RU216406U1

RU216406U1 - Carbon-porous flow electrode for the extraction of chromium from aggressive solutions

Info

Publication number: RU216406U1
Application number: RU2022128088U
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Драгунский; Владимир Иванович Дударев
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-02-01

Abstract

Полезная модель относится к конструкции электродов для электрохимического извлечения ионов шестивалентного хрома из высококонцентрированных агрессивных растворов и может быть использована для очистки стоков металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности. Углеродно-пористый проточный электрод для извлечения хрома из агрессивных растворов содержит корпус, заполненный электродным материалом, и графитовые токоподводы, размещенные внутри электродного материала, корпус выполнен из поливинилхлорида, а в качестве электродного материала используют активированный уголь с размером от 0,5 до 2,0 мм. Технический результат заключается в улучшении физико-механических и эксплуатационных свойств катодного материала, увеличении производительности и повышении степени извлечения ионов хрома (VI). 2 ил.

The utility model relates to the design of electrodes for the electrochemical extraction of hexavalent chromium ions from highly concentrated aggressive solutions and can be used to treat wastewater from metallurgical, engineering and other industries. Carbon-porous flow electrode for extracting chromium from aggressive solutions contains a body filled with electrode material and graphite current leads placed inside the electrode material, the body is made of polyvinyl chloride, and activated carbon with a size of 0.5 to 2.0 is used as the electrode material mm. The technical result consists in improving the physical-mechanical and operational properties of the cathode material, increasing productivity and increasing the degree of extraction of chromium (VI) ions. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к конструкции электродов для электрохимического извлечения ионов шестивалентного хрома из высококонцентрированных агрессивных растворов и может быть использована для очистки стоков металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности. The utility model relates to the design of electrodes for the electrochemical extraction of hexavalent chromium ions from highly concentrated aggressive solutions and can be used to treat wastewater from metallurgical, engineering and other industries.

Заявленная полезная модель относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий/ Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М. : ПАТЕНТ, 2008.- с.58], так как обеспечивает извлечение ионов хрома (VI) из сточных вод, устраняя загрязнения окружающей среды в результате сброса высококонцентрированных, канцерогенных отработанных производственных растворов.The claimed utility model refers to the priority direction of development of science and technology "Technologies for the processing and disposal of man-made formations and wastes" [Alphabetical and subject index to the International patent classification in priority areas of science and technology development / Yu.G. Smirnov, E.V. Skidanova, S.A. Krasnov. - M. : PATENT, 2008.- p.58], as it ensures the extraction of chromium (VI) ions from wastewater, eliminating environmental pollution as a result of the discharge of highly concentrated, carcinogenic waste industrial solutions.

Известна конструкция устройства (Ржевский И.В., Горяинов-Орановский Д.В., Егурнев М.А. Нерастворимый анод для электроэкстракции металлов из водных растворов. Патент РФ № 2266982, опубл. 27.12.2005) с нерастворимыми анодами в виде цилиндрических элементов для электроэкстракции металлов из водных растворов с размещением этих элементов в отдельной пористой оболочке. Пористые оболочки, в каждую из которых был помещен цилиндрический элемент, изготавливали из лавсана (арт. 56050). Недостатками такого устройства являются повышенный расход металла для изготовления электродов, а также не подходит для растворов содержащие ионы хрома (VI), разрушающие органические материалы из которых изготовлен электрод. The design of the device is known (Rzhevsky I.V., Goryainov-Oranovsky D.V., Egurnev M.A. Insoluble anode for electroextraction of metals from aqueous solutions. Patent RF No. 2266982, publ. 27.12.2005) with insoluble anodes in the form of cylindrical elements for the electroextraction of metals from aqueous solutions with the placement of these elements in a separate porous shell. Porous shells, in each of which a cylindrical element was placed, were made of lavsan (art. 56050). The disadvantages of such a device are the increased consumption of metal for the manufacture of electrodes, and is also not suitable for solutions containing chromium (VI) ions, which destroy the organic materials from which the electrode is made.

Известны катоды из углеграфитовых материалов, используемые для извлечения металлов, которые выполнены в виде углеграфитовых пластин (патент RU № 2021394 С1, МПК5 С25С 7/00, 15.10.1994) или в виде графитизированного ватина (патент RU № 2248413 С2, МПК7 С25С 7/02, 20.03.2005), а также в виде лент углеграфитового электропроводного волокнистого материала (патент RU № 2255152 С1, МПК7 D01F 11/16, 27.06.2005, патент RU № 2340708 C1, МПК C25C7/02, C25C1/20, 12.10.2008). Общими недостатками данных устройств является неудовлетворительная полнота извлечения ионов металла, а также небольшой срок эксплуатации электрода из-за агрессивности растворов.Known cathodes of carbon graphite materials used to extract metals, which are made in the form of carbon graphite plates (patent RU No. 2021394 C1, MPK5 S25S 7/00, 10/15/1994) or in the form of graphitized batting (patent RU No. 2248413 C2, MPK7 S25S 7/ 02, 20.03.2005), as well as in the form of tapes of carbon-graphite electrically conductive fibrous material (patent RU No. 2255152 C1, MPK7 D01F 11/16, 06/27/2005, patent RU No. 2340708 C1, IPC C25C7 / 02, C25C1 / 20, 12.10. 2008). The common disadvantages of these devices are the unsatisfactory completeness of the extraction of metal ions, as well as the short service life of the electrode due to the aggressiveness of the solutions.

Известен аналог заявляемого устройства для извлечения металлов из растворов, располагающееся непосредственно в ванне с раствором, состоящее из цилиндрического корпуса с входом и выходом и снабженное внешним контуром с насосом для циркуляции раствора, расположенные в корпусе анод и катод подсоединены к источнику постоянного тока (патент США N 4276147, C 25 B 7/00, 30.06.1981). Недостатками такого устройства являются наличие внешнего насоса и системы трубопроводов с запорной арматурой. Это требует обеспечения герметичности внешних перекачивающих систем, что усложняет их обслуживание и высокие потери при извлечении металлов.An analogue of the proposed device for extracting metals from solutions is known, located directly in the solution bath, consisting of a cylindrical housing with an inlet and outlet and equipped with an external circuit with a pump for circulating the solution, the anode and cathode located in the housing are connected to a direct current source (US patent N 4276147, C 25 B 7/00, 06/30/1981). The disadvantages of such a device are the presence of an external pump and a piping system with valves. This requires ensuring the tightness of external pumping systems, which complicates their maintenance and high losses during the extraction of metals.

За прототип принят патент (патент RU № 2178017 C2 А.А Вайс, Р.Ю. Бек, А.И. Маслий, А.Г. Белобаба, А.В. Королюк, Н.М. Захарова. Объемно-пористый электродный материал и проточный электрод на его основе. опубл. 10.01.2002г.). Электрод выполнен из металлизированного синтепона (утеплителя объемного) и снабжен локальным кольцевым токоподводом, установленным на внешней стороне верхней части электролизера. Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются: электрохимический метод очистки воды и водных растворов от анионов и катионов и может быть использовано для очистки природных вод, стоков металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности; пористый электродный материал и проточный электрод. Недостатками прототипа являются недостаточное перемешивание раствора в межэлектродном пространстве, особенно по вертикали, вызванное верхней подачей раствора. Это затрудняет поступление раствора в нижнюю часть электролизера и приводит к неравномерному заполнению металлом катодной матрицы. Это также накладывает ограничения на вертикальные размеры электролизера и затрудняет его масштабирование. Также не подходит для высококонцентрированного хромсодержащего раствора, разрушающий органические материалы, из которых изготовлен электрод. A patent was accepted for the prototype (patent RU No. 2178017 C2 by A.A. Weiss, R.Yu. Beck, A.I. Masliy, A.G. Belobaba, A.V. Korolyuk, N.M. Zakharova. Volumetric-porous electrode material and a flow electrode based on it, published on January 10, 2002). The electrode is made of a metallized padding polyester (bulk insulation) and is equipped with a local ring current supply installed on the outer side of the upper part of the cell. Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the proposed device, are: an electrochemical method for purifying water and aqueous solutions from anions and cations and can be used to purify natural waters, wastewater from metallurgical, engineering and other industries; a porous electrode material; and a flow electrode. The disadvantages of the prototype are insufficient mixing of the solution in the interelectrode space, especially vertically, caused by the top supply of the solution. This makes it difficult for the solution to enter the lower part of the cell and leads to uneven filling of the cathode matrix with metal. This also imposes restrictions on the vertical dimensions of the cell and makes it difficult to scale. Also not suitable for highly concentrated chromium-containing solution, which destroys the organic materials from which the electrode is made.

Существенное отличие заявляемого устройства от устройства-прототипа заключается в нетрадиционном использовании активированного угля и применение его для решения новой задачи в качестве электрода. Уникальные свойства активированного угля позволяют увеличить в 7 раз эффективность извлечения ионов хрома (VI), за счет селективности, развитой внутренней поверхности, большей сорбционной ёмкости со множеством активных центров. Кроме того, активированный уголь является стойким к агрессивной среде и недорогим электродным материалом по отношению к электродному материалу прототипа (волокна синтепона покрываются нанослоем серебра, а также медью, никелем и другими металлами). The essential difference between the proposed device and the prototype device is the non-traditional use of activated carbon and its application to solve a new problem as an electrode. The unique properties of activated carbon make it possible to increase the efficiency of extraction of chromium (VI) ions by 7 times due to selectivity, a developed inner surface, and a larger sorption capacity with many active centers. In addition, activated carbon is resistant to aggressive environments and inexpensive electrode material in relation to the electrode material of the prototype (padding polyester fibers are coated with a silver nanolayer, as well as copper, nickel and other metals).

Технический результат заключается в улучшении физико-механических и эксплуатационных свойств катодного материала, увеличении производительности и повышении степени извлечения ионов хрома (VI). Указанный технический результат достигается, тем, что углеродно-пористый проточный электрод для извлечения хрома из агрессивных растворов, содержит корпус, заполненный электродным материалом, и графитовые токоподводы, размещенные внутри электродного материала, корпус выполнен из поливинилхлорида, а в качестве электродного материала используют активированный уголь с размером от 0,5 до 2 мм.The technical result consists in improving the physical-mechanical and operational properties of the cathode material, increasing productivity and increasing the degree of extraction of chromium (VI) ions. This technical result is achieved by the fact that the carbon-porous flow electrode for extracting chromium from aggressive solutions contains a body filled with electrode material and graphite current leads placed inside the electrode material, the body is made of polyvinyl chloride, and activated carbon is used as the electrode material. size from 0.5 to 2 mm.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 – представлено схематично (в разрезе) устройство для электрохимического извлечения ионов шестивалентного хрома из высококонцентрированных агрессивных растворов. На фиг. 2 – представлена зависимость степени извлечения ионов хрома (VI) от разности потенциала между электродами.The utility model is illustrated by drawings, where in Fig. 1 - shows schematically (in section) a device for electrochemical extraction of hexavalent chromium ions from highly concentrated aggressive solutions. In FIG. 2 - shows the dependence of the degree of extraction of chromium (VI) ions on the potential difference between the electrodes.

Позиции на фиг. 1 обозначают следующее:The positions in FIG. 1 means the following:

1. активированный угль1. activated carbon

2. корпус2. case

3. графитовые токоподводы.3. graphite current leads.

Устройство содержит корпус 2, заполненный активированным углем 1 и графитовые токоподводы 3, размещенные внутри активированного угля 1.The device contains a housing 2 filled with activated carbon 1 and graphite current leads 3 placed inside the activated carbon 1.

Устройство работает следующим образом. В начале работы электрод (см. фиг. 1) помещают в электролизер и соединяют с источником постоянного тока, а обрабатываемый раствор непрерывно пропускают через насыпной слой электрода. Активированный уголь 1 с размером частиц от 0,5 до 2 мм засыпается в корпус электрода 2 изготовленного из поливинилхлорида (ГОСТ 9639-71). От источника постоянного тока подаётся электрический ток через токоподводы 3, выполненные из графита, к поверхности активированного угля. Устанавливается заданное напряжение величиной в интервале 0,5-1,5 В, и ток величиной от 0,01-0,03 А, при данных условиях происходит извлечение ионов шестивалентного хрома из высококонцентрированных агрессивных растворов. The device works as follows. At the beginning of the work, the electrode (see Fig. 1) is placed in the cell and connected to a direct current source, and the treated solution is continuously passed through the bulk layer of the electrode. Activated carbon 1 with a particle size of 0.5 to 2 mm is poured into the electrode body 2 made of polyvinyl chloride (GOST 9639-71). An electric current is supplied from a direct current source through current leads 3 made of graphite to the surface of activated carbon. The specified voltage is set in the range of 0.5-1.5 V, and the current is in the range of 0.01-0.03 A, under these conditions, hexavalent chromium ions are extracted from highly concentrated aggressive solutions.

Устройство электрода направлено на интенсификацию извлечения ионов хрома (VI) из агрессивных растворов, благодаря большей емкости и развитой поверхности пористого электрода, а также в коррозионной стойкости конструкции, простоте обслуживания. К дополнительным преимуществам пористого электрода, является многократное использование очищенных растворов в технологическом процессе. The device of the electrode is aimed at intensifying the extraction of chromium (VI) ions from aggressive solutions, due to the larger capacity and developed surface of the porous electrode, as well as in the corrosion resistance of the structure, and ease of maintenance. An additional advantage of the porous electrode is the repeated use of purified solutions in the technological process.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении степени извлечения ионов хрома (VI) за счет большого объема пор и высокой удельной поверхности электрода из углеродного сорбента. Степень извлечения увеличивается за счет миграции ионов в поры электродов при приложении разности электрических потенциалов. Проведение процесса при постоянном токе выше 0,03 А приводит к возрастанию газовыделения, что будет отрицательно влиять на степень извлечения. Проведение процесса при постоянном токе ниже 0,01 А приводит к недостаточному перемещению ионов к поверхности электродов.The technical result of the proposed utility model is to increase the degree of extraction of chromium (VI) ions due to the large pore volume and high specific surface area of the carbon sorbent electrode. The degree of extraction increases due to the migration of ions into the pores of the electrodes when a difference in electrical potentials is applied. Carrying out the process at a constant current above 0.03 A leads to an increase in gas evolution, which will adversely affect the degree of extraction. Carrying out the process at a constant current below 0.01 A leads to insufficient movement of ions to the surface of the electrodes.

Использование активированного угля с размером частиц от 0,5 до 2 мм в качестве нерастворимых электродов является самым эффективным, так как, например, использование активированного угля с размером частиц менее 0,5 мм увеличивается сопротивление слоем активированного угля прохождению раствора. Использование активированного угля с размером частиц крупнее 2 мм уменьшает площадь соприкосновения раствора и активированного угля.The use of activated carbon with a particle size of 0.5 to 2 mm as insoluble electrodes is the most effective, since, for example, the use of activated carbon with a particle size of less than 0.5 mm increases the resistance of the activated carbon layer to the passage of the solution. The use of activated carbon with a particle size larger than 2 mm reduces the area of contact between the solution and activated carbon.

Claims

Carbon-porous flow electrode for extracting chromium from aggressive solutions, containing a body filled with electrode material and graphite current leads placed inside the electrode material, characterized in that the body is made of polyvinyl chloride, and activated carbon with a size of 0, 5 to 2.0 mm.