Opis patentowy opublikowano: 15.06.1978 97043 MKP BOlk 3/00 Int. Cl.2 C25B 9/00 Twórca wynalazku: Uprawniony z patentu: Parel Societe Anonyme, Luxemburg (Wielkie Ksiestwo Luxemburg) Urzadzenie do elektrochemicznego prowadzenia reakcji Przedmaotom wynalazku jest urzadzenie do ele¬ ktrochemicznego prowadzenia reakcji;* znajdujace zastosowanie dio prowadzenia róznorodnych reakcji elektrochemicznych, na przyklad reakcji, w któ- ryoh metale z rioztwonu sa osadzane, i w których zwiazki sa syntetyzowane na powierzchni jednej z elektrod. Szczególnie wazne sa reakcje pierw- szegoi rodzaju, pnowadzace do wydzielania metali z roztworów. Reakcje elektrioosadzania maja istot¬ ne znaczenie przy rafinacji metali, a ptoinadto wy¬ korzystywane sa do wydzielania zanieczyszczen metalicznych z roztworów.Przykladem pierwszego z dwóch zastosowan jest otrzymywanie wielu metali, jak miedzi, niklu, cyn¬ ku, chnomu i manganu, podczas którego uzyskuje sie poczatkowo metal zanieczyszczony innymi pier¬ wiastkami z rudy. Metal w postaoi zanieczyszczo¬ nej zawiera dwa dto trzech procent zanieczyszczen w postaci pierwiastków innych 'metali. Przez roz¬ puszczenie tego zanieczyszczonego produktu w kwa¬ sie lub alkaliach i poddanie roztworu elektrolizie w starannie dobranych warunkach mozliwe jest otrzymanie osadu bardzo czystego, poszukiwanego metalu, z pozostawieniem innych zanieczyszczen metalicznycn w roztworze.Przykladem drugiego z wymienionych zastoso¬ wan jest .obróbka scieków, pochodzacych z proce¬ sów chemicznych i zawierajacych czesto znaczne ilosci cennych metali. Odprowadzanie tego rodzaju scieków do rzek i mórz oznacza pozbycie sie zródla cennych surowców. Przy zastosowaniu urzadzenia wedlug wynalazku, jony metali z roztworu scie¬ kowego moga zositac wydzielone, przez co uzyskuje sie oczyszczanie scieków oraz odzyskuje sie zadane" metale. '.'"'< Znane sa urzadzenia do elektrochemicznego pro¬ wadzenia reakcji, zawierajace naczynie z dwoma przylegajacymi do sitebie przedzialami, (Ogranicza¬ jacymi dwie strefy, katodowa i anodowa, przy czym scianka dzialowa pomiedzy tymi przedziala¬ mi ma postac przepony przepuszczajacej jony.Elektrolitem wypelniona jest przynajmniej dolna czesc -przedzialu ograniczajacego strefe katodowa, w którym to elektrolicie zawieszone sa czastki elektrody czastkowej. Podczas pracy czastki elek¬ trody czastkowej podlegaja bezladnym ruchioni w elektrolicie. W drugim przedziale jest usytuo¬ wana przeciwelekltroda, zwykle anoda, przy czym ladunek elektryczny jieslt przenoszony z zasilacza pradowego,, umieszczonego w pierwszymi przedziaile, do czastek elektrody czastkowej, a z czastek na jony, i inastejpnie poprzez przepone przepuszczajaca jony na przeciwelektrolde.Znane urzadzenia sa równiez wyposazone w dys¬ trybutory przeplywu lelekftroliitu, polaczone ze zród¬ lem elektrolditu i doprowadzajace elektrolit do wnetrza pierwszego przedzialu. W korpusach tych dystrybutorów sa wykonane kanaly dla doprowa¬ dzenia elektrolitu, o osiach równoleglych do scia¬ nek ograniczajacych pierwszy przedzial. 97 0433 czastkowej, prowadzenie reakcji elektrochemicz¬ nych nie jest w wielu przypadkach zadowalajace, a znane urzadzenia w zwiazku z tym imaja nie¬ wielkasprawnosc. 5 Celem wynalazku jest wyeliminowanie wymie¬ nionych niedolgodnosci, a zadaniem jest zbudowa¬ nie urzadzenia do elektrochemicznego prowadzenia reakcji, w którym czastki elektrody czastkowej mialyby odpowiednio starowany przeplyw w ele¬ ktrolicie.Zgodnie z wynalazkiem kazdy z kanalów dystry¬ butora przeplywu elektrolitu, usytuowanego w dol¬ nej czesci naczynia mieszczaceigo elektrode czast¬ kowa, jest skierowany swym wylotem na po¬ wierzchnie kierujaca lub powierzchnie kierujace, usytuowane wewnatirz naczynia, przeciwlegle do .przepony.. Tym samylm czastM elektrody czastko¬ wej wraz z ellektirollliltem ulegaja odbiciu od po¬ wierzchni kierujacych i przeplywaja ukosniie do 20 góry, w kierunku do przepony przepuszczajacej jony, dzieki czemu reakcja elektrochemiczna ulega znacznej initensyfiJkacji./Wyloty kanalów sa usytuowane w jednym rze¬ dzie lub w wielu rzedach równoleglych do siebie. ** Naczynie ma tylna scdanke, równolegla do plaskiej przepony, a sama przepona jest przytwierdzona co najmniej jedna swoja krawedzia do sztywnej scianki, rozciagajacej sie wzdluz naczynia, w jego dolnej czesci. Powierzchnie kierujaca, usytuowana 30 na wprost wylotu kazdego z kanalów stanowi we¬ wnetrzna powierzchnia lub czesc wewnetrznej po¬ wierzchni tylniej scianki naczynia.Szczególnie korzystne efieklty w dzialaniu urza¬ dzenia uzyskuje sie, jezeJd dctoa czesc naczynia, & znajdujaca sie w obszarze wylotu kazdego z kana¬ lów, jest uksztaltowana zbieznie w kierunku do dystrybutora przeplywu eflektroMtu. To zbiezne uksztaltowanie uzyskano przez 'umieszczenie w dol¬ nej czesci naczynia co ;n»jmniej jednego elementu 40 kierujacego. Kazdy z elementów kierujacych ma w przekroju poprzecznyni zarys trójkata, przy¬ legajacego podstawa do górnej powierzchni kor¬ pusu dystrybutora przeplywu, a jednym bokiem do tylnej scianki naczynia i/lub do sztywnej scian- *5 ki, rozciagajacej stie wzdluz naczynia w jego dojnej czesci.W przypadku zastosowania elementu kierujacego, przylegajacego do tylnej scianki naczynia, jego powierzchnia kierujaca znajdujaca sie naprzeciwko 50 przepuszlctzalnej jony przepony, powoduje skiero¬ wywanie elektoroMltu wraz z czastkami elektrody czasjtfcowej w strone przepony. W takim przyjpadku eleWtroM z wylotów kanalów jest kierowany na powierzchnie kierujaca tego elementu lub wzdluz 55 niej.Gdy urzadzenie ma równiez element kierujacy, przylegajacy do sztywnej scianki, nozciagajacej sie wzdluz naczynia w jego diotaej czesci, jest ko¬ rzystne wykonanie w nim odcinków kanalów, la- M czacyah sie z kanaiaimi w korpusie dystrybutora przeplywu "oraz skierowanych swymi wylotami ukosnie w góre, do wnetrza naczynia. Szczególnie dobre efekty uzyskuje sie, gdy odcinki tych kana¬ lów sa swymi wylotami skierowanie w strone ele- 65 043 4 mantu kierujacego, przylegajacego do lyEhej scian¬ ki naczynia. Wyloty kazdego z kanalów* doprowa¬ dzajacych elektrolit sa skierowane ukosnie d$ góry pod katem 7 do 90°, a korzystnie 20 do 30° wzgle¬ dem tyilnej scianki naczynia.Zgodnie z wynalazkiem przewidziano odchylone polozemie calego naczynia od umownej, pionowej plaszczyzny, o kat do 40°, a kórzysfcnoe 10 do 30°, tak ze dolina czesc przepony jest u^jfitwowana bli¬ zej tej umownej plaszczyzny pionowej niz jej czesc górna.Natezenie przeplywu elektrolitu przez dystrybu¬ tor przeplywu oraz do wnetrza naczynia powinno byc o takiej wartosci, azeby zapewtnic ciagla cyr¬ kulacje czastek elektrody czastkowej, zawieszonych w elektrolicie, a przy tym aiby cyrkulacja ta* tayla uporzadkowana w zalozony sposób. To uporzad¬ kowanie cyrkulacji czastek elektrody ma na celu intensywne i jak najszyfosze przenoszenie jonów w kierunku przepony d odbieranie ich przez prze- ciweleikitnode, oraz jest zapewnione przez zgodne z wynalazkiem u^ytuowande kanalów wprowadza¬ jacych elektrolit, przez odpowiednie uksztaltowanie dolnej czesci naczynia, jak równiez poprzez do¬ brane pochylenie calego naczymia wzgledem umow¬ nej plaszczyzny pionowej.W 'urzadzeniu wedlug wynalazku czastki elektro¬ dy czastkowej sa kierowane najpierw ukosnie w góre do tylnej scianki naczynia, nastepnie w po¬ blize przepony pirzepusaczajacej jony, a w koncu opadaja ku dolowi. Jest to najkorzystniejsze za¬ lozenie schematu cyrkulacji czastek elekitnody cza¬ stkowej, jednakze moze ona byc uzyskana róz¬ nymi srodkami, na przyklad przez zastosowanie odpowiednich elementów (kierujacych. W kazdym przypadku cyrkulacji czastek elektrody czastkowej, w urzadzeniu wedJug wynalazku^ ilosc tych cza¬ stek w ¦jednostce objetosci w poblizu przepony jest znacznie imniejsfca od ilosci czastek w obszarze, w którym czastki poruszaja sie do dolu, gdzie ilosc czastek przypadajacych na jednostke objetosci ogólnie rzecz Ibiorac jest zlblizcna do takiej, przy której (tworzy sie zloze czastek. jElektrioda czastkowa jest utworzona z wielu me¬ talowych ku&ek, wykonanych na przyklad z miedzi, niklu lufo kobaltu. Srednica czastek elektrody czasteczkowej wynosi 100 do 3000 mikronów* korzy- sitnie 300 do 2000 mikronów.W urzadzeniu wedlug wynalazku, niezaleznie od rodzaju jego wykonania, czastki elektrody czastko¬ wej nie uderzaja w iprzejpone przejpufiaczaljaca jony pod duzymi katami, lecz doplyw ich jest ukierun¬ kowany równolegle do przepony i w bezposrednim jej sasiedztwie, wzglednie czastki te przeplywala pod niewielkim katem w stosunku do przeponyi *Fyim saniym przepona ntie ulega szybkiemu auzy- ciu w wyniku scierania jej przez czastki elektrody czastkowej.Zostta&o stwierdzone, ze spadek cisnienia elektro¬ litu, w wynaku przeplywu przez dystrybutor prze¬ plywu, musi byc isitosunkowo dokladnie regulo¬ wany, w z góry okreslonym zakresie, w celu zapobiegania powstawaniu turbulentnego wyplywu elektrolitu przez kanaly.5 Dofcór wymiarów kanalów oraz kierunku ich usytuowania w dystrybutorze przeplywu jest uza¬ lezniony miedzy innymi od zadanego spadku cis¬ nienia w elektrolicie na wlocie i wylocie dystry¬ butora przeplywu dla danego natezenia przeplywu elektrolitu, oraz przeciwdziala dostawaniu sie czastek elektrody czastkowej do kanalów, w przy¬ padku zaniku przeplywu eletatirxlitu przez te ka¬ naly. Jezeli kanaly te sa nachylone wzgiejdem kie¬ runku pionowego, wówczas czastki elektrody czastkowej sa w mniejszym stopniu narazanie na dostawanie sie do tych kanalów, niz to ma miejsce jv przypadku ich pionowego usytuowania.W celu uzyskania stabilnego wyplywu elektrolitu z kanalów dystrybutora przeplywu do wnetrza naczynia, korzystne jest zastosowanie komory (roz¬ prezania, laczacej sie z kanalami dystrybutora prze¬ plywu oraz zasilanej elektrolitem pod cisnieniem.Do komory rozprezania elektrolit moze byc dopro¬ wadzany bezposrednio ze zródla elektrolitu, albo korzystnie przez komore wejsciowa, laczaca sie otworami z komora rozprezania.Przedmiot wynalazku zostal przedstawiony w przykladach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urzadzenie do elektrochemicz¬ nego prowadzenia reakcji, w przekroju plaszczyzna pionowa, zas fig. 2-^-5 przedstawiaja cztery dalsze wykonamia urzadzen do elektrochermcznego prowa¬ dzenia reakcji, wszystkie w przekrojach plaszczyz¬ nami pionowymi.Fig. 1 przedstawia dolna czesc urzadzenia 1 do elektrochemicznego prowadzenia reakcji. Urzadze¬ nie jest zlozone z prostopadlosciennego naczynia 3 z tytoia scianka 6 i przeciwlegle do niej usytuowa¬ nego separatora 5, majacego przepone 4, wykonana z materialu zdolnego do przepuszczania jonów.W poblizu tylnej scianki 6 jest usytuowany zasi¬ lacz pradowy 8. Wewnatrz naczynia znajduje sie równiez elektroda, utworzona z wielu elektroprze- wodzacych czastek, czyli tzw. elektroda czastkowa, nie oznaczona cyfra.Urzadzenie ma dystrybutor przeplywu elektro¬ litu, zlozony z korpusu 14 i opartych na nim ele¬ mentów kierujacych 22 i 23. W korpusie 14 oraz na czesci dlugosci elementu kierujacego 22, jest wykonanych fwieie kanalów 12, równclegle usytuo¬ wanych do tylnej scianki 6.Kazdy z kanalów 12 jest polaczony z odcinkiem kanalu 12', usytuowanego prostopadle do tylnej scianki 6 i wylotem sMerowanego na te scianke.Na wprost wylotów szeregu odcinków kanalów 12' jest usytuowany element kierujacy 23, którego po¬ wierzchnia kierujaca jest pochylona pod katem okolo 45° wzgledem osi odcinków kanalów 12'.Ponizej 'korpusu 14, w pewnym odstepie od niego, jest usytuowana plyta 145 z wykonanymi w niej otworami 18, o osiach równoleglych do tylnej scianki 6 naczynia 3. iPlyta 16 z otworami 18 pelni funkcje wstejpnego dystrybutora przeplywu elektro¬ litu i dzieli przestrzen pod korpusem 14 ma komo¬ re wejsciowa 17, polaczona z przewodem zasilaja- jacym 20, przeznaczonym do doprowadzania ele¬ ktrolitu, oraz na komore rozprezania 15, usytuo¬ wana bezposrednio pod korpusem 14. Dolna czesc naczynia 3 jest ograniczona przez dolna powierzch- 97 043 6 nie wewnetrzna tylnej scianki 6, powierzchnie kie¬ rujaca elementu kierujacego 23, czesc górnej po¬ wierzchni korpusu 14, /craz przez powierzchnie kie¬ rujaca drugiego elementu kierujacego 22, usyiu^- wana w iprzyiblizeniu pod katem 30° wzgfr0bm plaszczyzny przepony 4.Urzadzenie zawiera równiez przeciwelektrose^ftlr stanowiaca konwencjonalna elektrode plytowa, usytuowana po przeciwnej sitronie przepony 4, io wzgledem tylnej scianki 6. Przeciwelektroda 24 jest usytuowana w strefie anodowej 26, i moze byc oddalona od przepony 4 lub podpierac ja.Przestrzen wewnatrz naczynia 3, stanowiaca strefe katodowa, ma glebokosc równa 44 mm, mie¬ rzona od tylnej scianki 6 do przepony 4, zas gle¬ bokosc strefy anodowej 26 wynosi 26 mm. Gallst- wita szerokosc oraz wysokosc urzadzenda wedlag fig. 1 wynosza 5OOiXi5O0 mm. Wewnetrzna srednica przewodu zasilajacego 20 wynosi 25,4 ma a plyta 16 ma szesnascie otworów 18 o srednicy 5 mm, rozstawionych w równych odstepach od siejbie.Kanaly 12, 12* dystrybutora przeplywu sa rozsta- wione co 51. mm m kierunku szerokosci urzadze¬ nia. Element kierujacy 22 ma maksymalna gru- w bósc 1<9 mm i wysokosc równa 11,5 mm, siegajac krawedzi scianki separatora 5, otaczajacej prze¬ pone 4, natomiast element kierujacy 23 ma w prze¬ kroju zarys trójkata równoramiennego, o dlugosci ramion 16 mm.M iPodczas pracy urzadzenia 1 elektrolit jest wpro¬ wadzany ze stalym natezeniem do komory rozpre¬ zania 15 i stad, poprzez kanaly 12, 12' i przepone 4, do strefy anodowej 26. Kanaly 12, 12' kieruja ele- , ktrolit na powierzchnie kierujaca elementu kieru- 85 jacego 23, Wtóra zmienia kierunek przeplywu ek*- ktroiitu, powodujac jego przeplyw w, kierunku przepony 4, wzdluz powierzchni kierujacej elemen¬ tem kfierujacego 22. Czastki, stanowiace elektrode czastkowa kraza wraz z elektrolitem, dzieki dobra- *• niu odpowiedniego natezenia przeplywu elektroli¬ tu. Powierzchnia kierujaca elementu kierujacego 22 dziala w tym przypadku jako pnowadni<»^la czastek elektrody czastkowej, dzieki czemu JMlHlftj- sza sie znacznie mozliwosc scierania przez te czaafe- « ki materialu, z ktcrego jest wykonana przepona 4.Przeplyw elektrolitu wraz % czastkami elektro¬ dy czastkowej, wzdluz elementu kserujacego 22 przeciwdziala takze tendencji! do przemieszczania sie tych czastek w dól, wzdluz powierzchni prze- 58 pony 4. Element kierujacy 22 oslania ponadto ele- ktroaktywny obszar wewnatrz naczynia 3 od ob¬ szaru wplywu elektrolitu.Pomiedzy zasilaczem pradowym 8 i przeciw- elektroda 24 jest przykladane napiecie. W wyniku ss przeplywu elektrolitu czastki elektrody czastkowej równiez poruszaja sie w naczyniu 3, zgodnie z kie¬ runkami przeplywu elektrolitu, i uczestnicza w reakcji elektrochemicznej, zachodzacej na ich po¬ wierzchni. Przypuszczalny kierunek krazenia cza- «o stek elektrody czastkowej jest schematycznie po¬ kazany za poimoca strzalek f.Urzadzenie do elektrochemicznego prowadzania reakcji, przedstawione na fig- 2, rózni sie w po¬ równaniu do urzadzenia z fig. 1 tym, ze mie ji&st 65 wyposazone w element kierujacy 23, a odcinki ka-97 043 8 n^W* 12' sa swymi wylotami skierowane na po¬ wierzchnie tylnej scianki 6 i usytuowane pod ka- -tem 45° w stosunku d,o tej tylnej scianki.Zgodnie z fiig.' 3 urzadzenie 1 nie ma elementu kierujacego 23, a wyloty kanalów 12, wykonanych w korpusie 14, sa skierowane na powierzchnie tyl¬ nej scianki 6, a same kanaly sa usytuowane wzgle¬ dem tej tylniej scianki 6 pod katem okolo 7°. Zasi¬ lacz pradowy 8 przylega bezposrednio do we¬ wnetrznej powierzchni 'tylnej scianki 6. menty kierujace 22 i 23. Urzadzenie ma jedynie plytke 25, stanowiaca nieprzepuszczajacy jonów element separatora 5. Plytka 25, w tym wykonaniu urzadzeniia, ima pomijali/nie /maly wplyw na formo¬ wanie przeplywu elektrolitu w naczyniu 3. Kanaly 12,. wykonane w korpusie 14, sa usytuowane wzgle¬ dem tylnej scianki 6 pod katem 14° i iswymi wy- lfltomirsikieirowanie na powierzchnie tej tylnej scian¬ ki, W: porównaniu do urzadzen wedlug fig. 1—3, przepcnia 4 w urzadzeniu pokazanym na fig. 4 jest powiekszona i krawedz dolna jej obszaru czynnego rozciaga sie w niewielkiej odleglosci' od korpusu 14. Zasilacz pradowy 8 jest Wbudowany w tylna scianke 6. lUrzadzenie wedlug fig. 5, podobne do urzadzenia okazanego na fig. 1, 4ma dwa elementy kierujace £2-i 23, przylegajace swymi podstawami do górnej jpjewierzehmi korpusu 14. Kanaly 12 sa wykonane tyflko w korpusie 14, a ich wyloty sa usytuowane pomiedzy doiinymi krawedziami, obu elementów kierujacych 22 i 23. Kat pochylenia kazdego kana¬ ly 12 wzgledem tylnej scianki 6 wynosi 25°. Sze¬ rokosc urzadzenia, mierzona prostopadle do plasz¬ czyzny rysunku, jesit równa 50t0 mm, a odleglosc miedzy tylna scianka 6 i przepuszczajaca jeny ©r.zepona 4 wynosi 35 mm. Element kierujacy 22, w i^m przepadku majacy zdolnosc przepuszczania jotów; ima: wysokosc 100 mm i grubosc przy pod¬ stawie 16 onm. Natomiast element kierujacy 23 ma wysokosc 20 mm oraz ; grubosc przy podstawie 12 mm. W korpusie 14 jest wykonanych czternascie kanalów 12, w odstepach co 37 mm i o srednicy 2,5 mm. Dobre wyniki elektroosadzania zostaly jesiagniejte przy zastosowaniu elektrody czastkowej or srednicy czastek od 3i5(0 do 16010 mikronów..Urzadzenie podczas pracy powinno byc odchylone od pionu o pewien kat korzystnie il6°. Stosowane w urzadzeniu wedlug fig. 5 natezenie przeplywu elektrolitu przez kanaly 12 wynosilo od 1,96 do 2,10 m3/godz. PL