Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки растворов и может быть использовано для электролитического извлечения металлов или проведения окислительно-восстановительных процессов. Автономный электрохимический модуль для обработки растворов включает вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе проточного объемно-пористого электродного материала, токоподвод анода и катода, соединенные с источником постоянного тока, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера и сообщающуюся с межэлектродным пространством, и индикатор предельного заполнения катода металлом. При этом узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим периодическую реверсивную циркуляцию раствора через катод, сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и на внешней стороне ее закреплен проточный объемно-пористый материал катода, дополнительно модуль снабжен электродом сравнения, соединенным с входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй соединен с токоподводящими устройствами электродов, и внешним анодом, соединенным с внутренним анодом. Использование данного изобретения позволяет повысить надежность и эффективность работы модуля. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2172796
Класс(ы) патента: C25C7/00, C25C1/20
Номер заявки: 2000114134/12
Дата подачи заявки: 02.06.2000
Дата публикации: 27.08.2001
Заявитель(и): Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
Автор(ы): Вайс А.А.; Маслий А.И.; Захаров М.А.
Патентообладатель(и): Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
Описание изобретения: Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки растворов и может быть использовано для электролитического извлечения металлов или проведения окислительно-восстановительных процессов.
Известно устройство 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 чревато потерей благородных металлов. Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является погружной электрохимический модуль для обработки растворов, содержащий вертикально расположенный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, размещенным в нижней части электролизера с коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе объемно-пористого проточного электродного материала (пористой матрицы), зажатого с двух сторон прижимной сеткой и сетчатым токоподводом, сборную камеру, расположенную в нижней части электролизера и сообщающуюся через каналы с межэлектродным пространством, образованным анодом и катодом, подсоединенными к источнику постоянного тока посредством токоподводов, и индикатором предельного заполнения пористой матрицы катода металлом (свидетельство РФ на полезную модель N 5184, C 25 B 7/00, 16.10.1997).
Недостатками прототипа являются невысокая эффективность работы, характеризуемая количеством металла, осаждаемого на единицу массы пористой матрицы, а также недостаточная надежность в работе, создающая неудобства при обслуживании.
Так, нижнее расположение узла прокачки раствора при верхнем расположении электродвигателя к нему требует установки длинного вала, соединяющего электродвигатель с крыльчаткой. Наличие взвешенных частиц в реальных производственных растворах приводит к износу трущихся частей узла прокачки раствора и возникновению вибрации, что в конечном итоге приводит к поломкам.
Используемая в прототипе пористая матрица катода зажата с двух сторон токонепроводящей сеткой и сетчатым токоподводом, соединенным с источником постоянного тока. Это приводит к тому, что пористая матрица катода находится в зажатом состоянии, что уменьшает ее пористость, блокирует часть ее поверхности. В процессе работы пористая матрица срастается с зажимающей ее сеткой и сетчатым токоподводом. Ее последующее отделение с целью дальнейшей переработки превращается в весьма трудоемкую ручную операцию, чреватую потерями выделяемого металла.
Фронтальная подача раствора, недостаточная пористость и малая глубина проникновения электродного процесса внутрь "зажатой" пористой матрицы катода приводит к быстрому снижению ее проходимости для обрабатываемых растворов и концентрации металла на фронтальной стороне катода, что усиливает дендритообразование и осыпание металла с поверхности катода.
Наиболее крупные дендриты осыпаются и блокируют каналы, соединяющие межэлектродное пространство со сборной камерой. Со временем это приводит к короткому замыканию с анодом. При подъеме погружного электрохимического модуля из раствора скопившийся в основании межэлектродного пространства осадок металла захватывается выходящим раствором и через каналы подачи попадает в слив отработанного раствора, то есть теряется.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в повышении надежности и эффективности работы электрохимического модуля, а также в упрощении его обслуживания.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом автономном электрохимическом модуле для обработки растворов, включающем вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора и коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе объемно-пористого проточного материала (пористой матрицы), токоподводы анода и катода, соединенные с источником постоянного тока, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера и сообщающуюся с межэлектродным пространством, и индикатор предельного заполнения катода металлом, узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим переменное направление циркуляции раствора через пористую матрицу катода, на внешней стороне сборной камеры закреплен проточный объемно-пористый материал катода, дополнительно модуль снабжен электродом сравнения, соединенным со входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй соединен с токопроводящими устройствами электродов, а также внешним анодом, соединенным с внутренним анодом.
Катод автономного электрохимического модуля предпочтительно выполнен из металлизированного синтепона (утеплителя объемного) и снабжен локальным кольцевым токоподводом, установленным на внешней стороне верхней части электролизера.
Индикатор предельного заполнения катода металлом выполнен в виде выталкиваемого поршня, соединенного или с самоблокирующим указателем, или с устройством включения сигнализации, или с устройством регулировки скорости протока раствора, или с устройством выключения модуля.
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:
- узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим периодическую реверсивную циркуляцию раствора через катод;
- сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и на внешней стороне ее закреплен проточный объемно-пористый материал катода;
- дополнительно модуль снабжен электродом сравнения;
- электрод сравнения соединен со входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй - соединен с токопроводящими устройствами электродов;
- дополнительно модуль снабжен внешним анодом, соединенным с внутренним анодом.
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". Компактное расположение узла прокачки раствора в верхней части электролизера упрощает конструкцию электрохимического модуля, способствует сокращению расхода электроэнергии за счет уменьшения нагрузки на электродвигатель, что позволяет без дополнительных затрат увеличить скорость протока раствора и повысить эффективность электролиза.
Периодическая перемена направления подачи раствора через проточный объемно-пористый катод обеспечивает доставку к тыльной и фронтальной сторонам электродного материала более концентрированного раствора, что способствует более равномерному распределению металла по толщине электродного материала и более полному заполнению пористой матрицы осадком металла.
Контроль потенциала, изменяющегося в процессе работы, с помощью электрода сравнения предотвращает возможное разложение раствора и обеспечивает оптимальное регулирование тока электролиза при фронтальном и тыльном направлениях протока раствора через объемно-пористый катод.
Сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и соединена верхним своим концом с катодом, что обеспечивает беспрепятственное поступление в камеру осыпающегося металла, исключает его потери и упрощает обслуживание.
Внешний анод заявляемого технического решения, соединенный с внутренним, служит для достижения максимально возможного количества металла, осаждаемого на единицу массы пористой матрицы.
Предпочтительно в заявляемом техническом решении в качестве катода на основе проточного объемно-пористого материала, использовать металлизированный синтепон (утеплитель объемный -ТУ-075 061-04-66-93), который благодаря высокой электропроводности и прочности исключает необходимость в прижимном проточном токоподводе и прижимной сетке (достаточно иметь локальный кольцевой токоподвод), что значительно упрощает его конструкцию и обслуживание при установке и удалении пористой матрицы с осажденным металлом.
В результате создаются условия эксплуатации электродного материала в свободном, "несжатом" состоянии, благодаря чему устраняются указанные выше недостатки, вызванные частичным экранированием поверхности электродного материала, облегчается распространение целевого процесса на всю толщину проточного объемно-пористого катода, а также увеличивается количество осаждаемого металла на единицу массы пористой матрицы.
Индикатор предельного заполнения катода металлом, выполненный в виде выталкиваемого поршня и соединенный с самоблокирующим указателем или устройством включения сигнализации, или с устройством регулировки скорости протока раствора, или с устройством выключения модуля, прост, надежен и удобен в эксплуатации.
На чертеже схематически изображен автономный электрохимический модуль для обработки растворов, продольный разрез.
Автономный электрохимический модуль для обработки растворов содержит вертикально расположенный цилиндрический проточный электролизер 1, соединенный с узлом прокачки раствора 2, катод 3, выполненный на основе проточного объемно-пористого материала, внутренний анод 4 и внешний анод 5, электрод сравнения 6, соединенный со входом потенциостата 7, первый выход которого 8 подключен к электродвигателю 9 узла прокачки раствора, а второй 10 соединен с токоподводящими устройствами 11 и 12, соединенных с внутренним анодом 4 и катодом 3 предпочтительно с помощью локального токоподводящего кольца 13, сборная камера 14, открытая со стороны межэлектродного пространства. Катод на основе проточного объемно-пористого материала 3 закреплен на внешней стороне электролизера 1 и соединен с локальным токоподводящим кольцом 13 с одной стороны, а с другой стороны закреплен на внешней стороне сборной камеры 14. Модуль содержит также индикатор предельного заполнения объемно-пористого материала катода металлом, выполненного в виде поршня 15 и самоблокирующего указателя предельного заполнения 16.
Автономный электрохимический модуль работает следующим образом.
Перед началом работы для предотвращения возможного разложения раствора и достижения высокой скорости и высокой степени извлечения металла устанавливается оптимальное значение потенциала в потенциостате 7. Автономный электрохимический модуль погружается в емкость с раствором. Электрические выводы потенциостата 7 подключаются к соответствующим клеммам автономного электрохимического модуля. С помощью электродвигателя 9 приводится во вращение крыльчатка 17 и раствор подается в межэлектродное пространство, проходит через объемно-пористый электродный материал 3 и поступает в общий объем раствора. 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. При прохождении электрического тока на объемно-пористом электродном материале протекают процессы восстановления, например восстановления ионов металла до металла. Через заданное время плавно меняется напряжение питания электродвигателя 9 на противоположное, при этом изменяется направление протока раствора через электродный материал. В этом случае раствор поступает в межэлектродное пространство через объемно-пористый электродный материал и его концентрация по ионам металла ниже, чем на входе, вследствие чего возрастает падение напряжения на участке электрод сравнения 6 - электродный материал 3. Потенциостат 7 уменьшает ток электролиза так, чтобы потенциал электрода сравнения 6 не превышал заданного значения.
Автоматическая регулировка тока электролиза происходит также и в процессе постепенного обеднения раствора. Во время электролиза частицы металла, не закрепившиеся на катоде, осыпаются и беспрепятственно попадают в сборную камеру 14. По мере заполнения металлом пористого катода (при постоянной скорости протока) его гидродинамическое сопротивление растет, а при фронтальной подаче раствора давление в межэлектродном пространстве будет повышаться. Из-за повышения давления происходит выталкивание поршня 15, соединенного с самоблокирующим указателем предельного заполнения 16 пористой матрицы металлом, указывающего на необходимость ее замены. Следует отметить, что поршень 15 может быть соединен с устройствами включения сигнализации, регулировки скорости протока раствора, выключения модуля и т.д.
Для улучшения равномерности работы пористого катода и достижения максимального количества металла, осаждаемого на электродном материале, используется внешний анод 5, соединенный с внутренним анодом 4. При достижении минимального значения тока электролиза, соответствующего заданной минимальной концентрации металла в растворе, потенциостат 7 выдает сигнал об окончании электролиза.
Изготовлен опытный образец автономного электрохимического модуля и проведены его сравнительные испытания с постоянно действующим на электролизном участке издательско-полиграфического предприятия "Советская Сибирь" погружным электрохимическим модулем ПМ-1 - прототип. Процесс извлечения серебра из отработанных фиксажный растворов проводили без разделения электродных пространств. Катод прототипа представляет один слой углеродного войлока типа КНМ (видимая поверхность 20 дм2, исходный вес 55 г, толщина 0,4 см), зажатый между токонепроводящей сеткой и цилиндрическим сетчатым токоподводом. Катод заявляемого автономного электрохимического модуля представляет один слой синтепона, металлизированного серебром (видимая поверхность 20 дм2, исходный вес 27 г, толщина слоя 1,3 см), соединенного с локальным кольцевым токоподводом. Осаждение серебра из новых порций фоторастворов вели до прекращения протока раствора через объемно-пористый катод (заполнение катода металлом). В прототипе на это указывало появление раствора из специального штуцера. После разборки катодов и сушки пористых матриц масса углеродного войлока типа КНМ, заполненного металлом, составила 1376 г, а масса синтепона с осадком металла 5208 г.
Таким образом, конструктивные отличия предложенного автономного электрохимического модуля и их взаимосвязи в сравнении с прототипом позволяет повысить надежность и эффективность работы модуля, обеспечить рост количества металлического осадка на единицу массы пористой матрицы, а также большую периодичность замены катода и значительное упрощение в его обслуживании.
Формула изобретения: 1. Автономный электрохимический модуль для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе проточного объемно-пористого электродного материала, токоподвод анода и катода, соединенные с источником постоянного тока, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера и сообщающуюся с межэлектродным пространством, и индикатор предельного заполнения катода металлом, отличающийся тем, что узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим периодическую реверсивную циркуляцию раствора через катод, сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и на внешней стороне ее закреплен проточный объемно-пористый материал катода, дополнительно модуль снабжен электродом сравнения, соединенным с входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй соединен с токоподводящими устройствами электродов, и внешним анодом, соединенным с внутренним анодом.
2. Автономный электрохимический модуль по п.1, отличающийся тем, что катод на основе объемно-пористого электродного материала выполнен из металлизированного синтепона и снабжен локальным кольцевым токоподводом, установленным на внешней стороне верхней части электролизера.
3. Автономный электрохимический модуль по п.1, отличающийся тем, что индикатор предельного заполнения катода металлом выполнен в виде выталкиваемого поршня, соединенного или с самоблокирующим указателем, или с устройством включения сигнализации, или с устройством регулировки скорости протока, или с устройством выключения модуля.