CN104233368B - 电解单元、溢流电解装置及溢流电解方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电积技术领域，提供了一种电解单元、溢流电解装置及溢流电解方法。本发明电解单元，包括底座，密封于该底座之上、呈中空圆柱体结构且底端开口的阴极机构，位于该阴极机构内腔的阳极，还包括电解液输入机构，该阳极为中空圆柱体结构并且两端开口，该阳极顶端位于该阴极机构顶端的下方。本发明电解单元，通过将阳极设置为中空并且两端开口的结构，由于阳极的顶端低于阴极的顶端，使阴极顶端的电解液可以通过该阳极内腔回流至电解液储存槽中，从而达到实现阴极顶端非密封化，解决了现有技术中电解腔内压力过大而造成滴漏、电解后回收阴极电沉积金属需要拆卸阴极顶端、电解过程中观察电解液不方便的问题；同时由于这种特殊结构的设计，还能够有效的解决阴极空腔中电解液流量不平衡的问题。

Description

电解单元、溢流电解装置及溢流电解方法

技术领域

本发明属于电解领域，尤其涉及一种电解单元、溢流电解装置及溢流电解方法。

背景技术

电解技术建立在化学理论基础上，传统电解技术是将阴、阳极放置在缓慢流动或停滞的槽体内，在电场的作用下，阴离子向阳极定向移动，阳离子向阴极定向移动，通过控制一定的技术条件，目标金属阳离子在阴极得到电子而沉积析出，从而得到电沉积金属产品，在目标金属离子浓度较低的情况下，传统的电解技术易发生浓差极化现象，造成少量杂质离子与目标金属离子一起在阴极析出，导致阴极产品质量下降。溢流电沉积技术是基于各金属离子有一定的电位差，则电位较正的金属易于在阴极优先析出，其关键是通过螺旋流和层流共存的状态由下向上流动消除浓差极化等对电解的不利因素，保证目标金属优先析出。与传统电解技术相比，溢流电解技术可有效的解决电流密度小、电流分布不均、溶液除杂难度大、工艺流程长、生产成本高、效率低等问题。

阴极反应：

金属离子在阴极得到电子析出金属

Me⁺(aq)+e^‐→Me(s)

阳极反应：

根据电荷平衡，阴极得到的电子需要阳极失去电子来平衡。阳极主要的反应是溶液中水氧化产生氧气，反应如下：

2H₂O→O₂(g)+4H⁺+4e^‐

当电解液中金属浓度降低时，很难保证在阴极还原而不发生其它反应。在金属浓度较低时最容易发生的化学反应是析氢反应，如下：

2H⁺(aq)+2e^‐→H₂(g)

请参考公开号为CN202144518B及CN101886271中国专利，该专利中所使用的旋流电解装置均在其阴极顶端设置孔及管道，将阴极内的电解液溢流出去。这种装置操作简单、工艺稳定。但是存在诸多问题。例如，电解液体为在正压状态下，由下端进入上端盖流出，上端盖密封要求高，旋流阻力大，要求喷嘴喷射压力高，容易造成滴漏污染环境，查看电沉积金属和观察液流、维修不便，特别是每次取出电沉积金属需要将阴极顶端拆卸，非常麻烦。同时，这种旋流电解装置不能有效的平衡电解液流量，不利于设备的持续使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电解单元，解决现有技术中旋流电解装置流量不能有效平衡、容易造成滴漏、取出电沉积的金属麻烦等技术问题；以及一种溢流电解装置及溢流电解方法。

本发明是这样实现的，

一种电解单元，包括底座以及密封于该底座之上、呈中空圆柱体结构且底端开口的阴极机构，该阴极机构内腔设有阳极，还包括可与该阴极机构内腔连通的电解液输入机构，该阳极为中空圆柱体结构并且两端开口，该阳极顶端位于该阴极机构顶端的下方。

以及，

一种溢流电解装置，包括电解液储存槽、电解液输入泵及电源组件，其特征在于，还包括至少一上述电解单元，该电解液输入泵具有进液端和出液端，该进液端与该电解液储存槽连通，该出液端与该电解单元上之该电解液输入机构连通，该电解单元上之该阳极的底端与该电解液储存槽连通。

本发明进一步提供一种溢流电解方法，包括如下步骤：

通过电解液输出机构向该阴极机构的内腔输入电解液，使电解液由下向上螺旋流动；

通电使电解液电解；

使位于该阴极机构内腔顶端的电解液通过该阳极的内腔回流至该电解液储存槽；

对该电解液储存槽进行抽气处理。

本发明电解单元，通过将阳极设置为中空并且两端开口的结构，由于阳极的顶端低于阴极的顶端，使阴极顶端的电解液可以通过该阳极溢流至电解液储存槽中，从而有效的实现阴极空腔中电解液流量平衡。同时通过调节输入电解液流量，使电解液在阳极内腔中溢流呈中空状，使阴极内腔与电解液储存槽构成连通状态，使抽气可以将电解产生的气体带走，避免污染环境，从而达到实现阴极顶端可以非密封化，本发明解决了现有技术中电解腔内压力过大而造成溶液滴漏、电解后回收阴极电沉积金属需要拆卸阴极顶端、电解过程中观察电解液不方便的问题。本发明电解装置，通过使用上述电解单元，实现了其能够有效解决现有技术中旋流电解装置流量不能有效平衡、容易造成滴漏、取出电解后的金属麻烦等技术问题。本发明溢流电解方法，操作简单，成本低廉，不会造成滴漏等问题，非常适于工业化生产。

附图说明

图1是本发明电解单元的结构图；

图2是本发明实施例电解单元在底座处的横截面图；

图3是本发明实施例电解装置的结构图；

图4是本发明实施例电解装置的另一结构图；

图5是本发明实施例电解装置的第三结构图；

图6是本发明实施例电解方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1显示本发明实施例电解单元的结构图，该电解单元包括底座1，以及密封于该底座1之上、呈中空圆柱体结构且底端开口的阴极机构2，该阴极机构2的内腔设置有阳极3，还包括电解液输入机构4，该阳极3为中空圆柱体结构并且两端开口，该阳极3顶端位于该阴极机构2顶端的下方。

该阴极机构2呈圆柱体结构，并且中空，该阴极机构包括两层，位于外层的壳体21和位于内层的金属阴极22。该阴极机构2的顶端23设有一盖体24，该盖体24与该阴极机构顶端23密封连接或非密封连接。

该阴极机构2的底端焊接有一金属法兰5，该金属法兰5围绕该阴极机构2的圆周焊接。该金属法兰5位于底座1上，通过在该金属法兰5与底座1之间设置防腐蚀密封圈，再用螺丝将该金属法兰5与底座1固定，从而实现该阴极机构2与该底座1的密封连接。该金属法兰5的材质没有限制，优选与金属阴极22的材质一致。

该阳极3也为圆柱形结构，该阳极3的横截面直径小于该阴极机构2的横截面直径，在一些特别的实施例中，该阴极机构内的阳极数量为1个以上，例如2-4个。该阳极3内部呈中空状，并且两端开口。该阳极的壁厚度为0.5-10毫米，直径为10-100微米，在该阳极的外壁上涂覆金属涂层，该金属涂层的材质没有限制。

该阳极3的顶端位于该阴极机构2的顶端下方，优选的，高度差在5毫米以上，例如5-40毫米等。

该阴极机构2为底端开口。该底座1内沿阴极方向设置有一圆柱形空腔11，该圆柱形空腔11的顶端开口，并且该圆柱形空腔11与阴极机构2的底端相接，由于阴极机构2的底端开口，由此实现了该圆柱形空腔11与阴极机构2的内腔相连通。该圆柱形空腔11的横截面直径小于该阴极机构2内腔的横截面直径，且大于阳极3的直径。

该底座1的底端设置有圆孔（阳极伸出孔12），该圆孔12的直径与该阳极3的直径相当。对应地，该阳极伸出孔12的数量也可以为1个以上，具体与阳极数量一致。

该阳极3穿越阴极机构2的内腔及该底座1的圆柱形空腔11，进入该阳极伸出孔12中，该阳极3与该阳极伸出孔12的接触面经过密封处理，例如增加一层防水胶带密封。该阳极3穿越该阳极伸出孔12，到达该底座1下方的一定距离，例如，该阳极3底端与底座1底端的距离为1-20厘米。

优选地，该阴极机构2的内腔、该阳极3的内腔及底座1的圆柱形空腔三者的对称轴线重合。

该电解液输入机构4与外部的马达、电解液储存设备等连接，实现将电解液输入至该电解单元的阴极机构内腔中，并向上螺旋运行，通过该电解液输入机构控制电解液流量，使电解液在阳极内腔回流时不全部填充该阳极的内腔，使阳极内腔仍呈中空状。

由于该阳极3中空并且两端开口，其顶端位于阴极机构顶端的下方、阳极的底端进入该阳极伸出孔，从而实现阴极机构内腔中的电解液运行至顶部时，能够通过该阳极内腔回流至电解液储存装置中，从而省去了现有技术中在阴极机构顶部设置排水口，从而实现该阴极机构的顶端盖可以非密封地盖于阴极机构的顶部，解决了现有技术中电解腔内压力过大而造成滴漏、电解后回收阴极金属需要拆卸阴极顶端、电解过程中观察电解液不方便的问题；通过阳极内腔溢流使电解液回流至电解液储存槽，同时电解液在阳极内腔中呈中空状的流动形式使阴极内腔与电解液储存槽保持连通状态，当电解液储存槽抽气时产生负压将阴极内腔中与电解液储存槽的气体一同抽走，避免污染环境。同时由于这种特殊结构的设计，使电解液的输入和回流在量上能够保持有效的平衡，解决现有技术中阴极空腔中电解液流量不平衡、电解单元使用时间不能过长的问题。

请参阅图1，该阳极3的底部焊接有一阳极金属法兰7，该阳极金属法兰7的材质没有限制，优选与阳极的材质一致。该阳极金属法兰7位于底座1的下方，通过螺丝固定于该底座1的下表面；在底座1和阳极金属法兰7之间设置防腐密封橡圈，使阳极金属法兰7与底座1之间密封连接。

请参阅图1，该底座1侧壁设置有电解液输入机构连接孔41，该电解液输入机构4通过该电解液输入机构连接孔41进入至该电解单元中。

该电解液输入机构4包括电解液喷头42，该电解液喷头42为一端开口的管状体，该管状体的封闭端通过该电解液输入机构连接孔41进入该底座1的圆柱形空腔中11，该圆柱形空腔内11的管状体上设置有喷孔421。请参阅图2，该喷孔421的对称轴线与该管状体对称轴线的夹角为0-180度，同时，该喷孔421的对称轴线与水平方向的夹角为-180至180度，优选为-30至30度（图2未示出）。

电解液由底座喷嘴射入底座圆腔内后，通过设置该喷孔421的位置，在阴阳极空腔内的流动状态以螺旋流和层流共存的状态由下向上流动，阴阳极连通导电使金属离子在阴极析出，生产产品。

进一步，该底座1在圆柱形空腔11位置的上表面上设置有一内置法兰10，该内置法兰10与该阳极金属法兰7通过螺丝一起固定，从而实现该阳极3在该底座上的更加固定的连接。

本发明实施例进一步提供一种电解装置，请参阅图3，该电解装置包括电解液储存槽31、电解液输入泵32以及电源组件，还包括至少一上述的电解单元33，该电解液输入泵32具有进液端321和出液端322，该进液端321与该电解液储存槽31连通，该出液端322与该电解单元之上的电解液输入机构4连通，该电解单元之上的阳极331的底端与该电解液储存槽31连通，既可以直接相通（如图3所示），该阳极331的底端也可以通过管道与电解液储存槽31相通（如图4所示）。该阳极331顶端高于电解液储存槽31。

该电源组件包括阳极电源连接部件和阴极机构电源连接部件。

该阴极机构电源连接部件包括金属法兰5及设置其上第一电源连接部件6，该第一电源连接部件6的材质没有限制，优选为铜。通过螺丝，实现该第一电源连接部件6固定于该阴极机构金属法兰5上。该第一电源连接部件6连接于外部电源零线。

该阳极电源连接部件包括阳极金属法兰7及位于其下方的一金属板8，该金属板的材质没有限制，优选为铜，通过螺丝将该金属板8、阳极金属法兰7固定。该阳极金属法兰7、金属板8一起构成第二电源连接部件9，该第二电源连接部件9连接外部电源火线。

由于包括第一电源连接部件和第二电源连接部件，实现为该电解单元供电，使阴极机构2内腔中的电解液发生电解。

进一步，该电解液储存槽31的上壁设置有一出气孔311，该出气孔与抽风机构（图3未示出）连通，从而实现该电解液储存槽31及阴极机构2中的气体被及时抽走。

请参阅图3，该电解装置中，电解单元33的阳极331穿过阴极机构332的内腔，及底座1的圆柱形腔体11，穿越底座333后直接进入电解液储存槽31中，实现电解液按图中所示出的方向流动。同时，请参阅4阳极331与电解液储存槽31通过管道连接。

进一步，请参阅图5，本发明实施例的电解装置中包括2个以上的电解单元33。这些电解单元共用电解液储存槽，该电解单元及其与储存槽之间的连接关系和前述相同。图5所示出的溢流电解装置，其结构包括：电解溶液储存槽、电解单元、电源连接部件、机架、抽风设备；电解单元高于电解溶液储存槽，其置于机架上，电解单元分两列排布在电解溶液储存槽两侧；抽风孔开于电解溶液储存槽上。

本发明电解装置，通过使用上述电解单元，实现了其能够有效解决现有技术中旋流电解装置流量不能有效平衡、容易造成滴漏、取出电解后的金属麻烦等技术问题。本发明溢流电解方法，操作简单，成本低廉，不会造成滴漏等问题，非常适于工业化生产。

电解完成后，将阴极机构2的顶盖打开，将金属阴极22取出，即可实现电解金属的回收。

本发明电解单元，通过将阳极设置为中空并且两端开口的结构，由于阳极的顶端低于阴极的顶端，使阴极顶端的电解液可以通过该阳极回流至电解液储存槽中，从而达到实现阴极顶端非密封化，解决了现有技术中电解腔内压力过大而造成滴漏、电解后回收阴极金属需要拆卸阴极顶端、电解过程中观察电解液不方便的问题；同时由于这种特殊结构的设计，还能够有效的解决阴极空腔中电解液不平衡的问题。

请参照图6，图6显示本发明实施例电解装置的溢流电解方法，包括如下步骤：

步骤S01，输入电解液：

通过电解液输出机构向该阴极机构的内腔输入电解液，使电解液由下向上螺旋流动；

步骤S02，电积：

通电使电解液电解；

步骤S03，回流：

使位于该阴极机构内腔顶端的电解液通过该阳极的内腔回流至该电解液储存槽；

步骤S04，抽气：

对该电解液储存槽进行抽气处理。

本发明实施例溢流电解方法的各个步骤，存在同时进行的情况。

下面结合图3对本发明实施例电解溢流方法进行详细阐述：

通过电解液输入泵32向电解单元33中通入电解液，使电解液螺旋上升，向电解装置通电后，即发生电积；

位于电解单元33顶端的电解液通过电解单元33的阳极331回流至电解液储存槽31中，电解液储存槽31中的电解液通过电解液输入泵32又输送至电解单元33中，实现电解液的循环。调节该电解液输入机构，控制电解液流量，使电解液在阳极内腔回流时不全部填充该阳极的内腔，该阳极内腔仍呈中空状，电解液储存槽31的出气孔311上的排风机构（如风机）通电后，将电解液储存槽31中的气体抽走，同时将电解单元33中的气体也抽走。

电解完成后，拿开电解单元顶端的盖，拉出该阴极金属，即可回收电积获得的金属。

本发明的一种管状溢流电解方法及其装置，和目前技术相比，具有以下有益效果：

1）应用领域广泛，可用于化工、冶金、金属回收、环保水处理等多个行业；

2）广泛的原料适应性，同一装置可处理多种金属，可选择性的对金属进行电解沉积；

3）电解单元组合，可根据生产需求，针对性的进行工艺设计；

4）设备流程短、结构简单、布局合理、占地小，空间利用率高；

5）金属回收、分离彻底，可进行ppm级的金属回收和分离；

6）密封容易简单、有效避免溶液滴漏污染、检修出铜容易、负压尾气处理避免溶液中酸雾的排放、安全环保；

7）容易回收溶液中的金属离子，有价金属制成圆管状产品（＞99.99%）；

8）较高的电流密度及电流效率；

9）大大降低运营成本，降低技术风险。

以上该仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种电解单元，包括底座以及密封于所述底座之上、呈中空圆柱体结构且底端开口的阴极机构，所述阴极机构内腔设有阳极，其特征在于，还包括可与所述阴极机构内腔连通的电解液输入机构，所述阳极为中空圆柱体结构并且两端开口，所述阳极顶端位于所述阴极机构顶端的下方。

2.根据权利要求1所述的电解单元，其特征在于，所述底座的底端设置有阳极伸出孔，所述阳极与所述阳极伸出孔密封连接。

3.根据权利要求2所述的电解单元，其特征在于，所述底座内设置有沿所述阴极机构方向延伸的圆柱形空腔，所述底座的圆柱形空腔与所述阴极机构的内腔相通。

4.根据权利要求3所述的电解单元，其特征在于，所述阳极的顶端与所述阴极机构顶端的高度差在5毫米以上。

5.根据权利要求4所述的电解单元，其特征在于，所述阳极的顶端和所述阴极机构顶端的高度差为5-40毫米。

6.根据权利要求4或5所述的电解单元，其特征在于，所述电解液输入机构包括电解液喷头、所述电解液喷头为一端开口的管状体，所述管状体的封闭端通过所述电解液输入孔进入所述底座的圆柱形空腔中，所述圆柱形空腔内的管状体上设置有喷孔。

7.根据权利要求6所述的电解单元，其特征在于，所述喷孔的对称轴线与所述管状体对称轴线的夹角为0-180度。

8.根据权利要求6所述的电解单元，其特征在于，所述喷孔的对称轴线与水平方向的夹角为-180至180度。

9.根据权利要求8所述的电解单元，其特征在于，所述喷孔的对称轴线与水平方向的夹角为-30至30度。

10.根据权利要求1-5任一项所述的电解单元，其特征在于，所述阳极的个数为1个以上。

11.一种溢流电解装置，包括电解液储存槽、电解液输入泵及电源组件，其特征在于，还包括至少一个如权利要求1-10任一项所述的电解单元，所述电解液输入泵具有进液端和出液端，所述进液端与所述电解液储存槽连通，所述出液端与所述电解单元上之所述电解液输入机构连通，所述电解单元上之所述阳极的底端与所述电解液储存槽连通。

12.根据权利要求11任一项所述的电解装置，其特征在于，所述电源组件包括阳极电源连接部件和阴极机构电源连接部件。

13.根据权利要求12所述的电解装置，其特征在于，所述阳极电源连接部件包括焊接于所述阳极的金属法兰、固定于所述阳极金属法兰下表面的金属板，所述阳极金属法兰密封固定于所述底座的下表面。

14.根据权利要求12所述的电解装置，其特征在于，所述阴极机构电源连接部件包括焊接于所述阴极机构的金属法兰、固定于所述金属法兰之上的金属板，所述金属法兰密封固定于所述底座的上表面。

15.根据权利要求13或14所述的电解装置，其特征在于，所述电解液储存槽的上壁设置有一出气孔，所述出气孔与一抽风机构连通。

16.一种使用权利要求11-15任一项所述溢流电解装置的溢流电解方法，包括如下步骤：

通过电解液输出机构向所述阴极机构的内腔输入电解液，使电解液由下向上螺旋流动；

通电使电解液电解；

使位于所述阴极机构内腔顶端的电解液通过所述阳极的内腔回流至所述电解液储存槽；

对所述电解液储存槽进行抽气处理。