CN101538723B - 一种高效回收重金属离子的电解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示的一种高效回收重金属离子的电解装置由电解槽、阴极、阴极支架、阳极、阴离子交换膜组件、去离子进水管、阳极液出水管、阴极液出口、抽提(电解)液储槽和高压泵组成。槽体外形为圆柱体，底部为锥形并设有金属粉储存斗。阴极和阴离子交换膜组件呈同心圆分布；阳极置于电解槽的中心，并被阴离子交换膜组件包围形成阳极室，阴离子交换膜组件的外周、阴极、电解槽内侧共同组成阴极室。阴极是以不锈钢丝组成的多维网状结构，并用由PVC管组成的阴极支架(反冲洗系统)支撑。整个装置采用在线检测装置控制含重金属液体的处理和排放，可实现电解过程的自动化。
Description
技术领域
本发明涉及一种重金属离子电解回收装置，更确切地说，涉及一种用于回收城市生活垃圾焚烧炉飞灰醋酸/柠檬酸抽提液中重金属离子和醋酸/柠檬酸的电湿法冶金装置。
背景技术
城市生活垃圾焚烧炉飞灰中存在的重金属对环境的伤害极大。因为飞灰中含有铅、汞、铬、银、镉、铜、锰、锡、锌、砷等重金属，所以被国家标准(GB 18485-2001)明文定为危险废弃物，在最终处置前必须进行稳定化处理。重金属通常以氧化物的形式存在。若不处理，它们会进入环境，随着生物的摄取进入生态系统并聚集在人类的食物链中，最终进入人体，造成慢性中毒，危害人体健康。
重金属也是地球上资源稀少的元素。常规固化/稳定化填埋处理处置城市生活垃圾焚烧炉飞灰的方式，从某种意义上来说是对重金属，特别是贵重金属资源的一种浪费。
电湿法冶金是近年来发展起来的从含重金属离子废水(例如电镀废水)中回收重金属的方法。例如，1997年美国环境保护署及相关机构和私人企业组建的Merit合作研究组织利用电解方法实现了电镀厂金、银、锌等金属的回收和废水回用。已有研究表明，利用醋酸或柠檬酸能将城市生活垃圾焚烧炉飞灰中的重金属完全抽提出来。抽提液中的重金属可以用电解方法回收(参见本专利发明者深圳龙澄环保有保有限公司申请的中国专利“一种垃圾焚烧炉飞灰无害化处理及资源化利用方法”)。
电解法回收城市生活垃圾焚烧炉飞灰中的重金属的主要设备为电解槽。通常，电解槽由槽体、阳极和阴极组成。工业上通常采用的电解槽中一般安装多组电极。对电解槽和电极结构进行优化，是提高金属回收效率、降低电解液中最终金属离子浓度和电力能耗的关键。在对电解结构优化设计上，特别是电极和膜材料的选择上，中外不少研究者针对特定的金属回收项目，设计出相应的电解装置。例如，张安康、刘学山等于2005年发表的200420040061.2号实用新型专利上公开了一种银电解装置，此装置设计有自动刮粉装置，且在槽体底设有锥形底和银粉储存斗，可自动刮去阴极上沉积的元素银和自动排出银粉。解决了传统电解槽多采用人工刮银，操作强度大，工作效率低等问题。2002年林益权在其发表的98101733.8号中国专利上介绍了一种可除氯、水银重金属的水电解装置。此装置的槽体设计成由上而下的结构，内置的隔膜、阴阳电极以同心状态交错排列。隔膜是由一纵向的阳离子交换膜、一纵向的阴离子交换交错排列的方式组成；成为不通水溶液而仅通离子的正负离子隔膜。这种电解装置电解迅速，可防止电解过程中碱、酸性水溶液再度溶合，同时，保证产生的水银在重力作用下往下沉积而收集，氯气等不利于水质的气体上升排出，是一种有效的可除氯、水银的水电解装置。Philippe Ferron等在其发表的5,324,396号美国专利中介绍了一种可回收非铁金属的电解装置。此装置的槽体为一长方体，槽体内置多组电极。阴阳电极交错放置并用隔膜隔开。此装置的最大特点是，阴极是由带有冲洗装置的不锈钢丝网组成。这种结构不仅大大增加了阴极的表面积，提高电解效率；同时可利用冲洗管提供的高压水冲脱电解过程中沉积在阴极上的贵重金属，有利于金属的收集和电解过程的连续性。但这类电解装置的阴极多为二维平板结构，单组电极的金属电解沉积面积小，导致电解效率低，能耗大；而由多组隔膜、阴阳电极构成的电解装置槽体体积大，制造成本高，运行维护复杂；一般这类装置要求废水中重金属离子浓度较高，电解前需对废水进行浓缩。Renovare International Inc.发明的Renocell电解装置，突破了常规的二维平板电极、多电极室组合结构的设计理念。Renocell电解装置仅设有一个阳极室和一个阴极室。阴极为具有三维结构的多孔碳纤维毡，这种电极的表面积较二维平板电极大500倍之多。它大大增加了金属电解沉积面积。从而在相对低的电流密度下，实现高金属沉积率和电流效率。这种装置不仅形体小巧，而且适用于含重金属离子浓度较低废水的处理。
发明内容
本发明提供一种形体小巧、运行高效、能耗低的电解装置。它可以用来回收城市生活垃圾焚烧炉飞灰醋酸/柠檬酸抽提液中重金属的同时，回收抽提液中的醋酸/柠檬酸。
该发明还适用于回收其它含重金属离子污水中的重金属和其它有用物质。它对重金属离子的去除效率高，回收效率达99.0％以上。使用该电解装置处理后的废水中的重金属含量小于国家《污水综合排放标准》——GB8978-1996中的一级排放标准，使废水回用成为可能。
本发明揭示的电解装置由电解槽、阴极、阴极支架、阳极、阴离子交换膜组件、去离子进水管、阳极液出水管、阴极液出口、高压泵和抽提(电解)液储槽组成。电解槽槽体由PVC板或玻璃纤维板组成，外形为圆柱体，底部为锥形并设有金属粉储存斗。阴极是以不锈钢丝组成的多维网状结构。用PVC管组成的阴极支架支承固定阴极。阴极支架上设有高压喷头，高压喷头呈对称布置，开口朝向阴极。阴离子交换隔膜覆盖在以开有细密小孔的PVC管为骨架的阳极室外部。阳极室内置石墨阳极。本发明揭示的电解装置的主要特征如下：
1、电解装置中阴极为多维网状结构。其表面积特别大，较二维平板电极的表面至少大1000倍，大大地增加了金属的沉积面积，降低了阴极表面的电流密度。制作阴极的材料为极细的不锈钢丝或碳钢钢丝。
2、电解槽中带有高压冲洗装置。利用高压泵将抽提(电解)液储槽中的抽提(电解)液通过阴极支架上的高压喷头注入阴极槽的同时，冲洗去除沉积在阴极表面的重金属，有利于阴极的再生和金属的收集，以实现电解操作的连续性，提高工作效率。
3、阳电极被包围在阴离子交换膜组件形成的阳极室中。在电解过程中，电解液中金属离子从阴极上获得电子被还原沉积在阴极表面。酸根阴离子则选择性地透过阴离子交换膜进入阳极室。这不仅可以避免沉积在阴极表面的金属被酸重新溶解，进一步提高金属的沉积效率，而且可以获得纯净的酸溶液。
4、电解槽的底部为锥形，并设有金属粉储存斗，有利于重金属的收集。
5、电解装置仅设有一个阳极室和一个阴极室，形体小巧。
附图说明
图1是本发明揭示的电解装置的简图。
图2是电解槽的中心纵剖析面图。
图3是阴极架结构示意图。
具体实施方式
利用图1至图3阐述本发明揭示的电解装置的结构。电解槽1是由槽体1a和上盖1b构成；槽体1a底部为锥形，并设有金属粉储存斗2和蝶阀2a、2b，蝶阀2a为常开阀，蝶阀2b为常关阀。阴极3为多维网状结构，由阴极支架4支撑并定型置于槽体1a中，阴极支架4为PVC管，上设有多个对称分布且开口朝向阴极3的高压喷头4a(如图3所示)。阴离子交换膜组件6置于阴极3和阳极5之间，形成阴极室3a和阳极室5a；阴离子交换膜组件6以开有细密小孔的PVC管6a为骨架，再覆盖一层异相阴离子交换膜6b。电解时只有带负电荷的离子(如酸根离子)可以通过阴离子交换膜进入阳极室5a(如图2所示)。阴离子交换膜组件6上开设有去离子水进水管7和阳极液出水管8。阴极3和阴离子交换膜组件6呈同心圆布置，阳极5置于电解槽1a的中心，并被阴离子交换膜组件6包围。上盖1b有五个开口，分别为阴极接线3b、阳极接线5b引出口，去离子进水管7、阳极液出水管8的进出口，及泵入阴极支架4的电解液进水管4b的入口。阴极液出口9设在电解槽1a的底部，阴极液出口9处设有两个排放口9a和9b，并用电控阀门10控制；高压泵11将从抽提(电解)液储槽12中吸取电解液泵入阴极支架4，并由高压喷头4a喷射阴极后注入阴极室中。经电解处理的电解液，如达标，则通过排放口9a直接排放，否则通过排放口9b返回抽提(电解)液储槽12。整个装置采用在线检测装置控制处理和排放，可实现电解过程的自动化。
Claims (5)
1.一种重金属离子的电解回收装置，其特征在于：本装置包括有电解槽、阴极、阴极支架、阳极、阴离子交换膜组件、去离子进水管、阳极液出水管、阴极液出口、高压泵和抽提液储槽；其中的阴极和阴离子交换膜组件呈同心圆分布，阴极为多维网体结构，由阴极支架支起并定型置于槽体的四周，阴极材料为不锈钢丝、不锈钢纤维丝毡；阴极支架为PVC管，其上设有多个对称分布且开口朝向阴极的高压喷头，与高压泵和抽提液储槽共形成阴极反冲洗系统；阴离子交换膜组件以开有细密小孔的PVC管为骨架，再覆盖一层异相阴离子交换膜；阳极置于电解槽的中心，并被阴离子交换膜组件包围形成阳极室，阴离子交换膜组件的外周、阴极、槽体的内侧共同组成阴极室。
2.如权利要求1所述的一种重金属离子的电解回收装置，其特征在于：其中的电解槽由槽体和上盖构成；槽体外形为圆柱体，底部为锥形，并设有金属粉储存斗。
3.如权利要求1或2所述的一种重金属离子的电解回收装置，其特征在于：金属粉储存斗的上、下部分别设有蝶阀控制，其中上部的蝶阀为常开阀，下部的蝶阀为常关阀。
4.如权利要求1所述的一种重金属离子的电解回收装置，其特征在于：整个装置采用在线检测装置控制处理和排放，可实现电解过程的自动化。
5.如权利要求1所述的一种重金属离子的电解回收装置，其特征在于：整个装置除了可以回收飞灰中的重金属之外，还可以回收制备飞灰重金属抽提液使用的醋酸或柠檬酸。
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