Э.Б. Хоботова, В.И. Ларин, В.В. Даценко, Л.М. Егорова, М.А. Добриян

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Ресурсосберегающая технология регенерации отработанного травильного железохлоридного раствора

Несовершенство технологических процессов на предприятиях многих отраслей промышленности приводит к образованию многотонажных отходов, загрязняющих окружающую природную среду. С каждым годом увеличивается значимость проблемы предотвращения попадания химических загрязнителей в биосферу, а создание методов их утилизации, ликвидации и обезвреживания остается актуальным и в настоящее время.

В технологическом процессе изготовления плат печатного монтажа образуются отработанные травильные растворы (ОТР), которые сбрасываются в промышленный сток. Предлагаемый электролитический способ регенерации отработанных травильных кислых железохлоридных растворов относится к малоотходным, ресурсо- и энергосберегающим технологиям защиты окружающей среды от загрязнения, т.к. позволяет стабилизировать процесс травления и выделять медь из раствора в порошкообразной или пластинчатой форме. Для выделения меди из ОТР используется контактный обмен на высокодисперсном железном порошке, получаемом в процессе электролиза на титане, а регенерация окислителя – FеСl₃ – осуществляется на окиснорутениевотитановом аноде (ОРТА) электролизера. Схема цикла травление – регенерация представлена на рис. 1. Частично или полностью отработанный травильный раствор, содержащий хлориды Fе (III), Fе (II) и Сu (II), из ванны 1 подают в реактор контактного обмена 2, куда с определенной скоростью дозируют свежеосажденный порошок железа. Последний получают на цилиндрическом вращающемся титановом катоде 3 и непрерывно при помощи скребка 4 сбрасывают в реактор 2. Катодный выход по току (ВТ) при плотности тока 5 · 10⁴ А · м ^–2 в условиях растворов промышленной концентрации составляет 70 –80 %.

Рис. 1. Схема регенерации растворов хлорида железа (III): 1 – ванна травления; 2 – реактор для контактного обмена; 3 – титановый катод; 4 – скребок; 5 – резервуар для фильтрования; 6 – насос; 7 – электролизер; 8 – мембрана МА – 40Л; 9 – катодное отделение; 10 – анодное отделение; 11 – ОРТА; 12 – резервуар для корректирования раствора; 13 – насос.

В таблице 1 приведены данные, свидетельствующие о повышении ВТ с ростом содержания Fе²⁺ -ионов при постоянстве величины рН.

Таблица 1

Изменение катодного выхода по току железного порошка (%) в зависимости от концентрации Fе²⁺ - ионов и величины рН

0,33 моль · л ^– 1		1,46 моль · л ^– 1		2,13 моль · л ^– 1
рН	ВТ	рН	ВТ	рН	ВТ
1,0	25,0	0,2	20,1	- 0,3	22,8
1,4	64,1	0,4	41,4	- 0,1	40,1
2,0	83,6	0,9	87,2	0,2	91,7
2,3	88,2	1,3	96,7	0,4	94,5
2,9	100,2	2,1	99,1	0,6	98,9
		2,2	100,4	1,2	99,9

Для ускорения реакции контактного вытеснения меди на порошке железа и более полного его использования высокодисперсный порошок железа поддерживают во взвешенном состоянии путем интенсивного перемешивания. Продолжительность контактного обмена составляет 15 минут. В течение первых 5 минут процесс протекает интенсивно, и при этом выделяется 80 % меди.

Образующийся в результате реакции цементации порошок меди отделяют путем отстаивания или фильтрованием в узле 5. После специальной обработки он может быть использован в порошковой металлургии.

По завершении отделения меди раствор смешивают с кислым раствором католита, остающимся после электролиза, и подают в двухкамерный электролизер 7 с разделенными анионитовой мембраной МА – 40Л 8, катодным 9 и анодным 10 пространствами. Катодом служит титановый цилиндр 3, анодом – ОРТ- сетка 11. Выбор материалов электродов обусловлен невысокой адгезией железа на титане и инертностью ОРТА в кислых средах. Растворы подают в электродные отделения в следующем соотношении: 1/3 – католит и 2/3 – анолит. Такое соотношение объемов диктуется необходимостью соблюдения баланса электронов при протекании процессов на катоде (восстановление железа (II)) и на аноде (окисление железа (II)). При уменьшении объема анолита начинается нежелательное выделение газообразного хлора на ОРТА. Освобождающиеся в результате катодной реакции, хлорид-ионы переносятся через мембрану в анодное пространство. Энергозатраты на регенерацию 1 л ОТР составляют 78,2 А · ч. После полной электролитической обработки раствор из анодного отделения подают в резервуар для корректировки 12 и затем возвращают в ванну травления 1. Цикл травление – регенерация замыкается.

Описанный способ регенерации малоэнергоемкий, технологически простой, безотходный. Он обеспечивает возврат стравленной меди в виде чистого продукта, позволяет провести полную регенерацию окислителя – FеСl₃ и его повторного использования на производстве.