CN106103350A - 用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的方法以及实施该方法的装置 - Google Patents

用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的方法以及实施该方法的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及应用于现有的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的方法和装置的组成和用途的技术条件，唯一的目的是使所述方法适应由于对其保护而已经发生的技术、工艺和生态发展并基本上优化成果。为了这个目的，本专利申请的发明向最初专利的装置中增加可管理三个新动作的电子控制装置(MC)。公开的内容还在装置的某些元件的性质、功能、目的和操作方面改进，并在电镀操作结束时增加过滤器，其目的是优化排出的废液的质量。

Description

用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量 的方法以及实施该方法的装置
已知溶解在水溶液中的重金属可通过电解分离，电解是这样一种方法，即，将两个电极(其中一个称为“阳极”，另一个称为“阴极”)浸入所述水溶液，然后将每个电极连接至电流发生器的一个末端或另一个末端，以在所述水溶液中驱使正或负电荷元素流通以及使这样分离的重金属在所述电极上集中。
当水溶液盐浓度低且待分离金属浓度高时，通常能够获得该已知方法的最好效果。当该关系颠倒即待处理溶液盐浓度高且待分离金属浓度低时，该方法的效能就要低的多，且该方法在这种情况下实际上是不适用的。
意识到这些情况的本发明的发明人通过在1995年5月2日提交的法国专利FR9505227(1996年11月8日以公开号2733748公开)提供针对该问题的第一种解决方案，下文称该专利为“最初专利”。
1995年提交的此最初法国专利涉及一种方法及用于实施该方法的装置，包括通过称为微分电镀(électrodéposition différentielle)的电解法捕获已电离的或在放射性废液的悬浊液中或不在电极上的元素。
其主要主张一种电解方法及用于实施该方法的装置，其特征在于：在容纳于槽中的具有高盐浓度的水溶液中加入称为“接地极”的附加电极，其材料和结构(texture)与其它电极(阳极和阴极)相同并单独连接至电流发生器的接地。
该添加至正常电解装置的接地极为了得到效果需限制或消除存在于水溶液中的强盐浓度影响，这阻碍了电流在所述溶液中的流通，且同样改变了该方法的效果。
仅具有电连接的功能而不接收重金属(与装置的阳极和阴极相反)的所述接地极的浸入使能够获得与常规电解情况(即，具有低盐浓度的溶液且在相似的周期长度中)下获得的效果相同的效果。
所述专利还主张一种电解方法及用于实施该方法的装置，其特征在于：溶液的闭合回路中的间歇搅拌通过例如为泵的驱动元件执行，从而同时排空和填充装置的槽。对待处理溶液进行这种搅拌，目的是在电流流过的作用下阻止存在于溶液中的各种物质阻碍重金属固定的自身按序组织。这使溶液在电解操作过程中能够保持均匀。
该专利还主张在待处理溶液的电解操作过程中，使溶液在电解槽与容纳有例如为粘土颗粒的过滤器之间间歇循环流动。溶液在电解槽与过滤器之间的这种循环优选为由泵驱动，这能够过滤溶液以通过过滤保留某些难以通过电解分离的裂变产物。电解结束时，如此处理并过滤的溶液回到槽及最终的过滤器，最终的过滤器使过滤精制以在排放溶液前获得重金属的最大限度的提取。
最后，该专利还要求保护装置的部件，例如各电极、连接件等的形状、布置和材料。
该方法的实施、技术的发展以及生态学方面的要求引导发明人改变来自上述最初专利的方法以使其适应这些改变，并照此在净化后获得最优质量的排出液并且实际符合如核、医学、冶金等行业的现行标准。
为此目的，发明人在本专利中向最初专利的设备增加了可控制三个新动作的电子控制装置。公开的内容还在本发明的装置的某些元件的性质、功能、目的和操作方面改进，且在电解操作结束时增加过滤器，其目的是通过将具有由残余离子运动驱动的弱电动势的成分固定，优化排出的废液的质量(dont la mission est d'optimiser la qualité del'effluent rejeté en fixant les composants à faible force électromotricepar les mouvements ioniques résiduels)。
增加至最初专利的装置的电子控制装置具有第一个功能：根据依待处理溶液的化学成分确定的频率连续切断装置的电源。
该动作非常重要，因为供电的临时停止会导致溶液中的元素与电极之间相互作用，该相互作用由包含在溶液中的离子与电极之间的交换引起。因此，结果是回到使电极的所有能力恢复的电子平衡，而不损失切断电力前沉积的材料。
增加至最初专利的装置的电子控制装置的第二个功能是将最初专利No.2733748的方法中提供的内部接地极解耦，以提高电极的离子除垢速度。
接地极的这种解耦作用的目的是扰乱离子系统以使自由电子回到它们各自电极的路径，且使离子重新沉积在它们必须沉积的地方。
增加至最初专利的装置的电子控制装置的第三个功能是在整个微分电解操作期间使用布置于待处理溶液中并位于装置的电极之间的传感器维持并调节待处理溶液中的恒定最佳电压。
已知整体的电阻率随沉积在电极上的物质的质量连续变化。因此控制并维持电极间的恒定电压是该方法的要素。
这些通过增加电子控制装置施加在(plaquée sur)最初专利的装置的操作的特殊功能增强了用于提取重金属的方法的效力，以使其更好地适应技术发展和新技术以及生态的要求。
这样，该电子控制装置允许所有的控制、调整和调节，以及操作的适当演化所要求的信息的传递及后者的存储。
为改进最初专利的装置的性能，本专利的装置还提出，本装置的接地极的材料和结构与例如阳极和阴极的电极的材料和结构不同。
本专利的装置还提出电极的材料和结构不同。这样，阳极和阴极可由完全不同并根据待处理溶液的化学和放射化学成分(放射性废液)确定的材料制成。
在增加至最初专利以改善最初专利的性能和产量的特征中，本专利的装置提供置于电极之间的传感器，以能够在微分电解操作的整个过程中控制并调节正被处理溶液中的电压，传感器为化学中性质地，例如为用于化学测量的玻璃参考电极。
补充并改进最初专利的装置的特征、组成和操作的本专利的装置提供电极，该电极承载在电解操作期间被捕获且在操作结束时根据污染效果的类型和等级被烧毁或被限制的污染元素(放射性元素)，处理后的废液根据其质量被排放至环境中或工业再利用。
本发明还提供插入微分电解槽的电极，该在最初专利中具有圆柱且同轴的形状的电极具有不同的形式，尤其是为平板状。在这种情况下，原理保持不变，电极应用于盘中的中性支撑件的相对表面，微分接地置于绝缘管中以防止任何电子失真。
本发明提供的装置允许用在连续的交替周期或连续操作中。在后者的情况下，待处理溶液的供应是通过槽的下部并以根据待处理溶液的化学成分和性质确定的低速实现的，处理后的溶液的排除在槽的顶部由为此配备的管道完成。
为了在操作结束时排出尽可能纯净的废液，本专利提供在装置的末端增加或替代主要用于固定在微分电解法结束时仍存在于溶液中的具有弱电动势的残余元素的电滤过滤器(I'adjonction ou le remplacement en fin de dispositif d'un filtre d'électro filtration destiné principalement à fixer les éléments résiduels àfaible force électromotrice)。
事实上，已观察到包含在废液中的电动势非常弱或为零的已电离的元素穿过初级过滤器和电解处理路径，而未被捕获或仅以微小比例被捕获。这些元素随后很容易被固定在第二过滤器上。
该状况看起来是由于以下事实产生的：离开电解作用的废液还未达到其诱发形成固定在过滤材料上的胶体的离子稳定性。
本发明的电滤过滤器的目的是利用该特征以更容易地固定具有弱电动势的所述成分，其由所述电滤过滤器的放大的仍存在的一组弱离子运动驱动。
所述电滤过滤器主要包括圆柱形容器，圆柱形容器例如由与其操作和性能相配的塑料材料制成。其尺寸(高度/直径)优选为与其操作和最佳操作性能相配并具有插入中性过滤材料内的两个电极，其中一个例如阳极优选为推靠在容器的内周面，另一个例如阴极优选为推靠在位于容器的底面的内表面中心的轴向支撑管。
通过过滤材料的电流根据流出电解处理容器的溶液的化学成分调整并适应整体的电阻率，已知过滤材料的导电性根据其包含的或多或少的水液变化。
由于通过本发明的电滤过滤器而被过滤的溶液因此具有允许其排放至环境或例如在另一个制造方法中再利用的最优质量。
在核应用中，放射性元素实际上从废液中提取，然后废液可排放至环境中而没有风险，而放射性元素根据已知方法被限制。
下面关于非限制性示例的附图的描述将使人们能够理解如何实施本发明。
图1为最初专利的装置的主要元件的中线剖视图，该装置由例如为圆柱形的电解槽构成，其配备有电极和供应电能以及待处理溶液的装置。
图2为最初专利的装置的主要元件根据本发明要求保护的技术元素改进后的剖视图。
图3为本发明的电过滤器的中线剖视图。
本发明遵照由同一发明人于1995年5月提交并于1996年11月8日以公开号2733748公开的专利，该专利涉及用于通过电解从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的方法。在下文中该专利指定为“最初专利”。
为了更好地理解本专利申请，下文参照本专利的附图1重复所述最初专利的主要权利要求的决定性元素。
最初专利提供的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的方法和装置的目的是要求保护圆柱形并具有轴线(14)的电解槽(2)，电解槽(2)容纳具有高盐浓度的水溶液(3)，至少一对电极插入水溶液(3)。在本专利的图1中，显示出三对电极，例如阳极(6)和阴极(7)、阳极(9)和阴极(8)以及阳极(10)和阴极(11)，这些电极由发电机(4)的相应端供电，且还显示了优选为连接至所述发电机(4)的接地(M)的接地极(22)。接地极(22)通过聚酰胺屏(23)与电极(11)分隔开以阻止这两个电极间的任何电解作用。
最初专利提供的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的方法和装置的目的是要求保护在电解循环期间闭合回路中的混合，该混合由泵(未示出)驱动，通过利用抽取槽底部以及靠近槽的底部(5)的溶液的抽吸通道(24)将槽(2)的溶液(3)排空，实现溶液(3)的置换，以同时在槽(2)外的泵的作用下通过通道(28)将溶液再引入同一槽(2)及电极之间。(见图1)。
最初专利提供的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的方法和装置的目的是要求保护在电解操作期间通过附加至槽(2)的并包括例如为粘土颗粒的过滤材料的单独的过滤器(32)(未示出)间歇性过滤被处理溶液(3)。
最初专利提供的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的装置的目的是要求保护电极的共同的材料和共同的结构，电极例如阳极(6)(9)(10)，阴极(7)(8)(11)以及接地极(22)。
最初专利提供的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的装置目的是要求保护电极(6)(9)(10)(7)(8)(11)的形状和位置特征，即：每个电极具有同轴的且基本为圆柱形的形状，并且装置包括至少一个中性支撑件，在图1中圆柱形的且为惰性材料的两个中性支撑件(16)(17)具有均被电极覆盖的内表面和外表面，覆盖同一支撑件的各表面的电极属于不同的电极对。
最初专利提供的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的装置的目的是要求保护例如至少三对电极(阳极(6)和阴极(7)、阳极(9)和阴极(8)以及阳极(10)和阴极(11)))和至少两个惰性支撑件(16)和(17)的存在，覆盖同一支撑件的各表面的电极连接至发电机(4)的同一端。
最初专利提供的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的装置的目的是要求保护特征：每对电极中的至少一个电极具有从电极的一边缘向另一边缘延伸的连续的轴向开口(未示出)，例如电极(8)和(10)和/或电极(7)和(9)。
最初专利的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的所述装置包括在闭合回路中流通的用于排空处理槽(2)的装置(24)和用于填充所述槽(2)的装置(28)。
最初专利的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的装置包括至少两个过滤器(未示出)，即附加至槽(2)并包括粘土颗粒的生产过滤器(32a)以及最终过滤器(32b)。
本发明涉及加入最初专利的用于从具有高盐浓度的水溶液中提取重金属的方法的组成和应用的技术条件，该最初专利由发明人于1995年提交并于1996年11月8日以公开号2733748公布，唯一目的是使所述方法适应由于所述专利的提交而发生的技术、工艺和生态发展并基本优化所述方法的成果。
发明人以此目标在本专利中在最初专利的装置上增加可控制三种新动作的电子控制装置(MC)。公开的内容也改进本发明的装置的某些元件的特性、功能、目的和操作并在电镀操作结束时增加特别的电子过滤器，其目的是通过固定具有由残余离子运动驱动的弱电动势的成分来优化排出的废液的质量。(见图2)
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置具有电子控制装置(MC)，该电子控制装置(MC)根据依待处理溶液(3)的化学成分以及浸入的电极(6)至(11)的结构确定的持续时间和频率，能够连续切断装置的电源(CA)。
该动作非常重要，因为临时停止供给会导致溶液(3)中的元素与电极(6)至(11)相互作用，该相互作用由溶液(3)中包含的离子与所述电极之间的交换引起。因此，结果是回到电子平衡，这使电极(6)至(11)恢复其所有能力，而不损失切断电力前沉积的材料。
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置具有电子控制装置(MC)，该电子控制装置(MC)允许使最初专利No.2733748的方法提供的接地极(22)解耦，以提高电极(6)至(11)的离子除垢速度。
接地极(22)的这种解耦动作目的是以如下方式扰乱离子系统：自由电子回到它们各自电极的路径，离子再次沉积在它们的必须沉积的地方。
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置具有电子控制装置(MC)，该电子控制装置(MC)允许在整个处理的持续期间通过引入装置的电极对(6)(7)、(8)(9)、(10)(11)之间的敏感探头(ST)永久控制并优化调节被处理溶液(3)中的电压。这些装置还考虑到了关于允许适当控制装置的信息的控制、调节和交流的功能。(见图2)
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置包括材料和/或结构与其它阳极(6)(9)(10)和阴极(7)(8)(11)不同的接地极(22)。由于由接地极(22)构成的接地在系统中需保持唯一，所以与液体(3)接触的装置的所有其它组成(如槽、过滤器、管道、管线，泵等)绝不能是电导体并因此由合适的绝缘材料制成(见图2)。
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置包括电极，根据待处理液体(3)的化学或放射性化学成分(放射性废液)而材料和/或结构不同的阳极(6)(9)(10)和阴极(7)(8)(11)。(见图2)
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置包括化学中性质地且例如由玻璃制成的敏感探头(ST)，以允许在整个操作过程中控制并调节待处理溶液(3)中的电压。(见图2)
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置包括在周期结束时根据被固定的污染元素通过对其元素和污染效应水平适用的方法恢复受限制的电极(6)至(11)(放射性元素)和/或将其除去(见图2)。
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置提供插入微分电镀槽(2)的电极(6)至(11)，与最初专利中为圆柱形并同轴的电极(6)至(11)具有不同的形状，特别是形成为平板状。在这种情况下，最初的原理保持不变，电极应用于盘中的中性支撑件的相对表面，微分接地极(22)(masse différentielle)置于绝缘管内以避免任何电子失真。
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置允许在交替连续周期或连续操作中使用。在后一种情况下，待处理溶液的供给是通过槽(2)的底部(5)完成的，例如通过管道(24)并以根据待处理溶液(3)的化学成分和性质确定的低速供应，处理后的溶液(3)的排出在槽的顶部由为此配备的管道(28)完成。(见图2)
根据本发明的优选实施例，用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的装置更优选在正被处理溶液(3)的循环回路中以及更优选在回路末端包括至少一个电滤过滤器(FEF)，主要用于固定在微分电镀操作后仍存在于溶液(3)中的具有弱电动势的残余元素。(见图3)
电滤过滤器(FEF)主要包括圆柱形容器(B)，圆柱形容器(B)例如由与其操作和性能相配的塑料材料制成。其尺寸(高度/直径)优选为与其操作和最佳性能相配，该电滤过滤器(FEF)具有插入中性过滤材料(MF)内的两个电极(EC1)和(EC2)，其中一个例如阳极(EC1)优选为推靠在容器(B)的内周面，另一个例如阴极(EC2)优选为推靠在位于容器的底面的内表面的中心的轴向支撑管(TS)上，其本身被近距离地提供有格栅(GF)。根据从电解处理容器(2)出来的溶液(3)的化学成分调节通过过滤材料(MF)的电流并适应整体的电阻率，已知过滤材料(MF)的导电性随其含水液的多少变化。
溶液(3)随其通过本发明的电滤过滤器(FEF)被过滤，然后具有允许其排放至环境或者例如在另一个制造方法中再利用的最佳质量。
在核应用中，放射性元素实际上从废液(3)中提取，然后废液(3)可排放至环境中而没有风险，而放射性元素根据已知方法被限制。

Claims (11)

1.用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的方法，其特征在于，与该方法的实施关联：
a)与在具有高盐浓度的水溶液中电解提取重金属关联的操作的管理、控制和调节。
b)对诸如电极(6)至(11)、(22)以及敏感探头(ST)的有源元件的新的技术定义。
c)新的操作范围。
d)过滤已处理的具有高盐浓度的水溶液的附加装置(FEF)。
2.根据权利要求1所述的用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的方法，其特征在于，负责管理、控制和调节操作的电子控制装置(MC)根据连续受限期间和频率控制电解装置的电源(CA)中断，所述连续受限期间和频率根据待处理溶液(3)的化学成分及使用的所述电极(6)至(11)(22)的结构确定。
3.根据前述权利要求所述的用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的方法，其特征在于：负责管理、控制和调节操作的所述电子控制装置(MC)根据与本方法有关的不同因素确定的连续期间和周期性，与控制装置的所述电极(6)至(11)的供电相独立地控制接地极(22)的解耦。
4.根据前述任意权利要求所述的用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的方法，其特征在于：负责管理、控制和调节操作的所述电子控制装置(MC)在整个电解操作期间基于来自所述敏感探头(ST)的信息对待处理溶液(3)中存在的最适宜和恒定电压的控制和调节进行控制，所述敏感探头(ST)被引入待处理溶液(3)中，位于电极对(6)(7)、(8)(9)和(10)(11)之间。
5.根据前述任意权利要求所述的用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的方法，其特征在于：当被固定的污染元素为放射性物质和/或通过适于被固定的污染元素及其污染效应水平的装置消除被固定污染元素时，所述电极(6)(9)(10)(7)(8)(11)被限制。
6.根据前述各权利要求中的任一项所述的用于优化电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属的产量的方法，其特征在于：该操作可以通过交替连续的周期或连续进行，在后一种情况下，所述待处理溶液(3)的供应通过电解槽(2)的底部进行，例如通过管道(24)并以根据待处理溶液(3)的化学成分和所述装置的电极(6)到(11)的结构确定的慢速进行，处理后的溶液的排出在电镀槽(2)的顶部通过为此配备的管道(28)进行。
7.用于实施根据权利要求1-6所述的方法的装置，其特征在于该装置包括：
a)用于管理、控制和调节与通过电解提取具有高盐浓度的水溶液中的重金属相关的操作的电子控制装置(MC)；
b)由阳极(6)(9)(10)和阴极(7)(8)(11)组成的浸入电极(6)至(11)；
b)用于引入待处理溶液(3)中并提高电极(6)至(11)的离子除垢速度的接地极(22)；
c)用于被引入所述待处理溶液(3)中的位于电极对(6)(7)、(8)(9)和(10)(11)之间的敏感探头(ST)；
d)用于在微分电镀操作后固定仍然存在于溶液(3)中的具有弱电动势的残余元素的至少一个电滤过滤器(FEF)。
8.根据权利要求7所述的实施所述方法的装置，其特征在于：根据待处理溶液(3)的化学或放射性化学成分，浸入的阳极(6)(9)(10)与浸入的阴极(7)(8)(11)的材料和结构不同，并优选为以平板形式构成，其成分、材料、结构和布置与装置的操作及性能相配。
9.根据权利要求7和8所述的实施所述方法的装置，其特征在于：被引入所述待处理溶液(3)中且位于绝缘管内以防止电子失真并连接至发电机(4)的接地(M)的接地极(22)的材料和结构与例如为阳极(6)(9)(10)和阴极(7)(8)(11)的其它电极不同。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的实施所述方法的装置，其特征在于：被引入所述待处理溶液(3)且位于所述电极对(6)(7)、(8)(9)和(10)(11)之间的所述敏感探头(ST)为化学中性的质地，例如由玻璃制成。
11.根据权利要求7所述的实施所述方法的装置，其特征在于：所述电滤过滤器(FEF)与所述电解槽(2)独立和关联以在微分电解操作后固定仍存在于溶液(3)中的具有弱电动势的残余元素，所述电滤过滤器(FEF)主要包括容纳有中性过滤材料(MF)的圆柱形容器(B)，所述中性过滤材料(MF)中插入两个电极(EC)，其中一个例如阳极(EC1)优选为推靠在所述容器(B)的内周面，另一个例如阴极(EC2)推靠在位于所述容器(B)的底面的内表面的中心的轴向支撑管(TS)上，流过过滤材料(MF)的电流根据来自电解处理容器的溶液的化学成分被调节并适应整体的电阻率，已知过滤材料(MF)的导电性随其所含水液的多少而变化，所述溶液随其通过所述电滤过滤器(FEF)而被过滤，从而具有允许其排放至环境或者例如在另一个制造方法中再利用的最佳质量。
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