Электролитическое извлечение цветных металлов из сточных вод гальванических производств
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Г.П. Приходько, И.Г. Сидоренко, В.М. Огенко, Г.М. Загоровский
Институт химии поверхности НАН Украины, г. Киев
Наиболее безопасными с экологической точки зрения являются замкнутые системы с оборотным водопользованием. В гальванотехнике, гидрометаллургии и других отраслях промышленности применение таких технологий возможно при условии очистки промывных вод, представляющих собой низкоконцентрированные (менее 1г×л-1) растворы солей цветных металлов, безреагентными методами.
Одним из перспективных методов решения этой проблемы является применение электролиза, который позволяет получать металлы в наиболее концентрированном виде и требует минимальных затрат энергии для их дальнейшей переработки. Однако, электролитическое извлечение цветных металлов из низкоконцентрированных водных растворов затруднено диффузионными ограничениями тока. Эта проблема может быть решена при помощи объемно-пористых проточных электродов, в частности катодов из углеродных волокнистых материалов [1-3]. При применении таких электродов для очистки промывных растворов производства печатных плат было обнаружено явление сращивания углеродных волокон кристаллами выделяющегося металла и ухудшение вследствие этого характеристик электрода [4]. Это обстоятельство побудило нас вести поиск дисперсных углеродных материалов с развитой поверхностью, которые дают возможность реализовать "псевдоожиженный" катод, лишенный этого недостатка.
Нами был предложен способ извлечения цветных металлов из низкоконцентрированных растворов в электролизерах проточного типа с катодом из терморасширенного графита [5]. Выбор материала обусловлен тем, что терморасширенный графит имеет большую удельную поверхность и поверхностные кислородсодержащие функциональные группы, которые могут быть центрами адсорбции ионов цветных металлов. При этом частички графита с металлическим покрытием оседают на дно элек-
тролизера и легко извлекаются без остановки процесса. Кроме того, металлизированный графит представляет собой ценный материал для изготовления антифрикционных изделий и нанесения, антифрикционных покрытий на поверхность деталей.
Терморасширенный графит получали по методике [6].
Для определения работоспособности компактных и дисперсных электродов из терморасширенного графита были исследованы их вольтамперные характеристики, которые снимали в трехэлектродной стеклянной ячейке с помощью потенциостата ПИ - 50 - 1.1 при поляризации рабочего электрода со скоростью развертки потенциала 5мВ×с-1. Вспомогательным электродом служила графитовая пластинка с размерами 40х10х3мм. В качестве электрода сравнения использовали насыщенный хлорсеребряный электрод. Рабочий электрод из компактного терморасширенного графита изготовляли путем запрессовки дисперсного материала в стеклянную трубку с внутренним диаметром 3мм, устанавливая ее на стеклянную пластинку. Рабочей поверхностью служил нижний торец полученного углеродного стерженька, а токоподводом - запрессованный в него медный провод.
Выделение меди и никеля из раствора вели в электролизере проточного типа, изготовленном из стеклянной трубки диаметром 30мм и длиной 150мм, с дисперсным катодом, расположенным в верхней части. В качестве токоподвода использовали кружок диаметром 29,5мм из никелевой фольги и нихромовый провод. Проток электролита осуществлялся через зазор между краем никелевого кружка и стенкой электролизера. Анодом служил графитовый стержень диаметром 6мм, помещенный для предотвращения контакта с частицами катода в стеклянную трубку.
Прокачку электролита вели перистальтическим насосом РР1- 05. Электролизер подключали к стабилизированному источнику питания постоянного тока Б5 - 49.
Силу тока контролировали комбинированным прибором Щ-4300. Определение содержания меди и никеля в растворе вели по методикам, описанным в [7], с помощью колориметра фотоэлектрического концентрационного КФК - 2МП. Для изготовления растворов использовали реактивы марки "ч.д.а".
На рис. 1. приведены вольтамперограммы электродов из прессованного ТРГ.
Введение в раствор ионов Cu2+ приводит к изменению формы поляризационных кривых и при содержании меди в растворе 20мг×л-1 процесс выделения меди на терморасширенном графите становится преобладающим. На поляризационных кривых отмечаются участки предельных токов, величина которых зависит от концентрации деполяризатора.
Рис.1. Циклические вольтамперные характеристики прессованного электрода в растворах с различным содержанием меди: 2 - 5; 3 - 10; 4 - 20; 5 - 50 мг×л-1 меди; 1 - обратная развертка потенциала для кривых 2, 3, 4,5.
I,мкА
Рис. 2. Поляризационные характеристики дисперсного электрода в растворах с различным содержанием меди: 1 - 0; 2 - 0,1; 3 - 0,2; 4 - 0,5; 5 - 1,0; 6 - 2,0; 7 - 5,0 мг×л-1 меди
При поляризации дисперсного электрода из терморасширенного графита наблюдаются те же явления (рис.2), однако величины тока на порядок выше по сравнению с таковыми для прессованных электродов, а предельные токи выделения меди начинают наблюдаться при содержании ее в растворе 2мг×л-1. Катодная плотность тока достигает 0,15А×дм-2 в расчете на габаритную площадь электрода, что вполне приемлемо для проведения электролиза с достаточной интенсивностью.
Как следует из результатов вольтамперометрии на катоду из терморасширенного графита идут побочные процессы вследствие чего выход металла по току не будет достигать 100%, что подтверждается результатами электролиза, приведенными в таблице.
Таблица. Зависимость выхода меди и никеля по току от концентрации электролита
№
Свход.,
мг×л-1
I×103, мкА
Свыхлд., мг×л-1
Извлечениеметалла, %
Выход металла по току, %
Cu
Ni
Cu
Ni
Cu
Ni
1
1
4.0
0.1
92.0
2.5
2
1
2.0
0.4
0.3
60.1
70.1
5.3
6.2
3
5
2.2
0.6
0.2
88.4
96.0
9.5
12.0
4
10
2.5
0.1
0.1
99.0
99.0
15.6
15.6
5
20
2.8
0.3
0.15
95.5
99.2
17.2
18.3
6
50
3.5
0.2
0.1
99.5
99.8
29.8
30.9
7
100
3.7
0.5
0.2
99.6
99.8
37.2
39.0
8
200
4.0
0.7
0.4
99.5
99.7
44.5
46.1
9
500
6.0
0.6
0.2
99.8
99.9
50.0
52.8
Эксперименты по электролизу подтвердили результаты вольтамперометрических исследований электродов из ТРГ.
Исходя из результатов лабораторных опытов был спроектирован и изготовлен экспериментальный электрохимический реактор с катодом из дисперсного ТРГ для извлечения меди из промывных вод участка изготовления печатных плат производительностью 60л×час-1. Реактор представлял собой электролизер проточного типа с направленим потока очищаемой воды сверху вниз и имел размеры 1,5х0,35х1м. При токовой нагрузке 8А и напряжении 35В содержание меди в растворе снижалось со 100 до 2мг×л-1. Очищенная вода возвращалась в ванну промывки. Затраты электроэнергии на очистку 1м3 воды составляли 4,5кВт×час.
Электрохимический реактор с катодом из дисперсного ТРГ позволяет достичь той же степени извлечения меди из раствора, что и реактор с катодом из углеродного волокна при одинаковом расходе углеродного материала (100г/ 1кг извлеченного металла). Однако он имеет то преимущество, что не происходит ухудшение его характеристик в процессе эксплуатации за счет сращивания частиц катода кристаллами меди.
Литература
1. ВаренцовВ.К. // Интенсификация электрохимических процессов/ Сборник научных трудов. АН СССР Ин-т электрохимии (Отв. ред. ТомиловА.П.). М.: Наука. 1988. С.94 - 118.
2. ВаренцовВ.К., ВаренцоваВ.И.// Электрохимия. -1995. -Т.31., №3. С.304‑306.
3. ВаренцовВ.К., ВаренцоваВ.И.//ЖПХ. 1997. Т.70. №1. С.83‑86.
4. ВаренцовВ.К., ЮдкинаА.А. // Современные химические и гальванические процессы в производстве печатных плат: Материалы научно-технического семинара./ О-во “Знание” РСФСР. Ленинград. дом научно-технической пропаганды.- Л.: 1991. С.68 - 70.
5. Пат. 28338А Україна, МКВ 6 С25С1/16. Спосіб вилучення кольорових металів із низькоконцентрованих розчинів/ Г.М.Загоровський, Г.П.Приходько, О.О.Чуйко, В.М.Огенко, С.О.Слєсаревський.-№96072959; Заявлено 23.07.96; опубл.2000, Бюл.№5 - 11.
6. ЧернышИ.Г., КарповИ.И., ПриходькоГ.П., ШайВ.М. Физико-химические свойства графита и его соединений. Киев: Наукова думка. 1990.- 200с.
7. ЛурьеЮ.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М. Химия. 1984.- 447 с.