CN204690158U - 一种超临界复合电铸体系回收利用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超临界复合电铸体系回收利用装置，包括控制阀组、气体过滤器、气体存储器、电铸液存储器、磁力泵、电铸液检测调配组件、复合颗粒回收器、高压泵、CO₂气瓶和压力表；气体过滤器包括气液分离室、气体过滤室和气体干燥室；气体过滤器与反应釜和气体存储器相连用于回收气体；磁力泵与电铸液存储器相连；电铸液检测调配组件包括离子检测槽、离子测量仪和复合电铸液调配槽用于回收和调配复合电铸液；复合颗粒回收器用于回收复合电铸液中的有用固体颗粒。本实用新型能提高电铸液的使用效率减少对环境的污染，降低复合电铸的经济成本。

Description

一种超临界复合电铸体系回收利用装置

技术领域

本实用新型涉及电化学沉积加工技术领域，具体涉及一种超临界复合电铸体系回收利用装置及其工作方法。

背景技术

目前，随着微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）技术的飞速发展以及对高性能复合材料的迫切需求，复合电铸技术在当前乃至未来都将扮演重要角色。

超临界流体（Supercritical Fluid）是指纯净物质处于临界点（临界压力和临界温度）以上时，所表现出来的一种介于液态和气态的流体。近年来，将复合电铸技术与超临界流体技术相结合，是制备高性能纳米复合材料的一个研究热点。目前，在超临界环境下电沉积制备纳米复合材料与微细零件的工艺方法和装置已有所见。如授权公告号为CN 101092716B的中国专利文献公开了一种超临界流体细微电镀成型工艺及其装置，其以SCF-CO₂为电镀环境进行微结构零件的成型，通过该方法所得的金属电镀层表面沉积均匀、无积瘤，且铸层组织细密平整；又如公布号为CN 102146573A的中国专利文献提出了一种超临界流体电铸成型制备纳米复合材料的方法，其主要是在机械搅拌辅助条件下电沉积制备金属基纳米复合材料。然而，上述发明并未考虑到对超临界电铸液的回收利用。超临界CO₂复合电铸体系包含CO₂气体、化学镀液和复合粒子。电铸完毕排气过程中，液体容易跟随气体排出进入管道和阀门，里面的复合粒子和凝固后的液态镀液会堵塞管道和阀门，严重损耗电铸装置的使用寿命；而且，CO₂直接排入空气中会加剧全球温室效应；而化学镀液对环境污染影响明显，直接排入大自然，对地表水和土壤都是一种灾难；复合粒子在电镀过程中并不能全部进入电铸层，在溶液中还会残余一部分，况且制备复合粒子尤其是纳米级的成本很高，因而将铸液中的复合粒子回收再利用较为经济。

实用新型内容

本实用新型的目的是：针对超临界CO₂复合电铸体系，提供一种使用时能够回收CO₂气体、电铸液和电铸所需要固定粒子以资循环使用，从而有效提高电铸液的使用效率、减少对环境的污染、降低复合电铸经济成本的超临界复合电铸体系回收利用装置及其工作方法。

本实用新型的技术方案是：本实用新型的超临界复合电铸体系回收利用装置，包括反应釜，反应釜具有排液口、排气口和进气口；其结构特点是：还包括控制阀组、气体过滤器、气体存储器、电铸液存储器、磁力泵、电铸液检测调配组件、复合颗粒回收器、高压泵、CO₂气瓶和压力表；

上述的控制阀组包括气液混合体排出控制阀、电铸液排出控制阀、反应釜气体输入控制阀和补气控制阀；

气体过滤器包括从下到上依次设置并相通气的气液分离室、气体过滤室和气体干燥室；气液分离室通过控制阀组的气液混合体排出控制阀与反应釜的排气口相连接；

气体存储器设有回收气输入口、补气输入口和供气口；气体存储器的回收气输入口与气体过滤器的气体干燥室相连接；气体存储器的补气输入口通过高压泵和补气控制阀与CO₂气瓶相连接；气体存储器的供气口通过反应釜气体输入控制阀与反应釜的进气口相连接；

电铸液存储器设有进液口、出液口和磁力搅拌器；磁力搅拌器设置在电铸液存储器的底部；电铸液存储器的进液口通过电铸液排出控制阀与反应釜的排液口相连接；

磁力泵设有进液口、出液口和可拆卸式吸附滤芯；磁力泵的进液口与电铸液存储器的出液口相连接；

电铸液检测调配组件包括离子检测槽、离子测量仪和复合电铸液调配槽；离子检测槽设有进液口、出液口、检测出液口和排废口；离子检测槽的进液口与磁力泵的出液口相连接；离子测量仪通过离子检测槽的检测出液口与离子检测槽相连接；离子检测槽的排废口用于排出废液；离子检测槽的出液口与复合电铸液调配槽相连接；

复合颗粒回收器用于回收反应釜放出的复合电铸液中的有用固体颗粒；复合颗粒回收器包括焚烧单元、沉降分离单元、清洗干燥单元和检测单元；

高压泵和CO₂气瓶用于当气体存储器内CO₂不足时向气体存储器内补充CO₂气体；压力表用于检测反应釜内的气压，压力表设置在反应釜气体输入控制阀与反应釜的进气口之间。

进一步的方案是：上述的气体过滤器的气液分离室的下端设有混合气输入口；气液分离室内设有向下倾斜的一组挡板，挡板向下倾斜角度范围为8～16°；气体过滤室内填充有氧化铜固体；气体过滤室的内外壁之间设置有加热电阻；气体干燥室设有回收气体输出口；气体干燥室内填充有固体氯化钙。

进一步的方案是：上述的气体存储器的内壁设有用于控制气体存储器在工作时内部温度为2℃的循环冷却水管。

进一步的方案是：上述的电铸液存储器的磁力搅拌器工作时的转速为400～600r/min。

进一步的方案是：上述的磁力泵为MP微型磁力泵；磁力泵的可拆卸式吸附滤芯为不锈钢滤芯或折叠式微孔滤芯，滤芯外部包裹双层滤布。

进一步的方案还有：上述的复合颗粒回收器的焚烧单元用于对通过磁力泵的可拆卸式吸附滤芯回收的固体颗粒进行焚烧处理；

沉降分离单元包括复合颗粒离心沉降器；沉降分离单元用于对焚烧单元的焚烧产物进行离心沉降分离，使得焚烧产物中复合电铸液配置所需的固体颗粒与重金属颗粒分离；

清洗干燥单元用于对分离出的复合电铸液配置所需的固体颗粒进行清洗干燥；

检测单元用于对清洗干燥后的复合电铸液配置所需的固体颗粒是否符合循环使用标准进行检测。

本实用新型具有积极的效果：（1）本实用新型的超临界复合电铸体系回收利用装置，通过设置气体过滤器，能够有效回收超临界电铸体系中的CO₂气体以供重复循环使用，避免CO₂气体直接排入空气中会加剧全球温室效应；同时通过汽体过滤器的设置能够有效避免反应釜排气时电铸液随气体进入管道造成排气管道堵塞，大大提高了管道和阀门的使用寿命。（2）本实用新型的超临界复合电铸体系回收利用装置，通过结构的设计，使用时能够有效回收使用过的复合电铸液及其中有用的固体颗粒以供重复循环使用，从而提高了复合电铸液中电铸液和固体颗粒的利用率，有效降低复合电沉积加工成本。（3）本实用新型的超临界复合电铸体系回收利用装置，其在使用时通过回收使用过的复合电铸液及其中有用的固体颗粒重复循环使用，不但可降低加工成本，而且可有效减少加工废液和废渣对环境造成的污染，绿色环保。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图，图中还显示了其与超临界复合电铸装置之反应釜的气、液连接关系；

图2为图1中气体过滤器的结构示意图；

图3为图1中的复合颗粒回收器的结构示意图。

上述附图中的附图标记如下：

反应釜100，

控制阀组1，气液混合体排出控制阀1-1，电铸液排出控制阀1-2，反应釜气体输入控制阀1-3，补气控制阀1-4；

气体过滤器2，气液分离室21，挡板21-1，气体过滤室22、气体干燥室23，

气体存储器3

电铸液存储器4，

磁力泵5，

电铸液检测调配组件6，离子检测槽61，离子测量仪62，复合电铸液调配槽63，

复合颗粒回收器7，焚烧单元71，沉降分离单元72，清洗干燥单元73，检测单元74，

高压泵8，

CO₂气瓶 9，

压力表10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1至图3，本实施例的超临界复合电铸体系回收利用装置，应用于超临界复合电铸加工装置，超临界复合电铸装置的核心器件为反应釜100，反应釜100具有排液口、排气口和进气口。

本实施例的超临界复合电铸体系回收利用装置，主要由控制阀组1、气体过滤器2、气体存储器3、电铸液存储器4、磁力泵5、电铸液检测调配组件6、复合颗粒回收器7、高压泵8、CO₂气瓶 9和压力表10组成。

控制阀组1包括气液混合体排出控制阀1-1、电铸液排出控制阀1-2、反应釜气体输入控制阀1-3和补气控制阀1-4。

气体过滤器2包括从下到上依次设置并通气的气液分离室21、气体过滤室22和气体干燥室23。气液分离室21的下端设有混合气输入口；气液分离室21内设有依次相接排列的一组挡板21-1，挡板21-1向下倾斜角度范围为8～16°；气体过滤室22内填充有氧化铜固体，并留有一定孔隙；气体过滤室22的内外壁之间设置加热电阻，使得其工作时的温度控制在200摄氏度；气体干燥室23设有回收气体输出口；气体干燥室23内填充有固体氯化钙，并留有一定孔隙；气体干燥室23工作时的温度为常温；气液分离室21的混合气输入口通过控制阀组1的气液混合体排出控制阀1-1与反应釜100的排气口相连接。

气体存储器3具有回收气输入口、补气输入口和供气口；气体存储器3的回收气输入口与气体过滤器2的气体干燥室23的回收气体输出口相连接；气体存储器3的补气输入口通过高压泵8和补气控制阀1-4与CO₂气瓶 9相连接；气体存储器3的供气口通过反应釜气体输入控制阀1-3与反应釜100的进气口相连接。气体存储器3的内壁设有循环冷却水管；用于控制气体存储器3在工作时内部温度为2℃左右。

电铸液存储器4设有进液口、出液口和磁力搅拌器，磁力搅拌器设置在电铸液存储器4的底部，工作时磁力搅拌器的转速为400～600r/min。电铸液存储器4的进液口通过电铸液排出控制阀1-2与反应釜100的排液口相连接。

磁力泵5设有进液口、出液口和可拆卸式吸附滤芯，可拆卸式吸附滤芯设置在磁力泵5的内部；磁力泵5优选采用MP微型磁力泵；滤芯选用不锈钢滤芯或折叠式微孔滤芯，滤芯外部包裹双层滤布。磁力泵5的进液口与电铸液存储器4的出液口相连接。

电铸液检测调配组件6包括离子检测槽61、离子测量仪62和复合电铸液调配槽63。离子检测槽61设有进液口、出液口、检测出液口和排废口；离子检测槽61的进液口与磁力泵5的出液口相连接；离子测量仪62通过离子检测槽61的检测出液口与离子检测槽61相连接；离子检测槽61的排废口用于排出废液；离子检测槽61的出液口与复合电铸液调配槽63相连接。

复合颗粒回收器7用于回收反应釜100放出的复合电铸液中的有用固体颗粒。复合颗粒回收器7主要由焚烧单元71、沉降分离单元72、清洗干燥单元73和检测单元74组成。

焚烧单元71用于对通过磁力泵5的可拆卸式吸附滤芯回收的固体颗粒进行焚烧处理以去除固体颗粒中的有机物和水分，起到减量减重的作用，焚烧产物为包含重金属颗粒和复合电铸液配置所需的固体颗粒；焚烧单元71工作时温度控制在500℃左右，时间为5～10min。

沉降分离单元72的核心器件为复合颗粒离心沉降器；复合颗粒离心沉降器的底部设置圆形电磁铁；溶剂选用蒸馏水或去离子水。沉降分离单元72用于对焚烧单元71的焚烧产物进行离心沉降分离，使得焚烧产物中复合电铸液配置所需的固体颗粒与重金属颗粒分离；沉降分离单元72沉底的废渣采用常规阳极泥处理方式进行处理，对其中的重金属进行提炼。

清洗干燥单元73用于对分离出的复合电铸液配置所需的固体颗粒进行清洗干燥；检测单元74对清洗干燥后的复合电铸液配置所需的固体颗粒进行检测，若检测指标符合电铸要求，将其送入复合电铸液调配槽63循环使用；若检测指标未达到电铸要求，则将其继续投入沉降分离单元72进行处理。

高压泵8和CO₂气瓶 9用于当气体存储器3内CO₂不足时向气体存储器3内补充CO₂气体。

压力表10设置在反应釜气体输入控制阀1-3与反应釜100的进气口之间；压力表10用于检测反应釜100内的气压。

本实施例的超临界复合电铸体系回收利用装置在使用时对超临界复合电铸体系的回收利用过程，以反应釜100中为镍基金刚石复合电铸液为例进行说明：

反应釜100中电铸工作完毕后，由于反应釜100的保温性能，超临界电铸体系的温度维持在工作温度；缓慢打开气液混合体排出控制阀1-1，反应釜100中的混合气体流向气体过滤器2，气体过滤器2的气体过滤室22温度控制在200摄氏度，气体干燥室23的温度为常温，通过气体过滤室22和气体干燥室23后混合气体除去当中微量的氢气和水蒸汽，达到提纯的效果；随着气液混合体排出控制阀1-1打开量加大，反应釜100中的液态电铸液会随着混合气体喷出进入气液分离室21，气液分离室21气液分离室21内设置的一组挡板21-1有效地阻隔液体，同时，挡板21-1具有向下的倾斜角度，有利于残留在挡板21-1上的电铸液在自身重力作用下逐级滑落回反应釜100；汽液分离后的混合气体经过气体过滤室22和气体干燥室23后，收集于经过冷却的气体存储器3内，气体存储器3内部温度控制在2℃左右；当气体存储器3内CO₂不足时，可由CO₂气瓶9补充。

打开电铸液排出控制阀1-2，反应釜100中的复合电铸液收集于电铸液存储器4中，当收集到一定量后，启动电铸液存储器4的磁力搅拌器至较大转速，使复合电铸液中的不溶性固体颗粒有效分散悬浮；磁力泵5抽取电铸液存储器4中的复合电铸液，复合电铸液经过磁力泵5的可拆卸式吸附滤芯过滤后流向离子检测槽61中；复合电铸液中的金刚石颗粒和阳极泥被磁力泵5的可拆卸式吸附滤芯有效地阻隔下来，金刚石颗粒和阳极泥混合物收集达到一定量后放入复合颗粒回收器7的焚烧单元71进行焚烧处理，焚烧单元71温度控制在500℃左右，时间为5～10min；焚烧有效地去除混合物中的有机物和水分，起到减量减重的作用；将焚烧产物在沉降分离单元72内过水洗净，放入复合颗粒离心沉降器中，离心沉降器的转速较慢，控制在100～150r/min；由于经过焚烧处理，混合物中的固体颗粒只包含重金属颗粒和金刚石颗粒，在沉降液和离心力的作用下，金刚石颗粒由于重量轻会悬浮在溶液上层，而重金属颗粒由于质量大而处于下层，且具有一定的磁性，容易被底部电磁铁吸附；取上层悬浮溶液并过滤得到金刚石颗粒，经清洗干燥单元73清洗干燥得到金刚石颗粒粉末；检测单元74对得到的金刚石颗粒粉末的纯度进行检测，若符合电铸要求，则送入复合电铸液调配槽63循环使用；若未达到电铸要求，则将其继续投入沉降分离单元72进行重复筛选回收过程。离心沉降器底部的剩余废渣可由常规阳极泥处理方式，对其中的重金属进行提炼回收。

离子测量仪62对磁力泵5过滤后抽入到离子检测槽61中的复合电铸液中的各离子成分和含量进行检测；对复合电铸液中检测出的微量的金属杂质离子采用电化学方法去除；对于镍离子可用硫酸镍、氯化镍或者氢氧化镍进行补充，控制PH值，使得复合电铸液达到电铸所需的参数条件；调配好的复合电铸液导入复合电铸液调配槽63内，加入包括回收的金刚石颗粒在内的一定量的金刚石颗粒，经过一定的预处理，得到符合电铸要求的复合电镀液，以重复循环使用。

本实施例的超临界复合电铸体系的回收利用装置，其工作方法主要包括以下步骤：

①气体回收：打开控制阀组1的气液混合体排出控制阀1-1，使得反应釜100恒温降压至一个大气压，反应釜100内部的混合气体经过气体过滤器2的气液分离室21、气体过滤室22和气体干燥室23提纯处理后收集于气体存储器3内循环使用；

其中，反应釜的工作压力为8～20MPa，工作温度为35～70℃；气体存储器3的内部温度控制在2℃左右；

排气控制阀应缓慢打开；气体过滤室22的温度控制在200℃左右，用于置换反应除氢气；

电铸液为镍基或铜基复合铸液，PH值为2～6，硬质复合颗粒为金刚石、SiC和Al₂O₃等，颗粒直径为纳米级。

②固体颗粒回收：

第一步：打开电铸液排出控制阀1-2，将反应釜100中的复合电铸液收集于电铸液存储器4中，启动电铸液存储器4的磁力搅拌器，使复合电铸液中的不溶性固体颗粒有效分散悬浮；电铸液存储器中磁力搅拌器的转速为400～600r/min；

第二步：磁力泵5抽取电铸液存储器4中的复合电铸液，复合电铸液经过磁力泵5的可拆卸式吸附滤芯过滤后流向离子检测槽61中，进入步骤③；复合电铸液中的固体颗粒由磁力泵5的可拆卸式吸附滤芯收集到一定量后交由复合颗粒回收器7处理；

第三步：由磁力泵5的可拆卸式吸附滤芯收集的复合电铸液中的固体颗粒依次经复合颗粒回收器7的焚烧单元71进行焚烧处理、沉降分离单元72进行离心沉降分离、清洗干燥单元73的清洗干燥和检测单元74的纯度检测，得到可回收循环使用的复合电铸液配置所需的固体颗粒；

焚烧单元71工作时温度控制在500℃，焚烧时间为5～10分钟；所述沉降分离单元72的复合颗粒离心沉降器的转速控制在100～150r/min。

③电铸液去除杂质：磁力泵5的可拆卸式吸附滤芯过滤后去除了固体颗粒的电铸液流入离子检测槽61后，由离子测量仪62检测电铸液中各种离子的成分与浓度，按照需要去除其中微量杂质离子，补充电铸液需要的离子，得到符合要求的电铸液；检测不达标的固体颗粒重新投入沉降分离单元72处理；

离子测量仪62的浓度值可精确到0.0001mol/L；微量杂质离子以电化学法去除。

④调配复合电铸液：将步骤②中得到的复合电铸液配置所需的固体颗粒以及步骤③中得到的电铸液在复合电铸液调配槽63中按照设定的比例调配成符合电铸要求的复合电铸液供循环使用。

以上实施例是对本实用新型的具体实施方式的说明，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本实用新型的专利保护范围。

Claims (6)

1. 一种超临界复合电铸体系回收利用装置，包括反应釜（100），反应釜（100）具有排液口、排气口和进气口；其特征在于：还包括控制阀组（1）、气体过滤器（2）、气体存储器（3）、电铸液存储器（4）、磁力泵（5）、电铸液检测调配组件（6）、复合颗粒回收器（7）、高压泵（8）、CO₂气瓶（9）和压力表（10）；

所述的控制阀组（1）包括气液混合体排出控制阀（1-1）、电铸液排出控制阀（1-2）、反应釜气体输入控制阀（1-3）和补气控制阀（1-4）；

气体过滤器（2）包括从下到上依次设置并相通气的气液分离室（21）、气体过滤室（22）和气体干燥室（23）；气液分离室（21）通过控制阀组（1）的气液混合体排出控制阀（1-1）与反应釜（100）的排气口相连接；

气体存储器（3）设有回收气输入口、补气输入口和供气口；气体存储器（3）的回收气输入口与气体过滤器（2）的气体干燥室（23）相连接；气体存储器（3）的补气输入口通过高压泵（8）和补气控制阀（1-4）与CO₂气瓶（9）相连接；气体存储器（3）的供气口通过反应釜气体输入控制阀（1-3）与反应釜（100）的进气口相连接；

电铸液存储器（4）设有进液口、出液口和磁力搅拌器；磁力搅拌器设置在电铸液存储器（4）的底部；电铸液存储器（4）的进液口通过电铸液排出控制阀（1-2）与反应釜（100）的排液口相连接；

磁力泵（5）设有进液口、出液口和可拆卸式吸附滤芯；磁力泵（5）的进液口与电铸液存储器（4）的出液口相连接；

电铸液检测调配组件（6）包括离子检测槽（61）、离子测量仪（62）和复合电铸液调配槽（63）；离子检测槽（61）设有进液口、出液口、检测出液口和排废口；离子检测槽（61）的进液口与磁力泵（5）的出液口相连接；离子测量仪（62）通过离子检测槽（61）的检测出液口与离子检测槽（61）相连接；离子检测槽（61）的排废口用于排出废液；离子检测槽（61）的出液口与复合电铸液调配槽（63）相连接；

复合颗粒回收器（7）用于回收反应釜（100）放出的复合电铸液中的有用固体颗粒；复合颗粒回收器（7）包括焚烧单元（71）、沉降分离单元（72）、清洗干燥单元（73）和检测单元（74）；

高压泵（8）和CO₂气瓶（9）用于当气体存储器（3）内CO₂不足时向气体存储器（3）内补充CO₂气体；压力表（10）用于检测反应釜（100）内的气压，压力表（10）设置在反应釜气体输入控制阀（1-3）与反应釜（100）的进气口之间。

2.根据权利要求1所述的超临界复合电铸体系回收利用装置，其特征在于：所述的气体过滤器（2）的气液分离室（21）的下端设有混合气输入口；气液分离室（21）内设有向下倾斜的一组挡板（21-1），挡板（21-1）向下倾斜角度范围为8～16°；气体过滤室（22）内填充有氧化铜固体；气体过滤室（22）的内外壁之间设置有加热电阻；气体干燥室（23）设有回收气体输出口；气体干燥室（23）内填充有固体氯化钙。

3.根据权利要求1所述的超临界复合电铸体系回收利用装置，其特征在于：所述的气体存储器（3）的内壁设有用于控制气体存储器（3）在工作时内部温度为2℃的循环冷却水管。

4.根据权利要求1所述的超临界复合电铸体系回收利用装置，其特征在于：所述的电铸液存储器（4）的磁力搅拌器工作时的转速为400～600r/min。

5.根据权利要求1所述的超临界复合电铸体系回收利用装置，其特征在于：所述的磁力泵（5）为MP微型磁力泵；磁力泵（5）的可拆卸式吸附滤芯为不锈钢滤芯或折叠式微孔滤芯，滤芯外部包裹双层滤布。

6.根据权利要求1所述的超临界复合电铸体系回收利用装置，其特征在于：所述的复合颗粒回收器（7）的焚烧单元（71）用于对通过磁力泵（5）的可拆卸式吸附滤芯回收的固体颗粒进行焚烧处理；

沉降分离单元（72）包括复合颗粒离心沉降器；沉降分离单元（72）用于对焚烧单元（71）的焚烧产物进行离心沉降分离，使得焚烧产物中复合电铸液配置所需的固体颗粒与重金属颗粒分离；

清洗干燥单元（73）用于对分离出的复合电铸液配置所需的固体颗粒进行清洗干燥；

检测单元（74）用于对清洗干燥后的复合电铸液配置所需的固体颗粒是否符合循环使用标准进行检测。