CN104178781B

CN104178781B - 电解精炼金属的电解装置

Info

Publication number: CN104178781B
Application number: CN201310199192.9A
Authority: CN
Inventors: 钮东方; 张新胜; 周玲丽
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: CN104178781A

Abstract

本发明涉及一种适用于电解精炼金属的电解装置，包括电解槽、电解液、与电源相连的主电极，其特征在于，在所述主电极周边还设有若干材质与主电极相同的辅助电极；所述辅助电极在主电极周边成对设置，且成对辅助电极与主电极互为平行、且成对辅助电极用导线连接。本发明以单电源‑多对电极的电解装置替换现有的单电源‑单对电极电解装置用于电解精炼金属，不仅可以降低槽电压、而且还提高了电流效率，显著地降低了直流电耗。

Description

电解精炼金属的电解装置

技术领域

本发明涉及一种适用于电解精炼金属的电解装置，具体地说，涉及一种适用于电解精炼铜的电解装置。

背景技术

迄今，金属铜（Cu）的精炼工艺主要有“电解精炼法”和“电沉积法”两大类，相比较而言，“电解精炼法”在精炼Cu中使用更为普遍。

电解精炼Cu包含两个步骤：（1）含98.5%～99.5%的Cu的阳极板在由硫酸铜（CuSO₄）和硫酸（H₂SO₄）组成的电解液中溶解；（2）Cu²⁺在阴极被还原成金属铜并沉积在阴极板上。电解精炼不仅可以生产电解铜，还可实现金、银等贵金属的分离与回收，其生产的电解铜纯度高达99.997%以上。

在电解精炼Cu的过程中，其电耗包括交流电耗和直流电耗，其中直流电耗占总电耗的70％～80％，所述的直流电耗可由下式（1）计算得到：

式（1）中：W——直流电耗（单位：KW·h·t^-1），U_槽——槽电压（单位：伏），η——电流效率（%），1.1852——铜的电化当量（单位：g·A·h^-1）。

由式（1）可知，直流电耗（W）与槽电压（U_槽）成正比，而与电流效率（η）成反比（即随着U_槽的增高或者η的减小而增大）。

目前，由于电解铜的电流效率（η）一般稳定在某个数值（约98%或以上），因而多采用降低槽电压（U_槽）的方法来减少直流电的消耗。而影响槽电压（U_槽）主要因素有：①极化电位、②电解液电阻引起的电压及③阴、阳极与导电板及各接触点的电阻所引起的接触电压。因此，降低槽电压（U_槽）可从降低极化电位、电解液以及各接触点的电阻几方面着手（如采取的措施主要有严格控制阳极铜的砷、锑、铋、镍等含量，选择合适的电流密度，降低极化电位，缩短极距，提高电解液温度，控制添加剂含量，降低电解液电阻和降低接触点电阻等）。如此，虽能取得一定的效果，但其效果还是受到了一定的限制。

发明内容

现有用于电解精炼金属（特别是电解铜的制备）的电解装置均是单电源-单对电极的电解装置，即在一个电解槽内，一个电源连接一对电极（与电源正极相连的为阳极、与电源负极相连的为阴极）。在现有的单电源-单对电极的电解装置中电解精炼金属（如铜等），想要降低槽电压（U_槽）及提高电流效率（η）会遇到瓶颈（特别是要提高η）。

为此，本发明的发明人经广泛及深入的研究，提供一种新型的适用于电解精炼金属的电解装置，即单电源-多对电极的电解装置。实验证明：采用本发明所提供的电解装置，不仅可降低槽电压（U_槽）（可能的原因是电解液中离子的数量得以增加，及极化电位和电解液内阻的降低），而且可以增加电解金属（如电解铜）的产量（使总电流效率（η）大于100%，η由式（2）计算得到）。

式（2）中：η——电流效率（%），Δm_金属——电解金属的产量（g），F——法拉第常数（96485C·mol^-1），I——电解电流（A），t——电解时间（s），64——铜的相对原子质量。

本发明所述的适用于电解精炼金属的电解装置，包括电解槽、电解液、与电源相连的主电极（即：与电源负极相连的阴极和与电源正极相连的阳极），其特征在于，在所述主电极（即：与电源负极相连的阴极和与电源正极相连的阳极）周边还设有若干材质与主电极相同的辅助电极；

所述辅助电极在主电极（即：与电源负极相连的阴极和与电源正极相连的阳极）周边成对设置，且成对辅助电极与主电极（即：与电源负极相连的阴极和与电源正极相连的阳极）互为平行、且成对辅助电极用导线连接（但所述辅助电极并不与电源连接）。

本发明以单电源-多对电极的电解装置替换现有的单电源-单对电极电解装置用于电解精炼金属（如用于电解铜的制备），不仅可以降低槽电压（U_槽）、而且还提高了电流效率（η），显著地降低了直流电耗（W）。

附图说明

图1本发明提供的单电源-多对电极的电解装置的电解原理示意图（以制备电解铜为例）。

图2本发明提供的单电源-多对电极的电解装置线路连接示意图；

其中，1—阴极（与电源的负极相连），1'—为阳极（与电源的正极相连），2和2'组成一对辅助电极，3和3'组成另一对辅助电极，4—电解质溶液，5—电解槽，6—电源。

具体实施方式

现以制备电解铜为例，结合说明书附图，对本发明作进一步阐述。

在本发明所述的单电源-多对电极的电解装置中，除电极1'和电极1（主电极）分别与电源的正负极相连接外，在电极1'（阳极）和电极1（阴极）的周边，插入若干对辅助电极，每对辅助电极用导线连接起来构成回路（如图2中所示意的由2和2'组成一对辅助电极及3和3'组成另一对辅助电极）。

如此，在电场力和异性电荷相互吸引、同性电荷相互排斥的作用下，若干对辅助电极间会产生一定的电势差，在该电势差的驱动下，就可实现辅助电极上金属（如铜等）的溶解与提纯（参见图1）。

在本发明提供的单电源-多对电极的电解装置中，由于电解槽内同时存在多极电解，不仅增加了电解液中离子的数量，而且极化电位和电解液内阻也有一定程度的降低，从而导致槽电压（U_槽）的降低。

此外，同样由于电解槽内同时存在多极电解，因而增加了电解铜产量，导致总电流效率（η）大于100%。

由式（1）可知，随着槽电压（U_槽）的降低及电流效率（η）的增大，电解的直流电耗（W）显著降低。如采用本发明提供的单电源-多对电极的电解装置在CuSO₄/H₂SO₄电解体系中制备电解铜时，其直流电耗（W）可下降约50%。

在本发明一个优选的技术方案中，在所述单电源-多对电极的电解装置中，共设置两对辅助电极；

更优选的技术方案是：所设置的两对辅助电极中一对设置于由阴极和阳极构成的主电极的内侧，另一对设置于由阴极和阳极构成的主电极的外侧；

如在图2中，电极1'（阳极）和电极1（阴极）构成的主电极，辅助电极2和2'位于主电极内侧，辅助电极3和3'位于主电极外侧。

在本发明另一个优选的技术方案中，辅助电极与主电极间的间距越小越好，但该间距以辅助电极与主电极间不发生短路为限。

在本发明又一个优选的技术方案中，所述的阳极（电极1'）为铜含量为98.5wt%～99.5wt%的金属铜板；所述的阴极（电极1）是铜含量为99.9wt%或以上的金属铜板。

在本发明又一个优选的技术方案中，所述电解液由硫酸铜（CuSO₄）和硫酸（H₂SO₄）组成，

其中，铜离子（Cu²⁺）的浓度为35g/L～50g/L（L是每升电解液）；H₂SO₄的浓度为150g/L～180g/L（L是每升电解液）。

更优选的技术方案是：所述电解液由硫酸铜（CuSO₄）和硫酸（H₂SO₄）组成，

其中，Cu²⁺的浓度为45.8g/L；H₂SO₄的浓度150g/L（L的含义与前文所述相同）。

下面通过实施例对本发明作进一步阐述，其目的仅在于更好理解本发明的内容。本发明的保护范围不受实施例的限制。

实施例

按图2构成制备电解铜的电解装置，其中，电极1'（阳极）为铜含量为98.5wt%～99.5wt%的金属铜板（需提纯铜），其周边的辅助电极2和3的材质与阳极相同；

电极1（阴极）是铜含量为99.997wt%或以上的金属铜板，其周边的辅助电极2'和3'的材质与阴极相同；阳极与阴极的间距为5cm；

当电源接通后，阴极和阳极分别带负电荷和正电荷，由于受到同种电荷互相排斥的影响，电极2和3面向阴极的一侧分别带正电荷（简记为“正电荷侧”），而电极2和3的另一侧则分别带负电荷（简记为“负电荷侧”）；

同理，由于受到异性电荷互相吸引的影响，电极2'和3'面向阳极的一侧分别带负电荷（简记为“负电荷侧”），而电极2'和3'的另一侧则分别带正电荷（简记为“正电荷侧”）（参见图1和2）。

当将电极2和2'、及3和3'分别用导线连接起来组成辅助电极对后，除了阴极1表面沉积铜以外，电极2、2'、3和3'的“负电荷侧”都会发生铜的沉积；而除了阳极1'表面溶解铜以外，电极2、2'、3和3'的“正电荷侧”都会发生铜的溶解（电极1和辅助电极2'，3'材质相同，电极1'和辅助电极2，3材质相同）。

如此，在单电源的模式下，电解槽中同时存在三组电解池。除了阴极和阳极的表面单纯的表现为沉积铜和溶解铜外，对于其它辅助电极而言，其一侧有铜沉积时，另一侧也会失去电子溶解铜，每个辅助电极同时充当着阴极和阳极两个角色。而由于电势差值的不同，导致每个辅助电极上铜的溶解速度不等于其沉积速度。当铜的溶解速度大于其沉积速度时，辅助电极整体表现为溶解铜；反之，当铜的溶解速度小于其沉积速度时，辅助电极整体表现为沉积铜。

以电极3和3'组成的辅助电极对为例，通过分别对电极3和3'的“正电荷侧”和“负电荷侧”的电极电势进行测定可知：电极3的“正电荷侧”和电极3'的“负电荷侧”之间构成回路的电势差要远大于由电极3的“负电荷侧”和电极3'的“正电荷侧”之间构成回路的电势差。因此，在电极3上铜的溶解速度要远大于其沉积速度，电极3表现为溶解铜，而在电极3'上铜的溶解速度要远小于其沉积速度，电极3'表现为沉积铜。

同理，电极2表现为溶解铜，电极2'表现为沉积铜。

对比实验

除所用电解槽的结构不同外，在相同的电解条件下，分别在单电源-单对电极电解槽（简记为“现有技术”）和如图2所示的单电源-多对电极电解槽（简记为“本发明技术”）进行电解铜实验，结果见表1.

其中，电流密度I=350A·m^-2，主电极间距均为5cm，输入电荷量2160C，电解温度50℃，电解时间为40分钟，电解液中Cu²⁺浓度为45.8g·L^-1，H₂SO₄浓度150g·L^-1。

表1

由表1可知：“本发明技术”较“现有技术”而言，其槽电压降低20%，电流效率（η）达到157%，可节省49.95%的电能（W）。

Claims

1.一种适用于电解精炼金属的电解装置，包括电解槽、电解液、与电源相连的主电极，其特征在于，在所述的电解装置中，电极1′和电极1为主电极，辅助电极2和2′位于主电极内侧，辅助电极3和3′位于主电极外侧，成对辅助电极与主电极互为平行、且成对辅助电极用导线连接；

其中，电极1′为铜含量为98.5wt％～99.5wt％的金属铜板，电极1是铜含量为99.9wt％或以上的金属铜板；

所用电解液由硫酸铜和硫酸组成，其中，铜离子的浓度为35g/L～50g/L，H₂SO₄的浓度为150g/L～180g/L；

辅助电极2′和辅助电极3′的材质与电极1的材质相同，辅助电极2和辅助电极3的材质与电极1′的材质相同。