение металла посредством его восстановления из раствора до металлического состояния. Катоды выполнены из металла, извлекаемого из раствора, например, из меди, теллура, серебра, никеля, кадмия, или другого металла.
Аноды обеспечивают окисление металла за счет высвобождения электронов. Аноды выполнены из иного электропроводящего материала, под чем подразумевается материал, отличный от материала, из которого выполнены катоды. В качестве такого материала может быть представлен свинец, олово, графит или другой материал.
Площадь поверхности катодов превышает площадь поверхности анодов в 1,5-2,5 раза. При таком отношении площадей аноды за счет меньшей площади лимитируют электрический ток, ограничивая площадь контакта с электролитом, что позволяет обеспечить более равномерное образование металлического покрытия на катодах, снижая риск образования дендритов и повышая производительность электролизера.
В случае, если площадь поверхности катодов будет превышать площадь поверхности анодов меньше, чем в 1,5 раза, то может произойти снижение скорости нарастания металлического покрытия и образование дендритов на катодах. При этом увеличение силы тока при таком соотношении площадей приводит к пропорциональному увеличению скорости дендритов и осаждению материала анода на катод.
В случае, если площадь поверхности катодов будет превышать площадь поверхности анодов больше, чем в 2,5 возможность образования дендритов на катоде исключается, однако скорость нарастания металлического покрытия на нем при неизменной величине силы тока снижается, вследствие чего ухудшается производительность электролизера. В наиболее предпочтительном варианте, который обеспечивает оптимальное соотношение между отсутствием образования дендритов и производительностью электролизера, площадь поверхности катодов превышает площадь поверхности анодов в 2 раза.
Аноды и катоды расположены поочередно, что обеспечивает равномерное изменение концентрации ионов в растворе, снижая риск возможного разрушения электродов из-за возникновения перенапряжений и повышая производительность электролизера. Под поочередным расположением анодов и катодов подразумевается их разноименное размещение в корпусе вдоль направления течения раствора.
Аноды и катоды могут быть представлены в виде рядов из двух, трех и более одноименных электродов, что обеспечивает более равномерное распределение ионов извлекаемого металла в растворе на границе электролита и поверхности катодов, снижая риск образования дендритов из-за появления участков с пониженным содержанием извлекаемого металла наряду с повышением производительности электролизера.
Аноды и катоды могут быть расположены друг относительно друга в шахматном порядке, что также снижает риск образования дендритов и повышает производительность электролизера. При такой конструкции аноды и катоды образуют два, три и более ряда, которые могут быть расположены вертикально и параллельно. При этом не исключен вариант, когда в каждом ряду могут быть расположены один, два и более одноименных электродов, а разноименные электроды расположены по диагонали в разных вертикальных рядах.
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что площадь поверхности катодов превышает площадь поверхности анодов в 1,5-2,5 раза, вследствие чего аноды с меньшей площадью поверхности будут лимитировать электрический ток, ограничивая площадь контакта с электролитом, что позволяет обеспечить более равномерное образование металлического покрытия на катодах, снижая риск образования дендритов и загрязнения катода материалом анода с одновременным приростом скорости нарастания металлического покрытия на катоде.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в снижении риска образования дендритов на катодах электролизера для извлечения металла из раствора с сопутствующим повышением его производительности, тем самым улучшаются его эксплуатационные характеристики.
Изобретение обладает ранее неизвестными из уровня техники существенными признаками, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известен электролизер, у которого площадь поверхности катодов равна площади поверхности анодов. Также из уровня техники известен электролизер, у которого площадь поверхности катодов равна площади поверхности анодов.
Однако электролизер с площадью поверхности катодов, превышающей площадь поверхности анодов в 1,5-2,5 раза, неизвестен. Также не известно влияние этого признака на эффект, заключающийся в снижении риска образования дендритов на катодах электролизера с сопутствующим повышением его производительности, который достигается за счет снижения площади поверхности анодов и ограничения воздействия электрического тока на катоды. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими фигурами и таблицами.
Фиг. 1 - Аппаратурная схема электролизера для извлечения металла из раствора.
Фиг. 2 - Схема расположения электродов в шахматном порядке, вид сверху.
Фиг. 3 - Таблица с показателями эффективности работы электролизера с медными катодами и свинцовыми анодами.
Фиг. 4 - Таблица с показателями эффективности работы электролизера с никелевыми катодами и графитовыми анодами.
Фиг. 5 - Таблица с показателями эффективности работы электролизера с кадмиевыми катодами и цинковыми анодами.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлены варианты его осуществления, которые могут быть любым образом изменены или дополнены, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленными вариантами.
Электролизер для извлечения металла из раствора содержит корпус 1, средство ввода электролита в виде раствора медного купороса, состоящее из трубы 2, соединенной с насосом 5, медные катоды 3 и свинцовые аноды 4, подключенные к источнику питания (не показан на чертежах) и расположенные поочередно.
Изобретение работает следующим образом.
При помощи насоса 5 электролит в виде раствора медного купороса подается в трубу 2, из которой поступает в электролизер с электродами в виде катодов 3 и анодов 4, при этом используются катоды 3 с разной общей площадью поверхности относительно общей площади поверхности анодов 4.
2
2+
+
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Электрический ток, плотностью - 84 А/м,подается на электроды посредством подключенного к ним источника питания (не показан на чертежах) постоянного тока. На анодах 4 протекает химическая реакция Pb + 2OНˉ → Pb(OH), где Pb(OH)↓ можно рассматривать как слабую кислоту или слабое основание HPbO ↔ 2H + РbОˉ , после чего на анодах 4 выпадает оксид свинца в виде плотного осадка РbОˉ - 2еˉ → РbО↓, что снижает риск загрязнения катодов 3 свинцом.
2+
ˉ
0
Высвободившиеся электроны поступают на катоды 3, передающие их ионам меди, которые восстанавливаются на поверхности катодов 3 в виде меди Сu + 2е → Сu. Аноды 4 за счет меньшей площади лимитируют электрический ток, ограничивая площадь контакта с электролитом, что позволяет обеспечить более равномерное образование медного покрытия на катодах 3, снижая риск образования дендритов и повышая производительность электролизера.
При этом конструкция электролизера, в котором катоды 3 и аноды 4 поочередно расположены в шахматном порядке, обеспечивает дополнительный эффект, заключающийся в снижении риска образования дендритов и повышении производительности электролизера за счет более равномерного распределения ионов меди в растворе на границе электролита и поверхности катодов 3.
Таким образом на катодах 3 не будет возникать отдельных участков с пониженным содержанием меди, из-за которых снижается площадь контакта с электролитом, что потребует подачи более высоких величин токов.
Для подтверждения вышеуказанных сведений проводится 14-ти дневный эксперимент, в процессе которого визуально фиксируется образование дендритов на катодах 3, а масса извлеченного металла фиксируется посредством взвешивания всех катодов 3 после завершения эксперимента.
Изобретение поясняется следующими экспериментальными данными.
Пример 1.
1
2
Электролит был представлен в виде раствора медного купороса, а электролизер содержал медные катоды 3 и свинцовые аноды 4, при этом площадь S поверхности катодов 3 была равна площади S поверхности анодов 4. Скорость нарастания медного покрытия на катодах 3 составляла 3,8 кг/сутки, однако уже через сутки было зафиксировано образование дендритов на катодах 3, составляющих 0,7 масс % медного покрытия, после чего эксперимент остановили.
Пример 2.
1
2
По примеру 1, при этом площадь поверхности катодов 3 превышала площадь поверхности анодов 4 (S/S) в 1,5 раза. Образование дендритов зафиксировано не было, при этом скорость нарастания медного покрытия на катодах 3 составляла 5,2 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось медное покрытие общей массой 72,8 кг.
Пример 3.
1
2
По примеру 1, при этом S/S = 2, скорость нарастания медного покрытия на катодах 3 составляла 9,0 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось медное покрытие массой 126,0 кг.
Пример 4.
1
2
По примеру 1, при этом S/S = 2,5. Скорость нарастания медного покрытия на катодах 3 составляло 8,9 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось медное покрытие массой 124,6 кг.
Пример 5.
1
2
По примеру 1, при этом S/S = 3. Скорость нарастания медного покрытия на катодах 3 составляло - 8,7 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось медное покрытие массой 121,8 кг.
Пример 6.
1
2
Электролит был представлен в виде раствора сульфата никеля, а электролизер содержал никелевые катоды 3 и графитовые аноды 4, при этом площадь S поверхности катодов 3 была равна площади S поверхности анодов 4. Скорость нарастания медного покрытия на катодах 3 составляла 2,9 кг/сутки, однако уже через сутки было зафиксировано образование дендритов на катодах 3, составляющих 0,63 масс.% никелевого покрытия, после чего эксперимент остановили.
Пример 7.
1
2
По примеру 6, при этом S/S = 1,5. Образование дендритов зафиксировано не было. Скорость нарастания никелевого покрытия на катодах 3 составляло 4,2 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось никелевое покрытие массой 58,8 кг.
Пример 8.
1
2
По примеру 6, при этом S/S = 2,0. Образование дендритов зафиксировано не было. Скорость нарастания никелевого покрытия на катодах 3 составляло 7,7 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось никелевое покрытие массой 107,8 кг.
Пример 9.
1
2
По примеру 6, при этом S/S = 2,5. Образование дендритов зафиксировано не было Скорость нарастания никелевого покрытия на катодах 3 составляло 7,6 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось никелевое покрытие массой 106,4 кг.
Пример 10.
1
2
По примеру 6, при этом S/S = 3,0. Образование дендритов зафиксировано не было Скорость нарастания никелевого покрытия на катодах 3 составляло 7,4 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось никелевое покрытие массой 103,6 кг.
Пример 11.
1
2
Электролит был представлен в виде раствора сульфата кадмия, а электролизер содержал катоды 3 из кадмия и аноды 4 из цинка, при этом площадь S поверхности катодов 3 была равна площади S поверхности анодов 4. Скорость нарастания медного покрытия на катодах 3 составляла 4,7 кг/сутки, однако уже через сутки было зафиксировано образование дендритов на катодах 3, составляющих 0,88 масс % кадмиевого покрытия, после чего эксперимент остановили.
Пример 12.
1
2
По примеру 11, при этом S/S = 1,5. Образование дендритов зафиксировано не было. Скорость нарастания кадмиевого покрытия на катодах 3 составляло 6.9 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось кадмиевое покрытие массой 96,6 кг
Пример 13.
1
2
По примеру 11, при этом S/S = 2,0. Образование дендритов зафиксировано не было. Скорость нарастания кадмиевого покрытия на катодах 3 составляло 12,8 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось кадмиевое покрытие массой 179,2 кг.
Пример 14.
1
2
По примеру 11, при этом S/S = 2,5. Образование дендритов зафиксировано не было. Скорость нарастания кадмиевого покрытия на катодах 3 составляло 12,7 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось кадмиевое покрытие массой 177,8 кг.
Пример 15.
1
2
По примеру 11, при этом S/S = 3,0. Образование дендритов зафиксировано не было. Скорость нарастания кадмиевого покрытия на катодах 3 составляло 12,4 кг/сутки. За 14 суток на катодах 3 образовывалось кадмиевое покрытие массой 173,6 кг.
1
2
Таким образом в примерах 1, 6 и 11, где S/S было равно 1 эксперимент был остановлен из-за образования дендритов. В процессе эксперимента все варианты электролизера, в которых соотношения площади поверхности катодов 3 к площади поверхности анодов 4 составляли от 1,5-2,5, продемонстрировали отсутствие образования дендритов на поверхности катодов 3, при этом наилучшие результаты были показаны в примерах 3, 8 и 13 с величиной соотношения площади катодов 4 к площади анодов 3, равной 2,0, В вариантах этого электролизера не только не образовывались дендриты, но и производительность электролизера была максимальной. В примерах 5, 10 и 15 скорость нарастания покрытия начала снижаться из-за высокой разницы (3 раза) в отношении площади поверхности катодов 4 к площади поверхности анодов 3.
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в снижении риска образования дендритов на катодах электролизера для извлечения металла из раствора с сопутствующим повышением его производительности, тем самым улучшаются его эксплуатационные характеристики.