CN101063209A - 用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽 - Google Patents

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姜效军
徐红波
陈文超
张晓丽
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Abstract

本发明涉及用于电镀铬和电解铬的电解槽。电解槽的单元有三个室，一端为阴极室，另一端为阳极室，中间为缓冲室。阴极室与缓冲室由阴离子交换树脂膜隔开，阳极室与缓冲室由阳离子交换树脂膜隔开。整个电解槽由聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等塑料制成。阴离子交换树脂膜由季胺型阴离子膜构成，阳离子交换树脂膜由全氟阳离子膜构成。本发明的特点是：保持阴极室的pH稳定，铬源利用三价铬，耐酸耐温耐腐蚀的全氟阳离子交换膜使Cr3+完全不能进入阳极室，放出的仅为O2，完全避免了Cr(VI)的产生，彻底解决了电解和电沉积格时Cr(VI)的污染问题。

Description

用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽
技术领域
本发明涉及一种离子交换膜电解槽，尤其涉及一种用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜的电解槽。
背景技术
电镀是工业、仪器、汽车、军工等多个领域的重要加工技术。由于铬的熔点高。硬度大，光亮、能生成抗腐蚀的氧化膜，应用非常广泛。最常用的时是CrO3电镀，带出的铬雾毒性很大，是国家污染治理的重点，电镀铬废水也是高污染行业。六价铬电镀是一般工业、军工、制造业必不可少、不可替代又造成重要污染的一个行业，甚至成为无机物污染的第一元凶。电沉积可生产高纯铬，用六价铬电沉积铬，必然伴随Cr(VI)的污染。为解决Cr(VI)的高污染，国内外都有三价铬电镀工艺的发明，由于在阳极周围易生成六价铬，需要加入大量的还原剂，如甲酸等，镀液稳定性不好，维护很不方便，因此在中国并未形成工业化。
在一些三价铬电镀研究中，有利用隔膜使阴极液与阳极液分开。仅使用阴离子树脂交换膜，可使阴极电镀上铬，但少部分阴极室的Cr3+能进入阳极室，并在阳极室氧化成Cr(VI)。
目前涉及隔膜电解槽的专利有：由意大利米兰的德.诺拉电极股份有限公司申请的隔膜电解槽，膜为多孔膜，而非离子交换膜，都是用于氯碱工业，电解食盐水制造氯气和氢氧化钠。这些电解槽不能用于电解铬和电镀铬(02818881.0，00814797.3，9311854.X)。离子交换膜电解槽除一篇日本旭硝子株式会社的木春达人等申请的复杂型离子交换膜电解槽外，主要是日本东京的氯碱工程公司的片山真二等申请的离子交换膜电解槽。其结构单元是由膜把阴阳极分开，主要用于氯碱工业。
仅使用阴离子树脂交换膜，可使阴极上镀铬，但少部分阴极室的Cr3+能进入阳极室，并在阳极室氧化成Cr(VI)。仅使用阳离子膜把阴阳极分开，沉积铬后生成的H2SO4会积聚，使pH下降，铬逐渐停止析出，且会反溶。
发明内容
本发明的目的是提供一种能完全避免Cr(VI)的产生，彻底解决Cr(VI)的电解和电沉积污染问题的离子交换膜电解槽：用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜的电解槽。
按照本发明的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，包括槽体、阳极、阴极，其特征在于此电解槽由多个电解槽单元并列组成一个电解槽系列，每个电解槽单元由相互邻接的三个室所组成，一端为盛有阴极液的阴极室，另一端为盛有阳极液阳的极室，中间为盛有缓冲液的缓冲室，阴极室与缓冲室由阴离子交换树脂膜隔开，阳极室与缓冲室由阳离子交换树脂膜隔开。
所述的电解槽单元的槽体由聚丙烯、聚乙烯、尼龙或聚四氟乙烯塑料制成，形状为长方体槽形。
所述的阴离子交换树脂膜由季胺型阴离子膜构成，阳离子交换树脂膜由全氟阳离子膜构成。
所述的阴离子交换树脂膜和阳离子交换树脂膜是平行设置的，用塑料薄板压合焊接在塑料框上，并用胶密封，而与后一组三室用塑料焊接的方式连接成底部密封的整体。
在多个电解槽单元并列组成一个电解槽系列时，在第一阳极室和第二个阳极室底部用底孔连接，在第二个阳极室与第三个阳极室之间在隔板的上部由上孔相连，依此类推，最后一个阳极室的出口通过输液管线、泵与第一阳极室的阳极液进口相连接。在第一阴极室和第二个阴极室底部用底孔连接，在第二个阴极室与第三个阴极室之间在隔板的上部由上孔相连，依此类推，最后一个阴极室的出口通过输液管线、泵与第一阴极室的阴极液进口相连接。在第一缓冲室和第二个缓冲室底部用底孔连接，在第二个缓冲室与第三个缓冲室之间在隔板的上部由上孔相连，依此类推，最后一个缓冲室的出口通过输液管线、泵与第一缓冲室的缓冲液进口相连接，形成电解液循环搅拌系统。
所述的阴极室的阴极液组成为，Cr3+ 20-100g/L，(NH4)2SO4，100-400g/L，H3BO3 20-50/L，pH＝1-3，所述的缓冲室的缓冲液组成为(NH4)2SO4 100-400g/L，H3BO3，20-50g/L，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO4 20-150g/L，(NH4)2SO4，100-400g/L，H3BO3 20-50g/L。
所述的阴极室的阴极液组成为，Cr3+ 40g/L，(NH4)2SO4，220g/L，H3BO3 35g/L，pH＝2.2，所述的缓冲室的缓冲液组成为(NH4)2SO4 180g/L，H3BO3，35g/L，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO4 60g/L，(NH4)2SO4，180g/L，H3BO3 35g/L。
所述的阴极室的阴极液组成为Cr3+ 20g/L，(NH4)2SO4，150g/L，H3BO3 35g/L，pH＝2.2，所述的缓冲室的缓冲液组成为(NH4)2SO4 180g/L，H3BO3，35g/L，pH＝0，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO4 60g/L，(NH4)2SO4 140g/L，H3BO3 35g/L。
阴极为不锈钢，阳极为铅银合金、石墨或涂钌钛网板(d＝1.5mm)，电流密度7-25A/dm2。可在阴极上电解出纯金属铬。阳极放出气体，阳极液中Cr(VI)经检测接近零。电镀时阴极为碳钢板，电流密度12A/dm2，温度为室温25℃，电镀15分钟，可在碳钢板上电镀出光亮的铬，结合牢固。阳极室完全不产生Cr(VI)酸雾，阳极液中Cr(VI)经检测接近零。
按照本发明的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，在电解槽发生下列反应：
化学反应  2CrO3+CH3OH+3H2SO4＝Cr2(SO4)3+CO2+5H2O
电化学反应Cr2(SO4)3+3H2O＝2Cr+3H2SO4+1.5O2
总反应    2CrO3+CH3OH＝2Cr+CO2+2H2O
阴极反应：Cr2(SO4)3+6e＝2Cr+3SO4 2-
阳极反应：3H2O+6e＝1.5O2+6H+
硫酸通过缓冲液溢出去还原铬酐，循环使用。
阴极副反应2H++2e＝H2
阳极室反应析出O2，产生H+。
阴极室SO4 2-穿过阴离子交换膜进入缓冲室，阳极室的H+穿过阳离子交换膜进入缓冲室，生成硫酸。生成的H2SO4从缓冲室取走用于原料制备。向阴极室补充Cr2(SO4)3，溶液，向阳极室补充水，本发明可达到总反应的要求。
本发明的特点是：保持阴极室的pH稳定，铬源利用三价铬，耐酸耐温耐腐蚀的全氟阳离子交换膜使Cr3+完全不能进入阳极室，放出的仅为O2，完全避免了Cr(VI)的产生，彻底解决了电解和电沉积格时Cr(VI)的污染问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为电解槽发生反应示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1、图2所示，按照本发明的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，包括槽体、阳极17、阴极18，其特征在于此电解槽由多个电解槽单元10并列成一个电解槽系列11，每个电解槽单元10由相互邻接的三个室所组成，一端为盛有阴极液的阴极室4，另一端为盛有阳极液阳的极室6，中间为盛有缓冲液的缓冲室5，阴极室4与缓冲室5由阴离子交换树脂膜13隔开，阳极室6与缓冲室5由阳离子交换树脂膜12隔开。
所述的电解槽单元10的槽体由聚丙烯、聚乙烯、尼龙或聚四氟乙烯塑料制成，形状为长方体槽形。
所述的阴离子交换树脂膜13由季胺型阴离子膜构成，阳离子交换树脂膜12由全氟阳离子膜构成。
所述的阴离子交换树脂膜13和阳离子交换树脂膜12是平行设置的，用塑料薄板压合焊接在塑料框上，并用胶密封，而与后一组三室用塑料焊接的方式连接成底部密封的整体。
在多个电解槽单元10并列组成一个电解槽系列11时，在第一阳极室和第二个阳极室底部用底孔14连接，在第二个阳极室与第三个阳极室之间在隔板的上部由上孔9相连，依此类推，最后一个阳极室的出口通过输液管线与第一阳极室的阳极液进口3相连接。在第一阴极室和第二个阴极室底部用底孔16连接，在第二个阴极室与第三个阴极室之间在隔板的上部由上孔7相连，依此类推，最后一个阴极室的出口通过输液管线与第一阴极室的阴极液进口1相连接。在第一缓冲室和第二个缓冲室底部用底孔15连接，在第二个缓冲室与第三个缓冲室之间在隔板的上部由上孔8相连，依此类推，最后一个缓冲室的出口通过输液管线与第一缓冲室的缓冲液进口2相连接，形成电解液循环搅拌系统。
阴极室的阴极液组成为，Cr3+ 20-100g/L，(NH4)2SO4，100-400g/L，H3BO3 20-50/L，pH＝2-3，所述的缓冲室的缓冲液组成为H2SO4 20-150g/L，(NH4)2SO4 100-400g/L，H3BO3，20-50g/L，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO4 20-150g/L，(NH4)2SO4，100-400g/L，H3BO3 20-50g/L。
实施例1
所述的阴极室的阴极液组成为Cr3+ 40g/L，(NH4)2SO4 220g/L，H3BO3 35g/L，pH＝2.2，所述的缓冲室的缓冲液组成为(NH4)2SO4 180g/L，H3BO3，35g/L，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO4 60g/L，(NH4)2SO4 180g/L，H3BO3 35g/L，阴极为不锈钢，阳极为涂钌钛网板(d＝1.5mm)，电流密度12.5A/dm2。可在阴极上电解出纯金属铬。阳极放出气体，阳极液中Cr(VI)经检测接近零。
实施例2
所述的阴极室的阴极液组成为Cr3+ 20g/L，(NH4)2SO4，150g/L，H3BO3 35g/L，pH＝2.2，所述的缓冲室的缓冲液组成为(NH4)2SO4 180g/L，H3BO3，35g/L，pH＝0，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO4 60g/L，(NH4)2SO4 140g/L，H3BO3 35g/L，阴极为碳钢板，阳极可用铅银合金或是末或安居局电流密度12A/dm2，温度为室温25℃，电镀15分钟，可在碳钢板上电镀出光亮的铬，结合牢固。阳极室完全不产生Cr(VI)酸雾，阳极液中Cr(VI)经检测接近零。

Claims (8)

1、一种用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，包括槽体、阳极、阴极，其特征在于此电解槽由多个电解槽单元并列组成一个电解槽系列，每个电解槽单元由相互邻接的三个室所组成，一端为盛有阴极液的阴极室，另一端为盛有阳极液的阳极室，中间为盛有缓冲液的缓冲室，阴极室与缓冲室由阴离子交换树脂膜隔开，阳极室与缓冲室由阳离子交换树脂膜隔开。
2、根据权利要求1所述的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，其特征在于：所述的电解槽单元的槽体由聚丙烯、聚乙烯、尼龙或聚四氟乙烯塑料制成，形状为长方形槽体。
3、根据权利要求1所述的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，其特征在于：所述的阴离子交换树脂膜由季胺型阴离子膜构成，阳离子交换树脂膜由全氟阳离子膜构成。
4、根据权利要求1或3所述的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，其特征在于：所述的阴离子交换树脂膜和阳离子交换树脂膜是平行设置的，用塑料薄板压合焊接在塑料框上，并用胶密封，而与后一组三室用塑料焊接的方式连接成底部密封的整体。
5、根据权利要求1所述的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，其特征在于：在多个电解槽单元并列组成一个电解槽系列时，在第一个阳极室和第二个阳极室底部用底孔连接，在第二个阳极室与第三个阳极室之间在隔板的上部由上孔相连，依此类推，最后一个阳极室的出口通过输液管线、泵与第一阳极室的阳极液进口相连接，在第一阴极室和第二个阴极室底部用底孔连接，在第二个阴极室与第三个阴极室之间在隔板的上部由上孔相连，依此类推，最后一个阴极室的出口通过输液管线与第一阴极室的阳极液进口相连接，在第一缓冲室和第二个缓冲室底部用底孔连接，在第二个缓冲室与第三个缓冲室之间在隔板的上部由上孔相连，依此类推，最后一个缓冲室的出口通过输液管线、泵与第一缓冲室的进口相连接。阳极液系统与此类似，形成电镀液循环搅拌系统。
6、根据权利要求1所述的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，其特征在于：所述的阴极室的阴极液组成为，Cr3+20-100g/L，(NH4)2SO4，100-400g/L，H3BO3 20-50/L，pH＝1-3，所述的缓冲室的缓冲液组成为(NH4)2SO4100-400g/L，H3BO3，20-50g/L，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO420-150g/L，(NH4)2SO4，100-400g/L，H3BO320-50g/L。
7、根据权利要求6所述的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，其特征在于：所述的阴极室的阴极液组成为，Cr3+40g/L，(NH4)2SO4，220g/L，H3BO335g/L，pH＝2.2，所述的缓冲室的缓冲液组成为(NH4)2SO4180g/L，H3BO3，35g/L，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO460g/L，(NH4)2SO4，180g/L，H3BO335g/L。
8、根据权利要求6所述的用于电镀铬和电解铬的三室双离子交换膜电解槽，其特征在于：所述的阴极室的阴极液组成为Cr3+20g/L，(NH4)2SO4，150g/L，H3BO335g/L，pH＝2.2，所述的缓冲室的缓冲液组成为(NH4)2SO4180g/L，H3BO3，35g/L，pH＝0，所述的阳极室的阳极液组成为H2SO460g/L，(NH4)2SO4140g/L，H3BO335g/L。
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