Оптимизация аналитического контроля ванн-уловителей

Оптимизация аналитического контроля ванн-уловителей

    Ванны непроточной промывки (уловители) применяются для улавливания и возвращения в технологический цикл ценных или высокотоксичных компонентов электролитов, а также для сокращения расхода воды на промывку деталей после технологических операций и снижения нагрузок на очистные сооружения.
    Уловители устанавливают в основном после технологических ванн, содержащих:
• электролиты для нанесения драгоценных металлов,

• хром- или циан-содержащие электролиты,

• а также любых электролитов (если позволяют площади цеха), эксплуатируемых при высоких температурах (в этом случае из уловителя удобно восполнять убыль компонентов из рабочей ванны).

   Уловители не применяют после щелочных ванн подготовки поверхности (напр. обезжиривание, цинкатная обработка алюминиевых сплавов и пр.); кислых ванн, содержащих легкогидролизующиеся и легкоокисляющиеся компоненты (напр. электролит для нанесения сплава «Олово-висмут» и пр.); ванн, содержащих комплексные электролиты, компоненты которых могут разрушаться в ванне-уловителе, переходя в нерастворимые соли, адсорбирующиеся на поверхности деталей.

    Ванну непроточной промывки обычно используют до накопления в ней некоторой концентрации отмываемых компонентов, а потом раствор в ней заменяют чистой дистиллированной водой. Отработанный раствор отправляют на регенерацию (в случае драгоценных металлов), упаривают и вносят в виде концентрата при корректировке в технологическую ванну или, в худшем случае, просто отправляют на очистные сооружения.

    Устанавливают концентрацию в уловителях обычно при помощи анализа на отмываемый компонент. В условиях перегруженности цеховой лаборатории можно снять с неё эту нагрузку полностью, либо оптимизировать частоту отбора проб – снизить её до рационального минимума, используя расчётные методы определения концентраций в уловителях.

    Вычислить концентрации отмываемых компонентов можно по следующим формулам:

Для первого уловителя:
с1 = с0•(1 – е-qFt/V)

Для второго уловителя:

с2 = с0•(1 – е-qFt/V– (qFt/V)•е-qFt/V)

Для третьего уловителя:

с3 = с0•(1 – е-qFt/V– (qFt/V)•е-qFt/V– 0,5•(qFt/V)2•е-qFt/V), где

с0 – концентрация отмываемого компонента в технологической ванне, г/л,

q – удельный унос электролита поверхностью деталей, л/м2,

F – производительность гальванической линии, м2/ч,

t – время работы линии, ч,

V – объём ванны-уловителя (считаем, что все уловители имеют равный объём), л.

    Разберём использование этих формул на примере. Допустим, мы отмываем простые детали (печатные платы) от золотого электролита, содержащего с0=10 г/л металлического золота, последовательно в трёх непроточных уловителях объёмом по 30 л. Каждый час через ванну золочения проходит 10 дм2 деталей на подвесках (значит производительность линии F= 0,1 м2/ч).

   Для расчётов сначала необходимо установить удельный унос электролита (q, л/м2), т.е. какое количество электролита из рабочей ванный уносится 1 м2 поверхности деталей и приспособлений. Для этого мы обратимся к книге С.С.Виноградова «Промывные операции в гальваническом производстве», в которой автор предлагает использовать следующие значения q для деталей второй группы сложности (детали, не имеющие труднопромываемых участков):

а) для деталей на подвесках:
q=0,2 л/м2 для кислых растворов и 0,3 л/м2 для щелочных и хромсодержащих растворов (при времени стекания растворов с деталей не менее 6 секунд);

б) для деталей в колоколах и барабанах:

q=0,4 л/м2 для кислых растворов и 0,6 л/м2 для щелочных и хромсодержащих растворов (при времени стекания растворов с деталей не менее 15 с);

в) для деталей в корзинах и сетках:

q=0,5 л/м2 для кислых растворов и 0,75 л/м2 для щелочных и хромсодержащих растворов (при времени стекания растворов с деталей не менее 15 с).

    Для деталей первой (простая форма деталей без резьб) и третьей (глухие отверстия и внутренние резьбы) групп сложности автор предлагает использовать коэффициенты группы сложности 0,84 и 1,16 соответственно. Для нашего случая выберем унос q=0,2 л/м2 (коэффициенты использовать не будем, т.к. посчитаем, что наши приспособления относятся ко второй группе сложности).

    Теперь вычислим концентрации отмываемого компонента в трёх уловителях от производительности линии F(количество пропускаемой через ванны площади поверхности деталей и приспособлений в час) после 40 часов работы (t=40ч):

1) с1 = с0•(1 – е-qFt/V) = 10•[1 – еxp(-0,2•0,1•40/30)] = 0,2631 г/л

2) с2 = с0•(1 – е-qFt/V– (qFt/V)•е-qFt/V) = 10•[1 – еxp(-0,2•0,1•40/30) - (0,2•0,1•40/30)•еxp(-0,2•0,1•40/30)] = 0,0035 г/л

3) с3 = с0•(1 – е-qFt/V– (qFt/V)•е-qFt/V– 0,5•(qFt/V)2•е-qFt/V) = 10•[1 – еxp(-0,2•0,1•40/30) - (0,2•0,1•40/30)•еxp(-0,2•0,1•40/30) – 0,5•(0,2•0,1•40/30)2•еxp(-0,2•0,1•40/30)] = 0,0018 г/л

   Для определения момента смены воды в первой ванне улавливания можно использовать следующую формулу:

4) Sсм = ln (с0/(c0 - cy))•Vy/q, где

Sсм – площадь деталей, после которой уловитель сменяют, м2,

с0 – концентрация отмываемого компонента в технологической ванне, г/л,

q – удельный унос электролита поверхностью деталей, л/м2,

Vу – объём ванны-уловителя, л.

     Расчёты для последующих уловителей слишком громоздки, поэтому проще находить момент смены косвенным путём, введя указанные выше формулы в Excel, и перебирая параметр времени или площади (помним, что S = F•t,  Sсм= F•tсм) до выхода на нужную концентрацию. Параметр Sсм удобен для небольших линий, не имеющих стабильной производительности F.

     Допустим, мы хотим отправлять на регенерацию первый уловитель при достижении в нём концентрации золота 1 г/л, т.е. с1=0,1•с0, тогда площадь отмытых деталей составит:

Sсм = ln (с0/(c0 - cy))•Vy/q = ln (с0/(c0 – 0,1c0))•Vy/q = ln (10/(10 – 1))•30/0,2 = 15,8 м2

Или переведя это в часы, исходя из нашей производительности:
t = Scм/F = 15,8 / 0,1 = 158 ч

    Таким образом, фиксируя пропущённую через линию площадь поверхности деталей, можно прогнозировать концентрацию отмываемого компонента в ваннах-уловителях и определять частоту смены воды. При достижении определённой расчётной концентрации, установленной по согласованию с технологом гальванического участка или технологом очистных сооружений, можно выполнять химический анализ. С использованием этих расчётов можно составить график аналитического контроля с оптимизированной частотой отбора проб.

   В случае с малоценными, не требующими составления отчётности для надзорных органов, растворами аналитический контроль в уловителях можно исключить вовсе. Для этого автор предлагает изменённый порядок промывки деталей.
    Допустим, мы устанавливаем после ванны хромирования два уловителя. Если после хромирования мы последовательно промываем детали сначала в первом, а потом во втором уловителе, то концентрация хрома в первом уловителе со временем стремится к концентрации в рабочей ванне. Если же после промывной операции, предшествующей хромированию, мы переносим детали не в ванну хромирования, а сначала в первый уловитель, затем в ванну хромирования и промываем после этого последовательно в двух уловителях, то такая схема приводит к тому, что концентрация в первом уловителе стремится к половинной концентрации от рабочей ванны. При этом аналитический контроль не требуется.
   Развивая идею изменённого порядка промывки, автор переходит к рассмотрению оригинальной бессточной схемы промывок, не требующей проточной промывки вовсе. Но это уже выходит за рамки нашей темы, поэтому мы отошлём читателя к оригинальной книге С.С.Виноградова, в которой подробно изложена теория и практические наработки по этим методам.


Литература:
1) С.С.Виноградов. Промывные операции в гальваническом производстве. – М.: Глобус, 2007. – 157с.