BRPI0411763B1 - Célula para eletrodeposição de metais a partir de soluções de íons metálicos, e, conjunto de células - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CÉLULA

PARA ELETRODEPOSIÇÃO DE METAIS A PARTIR DE SOLUÇÕES DE ÍONS METÁLICOS E CONJUNTO DE CÉLULAS".

Descrição da Invenção A recuperação de metais das células a leito móvel é conhecida na técnica como uma tecnologia muito atraente, mesmo que ainda longe de uma real aplicação industrial. A deposição de metais em leito móvel foi primeiro descrita como um melhoramento do conceito mais geral de depo- sição de metal em leito fluidizado (visto por exemplo na Patente US 4.141.808) por Scott et al. na patente US 4.272.333. Um leito de esferinhas metálicas é suspenso por um jato de eletrólito líquido até ultrapassar a bor- da superior de um cátodo metálico, transbordando em uma câmara delimi- tada por tal cátodo e por um diafragma semipermeável, que separa o leito descendente do ânodo. O leito descendente é então polarizado catodica- mente, e os íons metálicos no eletrólito podem descarregar-se sobre as esferinhas causando seu crescimento. O método descrito permite alimentar as esferinhas como pequenas sementes e descarregá-las pela célula uma vez alcançado o crescimento desejado, mas tem a óbvia desvantagem de ser substancialmente um procedimento descontínuo. Além disso, a célula deve ser operada como célula simples não havendo nenhuma possibilidade de ser empilhada eficazmente em um arranjo modular, e a sua capacidade produtiva por unidade de volume ou por superfície de instalação é portanto muito limitada.

Uma melhoria significativa deste conceito é oferecida pela des- crição das patentes US 5.635.051 e 5.958.210, direcionadas a eletrodeposi- ção de zinco. Neste caso, o compartimento catódico contém um leito erupti- vo gerado pelo movimento ascendente do eletrólito alimentado a um tubo de erogação, e subdividido em dois anéis nas regiões descendentes, dispostas nos dois lados do tubo. O compartimento anódico e catódico são separados por meio de uma barreira permeável aos íons, como uma membrana a inter- câmbio iônico ou algo equivalente. O anólito e o católito são, portanto fisica- mente separados e as esferinhas em crescimento são novamente excluídas do compartimento anódico, mas sendo permitida a passagem dos íons que devem ser depositados desde o compartimento anódico até catódico. A célu- la é de algum modo melhor do que aquela descrita em US 4.272.333 em termos de capacidade produtiva, por ser bastante lisa, e por ter até a possibi- lidade de acomodar um arranjo de tubos de erogação em paralelo com os res- pectivos anéis de esferinhas descendentes para incrementar ao menos uma dimensão. Não obstante, a deposição nisso divulgada é ainda um típico pro- cesso descontínuo, no qual ocorre equilibrar o empobrecimento em íons metáli- cos da câmara que contém o anólito por meio de um delicado procedimento de reintegração, para manter uma certa estabilidade das condições de célula.

Um progresso substancial com respeito às tecnologias acima descritas é dado pela célula a leito eruptivo divulgada no número de publica- ção internacional W02004/007805, relativa a um elemento de células que podem ser empilhadas em uma estrutura do tipo filtro-pressão e dotada com meios para a seleção e descarga do produto para então tornar possível um processo de tipo contínuo, também por meio de um particular elemento se- parador constituído por um diafragma eletricamente isolante que executa a exclusão das esferinhas do compartimento catódico, permitindo ao mesmo tempo a livre passagem de eletrólito de um compartimento ao outro e simpli- ficando assim notavelmente o balanço de matéria global. Neste tipo de apli- cação, o tubo de erogação que estabelece o leito eruptivo de esferinhas em crescimento é ainda uma vez interno ao compartimento catódico, e o leito em questão tem ainda uma geometria de tipo anular, com as esferinhas dis- postas em um anel geralmente retangular para cada lado do tubo de eroga- ção (caso do tubo centrado ao interno do compartimento catódico) ou em um singular anel geralmente retangular disposto ao longo do lado singular livre (caso do tubo situado a uma parede lateral). Não obstante o bom funciona- mento deste tipo de célula, esta deixa todavia alguns problemas significati- vos não resolvidos: em primeiro lugar, o tamanho do tubo de erogação é li- mitado pela profundidade da câmara catódica. Do momento que, por ra- zões de compactividade esta última deve ter uma espessura necessaria- mente reduzida (indicativamente 20 mm), a extensão dos anéis de esferi- nhas gerados pelo leito eruptivo tem um desenvolvimento planar conseqüen- temente limitado. Além disso, o tubo de erogação é algumas vezes sujeito a paradas locais ou outros tipos de irregularidades de funcionamento, que não são fáceis de detectar e resolver sendo o próprio tubo incorporado ao interno do escudo catódico. O mesmo pode ser dito para o sistema de seleção e descarga do produto, entregue a dispositivos internos dificilmente controlá- veis em caso de parada, mesmo que parcial. Finalmente, para manter um leito eruptivo com as características desejadas, a entrada do tubo de eroga- ção se torna uma zona de elevadíssima turbulência onde os fenômenos de fricção que se repercutem localmente no diafragma comportam considerá- veis riscos de danificação ou ruptura.

Objetivos da Invenção É um objetivo da presente invenção fornecer uma célula para a eletrodeposição de metal que supere as limitações da técnica prévia.

Sob um primeiro aspecto, a invenção consiste em uma célula para a eletrodeposição de metal de um elétrolito que compreende um leito descendente de esferinhas metálicas em crescimento, alimentado através de um conduto vertical externo, preferivelmente transparente, cruzado por uma corrente ascendente de esferinhas e de eletrólito.

Sob um segundo aspecto, a invenção consiste em um arranjo monopolar e bipolar de células de leito descendente catódico de esferinhas metálicas em crescimento, alimentado através de um conduto vertical externo.

Sob outro aspecto, a invenção consiste no uso de uma célula ou de um conjunto de células de leito descendente catódico de esferinhas metá- licas em crescimento para a eletrodeposição de um metal escolhido entre cobre, estanho, manganês, zinco, níquel, cromo ou cobalto.

Descrição da Invenção A célula da invenção é uma substancial evolução da célula de leito eruptivo descrita em MI2002A001524; em particular, para o comparti- mento anódico e o diafragma de separação entre os dois compartimentos podem ser adotadas as mesmas soluções tecnológicas apresentadas na concomitante aplicação de patente antes mencionada. Ao contrário, no com- partimento catódico não é mais presente um leito de tipo eruptivo, com os problemas de fricção devido à turbulência e de ocasional parada menciona- dos anteriormente, mas um mais ordenado leito descendente, alimentado através de um conduto externo que leva as esferinhas metálicas dispersas no eletrólito em correspondência ao vértice do mesmo compartimento cató- dico, onde estas se movem sob a ação da gravidade. Tal conduto externo é preferivelmente transparente, de modo a permitir o controle da regularidade do fluxo durante a operação. Visto que o tubo de erogação da célula de W02004/007805 deveria ser preferivelmente feito de metal, devendo supor- tar parte do esforço de compressão da célula além de notáveis solicitações mecânicas, o conduto externo de alimentação da célula da invenção pode ser vantajosamente construído em material plástico. Como vantagem adicio- nal com respeito a célula de W02004/007805, se elimina naturalmente a necessidade de isolar eletricamente o tubo de erogação interno.

De acordo com uma realização preferida, ao menos uma das paredes laterais do compartimento catódico é inclinada, a fim de favorecer o transporte do produto em direção à saída. De acordo com uma realização preferida, o movimento ascendente ao interno do conduto externo de alimen- tação do leito descendente é estabelecido por meio de um ou mais ejetores.

Como será esclarecido pela sucessiva descrição, para estabelecer a corren- te ascendente ao interno do conduto externo de alimentação o ejetor pode ser posicionado ao interno do próprio conduto, preferivelmente no fundo. O ejetor pode também ser posicionado no fundo da câmara catódica, preferi- velmente ao externo da zona de deposição, de maneira que não interfira com o diafragma de separação, ou externamente à célula, mas em comuni- cação hidráulica com o leito catódico, por exemplo através de um tubo de junção inclinado. Vários tipos de ejetores podem ser utilizados vantajosa- mente para este propósito: em uma realização preferida, o ejetor pode ser formado por um simples bocal alongado montado sobre uma flange, como conhecido na técnica. O flange neste caso compreende preferivelmente fu- ros ou análogos respiradouros para favorecer a fluidização das partículas. A célula da invenção é desse modo caracterizada pela circula- ção mista, parcialmente interna e parcialmente externa, com respeito às cé- lulas da técnica conhecida; isto oferece a vantagem adicional de poder ope- rar a seleção do produto em crescimento em base ao tamanho das esferi- nhas, e a relativa descarga da fração que alcançou ao tamanho desejado, através de meios externos, mais fácil de controlar e operar com respeito aos sistemas de função equivalente descritos em W02004/007805. Como na concomitante aplicação de patente citada, uma forma de realização preferida da invenção prevê o uso de um diafragma de separação entre os dois com- partimentos dotado com perfurações ao menos em correspondência ao leito descendente catódico, de modo a permitir a livre circulação do eletrólito en- tre um compartimento e outro impedindo ao mesmo tempo a passagem das esferinhas em crescimento até o compartimento catódico. De qualquer for- ma, é necessário observar como, frente a um mecanismo mais eficaz de controle do produto, resulte conseqüentemente muito mais fácil manter o balanço de matéria de um processo contínuo na célula da invenção; isto faz que o eventual uso de um diafragma completamente impermeável do ponto de vista hidráulico, com a conseqüentemente circulação separada de anólito e católito, resulte muito menos problemático que no caso da célula de W02004/007805. Isto pode ser importante sobretudo no caso em que são utilizados banhos de eletrodeposição particular, que não permitem praticar a operação da célula com anólito e catódico não separados: é este o caso por exemplo, potencialmente de grande relevância industrial, dado pela deposi- ção de cobre do relativo cloreto, como descrito no número de publicação internacional W02004/079052. A célula da invenção pode ser utilizada como célula simples ou preferivelmente como elemento modular de um conjunto de células em co- nexão hidráulica monopolar ou bipolar. A célula é apropriada para a obtenção de metais das soluções eletrolíticas que contenham o elemento que deve ser depositado em forma iônica; em particular, a célula é sobretudo apropriada à eletrodeposição de cobre, estanho, manganês, zinco, níquel, cromo e cobalto.

As melhores formas de realização para praticar a invenção serão ulteriormente descritas recorrendo às figuras anexas, que tem um propósito meramente ilustrativo e não pretendem limitar a própria invenção.

Descrição dos Desenhos As figuras 1A e 1B mostram duas formas de realização onde a presença eventual de ejetores para a circulação de eletrólito é limitada ao conduto de alimentação do leito descendente.

As figuras 2A e 2B mostram duas formas de realizações da in- venção que compreendem ao menos um ejetor para a circulação de eletróli- to em proximidade do fundo da câmara catódica.

As figuras 3A e 3B mostram duas formas de realizações da in- venção que compreendem ao menos um ejetor para a circulação de eletrólito externamente à câmara catódica, mas em comunicação hidráulica com essa.

As figuras 4A e 4B mostram duas formas de realizações da in- venção que compreendem, externamente à câmara catódica e em comuni- cação fluída com essa, dois ejetores para a circulação de eletrólito acopla- dos a um sistema de coleta e seleção das esferinhas em crescimento. A figura 5A mostra em detalhe dois dos ejetores acoplados ao sistema de coleta e seleção das esferinhas em crescimento das figuras 4A e 4B. A figura 5B mostra uma forma de realização de um ejetor das figuras precedentes.

Descrição Detalhada da Invenção Mais detalhadamente, a figura 1A mostra uma forma de realiza- ção da invenção (100) onde o compartimento catódico (1), enchido por um leito descendente de esferinhas em crescimento, é delimitado por uma pare- de inclinada (2) apropriada a encaminhar o produto até a saída. O leito des- cendente que enche o compartimento catódico (1) é alimentado através do conduto vertical (3), preferivelmente transparente, atravessado por uma cor- rente ascendente de esferinhas metálicas e eletrólito instaurada por um eje- tor (4) posicionado no fundo do mesmo conduto, onde é presente um opor- tuno defletor (5) que pode ser constituído de uma junção comum, ou também de uma peça em forma de T. A solução que entra no tubo de alimentação (6) passa portanto na câmara (7) e sai pelos furos (8) realizados sobre a parede inclinada (2) e pelo ejetor (9), fluidizando e aspirando as esferinhas até o defletor (5). Sob a ação do ejetor (4), o fluido exerce então sobre as esferi- nhas o impulso para superar o desnível através do conduto (3), descarre- gando-as através dos bocais (10) e/ou (10’) situados na zona superior do compartimento catódico. A posição e o número dos bocais (10, 10’) é mera- mente indicativa, por exemplo poderia ser presente um só bocal, em posição central ou lateral. A solução que prevê somente um bocal na posição indica- da como (10) é preferida em vista do efeito positivo dado pelo conseqüente impulso do fluido sobre o leito descendente. A seleção em base aos tama- nhos das esferinhas e a conseqüente descarga de uma fração do produto podem ser efetuadas por exemplo na posição indicada com (11), por exem- plo com sistemas de filtragem conhecidos na técnica. A figura 1B mostra uma célula de acordo com a invenção que constitui uma solução análoga, exceto pelo fato de renunciar ao impulso do ejetor (4). Com respeito à variante em figura 1A é necessário bombar o líqui- do através do bocal (9) com uma maior pressão, a fim de garantir de qual- quer forma a circulação das esferinhas.

Nas figuras 2A e 2B são mostradas duas formas de realização para a célula da invenção na qual os elementos comuns às duas figuras pre- cedentes estão indicados pelos mesmos numerais de referência. Neste ca- so, são previstas duas paredes inclinadas (2) dispostas no fundo da câmara catódica (1) em posição simétrica, que atuam como transportadores do leito descendente. A aspiração das esferinhas até o conduto de recirculação (3) ocorre desse modo na zona central. Enquanto na figura 2A é mostrada uma solução que prevê somente um ejetor (4) no fundo da câmara catódica (1), em figura 2B é mostrada uma variante com um segundo ejetor (4) ao interno do conduto vertical (3). Na mesma figura, são também mostrados duas pos- síveis posições para o sistema de seleção e descarga do produto (11, 11’), que podem ser operadas alternadamente ou conjuntamente.

Nas formas de realização ilustradas nas figuras 3A e 3B a célula é ainda dotada por duas paredes inclinadas (2) dispostas no fundo da câma- ra catódica (1) em posição simétrica, que atuam como trasnportadores do leito descendente. Não obstante, o bocal (9) e o ejetor a ele associado (4) são posicionados fora da célula, mesmo se em comunicação hidráulica com o leito descendente por meio do tubo de junção (12). Ainda uma vez, a dife- rença entre as duas soluções consiste na presença ou não de um segundo ejetor (4) posicionado no fundo do conduto vertical de alimentação (3), pre- sente na realização ilustrada em figura 3B e não naquela da figura 3A.

Nas figuras 4A e 4B ao contrário, são mostradas realizações de células somente ligeiramente diferentes, nas quais o tubo de junção (12’) em direção descendente da zona de carga é inclinado para favorecer o desliza- mento das esferinhas e a sua aspiração no conduto de recirculação. O fundo da célula é dotado ainda por um par de paredes inclinadas (2) (figura 4A) ou de um único fundo inclinado (2’) (figura 4B). As células mostradas nas figu- ras 4A e 4B apresentam também um dispositivo constituído por dois ejetores (4) para a circulação de eletrólito acoplados a um sistema de coleta e sele- ção das esferinhas em crescimento; tal dispositivo é melhor evidenciado em figura 5A. O percurso das esferinhas e do eletrólito é evidenciado pelas fle- chas (14) e (14’), que mostram respectivamente a parte descendente ao in- terno do tubo de junção inclinado (12’) e a parte ascendente ao interno do conduto vertical de alimentação dos sistemas conhecidos na técnica para a seleção e a coleta do produto, por exemplo sistemas de filtragem, pode ser presente nas posições indicadas com (11) e (11 ’). A figura 5B mostra enfim um ejetor (4) análogo àqueles mostra- dos nas figuras precedentes, compreendendo um bocal (9) montado sobre uma flange (15) dotada de aberturas de esfogo (16), mostradas neste caso como pequenos furos, úteis para favorecer a fluidização. A presente descrição não deve ser entendida como limitante à invenção, que pode ser praticada de acordo com adicionais realizações dife- rentes sem fugir dos objetivos da mesma, e cujo alcance univocamente defi- nido pelas reivindicações anexas. Na descrição e nas reivindicações da pre- sente aplicação, a palavra “compreender” e as suas variações tais como “compreendendo” e “compreende” não são entendidas a excluir a presença de outros elementos ou componentes adicionais.

Claims (16)

1. Célula (100) para a eletrodeposição de metal a partir de solu- ções de íons metálicos, caracterizada pelo fato de que compreende um compartimento catódico (1) contendo um leito descendente catódico de esfe- rinhas metálicas em crescimento, separado pelo respectivo compartimento anódico por meio de um diafragma eletricamente isolante, e um conduto ex- terno (3) geralmente vertical atravessado por uma corrente ascendente de ditas esferinhas metálicas e de eletrólito direcionada a alimentar o dito leito descendente.

2. Célula de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito conduto externo (3) é transparente.

3. Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo fato de que o dito compartimento catódico compreende ao menos uma parede lateral inclinada (2).

4. Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a dita corrente ascendente é estabelecida por meio de ao menos um ejetor (4).

5. Célula de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o dito compartimento catódico compreende duas paredes incli- nadas (2) capazes de transportar ditas esferinhas metálicas de dito leito descendente até o fundo.

6. Célula de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que o dito ao menos um ejetor (4) é posicionado ao interno de dito conduto externo (3), em proximidade de sua base.

7. Célula de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que o dito ao menos um ejetor (4) é posicionado em proximida- de de dito fundo de dito compartimento catódico (1).

8. Célula de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que o dito ao menos um ejetor (4) é posicionado externamente à célula (100) em conexão hidráulica com dito fundo do dito compartimento catódico (1).

9. Célula de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a dita conexão hidráulica entre o dito fundo de dito compartimento ca- tódico (1) e dito ejetor (4) é realizada por meio de um tubo de junção (12).

10. Célula de acordo com uma das reivindicações 7 a 9, caracte- rizada pelo fato de que compreende um segundo ejetor posicionado ao in- terno do dito conduto externo (3), em proximidade da base do dito conduto externo (3).

11. Célula de acordo com uma das reivindicações 4 a 10, carac- terizada pelo fato de que o dito ao menos um ejetor (4) compreende um bo- cal alongado (9) montado em um flange (15) opcionalmente dotado com aberturas de esfogo (16) apropriada para ir de encontro ao conduto.

12. Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de compreende um sistema externo de coleta e seleção (11) de ditas esferinhas em crescimento.

13. Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de o dito diafragma é dotado de perfurações em correspondência do dito leito descendente catódico de esferinhas metálicas que permitem a livre circulação de eletrólito entre o dito compartimento cató- dico (1) e o correspondente compartimento anódico impedindo ao mesmo tempo a passagem de ditas esferinhas metálicas de dito compartimento ca- tódico (1) à dito correspondente compartimento anódico.

14. Célula de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada por ser usado para a eletrodeposição de um metal selecio- nado do grupo constituído por cobre, estanho, manganês, zinco, níquel, cromo e cobalto.

15. Conjunto de células para eletrodeposição de metais a partir de íons metálicos, caracterizado pelo fato de compreende uma multiplicidade de células, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, em conexão hidráulica monopolar ou bipolar.

16. Conjunto de células para eletrodeposição de metais como definido na reivindicação 15, caracterizado por ser usado para a eletrodepo- sição de um metal selecionado do grupo constituído por cobre, estanho, manganês, zinco, níquel, cromo e cobalto.