CN215856366U - 一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，包括阳极电解槽、阴极电解槽、金属离子迁移机构、电解液分离循环机构、电解液预处理机构、气体回收机构和电压调控机构；所述阳极电解槽和所述阴极电解槽通过所述金属离子迁移机构离子导通：所述金属离子迁移机构的一端伸入到所述阳极电解槽的液面以下，所述金属离子迁移机构的另一端伸入到所述阴极电解槽的液面以下；所述阴极电解槽的侧壁底端设有流体出口孔，所述阴极电解槽通过所述流体出口孔与所述电解液分离循环机构的流体入口端流体导通。本实用新型不需要添加碱，也不需要消耗大量的酸就可以从含有多种金属离子的铝硅溶液中提取得到的高纯度金属化合物。

Description

一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置

技术领域

本实用新型涉及金属离子分离技术领域。具体地说是一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置。

背景技术

工业固废如粉煤灰、煤矸石、赤泥、金属或非金属尾矿等，闲置资源如沙漠风积沙、河沙、粘土等，都含有数量巨大的氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁、氧化镁等组分。因此，从这样一些工业固废和闲置物质提取高纯度的化合物，是资源循环再生利用的有效方法，同时可大大减轻它们对环境的不良影响。

目前，针对粉煤灰、煤矸石、金属尾矿等的综合利用技术主要有碱法和酸法，用于提取氧化铝、氧化硅和其它化合物。碱法主要依靠添加强碱性物质如氢氧化钠、氢氧化钙等，在提取氢氧化铝后，又形成数量十分巨大的硅酸钙渣，它的再生利用又是一个难题。酸浸法通过结晶获得氯化铝、硫酸铝等，煅烧后获得氧化铝，但是形成严重的盐酸或硫酸气体，酸的消耗巨大，也同样造成残留高硅渣较多，产生新的固废处理难题。但是，无论碱法还是酸法，都没有重视除铝、硅外的其它金属离子的回收问题。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种不需要消耗碱及大量的酸就可以从铝硅溶液中分离金属离子的装置，即一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，以实现粉煤灰、煤矸石、金属尾矿等的综合利用。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，包括阳极电解槽、阴极电解槽、金属离子迁移机构、电解液分离循环机构、电解液预处理机构、气体回收机构和电压调控机构；

所述阳极电解槽和所述阴极电解槽通过所述金属离子迁移机构离子导通：所述金属离子迁移机构的一端伸入到所述阳极电解槽的液面以下，所述金属离子迁移机构的另一端伸入到所述阴极电解槽的液面以下；

所述阴极电解槽的侧壁底端设有流体出口孔，所述阴极电解槽通过所述流体出口孔与所述电解液分离循环机构的流体入口端流体导通；所述阴极电解槽侧壁上端设有流体入口孔，所述阴极电解槽通过所述流体入口孔与所述电解液分离循环机构的流体出口端流体导通；

所述电解液预处理机构的流体出口端与所述阳极电解槽流体导通；

所述气体回收机构固定安装在所述阳极电解槽和所述阴极电解槽的上方，且所述气体回收机构的气体入口分别正对所述阳极电解槽和所述阴极电解槽的上端开口；

所述电压调控机构的电流输出端分别与所述阳极电解槽和所述阴极电解槽的电流输入端电连接。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述阳极电解槽内部分别固定安装有第一惰性电极和第一电加热器，且所述第一惰性电极和所述第一电加热器均远离所述阳极电解槽的内壁，且所述第一电加热器位于所述阳极电解槽内的液面下方；所述第一惰性电极与所述电压调控机构的正极电连接，所述第一电加热器与所述电压调控机构电连接。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述阴极电解槽内部分别固定安装有第二惰性电极、第二电加热器和电动搅拌器；所述第二惰性电极和所述第二电加热器均远离所述阴极电解槽的内壁，所述电动搅拌器固定安装在所述阴极电解槽内部底壁上；所述第二电加热器和所述电动搅拌器均位于所述阴极电解槽内的液面下方；所述第二惰性电极与所述电压调控机构的负极电连接；所述第二电加热器与所述电压调控机构电连接。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述金属离子迁移机构为盐桥，所述盐桥的一端插入到所述阴极电解槽内液面以下，另一端插入到所述阳极电解槽内液面以下。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述金属离子迁移机构为阳离子交换膜，所述阳离子交换膜的一端伸入到所述阴极电解槽内液面以下，另一端伸入到所述阳极电解槽内液面以下。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述电解液分离循环机构包括离心分离机和电解液回液管；所述离心分离机的第一出液口与所述电解液回液管的流体入口端流体导通，所述电解液回液管的流体出口端与所述阴极电解槽的流体入口流体导通，且所述电解液回液管上安装有阀门B；所述离心分离机的进液口与所述阴极电解槽的流体出口流体导通，且所述离心分离机的进液口与所述阴极电解槽的流体出口之间安装有阀门A，所述离心分离机的第二出液口处安装有阀门D。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述气体回收机构为烟气收集器，所述烟气收集器固定安装在所述阳极电解槽和所述阴极电解槽的上方，且所述烟气收集器的气体入口分别正对所述阳极电解槽和所述阴极电解槽的上端开口。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述电解液预处理机构包括过滤器和电解液供液管，所述电解液供液管的流体出口端与所述过滤器的进液口流体导通，且所述电解液供液管的流体出口端与所述过滤器的进液口之间安装有阀门C；所述过滤器的出液口与所述阳极电解槽流体导通。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述电压调控机构包括电源和变压器；所述电源和所述变压器通过电路连接，且所述变压器的电流输出端分别所述阳极电解槽和所述阴极电解槽的电流输入端电连接。

上述一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，所述阳极电解槽和所述阴极电解槽的内壁上设有防腐蚀内衬。

本实用新型的工作原理为：在阴阳电极间施加电压，阳离子在电场作用下通过盐桥或阳离子交换膜向阴极迁移，进入阴极电解槽形成水溶液。在阳极优先析出氯气，在阴极，高价态离子比如三价铁离子被还原为二价铁离子，同时析出氢气。此时阴极水溶液pH基本上处于Fe²⁺离子的沉积范围，从而产生Fe(OH)₂沉淀。Fe²⁺离子沉积完成后，pH会继续升高，在更高的pH范围内Ca²⁺、Mg²⁺等离子沉积出Ca(OH)₂和Mg(OH)₂。而迁移过来的铝离子由于阴极水溶液的pH过高而无法沉积。通过准确控制阴极溶液的pH，可在逐渐升高的pH下依次析出高纯度氢氧化物。另外根据被溶解物质的不同，也可以从它们的溶液中以氢氧化物的形式分离出Zn、Co、Ni、Mn等在碱性条件下沉积的离子。

本实用新型的技术方案取得了如下有益的技术效果：

本实用新型提供的装置适用于含多种金属离子的铝硅溶液中金属离子的分离，所沉积化合物的种类、纯度和含量与铝硅溶液的来源有关。采用本实用新型的装置，不需要添加碱，也不需要消耗大量的酸就可以提取得到的金属化合物，且得到的化合物产品颗粒小，纯度高，可用作其它多种行业的工业原料，净化后的铝硅溶液还可继续用于提取铝和硅的化合物。

本实用新型提供一种从含铁、钙、镁、钛和稀土等的含氯酸性铝硅溶液中电化学沉积金属离子的装置，它一方面可以提取得到高纯度的铁、钙、镁、钛等氢氧化物或其混合物，另一方面能够纯净化铝硅溶液，以缩短铝、硅离子的电化学分离效率，提高氢氧化铝的纯度。

本实用新型通过设置金属离子迁移机构将阳极电解槽和阴极电解槽连接起来，使阳极电解槽中的金属离子能够迁移到阴极电解槽中进行沉淀。这种机构的设置，有利于提高阴极附近沉淀得到的金属化合物的纯度，得到高纯度金属化合物的同时，净化铝硅溶液；尤其是对于在碱性环境下沉淀的二价金属离子而言，采用这种电解装置，可以显著提高所得化合物的纯度，提高提取分离的效率。另外，气体回收机构的设置可将电解过程中析出的氢气和氯气重新收集起来，用于制备盐酸，不仅节约资源，还避免了环境的污染。电解液分离循环机构的设置，可将过滤后剩余的电解液返回到电解槽中，避免了电解液中未沉淀离子的浪费，提高金属离子的回收率。

附图说明

图1本实用新型一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置的结构示意图。

图中附图标记表示为：1-电源；2-变压器；3-阳极电解槽；4-阴极电解槽；5-第一惰性电极；6-第二惰性电极；7-盐桥；8-电动搅拌器；9-第一电加热器；10-第二电加热器；11-阀门A；12-离心分离机；13-阀门B；14- 烟气收集器；15-阀门C；16-过滤器；17-阀门D；18-阳离子交换膜。

具体实施方式

一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，如图1所示，包括阳极电解槽3、阴极电解槽4、盐桥7、离心分离机12、过滤器16、烟气收集器14和电压调控机构；

阳极电解槽3和阴极电解槽4通过盐桥7离子导通：盐桥7的一端伸入到阳极电解槽3的液面以下，盐桥7的另一端伸入到阴极电解槽4的液面以下；离心分离机12的第一出液口与电解液回液管的流体入口端流体导通，电解液回液管的流体出口端与阴极电解槽4的流体入口流体导通，且电解液回液管上安装有阀门B13；离心分离机12的进液口与阴极电解槽4的流体出口流体导通，且离心分离机12的进液口与阴极电解槽4的流体出口之间安装有阀门A11，离心分离机12的第二出液口处安装有阀门D17。

过滤器16的进液口与电解液供液管的流体出口端流体导通，且电解液供液管的流体出口端与过滤器16的进液口之间安装有阀门C15；过滤器16 的出液口与阳极电解槽3流体导通。烟气收集器14固定安装在阳极电解槽 3和阴极电解槽4的上方，且烟气收集器14的气体入口分别正对阳极电解槽3和阴极电解槽4的上端开口。电压调控机构的电流输出端分别与阳极电解槽3和阴极电解槽4的电流输入端电连接。电压调控机构包括电源1和变压器2；电源1和变压器2通过电路连接，且变压器2的电流输出端分别阳极电解槽3和阴极电解槽4的电流输入端电连接。

阳极电解槽3内部分别固定安装有第一惰性电极5和第一电加热器9，且第一惰性电极5和第一电加热器9均远离阳极电解槽3的内壁，且第一电加热器9位于阳极电解槽3内的液面下方；第一惰性电极5与电压调控机构的正极电连接，第一电加热器9与电压调控机构电连接。阴极电解槽4内部分别固定安装有第二惰性电极6、第二电加热器10和电动搅拌器8；第二惰性电极6和第二电加热器10均远离阴极电解槽4的内壁，电动搅拌器8固定安装在阴极电解槽4内部底壁上；第二电加热器10和电动搅拌器8均位于阴极电解槽4内的液面下方；第二惰性电极6与电压调控机构的负极电连接；第二电加热器10与电压调控机构电连接。阳极电解槽3和阴极电解槽 4的内壁上设有防腐蚀内衬。

本实施例以使用盐酸、硝酸和氢氟酸作为浸取液溶解粉煤灰得到的混合溶液(16.1g/L Si，12.8g/L Al，8.0g/L Ca，3.7g/L Fe，0.5g/L Mg，0.3g/L Ti，0.2g/L K，0.4g/L Na)为例，说明该装置的工作过程。

工作流程：首先打开阀门C15，混合液体经电解液供液管进入过滤器 16，通过过滤器16过滤掉固体颗粒后流入涂覆防腐蚀内衬的阳极电解槽3 内；阴极电解槽4充入水。第一电加热器9和第二电加热器10开始供电，控制两个电解槽液体温度在50-90℃；此时，第一惰性电极5和第二惰性电极6经由电源1、变压器2供电，施加电压在6.5-8.5V范围内变化，使该阴极水溶液pH维持在8.0-9.0范围内，根据铁离子浓度大小，沉积氢氧化亚铁10-30分钟后停止电解；打开阀门A11并启动电动搅拌器8排出沉淀物，使其在离心分离器12中分离出沉淀物，滤清溶液经由阀门B13返回到阴极电解槽4中；继续升高电压到9.0-10.0V，使阴极水溶液pH维持在11.0 以上，沉积氢氧化镁和氢氧化钙；根据钙、镁离子浓度的大小，保持10-30 分钟后停止电解；同样打开阀门A11并启动电动搅拌器8排出沉淀物，在离心分离器12中分离出沉淀物，滤清溶液经由阀门B13返回到阴极电解槽 4中；阴极溶液经过稀释后注入阳极电解槽3；阳极电解槽3中钛、铝和硅酸根离子可以通过进一步调节溶液的pH单独分离出来获得高纯度的氢氧化钛、氢氧化铝和硅酸(见“多离子溶液分步电解装置及从多离子溶液中分步提取单一化合物的系统”)。

沉积出的各氢氧化物经过离心分离和水洗进一步提高纯度；净化后的氢氧化物经过干燥和高温煅烧获得高纯度的氧化物粉体；排出的氯气、氢气由烟气收集器14收集，再次合成盐酸重复使用；最后的废液经打开阀门17排出，净化后重复使用。

在其它一些实施例中，盐桥7可替换成阳离子交换膜18，可取得等同的技术效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，包括阳极电解槽(3)、阴极电解槽(4)、金属离子迁移机构、电解液分离循环机构、电解液预处理机构、气体回收机构和电压调控机构；

所述阳极电解槽(3)和所述阴极电解槽(4)通过所述金属离子迁移机构离子导通：所述金属离子迁移机构的一端伸入到所述阳极电解槽(3)的液面以下，所述金属离子迁移机构的另一端伸入到所述阴极电解槽(4)的液面以下；

所述阴极电解槽(4)的侧壁底端设有流体出口孔，所述阴极电解槽(4)通过所述流体出口孔与所述电解液分离循环机构的流体入口端流体导通；所述阴极电解槽(4)侧壁上端设有流体入口孔，所述阴极电解槽(4)通过所述流体入口孔与所述电解液分离循环机构的流体出口端流体导通；

所述电解液预处理机构的流体出口端与所述阳极电解槽(3)流体导通；

所述气体回收机构固定安装在所述阳极电解槽(3)和所述阴极电解槽(4)的上方，且所述气体回收机构的气体入口分别正对所述阳极电解槽(3)和所述阴极电解槽(4)的上端开口；

所述电压调控机构的电流输出端分别与所述阳极电解槽(3)和所述阴极电解槽(4)的电流输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述阳极电解槽(3)内部分别固定安装有第一惰性电极(5)和第一电加热器(9)，且所述第一惰性电极(5)和所述第一电加热器(9)均远离所述阳极电解槽(3)的内壁，且所述第一电加热器(9)位于所述阳极电解槽(3)内的液面下方；所述第一惰性电极(5)与所述电压调控机构的正极电连接，所述第一电加热器(9)与所述电压调控机构电连接。

3.根据权利要求1所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述阴极电解槽(4)内部分别固定安装有第二惰性电极(6)、第二电加热器(10)和电动搅拌器(8)；所述第二惰性电极(6)和所述第二电加热器(10)均远离所述阴极电解槽(4)的内壁，所述电动搅拌器(8)固定安装在所述阴极电解槽(4)内部底壁上；所述第二电加热器(10)和所述电动搅拌器(8)均位于所述阴极电解槽(4)内的液面下方；所述第二惰性电极(6)与所述电压调控机构的负极电连接；所述第二电加热器(10)与所述电压调控机构电连接。

4.根据权利要求1所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述金属离子迁移机构为盐桥(7)，所述盐桥(7)的一端插入到所述阴极电解槽(4)内液面以下，另一端插入到所述阳极电解槽(3)内液面以下。

5.根据权利要求1所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述金属离子迁移机构为阳离子交换膜(18)，所述阳离子交换膜(18)的一端伸入到所述阴极电解槽(4)内液面以下，另一端伸入到所述阳极电解槽(3)内液面以下。

6.根据权利要求1所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述电解液分离循环机构包括离心分离机(12)和电解液回液管；所述离心分离机(12)的第一出液口与所述电解液回液管的流体入口端流体导通，所述电解液回液管的流体出口端与所述阴极电解槽(4)的流体入口流体导通，且所述电解液回液管上安装有阀门B(13)；所述离心分离机(12)的进液口与所述阴极电解槽(4)的流体出口流体导通，且所述离心分离机(12)的进液口与所述阴极电解槽(4)的流体出口之间安装有阀门A(11)，所述离心分离机(12)的第二出液口处安装有阀门D(17)。

7.根据权利要求1所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述气体回收机构为烟气收集器(14)，所述烟气收集器(14)固定安装在所述阳极电解槽(3)和所述阴极电解槽(4)的上方，且所述烟气收集器(14)的气体入口分别正对所述阳极电解槽(3)和所述阴极电解槽(4)的上端开口。

8.根据权利要求1所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述电解液预处理机构包括过滤器(16)和电解液供液管，所述电解液供液管的流体出口端与所述过滤器(16)的进液口流体导通，且所述电解液供液管的流体出口端与所述过滤器(16)的进液口之间安装有阀门C(15)；所述过滤器(16)的出液口与所述阳极电解槽(3)流体导通。

9.根据权利要求1所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述电压调控机构包括电源(1)和变压器(2)；所述电源(1)和所述变压器(2)通过电路连接，且所述变压器(2)的电流输出端分别所述阳极电解槽(3)和所述阴极电解槽(4)的电流输入端电连接。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种利用盐桥电解槽从铝硅溶液中分离金属离子的装置，其特征在于，所述阳极电解槽(3)和所述阴极电解槽(4)的内壁上设有防腐蚀内衬。

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