Пристрій для видобування металів із стічних вод

Устройство для извлечения металлов из сточных вод, содержащее анодную и катодную системы в виде пакета чередующихся катодных дисков и анодов, при этом катодные диски установлены с изолирующими вставками между ними на выполненном с возможностью вращения валу, снабженном средством подвода электрического тока, отличающееся тем что анодная система выполнена в виде пластин из токопроводящего инертного материала, установленных неподвижно в разборных перфорированных полуцилиндрах, свободно охватывающих катодную систему, при этом катодные диски выполнены съемными. Изобретение относится к области очистки сточных вод, в частности, промывных вод и отработанных электролитов гальванического производства. Известны устройства для реагентной и адсорбционной очистки сточных вод, позволяющие извлечь примеси металлов в виде их химических соединений, которые требуют дальнейшей многостадийной длительной обработки и, в конечном итоге, в большинстве случаев подлежат захоронению. Недостатками таких устройств являются большой расход реагентов, высокая стоимость ионообменных материалов или адсорбентов, необходимость большого количества дополнительного крупногабаритного оборудования для обработки осадков, регенерации мембран или ионообменных материалов. Известны устройства для безреагентной электрохимической очистки сточных вод методами электрокоагуляции, гальванокоагуляции, электроосаждения, цементации, в которых процессы протекают на электродах с большой площадью поверхности. Так, известно устройство - электролизер для обработки сточных вод, содержащих ионы металлов [Заявка Японии № 63-12153, кл. С25С7/006, С 02 F 1/46, опублик. 03.17.88], содержащее бак с пакетом пластинчатых вертикальных электродов. Бак осаждения сообщается в нижней части с подъемным баком, имеющим расположенный внизу воздухораспределитель для формирования циркуляционного потока обрабатываемого раствора. Раствор проходит снизу вверх в подъемном баке и сверху вниз в баке осаждения между пластинчатыми электродами В нижней части бака накапливается осадок, содержащий осаждаемый металл. Недостатками этого устройства являются большая энергоемкость и необходимость добавления щелочи для образования гидроксидов. Уменьшение расхода электроэнергии на выделение водорода достигается в устройстве для электролитической очистки жидкости [Патент США № 4655895, кл. С02F1 /46, опублик. 07.04.87], которое содержит, по меньшей мере, один катод и анод без подвода тока от внешнего источника. Устройство содержит вращающуюся камеру, содержащую смесь кусков анодного и катодного материалов. Эти куски находятся в переменном контакте друг с другом. Недостатки устройства - выделение примесей в виде гидроксидов, что требует дальнейшей фильтрации раствора и обработки осадка, шум при движении электродов во вращающейся камере, большие габариты вращающейся камеры, взаимное экранирование электродов. Известно устройство для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов [Авторское свидетельство СССР № 1393798, кл. С02F1/46, опублик. 07.05.88], использующее в качестве катода пористый титан с размером пор 20-300 мкм и общей пористостью 20-40%. В этом случае примесь осаждают не в виде гидроксидов, а в виде металла. Недостатки устройства - необходимость применения мощных насосов для прокачки очищаемой жидкости, трудность извлечения осадка из пористого катода. Электроосаждение металлов - примесей проводят также в устройстве для электролиза, которое представляет собой вращающийся барабан, служащий катодом, с использованием твердых свободно перемещающихся частиц [PCT(WO) № 88/09399, кл. С 25 С 1/00, 7/00, опублик. 01.12.88]. Процесс электролиза ведут таким образом, что металл осаждается на твердых частицах, но не на стенках барабана. Недостатки устройства- высокая материалоемкость и энергоемкость из-за вращения барабанов больших габаритов, трудность отделения осадка-металла от твердых частиц. Ускорение подвода реагентов к электроду и, следовательно, процессов очистки достигается при вращении самого электрода. Известно устройство - электрокоагулятор [Авторское свидетельство СССР № 1212966 А, кл. С 02 F 1/46, опублик. 23.02.86], содер-жащёе катод и анод в виде дисков, причем растворимый анод жестко укреплен в корпусе, а катод установлен с возможностью вращения. Недостатки устройства - сравнительно малая рабочая площадь электродов, большой расход анодного металла и необходимость частой смены анодов, выделение металлов - примесей в виде гидроксидов, что требует дальнейшей фильтрации раствора и обработки осадка. Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для очистки воды электрокоагуляцией [Авторское свидетельство СССР № 1682324 А1, кл. С02 F 1/46, опублик. 07.10.91], содержащее помещенный в корпус многослойный изолированный вал, снабженный электрографитовыми щетками для подвода электрического тока. К торцу вала прикреплен пакет дисковых электродов в виде катодных и анодных пластин, разделенных диэлектрическими вставками, с центральным отверстием в форме усеченного конуса. При подключении тока и вращении пакета пластин аноды растворяются, а на катоде выделяется водород. Недостатком является то, что в результате электролиза образуется смесь гидроксидов металла - анода и извлекаемого металла - примеси Осадки требуют дальнейшей многостадийной обработки, что снижает технологичность процесса очистки воды и затрудняет утилизацию извлекаемого металла. Преимущественное восстановление молекул воды или ионов водорода по сравнению с ионами металла - примеси обусловлено в значительной мере конструкцией устройства-прототипа, так как жестко скрепленные между собой катоды и аноды вращаются с одинаковой скоростью, увлекая за собой жидкость, что не обеспечивает достаточного ускорения подвода ионов металла - примеси к катоду. Кроме того, значительный расход металла анода в жесткой неразборной конструкции устройства снижает срок эксплуатации устройства. В основу заявляемого изобретения поставлена задача разработки устройства для извлечения металлов из сточных вод, обладающего высокой технологичностью, которая обусловлена возможностью очистки раствора в одну стадию за счет разборной системы, обеспечивающей простоту механического отделения от катода осадка чистого металла, а не его соединений; повышенной удельной производительностью, которая достигается сочетанием двух принципов: увеличения реакционной площади и ускорения подвода реагентов к электродам; пониженным расходом электроэнергии за счет частичного или полного исключения выделения водорода на катоде, невысокого напряжения на электролизере; универсальностью, так как оно пригодно для электрохимического и контактного осаждения различных металлов как из разбавленных, так и из концентрированных электролитов. Устройство является электролизером погружного типа и предназначено для локальной очистки сточных вод от ионов металла. Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для извлечения металлов из сточных вод, включающем катодную и анодную системы в виде пакета чередующихся катодных дисков и анодов, причем катодные диски с изолирующими вставками между ними установлены на выполненном с возможностью вращения валу, снабженном средством подвода электрического тока, согласно настоящему изобретению, катодная система выполнена в виде съемных катодных дисков, установленных на валу, а анодная система представляет собой пакет пластин из токопроводящего инертного материала, установленных неподвижно в перфорированных полуцилиндрах, свободно охватывающих катодную систему без жесткой механической связи с ней. Анодная система .легко разъединяется на две половины для извлечения катодной системы с осадком металла (после окончания электролиза). Устройство не имеет корпуса и снабжено приспособлением для крепления к ванне. Катодные диски разъединены втулками из инертного непроводящего материала. Электрический контакт катодов с отрицательным полюсом источника питания осуществляется через вал, например, с помощью графитовых щеток. Вал соединен с установкой для вращения с варьируемой скоростью. С помощью крепежного приспособления, размещенного на цилиндре, устройство погружают непосредственно в ванну с отработанным электролитом или в ванну улавливания и закрепляют. При этом оно работает как электролизер периодического действия. Возможно погружение его в емкость с протоком воды. Принцип действия устройства заключается в следующем. При включении вращающей установки и электрического тока ионы металла - примеси восстанавливаются на катодных дисках до металлического состояния и осаждаются на них. На анодных пластинах (графит, стеклоуглерод, титан, диоксид марганца, свинец, ОРТА и др.) происходят реакции выделения кислорода, окисления органических примесей и т.д. Частичное или полное исключение реакции выделения водорода на катоде приводит к понижению расхода электроэнергии по сравнению с известными способами электрокоагуляции или электрофлотации. Экономии электроэнергии способствует также малое межэлектродное расстояние между дисками, обеспечивающее невысокое напряжение на электролизере. После накопления на катоде толстого слоя металла устройство извлекают из ванны, анодную систему разъединяют на две половины, катоды снимают с вала и выделившийся металл механически отделяют от катодов (если катоды изготовлены из химически стойкого металла-титана, нержавеющей стали) или отправляют на переплавку вместе с катодами, если они изготовлены из металла, однородного с металлом - примесью. При использовании устройства для контактного осаждения металлов без внешнего тока анодная система вообще не погружается в раствор, а в качестве вращающихся электродов на валу устанавливают диски из электроотрицательного металла, например, железа, алюминия. При этом на вращающихся электродах происходят две сопряженные реакции: растворение железа или алюминия и осаждение металла - примеси. Расход растворяющегося без тока электрода в этом случае значительно меньше, чем при электрохимическом растворении анода в устройстве - прототипе. Предлагаемое устройство не требует специальных площадей в гальваническом цехе, имеет малые габариты. Главные достоинства его по сравнению с известными устройствами для электроосаждения металлов: разборная система, обеспечивающая простоту механического отделения осадка металла примеси от катодов: высокая удельная производительность, достигаемая сочетанием двух принципов увеличения реакционной площади за счет использования пакета параллельных дисков и ускорения подвода реагентов к электродам за счет их вращения. Основные преимущества перед устройствами для очистки воды электрокоагуляцией: выделение примесей в виде металла, а не его соединений, технологичность извлечения металла в одну стадию, меньший расход электроэнергии за счет восстановления ионов металла вместо водорода или воды, экономия расхода металла -анода. Применение неподвижных анодов, служащих стопором для жидкости, обеспечивает большую скорость движения жидкости относительно катода и, значит, большую скорость реакций по сравнению с устройством по а.с. СССР № 1682324 А1, МКИ С02F1/46. опублик. 07.10.91, где катод и анод насажены на один вал, вращаются с одной скоростью, и увлекают за собой жидкость. Из вышеизложенного следует, что заявленное техническое решение отвечает критерию "изобретательский уровень". На чертеже изображено устройство, общий вид. Устройство содержит анодную систему, состоящую из двух разборных перфорированных полуцилиндров 1 и 2, изготовленных например, из титана, на которых с заданным шагом укреплен пакет горизонтальных анодных пластин 3 из токопроводящего инертного по отношению к сточной воде материала, например, графита, стеклоуглерода, свинца, платинированного титана, титана с покрытиями из диоксида марганца, диоксида рутения и т.д. Анодная система подсоединена к источнику питания (не показан) через полуцилиндры 1 и 2 с помощью контактной клеммы 4. Разборные перфорированные полуцилиндры соединены между собой, например, петлями с одной стороны и замковыми устройствами 5-е другой. Полуцилиндры имеют приспособления 6 для крепления к различным емкостям (ваннам). Стенки полуцилиндров перфорированы и, наряду с анодами, имеют гофры и отбойники, например, в виде выступов для улучшения циркуляции жидкости. Полуцилиндры объединены в верхней части съемной крышкой 7, на которой закреплен подшипниковый узел 8, охватывающий узел 9 катодной системы. Вал снабжен графитовой щеткой 10 для осуществления контакта с источником питания (не показан). На валу через изолирующие втулки установлены съемные катодные диски 12 из нержавеющей стали или титана, или металла, однородного с металлом-примесью. Вал вращается в верхнем 8 и нижнем 13 подшипниках. Устройство работает следующим образом. Устройство погружают в емкость с очищаемым раствором и фиксируют на ней с помощью крепежного приспособления б так, что контакты для подвода электрического тока 4 и 10 и привод вращения вала (не показан) находятся над раствором. Включают привод и устанавливают необходимую скорость вращения вала 9 с катодными дисками 12. Подсоединяют анодную систему через контакт 4 к положительному, а катодную через графитовую щетку 10 к отрицательному полюсу источника питания. Включают ток, величина которого определена в зависимости от концентрации металла в сточной воде и габаритов устройства. После накопления большой толщины осадка на катоде устройство отключают от источника питания, извлекают из ванны, промывают, разбирают и меняют катодные диски на новые. Использованные катодные диски отдают в переплавку или регенерируют, отделяя от них осадок извлекаемого металла. Πример 1. Выделение меди из отработанного сернокислого электролита меднения, содержащего 50 г/л ионов меди и 50 г/л серной кислоты. На катодном валу устанавливали диски из нержавеющей стали, а в качестве анодов использовали свинцовые пластины. Скорость вращения катодных дисков состаляла 200 об/мин. Плотность тока на катодах снижали ступенчато во времени от 13 до 0,2 А/дм2. На катодах выделился плотный осадок меди. Концентрация ионов меди в растворе уменьшилась от 50 до 0,5 г/л за 2,2 ч и до 0,04 г/л за 4,5 ч. Πример 2. Электрохимическое извлечение меди из промывной воды ванны улавливания, содержащей 0,5 г/л ионов меди и 0,5 г/л серной кислоты. В качестве материала катода устанавливали медь, анода - стеклоуглерод. Скорость вращения катодных дисков составила 600 об/мин. Плотность катодного тока ступенчато снижали от 1 до 0,1 А/дм . На катодах выделился светло-розовый гладкий Осадок меди. Концентрация ионов меди в растворе снизилась до 0,06 г/л за 30 мин, до 0,007 г/л за 60 мин. Примерз. Контактное осаждение меди из промывной воды, содержащей 0,05 г/л ионов меди и 0,5 г/л серной кислоты. В качестве материала электрода выбрано железо. В раствор погружали только катодную систему. Очистку производили без внешнего тока. Скорость вращения дисков составляла 600 об/мин. На железе выделился темный осадок меди с порошкообразным налетом. Концентрация ионов меди в растворе снизилась до 0,002 г/л за 30 мин. Πример 4. Контактное осаждение никеля из ванны улавливания после процесса химического никелирования. Начальная концентрация ионов никеля в растворе 40 мг/л, рН 4. На катодном валу устанавливали попеременно алюминиевые и медные диски. Анодную систему в раствор не погружали. Очистку проводили без внешнего тока. Скорость вращения составила 300 об/мин. В раствор вводили неорганическую добавку для активации поверхности алюминия. Через 30 мин концентрация ионов никеля со ставила 0.6 г/л. Пример 5. Извлечение избыточного количества цинка из ванны блестящего цинкования. Начальная концентрация соли цинка ZnSO4 -7Н2О-135г/л. На катодном валу устанавливали диски из нержавеющей стали, а в качестве анодов использовали пластины из стеклоуглерода. Скорость вращения катодов составила 250 об/мин. Плотность тока поддерживали равной 1,2 А/дм2. Через 1 час на катодах выделился плотный гладкий осадок цинка. Концентрация ионов цинка в растворе уменьшилась до 84,1г/л. Электролит сказался пригодным для эксплуатации без дополнительной корректировки. Изготовлено и испытано лабораторное устройство для извлечения металлов из сточных вод. Испытания показали, что устройство позволяет значительно расширить интервал исходных концентраций металла в сточной воде, подлежащей очистке, по сравнению с гальванокоагуляторами. Верхний предел исходного содержания примесей при использовании гальванокоагуляторов менее 1 г/л, а при использовании предлагаемого устройства - 200 г/л и более. Устройство позволяет в несколько раз ускорить извлечение металлов по сравнению с известными методами электроосаждения: с 12 ч в известных устройствах для электролиза до 0,5-4 ч в предлагаемом.