CN110528025A - 一种可调节铜酸比例的铜电解系统及方法 - Google Patents

一种可调节铜酸比例的铜电解系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于化工技术领域，涉及一种可调节铜酸比例的铜电解系统及方法。本发明通过水平取向磁场和垂直取向的磁场的共同施加或转换来实现调控铜酸比例的目的，使其值在正常的范围内波动；本发明可通过磁场强化传质，极大地降低了极化程度，其电流效率可以大幅度提升，电耗随之降低；强化Cu2+的扩散，促进主反应，降低析副反应，杂质离子浓度全都出现不同程度的降低；促进杂质离子沉降的反应，减少As、Sb、Bi等形成漂浮阳极泥的主要元素，从而降低漂浮阳极泥的量，减少阴极铜长粒子发生的概率；提高Ca2+的溶解度，解决管道由于结垢而造成堵塞的问题；加速阳极溶解，加快阴极铜的形成速率，缩短了电解周期。

Description

一种可调节铜酸比例的铜电解系统及方法
技术领域
本发明属于化工技术领域，涉及一种可调节铜酸比例的铜电解系统及方法。
背景技术
电解精炼是铜冶炼企业加工生产中的重要步骤，也是阴极铜生产制造的基本程序，铜电解精炼工艺已广泛应用在实际生产中；随着科技的进步与发展，市场对阴极铜质量的要求也随之提高，但近年来，全国各大冶炼厂生产的阴极铜却出现了各种问题，究其原因，一方面由于矿产资源的不断开采，矿石原料的多样化程度加剧，这在一定程度上影响了阴极铜的质量，但更重要的是，阴极铜的表面质量是一个系统的问题，影响因素很多，尤其是铜酸比例，[彭楚峰，何蔼平，李坚，刘爱琴. 电解液对阴极铜表面质量的影响[J]. 有色金属设计，2002(03)：8-11.]发现当阳极含镍高时出现的钝化现象会阻碍Cu2+的扩散，出现铜酸比例失衡，造成浓差极化，影响阴极铜的化学品质。同时，文献 [曹康学，郑继祖，朱福良.铜离子浓度对阴极铜表面质量的影响[J].甘肃冶金，2011，33(03)：24-26.]发现一旦电解液中含铜过低，也会促使阴极析出铜疏松、表面易长粒子，严重时甚至成粉末状并有杂质，如砷、锑、铋等析出的危险，所以在一定范围内提高电解液的含铜量，可以使阴极沉积物致密，但超过一定的范围后，继续增加铜离子浓度，一方面由于电解液的密度和粘度增大，阴极长粒子的机会增多；另外，由于铜属于较难冶炼的金属之一，这在一定程度上限制了铜电解技术的发展，所以其工艺过程一直面临着污染高、能耗高、效益低且阴极铜质量不稳定等问题，存在现有工艺仅解决单一问题的技术局限。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题提供一种可调节铜酸比例的铜电解系统及方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种可调节铜酸比例的铜电解系统，包括通过管路闭合连接的电解槽、高位槽以及循环泵组成的闭合回路，所述高位槽内设置有温控装置；所述高位槽与循环泵之间通过第一并联管路连接，所述循环泵与电解槽通过第二并联管路连接；所述第一并联管路由第一管道和第二管道并联连接，所述第一管道上设置有第一磁化装置，所述第一磁化装置的磁感线方向垂直于第一管道；所述第二并联管路由第三管道和第四管道并联连接，所述第三管道上设置有第二磁化装置，所述第二磁化装置的磁感线方向与第三管道内的液体流向一致；所述第一管道、第二管道、第三管道和第四管道上分别设置有阀门；
进一步的，所述高位槽内设置有搅拌装置；
进一步的，所述闭合回路的管路上设置有流量计；
进一步的，所述第一磁化装置和第二磁化装置为可调永磁体。
一种采用上述系统进行铜电解的方法，包括以下步骤：
a、测量电解液中的铜离子和硫酸的浓度选取磁化方式：当铜离子浓度为40-50g/L，硫酸的浓度为160-180g/L时，调节阀门9使第一管道5-1和第三管道6-1连通，第二管道5-2和第四管道6-2关闭，调节第一磁化装置5-3的磁场强度为3-3.5T，调节第二磁化装置6-3的磁场强度为2-3T，电解液由高位槽3缓缓进液并充满电解槽1，温控装置7控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵4使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化；
当铜离子浓度<40g/L造成铜酸比例失衡，调节阀门9使第一管道5-1和第四管道6-2连通，第二管道5-2和第三管道6-1关闭，第一磁化装置5-3的磁场强度为3-3.5T，第二磁化装置6-3不参与磁化作业，电解液由高位槽3缓缓进液并充满电解槽1，温控装置7控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵4使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化；
当铜离子浓度>50g/L造成的铜酸比例失衡，调节阀门9使第一管道5-1和第四管道6-2上关闭，第二管道5-2和第三管道6-1上连通，第二磁化装置6-3的磁场强度为2-3T，第一磁化装置5-3不参与磁化作业，电解液由高位槽3缓缓进液并充满电解槽1，温控装置7控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵4使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化；
b、电解液磁化完成后，将铜阳极和始极片放置于电解槽1中进行电解作业。
本发明的工作原理为：
本发明将磁处理技术应用于铜电解精炼工艺，可以达到调控铜酸比例的方法，当铜离子浓度大于50g/L造成铜酸比例失衡，施加洛仑磁力，降低离子水合作用，促进Cu2+扩散，降低电耗，从而达到适当降低铜离子浓度的目的；电解液中的溶解氧随之增加，一方面在磁场强度为3-3.5T的垂直取向磁场条件下促使Ni、Fe、Zn表面形成一层氧化物保护膜而不会使Cu钝化，从而减少溶液中Ni、Fe、Zn浓度，另一方面由于砷锑铋在电解液中以负价的离子氧化物形式存在，施加洛仑磁力，增加砷锑铋的接触机会，促使其形成沉淀阳极泥，从而减少As、Sb、Bi的浓度；当铜离子浓度小于40g/L造成铜酸比例失衡，施加水平取向磁场，由于水是抗磁性分子，Cu是顺磁性离子，从而降低离子水合作用，促进阳极溶解，从而达到适当增加铜离子浓度的目的，电解液中的溶解氧随之增加，由于氧分子与Ni、Fe都属于顺磁性物质，一方面在磁场强度为1-2T的水平取向磁场条件下促使Ni、Fe表面形成一层氧化物保护膜而不会使Cu钝化，从而减少溶液中Ni、Fe浓度，另一方面溶解氧会增加液体的表面张力而适当降低Cu2+扩散性能，从而使Cu浓度保持在40-50g/L的范围内；另外，由于砷锑铋具有抗磁性性质，施加磁场梯度力，增加砷锑铋的接触机会，促使其形成沉淀阳极泥，从而减少As、Sb、Bi的浓度。并且，施加磁场会增加Ca的溶解度，增强电解液的流动性。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过水平取向磁场和垂直取向的磁场的共同施加或转换来实现调控铜酸比例的目的，使其值在正常的范围内波动；本发明可通过磁场强化传质，极大地降低了极化程度，其电流效率可以大幅度提升，电耗随之降低；强化Cu2+的扩散，促进主反应，降低析副反应，杂质离子浓度全都出现不同程度的降低；促进杂质离子沉降的反应，减少As、Sb、Bi等形成漂浮阳极泥的主要元素，从而降低漂浮阳极泥的量，减少阴极铜长粒子发生的概率；提高Ca2+的溶解度，解决管道由于结垢而造成堵塞的问题；加速阳极溶解，加快阴极铜的形成速率，缩短了电解周期；降低浓差极化，活化电解液，细化阴极铜晶粒，由此再进一步减少阴极铜长粒子的发生，从而大幅度提升阴极铜质量，降低能耗，提高产量。
附图说明
图1为本发明的系统连接图；
图2为实施例1的阴极铜的SEM图；
图3为实施例2的阴极铜的SEM图；
图4为实施例3的阴极铜的SEM图。
具体实施方式
如图1所示的一种可调节铜酸比例的铜电解系统，包括通过管路闭合连接的电解槽1、高位槽3以及循环泵4组成的闭合回路；所述高位槽3与循环泵4之间通过第一并联管路5连接，所述循环泵4与电解槽1通过第二并联管路6连接；所述第一并联管路5由第一管道5-1和第二管道5-2并联连接，所述第一管道5-1上设置有第一磁化装置5-3，所述第一磁化装置5-3的磁感线方向垂直于第一管道5-1；所述第二并联管路6由第三管道6-1和第四管道6-2并联连接，所述第三管道6-1上设置有第二磁化装置6-3，所述第二磁化装置6-3的磁感线方向与第三管道6-1内的液体流向一致；所述第一管道5-1、第二管道5-2、第三管道5-3和第四管道6-2上分别设置有阀门9；所述高位槽3内设置有温控装置7和搅拌装置2，所述闭合回路的管路上设置有流量计8，所述第一磁化装置5-3和第二磁化装置6-3为可调永磁体。
实施例1
采用上述铜电解系统进行铜电解作业，具体步骤如下：
a、测量电解液中的铜离子、硫酸和其他杂质离子的浓度，测量结果见表1，可知其中铜离子浓度位于40-50g/L，硫酸的浓度位于160-180g/L，调节阀门9使第一管道5-1和第三管道6-1连通，使第二管道5-2和第四管道6-2关闭，调节第一磁化装置5-3的磁场强度为3-3.5T，调节第二磁化装置6-3的磁场强度为2-3T，电解液由高位槽3缓缓进液并充满电解槽1，温控装置7控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵4使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化，第一磁化装置5-3与第二磁化装置6-3参与磁化作业；
b、电解液磁化完成后，将铜阳极和始极片放置于电解槽1中电解24h，电解的电流密度为220～280A/m2，电流大小为2.6A，槽电压为0.35V；电解过程中同时按照明胶：20～150g/t，硫脲：20～150g/t，盐酸：100～250g/t（t表示每吨阴极铜）的量向高位槽3进行滴加并通过搅拌装置2搅拌。
电解完成后，将铜残极和阴极取出，用稀硫酸煮洗后，进行真空干燥，称重得到Cu离子浓度接近电解开始的浓度，其大小为41g/L，硫酸浓度为179g/L；As的离子浓度为22.46g/L，原液19.24g/L；Sb的离子浓度为0.51g/L，小于原液的0.61g/L；Bi的离子浓度为0.37g/L，原液0.33g/L；相比于传统铜电解，As、Sb、Bi等形成漂浮阳极泥的主要元素大大降低，Ni的离子浓度为19.15g/L，原液17.62g/L；Fe的离子浓度为1.31g/L，原液1.19g/L；Zn为0.65g/L，小于原液的1.14g/L；Ca的离子浓度为0.42g/L，大于原液的0.3g/L，阳极失重89.87g，阴极铜的加重了75.2g,电流效率99.96%，电解后阴极铜的SEM图见图2。
。
实施例2
采用上述铜电解系统进行铜电解作业，具体步骤如下：
a、测量电解液中的铜离子、硫酸和其他杂质离子的浓度，测量结果见表2，可知铜离子浓度<40g/L造成铜酸比例失衡，调节阀门9使第一管道5-1和第四管道6-2连通，第二管道5-2和第三管道6-1关闭，第一磁化装置5-3的磁场强度为3-3.5T，电解液由高位槽3缓缓进液并充满电解槽1，温控装置7控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵4使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化，磁化过程中第一磁化装置5-3参与磁化作业，第二磁化装置6-3不参与磁化作业；
b、电解液磁化完成后，将铜阳极和始极片放置于电解槽1中电解24h，电解的电流密度为220～280A/m2，电流大小为2.6A，槽电压为0.35V；电解过程中同时按照明胶：20～150g/t，硫脲：20～150g/t，盐酸：100～250g/t（t表示每吨阴极铜）的量向高位槽3进行滴加并通过搅拌装置2搅拌。
电解完成后，将铜残极和阴极取出，用稀硫酸煮洗后，进行真空干燥，称重得到Cu离子浓度接近电解开始的浓度，其大小为41.5g/L，硫酸浓度为168g/L左右；As的离子浓度为24.46g/L，原液19.24g/L；Sb的离子浓度为0.48g/L，小于原液的0.61g/L；Bi的离子浓度为0.35g/L，原液0.33g/L；相比于传统铜电解，As、Sb、Bi等形成漂浮阳极泥的主要元素大大降低，Ni的离子浓度为17.15g/L，原液17.62g/L；Fe的离子浓度为1.24g/L，原液1.19g/L；Zn为0.85g/L，小于原液的1.14g/L；Ca的离子浓度为0.56g/L，大于原液的0.3g/L，阳极失重88.56g，阴极铜的加重了74.72g,电流效率99.86 %，电解后阴极铜的SEM图见图3。
。
实施例3
采用上述铜电解系统进行铜电解作业，具体步骤如下：
a、测量电解液中的铜离子、硫酸和其他杂质离子的浓度，测量结果见表3，可知当铜离子浓度>50g/L造成的铜酸比例失衡，调节阀门9使第一管道5-1和第四管道6-2关闭，第二管道5-2和第三管道6-1连通，第二磁化装置6-3的磁场强度为2-3T，电解液由高位槽3缓缓进液并充满电解槽1，温控装置7控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵4使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化，磁化过程中第二磁化装置6-3参与磁化作业，第一磁化装置5-3不参与磁化作业；
b、电解液磁化完成后，将铜阳极和始极片放置于电解槽1中电解24h，电解的电流密度为220～280A/m2，电流大小为2.6A，槽电压为0.35V；电解过程中同时按照明胶：20～150g/t，硫脲：20～150g/t，盐酸：100～250g/t（t表示每吨阴极铜）的量向高位槽3进行滴加并通过搅拌装置2搅拌。
电解完成后，将铜残极和阴极取出，用稀硫酸煮洗后，进行真空干燥，称重得到Cu离子浓度接近电解开始的浓度，其大小为44g/L，硫酸浓度为172g/L左右；As的离子浓度为22.9g/L，原液19.24g/L；Sb的离子浓度为0.44g/L，小于原液的0.61g/L；Bi的离子浓度为0.315g/L，原液0.33g/L；相比于相比于传统铜电解，As、Sb、Bi等形成漂浮阳极泥的主要元素大大降低，Ni的离子浓度为16.5g/L，原液17.62g/L；Fe的离子浓度为1.07g/L，原液1.19g/L；Zn为0.9g/L，小于原液的1.14g/L；Ca的离子浓度为0.42 g/L，大于原液的0.3g/L。阳极失重88.56g，阴极铜的加重了78.72g，电流效率99.5 %，电解后阴极铜的SEM图见图4。
。

Claims (5)

1.一种可调节铜酸比例的铜电解系统，其特征在于：包括通过管路闭合连接的电解槽(1)、高位槽(3)以及循环泵(4)组成的闭合回路，所述高位槽(3)内设置有温控装置(7)；所述高位槽(3)与循环泵(4)之间通过第一并联管路(5)连接，所述循环泵(4)与电解槽(1)通过第二并联管路(6)连接；所述第一并联管路(5)由第一管道(5-1)和第二管道(5-2)并联连接，所述第一管道(5-1)上设置有第一磁化装置(5-3)，所述第一磁化装置(5-3)的磁感线方向垂直于第一管道(5-1)；所述第二并联管路(6)由第三管道(6-1)和第四管道(6-2)并联连接，所述第三管道(6-1)上设置有第二磁化装置(6-3)，所述第二磁化装置(6-3)的磁感线方向与第三管道(6-1)内的液体流向一致；所述第一管道(5-1)、第二管道(5-2)、第三管道(5-3)和第四管道(5-4)上分别设置有阀门(9)。
2.如权利要求1所述的一种可调节铜酸比例的铜电解系统，其特征在于：所述高位槽(3)内设置有搅拌装置(2)。
3.如权利要求1所述的一种可调节铜酸比例的铜电解系统，其特征在于：所述闭合回路的管路上设置有流量计(8)。
4.如权利要求1所述的一种可调节铜酸比例的铜电解系统，其特征在于：所述第一磁化装置(5-3)和第二磁化装置(6-3)为可调永磁体。
5.一种采用权利要求1的系统进行铜电解的方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量电解液中的铜离子和硫酸的浓度选取磁化方式：当铜离子浓度为40-50g/L，硫酸的浓度为160-180g/L时，调节阀门(9)使第一管道(5-1)和第三管道(6-1)连通，第二管道(5-2)和第四管道(6-2)关闭，调节第一磁化装置(5-3)的磁场强度为3-3.5T，调节第二磁化装置(6-3)的磁场强度为2-3T，电解液由高位槽(3)缓缓进液并充满电解槽(1)，温控装置(7)控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵(4)使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化；
当铜离子浓度<40g/L造成铜酸比例失衡，调节阀门(9)使第一管道(5-1)和第四管道(6-2)连通，第二管道(5-2)和第三管道(6-1)关闭，第一磁化装置(5-3)的磁场强度为3-3.5T，第二磁化装置(6-3)不参与磁化作业，电解液由高位槽(3)缓缓进液并充满电解槽(1)，温控装置(7)控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵(4)使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化；
当铜离子浓度>50g/L造成的铜酸比例失衡，调节阀门(9)使第一管道(5-1)和第四管道(6-2)关闭，第二管道(5-2)和第三管道(6-1)连通，第二磁化装置(6-3)的磁场强度为2-3T，第一磁化装置(5-3)不参与磁化作业，电解液由高位槽(3)缓缓进液并充满电解槽(1)，温控装置(7)控制电解液温度保持在50℃-65℃，开启循环泵(4)使电解液在所述铜电解系统的闭合回路中以流速0.4-0.6m/s循环磁化；
电解液磁化完成后，将铜阳极和始极片放置于电解槽(1)中进行电解作业。
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