一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法及其装置与流程

本发明涉及电解技术领域，尤其涉及一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法及其装置。

背景技术：

金属刻蚀法与其它成型方法相比，具有操作简单、多品种、小批量、周期短等优点，在各个领域中的应用日益扩大，如牌匾制作、仪器设备表面图文刻印、制造印刷用的金属字板、在机械加工较为困难的薄板或薄片零件(电子线路板、金属网板的小孔以及光栅)等器件上进行部分刻蚀，获得一定深度的图形或文字，从而达到功能或装饰效果。

工业上钢铁等可以采用三氯化铁方法进行刻蚀，三氯化铁溶液作为蚀刻液具有低成本、刻蚀速度快、无毒、无挥发等特点，但随着三氯化铁溶液高价铁浓度的降低蚀刻效率下降，并逐渐失去刻蚀能力，刻蚀液变稠变色，刻蚀废液中总铁含量增加，三价铁转化为二价铁，同时被刻蚀的金属或其合金如铬、锰、镍等毒害杂离子进入刻蚀液。工厂常用简单的废液再生方法是加入氧化剂h2o2和适量的hcl，使产生的fe²⁺重新氧化变成起腐蚀作用的fe³⁺，或通入cl2气氧化，但实际效果并不理想，刻蚀能力仅为原液的3％左右。三氯化铁蚀刻废液产量大，若不经处理排放，不仅造成环境污染，而且大量的铁等作为废弃物对资源也造成浪费。

目前，国内外三氯化铁刻蚀废液的处理与再生方法主要针对刻蚀铜电路板等产生的包含二价铁和三价铁的废液，三氯化铁在使用中会产生二价铁，导致蚀刻性能下降。为减少废液的排放，节约处理废液的成本，现有技术中所采用的方法是向刻蚀废液中加入氯酸钠和盐酸，但废液中的二价铁只需要氯离子，而添加物中的钠离子就会遗留在三氯化铁液体中，且添加物越多，所产生的废液就越多，使其蚀刻性能下降，降低了三氯化铁的使用寿命。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中添加氯酸钠和盐酸造成蚀刻性能下降的问题，提出一种基于循环电解盐水的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法及其装置，可有效确保三氯化铁在蚀刻过程中的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是提供一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法，包括如下步骤：

(1)在电解槽中电解盐水，产生氯气、氢气和氢氧化钠，并向阴极液室中添加盐酸维持阴极液室内阴极电解液呈弱酸性；

2nacl+2h2o＝通电＝2naoh+h2↑+cl2↑

naoh+hcl＝＝＝nacl+h2o；

(2)将步骤(1)电解制得的氯气直接通入蚀刻液中，使蚀刻液中的二价铁离子再生被阳极产生的氯气氧化为三价铁离子，三氯化铁刻蚀废液颜色由深绿色又逐渐变回黄棕色，刻蚀废液得到再生；

cl2+2fecl2＝＝2fecl3；

(3)步骤(2)再生后的刻蚀废液中的三价铁离子循环利用转化为二价铁离子，二价铁离子被持续通入的氯气氧化为三价铁离子，依此循环，实现三氯化铁蚀刻液的循环再生。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法中，所述阴极液室内阴极电解液的ph值为5-7。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法中，所述电解盐水为饱和食盐水。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法中，所述电解的电流密度为5-10a/dm²。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法中，所述电解槽电解过程中采用换热器使电解槽内的电解盐水温度为55-60℃。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法中，所述阴极液室内的液体呈内循环状态。

本发明第二个方面是提供一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置，包括溶盐槽1、整流器2、盐水高位槽3、整流器降温槽4、盐酸槽和电解槽7，其中，所述溶盐槽1经盐水泵与所述盐水高位槽3连通，所述盐水高位槽3分别连通所述电解槽7的阴极液室18和阳极液室17，所述盐酸槽连通所述阴极液室18；所述阳极液室17连通所述溶盐槽1以将电解后的阳极液回流至所述溶盐槽1内。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，所述电解槽7内设置有至少一个用于氧化阳极液生产氯气的阳极框组件、至少一个用于还原阴极液生产氢气的阴极板16；所述阳极框组件包括阳极框8、设置于所述阳极框8框体内的阳极板15、分别密封设置于所述阳极框8两侧框体上的离子交换膜，所述离子交换膜位于所述阴极板16和所述阳极板15之间、h2o、h⁺自由通过、而na⁺、cl^-、cl2不能通过；由所述阳极框组件组成的阳极液室17组成所述阳极液室17，所述阳极液室17和所述阴极液室18之间通过所述离子交换膜分割开。

进一步优选地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，所述阳极框组件和所述阴极板16并排、间隔设置，所述阳极框组件的阳极框8框体上设置有一氯气管路11和一导气管12；所述阴极板16与阴极导电板6连接；所述阳极板15的上下两端分别设有阳极导电溢流管13和阳极导电进液管14。

进一步较为地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，所述所述阳极导电溢流管13穿过所述阳极框8的框体与阳极导电板5连接并与出盐水管道10连通；所述阳极导电进液管14穿过所述阳极框8的框体与阳极导电板5连接并与进盐水管道9连通；所述阳极导电溢流管13通过出盐水管道10连通所述溶盐槽1，所述阳极导电进液管14通过进盐水管道9连通所述盐水高位槽3。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，所述阴极液室18内的阴极液呈内循环状态，所述阴极液室18内设有ph传感器、温度传感器和液位计。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，所述阳极液室17内产生的cl2通过氯气管路11通入三氯化铁刻蚀液中，以将所述三氯化铁刻蚀液中的fe²⁺氧化为fe³⁺，所述氯气管路11上安装有气体流量计。

进一步地，在所述的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，还包括一用于接收所述阴极液室18产生的氢气的氢气收集装置，所述氢气收集装置位于所述电解槽7上方。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明所提供的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法，减少了废液的排放(环境的污染)节约了处理废液的成本，而产生的氯气使二价铁离子氧化为三家铁离子，降低液体的排放量；而传统通过添加氯酸钠和盐酸的方法，在三氯化铁再添加氯酸钠的同时，二价铁只需要氯离子，而添加物中的钠离子就会遗留在液体三氯化铁里面，使其蚀刻性能下降；而且本发明循环电解盐水产生的氯气的稳定性相对要好，确保了三氯化铁在蚀刻的稳定性，大大减少了废液的排放，提高了三氯化铁的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置的整体结构图；

图2为本发明一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置的装配示意图；

图3为本发明一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置中阳极框组件的装配示意图；

其中，1-溶盐槽，2-整流器，3-盐水高位槽，4-整理器降温槽，5-阳极导电板，6-阴极导电板，7-电极槽，8-阳极框，9-出盐水管道，10-进盐水管道，11-氯气管路，12-阴极液室，13-阳极导电溢流管，14-阳极导电进液管，15-阳极板，16-阴极板，17-阳极液室，18-导气管，19-盐水泵，20-阴极内循环泵，21-溢流管，22-通孔。

具体实施方式

本发明所提供的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法，其主要技术原理为：首先，采用直流电直接电解盐水使盐水产生氯气、氢气和氢氧化钠，并向氢氧化钠溶液中补充盐酸，以保持电解液中nacl的浓度；然后，将电解制得的cl2直接通入到蚀刻液蚀刻后的二价铁fe2+离子的蚀刻废液中，使得二价铁fe2+直接转化为三价铁离子fe3+，再将制得的fecl3提高了蚀刻中的三价铁离子fe3+含量和三氯化铁的使用寿命；依此循环，继续向蚀刻后含二价铁离子的fecl2的蚀刻液中的通入制得的cl2，制得三价铁离子fe3+。以上述过程作为一个周期，只要向阴极液室体的溶液中补充盐酸使其保持在酸性的状态，就可以不断地产生氯气，实现三氯化铁蚀刻液的净化和循环再生，从而大大减少了废液的排放，提高了三氯化铁的使用寿命。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

本发明实施例提供一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法，包括步骤：

(1)在电解槽中电解盐水，产生氯气、氢气和氢氧化钠，阴极液室中添加盐酸维持阴极液室内阴极电解液呈弱酸性；

2nacl+2h2o＝通电＝2naoh+h2↑+cl2↑

naoh+hcl＝＝＝nacl+h2o；

(2)将步骤(1)电解制得的氯气直接通入蚀刻液中，使蚀刻液中的二价铁离子再生被阳极产生的氯气氧化为三价铁离子，三氯化铁刻蚀废液颜色由深绿色又逐渐变回黄棕色，刻蚀废液得到再生；

cl2+2fecl2＝＝2fecl3；

(3)步骤(2)再生后的刻蚀废液中的三价铁离子循环利用转化为二价铁离子，二价铁离子被持续通入的氯气氧化为三价铁离子，依此循环，实现三氯化铁蚀刻液的循环再生。

在该用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法中，所述阴极液室内阴极电解液的ph值为5-7；优选为ph值为5.5-6。所述阴极液室内阴极电解液为饱和食盐水。

在该用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法中，所述电解的电流密度为5-10a/dm²；优选为6-8a/dm²。

在该用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法中，所述电解槽电解过程中采用换热器使阴极液室和阳极液室内的电解盐水温度为55-60℃；优选地，电解盐水温度为58-60℃，且所述阴极液室内的液体呈内循环状态。

本发明所采用用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解方法，针对三氯化铁蚀刻液中的三氯化铁在使用中会产生二价铁，进而导致蚀刻性能下降的问题，通过循环电解盐水所产生的连续氯气直接加入含有二价铁刻蚀液中，使得二价铁直接转化成三价铁，2fecl3+cl2＝＝2fecl3，本发明成功的代替了传统的氯酸钠加入方法；另外，在电解槽中补充盐酸，使得阴极液室中的盐水维持在酸性状态下，从而大大减少了废液的排放，提高了三氯化铁的使用寿命。

采用本发明方法在盐液电解的同时，刚开始有产生氯气的效果，两个小时以后氯气量开始下降，最终导致不产生氯气，分析存在的原因是随着电解反应的不断进行，电解液中的氯化钠盐含量逐渐降低，直至不足以维持电解的进行，因此，需将阴极液室体的溶液保持在酸性的状态，具体地，在电解槽中补充盐酸，以维持电解液中氯化钠盐的含量，就可以不断地产生氯气。

此外，如图1-2所示，本发明实施例还提供了一种用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置，包括溶盐槽1、整流器2、盐水高位槽3、整流器降温槽4、盐酸槽(图中未示出)和电解槽7，其中，溶盐槽1经盐水泵与盐水高位槽3连通，盐水高位槽3分别连通电解槽7的阴极液室18和阳极液室17，盐酸槽连通阴极液室18；阳极液室17连通溶盐槽1以将电解后的阳极液回流至溶盐槽1内。

如图2-3，作为本实施例的一个优选技术方案，在的用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，电解槽7内设置有至少一个用于氧化阳极液生产氯气的阳极框组件、至少一个用于还原阴极液生产氢气的阴极板16；阳极框组件包括阳极框8、设置于阳极框8框体内的阳极板15、分别密封设置于阳极框8两侧框体上的离子交换膜，离子交换膜位于阴极板16和阳极板15之间、h2o、h⁺自由通过、而na⁺、cl^-、cl2不能通过；由阳极框组件组成的阳极液室17组成阳极液室17，阳极液室17和阴极液室18之间通过离子交换膜分割开。

作为本实施例的一个优选技术方案，在该用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，如图2-3所示，阳极框组件和阴极板16并排、间隔设置，阳极框组件的阳极框8框体上设置有一氯气管路11和一导气管12，阳极液室17内氧化阳极液生产的氯气通过氯气管路11直接通入三氯化铁刻蚀液中用于将三氯化铁刻蚀液中的二价铁氧化为三价铁。导气管12的作用是用于使外界空气进入阳极框8内，便于生产的氯气通过氯气管路11排出。

在该用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，如图2所示，阴极板16与阴极导电板6连接；如图3所示，阳极板15的上下两端分别设有阳极导电溢流管13和阳极导电进液管14。

作为本实施例的一个优选技术方案，如图3所示，阳极导电溢流管13穿过阳极框8的框体与阳极导电板5连接并与出盐水管道10连通，阳极导电溢流管13上还设有一开口向上的溢流管21，阳极导电溢流管13同时起到向溶盐槽1传输阳极液和导电的作用。如图3所示，阳极导电进液管14穿过阳极框8的框体与阳极导电板5连接并与进盐水管道9连通，并在阳极导电进液管14上开设有若干通孔22，阳极导电进液管14同时起到阳极液室17也即框体8内传输阳极液和导电的作用。阳极导电溢流管13通过出盐水管道10连通溶盐槽1，阳极导电进液管14通过进盐水管道9连通盐水高位槽3。

在本实施例用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，通过阴极内循环泵20，使阴极液室18内的阴极液呈内循环状态，为更加合理的理由空间，将阴极内循环泵20安装在溶盐槽1底部位置。此外，在阴极液室18内还设有ph传感器、温度传感器、液位计，以便实时监测电解情况，自动补充阴极液和盐酸，实现自动化操作。

在本实施例用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，阳极液室17内产生的cl2通过氯气管路11通入三氯化铁刻蚀液中，以将三氯化铁刻蚀液中的fe²⁺氧化为fe³⁺，氯气管路11上安装有气体流量计。

本实施例用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上还包括一用于接收阴极液室18产生的氢气的氢气收集装置(图中未示出)，氢气收集装置位于电解槽7上方，该氢气收集装置为负压是收集罩，其上接有一负压管道，用于将电解产生的氢气进行集中收集处理、利用，消除安全隐患，提高资源利用率。

本实施例用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上，盐酸槽通过盐酸管路连通阴极液室18，并维持阴极液室18内的阴极液呈酸性状态。只要向阴极液室18中补充盐酸使其保持在酸性的状态，就可以不断地产生氯气，实现三氯化铁蚀刻液的净化和循环再生，从而大大减少了废液的排放，提高了三氯化铁的使用寿命。

作为本实施例的一个优选技术方案，该用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置上还装设有plc控制器，该plc控制器分别与盐水泵19、阴极内循环泵20、整流器2、整流器降温槽4、温度传感器、液位计、ph传感器以及各管道上的电磁阀等电性连接，实现自动化控制。

本发明用于三氯化铁刻蚀液再生的循环电解装置，其主要工作原理为：首先，在溶盐槽1内制备饱和食盐水，然后通过盐水泵19输送至盐水高位槽3，再向电解槽7内的阴极液室18和阳极液室17内分别输送电解液；采用直流电直接电解食盐水使食盐水产生氯气、氢气和氢氧化钠，并通过盐酸槽向阴极液中补充盐酸，以中和阴极液中电解产生的氢氧化钠溶液生产nacl，保持电解液中nacl的浓度；然后，将阳极液电解制得的cl2通过氯气管路11直接通入到三氯化铁蚀刻液中，使得刻蚀液中二价铁fe2+直接转化为三价铁离子fe3+，再将制得的fecl3提高了蚀刻中的三价铁离子fe3+含量和三氯化铁的使用寿命；依此循环，继续向蚀刻后含二价铁离子的fecl2的蚀刻液中的通入制得的cl2，制得三价铁离子fe3+。以上述过程作为一个周期，只要向阴极液室18中补充盐酸使其保持在酸性的状态，就可以不断地产生氯气，实现三氯化铁蚀刻液的净化和循环再生，从而大大减少了废液的排放，提高了三氯化铁的使用寿命。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。