KR20060067973A - An electrolytic cell for removal of material from a solution - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전해 추출 또는 전기 산화에 의해 용액을 처리하는 전기 화학 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an electrochemical method and apparatus for treating a solution by electrolytic extraction or electrooxidation.
전기분해에 의해 용액으로부터 물질을 회수하는 개념은 새로운 것이 아니다. 도금 공정, 탄광 공정 및 금속 표면처리 공정과 같은 많은 산업은 금속 이온을 포함하는 용액의 폐물을 생성하고, 상기 금속의 회수는 환경적으로나 경제적으로 유익하다. 회수되지 않은 금속을 포함하는 용액의 폐물은 토양에 있는 슬러지의 양을 증가시킨다. 많은 금속 회수 시스템은 전극으로부터 석출된 물질을 제거하기 위해 일반적으로 블레이드(blade)와 같은 기계 장치를 이용한다. 기계 장치의 이용은 마모의 증가, 파손의 위험 및 처리 공정이 느려지는 경향의 불이익을 지닌다. The concept of recovering material from solution by electrolysis is not new. Many industries, such as plating processes, coal mine processes, and metal surface treatment processes, generate waste of solutions containing metal ions, and the recovery of the metals is environmentally and economically beneficial. Waste of solutions containing unrecovered metals increases the amount of sludge in the soil. Many metal recovery systems generally use mechanical devices such as blades to remove the deposited material from the electrodes. The use of mechanical devices has the disadvantage of increased wear, the risk of breakage and the tendency of the processing process to slow down.
미국 특허 제 4,028,199호는 회전 전극을 이용하여 용액으로부터 분말을 추출하는 방법을 개시한다. 상기 분말은 기계적 스크레이퍼(scraper)를 구비하는 전극으로부터 제거된다. 1차 제거 후에 스크레이퍼는 전극에 쉽게 제거될 수 없는 경 질의 막을 남기는 경향이 있으므로, 출원인은 그러한 시스템이 실질적으로 충분하게 작용하지 않음을 알아냈다. U. S. Patent No. 4,028, 199 discloses a method of extracting powder from solution using a rotating electrode. The powder is removed from the electrode with a mechanical scraper. Since the scraper tends to leave a hard film that cannot be easily removed at the electrode after the primary removal, Applicants have found that such a system does not work sufficiently sufficiently.
수용액 또는 비수용액으로부터 금속을 회수하기 위한 방법 및 장치와, 기본적인 음극으로부터 전기 화학적으로 석출된 금속의 용이한 분리가 개시된다. 또한, 수용액 또는 비수용액으로부터 유기 오물을 제거하기 위한 방법이 개시된다. 상기 회전 전극에서 분말 형태로 석출된 물질을 제거하기 위해 분말의 형성에 의존하고 초음파 에너지를 이용하여, 전극으로부터 물질을 효율적으로 제거한다. 물질이 분말 형태로 석출되어야만 하는 조건이 중요하다. 출원인은 물질이 고체 박막으로 석출될 경우에 물질을 제거하기에 적합하지 않음을 알아내었다.Methods and apparatus for recovering metals from aqueous or non-aqueous solutions, and easy separation of electrochemically precipitated metals from basic cathodes are disclosed. Also disclosed are methods for removing organic dirt from aqueous or non-aqueous solutions. In order to remove the material precipitated in powder form at the rotating electrode, the material is efficiently removed from the electrode, using ultrasonic energy and using ultrasonic energy. It is important that the material must precipitate out in powder form. Applicants have found that the material is not suitable for removing material when it precipitates into a solid thin film.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 용액으로부터 물질을 제거하기 위한 전해 전지를 제공한다. 전지는 용액을 수용하는 공동, 상기 공동 내에 위치하는 회전 전극, 상기 회전 전극과 일정 간격을 두는 상대 전극 및 전기 화학 반응에 의해 용액으로부터 추출된 고체 물질을 분말로 변환하기 위해 초음파 에너지를 회전 전극으로 공급할 수 있도록 상기 공동과 연결되는 초음파 생성기를 포함한다.Thus, according to one aspect of the invention, the invention provides an electrolytic cell for removing material from a solution. The cell converts ultrasonic energy into a rotating electrode to convert a solid material extracted from the solution into a powder by a cavity containing the solution, a rotating electrode located within the cavity, a counter electrode spaced apart from the rotating electrode, and an electrochemical reaction. And an ultrasonic generator connected to the cavity for supplying.
본 발명의 일실시예에서, 상기 회전 전극은 음극을 형성하고, 상기 상대 전극은 양극을 형성하는데, 용액 내의 금속은 금속 분말 형태로 음극에 석출되어, 초음파 에너지는 음극으로부터 금속 분말을 제거한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 회전 전극은 양극을 형성하고, 상대 전극은 음극을 형성하고, 용액 내 유기 폐물은 양극에 석출되어, 초음파 에너지는 양극으로부터 석출된 유기 폐물을 제거한다. "초음파(ultrasonic)"라는 용어는 명확하게 가청 범위(adible range) 이상인지의 여부와 관계없이 전극으로부터 분말을 제거하기에 충분한 공동현상(cavitation)을 발생시킬 수 있는 음향 진동을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 알맞은 범위는 16 내지 40 KHz이고, 25KHz가 바람직하다. In one embodiment of the invention, the rotating electrode forms a cathode, the counter electrode forms an anode, the metal in the solution is deposited on the cathode in the form of a metal powder, the ultrasonic energy removes the metal powder from the cathode. In another embodiment of the present invention, the rotating electrode forms an anode, the counter electrode forms a cathode, and organic waste in solution precipitates on the anode, so that ultrasonic energy removes the deposited organic waste from the anode. The term "ultrasonic" should be understood to include acoustic vibrations that can generate sufficient cavitation to remove the powder from the electrode, whether or not it is clearly above the audible range. do. A suitable range is 16 to 40 KHz, with 25 KHz being preferred.
상기 초음파 생성기는 교류 에너지를 생성하는 발진기 및 교류 에너지를 기계적 진동으로 변환할 수 있도록 공동에 연결되는 변환기를 포함한다. 공동의 맞은 편에서 180도의 각도로 공동과 연결되는 두 개의 변환기가 존재한다.The ultrasonic generator includes an oscillator for generating alternating energy and a transducer connected to the cavity to convert the alternating energy into mechanical vibrations. There are two transducers connected to the cavity at an angle of 180 degrees opposite the cavity.
상기 회전 전극은 디스크 형상이 가능하다. 상기 디스크는 하나의 주면에 있는 전기 전도면으로 구성되는 유연한 물질의 평평한 시트로 구성될 수 있다. 상기상대 전극은 전지 내의 동축 막대일 수 있다. 또한, 상기 전지는 깔때기 형상일 수 있다.The rotating electrode may have a disk shape. The disk may consist of a flat sheet of flexible material consisting of an electrically conductive surface on one major surface. The relative electrode may be a coaxial rod in the cell. In addition, the battery may be a funnel shape.
상기 전해 전지는 추가로 음극으로부터의 분말화된 금속 또는 양극으로부터유기 폐물과 같이 회전 전극으로부터 제거되는 물질을 수집하기 위한 포획부(collecting bin)를 포함한다.The electrolytic cell further includes a collecting bin for collecting material removed from the rotating electrode, such as powdered metal from the negative electrode or organic waste from the positive electrode.
상기 전해 전지는 회전 전극의 회전 운동에 의해 발생된 액체 상승 효과를 중단시키는 특징을 갖는 장치를 구비할 수 있다. "메니스커스-브레이커(meniscus-breaker)"라고 칭하는 그러한 장치는 전극의 접선 속도(U)가 1m/sec 보다 높은 경우에 필요하다. 명목값(접선속도가 0일 때의 액위) 이상으로 상승하는 액위의 크기(R)는 다음의 관계식에 의해 나타낸다:The electrolytic cell may have a device having a feature of stopping the liquid synergistic effect generated by the rotational movement of the rotating electrode. Such a device called a "meniscus-breaker" is necessary if the tangential velocity U of the electrode is higher than 1 m / sec. The magnitude (R) of the liquid level rising above the nominal value (the liquid level when the tangential velocity is zero) is represented by the following relation:
R = U2 / 4g R = U 2 / 4g
여기서, g는 중력 가속도이다.Where g is gravity acceleration.
메니스커스-브레이커의 구조와 크기는 다음을 고려하여 결정된다: a) 수소, 산소 및 전기분해 공정 중에 전극에서 생성가능한 다른 기체의 방출, b) 처리될 장치의 중심 정공(hole)을 통해 내려가야만 하는 메니스커스-브레이커 상부의 액상부, c) 상기 액상 내 고체 입자의 존재(이를 테면, 금속성 분말). 이들을 고려하기 때문에, 메니스커스-브레이커의 바닥부는 원뿔형 또는 피라미드형이어야만 하는 반면에, 상부는 바닥부의 꼭대기(top)을 거꾸로 한 것과 유사한 형상이어야 하므로, 전체적으로 모래 시계 형상을 갖는다. 상기 상부는 중력에 의해 고체 입자(주로 금속)로 하전된 액체가 전지로 되돌아가도록 하는 반면에, 상기 바닥부는 기체가 메니스커스-브레이커의 중심 정공에 대해 상향으로 배출될 수 있어야 하므로, 상기 두 부분 내에 각이 존재한다. The structure and size of the meniscus-breaker is determined by considering: a) the release of hydrogen, oxygen and other gases that can be produced at the electrode during the electrolysis process, b) through the central hole of the device to be treated. Liquid phase on top of the meniscus-breaker which must go, c) the presence of solid particles in the liquid phase (such as metallic powder). In view of these, the bottom of the meniscus-breaker must be conical or pyramid-shaped, whereas the top must be similar in shape to the inverted top of the bottom, thus having an overall hourglass shape. The top allows the liquid charged with solid particles (mostly metal) to return to the cell by gravity, whereas the bottom must allow gas to be discharged upwards with respect to the central hole of the meniscus-breaker. There is an angle in the part.
상기 메니스커스-브레이커는 전지 내 액체의 명목값 아래에 배치되어야 효율적이다. 메니스커스-브레이커의 가장자리는 벽과 메니스커스-브레이커 사이에 액체가 흐르지 않도록 전지의 내벽에 딱 맞게 닿아야 한다. The meniscus-breaker must be placed below the nominal value of the liquid in the cell to be efficient. The edge of the meniscus-breaker must fit snugly against the inner wall of the cell so that no liquid flows between the wall and the meniscus-breaker.
상기 전해 전지는 음극으로부터 분말화된 금속 또는 양극으로부터 형성된 유기 폐물과 같이 상기 회전 전극으로부터 제거된 물질을 포집하는 포집부를 포함한다.The electrolytic cell includes a collecting portion for collecting the material removed from the rotating electrode, such as metal powder powdered from the negative electrode or organic waste formed from the positive electrode.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 금속을 포함하는 용액을 양극과 음극을 갖는 전해 전지에 통과시키는 단계, 이와 동시에 금속을 음극에 분말로 석출될 수 있도록 양극과 음극 사이의 용액에 직류를 공급하는 단계, 석출하는 동안 음극을 회전시키는 단계 및 상기 분말화된 금속을 제거하기 위해 초음파 에너지를 음극으로 공급하는 단계를 포함하는 금속의 전해 채취 방법을 제공한다. 초음파 에너지는 음극에 주기적으로 공급될 수 있다.In still another aspect, the present invention provides a method for producing a metal comprising: passing a solution containing a metal into an electrolytic cell having a positive electrode and a negative electrode, and at the same time supplying a direct current to the solution between the positive electrode and the negative electrode so that the metal can be deposited as a powder on the negative electrode. It provides a method for electrolytic collection of metal comprising the steps of rotating the cathode during precipitation and supplying ultrasonic energy to the cathode to remove the powdered metal. Ultrasonic energy may be periodically supplied to the cathode.
상기 전해 전지는 냉각가능한 공동(hollow) 회전 전극을 구비할 수 있다; 따라서, 알루미늄 추출 산업(보크사이트 공정)에서 발견되는 낮은 녹는점을 갖고, 고온의 전해질 내에 존재하는 갈륨(gallium)과 같은 금속의 전해 추출에 이용될 수 있다. 이러한 이용에서, 상기 회전 전극이 음으로 편극될 때 생성되는 갈륨 분말은 초음파 에너지를 이용하지 않지만, 고온의 전해질로부터 음극을 제거하여 또 다른 액체, 바람직하게는 갈륨이 녹는 온도보다 높은 온도의 물에 담금으로써 회수된다. 그러므로, 상기 분말은 음극으로부터 녹아서, 액체가 갈륨의 녹는점 이하로 냉각될 때 고체 금속의 석출물로 용이하게 회수될 수 있다. 공동 회전 전극을 냉각하는데 이용하는 방법, 장치 및 화학 물질은 수없이 많다. 즉, 전극 표면을 냉각시키는 방법, 장치 및 화학 물질의 어떠한 조합도 이용할 수 있다.The electrolytic cell may have a coolable hollow rotating electrode; Thus, it has a low melting point found in the aluminum extraction industry (the bauxite process) and can be used for the electrolytic extraction of metals such as gallium present in hot electrolytes. In this use, the gallium powder produced when the rotary electrode is negatively polarized does not use ultrasonic energy, but removes the cathode from the hot electrolyte, so that another liquid, preferably gallium, is at a temperature higher than the melting temperature. Recovered by immersion Therefore, the powder melts from the cathode and can be easily recovered as a precipitate of solid metal when the liquid is cooled below the melting point of gallium. There are a myriad of methods, devices and chemicals used to cool cavity rotating electrodes. That is, any combination of methods, devices, and chemicals for cooling the electrode surface can be used.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 유기 화합물을 포함하는 용액을 양극과 음극을 갖는 전해 전지에 통과시키는 단계, 이와 동시에 유기 화합물이 양극에서 산화될 수 있도록 양극과 음극 사이의 용액에 직류를 공급하는 단계, 산화 중에 상기 양극을 회전시키는 단계, 및 상기 양극의 표면을 세척하기 위해 초음파 에너지를 양극으로 공급하는 단계를 포함하는 유기 화합물의 산화 방법을 제공한다. 초음파 에너지는 음극에 주기적으로 공급될 수 있다. In yet another aspect, the present invention provides a method for producing an organic compound comprising: passing a solution comprising an organic compound through an electrolytic cell having a positive electrode and a negative electrode, and at the same time supplying a direct current to the solution between the positive electrode and the negative electrode so that the organic compound can be oxidized at the positive electrode Rotating the anode during oxidation, and supplying ultrasonic energy to the anode for cleaning the surface of the anode. Ultrasonic energy may be periodically supplied to the cathode.
본 발명을 이용하면 많은 이점이 있다. 우선, 본 발명은 희석된 전해질, 보다 상세하게는, 총 금속 농도의 범위가 0ppm 내지 3000ppm, 바람직하게는, 20ppm 내지 500ppm인 용액으로부터 금속을 회수한다. 또한, 본 발명에서는 금속을 제거하기 위해 블레이드와 같은 기계적 장치를 이용하지 않고 회전 전극으로부터 제거할 수 있는 분말 형태로 금속을 수득하므로, 상기 용액으로부터 금속의 경제적인 회수를 제공한다. 상기 분말성 금속 석출물은 초음파 에너지를 이용하여 회전 전극으로부터 용이하게 제거된다. 그 후에, 제거된 분말 금속은 알맞은 여과 시스템을 이용하여 회수될 수 있다. 상기 분리는 회전 전극이 음극일 때 더욱 간단하다. There are many advantages to using the present invention. First, the present invention recovers metals from diluted electrolytes, more specifically from solutions with a total metal concentration ranging from 0 ppm to 3000 ppm, preferably from 20 ppm to 500 ppm. In addition, the present invention obtains the metal in powder form that can be removed from the rotating electrode without using a mechanical device such as a blade to remove the metal, thereby providing economical recovery of the metal from the solution. The powdery metal precipitate is easily removed from the rotating electrode using ultrasonic energy. Thereafter, the removed powder metal can be recovered using a suitable filtration system. The separation is simpler when the rotating electrode is the cathode.
세 번째로, 상기 회전 전극으로부터 석출물을 제거하는 데 초음파 에너지를 이용하면, 이와 동시에 전극의 표면을 추후 사용하기 위해 무기산 또는 다른 유독성 화학 물질을 이용하지 않아도 된다. 네 번째로, 본 발명의 초음파 장치는 회전 전극이 전기 산화를 위해 양으로 편극될 때, 유기 부착물로부터 회전 전극의 표면을 세척하는 데 이용함으로써, 전도성 표면을 세척하기 위한 복잡한 방법을 피할 수 있다. 그러나 상기 장치는 회전 전극이 세워지도록 구성된다. 따라서, 상기 장치는 임의대로 검열, 세척 또는 수리될 수 있다. Third, using ultrasonic energy to remove precipitates from the rotating electrode, at the same time, does not require the use of inorganic acids or other toxic chemicals for later use of the surface of the electrode. Fourth, the ultrasonic device of the present invention can be used to clean the surface of the rotating electrode from the organic deposit when the rotating electrode is positively polarized for electrooxidation, thereby avoiding a complicated method for cleaning the conductive surface. However, the device is configured such that the rotating electrode is erected. Thus, the device can be inspected, cleaned or repaired as desired.
또한, 본 발명은 강전해질에 존재하는 바람직하지 않은 저농도의 금속성 오물로부터 강전해질을 선택적으로 정화한다. 게다가, 본 발명은 전기 산화에 의해 무기 또는 유기 전도성 전해질 내에 저농도로 존재하는 유기 오물을 제거하는 데 이용된다. 바람직한 전기화학 반응은 회전 전극의 유도 전극에 따라 달성된다. The present invention also selectively purifies the strong electrolyte from the undesirable low concentrations of metallic dirt present in the strong electrolyte. In addition, the present invention is used to remove organic impurities present in low concentrations in inorganic or organic conductive electrolytes by electro oxidation. Preferred electrochemical reactions are achieved according to the induction electrode of the rotating electrode.
본 발명은 도금 공정 및 탄광 공정 중에 금속을 회수하는데 더욱 많이 이용되지만, 금속 제련 등의 다른 종류의 산업에도 이용될 수 있다. 금속의 회수는 상기 장치가 폐수 처리 시스템의 상류에 설치될 때 생성된 폐물의 양을 감소시키므로, 토양에 있는 슬러지의 양을 감소시킨다.The present invention is more used to recover metals during plating and coal mining processes, but can also be used for other kinds of industries such as metal smelting. The recovery of metal reduces the amount of waste produced when the apparatus is installed upstream of the wastewater treatment system, thus reducing the amount of sludge in the soil.
본 발명의 실시예들의 다른 측면들과 이점은 하기 설명의 관점에서 본 기술 분야의 당업자에게 매우 자명할 것이다. Other aspects and advantages of embodiments of the invention will be readily apparent to those skilled in the art in light of the following description.
본 발명의 실시예는 하기 첨부된 도면과 함께 설명될 것이다. Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 교시에 따른 전해 전지에 대한 고위 예시도이다.1 is a high illustration of an electrolytic cell in accordance with the teachings of the present invention.
도 2는 도 1에서의 전해 전지의 전지 공동에 대한 도식적인 단면도이다.FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a battery cavity of the electrolytic cell in FIG. 1.
도 3은 산업상 이용되는 도 1에서의 전해 전지를 나타낸다. 3 shows the electrolytic cell in FIG. 1 used industrially.
본 발명의 물질, 장치 및 제조 공정의 특정한 대표 실시예는 예시만의 목적으로 상세하게 설명될 것이다. 특히, 본 발명은 방법, 물질, 조건, 공정의 제한요인, 장치 및 여기에서 한정하여 인용된 유사물에 제한되지 않는 것으로 의도된다.Certain representative embodiments of the materials, devices, and manufacturing processes of the present invention will be described in detail for purposes of illustration only. In particular, it is intended that the present invention not be limited to the methods, materials, conditions, limitations of the process, apparatuses, and the like recited herein.
본 발명에서 제공된 장치는 금속을 전해 추출하거나 유기 화합물을 산화하는데 이용될 수 있다. 상기 장치의 작동은 하기와 같이, 회전 전극의 편극을 변화시킴으로써 선택적으로 하전된다. The device provided in the present invention can be used for electrolytic extraction of metals or for oxidizing organic compounds. The operation of the device is selectively charged by changing the polarization of the rotating electrode, as follows.
도 1을 참조하면, 상기 전해 전지(10)는 전지 하우징(12)을 구비한다. 상기 전지 하우징은 전지 공동(14)을 한정한다. 상기 전해 전지(10)에서의 하우징(12) 형태에는 제한이 없고, 상기 하우징이 전극으로부터 전기적으로 절연되는 한 알맞은 어떠한 물질로도 구성될 수 있다. 일반적으로, 다른 형태가 가능함에도 불구하고, 상기 하우징은 원통형이다. 상기 실시예에서는 깔때기 형태로 나타난다. Referring to FIG. 1, the
정류기(16)는 회전 전극이 음으로 편극될 때 분말 석출물을 생성하거나 또는 회전 전극이 양으로 편극될 때 유기 오물을 산화시키기 위해 양극과 음극 사이에 필요한 전류와 전압을 제공한다. 상기 전류는 전기 모선(busbar)(26, 28)에 의해 상기 전극들로 제공된다. 적어도 두 개의 전극, 즉 음극 및 양극은 음극 및 양극 모선(26, 28)으로 각각 연결된다. 상기 회전 전극은 음 또는 양으로 편극될 수 있다. 또한, 상기 회전 전극은 작동 전극을, 정지 전극은 상대 전극을 말한다.
상기 하우징(12)은 도입부(18), 저장 탱크(도시하지 않음)에서 전지(10)로 처리될 용액을 공급하는 유동 통로(20) 및 용액을 제거하기 위한 배출부(22)를 포함하는데, 이는 펌프(24)에 의해 달성된다. 전기화학 반응의 결과로써, 분말이 석출될 때, 용액 내의 금속 또는 유기 오물은 격감될 것이다. 상기 격감된 용액은 폐수 필터(52)를 포함하는 탱크(32)를 통해 폐수 정화 장치로 이동된다. 구리를 포함하는 용액일 경우에는, 석출 단계 조차에서도 약간의 분말이 제거되어 격감된 용액과 함께 필터(52)로 운반되는 것이 발견된다. The
전류는 주기적으로 끊기고 초음파 에너지는 분말을 제거하기 위해 전극에 이용된다. 전형적으로 전류는 매 24 내지 36 시간마다 1분 내지 4분 동안 멈출 수 있 다. 전형적으로, 제거 단계 중에 회전 전극의 회전 속도는 25%만큼 감소된다. The current is periodically interrupted and ultrasonic energy is used at the electrode to remove the powder. Typically the current can be stopped for 1 to 4 minutes every 24 to 36 hours. Typically, the rotational speed of the rotating electrode is reduced by 25% during the removal step.
상기 분말이 초음파 에너지를 이용하여 전극에서 제거될 때, 상기 제거된 분말은 배출부를 통해 흐르는 액체와 함께 운반된 후에 제거를 위해 필터(52)를 지난다. 상기 단계에서 전지에 흐르는 액체는 완전히 제거되지 않으므로, 탱크(32)를 지난 후에 남는 액체는 폐수정화 장치 외에 버퍼 탱크(도시하지 않음)로 이동된다. 상기 버퍼 탱크 내 액체는 다음의 석출 단계 중에 추가 공정을 위해 전지로 계속 되돌아갈 수 있다. When the powder is removed from the electrode using ultrasonic energy, the removed powder is passed along with the liquid flowing through the outlet and then passes through the
본 발명의 원리에 따라, 전지(10)는 발진기(30)와 분말 제거 단계 중에 회전 전극에서 초음파 에너지를 보내는 초음파 생성기(31)를 포함할 수 있다.In accordance with the principles of the present invention, the
도 2를 참조하면, 상기 회전 전극(40)은 구동축(60) 상에 장착되는 하우징과 분리되는 별개의 구성 요소이다. 도 2에서, 회전 전극(40)은 중심이 고정된 원통형의 상대 전극(42)과 함께 드럼 형상으로 나타난다. 상기 회전 전극(40)의 정확한 형태는 회수될 금속 또는 유기 오물에 의존한다. 이를 테면, 상기 회전 전극(40)은 전해 전지의 원형 상층 개구부를 향하는, 최단부의 지름이 더 큰 사다리꼴(frustoconical)일 수 있다. 그렇지 않으면, 회전 전극은 바닥에 개구부를, 상단부에 넓은 개구부를 갖는 V자 형상일 수 있다. 회전 전극은 두 면의 판과 그들 사이의 간격부(spacer member)를 포함한다. 또한, 원통, 디스크 또는 홈이 있는 원통, 멀티-디스크, 공동 타원 형상 등의 다른 형상도 가능하다. 어떤 형상에서도, 상기 회전 전극은 적어도 한 면에 전도성 요소가 있는 운반체를 포함하는 일체형 구조인데, 금속이 알맞다.2, the
상기 회전 전극(40)은 공동형 디스크일 수 있다. 이러한 형상은 간단한 기계적 구조이다. 상기 회전 전극은 일반적으로 하나의 주면에는 전기 전도면이, 다른 주면부에는 전기 비전도면이 있는 유연한 물질의 평평한 시트와, 상기 시트를 접고 제자리에 유지하기 위한 보호 수단으로 구성된다. 알맞은 전도성 재료는 스테인리스강, 티타늄 및 그것의 합금 알루미늄, 또는 이외의 전도성 재료를 포함한다. 장치가 신속하게 설비되고, 공정에 필요하다고 여겨지는 한, 회전 전극의 접선 속도에는 제한이 없다. The rotating
또한, 상기 상대 전극(42)은 전지 공동(14) 내에 위치한다. 상대 전극(42)의 재료는 특정 방법에 제한되지 않고, 본 기술 분야에서 통상적으로 이용되는 재료 중에서 선택될 수 있다. 이용할 수 있는 재료는 다른 재료 중에서 스테인리스강, 백금화된 티타늄, 납 또는 흑연을 포함할 수 있다.The
장치를 이용하거나 작동시키는 목적과는 관계없이, 작동 전극은 회전하는 것이다. 회전 전극은 원하는 반응이 일어나는 곳에 있는 전극이다. 따라서, 회전 전극은 음으로 또는 양으로 편극화될 수 있다.Regardless of the purpose of using or operating the device, the working electrode is to rotate. The rotating electrode is the electrode where the desired reaction takes place. Thus, the rotating electrode can be polarized negatively or positively.
전극(40, 42) 및 전해 전지(10) 각각의 형상은 모두 서로 대응되어야 한다. 이를 테면, 양극이 막대 형상인 경우에는, 양극의 축은 전해 전지의 축과 일치하고, 원통 형상이다. 음극은 원통형이고, 원통형 양극을 둘러싸는 경우에, 전지는 관 형상일 수 있다. 다른 방법으로는, 전지는 박스 형태이고 칸막이에 의해 음극부와 양극부로 구분될 수 있다. 도시된 실시예에서, 전지는 원통형이고, 양극과 음극 모두가 원통형이며 서로 일정 간격을 두고 있다. The shapes of each of the
직류의 공급부(16)는 전류가 흐르도록 리드(26, 28)에 의해 양극과 음극 사이에 연결된다. 회전 전극이 음으로 편극될 때, 공동에 있는 용액의 금속 이온은 금속이 석출되는 음극으로 이동한다. 그러므로 음극은 질량의 이동을 증진하고 확산층의 두께를 감소시키기 위해 회전한다. 음극과 같은 물질로 구성되는 회전 구동축과 같은 수단에 의해 음극은 회전된다. 음극의 회전은 속도 제어기(도시하지 않음)를 통해 전지 모터(도시하지 않음)를 이용하여 이루어진다. 상기 회전 전극(40)은 시계 방향으로 회전하는 것으로 도시되지만, 회전 방향은 반시계 방향일 수도 있다. The
하나 이상의 회전 전극(40)이 특정 부피의 용액을 처리하는 데 이용될 때, 처리할 용액의 원하는 오염도를 얻기 위해 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다. 각각의 회전 전극(40)은 유사 또는 상이한 작동 모드하에서 작동될 수 있다. When one or more
도 3은 산업상으로 이용되는 도 1의 전해 전지를 도시한다. 저장 탱크(50)로부터의 용액은 펌프(54)에 의해 처리되어 전지(10)로 펌프된다. 전지는 전지 내에 액체를 원하는 값으로 유지할 수 있도록 펌프(24, 54)의 작동을 조절하는 초음파 수치 검출기를 구비한다. 3 illustrates the electrolytic cell of FIG. 1 used industrially. The solution from the
전지(10) 바닥부의 외부로 흐르는 용액은 전지(10) 밖으로 배출되는 액체와 동반된 분말을 제거하기 위해 필터(52)를 포함하는 탱크(32) 내로 흐른다.The solution flowing out of the bottom of the
상기 필터(52)는 추후 제거를 위해 액체가 벽을 통해 흐르고, 백(bags) 내로 분말을 석출하기 위해 배치된 필터 백을 포함할 수 있다. 상기 목적을 위해 어떠한 적합한 필터 기법도 이용가능하다.The
버스 바(26)는 구동축(60)과 접촉되는 브러시 커넥터(brush connector)(62)에 의해 전기적으로 회전 전극(40)과 연결된다. The
상기 구동축(60)은 모터(64)와 도르래 시스템(66)에 의해 회전에 의해 작동된다. 구동축은 베어링(68)에서 회전한다. The
바람직하게는, 전해 전지는 접선 속도가 1m/sec 보다 높은 경우에 발생하는 메니스커스 상승 효과를 제거하는 "메니스커스-브레이커(meniscus-breaker)"라는 장치(27)를 구비할 수 있다. 장치(27)는 중심 공동(27a)을 구비하는 디스크의 형태인 중국 모자(Chinese hat) 형상을 갖고, 상기 디스크는 중심 공동(27a)의 안쪽 방향으로 더 좁아지는 상면과 하면(27b)을 구비한다. 상기 장치는 전지 내에 형성된 기체가 배출되는 동안에 메니스커스가 전지로 올라가는 것을 방지한다. Preferably, the electrolytic cell may be provided with an
작동 중에, 음극과 양극은 전지(10) 내에 놓인다. 도입부는 처리할 용액을 저장하는 저장 탱크와 연결되고, 공동을 채우고 음극과 양극 사이의 회로를 닫기 위해 용액은 펌프에 의해 탱크에서 전지로 펌프된다. 수용성 매질에서 대부분 이용되는 것으로 예상되지만, 특정한 경우에는 비수용성 용액 또는 전해질(이를 테면, 에탄올, 벤조산 등)에서 이용될 수 있다. 바람직하게는, 음극과 양극이 잠기기에 충분한 용액은 공동에 펌프된다. 용액은 전지 공동에 알맞게 펌프된다. 전기 분해를 위한 용액의 총 금속 농도는 0ppm 내지 3000ppm (mg/L), 바람직하게는 20ppm 내지 500ppm(mg/L)이다.In operation, the negative electrode and the positive electrode are placed in the
전지는 전류의 직류, 교류, 펄스, 주기성 역 펄스 등과 같은 전류 형태로 공급될 수 있다. 전해 전지의 양극과 음극은 전력을 양극과 음극으로 가하는 것을 조 절하는 정류기에 연결된다. The cell may be supplied in the form of a current such as direct current, alternating current, pulse, periodic reverse pulse, or the like. The positive and negative electrodes of the electrolytic cell are connected to rectifiers that control the application of power to the positive and negative electrodes.
본 발명의 장치는 회전 전극이 음으로 편극될 때, 금속 분말을 생성하는 데 이용될 수 있다. 분말은 순물질 형태 또는 금속성 수산화물 또는 산화물 내의 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 분말의 정의는 넓다(그레인 크기, 형태, 금속 세라믹, 금속, 합금 등). 금속 또는 합금의 압축 막 대신에 분말이 형성되므로, 초음파를 이용하여 음극으로부터 금속의 제거가 가능하다(아래에 기술됨). The apparatus of the present invention can be used to produce metal powder when the rotating electrode is negatively polarized. The powder may comprise metals or alloys in pure form or in metallic hydroxides or oxides. The definition of powder is broad (grain size, shape, metal ceramics, metals, alloys, etc.). Since the powder is formed instead of the compressed film of the metal or alloy, it is possible to remove the metal from the cathode using ultrasonic waves (described below).
금속 분말의 석출은 공정 제한 요소의 엄격한 조절하에 달성된다. 상기 조절되는 제한 요소는 음극에서 금속이 분말로써 석출(환원)되는 것을 보장하기 위해, 전압, 음극에서의 전류 밀도(제한 전류를 향해 미는), 음극 회전 속도, 도금 시간, pH의 적절한 조정을 통한 전해 조건, 조성, 온도, 전도도, 점성도, 농도 및 다른 제한 요소를 포함한다. 전압과 전류는 특정한 용도에서 발견되는 농도의 범위에 최적한 값에 전극에 흐르는 전류 값을 고정함으로써 선택된다. 상기 전류 값은 실험에 의해 결정되고, 장치가 설치될 때의 특정 용도에 따라 존재한다. 이를 테면, 아연의 100ppm만을 포함하는 전해질로부터 아연 분말을 생성하기 위해서, 지름 0.5 미터(너비의 두 배)의 디스크는 60mA/㎠의 전류 밀도로 175rpm에서 회전한다. 금속 농도가 다른 경우에는, 전기추출 조건도 역시 다를 것이다. 금속이 아연 대신에 동일한 농도로 존재하는 구리일 경우에는, 회전 속도와 전류도 역시 상이할 것이다. 전기추출 조건은 매 건마다 별개로 결정된다. Precipitation of the metal powder is achieved under strict control of the process limiting elements. The limiting factor to be controlled is through proper adjustment of the voltage, current density at the cathode (which pushes towards the limiting current), cathode rotation speed, plating time, and pH to ensure that the metal precipitates (reduces) as a powder at the cathode. Electrolytic conditions, composition, temperature, conductivity, viscosity, concentration and other limiting factors. Voltage and current are selected by fixing the value of the current flowing through the electrode to an optimal value for the range of concentrations found in a particular application. The current value is determined experimentally and is present depending on the particular application when the device is installed. For example, to produce zinc powder from an electrolyte containing only 100 ppm of zinc, a 0.5 meter diameter (double the width) disc rotates at 175 rpm with a current density of 60 mA / cm 2. If the metal concentration is different, the electroextraction conditions will also be different. If the metal is copper present at the same concentration instead of zinc, the rotational speed and current will also be different. The extraction conditions are determined separately for each case.
음극에서 생성된 금속 분말은 전류를 끊고 초음파 에너지를 이용하여 주기적으로 제거할 수 있다. 금속 석출 제거 주기는 하나의 전해질에서 다른 전해질까지 다양할 수 있다. 석출량은 양극과 음극 사이 거리의 10%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 이를 테면, 바람직한 전극 사이의 간격은 2cm이므로, 0.2cm 두께의 석출물은 초음파 장치를 이용하여 제거될 수 있다. 분말 제거 조건은 경우에 따라 다양할 수 있다. 이를 테면, 분말의 특징과 전해질의 조성에 따라 결정된 쿨롱 또는 두께에 따라 분말은 제거될 수 있다. The metal powder generated at the cathode may be periodically removed by breaking current and using ultrasonic energy. Metal precipitation removal cycles can vary from one electrolyte to another. The amount of precipitation preferably does not exceed 10% of the distance between the anode and the cathode. For example, since the spacing between the preferred electrodes is 2 cm, 0.2 cm thick precipitates can be removed using an ultrasonic device. Powder removal conditions may vary from case to case. For example, the powder may be removed according to the coulomb or thickness determined according to the characteristics of the powder and the composition of the electrolyte.
초음파 발생기(30)는 이를 테면, 16kHz 내지 40kHz, 바람직하게는 25kHz의 초음파 범위내에 여기(excitation) 주파수에서 교류 에너지를 공급한다. 초음파 전기 에너지는 여기 진동수에 대응되는 진동수에서 초음파의 기계적 진동으로 변환된다. 변환기(31)에 의해 생성된 진동은 음극 표면에서 공동현상이 발생할 수 있도록 음극으로 직접 흐른다. 상기 효과는 전극 표면으로부터 금속 분말을 제거한다. 이를 테면, 회전 전극으로부터 아연 분말 석출물을 제거하기 위해, 석출의 24시간마다 25kHz에서 20% 고강도 초음파의 2 내지 4분은 회전 전극으로부터 분말을 떨어뜨리기에 충분하다. 떨어진 분말 석출물은 필터(52)에 의해 계속 포집된다. The
일실시예에서, 서로 180도의 각도로 위치하는 두 개의 초음파 변환기(31)가 설치된다(도 1에 예시됨). 진동자의 직면하는 플레이트의 너비는 플레이트 높이의 반인데, 이는 회전 전극의 높이와 동일하다. 초음파 변환기가 작동 전극(회전 전극)을 마주보고 상대전극의 전기장을 방해하지 않는 한, 장치 내 초음파 발진기의 부피, 위치 및 크기에는 제한이 없다. In one embodiment, two
금속은 음극에서 분리된 입자로 석출되고, 전지의 바닥에서 포집되고, 원뿔형이나 또는 20°내지 75°, 바람직하게는 45°의 입체각을 갖는 깔때기형이 바람 직하고, 금속은 전지로부터 상승하여 음극으로부터 씻겨나갈 수 있는 약한 흡착석출물로써 석출된다. 공동의 밑면에 축적된 금속 분말은 플러그가 제거된 밑면 배출구 또는 밸브를 통해 주기적으로 또는 지속적으로 제거될 수 있다. 포집부는 전지의 바닥에 위치하고, 음극으로부터 제거된 분말화된 금속을 포집한다. 분말은 산업상 처리 용수(도금소, 제련소, 탄광 등)로부터 금속을 회수하거나 정화된 전해질로부터 특정 분말을 생성함으로써, 포집될 수 있다. 전해질 조성은 금속 분말이 순금속 또는 합금으로 구성되도록 형성될 수 있다. The metal is precipitated into particles separated at the negative electrode, collected at the bottom of the cell, preferably conical or having a funnel having a solid angle of 20 ° to 75 °, preferably 45 °, and the metal rises from the cell Precipitates as a weakly adsorbed precipitate that can be washed away from the membrane. Metal powder accumulated at the bottom of the cavity can be removed periodically or continuously through the bottom outlet or valve from which the plug is removed. The collector is located at the bottom of the cell and collects the powdered metal removed from the negative electrode. Powders can be collected by recovering metals from industrially treated water (plating mills, smelters, coal mines, etc.) or by producing specific powders from purified electrolytes. The electrolyte composition may be formed such that the metal powder consists of pure metal or alloy.
또한, 본 발명의 장치는 회전 전극이 양으로 편극될 때, 유기 화합물을 산화하는 데 이용될 수 있다. 회전 전극은 유기 또는 무기 전해질로부터 유기 오물을 제거할 수 있다. 그러한 이용 중에 회전 전극의 부착물이 발생할 경우에, 초음파 세척은 초음파 생성기를 이용하여 수행된다. 이를 테면, 페놀 또는 크레졸은 회전 전극을 이용하여 1500ppb(㎍/L)에서 20ppb(㎍/L)로 전기 산화될 수 있고, 음극은 스테인리스강으로 구성된다. 제거될 유기 화합물의 성질, 그것의 농도, 및 양극과 음극과 같은 전극으로 이용되는 물질은 제한되지 않는다. 회전 전극은 유기 또는 수용액에서 저농도로 발견된 유기 화합물을 제거하는 데 가장 효과적이다.In addition, the device of the present invention can be used to oxidize organic compounds when the rotating electrode is positively polarized. The rotary electrode can remove organic dirt from the organic or inorganic electrolyte. If attachment of the rotating electrode occurs during such use, ultrasonic cleaning is performed using an ultrasonic generator. For example, phenol or cresol can be electrooxidized from 1500 ppb (μg / L) to 20 ppb (μg / L) using a rotating electrode and the cathode is made of stainless steel. The nature of the organic compound to be removed, its concentration, and the material used as the electrode such as the anode and the cathode are not limited. Rotary electrodes are most effective at removing organic compounds found in low concentrations in organic or aqueous solutions.
전기추출 또는 전기 산화에 의해 한번 처리된 용액을 회수하기 위해, 배출부는 폐-루프 방식으로 최초 탱크와 연결되거나, 추가 이용 또는 용액의 처리를 위해 다른 탱크와 연결된다. 처리된 용액이 처리 규칙과 규정(또는 특정한 공정예: 크롬산염 배쓰 (chromate bath)에 대한 아연 3000ppm 내지 1000ppm에 필요한 농도)에 알맞도록 회전 전극이 작동할 때, 상기 처리된 용액은 하수구로 직접 흐를 수 있 다. 그렇지 않은 경우에는, 처리된 용액은 통상적인 폐수 처리 시스템과 연결될 수 있다(또는 공정으로 회수됨). 처리될 액체의 유속는 출입구에 유입되는 액체의 부피는 배출구 밖으로 유출되는 것과 동일한 것이다.To recover the solution once treated by electroextraction or electrooxidation, the outlet is connected to the original tank in a closed-loop manner or to another tank for further use or treatment of the solution. When the rotating electrode is operated so that the treated solution conforms to treatment rules and regulations (or the specific process required for 3000 ppm to 1000 ppm zinc for chromate bath), the treated solution flows directly into the sewer. Can be. Otherwise, the treated solution can be connected (or recovered to the process) with a conventional wastewater treatment system. The flow rate of the liquid to be treated is the same as the volume of liquid entering the inlet and outlet out of the outlet.
전지는 동일한 양극과 음극으로 반복적으로 이용될 수 있는 것을 알 수 있다.It can be seen that the battery can be used repeatedly with the same positive electrode and negative electrode.
본 발명의 방법은 다음 실시예에서 예시될 수 있다. 이들의 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해 제공되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The method of the present invention can be illustrated in the following examples. These examples are provided to illustrate the present invention in more detail, but are not limited thereto.
실시예 1Example 1
염화아연 도금 용액으로부터 100ppm의 아연을 포함하는 용액은 하기 두 단계에 의해 15ppm까지 감소된다: 제 1단계는 유속의 1.33배의 처리 시간 동안 접선 속도가 3.5 내지 4.5 m/sec인 회전 전극에서 80mA/㎠의 전류밀도를 이용하고, 제 2단계는 제 1단계에서의 전류밀도의 반을 이용하지만, 두 배의 처리 시간이 소요된다.The solution containing 100 ppm zinc from the zinc chloride plating solution is reduced to 15 ppm by two steps: The first step is 80 mA / at a rotating electrode with a tangential velocity of 3.5 to 4.5 m / sec for a treatment time of 1.33 times the flow rate. A current density of 2 cm 2 is used, and the second step uses half the current density in the first step, but takes twice the processing time.
실시예 2Example 2
구리산 도금 용액으로부터 200ppm의 구리를 포함하는 용액은 유속의 1.25배와 동일한 처리 시간 동안 접선 속도가 3.0 내지 4.0 m/sec인 회전 전극에서 60mA/㎠의 전류밀도를 이용하여 15ppm까지 감소된다. The solution containing 200 ppm of copper from the copper acid plating solution was reduced to 15 ppm using a current density of 60 mA / cm 2 at a rotating electrode with a tangential velocity of 3.0 to 4.0 m / sec for a treatment time equal to 1.25 times the flow rate.
실시예 3Example 3
니켈산 술파메이트 도금 용액으로부터 200ppm의 구리를 포함하는 용액은 유속의 1.50배와 동일한 처리 시간 동안 접선 속도가 2.5 내지 3.5 m/sec인 회전 전극에서 27mA/㎠의 전류밀도를 이용하여 30ppm까지 감소된다. A solution containing 200 ppm of copper from the nickel acid sulfamate plating solution is reduced to 30 ppm using a current density of 27 mA / cm 2 at a rotating electrode with a tangential velocity of 2.5 to 3.5 m / sec for a treatment time equal to 1.50 times the flow rate. .
실시예 4Example 4
염화주석산 도금 용액으로부터 200ppm의 주석을 포함하는 용액은 유속의 1.15배와 동일한 처리 시간동안 접선 속도가 3.0 내지 3.5 m/sec인 회전 전극에서 40mA/㎠의 전류밀도를 이용하여 30ppm까지 감소된다. The solution containing 200 ppm tin from the tin chloride plating solution was reduced to 30 ppm using a current density of 40 mA / cm 2 at a rotating electrode with a tangential velocity of 3.0 to 3.5 m / sec for a treatment time equal to 1.15 times the flow rate.
첨부한 특허청구범위에서 한정되는 발명의 정신과 범주로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.Various modifications are possible without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.
본 발명에서는 금속을 제거하기 위해 블레이드와 같은 기계적 장치를 이용하지 않고 회전 전극으로부터 제거할 수 있는 분말 형태로 금속을 수득하므로, 상기 용액으로부터 금속의 경제적인 회수를 제공한다. The present invention obtains the metal in powder form that can be removed from the rotating electrode without using a mechanical device such as a blade to remove the metal, thereby providing economical recovery of the metal from the solution.
상기 회전 전극으로부터 석출물을 제거하는 데 초음파 에너지를 이용하면, 이와 동시에 전극의 표면을 추후 사용하기 위해 무기산 또는 다른 유독성 화학 물질을 이용하지 않아도 된다. 본 발명의 초음파 장치는 회전 전극이 전기 산화를 위해 양으로 편극될 때, 유기 부착물로부터 회전 전극의 표면을 세척하는 데 이용함으로써, 전도성 표면을 세척하기 위한 복잡한 방법을 피할 수 있다. Using ultrasonic energy to remove precipitates from the rotating electrode, at the same time eliminates the need for inorganic acids or other toxic chemicals for later use of the surface of the electrode. The ultrasonic device of the present invention can be used to clean the surface of the rotating electrode from the organic deposit when the rotating electrode is positively polarized for electrooxidation, thereby avoiding a complicated method for cleaning the conductive surface.
또한, 본 발명은 강전해질에 존재하는 바람직하지 않은 저농도의 금속성 오물로부터 강전해질을 선택적으로 정화한다. 게다가, 본 발명은 전기 산화에 의해 무기 또는 유기 전도성 전해질 내에 저농도로 존재하는 유기 오물을 제거하는 데 이용된다. The present invention also selectively purifies the strong electrolyte from the undesirable low concentrations of metallic dirt present in the strong electrolyte. In addition, the present invention is used to remove organic impurities present in low concentrations in inorganic or organic conductive electrolytes by electro oxidation.
본 발명은 도금 공정 및 탄광 공정 중에 금속을 회수하는데 더욱 많이 이용 되지만, 금속 제련 등의 다른 종류의 산업에도 이용될 수 있다. 금속의 회수는 상기 장치가 폐수 처리 시스템의 상류에 설치될 때 생성된 폐물의 양을 감소시키므로, 토양에 있는 슬러지의 양을 감소시킨다.Although the present invention is more used to recover metals during plating and coal mining processes, it can be used for other kinds of industries such as metal smelting. The recovery of metal reduces the amount of waste produced when the apparatus is installed upstream of the wastewater treatment system, thus reducing the amount of sludge in the soil.
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