用于砷化镓废渣中砷、镓分离的电解分离装置及电解分离方法

本发明属于废弃物回收领域，尤其涉及一种砷化镓废渣的处理装置及方法。

背景技术：

1、镓被称为“电子工业脊梁”，在电子领域、太阳能电池领域、冶金领域、医疗领域以及新兴领域的具有广泛的应用。镓是一种稀散金属，主要以类质同象的方式赋存于铝土矿、闪锌矿、硫黄铜矿、锗石以及煤矿之中。过去镓的提取主要依赖原生矿产，而随着全球镓金属供需矛盾日益加剧，从含镓废料中提取镓的产量逐年上升。砷化镓占据了镓消费总量的约80％，全球每年用于生产砷化镓的镓金属消耗量超过200吨，但由于生产工序严苛且复杂，导致砷化镓成品率不足15％，每年产生大量高品位含镓废料，成为了再生镓的主要二次资源。

2、目前，砷化镓废料的回收工艺主要包括酸浸法、碱浸法、真空高温分解法以及生物法。上述方法均存在较明显的缺陷，如酸浸法存在环境污染、设备磨蚀等问题，真空高温分解法对设备要求高，生物法处理周期相对较长，无法实现工业化应用。专利cn108707927a中公开了一种从含有砷化镓的废料中回收砷和镓的方法，该方法以含有砷化镓的废料为阳极，在含镓的碱性电解液中进行电解，得到金属镓和含有砷酸盐的电解残液。该方法工艺简单、安全环保、金属回收率高。但该方法存在明显的缺陷，砷等杂质离子的存在会降低电积过程电流效率、降低产品纯度、加剧析氢副反应和加剧极板腐蚀。此外，该方法的电解液难以循环使用，需要经过大量的净化工序后才能重复使用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种阴极电解液污染小、杂质离子影响小的用于砷化镓废渣中砷、镓分离的电解分离装置及电解分离方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

2、一种用于砷化镓废渣中砷、镓分离的电解分离装置，包括电解槽，所述电解槽内设有阳极板、阴极板、第一隔膜和第二隔膜，所述第一隔膜和第二隔膜间隔设于所述阳极板和阴极板之间；所述阳极板、阴极板、第一隔膜和第二隔膜将所述电解槽分隔成相互独立的阳极区域、除砷区域以及阴极区域，所述阳极区域位于阳极板与第一隔膜之间，所述除砷区域位于第一隔膜和第二隔膜之间，所述阴极区域位于第二隔膜与阴极板之间；所述阳极板与阴极板上连通有电源。

3、上述第一隔膜与第二隔膜为阴离子隔膜，阻止固体浆料和杂质阳离子进入阴极，同时允许阴离子通过。

4、上述电解分离装置中，优选的，所述阳极区域连通有用于使含砷化镓废渣的阳极浆料在阳极区域内循环流动的阳极加料系统，所述阴极区域连通有用于使阴极电解液在阴极区域内循环流动的阴极加料系统，所述除砷区域设有除砷剂加入口。

5、上述电解分离装置中，优选的，所述阳极加料系统包括阳极液循环罐、阳极液循环泵、阳极液输出管以及阳极液返回管，所述阳极液循环罐中的阳极浆料通过阳极液循环泵以及阳极液输出管泵入所述阳极区域的一侧，所述阳极区域的另一侧通过阳极液返回管与阳极液循环罐连通，以实现阳极浆料的循环流动。

6、上述电解分离装置中，优选的，所述阴极加料系统包括阴极液循环罐、阴极液循环泵、阴极液输出管以及阴极液返回管，所述阴极液循环罐中的阴极电解液通过阴极液循环泵以及阴极液输出管泵入所述阴极区域的一侧，所述阴极区域的另一侧通过阴极液返回管与阴极液循环罐连通，以实现阴极电解液的循环流动。

7、上述电解分离装置中，优选的，所述电解槽呈圆桶形，所述阳极板设于所述电解槽的中心，所述阴极板围绕所述电解槽的侧壁设置，所述第一隔膜和第二隔膜为大小不同的圆管状隔膜，间隔设于所述阳极板和阴极板之间。

8、作为一个总的技术构思，本发明还提供一种利用上述的电解分离装置用于砷化镓废渣中砷、镓分离的电解分离方法，包括以下步骤：

9、(1)将砷化镓废渣粉碎后与氢氧化钠溶液充分混合，得到阳极浆料；

10、(2)通过所述阳极加料系统将阳极浆料加入阳极区域，通过所述除砷剂加入口将除砷剂加入除砷区域，通过所述阴极加料系统将阴极电解液加入阴极区域，通过阳极加料系统和阴极加料系统分别使阳极区域与阴极区域内的阳极浆料与阴极电解液循环流动；双层的阴离子隔膜(即第一隔膜与第二隔膜)的使用可以有效阻止杂质离子进入阴极，减少电解液的污染，保证阴极镓的纯度；并且双层膜形成的夹层空间可完成除砷和砷酸盐沉淀的收集；

11、(3)开启电源，调节电流和电压，进行电解，电解完成后，在阴极区域收集电积产物镓，在除砷区域收集砷。

12、上述电解分离方法中，优选的，砷化镓废渣粉碎至低于0.5mm，并与20-60g/l的氢氧化钠溶液充分混合，控制砷化镓废渣与氢氧化钠溶液的固液比为1：(4-8)g/ml。上述砷化镓粒度控制可使砷化镓废渣与氢氧化钠溶液充分接触，提高浸出率，提高反应效率；氢氧化钠浓度过高和液固比过低会影响溶液粘度，不利于溶液的流动和过滤；氢氧化钠浓度过低不利于砷化镓废料的浸出；并且氢氧化钠的浓度还会影响原料中硅、铝的浸出，控制在上述浓度，杂质浸出少，减少了碱耗。综合考虑，控制氢氧化钠的浓度为20-60g/l，且固液比为1：(4-8)g/ml。

13、上述电解分离方法中，优选的，所述阴极电解液为浓度为40-120g/l的氢氧化钠溶液，所述除砷剂为可溶性钙盐溶液和/或可溶性钡盐溶液。上述除砷剂的用量保证足量即可。

14、上述电解分离方法中，优选的，阳极区域与阴极区域内的阳极浆料与阴极电解液循环流动时的循环流量控制为200-400l/h。循环流量过低时，电流效率较低；循环流量过大时，一方面其对电流效率的提高影响不大，甚至会降低电流效率；另一方面增加循环流量会进一步增加循环泵能耗。

15、上述电解分离方法中，优选的，电解时，控制所述电解槽内电解液的ph值在8.8-14，电解槽内电解液的温度为20-60℃，采用恒电流密度电解，电流密度为500-1000a/m2。在控制上述条件下，砷以砷酸根离子形式进入溶液中，并透过第一隔膜进入除砷区域，与钙离子或者钡离子形成砷酸盐沉淀，并在该区域沉积；镓以镓酸根离子形式进入溶液中，并透过两层隔膜进入阴极区域，最终在阴极区域形成镓液。通过该工艺可以有效实现砷化镓的高效浸出及砷、镓的分离，最终实现镓的选择性回收。并且，实验表明，在控制上述条件下，镓和砷能够高效浸出，而铝和硅等杂质几乎不浸出，降低了杂质离子的影响。此外，增大电流密度，槽电压会随之增大，在镓电积过程中，由于镓的还原电位比氢气析出的还原电位更负，因此增大电流密度可以提高槽电压，从而提高反应过电位，有利于镓的沉积。但如果电流密度过高会造成浓差极化，反而会降低电流效率，因此电流密度不宜过低或过高。

16、上述电解分离方法中，优选的，电积产物镓经酸洗、水洗、真空干燥得到高纯阴极镓，阴极电解液无需净化即可再次使用。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、1、本发明的用于砷化镓废渣中砷、镓分离的电解分离装置采用特殊的双层隔膜电解槽结构，避免了杂质对阴极电解液的污染，节省了传统工艺中阴极电解液净化这一步骤，缩短了工艺流程。同时，在除砷区域间添加了除砷剂，实现砷酸根离子的选择性沉淀，避免了阴极的砷污染，有利于提高阴极产品砷的纯度，减少了砷等杂质离子带来的电流效率低、析氢副反应和极板腐蚀严重等影响。

19、2、本发明的用于砷化镓废渣中砷、镓分离的电解分离方法采用矿浆电解和旋流电积相结合的方式，在阳极氧化和氧气等氧化剂作用下实现砷化镓的高效浸出，采用旋流电积消除了镓电解过程的浓差极化现象，提高了电流效率。

20、3、本发明的用于砷化镓废渣中砷、镓分离的电解分离装置及方法对原料适应性好，能够处理低品位的砷化镓废渣。

21、4、本发明的用于砷化镓废渣中砷、镓分离的电解分离装置及方法操作简单，流程短，清洁无污染，回收效率高，易实现工业化，为砷化镓废渣的高效回收提供了可靠的技术保障。

22、整体而言，本发明采用矿浆电解和旋流电积相结合的方式，实现了砷化镓废料的高效浸出，并且采用双层隔膜电解槽来阻止固体浆料和杂质向阴极扩散，并且双层隔膜构造了特殊的除砷区域，采用除砷剂使砷以沉淀析出，避免了对阴极电解液的污染，阴极电解液的净化工作量少，可重复使用，且阴极产品镓的纯度高。镓在阴极电解析出和收集，可得到高纯度的镓产品，在除砷区域收集可得到砷产品，实现了镓、砷的高效分离。