CN106574385A - 用于金属电积的单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电积非铁金属的电解装置，该电解装置包括多个插入的基本单元，其中每个基本单元装备有适用于检测电流到对应的阳极的分布的异常的装置。

Description

用于金属电积的单元

技术领域

本发明涉及适用于金属电积(特别地，适用于从离子溶液开始的铜和其它非铁金属的电解生产)的包括多个基本单元的电解装置，并且涉及安装有这样的电解装置的电积设备。

背景技术

用于非铁金属沉积的电化学设备(诸如用于金属的电解提取和精炼的设备)也被分别称为电积设备和电解精炼设备，典型地，这样的设备使用包括多个基本单元的一个或多个电解装置，其中每个基本单元包含阳极和阴极。

在意图用于以上所述的设备的电解装置中，阳极和阴极一般以交替的位置布置在电解槽中并且互相并行。每个电极机械连接并且电连接到悬架条(hanger bar)，并且通过每个电极对应的悬架条与汇流条(bus-bar)的接触向电极供电。在电解装置中，互相并联连接的极性相同的电极之间共享相同的汇流条。

在例如用于生产非铁金属(诸如铜、钴、锌或镍)的设备的情况下，通过电化学反应生产的金属在电流通过的作用下沉积到每个基本单元的阴极上。在从相关的电解装置的阴极进行提取时，以周期性间隔(典型地，一些天)收获沉积的产物。金属在阴极表面上的沉积可以以非均匀的形式发生，这导致局部沉积物(也称为树状物(dendrites)或树状形成物(dendritic formations))在电流通过的影响下以增长的速度向对面的阳极生长，直到发生电短路。在这样的情况下，与接触树状形成物相对应的阳极表面的温度增大可能导致严重的损害；在一些情况下，树状形成物被局部接合到阳极表面，妨碍了随后的阴极提取，并且因此妨碍了整个金属收获操作。

以上提及的与树状物的形成相关的问题尤其相关于由设有催化材料的覆层的钛衬底(诸如网或者延展片)制造的现代概念的阳极。虽然由于这样的阳极比传统的铅阳极的效率增加，所以优选这样的阳极，但是短路状况可能经常对阳极产生广泛和不可弥补的损害。利用在专利申请WO2013060786中公开的先进的阳极类型，这样的问题仍未解决，其中在该申请中，在由可渗透材料(诸如多孔聚合分隔件或者离子交换隔膜)构成的封套(envelope)内插入覆有催化剂的钛网。对阳极的损害导致了较高的设备维护成本、金属产量的损失以及与设备可能的强制关停相关联的其它损害。

因此，期望提供一种在树状形成物生长的情况下保护电解装置的基本单元的阳极的形式。还期望迅速地识别和报告有一个或多个树状形成物的生长构成潜在威胁的电解装置中的单独的阳极。由于电解装置附近的高温和可能存在的酸性雾，金属电积设备是不健康的环境，所以对受到树状形成物影响的单独的阳极的检测以及尤其是该单独的阳极的信号通信还具有使设备维护员工能够较快介入的目的，减少他们在电解室内的停留时间。

发明内容

在所附权利要求中阐述本发明的各种方面。在一个方面，本发明涉及由多个基本单元构成的用于金属电积的电解装置，其中每个单元包括阳极和阴极，阳极和阴极之间插入导电多孔丝网，阳极设置有针对氧析出反应的催化表面，并且阴极适用于金属从电解池沉积。单元还包括电连接并且机械连接到阳极的导电阳极悬架条，以及电连接并且机械连接到阴极的导电阴极悬架条。每个基本单元还包括适用于对流过相应的阳极悬架条的电流的直接或间接检测的装置。电解装置还装备有电连接到每个单元的阳极悬架条的阳极汇流条，以及电连接到每个单元的阴极悬架条的阴极汇流条。电解装置还可以包括并行于阳极汇流条放置并且在阳极汇流条附近的阴极平衡条。

在基本单元的阳极和阴极之间插入的导电多孔丝网是可以呈现不同致密度的结构，并且被制造为允许电解溶液通过而不妨碍阴极和阳极之间的离子导电。

通过利用如以上描述的电解装置设计进行电解，在基本单元的一个或多个阴极上可能形成的树状物在它们可以到达阳极表面后部(aft)之前接触对面的多孔丝网，使得它们的生长被停止或者在任何情况下被减缓。观察到在树状形成物与多孔丝网接触的情况下，如果丝网有一定的导电性，在单元中产生的金属的一部分直接沉积在丝网上作为覆层。在这一情况下，构成阴极的组件、树状物和多孔丝网借助于这些元件之间现有的电连接附加地执行基本单元的新的阴极的功能，进而被放置为距阳极近于初始的阴极。在这一情况下，与新的阴极和阳极之间的间隙减少相关联的电解中较低的欧姆降(ohmic drop)导致流过相关的阳极悬架条的电流增大。发现这一电流增大的程度可以被用作对树状物生长的指示。

在一个实施例中，通过能够测量电压或温度变化的检测装置，对每个阳极悬架条中流动的电流的直接或间接检测可以被在悬架条自身上进行，或者被在电连接到悬架条的元件上进行。

在一个实施例中，对电压变化的测量通过检测装置利用压力接触件到一侧上的相关的阳极汇流条和到另一侧上的阴极悬架条的连接进行，其中压力接触件是导电的并且可选地是柔性的(flexible)。这一配置可以带来避免阳极悬架条上的固定的电连接的优点，便于随后对单元的维护操作。

在另一个实施例中，对电压变化的测量通过检测装置到相应的阳极悬架条的两个点的连接进行，其中这两个点位于沿着阳极悬架条的主轴的某距离处。

在一个实施例中，对温度变化的测量可以通过热敏装置(例如热电偶)进行。例如，可以利用热敏装置完成这一测量，其中热敏装置安装在每个阳极悬架条上，优选为对应于阳极悬架条的端部，或者替代地，热敏装置对应于阳极汇流条与阳极悬架条的每个接触点安装在阳极汇流条上。热敏装置可以装备有化学耐受衬里，适用于保护和/或增大其从周围环境的热隔离。

在另一个实施例中，对温度变化的测量可以通过使用热铬(thermochromic)涂料进行，其中每当温度超过预定的阈值时，热铬涂料改变其颜色。这样的涂料被施加在阳极悬架条上或者对应于阳极汇流条与阳极悬架条的接触点被施加在阳极汇流条上。这一实施例可以具有以下优点：可以使得在电化学设备内工作的员工立刻清楚由树状形成物的生长确定的潜在临界情形，并且使得能够快速识别出现这些状况的电解装置和这样的电解装置中的一个或多个阳极。

在一个实施例中，每个检测装置可以被连接到其自己的微处理器，该微处理器被配置为由装置进行的测量与预定的参考范围之间的比较；如果测量没有落在参考范围内，则微处理器可以激活顺序动作或者同时动作的一个或多个信号通信系统。在阴极提取操作期间(例如，由于产物收获)，微处理器和/或信号通信系统可以被关闭。可以将微处理器与信号通信系统和/或检测装置集成在单个单元中。

在一个实施例中，微处理器由工艺电压供电，从而避免使用会需要周期性替换的电池。特别地，在电解装置装备有阳极汇流条和阴极平衡条的情况下，微处理器可以被直接连接到阳极汇流条和阴极平衡条。如果电解装置不包括阴极平衡条，并且希望避免可能会干扰设备操作的固定的布线，被引导为监测某阳极悬架条的微处理器可以经由优选的柔性压力接触件被连接到阳极汇流条和相邻的阴极的悬架条。

在一个实施例中，微处理器致动至少一个由发光二极管构成的信号通信系统，其中发光二极管可以被直接耦接到光纤或者通过光耦接装置耦接到光纤。可选地，光纤有聚合材料衬里，实现了光信号到每个阳极悬架条的端部的转移，或者甚至更好地，实现了光信号到电解装置外部的转移，由此便于设备操作员工对光信号的识别，并且使得能够快速发现提供了预定值的范围外的直接或间接电流值的电解装置和相关的一个或多个阳极。

在一个实施例中，多孔丝网可以由合适厚度的碳纤维制成。在另一个实施例中，多孔丝网可以由设有针对氧析出反应的催化惰性覆层的抗腐蚀金属(例如钛)制成的网或有孔的片构成。在一个实施例中，催化惰性覆层可以以例如氧化物的形式基于锡、钽、铌或钛。在一个实施例中，由覆有催化材料的钛网或者延展片获得阳极。在又一个实施例中，在由被固定到框架并且盖有除雾器(demister)的可渗透分隔件(例如可渗透材料的多孔片或者离子交换隔膜)构成的封套内插入覆有催化剂的钛网。

优化的多孔丝网到阳极表面的间隙依赖于设备的整体规模和工艺特性。在被用于验证本发明的设备中，在单元采用分开25到100mm的阳极和阴极并且多孔丝网位于距离对面的阳极1-20mm处的情况下获得最佳性能。

在另一个方面，本发明涉及用于金属电积的电解装置的基本单元的阳极元件，该阳极元件包括具有针对氧析出反应的催化表面的阳极、多孔丝网、机械连接并且电连接到阳极的阳极悬架条以及适用于对流过阳极悬架条的电流的直接或间接检测的装置。适用于对电流的直接或间接检测的装置可以被如以上描述地制造，并且可以可选地被连接到微处理器，其中微处理器适用于比较检测值与预定的值的范围并且当检测值不包括于预设范围中时致动一个或多个报警信号。报警信号可以是听觉的、视觉的、电磁的或者任意其它性质的，并且可以由多个信号的组合构成。

在另一个方面，本发明涉及用于金属电积的电解装置的基本单元，该基本单元包括：

-具有针对氧析出反应的催化表面的阳极；

-适用于金属从电解池沉积的阴极，其中电解池被布置为与所述阳极并行；

-插入所述阳极和所述阴极之间的多孔丝网；

-导电阳极悬架条，与阳极一体化并且电连接到阳极；

-适用于对流过阳极悬架条的电流的直接或间接检测的装置；

-阳极汇流条，导电并且电连接到阳极悬架条。

在另一个方面，本发明涉及用于从含有一价铜离子和/或二价铜离子的溶液获得铜的工艺，包括电解如以上描述的电解装置内的溶液。

现在将参考附图描述例示本发明的一些实施方式，其中附图具有相对于本发明的所述具体实施方式例示不同元件的相互排布的唯一目的；特别地，附图不必然按比例绘制。

附图说明

图1示意性地示出表示本发明的一个实施例的用于金属电积的电解装置的基本单元。

图2示意性地示出表示本发明的另一个实施例的对用于金属电积的电解装置的基本单元中的树状形成物的生长进行信号通信的可能的系统。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于金属电积的电解装置的基本单元，该基本单元包括阳极(100)和被布置为与阳极并行的适用于金属从电解池沉积的阴极(200)、插入阳极和阴极之间的多孔丝网(300)、与阳极一体化并且电连接到阳极的阳极悬架条(400)、阴极悬架条(450)、适用于对流过阳极悬架条(400)的电流的直接或间接检测的装置(500)、与阳极悬架条(400)电连接的导电阳极汇流条(600)。适用于对电流的直接或间接检测的装置(500)可以被连接到微处理器(700)，微处理器(700)被配置为比较装置(500)检测的量与预定的值的范围。微处理器(700)被连接到信号通信系统(800)，其中在检测提供了参考范围外的值的情况下致动信号通信系统(800)。

图2示出了适用于对连接到微处理器(700)的电流的直接或间接检测的装置(500)，其中微处理器(700)用于比较所述检测与预定的值的范围。在检测提供了参考范围外的值的情况下，微处理器(700)被配置为致动信号通信系统(800)。信号通信系统(800)可以由发光二极管(801)构成，其中发光二极管(801)在被微处理器(800)致动的情况下发射光信号。二极管(801)的信号通过光纤(803)传输，光纤(803)可选地经由光耦接系统(802)耦接到二极管(800)。

输出光信号(803)的光纤的末端被放置在适宜的位置，可以是易于被在设备中操作的职员(900)识别的位置。以上描述不意图限制本发明，可以根据不同实施例使用本发明而不背离本发明的范围，并且本发明的范围的大小仅由所附权利要求限定。

在本申请的说明书和权利要求中，术语“包括”及其变形(诸如“包含”和“包括有”)不意图排除其它元件、构件或者附加的工艺步骤的存在。

在本说明书中仅出于为本发明提供背景的目的包括对文件、动作、材料、装置、物品等的讨论。这不暗示或者表示在本申请的各个权利要求的优先权日以前这些内容中的任意或全部形成现有技术基础的部分或者是与本发明相关的领域中的公共知识。

Claims (16)

1.一种电解装置的基本单元，其中所述电解装置用于金属电积，所述基本单元包括：

-具有针对氧析出反应的催化表面的阳极；

-适用于金属从电解池沉积的阴极，其中所述电解池被布置为与所述阳极并行；

-插入所述阳极和所述阴极之间的导电多孔丝网；

-与所述阳极一体化并且电连接到所述阳极的导电阳极悬架条；

-适用于对流过所述阳极悬架条的电流的直接检测或者间接检测的装置；

-导电并且电连接到所述阳极悬架条的阳极汇流条。

2.根据权利要求1所述的单元，其中对所述电流的所述直接检测或者间接检测包括对在电压和温度之间选择的物理量的评估。

3.根据权利要求2所述的单元，其中对物理量的所述评估是使用热铬涂料或者热敏装置的温度测量。

4.根据权利要求3所述的单元，其中所述热敏装置是热电偶。

5.根据权利要求3或4所述的单元，其中所述温度测量在所述阳极悬架条上并且在所述阳极悬架条与所述阳极汇流条的电连接附近进行。

6.根据权利要求3或4所述的单元，其中所述温度测量在所述阳极汇流条上并且在所述阳极悬架条附近进行。

7.根据权利要求1所述的单元，还包括连接到所述检测装置和至少一个信号通信系统的微处理器，所述微处理器被配置为比较对电流的所述检测与预定的参考范围，所述至少一个信号通信系统被配置为每当所述检测提供了所述参考范围外的值时被致动。

8.根据权利要求7所述的单元，还包括：

-与所述阴极一体化并且电连接到所述阴极的导电阴极悬架条；

-阴极平衡条。

9.根据权利要求8所述的单元，其中所述微处理器的电力供应由工艺电压提供。

10.根据权利要求9所述的单元，其中通过到所述阳极汇流条和所述阴极平衡条的连接获得所述电力供应。

11.根据权利要求9所述的单元，其中通过到所述阳极汇流条的连接以及通过与所述阴极悬架条的压力接触获得所述电力供应。

12.根据权利要求7到11中任意一个所述的单元，其中所述信号通信系统包括由所述微处理器致动的发光二极管。

13.根据权利要求12所述的单元，其中所述发光二极管连接到光纤。

14.一种电解装置，用于从电解池初步提取金属，所述电解装置包括相互电连接的根据上述权利要求中的任意一个所述的单元的叠层。

15.一种用于从含有一价铜离子和/或二价铜离子的溶液获得铜的工艺，所述工艺包括在根据权利要求14所述的电解装置内电解所述溶液。

16.一种阳极元件，用于金属电积单元，所述阳极元件包括具有至少一个针对氧析出反应的催化表面的阳极、至少一个多孔丝网、机械连接并且电连接到所述阳极的阳极悬架条以及适用于对流过所述阳极悬架条的电流的直接或者间接检测的装置。