CN115679381B - 一种含镓生产母液的电解回收装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种含镓生产母液的电解回收装置，包括电解槽、阳极筒、阳离子隔膜筒与阴极条，其中，阳极筒为两端开口的中空结构，阳极筒的筒壁上开设有多个导通孔以供液体运动，阳极筒的制作材质为惰性材料，阳离子隔膜筒中隔筒侧围的选择透过性为阻挡阴离子通过，允许阳离子通过，阳离子隔膜筒的内部填充有多个碳颗粒以形成碳颗粒柱，碳颗粒柱的内部插设有阴极条的底端，阴极条的顶端穿经隔筒顶板后向上延伸至阳离子隔膜筒的上方，应用时，先在电解槽中充入含镓生产母液，再经输送管输送含镓生产母液至密封器皿的内部，然后对阳极筒、阴极条同时通电，以进行电解，从而使析出的镓附着在碳颗粒上。本设计不仅提取后的镓容易分离，而且镓的提取效果较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种镓的电解回收技术，属于生产母液的回收领域，尤其涉及一种含镓生产母液的电解回收装置及使用方法。
背景技术
镓（Gallium）是灰蓝色或银白色的金属，元素符号Ga，原子量69.723。
镓主要应用于尖端科技领域，如半导体电子材料、激光器、功能合金材料、低温超导材料、原子能工业等，由于镓熔点低(29.98℃)，而沸点极高(2403℃)，金属保持液态的温度范围大（纯液态镓有显著的过冷的趋势，在空气中易氧化，形成氧化膜），蒸汽压又低，具有能吸收中子控制反应速度等特殊性能，因此被广泛用作原子能工业上的热交换剂。
金属镓没有独立的成矿，世界上90% 以上的金属镓都伴生在铝土矿中。铝土矿中金属镓的含量在0.02% -0.06%之间，因此，目前镓的获取主要依靠对氧化铝生产过程中的氧化铝生产母液进行回收。
日本曾对直接电解法提镓进行改进，设想采用一种能提高氢超电压及降低镓析出电位的金属或合金作固态阴极，直接从NaAlO2生产母液中电解提镓。据报道已找到的固体阴极材料有锡、铟、锌及锡合金等，而效果较好的阳极材料是铝、镍及铅合金等，但是这些材料后期与镓难以分离，为后续镓的提纯工作带来了很大的阻碍，很难用于工业化生产。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的提取后的镓难以分离、镓的提取效果较差的缺陷与问题，提供一种提取后的镓容易分离、镓的提取效果较好的含镓生产母液的电解回收装置及使用方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种含镓生产母液的电解回收装置，包括电解槽、阳极筒、阳离子隔膜筒、阴极条与输送管；
所述阳极筒为两端开口的中空结构，阳极筒的筒壁上开设有多个导通孔以供液体运动，阳极筒的制作材质为惰性材料；
所述阳离子隔膜筒包括隔筒侧围及与其两端相连接的隔筒顶板、隔筒底板，所述隔筒侧围的选择透过性为阻挡阴离子通过，允许阳离子通过；所述阳离子隔膜筒的内部填充有多个碳颗粒以形成碳颗粒柱，该碳颗粒柱的内部插设有阴极条的底端，阴极条的顶端穿经隔筒顶板后向上延伸至阳离子隔膜筒的上方；
所述隔筒底板与密封器皿的顶部相连通，密封器皿的顶部的宽度大于或等于隔筒底板的宽度，所述输送管的顶端位于电解槽的外部，输送管的内端依次穿经电解槽中的含镓生产母液、密封器皿的底部之后，上延伸至密封器皿的内部；
所述阳离子隔膜筒的外部套设有阳极筒，阳极筒的外部套设有电解槽，电解槽中含镓生产母液的液位线高于或平齐于阳离子隔膜筒的顶端，所述阳极筒的顶端高于液位线，阳极筒的底端低于或平齐于密封器皿的底面。
所述阳极筒的制作材质为碳、石墨、铂或金。
所述阳极筒由多根碳纤维相互编织而成。
所述阳离子隔膜筒的制作材质为磺酸型的阳离子膜。
所述电解槽的底面与槽底盒的顶面相连接，槽底盒的内部为中空结构，槽底盒的底部向下延伸，且在槽底盒的顶面上开设有盒进口、盒出口；所述输送管的内端依次穿经电解槽中的含镓生产母液、盒进口、槽底盒的内腔、盒出口、密封器皿的底部之后，上延伸至密封器皿的内部。
所述输送管为蠕动泵管。
所述碳颗粒在阳离子隔膜筒内部的填充形态为充满，所述隔筒顶板上开设有顶板出口，所述阴极条的底端位于碳颗粒柱的内部，阴极条的顶端依次穿经碳颗粒柱、顶板出口后延伸至阳离子隔膜筒的上方。
所述阴极条由多根碳纤维交织而成。
一种上述含镓生产母液的电解回收装置的使用方法，包括以下步骤：
所述含镓生产母液包括GaO2 —、AlO2 —、OH—，以及至少一种金属阳离子；
所述使用方法包括以下步骤：先在电解槽中充入含镓生产母液以使含镓生产母液的液位线高于或平齐于阳离子隔膜筒的顶端，同时，阳极筒的顶端高于液位线，再通过输送管向密封器皿的内部输入含镓生产母液，然后对阳极筒的顶部、阴极条通电，以进行电解，在电解的过程中，析出的镓物质附着在碳颗粒柱中的碳颗粒上。
所述含镓生产母液包括0.05—0.6 g/L的NaGaO2，100—140 g/L的NaOH，60—100g/L的NaAlO2。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种含镓生产母液的电解回收装置及使用方法中，包括电解槽、阳极筒、阳离子隔膜筒、阴极条与输送管，其中，阳极筒为两端开口的中空结构，阳极筒的筒壁上开设有多个导通孔以供液体运动，阳极筒的制作材质为惰性材料；阳离子隔膜筒包括隔筒侧围及与其两端相连接的隔筒顶板、隔筒底板，隔筒侧围的选择透过性为阻挡阴离子通过（在本设计中主要用于阻挡的GaO2 —通过），允许阳离子通过，同时，阳离子隔膜筒的内部填充有多个碳颗粒以形成碳颗粒柱，碳颗粒柱的内部插设有阴极条的底端，阴极条的顶端穿经隔筒顶板后向上延伸至阳离子隔膜筒的上方，应用时，先在电解槽中充入含镓生产母液（一般为充满），以使含镓生产母液的液位线高于或平齐于阳离子隔膜筒的顶端，同时，阳极筒的顶端高于液位线，再通过输送管输送含镓生产母液（该含镓生产母液沿着输送管，从电解槽的顶部流向电解槽的底部，以进入密封器皿的内部，然后通过阳离子隔膜筒的底部进入阳离子隔膜筒的内部，以与碳颗粒充分接触），然后对阳极筒、阴极条同时通电，以进行电解，从而从含镓生产母液中析出镓，在电解的过程中，析出的镓物质附着在碳颗粒柱中的碳颗粒上，进而完成镓的提取，操作十分方便，效果较好，此外，由于最终获得的是附着有镓的碳颗粒，因而，只需将镓与碳颗粒相互分离即可，两种物质的化学、物理属性相差较大，很容易分离，比如说加热分离——镓的熔点只有29.98℃，而碳的熔点很高。因此，本发明不仅提取后的镓容易分离，而且镓的提取效果较好。
2、本发明一种含镓生产母液的电解回收装置及使用方法中，作为阴极的是碳颗粒柱与阴极条的组合，其中，碳颗粒柱由多个碳颗粒在阳离子隔膜筒中填充而成，碳颗粒、碳颗粒之间存在间隙，该种设计利于含镓生产母液在碳颗粒柱中的蔓延，能够与近乎所有的碳颗粒发生接触，获得最大可能的有效接触面积，以提升镓的析出效果，从而增加镓的最终提取效果。因此，本发明能提升阴极与含镓生产母液的接触面积，以提升镓的提取效果。
3、本发明一种含镓生产母液的电解回收装置及使用方法中，阳极筒的制作材质一般为碳、石墨、铂或金，优选阳极筒由多根碳纤维相互编织而成，本技术特征在应用时，碳纤维具备一定的柔性，能够降低构成阳极筒的制作难度，同时，编织的制作工艺能使获得的阳极筒自带空隙以作为导通孔，从而不妨碍液体的运动，比如说含镓生产母液在阳极筒的筒壁上的往复流动，确保整个电解反应的顺利进行。因此，本发明的制作成本较低。
4、本发明一种含镓生产母液的电解回收装置及使用方法中，在应用时，将含镓生产母液限定为只需包括GaO2 —、AlO2 —、OH—，以及至少一种金属阳离子即可，而不做过多的限定，以使本发明几乎能适用于所有含GaO2 —的溶液，更不用提现有技术中应用最广泛的氧化铝生产母液，不仅扩大了本发明的应用范围，而且能够增强回收应用效果。因此，本发明不仅适用范围较广，而且提取回收的效果较好。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是图1的剖视图。
图3是本发明中阳离子隔膜筒的立体结构示意图。
图4是本发明中碳颗粒柱的结构示意图。
图5是本发明中阳极筒的立体结构示意图。
图中：电解槽1、含镓生产母液11、液位线12、阳极筒2、阳离子隔膜筒3、隔筒顶板31、隔筒侧围32、隔筒底板33、顶板出口34、阴极条4、输送管5、碳颗粒6、碳颗粒柱61、密封器皿7、槽底盒8、盒进口81、盒出口82。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1—图5，一种含镓生产母液的电解回收装置，包括电解槽1、阳极筒2、阳离子隔膜筒3、阴极条4与输送管5；
所述阳极筒2为两端开口的中空结构，阳极筒2的筒壁上开设有多个导通孔以供液体运动，阳极筒2的制作材质为惰性材料；
所述阳离子隔膜筒3包括隔筒侧围32及与其两端相连接的隔筒顶板31、隔筒底板33，所述隔筒侧围32的选择透过性为阻挡阴离子通过，允许阳离子通过；所述阳离子隔膜筒3的内部填充有多个碳颗粒6以形成碳颗粒柱61，该碳颗粒柱61的内部插设有阴极条4的底端，阴极条4的顶端穿经隔筒顶板31后向上延伸至阳离子隔膜筒3的上方；
所述隔筒底板33与密封器皿7的顶部相连通，密封器皿7的顶部的宽度大于或等于隔筒底板33的宽度，所述输送管5的顶端位于电解槽1的外部，输送管5的内端依次穿经电解槽1中的含镓生产母液11、密封器皿7的底部之后，上延伸至密封器皿7的内部；
所述阳离子隔膜筒3的外部套设有阳极筒2，阳极筒2的外部套设有电解槽1，电解槽1中含镓生产母液11的液位线12高于或平齐于阳离子隔膜筒3的顶端，所述阳极筒2的顶端高于液位线12，阳极筒2的底端低于或平齐于密封器皿7的底面。
所述阳极筒2的制作材质为碳、石墨、铂或金。
所述阳极筒2由多根碳纤维相互编织而成。
所述阳离子隔膜筒3的制作材质为磺酸型的阳离子膜。
所述电解槽1的底面与槽底盒8的顶面相连接，槽底盒8的内部为中空结构，槽底盒8的底部向下延伸，且在槽底盒8的顶面上开设有盒进口81、盒出口82；所述输送管5的内端依次穿经电解槽1中的含镓生产母液11、盒进口81、槽底盒8的内腔、盒出口82、密封器皿7的底部之后，上延伸至密封器皿7的内部。
所述输送管5为蠕动泵管。
所述碳颗粒6在阳离子隔膜筒3内部的填充形态为充满，所述隔筒顶板31上开设有顶板出口34，所述阴极条4的底端位于碳颗粒柱61的内部，阴极条4的顶端依次穿经碳颗粒柱61、顶板出口34后延伸至阳离子隔膜筒3的上方。
所述阴极条4由多根碳纤维交织而成。
一种上述含镓生产母液的电解回收装置的使用方法，包括以下步骤：
所述含镓生产母液11包括GaO2 —、AlO2 —、OH—，以及至少一种金属阳离子；
所述使用方法包括以下步骤：先在电解槽1中充入含镓生产母液11以使含镓生产母液11的液位线12高于或平齐于阳离子隔膜筒3的顶端，同时，阳极筒2的顶端高于液位线12，再通过输送管5向密封器皿7的内部输入含镓生产母液11，然后对阳极筒2的顶部、阴极条4通电，以进行电解，在电解的过程中，析出的镓物质附着在碳颗粒柱61中的碳颗粒6上。
所述含镓生产母液11包括0.05—0.6 g/L的NaGaO2，100—140 g/L的NaOH，60—100g/L的NaAlO2。
本发明的原理说明如下：
本发明中阳离子隔膜筒3的选择透过性为阻挡阴离子通过，允许阳离子通过是指：阻挡阴离子由内至外运动，阴离子因为同性排斥而不能通过，而带有正电荷的阳离子就可以通过阳离子隔膜筒3，所以具有选择透过性。
本发明中的密封器皿7为中空结构，优选为PET塑料器皿，该塑料器皿的顶端与隔筒底板33相连接（塑料器皿的顶端的宽度大于或等于隔筒底板33的宽度），塑料器皿的底端与蠕动泵管连接。
本发明中优选阳极筒2 的内侧壁与阳离子隔膜筒3的外侧壁相贴敷，该设计利于阴、阳极都浸泡在电解液（即含镓生产母液）中，以使阴极（主要是碳颗粒柱61）与电解液的接触面积尽可能的大，从而使镓在阴极的析出量尽可能的大。
实施例1：
参见图1—图5，一种含镓生产母液的电解回收装置，包括电解槽1、阳极筒2、阳离子隔膜筒3、阴极条4与输送管5；所述阳极筒2为两端开口的中空结构，阳极筒2的筒壁上开设有多个导通孔以供液体运动，阳极筒2的制作材质为惰性材料；所述阳离子隔膜筒3包括隔筒侧围32及与其两端相连接的隔筒顶板31、隔筒底板33，所述隔筒侧围32的选择透过性为阻挡阴离子通过，允许阳离子通过；所述阳离子隔膜筒3的内部填充有多个碳颗粒6以形成碳颗粒柱61，该碳颗粒柱61的内部插设有阴极条4的底端，阴极条4的顶端穿经隔筒顶板31后向上延伸至阳离子隔膜筒3的上方；所述隔筒底板33与密封器皿7的顶部相连通，密封器皿7的顶部的宽度大于或等于隔筒底板33的宽度，所述输送管5的顶端位于电解槽1的外部，输送管5的内端依次穿经电解槽1中的含镓生产母液11、密封器皿7的底部之后，上延伸至密封器皿7的内部；所述阳离子隔膜筒3的外部套设有阳极筒2，阳极筒2的外部套设有电解槽1，电解槽1中含镓生产母液11的液位线12高于或平齐于阳离子隔膜筒3的顶端，所述阳极筒2的顶端高于液位线12，阳极筒2的底端低于或平齐于密封器皿7的底面。
一种上述含镓生产母液的电解回收装置的使用方法，包括以下步骤：所述含镓生产母液11包括GaO2 —、AlO2 —、OH—，以及至少一种金属阳离子；所述使用方法包括以下步骤：先在电解槽1中充入含镓生产母液11以使含镓生产母液11的液位线12高于或平齐于阳离子隔膜筒3的顶端，同时，阳极筒2的顶端高于液位线12，再通过输送管5向密封器皿7的内部输入含镓生产母液11，然后对阳极筒2的顶部、阴极条4通电，以进行电解，在电解的过程中，析出的镓物质附着在碳颗粒柱61中的碳颗粒6上。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
只对碳颗粒柱61的长度进行调整，以获得不同的镓回收率的测试结果如下所示：
镓回收率
（母液镓初始浓度-电解后母液中镓浓度）/母液镓初始浓度；
由上方测试数据可知，当碳颗粒柱61长10cm时，镓的回收率为14.97%；当碳颗粒柱61长30cm时，镓的回收率为49.70%；当碳颗粒柱61长50cm时，镓的回收率为51.14%，可见，碳颗粒柱61长在30cm以上的时候，镓的提取效果最好，镓的回收率在50%左右，且有趋向于稳定吸附的趋势。结合成本以及操作简便性考虑，本设计优选碳颗粒柱61的长度为30cm。
实施例3：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
所述阳极筒2的制作材质为碳、石墨、铂或金，优选阳极筒2由多根碳纤维相互编织而成。
实施例4：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
所述电解槽1的底面与槽底盒8的顶面相连接，槽底盒8的内部为中空结构，槽底盒8的底部向下延伸，且在槽底盒8的顶面上开设有盒进口81、盒出口82；所述输送管5的内端依次穿经电解槽1中的含镓生产母液11、盒进口81、槽底盒8的内腔、盒出口82、密封器皿7的底部之后，上延伸至密封器皿7的内部。所述输送管5为蠕动泵管。
实施例5：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
所述含镓生产母液11包括0.05—0.6 g/L的NaGaO2，100—140 g/L的NaOH，60—100g/L的NaAlO2，进一步优选含镓生产母液11包括0.3 g/L的NaGaO2，120 g/L的NaOH，80g/L的NaAlO2。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种含镓生产母液的电解回收装置，其特征在于：所述电解回收装置包括电解槽（1）、阳极筒（2）、阳离子隔膜筒（3）、阴极条（4）与输送管（5）；
所述阳极筒（2）为两端开口的中空结构，阳极筒（2）的筒壁上开设有多个导通孔以供液体运动，阳极筒（2）的制作材质为惰性材料；
所述阳离子隔膜筒（3）包括隔筒侧围（32）及与其两端相连接的隔筒顶板（31）、隔筒底板（33），所述隔筒侧围（32）的选择透过性为阻挡阴离子通过，允许阳离子通过；所述阳离子隔膜筒（3）的内部填充有多个碳颗粒（6）以形成碳颗粒柱（61），该碳颗粒柱（61）的内部插设有阴极条（4）的底端，阴极条（4）的顶端穿经隔筒顶板（31）后向上延伸至阳离子隔膜筒（3）的上方；
所述隔筒底板（33）与密封器皿（7）的顶部相连通，密封器皿（7）的顶部的宽度大于或等于隔筒底板（33）的宽度，所述输送管（5）的顶端位于电解槽（1）的外部，输送管（5）的内端依次穿经电解槽（1）中的含镓生产母液（11）、密封器皿（7）的底部之后，上延伸至密封器皿（7）的内部；
所述阳离子隔膜筒（3）的外部套设有阳极筒（2），阳极筒（2）的外部套设有电解槽（1），电解槽（1）中含镓生产母液（11）的液位线（12）高于或平齐于阳离子隔膜筒（3）的顶端，所述阳极筒（2）的顶端高于液位线（12），阳极筒（2）的底端低于或平齐于密封器皿（7）的底面。
2.根据权利要求1所述的一种含镓生产母液的电解回收装置，其特征在于：所述阳极筒（2）的制作材质为碳、石墨、铂或金。
3.根据权利要求2所述的一种含镓生产母液的电解回收装置，其特征在于：所述阳极筒（2）由多根碳纤维相互编织而成。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种含镓生产母液的电解回收装置，其特征在于：所述阳离子隔膜筒（3）的制作材质为磺酸型的阳离子膜。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种含镓生产母液的电解回收装置，其特征在于：所述电解槽（1）的底面与槽底盒（8）的顶面相连接，槽底盒（8）的内部为中空结构，槽底盒（8）的底部向下延伸，且在槽底盒（8）的顶面上开设有盒进口（81）、盒出口（82）；所述输送管（5）的内端依次穿经电解槽（1）中的含镓生产母液（11）、盒进口（81）、槽底盒（8）的内腔、盒出口（82）、密封器皿（7）的底部之后，上延伸至密封器皿（7）的内部。
6.根据权利要求5所述的一种含镓生产母液的电解回收装置，其特征在于：所述输送管（5）为蠕动泵管。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种含镓生产母液的电解回收装置，其特征在于：所述碳颗粒（6）在阳离子隔膜筒（3）内部的填充形态为充满，所述隔筒顶板（31）上开设有顶板出口（34），所述阴极条（4）的底端位于碳颗粒柱（61）的内部，阴极条（4）的顶端依次穿经碳颗粒柱（61）、顶板出口（34）后延伸至阳离子隔膜筒（3）的上方。
8.根据权利要求1、2或3所述的一种含镓生产母液的电解回收装置，其特征在于：所述阴极条（4）由多根碳纤维交织而成。
9.一种权利要求1所述的含镓生产母液的电解回收装置的使用方法，其特征在于所述使用方法包括以下步骤：
所述含镓生产母液（11）包括GaO2 —、AlO2 —、OH—，以及至少一种金属阳离子；
所述使用方法包括以下步骤：先在电解槽（1）中充入含镓生产母液（11）以使含镓生产母液（11）的液位线（12）高于或平齐于阳离子隔膜筒（3）的顶端，同时，阳极筒（2）的顶端高于液位线（12），再通过输送管（5）向密封器皿（7）的内部输入含镓生产母液（11），然后对阳极筒（2）的顶部、阴极条（4）通电，以进行电解，在电解的过程中，析出的镓物质附着在碳颗粒柱（61）中的碳颗粒（6）上。
10.根据权利要求9所述的一种含镓生产母液的电解回收装置的使用方法，其特征在于：
所述含镓生产母液（11）包括0.05—0.6 g/L的NaGaO2，100—140 g/L的NaOH，60—100g/L的NaAlO2。
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