CN116583629A

CN116583629A - 电解质中的杂质去除

Info

Publication number: CN116583629A
Application number: CN202180079016.4A
Authority: CN
Inventors: L·迪阿斯托尔福; X·刘; L·米克尔森; A·G·马基; J·福什
Original assignee: Alcoa USA Corp
Current assignee: Alcoa USA Corp
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2023-08-11
Also published as: AU2021386476A1; WO2022109725A1; CA3197049A1; US20240003030A1; EP4251791A1; ZA202305470B; DK202370307A1

Abstract

公开了一种在将电解浴与用于制造金属(例如铝或铝)的电解池一起使用之前去除电解浴中的杂质的净化器组件和方法。该装置包括位于池上游用于容纳浴的净化罐；以及至少一排，优选至少两排交替的垂直取向的阴极和阳极，该阴极和阳极被配置为可操作地连接到电源用于向阳极和阴极提供电流。垂直取向的阴极和阳极排的尺寸被配置为插入罐中。净化器组件被配置为保持阴极和阳极之间的阴阳极间距(ACD)。该净化器特别适用于去除冰晶石中的硫、磷、铁和/或镓，以通过使用析氧阳极或惰性阳极的电池进行铝的生态友好生产，这优选需要更纯的浴。

Description

电解质中的杂质去除

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2020年11月24日向美国专利商标局提交的标题为“电解浴净化装置和方法”的第63/117,483号美国临时专利申请的优先权权益，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本专利申请一般地涉及电解池的熔融电解浴的净化，该电解池例如用于生产金属，例如铝。

背景技术

铝金属(也称为铝)是通过在多个电解池中包含的约750–1000℃的熔融电解质的电解浴中电解氧化铝(也称为氧化铝(aluminium oxide)(IUPAC))生产的。所述电池具有坩埚，所述坩埚包括含有碳质阴极材料的钢壳、钢制电流传导棒和能够含有电解质的耐火绝缘材料、至少一个阴极和至少一个阳极。

通过阳极、电解质和阴极的直流电引起氧化铝还原反应，并且还能够通过焦耳效应将电解浴维持在目标操作温度下。电解池定期供应氧化铝，以补偿电解反应引起的氧化铝消耗。

在传统的Hall-Heroult工艺中，阳极由碳制成，并在电解反应过程中消耗。阳极需要在3至4周后更换。碳质材料的消耗在大气中释放出大量的二氧化碳。

铝生产商一直在寻找由非消耗性材料制成的阳极，称为“惰性阳极”或“析氧阳极”，以避免与碳质材料制成的阳极的制造和使用相关的环境问题和成本。已经提出了几种材料，特别是陶瓷材料(如SnO₂和铁氧体)、金属材料和复合材料，如含有陶瓷相和金属相的被称为“金属陶瓷”的材料，特别是含有金属铜基相的镍铁氧体。

在开发用于通过电解生产铝的惰性阳极时遇到的问题不仅在于用于制备阳极的材料的选择和制造，还在于使用包括高纯度电解质的电解浴，该高纯度电解质已被净化以去除不需要的电化学活性杂质，如硫、磷、铁、镍、铬、铜和镓。

现有的解决方案将需要过多的空间以在商业熔池熔化器中实施。

因此，需要一种新的净化器系统，该净化器系统特别适用于使用垂直阳极和阴极布置，特别是使用惰性阳极或析氧阳极，去除电解浴或电解池的电解质中的杂质。

发明内容

现有技术的缺点通常通过一种新的净化器组件和用于净化电解池的电解浴的方法来减轻，该电解池通常用于电解生产金属，例如铝。

首先公开了一种净化器组件，用于在将电解浴用于制备金属的电解池中之前去除电解浴中的杂质，该净化器组件包括：位于电解池上游并配置为容纳电解浴的至少一部分的净化罐；以及至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极，其被配置为可操作地连接到用于向阳极和阴极提供电流的电源，其中所述至少一排垂直取向的阴极和阳极在尺寸上被配置为插入到净化罐中；并且其中所述净化器组件被配置为在每个所述垂直取向的阴极或阳极之间提供并维持阴阳极间距(ACD)。

根据一个优选实施方案，净化器组件还包括至少两排平行的交替的垂直取向的阴极和阳极，一排中的每个阳极或阴极分别与相邻平行排的另一个阳极或阴极相邻，从而形成垂直取向的阴极和阳极的交替列的阵列。

根据一个优选实施方案，净化器组件还包括：至少一个阳极连接轨道，所述阳极连接轨道被配置为可操作地连接到电源，每个阳极连接轨道都被配置为支撑一排垂直取向的阳极，并且被配置为以并联布置将阳极彼此电连接；以及至少一个阴极连接轨道，所述阴极连接轨道被配置为可操作地连接到电源，每个阴极连接轨道都被配置为支撑一排垂直取向的阴极，并且被配置为以并联布置将阴极彼此电连接。优选地，至少一个阳极和阴极连接轨道被配置为相对于净化罐中的电解浴在期望的位置处独立地移动。更优选地，至少一个阴极连接轨道被配置为将阴极完全浸入电解浴的浴-蒸汽界面下方。

根据一个优选实施方案，阳极或阴极中的每一个包括纵向杆，该纵向杆的一端连接到阳极体或阴极板，并且相对端被配置为分别可操作地连接到阳极连接轨道或阴极连接轨道。优选地，阳极体和阴极板中的每一个都具有连接到它们各自的杆的顶端，当电极排浸入电解浴中时，阴极的顶端位于阳极的顶端下方，以便使阴极板完全浸入浴中。

根据一个优选实施方案，阳极体包括碳或石墨，阴极板包括钢或不锈钢，并且纵向杆包括钢或不锈钢。

根据一个优选实施方案，阳极和阴极中的每一个还包括围绕纵向杆的保护套筒，用于保护纵向杆免受腐蚀。优选地，纵向套筒包括：待生产的金属的金属氧化物，当待生产金属为铝时，所述金属氧化物为氧化铝；半贵金属，例如铜；或碳化硅(SiC)。

根据一个优选实施方案，净化器组件还包括支撑结构，用于将至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极固定在相对于净化罐的位置。优选地，连接轨道被固定到支撑结构，用于加强和稳定阳极和阴极的位置。

根据一个优选实施方案，支撑结构的尺寸被配置为关闭净化罐的顶部开口并密封罐。优选地，支撑结构被配置为提供绝缘、耐腐蚀性和在顶部开口关闭时防止气体从净化罐中逸出，然后净化罐配备有用于安全地收集阳极气体的气体出口。

根据一个优选实施方案，净化罐可以属于熔化器，熔化器用于熔化所述电解浴的干(固体)浴。

根据一个优选实施方案，至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极形成紧凑阵列，ACD范围为约1cm至约5cm，优选为约2.5cm。

根据一个优选实施方案，电源包括直流整流器。

根据一个优选实施方案，由电解池生产的金属是铝，然后电解浴包括冰晶石和添加剂，并且要去除的杂质包括硫、磷、铁、镍、铬、铜、镓或其混合物。

还公开了一种在用于制备金属的电解池中使用电解浴之前去除电解浴中的杂质的方法，该方法包括以下步骤：

将至少一部分待净化的电解浴注入位于电解池上游的净化罐中；

将至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极定位到净化罐中，所述阴极和阳极被配置为可操作地连接到用于向阳极和阴极提供电流的电源，至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极在尺寸上被配置为插入净化罐中，并且在每个垂直取向的阴极或阳极之间提供并维持阴阳极间距离(ACD)；以及

在阳极和阴极之间施加电流达一时间段以去除电解浴中的杂质。

根据一个优选实施方案，每个阴极包括阴极板，阴极被定位在电解浴中，以便完全浸没在电解浴中。

根据一个优选实施方案，当待净化的电解浴是干电解浴时，该方法还包括以下步骤：

在将所述电解浴的至少一部分注入净化罐之前熔化干浴；或者

在净化罐中直接熔化干浴。

根据一个优选实施方案，电流是使用直流整流器施加的直流电。

根据一个优选实施方案，施加电流包括在调整通过净化器组件的总电荷之前测量浴中存在的杂质的量，净化器组件包括所述净化罐和所述至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极。优选地，总电荷为每千克待净化的电解浴约0.1至约10安培小时(Ah)，更优选为每千克待净化的电解浴约0.3至约4.0安培小时(Ah)。

根据一个优选实施方案，阴极的电流密度为约0.004A/cm²至约0.4A/cm²，优选为约0.1A/cm²至约0.3A/cm²。

根据一个优选实施方案，包括一排交替的垂直取向的阴极和阳极与净化罐的净化器组件两端的电压为约0.5V至约2.5V。

根据一个优选实施方案，时间段为约1小时至约150小时，优选为约24小时至约96小时。

根据一个优选实施方案，该方法还包括增加电流密度，用于增加比电荷(Ah/kg浴)、减少净化时间段或其组合。

根据一个优选实施方案，该方法还包括从净化槽中去除阴极以及去除积聚在阴极上的固体杂质。

根据一个优选实施方案，由电解池生产的金属是铝，然后浴包括冰晶石和添加剂，要去除的杂质包括硫、磷、铁、镍、铬、铜、镓或其混合物。优选地，添加剂包括氟化钠、氟化铝、氟化钙和/或氧化铝。

还公开了一种用于净化位于电解池上游的净化罐中的电解浴的净化器组件，所述浴一旦净化就用于所述电解池中制备金属。净化器组件包括紧凑阵列中的交替阳极和阴极，紧凑阵列的尺寸被配置为插入净化罐中；并且净化器组件被配置为可操作地连接到位于净化罐外部的电源用于向阳极和阴极提供电流。

还公开了一种用于净化电解池的电解浴的方法，该方法包括以下步骤：

a)将电解浴装入净化罐中；

b)将本文公开的净化器组件的阳极和阴极插入罐中，直到阳极和阴极至少部分地浸入电解浴中；以及

c)在阳极和阴极之间施加电流一段给定的时间，以去除浴中的杂质。

本发明特别适用于使用需要更高纯度的浴的惰性阳极或析氧阳极净化电解池的电解浴。已经发现，通过将直流电浸入石墨或碳阳极并使其通过钢或金属阴极达一时间段来净化电解浴，足以将各种杂质，如Fe、Ni、Cr、Cu、S和P，作为固体金属和化合物沉积在阴极上，以及从阳极释放额外的杂质，如二氧化硫气体。

通过阅读将要描述或将在所附权利要求中指示的说明性实施方案，将更好地理解本发明的其他和进一步的方面和优点，并且在实践中应用本发明时，本领域技术人员将会想到本文未提及的各种优点。

附图说明

通过以下描述并且参考附图，本发明的上述和其他方面、特征和优点将变得更加明显，其中：

图1是根据一个优选实施方案的净化器组件的示意图；

图2是根据一个优选实施方案的位于电解池上游的净化器组件的示意图；

图3是根据一个优选实施方案的阳极的三维图；

图4是根据一个优选实施方案的阴极的三维图；

图5是根据一个优选实施方案的净化器组件的电极的三维图；

图6A是根据另一个优选实施方案的净化器组件的顶部等距图；

图6B是图6A所示净化器组件电极的底部等距图；

图6C是图6A和图6B所示电极和护栏的顶部等距图；

图6D是图6C所示电极和护栏的底部等距图；

图7A是根据另一个优选实施方案的净化器组件的电极和护栏的等距图；

图7B是图7A所示净化器组件的电极和护栏的前平面视图；

图7C是图7A和图7B所示护栏的近距离视图；

图7D是图7A和图7B所示电极7的近距离视图；

图8是说明根据另一个优选实施方案的去除电解质装置中的杂质的方法的流程图；

图9是根据另一个优选实施方案的两排电极的顶部等距图；和

图10是根据另一个优选实施方案的净化器组件的横截面视图，其中图9所示的两排电极插入到净化罐中。

具体实施方式

下文将描述一种新净化器组件和方法。尽管本发明是根据具体的说明性实施方案来描述的，但是应当理解，本文所描述的实施方案仅仅是示例性的，并且本发明的范围不旨在由此受到限制。

本文使用的术语符合以下所述定义。

如本文使用的，％或wt.％是指重量％，除非另有说明。当在本文中使用时，％是指与所讨论的相或组合物的总重量百分比相比的重量％。

“约”是指距离(cm)、重量％(wt.％)、安培数(A)、电压(V)、时间(秒、小时或天)、电阻、体积或温度(℃)的值可以在一定范围内变化，这取决于用于评估这些距离、重量％、时间、电阻、体积或温度的方法或装置的误差幅度。10％的误差幅度一般是可接受的。

下面的描述以及其中描述的实施方案是通过说明本发明的原理和方面的特定实施方案的实例来提供的。提供这些实例是为了解释而非限制本发明的那些原理。在下面的描述中，相同的部件和/或步骤在整个说明书和附图中用相同的相应引用数字标记。

如上所述，本文公开的本发明涉及一种用于去除电解池的电解浴或电解质中的杂质的装置，也称为净化器组件。电解池优选用于制造金属，例如铝。当要生产的金属是铝时，那么电解质包括冰晶石，并且要去除的杂质包括硫、磷、铁、镓或其混合物

图1和图2是根据本发明的原理的净化系统的示意图。

净化器组件100允许净化位于电解池200上游的净化罐104中的电解浴102或去除其中的杂质(图2)。可以提供入口101以将电解质引入到罐104中。浴102一经净化就转移到电解池200中用于制造金属。浴102一经净化就可以通过在将其倾倒到池中之前将其虹吸到坩埚中而转移109到池200。可以考虑将净化后的电解质从净化器组件转移到电解池的其他方式。

如图1和图2所示，浴形成浴-蒸汽界面103。如上所述，当要生产的金属是铝时，电解浴通常包括冰晶石和添加剂。优选地，添加剂包括氟化钠、氟化铝、氟化钙和/或氧化铝。

净化器组件100可包括一排或多排交替的垂直取向的阳极112和阴极114，优选形成一排(例如参见图6和图7)、两排(例如参见图5)或多排的交替阳极和阴极的紧凑阵列。电极的尺寸被配置为插入或浸入到净化罐104中。然后，净化器组件100可操作地连接到电源120，电源120优选地位于净化罐104外部，并且可操作地连接阳极和阴极以向阳极和阴极提供电流。

本文公开的净化器组件包括阳极和阴极，优选为紧凑阵列形式。阳极的阳极体可以包括碳，优选石墨。阴极通常是由钢或不锈钢制成的阴极板。所有的阳极以并联布置的方式彼此电连接。同样地，阴极优选地以并联布置的方式彼此连接。本文公开的净化器组件被配置为可操作地连接到电源，优选地包括提供直流电的直流整流器。

如图1、图5-7所示，一排113的每个阳极112可以连接到阳极连接轨道或护栏116，而同一排的每个阴极114连接到阴极连接轨道或护栏118。阳极和阴极连接轨道116、118可操作地连接到电源120，优选直流整流器，用于产生直流电，该直流电将穿过浸没在净化罐110中的阳极112和阴极114。优选地，将阴极完全浸没到浴中以避免或限制其腐蚀。

根据一个优选实施方案，如图5和图9所示，净化器组件100包括两排113、115，这两排由紧凑阵列中的多个平行交替的阳极112和阴极114组成。

如本文使用的，“紧凑阵列”是指阴阳极间距(ACD)达约5cm，优选为1cm至3cm，甚至更优选为约2.5cm。阴阳极间距名义上为约2.5cm，但可以变化。

根据一个优选实施方案，阳极连接轨道116被配置为支撑阳极112并以并联布置将阳极112彼此电连接。阳极和阴极连接轨道优选地被配置为相对于净化罐中的电解浴在期望的位置处独立地移动。如图9所示，阳极体121和阴极板141中的每一个都具有连接到它们各自的杆122、142的顶端121a、141a。当电极排浸入电解浴中时，阴极的顶端121a位于阳极的顶端141a下方，以便使阴极板完全浸入浴中或浴-蒸汽界面下方。这有利地保护优选由下文详述的钢制成的阴极板，使其免受界面上方蒸汽的腐蚀。

根据图3所示的一个优选实施方案，每个阳极112包括阳极体121和纵向杆122，用于将每个阳极体电连接到阳极连接轨道116。纵向杆122可以由任何合适的导电材料制成，并且可以是螺纹的，用于使用例如不锈钢紧固件将纵向杆122牢固地电连接到连接轨道116。阳极体121可以包括碳或石墨。

例如，如图6C和图7C所示，阳极连接轨道116可以包括多个开口117，这些开口被配置为接收和保持阳极杆。优选地，开口117沿着轨道116定位在距另一开口约2cm至10cm的位置，以保持例如当阳极连接轨道116和阴极连接轨道118在净化装置中被“夹”在一起时为约1cm至5cm的阴阳极间距(ACD)。如图7C所示，每个轨道都可以是一个具有横向延伸部116b、118b的和平元件，允许轨道116、118的开口117、119以两个轨道的所有开口对齐的方式掺杂，以形成电极排113。例如，图6C示出了轨道的另一个实施方案，其中每个轨道包括主纵向元件116a，延伸部116b铰接固定在该主纵向元件上，开口117位于延伸部116b的端部。

两个阳极开口之间的中心间距可以是ACD加上一个阳极体121和一个阴极板141的厚度的两倍。对于下文所述的阴极轨道而言，它可以是相同的。两个阳极的表面或面之间的距离通常是ACD加上位于两个阳极体121之间的阴极板141的厚度的两倍。

阳极112可以进一步包括套筒123，用于封装和保护纵向杆122免受电解浴和蒸汽的影响，优选地与阳极板相邻。套筒优选为圆柱形，并且可以使用紧固件等可拆卸地固定到支撑结构或隔膜板上。套筒优选地由待生产的金属的金属氧化物制成。例如，用于生产铝的阳极包括由金属氧化物制成的套筒，该金属氧化物包括氧化铝(aluminum oxide、或alumina)，或者也包括含硅材料如碳化硅。另一种选择是使用铜作为套筒。

根据一个优选实施方案，阳极是牺牲阳极，优选地包括碳或石墨。阳极可以使用例如螺纹连接124连接到杆122，如图6D所示，例如其中一个阳极被透明地示出以显示阳极体中的连接。

根据一个优选实施方案，净化器组件还包括阴极连接轨道118，该阴极连接轨道被配置为与阳极连接轨道116类似，用于沿着排113支撑阴极并以并联布置将阴极彼此电连接。

根据图4所示的一个优选实施方案，每个阴极114优选包括阴极板141和纵向杆142，用于将每个阴极板电连接到阴极连接轨道118。纵向杆142可以由任何合适的导电材料(优选钢)制成，并且可以是螺纹的，用于使用例如不锈钢紧固件将纵向杆122牢固地电连接到连接轨道116。阴极连接轨道118包括多个开口119，每个开口距离另一个开口约2cm至10cm以保持当阳极连接轨道116和阴极连接轨道118在净化装置中被“夹”在一起时为约1cm至5cm的阴阳极间距(ACD)。对于阳极轨道，阴极轨道的两个阴极开口之间的中心间距可以是ACD加上一个阳极体121和一个阴极板141的厚度的两倍。两个阴极板表面之间的距离可以是ACD加上一个阳极厚度的两倍。

阴极114可以进一步包括套筒143，用于在纵向杆的邻近阴极板的区域中封装纵向杆142并保护纵向杆142不受电解浴的影响。套筒143优选为圆柱形，并且可以使用紧固件等可拆卸地固定到支撑结构或隔膜板上。套筒优选由将在下游应用中生产的金属的金属氧化物制成。例如，用于生产铝的阴极将包括由包括氧化铝(aluminum oxide、或alumina)的金属氧化物制成的套筒。半贵金属(例如铜)以及含硅材料(例如碳化硅)也被发现可以很好地用作套筒材料。

根据一个优选实施方案，阴极板141包括钢，优选不锈钢。当板141和杆142由相同的金属或合金(如钢)制成时，可以使用连续焊接144将两者连接在一起，如图4所示。可以使用用于阴极的其他材料，只要该材料导电并且在与电解浴和气体接触时耐腐蚀即可。非限制性实例为钢、镍、铜或碳。

根据图5所示的另一个实施方案，净化器组件100的电极可以安装在支撑结构150上，用于将电极112、114固定在相对于净化罐104的所需位置。支撑结构可以包括桥接件152，例如图6A、图6B或图7A、图7B所示的桥接件，用于在罐104上方移动和支撑电极。电极阵列112、114可以使用紧固件和螺纹纵向杆安装到支撑结构上。因此，阳极和阴极被固定到护栏116、118和支撑结构150上。护栏116、118也可以固定在支撑结构150上，以加强和稳定电极112、114的位置。

根据另一个实施方案，净化器组件被配置用于改变阴阳极间距(ACD)。如图6D所示，支撑元件150可以包括细长狭槽154，以允许杆的横向运动。中心电极114c，优选阴极，可以固定作为参考点，而其他阴极和阳极可以横向移动以调节ACD。

如图2和图10所示，净化器组件100的支撑结构150的尺寸也可以配置为关闭净化器100的罐104的顶部开口105。支撑结构150还可以提供绝缘、耐腐蚀和防止气体从罐中逸出。如图2所示，罐104可以配备有气体出口107用于安全地收集阳极气体。

如图9所示，净化器组件的支撑结构150还可以包括几个连接元件156，用于连接支撑结构和电极，并将它们移入和移出罐104。

还公开了一种用于从电解浴或电解池的电解质中去除杂质的方法。

首先参考图2，例如通过入口101，将未净化的粗电解质浴102转移到净化罐104中。电极112、114被浸入到粗浴102中。优选地，净化器组件100的阴极114的阴极板完全浸没在浴102中，从而限制在净化过程中位于浴-蒸汽界面103上方的阴极板顶端的腐蚀。电源120，例如直流(DC)整流器，然后被激活以将直流电供应到浸没在粗浴中的阳极和阴极。然后施加电流达一时间段，直到杂质沉积在阴极表面上或与阳极气体(如二氧化硫、硫化氢、硫化羰等)一起释放。然后可以将净化的浴102转移109到电解池200中用于下游应用，例如铝生产。

根据一个优选实施方案，例如图8所示的实施方案，在电解池中使用电解浴制造金属之前，去除电解浴中的杂质的方法1000包括以下步骤：

将至少一部分待净化的电解浴注入位于电解池上游的净化罐中1010；

将至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极定位到净化罐中，所述阴极和阳极被配置为可操作地连接到用于向阳极和阴极提供电流的电源，至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极在尺寸上被配置为插入净化罐中，并且在每个垂直取向的阴极或阳极之间提供并维持阴阳极间距离(ACD)1020；以及

在阳极和阴极之间施加电流达一时间段以去除电解浴中的杂质1030。

根据一个优选实施方案。当待净化的电解浴是干电解浴(例如固体冰晶石)时，方法1000还可以包括以下步骤：

在将所述电解浴的至少一部分注入净化罐之前熔化干浴1040；或者

在净化罐中直接熔化干浴1050。

根据一个优选实施方案，该方法包括在给干浴充电的步骤之前，将净化器组件安装到第一支撑结构上以将组件固定在期望位置的步骤。

待去除的杂质可以包括但不限于硫、磷、铁、镍、铬、铜和/或镓。积聚在阴极表面上的杂质被周期性地从其中去除，例如通过刮擦。通过气体出口107从罐中安全地回收气体杂质。

根据一个优选实施方案，待施加的电流量将取决于几个参数，例如净化器组件的电极数量，通常根据净化罐的尺寸和待净化的电解质的量来选择。例如，施加恒定的直流电，总电荷优选为每千克待净化的浴为约0.1至10安培小时，优选为约0.3至4.0安培小时。优选地，电流密度为约0.004A/cm²至约0.3A/cm²，优选为0.1A/cm²至约0.3A/cm²，并且净化组件两端的电压可为约0.5V至约2.5V。

根据一个优选实施方案，用于去除杂质的时间段可为1小时至约150小时，更优选为约24小时至约96小时。

根据一个优选实施方案，施加电流可以包括在调整通过阴极和阳极之间的电流的总电荷之前测量浴中存在的杂质的量。

根据一个优选实施方案，方法1000包括在净化1060之后去除阴极，以从中清洁并去除固体杂质。

根据一个优选实施方案，该方法还包括在开始电解之前将净化的浴加入电解池。

通过在一排或多排中使用多个电极，本发明提供了一种在小得多的横截面中实现期望的安培数和电极表面积的方法。这使得可以通过商业尺寸的浴熔化器的绝缘盖将净化器的电极安装在合理尺寸的工作端口内。

净化器组件的紧凑性质使本发明能够扩大规模，并使电极的电连接和通过绝缘盖中的工作端口安装的能力变得容易。

实施例

实施例1

下文所述的实验净化装置已经产生了用于中试单元设计基准的基本度量。所使用的指导度量是安培小时/千克浴。实验装置包括一个平板钢板阴极和一个圆柱形石墨阳极。由于只有一个阳极和一个阴极，因此阴极和阳极电流密度仅基于面向相对电极的一侧的面积(即总浸没表面积的50％)来计算。

表1：实验净化单元参数

实施例2

将实验单元的物理设计转变为需要更小占地面积的紧凑设计的商业设计。新的设计包括紧凑的电极板(与圆形相反)阵列，以实现所需的表面积。

表2：商业单元计算参数

为了测试商业设计，构建了一个雏形浴净化器，包括4个阳极和3个阴极的阵列，每个电极的形状为矩形，高19cm，宽6.35cm，ACD为2.54cm。阳极包括40mm厚的细粒石墨，并且阴极包括10mm厚的碳钢。将净化器浸入含有杂质的熔融浴中以到达电极到棒连接下方约2.5cm的水平。熔融浴优选为由氟化钠、氟化铝和氟化钙组成的熔融盐，并且通常与电解池中使用的熔融盐相同。将用于为净化器供电的直流整流器设置为7A恒定电流，并运行72小时。整流器电压最初从1.15V开始，并且在12小时后降至约0.7V。每隔12小时采集浴样品，并分析杂质。结果如下表3所示，单位为百万分之一(ppm)。

表3：72小时的净化中，每隔12小时浴中杂质的浓度

铁、硫、磷和镓在净化浴中被显著还原。从未净化浴中去除的大部分磷在阴极生长时积累。阴极生长是指在操作过程中沉积在阴极表面上。在阴极生长时还发现了Fe和Ga。相反，大部分硫在阳极以二氧化硫的形式释放，因为在阴极表面上没有发现从未净化浴中去除的硫。钙(Ca)在施加的电压下未被电解，而Mn和Cu没有显著变化。总之，该测试证明了使用本文公开的净化器组件从未净化浴中去除多种杂质的可行性。

虽然上面已经详细描述了本发明的说明性和当前优选的实施方案，但应当理解，本发明的概念可以以其他方式不同地体现和采用，并且所附权利要求旨在被解释为包括这样的变化，除非受到现有技术的限制。

Claims

1.一种在将电解浴用于制备金属的电解池中之前去除所述电解浴中的杂质的净化器组件，所述净化器组件包括：

净化罐，所述净化罐位于电解池上游并且被配置为容纳所述电解浴的至少一部分；和

至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极，所述阴极和阳极被配置为可操作地连接到用于向所述阳极和阴极提供电流的电源，

其中所述至少一排垂直取向的阴极和阳极的尺寸被配置为插入所述净化罐中；并且

其中所述净化器组件被配置为在每个所述垂直取向的阴极或阳极之间提供并保持阴阳极间距(ACD)。

2.根据权利要求1所述的净化器组件，所述净化器组件包括至少两排平行的交替的垂直取向的阴极和阳极，一排中的每个阳极或阴极分别与相邻平行排的另一个阳极或阴极相邻，从而形成垂直取向的阴极和阳极的交替列的阵列。

3.根据权利要求1或2所述的净化器组件，所述净化器组件还包括：

至少一个阳极连接轨道，所述阳极连接轨道被配置为可操作地连接到所述电源，每个所述阳极连接轨道均被配置为支撑一排垂直取向的阳极，并且以并联布置将所述阳极彼此电连接；和

至少一个阴极连接轨道，所述阴极连接轨道被配置为可操作地连接到所述电源，每个所述阴极连接轨道均被配置为支撑一排垂直取向的阴极，并且以并联布置将所述阴极彼此电连接。

4.根据权利要求3所述的净化器组件，其中所述至少一个阳极连接轨道和阴极连接轨道被配置为相对于所述净化罐中的所述电解浴在期望的位置处独立地移动。

5.根据权利要求4所述的净化器组件，其中所述至少一个阴极连接轨道被配置为将所述阴极完全浸入所述电解浴的浴-蒸汽界面下方。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的净化器组件，其中所述阳极或阴极中的每一个均包括纵向杆，所述纵向杆的一端连接到阳极体或阴极板，并且相对端被配置为分别可操作地连接到所述阳极连接轨道或阴极连接轨道。

7.根据权利要求6所述的净化器组件，其中所述阳极体和阴极板中的每一个均具有连接到它们各自的杆的顶端，当所述电极排浸入所述电解浴中时，所述阴极的顶端位于所述阳极的顶端下方，以便使所述阴极板完全浸入所述浴中。

8.根据权利要求6或7所述的净化器组件，其中所述阳极体包括碳或石墨，所述阴极板包括钢或不锈钢，并且所述纵向杆包括钢或不锈钢。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的净化器组件，其中所述阳极和阴极中的每一个还包括围绕所述纵向杆的保护套筒，用于保护所述纵向杆免受腐蚀。

10.根据权利要求9所述的净化器组件，其中所述纵向套筒包括：

待生产的所述金属的金属氧化物，当待生产的所述金属为铝时，所述金属氧化物为氧化铝；

半贵金属，例如铜；或

碳化硅(SiC)。

11.根据权利要求3至10中任一项所述的净化器组件，所述净化器组件还包括支撑结构，用于将所述至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极固定在相对于所述净化罐的位置。

12.根据权利要求11所述的净化器组件，其中所述连接轨道被固定到所述支撑结构，用于加强和稳定所述阳极和阴极的位置。

13.根据权利要求11或12所述的净化器组件，其中所述支撑结构的尺寸被配置为关闭所述净化罐的顶部开口并密封所述罐。

14.根据权利要求13所述的净化器组件，其中所述支撑结构被配置为提供绝缘、耐腐蚀性且在所述顶部开口关闭时防止气体从所述净化罐中逸出，然后所述净化罐配备有用于安全地收集阳极气体的气体出口。

15.根据权利要求13所述的净化器组件，其中所述净化罐属于熔化器，所述熔化器用于熔化所述电解浴的干浴。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的净化器组件，其中所述至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极形成ACD范围为约1cm至约5cm的紧凑阵列。

17.根据权利要求14所述的净化器组件，其中所述ACD为约2.5cm。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的净化器组件，其中所述电源包括直流整流器。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的净化器组件，其中由所述电解池生产的所述金属是铝，然后所述电解浴包括冰晶石，并且所述要去除的杂质包括硫、磷、铁、镍、铬、铜、镓或其混合物。

20.一种在将电解浴用于制备金属的电解池中之前去除所述电解浴中的杂质的方法，所述方法包括以下步骤：

-将至少一部分待净化的电解浴注入位于电解池上游的净化罐中；

-将至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极定位到所述净化罐中，所述阴极和阳极被配置为可操作地连接到用于向所述阳极和阴极提供电流的电源，所述至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极在尺寸上被配置为插入所述净化罐中，并且在每个所述垂直取向的阴极或阳极之间提供并维持阴阳极间距(ACD)；以及

-在所述阳极和阴极之间施加所述电流一时间段以去除所述电解浴中的杂质。

21.根据权利要求20所述的方法，其中每个所述阴极均包括阴极板，所述阴极被定位在所述电解浴中，以完全浸没在所述电解浴中。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中当所述待净化的电解浴是干电解浴时，所述方法还包括以下步骤：

在将所述电解浴的至少一部分注入所述净化罐之前熔化所述干浴；或者

在所述净化罐中直接熔化所述干浴。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其中所述电流是使用直流整流器施加的直流电。

24.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其中施加所述电流包括在调整通过净化器组件的总电荷之前测量所述浴中存在的杂质的量，所述净化器组件包括所述净化罐和所述至少一排交替的垂直取向的阴极和阳极。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述总电荷为每千克待净化的电解浴约0.1至约10安培小时(Ah)。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述总电荷为每千克待净化的电解浴约0.3至约4.0安培小时(Ah)。

27.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其中所述阴极的电流密度为约0.004A/cm²至约0.4A/cm²。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述阴极的电流密度为约0.1A/cm²至约0.3A/cm²。

29.根据权利要求20至25中任一项所述的方法，其中包括所述一排交替的垂直取向的阴极和阳极与净化罐的净化器组件两端的电压为约0.5V至约2.5V。

30.根据权利要求20至29中任一项所述的方法，其中所述时间段为约1小时至约150小时。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述时间段为约24小时至约96小时。

32.根据权利要求20至31中任一项所述的方法，还包括增加电流密度，用于增加比电荷(Ah/kg浴)、减少所述净化时间段或其组合。

33.根据权利要求20至32中任一项所述的方法，其中所述方法还包括从所述净化罐中去除所述阴极并去除积聚在所述阴极上的固体杂质。

34.根据权利要求20至33中任一项所述的方法，其中由所述电解池生产的所述金属是铝，然后所述浴包括冰晶石和添加剂，并且所述要去除的杂质包括硫、磷、铁、镍、铬、铜、镓或其混合物。

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述添加剂包括氟化钠、氟化铝、氟化钙和/或氧化铝。