CN2700345Y - 辐射式电极电解槽 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种辐射式电极电解槽，包括槽体、极板和搅拌装置，槽体为圆筒形，全部极板按相同夹角以辐射状均匀排列，类似车轮的轮辐，阳极板与阴极板相间排列，且同种极板的数量为7－40个。本实用新型在有限的电解反应器容积内可以安装比传统同心圆状排列电极的反应器要高几倍的电极面积，反应器效率高，而工业设备体积小，实现了在有限时间内可以完成废水处理任务的目的。

Description

辐射式电极电解槽  

技术领域

本实用新型涉及一种二维电解槽，即二维电解反应器。

背景技术

电镀工业的含氰废水数量虽少但氰化物浓度高，往往还含有贵金属和重金属，以及化学性质不稳定的添加剂。这类废水目前基本上都采用氧化法(氯或过氧化氢作氧化剂)处理，处理成本高，贵金属和重金属回收率低。从理论上看，采用电解法处理这种含氰废水优于氧化法，其优点有四：一是电解反应过程中产生的自由基无选择地直接与废水中的污染物反应，将其氧化破坏，而阴极将一些贵金属和重金属还原成单质，得到回收；二是既可以单独操作又可以与其它处理方法相结合；三是电解过程不加入有毒物质，不产生二次污染，四是设备及其操作较简单，如果设计合理，设备制造成本和生产成本并不高。在国外，电解法水处理技术被称为“环境友好”技术。

含氰废水的电解过程就是利用通过电解槽内电极间的直流电使含氰废水中的CN^-和一些重金属离子发生电化学反应的过程。在碱性条件下，氰化物离子被阳极产生的·OH氧化成碳酸盐和氮气，或在电解电流密度较大等条件下将氰化物氧化为甲酸盐和氨盐；在阴极区，贵金属及某些重金属离子得到电子还原成单质。

电解反应器分为两大类：二维反应器和三维反应器。二维电解反应器又分两类：移动电极反应器和固定电极反应器。二维固定电极反应器还可按其电极结构和形状划分为平行板电极、容器(板)式、压滤式、堆盘式、同心圆筒式、流通式6种。电解高浓度含氰化物、贵金属和重金属废水对反应器有三个基本要求：一是要求反应器电极形状简单且易于拆卸，能够简便及时地回收阴极上的金属，确保设备常期稳定运行；二是要求反应器利用较小电耗提供尽可能大的传质速率，以降低电解总电耗，提高电效率；电解反应器的有效工作面积与有效体积之比η称为反应器效率，效率过小是其工业应用的最大障碍，所以第三个要求是反应器的效率要足够高。从这三方面考虑，上述6种反应器均不适合，同心圆电极反应器的性能符合前两个要求，但其反应器效率低，仍不能满足工业生产的需要。

发明内容

本实用新型的目的主要在于针对现有所有二维电解反应器均不能满足高浓度含氰化物、贵金属和重金属废水对反应器的上述三个要求的问题，提供一种能满足上述要求尤其是反应器效率高的辐射式电极电解槽。

本实用新型的目的是这样实现的：本实用新型包括槽体、极板和搅拌装置，所述槽体为圆筒形，全部极板按相同夹角以辐射状均匀排列，类似车轮的轮辐，阳极板与阴极板相间排列，且同种极板的数量为7～40个。

作为进一步改进，本实用新型可在阴极板与液相相接触的周边包裹有绝缘材料如玻璃钢，从而可以避免沉积在阴极板上的金属产生包裹，而无法用机械方法将金属取下来的现象。

本实用新型的技术效果在于：本发明在有限的电解反应器容积内可以安装比传统同心圆状排列电极的反应器要高几倍的电极面积，反应器效率高，而工业设备体积小，实现了在有限时间内可以完成废水处理任务的目的，另外，由于在同一反应器内可以安装3组串联的电极，因此可以用高电压小电流的整流电源，节约了投资。

本实用新型电解反应器效率的数学分析如下：

本实用新型中辐射状极板的排列方式见图1，全部极板均同圆心按相同夹角以辐射状排列，类似车轮的轮辐，图1中仅画了其中两个相邻的同性电极，异性电极与同性电极相间排列，图中未画出。常规的同心圆电极排列方式见图2，图1和图2中粗实线为电极，本文按大圆筒的内表面积计算本实用新型的反应器效率并与辐射状电极反应器效率相比较。两种排列方式中，圆筒中心均设有推进式搅拌浆叶，图中略去。

同心圆电极电解反应器的效率公式：

η_同＝S_同/V_同＝πDh/(π/4D²h)＝4/D           (1)

辐射状电极电解反应器的效率公式：

η_幅＝S_幅/V_幅＝2nwh/(D²hπ/4)＝8nw/(πD²)    (2)

两式相除得到辐射状与同心圆状电极电解反应器的效率比γ：

γ＝η_幅/η_同＝2nw/πD                       (3)

在(1)、(2)两式中：

D为电解反应器的内径，

h为电极的有效高度，

系数2表示辐射状电极电解反应器电极板两面均发生电化学反应，

n为辐射状电极反应器内安装的同种(同电性)电极数量，

w为辐射状电极的宽度，

根据弦长与半径的关系可以列出关系式：

L＝(D-2δ)sin(180/n)                      (4)

l＝kL＝dsin(180/n)                        (5)

w＝(D-d-2δ)/2                            (6)

式中：

δ为辐射状电极与反应器壁的间隙(液流通道宽度)，

d为反应器内辐射状电极板围成的内圆的直径，

l为相邻两同性电极的最小距离，

L为相邻两同性电极的最大距离，

k为相邻两同性电极的最小距离和最大距离之比，

根据(4)、(5)、(6)式可以导出辐射状电极宽度表达式：

W＝(1-k)(D-2δ)/2                         (7)

将(7)式代入(3)式得到两种电极排列方式反应器的效率比：

γ＝[(1-k)/π]n(1-2δ/D)                  (8)

由(8)式可以看出：两种反应器效率比γ与辐射状电极数量n成正比；受k值影响较大；当反应器直径足够大时，与反应器直径关系相对较小。

作为一个工业反应器，k、δ、L均为常数。通常k取0.5-0.6，即表示两相邻同性电极的最大距离不超过最小距离的1倍。δ作为水流通道，不应该太小，可取0.03m，L作为相邻的同性电极的最大距离也就限定了相邻两异性电极的最大距离，考虑到金属在阴极表面的沉积层厚度，L应取0.1~0.2m，以保证两相邻异性电极距离不小于0.03m，当电极厚度很小或沉积金属量很有限时，L可取更小的值。

当k＝0.5时，(8)式简化为：

γ＝0.16n(1-2δ/D)                                (9)

根据(4)式求出D与n的关系式：

D＝2δ+L/sin(180/n)                               (10)

代入(9)式得：

γ＝0.16n{1-2δ/[2δ+L/sin(180/n)]}               (11)

γ＞1表示辐射状电极电解反应器的效率高于同心圆电极反应器，下式成立：

0.16n{1-0.06/[0.06-L/sin(180/n)]}＞1              (12)

将δ＝0.03、L＝0.2代入(11)式，推导出：

n＞7或D＞0.52

这表明：效率比公式(11)有两层含义，当n≤7或D≤0.52m时，辐射状电极反应器的效率小于同心圆状电极反应器；而当n＞7或D＞0.52时，辐射状电极反应器效率大于同心圆状电极反应器。值得强调的是：以上结论是在L＝0.2、δ＝0.03、k＝0.5条件下推导出来的，如果上述三项数据有变化，γ值将随之发生变化。

工业上使用的电解反应器，直径不可能太小。以直径1.2米为例，当L＝0.2m、δ＝0.03、k＝0.5时，由(9)式可以求出当n＝18时，γ＝2.25。这表明辐射状电极反应器的效率是同心圆状电极反应器的2.25倍，这正是我们所期望的。

本实用新型经过实际的应用，证明该电解反应器确实存在上述优点，与原来采用的次氯酸钠氧化法相比，节约成本近50％，而且银、铜以单质形态得到回收，回收率接近100％。操作简单，维护方便，电极不易损坏。

以下结合附图和一实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是辐射状电极排列方式示意图。

图2是同心圆式电极排列方式示意图。

图3是实施例的外观主视图。

图4是实施例中槽体的内部结构侧视图。

图5是实施例中槽体的内部结构俯视图。

图6是实施例中阴极板的结构图。

图7、图8分别是实施例中电极汇流元件的俯视图、侧视图。

图9是实施例中电解槽上盖的俯视图。

图10是实施例中电解槽上盖与槽体结合部位的结构图。

具体实施方式

如图3所示，本实施例包括上盖1和槽体3，槽体3为圆筒形，用绝缘材料制成，槽体3的下部是一锥形底，以便于排出电解生成物。

如图4、图5、图6所示，槽体3的中心设有导流筒4，起稳定水流的作用，在槽体3内还设有极板，极板分为阳极板401和阴极板402，全部极板以相同圆心按相同夹角以辐射状均匀排列，类似车轮的轮辐，阳极板401与阴极板402相间排列，极板的数量由电解槽直径D、板宽L和板间距δ等因素决定，本实施例中同种极板的数量采用8个，阴极板402采用不锈钢板，阳极板401采用石墨板，为了避免沉积在阴极板402上的金属产生包裹体，而无法用机械方法将金属取下来，本实施例将阴极板402与液相接触的周边用玻璃钢绝缘材料7包裹，使金属层形成片状而不是袋状，易于剥离和回收。以往的电解槽在处理组成与电镀液相近的原料时，沉积在阴极板上的金属产生包裹而难以取下的现象常常发生。

如图4所示，在圆筒形的槽体3内还设有阴极板的汇流元件6和阳极板的汇流元件5，两种汇流元件的形状和结构均如图7、图8所示，每种极板的汇流元件由两个同心圆环和连接在两个圆之间且呈辐射状排列的固定板8构成，阳极板401、阴极板402都通过螺栓固定在其汇流元件的固定板8上，阴、阳两种极板的汇流元件上下排成两层，由于阳极材料价格较高，为节约阳极材料，阳极板的汇流元件5放在下部，阴极板的汇流元件6放在上部。汇流元件为同种电极供电并支撑极板，采用上下两层汇流元件的结构解决了异性电极汇流元件的绝缘问题。

本实施例还设有推进式搅拌机，推进式搅拌机的搅拌叶轮设在槽体3内中心位置，推进式搅拌机的转轴通过上盖上的开孔伸入槽体3内。推进式搅拌机使槽内液体高度分散，确保极板表面有较高的传质速率，即足够的扩散速度。

如图1、图9和图10所示，本实施例在槽体3的上方设置能开启的上盖1，上盖1由两个半圆形盖组成，并保证上盖冷凝水能回流到槽体3内；在上盖1设排气孔102，将电解过程产生和废气排出，送废气处理装置加以处理；为了防止产生的易燃易爆气体达到爆炸极限，上盖1四周设通气孔101，用空气将废气稀释到爆炸极限以下；为方便上盖1开启，排气管与上盖1不接触，两电极汇流元件的引出线2也不与上盖1接触。图4中103为轴孔，搅拌机的转轴由此进入槽体3内。为防腐和减少电阻，两种电极的汇流元件及其引出线均用碳钢和不锈钢复合材料，碳钢电阻率小、不锈钢耐腐蚀。

本实用新型中阴极板除采用不锈钢板外，还可采用其它导电金属板，阳极板除采用石墨板外，还可采用其它过电位低的耐腐蚀导电材料，根据处理的废水性质不同，而选择不同材料的电极。本实用新型中包裹在阴极板周边的绝缘材料除玻璃钢外，还可采用其它绝缘材料如塑料等。

本实用新型中同种极板的数量取7-40，包括两个端值。

为避免电极板过长造成电阻过大而形成电极板上下部分所得电压有明显差别，同时极板在液流冲击时不至于产生明显的振动变形，本实用新型要求极板厚度要足够，一般在2～4mm范围，要求极板的高度限定在其宽度的5倍之内，一般在600～1500mm范围。

由于直流电源的价格与输出电流成正比而与输出电压关系很小，为降低直流电源的投资，本实用新型可以在一个电解槽内将电极分成几组，其中一组做隔离区，另外几组串联接入高电压整流器；也可以将几台电解槽串联起来共用一个高电压的整流器，此时需要循环泵将几个电解槽内的溶液打循环，以保证电解效果一致。

Claims (6)

1.一种辐射式电极电解槽，包括槽体、极板、极板的汇流元件和搅拌装置，其特征在于：所述槽体为圆筒形，全部极板按相同夹角以辐射状均匀排列，类似车轮的轮辐，阳极板与阴极板相间排列，且同种极板的数量为7～40个。

2.根据权利要求1所述的辐射式电极电解槽，其特征在于：在阴极板与液相相接触的周边包裹有绝缘材料。

3.根据权利要求2所述的辐射式电极电解槽，其特征在于：所述绝缘材料选自玻璃钢、塑料。

4.根据权利要求1所述的辐射式电极电解槽，其特征在于：所述搅拌装置为推进式搅拌机。

5.根据权利要求1所述的辐射式电极电解槽，其特征在于：每种极板的汇流元件由两个同心圆环和连接在两个圆之间且呈辐射状排列的固定板构成，阴、阳两种极板分别通过螺栓固定在其汇流元件的固定板上，阴、阳两种极板的汇流元件上下排列，阳极板的汇流元件在下部，阴极板的汇流元件在上部。

6.根据权利要求1所述的辐射式电极电解槽，其特征在于：所述极板的高度限制在其宽度的5倍之内。

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