Электролизер для извлечения металлов из растворов

 

Изобретение относится к области гидрометаллургии и может быть использовано для получения алюминия. Сущность изобретения: электролизер состоит из отклоняющей магнитной системы, в межполюсном зазоре магнита которой установлена ванна с электродами (катодами и анодом), разбитая на отдельные электролитические ячейки при помощи перегородок, расположенных вдоль силовых линий поля (т.е. радиально) и образующих профиль ячеек в плоскости, перпендикулярной этим силовым линиям, расширяющейся в сторону расположения катодов. 3 ил.

Изобретение относится к технике электролитического осаждения металлов из водных растворов и может быть использовано, например, для извлечения алюминия из алюминатного раствора, а также растворов сульфата или хлорида алюминия.

Известен электролизер [1] для извлечения металлов из растворов, включающий в себя источник магнитного поля, закрепленный на магнитопроводе, выполненном в виде двух разнополюсных цилиндрических частей с кольцевым зазором между ними, и ванну с соединенными между собой электродами, установленную в кольцевом зазоре, выполненную из магнитопроницаемого материала с возможностью вращения. При вращении ванны с раствором последний пересекается магнитными силовыми линиями, что вызывает перемещение разнозаряженных ионов за счет силы Лоренца, и противоположным торцом ванны к тому или иному электроду (катоду и аноду). Ввиду соединения электродов между собой на них происходит разрядка ионов, т.е. восстановление элементов.

Недостатком данного электролизера является то, что ванна в процессе работы находится во вращении, что не позволяет проводить электролиз непрерывно. Это усложняет эксплуатацию и снижает производительность устройства. Положительным фактором является то, что поляризация электродов не вызывает сокращение потока (диффузии) ионов к электродам, т.к. движение их обусловлено силой магнитного поля (силой Лоренца), а не электрического.

Известен также электролизер [2] лишенный указанного недостатка, состоящий из источника магнитного поля (соленоида), закрепленного на внутренней (осевой) части магнитопровода, установленного с возможностью вращения относительно его наружной части. При этом разноименные полюса внутренней и наружной частей магнитопровода образуют кольцевой зазор, в котором установлена ванна, выполненная из неэлектропроводного и немагнитного материала, закрепленная на наружной части магнитопровода. В верхней части кольцеобразной ванны расположен один электрод, а в нижней другой, соединенные между собой проводниками.

При вращении соленоида вместе с внутренней частью магнитопровода (можно, в принципе, вращать только один соленоид или всю магнитную систему) раствор в ванне пересекается магнитными линиями, что приводит к перемещению разнозаряженных ионов, как и в случае аналога [1] к электродам (аноду и катоду) с последующей разрядкой ионов.

Недостатком электролизера является ограниченность его применения ввиду невозможности использования для извлечения, например, алюминия из водного раствора, что является недостатком всех известных электролизеров.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. создание возможности электролиза алюминия из водного раствора.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции электролизера [2] ванна выполняется из отдельных электролитических ячеек за счет установки в ванне перегородок, располагаемых плоскостями вдоль силовых линий поля магнита (т.е. перпендикулярно плоскостям полюсов) и делящих (условно) каждую ячейку на две зоны, в одной из которых установлены электроды (катоды) для восстановления водорода и металла, а в другой установлен анод для кислорода. При этом один из катодов делит зону на две части для отдельного восстановления водорода и металла, а сами ячейки имеют расширяющийся в сторону движения ионов водорода и металла профиль для создания возможности разделения этих ионов.

На фиг.1 дан разрез общего вида предлагаемого электролизера (с разрезом левой части ванны в сечении А А, а правой в сечении Б Б); на фиг.2 - вырез вида сверху; на фиг.3 дан разрез двух ячеек ванны по окружности перпендикулярно силовым линиям магнита.

Электролизер состоит из источника 1 (соленоида) магнитного поля, установленного на внутренней части 2 магнитопровода, имеющего также наружную часть 3, образующие отклоняющую магнитную систему, в межполюсном кольцевом зазоре которой неподвижно закреплена магнитопроницаемая ванна 4 с электродами 5, 6, 7, снабженными проводниками 8, 9, 10, соединяющими электроды 5, 6 между собой (проводник 9), а также соединяющие их с электродом 7 через внешнюю часть магнитопровода 3 (проводники 8, 10). При этом проводники 8, 10 выполняются скользящими, если наружная часть 3 устанавливается с возможностью вращения от вала 11.

Ванна 4 выполнена из отдельных электролитических ячеек 12 путем разделения ее перегородками 13.

Кроме того возможна другая конструкция ячейки, когда существует лишь один катод, являющийся общим для ионов водорода и алюминия (нижняя часть 6 для одних ионов, верхняя часть 5 для других). В принципе ничего не меняется, но в этом случае разделение ионов может быть менее надежным.

Электролизер работает следующим образом. В ванну 4 до выступа перегородки 13 (указано пунктиром) заливается раствор, из которого необходимо, например, извлечь алюминий. Поверх этого раствора заливается гидрофобная неэлектропроводная жидкость (например, из разряда органических соединений - углеводороды, эфиры, альдегиды и т.п.). Затем на соленоид 1 через скользящие контакты подается постоянный ток и он или вся магнитная отклоняющая система (можно вращать только одну часть 2 вместе с соленоидом 1) приводится во вращение на валу 11. В результате под действием силы Лоренца: F qVB, где q заряд иона, V линейная скорость движения магнитного поля относительно ионов, В магнитная индукция, начинается движение ионов (поток ионов водорода и алюминия условно показан кривыми на фиг.3) к электродам 5, 6, 7. Кривизна траекторий определяется выражением: R (mV)/(qB), где m масса иона.

Главное при электролизе алюминия из водного раствора это направить ионы алюминия и водорода на разные катоды или на разные части одного катода, чтобы ионы водорода как более подвижные и электроположительные не оккупировали весь катод и не препятствовали разрядке алюминия, что и достигается в данном электролизере. Ионы водорода будут двигаться в ячейках 12 к катоду 5, ионы алюминия к катоду 6, а ионы кислорода к аноду 7. Если не устанавливать в ячейках 12 перегородок 13 с указанным наклоном, то ионы водорода смогли бы из нижней зоны попадать на катод 6, а если ванну 4 вообще не делить на ячейки 12, то ионы алюминия при недостаточной длине катодов 6 смогут проходить под ними и попадать в зону катодов 5, т.е. в зону разрядки ионов водорода.

Ионы разряжаются на электродах 5, 6, 7 ввиду того, что катоды 5, 6 соединены с анодом 7 проводниками 8, 10 через наружную часть 3 магнитной системы. При этом во внешней цепи возникает электрический ток. В зоне выше перегородки 13 ионы водорода не могут двигаться к катоду 6, т.к. во-первых, их движение обусловлено силой Лоренца по соответствующей траектории, во-вторых, они движутся в неэлектропроводной жидкости.

Исходный рабочий раствор может подводиться в ванну 4 непрерывно, как и отработанный раствор отводиться из нее.

По мере накопления твердого металлического осадка алюминия на катодах 6 алюминий отделяется с их поверхности после извлечения последних из ванны 4. Ячейка 12 в плоскости, перпендикулярной силовым линиям поля, должна иметь профиль, соответствующий траекториям ионов при их движении к катодам 5, 6, или просто расширяющийся в сторону расположения катодов 5, 6, т.е. в сторону движения ионов водорода и алюминия, чтобы возможно было их разделение. При этом расширяющийся профиль ячеек 12 должен сохраняться по всей их высоте, чтобы по всему сечению ячеек 12 шло эффективное разделение ионов. Для этого плоскости перегородок 13 должны быть перпендикулярны плоскостям полюсов 2, 3 магнита отклоняющей системы, т.е. расположены в данном случае радиально.

Использование предлагаемого электролизера дает возможность при относительной сложности его конструкции по сравнению с известным электролизером, широко применяемым в промышленности (см. Химическая энциклопедия, т.1, "Советская энциклопедия". М. 1988, стр.208), значительно упростить производство исходного для электролиза продукта. Получение глинозема будет не нужно. Достаточно получать алюминатный раствор, выщелачивая боксит получением ионов алюминия. В результате отпадает необходимость в очень громоздких и сложных переделах декомпозиции алюминатного раствора и кальцинации гидроксида алюминия. Кроме того, отпадает необходимость в упаривании маточного раствора, т.е. отпадает необходимость в разбавлении выщелоченной пульпы перед декомпозицией. При этом процесс сгущения может быть заменен фильтрацией.

Источники информации 1. Патент США N3522162, кл. С25С 1/00, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР N850746, кл. С25С 7/00, 1979.

Формула изобретения

Электролизер для извлечения металлов из растворов, содержащий отклоняющую магнитную систему, выполненную с кольцевым межполюсным зазором, кольцевую ванну, расположенную в нем, анод, размещенный в нижней части ванны, и катоды, установленные в ее верхней части, отличающийся тем, что в электролитической ячейке установлены перегородки, плоскости которых расположены вдоль силовых линий поля магнита перпендикулярно плоскостям полюсов с образованием электролитических ячеек, профиль которых выполнен расширяющимся в сторону направления движения ионов водорода и металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3