CN217052427U - 用于制备目标元素单质的电解设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于制备目标元素单质的电解设备，其中，所述电解设备包括电解室（20）、设置在所述电解室（20）中的阳极（30）和阴极（40），所述阴极设置为用于将含目标元素离子电化学还原形成目标元素。本申请的电解设备无需使用焦炭等碳基材料，避免了因此产生的过高能耗和因此引入的杂质，并且能够至少降低阳极产生的二氧化碳，从而能够高效、清洁地提取目标元素并能够保证目标元素的纯度达到要求。

Description

用于制备目标元素单质的电解设备

技术领域

本申请涉及资源回收领域，更具体地说，涉及一种用于制备目标元素单质的电解设备。

背景技术

在很多工业、生活的废物处理时会产生含有目标元素盐（如磷酸盐或硫酸盐）的固体粉末（例如钢渣），从其中可以回收目标元素，如磷（可以为黄磷（又称为白磷））或硫，一方面可以使用目标元素单质生产高附加值化学品，另一方面，经过目标元素单质提纯处理后，可以减小固体废物对环境的威胁并用于生产建筑材料。

现有技术中，很少使用类似污泥灰作为目标元素提取的原料。即使使用这种原料，基本上都是使用焦炭等碳基材料还原制取目标元素，不仅效率低、耗能高、排放大量CO₂，而且焦炭等材料会引入大量杂质，无法获得高纯度的目标元素单质。

因此，如何清洁、高效地从固体粉末中提取高纯度目标元素单质成为本领域需要解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提出了一种用于制备目标元素单质的电解设备，以清洁、高效地从含有目标元素盐的固体粉末中提取高纯度的目标元素。该目标元素可以为但不限于：硼（B）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）、砷（As）、硒（Se）、锑（Sb）、碲（Te）。

根据本申请，提出了一种用于制备目标元素单质的电解设备，其中，所述电解设备包括电解室、设置在所述电解室中的阳极和阴极，所述阴极设置为用于将含目标元素离子电化学还原形成目标元素单质，其中，所述阴极用于收集所述目标元素单质，或者所述阴极的上方设置有收集所述目标元素单质的收集装置。

可选的，所述阳极为惰性的析氧阳极。

可选的，所述阳极包括由氧离子导通的固体电解质制成的管和填充在所述管内的贵金属粉，所述贵金属粉通过导线与外部电源连接。

可选的，所述管为氧化锆基体的陶瓷管；所述贵金属粉为银粉、铂粉或金粉；优选的所述阳极与所述阴极之间的电压为1.8V-3.0V。

可选的，所述电解室包括连通所述管顶部的收集管道。

可选的，所述阳极包括具有贵金属外涂层的合金或者具有外表面复合氧化膜的镍基或钛基合金，所述电解设备包括设置在所述阳极上方的收集罩，所述阳极与所述阴极之间的电压优选为1.5V-2.5V。

可选的，所述阴极可拆卸地设置在所述电解室中。

可选的，所述收集装置包括罩设在所述阴极上方的蒸气塔和连接于所述蒸气塔且用于收集所述目标元素的冷凝器。

可选的，所述冷凝器内的温度低于所述目标元素的熔点，所述蒸气塔内的温度高于所述冷凝器内的温度且低于所述目标元素的沸点。

可选的，所述蒸气塔内的温度控制在300℃-500℃，所述冷凝器内的温度控制在室温以下，所述冷凝器内的压力优选控制在0.07MPa-0.09MPa。

可选的，所述冷凝器通过防倒流结构与所述蒸气塔连接。

可选的，所述冷凝器通过连接管道与所述蒸气塔连接，所述连接管道为直型且连接所述蒸气塔的一端高于连接所述冷凝器的一端。

可选的，所述蒸气塔的底部延伸至所述电解室内并低于所述阴极的顶部。

根据本申请的技术方案，通过将原料中的含目标元素离子浸出，随后可以通过电解室在阴极将含目标元素离子电化学还原形成目标元素，在阳极产生氧气。本申请的电解设备无需使用焦炭等碳基材料，避免了因此产生的过高能耗和因此引入的杂质，并且能够至少降低阳极产生的二氧化碳，从而能够高效、清洁地提取目标元素并能够保证目标元素的纯度达到要求。

本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请。在附图中：

图1为根据本申请优选实施方式的熔盐反应器的示意图；

图2为根据本申请的另一种实施方式的熔盐反应器的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请的技术方案。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。

根据本申请的一个方面，提供一种用于制备目标元素单质的电解设备，其中，所述电解设备包括电解室20、设置在所述电解室20中的阳极30和阴极40，所述阴极40设置为用于将含目标元素离子电化学还原形成目标元素单质，其中，所述阴极40用于收集所述目标元素单质，或者所述阴极40的上方设置有收集所述目标元素单质的收集装置。所述阳极30优选为惰性的析氧阳极。

本申请还提供一种熔盐反应器，其中，所述熔盐反应器包括浸出设备和所述电解设备，浸出设备包括浸出室10，电解设备包括电解室20，所述浸出室10用于通过熔盐浸出原料中的含目标元素离子，所述电解室20与所述浸出室10的出口连通并用于将所述含目标元素离子电化学还原形成目标元素单质。

如上所述，在本申请的技术方案中，目标元素可以为但不限于：硼（B）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）、砷（As）、硒（Se）、锑（Sb）、碲（Te）。根据不同目标元素的熔点和沸点，可以利用阴极40收集目标元素；或者如果工作环境温度高于目标元素的沸点，则目标元素会以蒸气方式存在，在该情况下，则可以利用上述收集装置（如蒸气塔和冷凝器）进行收集。

在下文中，将以作为目标元素的磷为例对目标元素的收集提纯的方案进行详细描述，但应该理解的是，这仅为示例性描述，也可适用于其他上述目标元素，如硫、硼等。

通过浸出室10将原料中的含磷离子浸出，随后可以通过电解室20在阴极40将含磷离子电化学还原形成磷单质，在阳极30产生氧气。本申请的熔盐反应器无需使用焦炭等碳基材料，避免了因此产生的过高能耗和因此引入的杂质，并且能够至少降低阳极产生的二氧化碳，从而能够高效、清洁地提取磷并能够保证磷的纯度达到要求。

具体的，本申请中，通过在浸出室10中，利用熔盐和原料形成的熔池浸出含磷组分，形成自由的含磷离子。更具体的，熔盐可以将原料中的可溶性组分溶解，以形成包括含磷离子在内的自由离子。含磷离子可以进一步在电解室20中通过电化学还原形成磷。

浸出室10中可以加入适当的熔盐来溶解含磷离子。另外，电解室20也可以添加相同的熔盐来辅助电化学反应。具体的，所述熔盐可以包括重量百分比不低于60%的CaCl₂，例如，可以在浸出室10和电解室20中添加CaCl₂单一成分熔盐或以CaCl₂为主要成分的混合熔盐（如CaCl₂与MgCl₂、KCl，NaCl等氯化物的混合物），其中，CaCl₂的重量百分比不低于60%。

本申请中，所述固体粉末可以是含有目标元素的矿石（如含有磷酸盐的磷矿石）、城市污水处理厂排放的污泥灰（对污泥焚烧获得）、工矿企业排放的粉尘或炉渣等（如钢铁厂排放的钢渣）。所述原料的作为目标元素的磷元素含量的重量百分比超过4%，所述原料与所述熔盐的重量比例可以为10%-30%。

并且，为确保浸出、电化学反应的顺利进行，需要将熔盐加热到预定温度。所述熔盐的温度可以为700℃-1000℃。为此，优选地，所述熔盐反应器包括用于使所述浸出室10和所述电解室20保持在预定温度的加热装置。其中，加热装置可以设置在浸出室10、电解室20内。可选的，为避免干涉浸出、电化学反应的进行，加热装置可以在浸出室10、电解室20外，例如，加热装置可以包括用于加热流体形式的加热介质的加热件和包覆浸出室10、电解室20的侧壁设置的介质通道，从而通过流经介质通道的加热介质对浸出室10、电解室20加热保温。

此外，为便于浸出室10中的固体粉末与熔盐充分接触，以迅速浸出含磷离子，所述熔盐反应器包括用于向所述浸出室10提供搅拌气的供气装置。具体的，供气装置可以用于提供不与熔盐、固体粉末反应的各种适当气体作为搅拌气，例如氮气或者惰性气体（例如氩气）。浸出室10可以设置有适当的供气口，以接收供气装置提供的搅拌气。例如，供气装置可以通过喷吹方式从供气口提供搅拌气。为获得所需的搅拌效果，所述搅拌气体的流量可以优选为0.5L/min-2L/min。

为便于含磷离子从浸出室10输送到电解室20，可以适当设置浸出室10、电解室20以及彼此的相对位置。优选地，如图1和图2所示，所述浸出室10和所述电解室20可以并排设置，所述电解室20的底部与所述浸出室10连通，所述电解室20内设置有阳极30和阴极40，所述阴极40靠近所述电解室20与所述浸出室10连通处。由此，可以确保含磷离子进入电解室20后立刻与阴极40充分接触，以便迅速进行电化学反应。

此外，电解室20的底部与浸出室10连通，阴极40靠近连通处设置，也就是说，阴极40也设置在电解室20底部。由此，当含磷离子通过电化学还原为气体，该气体从阴极40处向上流动，从电解室20的液面逸出，能够方便地被收集。在其他目标元素的情形下，如硅或硼，可以不形成气态的目标元素，而是富集在阴极表面，从而利用阴极收集此类目标元素。这些收集方式都落入本申请的保护范围之内。

为此，所述电解室20可以包括设置在所述阴极40上方的收集装置。通过收集装置，可以将还原为气体并从电解室20的液面逸出的磷收集，以便进行后续加工处理。其中，收集装置可以采用各种适当形式。在图1所示的实施方式中，所述收集装置包括罩设在所述阴极40上方的蒸气塔50和连接于所述蒸气塔50且用于收集所述磷的冷凝器60。蒸气塔50连接在冷凝器60和电解室20产生的高温气态磷之间，通过控制蒸气塔50内的温度，可以使从阴极40产生的磷始终处于气态，以便上升到蒸气塔50内收集。可以理解的，冷凝器60内的温度低于磷的熔点，蒸气塔50内的温度高于冷凝器60内的温度且低于磷的沸点，从而在二者之间形成气压梯度，蒸气塔50内的气体会在气压梯度下从高温的蒸气塔50朝向低温的冷凝器60流动，从而顺利地将气态的磷导入冷凝器60冷却并收集。

具体的，在电解时可以将所述蒸气塔50内的温度控制在300℃-500℃，将所述冷凝器60内的温度控制在室温以下，所述冷凝器60内的压力控制优选在0.07MPa-0.09MPa。

优选地，所述冷凝器60可以通过防倒流结构与蒸气塔50连接，以避免在冷凝器60和蒸气塔50之间形成逆流。防倒流结构可以采用各种适当形式，例如，所述冷凝器60可以通过连接管道与所述蒸气塔50连接，所述连接管道为直型且连接所述蒸气塔50的一端高于连接所述冷凝器60的一端。

为便于将阴极40表面产生的气态磷基本上全部导入蒸气塔50，所述蒸气塔50的底部延伸至所述电解室20内并低于所述阴极40的顶部。由此，阴极40表面产生的气态磷沿阴极40的表面上升到顶部，继而基本上全部进入蒸气塔50。

另外，阳极30可以采用各种形式的析氧阳极，但应具有惰性而不与电解室20内的熔池反应。在图1所示的实施方式中，所述阳极30包括由氧离子导通的固体电解质制成的管31和填充在所述管31内的贵金属粉32，所述贵金属粉32通过导线与外部电源连接。其中，通过管31，可以在电解室20的电解质溶液和贵金属粉32之间导电并传递氧。通过填充贵金属粉32，使得贵金属与管31能够充分接触，确保氧化反应的有效进行。

其中，管31可以为各种适当的由氧离子导通的固体电解质材质，例如，所述管31为氧化锆基体的陶瓷管。贵金属粉32也可以采用适当的贵金属的粉末，例如，所述贵金属粉32可以为银粉、铂粉或金粉。另外，在这种实施方式中，所述阳极30与所述阴极40之间的电压可以为1.8V-3.0V。

根据本申请的其他实施方式，阳极30也可以采用其他形式的析氧阳极，例如，所述阳极30可以包括具有贵金属外涂层的合金（贵金属可以为铂或金，合金可以为镍基或钛基合金）或者具有外表面复合氧化膜的镍基或钛基合金。在这种实施方式中，阳极30可以为棒状，如图2所示，并且所述阳极30与所述阴极40之间的电压可以为1.5V-2.5V。

阳极30在电解时表面生成的气体可以通过回收进行利用。为此，所述电解室20包括用于导出所述阳极30表面生成的气体的导出装置。具体的，根据阳极30的具体形式和产生的气体，可以设置不同的导出装置。

根据本申请的一种实施方式，如图1所示，所述阳极30包括氧化钇稳定氧化锆管31（所述氧化钇稳定氧化锆管31可以为6mol%-9mol%的氧化钇稳定氧化锆管），所述氧化钇稳定氧化锆管31内填充有银粉（银粉的粒径不超过0.5mm，优选为不超过0.2mm），所述银粉通过导线与外部电源B（外部电源B可以为适当形式，优选可以为利用太阳能的电池）连接。在这种实施方式中，银粉作为电极，氧化钇稳定氧化锆管31使得电解室20的熔池中的氧离子扩散到银粉，从而使得氧离子在银粉表面放电生成氧气，生成的氧气能够沿氧化钇稳定氧化锆管31流动并收集。其中，氧化钇稳定氧化锆管31的顶部可以设置有排气口，以便与收集管道连通。也就是说，在本实施方式中，氧化钇稳定氧化锆管31可以作为导出装置。此外，在本实施方式中，所述阳极30与所述阴极40之间的电压优选为1.8V-3.0V。

根据本申请的另一种实施方式，如图2所示，所述阳极30包括具有贵金属外涂层的合金棒（外涂层为铂粉，合金为高温镍基合金 DD6），其中，阳极30可以通过导线与外部电源B连接。在这种实施方式中，电解时，阳极30表面将发生氧离子的碳氧化反应，生成O₂。为收集O₂，在阳极30上方可以设置收集罩100，所述收集罩100连接有导气管110。阳极30表面产生的O₂向上流动，逸出熔池液面后通过收集罩100聚拢收集，继而通过导气管110导出。在这种实施方式中，导出装置包括收集罩100和导气管110。此外，在本实施方式中，所述阳极30与所述阴极40之间的电压优选为1.5V-2.5V。

在这两种实施方式中，发生的反应可以表示为：

PO₄ ^3-(熔盐中)→0.25P₄(g)+1.25O₂(g)+ 1.5O^2-(熔盐中)

此外，固体粉末中可能存在除磷以外的其他可溶组分，其中部分组分也将被浸出形成自由离子进入电解室，并且参与电化学反应，被还原形成单质或合金。这些物质由于一般沸点较高，将作为杂质析出并附着于阴极40表面，而不会混入磷蒸气中影响产品纯度，这是使磷产品具有高纯度的重要保证之一。通过定期清理阴极表面，或者更换阴极40，可以回收表面的物质，作为副产物在不同领域进行回收利用。优选地，阴极40可拆卸地设置在电解室20中，以便清理、更换。具体的，可以在电解室20中设置具有接电端子的插槽，阴极40插设在插槽中并通过接电端子连接到外部电源B。

本申请中，可以将包括浸出室10在内的用于浸出的结构（例如下文的料仓90）作为整体的浸出设备，并且可以将包括电解室20在内的用于电解的结构作为整体的电解设备，也就是说，浸出和电解可以分开进行，在这种情况下，则需要将从浸出设备获得的含磷离子通过管道或者单独的输送装置输送到电解设备。优选地，所述熔盐反应器包括连通所述浸出室10和所述电解室20的通道70，浸出产生的含磷离子可以通过通道70自动扩散到电解室20中。其中。通道70可以连接浸出室10的底部，以充分收集含磷离子。具体的，浸出室10的底部可以设置有出口，通道70连接于出口。

为避免浸出室10中的悬浮颗粒等杂质进入电解室20，继而影响电解过程，所述通道70中可以设置有过滤装置80。其中，过滤装置80可以为各种适当形式，例如可以为过滤网，如金属过滤网（材质可以为耐热钢材或镍、钨、钼等金属）。其中，为确保悬浮颗粒等杂质被拦截在浸出室10内，过滤装置80应尽可能靠近浸出室10设置。优选地，所述过滤装置80可以靠近所述通道70的连接所述浸出室10的端口设置，也就是靠近浸出室10的出口设置。

优选地，为加强对悬浮颗粒等杂质的阻挡，所述浸出室10的底部靠近所述通道70的位置可以设置有挡墙11，所述挡墙11的高度高于所述通道70的顶部。因此，当浸出室10内的含磷离子随流体流动时，需要翻越挡墙11后才能通过通道70进入电解室20，大部分悬浮颗粒等杂质可以被挡墙11阻挡，翻越挡墙11的少量悬浮颗粒等杂质将被过滤装置80拦截。其中，挡墙11的高度可以为浸出室10的高度的1/3-1/2，挡墙11可以采用与熔池内的物质不反应且具有一定强度的材质，例如可以为氧化铝基陶瓷材料。

在图1和图2的实施方式中，浸出室10和电解室20直接连通，浸出和电解连续进行。随着电解的进行，浸出室10内的含磷离子的含量将逐步下降，为确保含磷离子能够自动扩散到电解室20并保证浸出、电解的持续连续进行，所述熔盐反应器包括设置在所述浸出室10的顶部的用于提供所述原料的料仓90。其中，料仓90可以设置有能够开闭的阀门，以便根据需要向浸出室10提供原料，从而保证浸出室10的熔池内磷元素的含磷，从而确保浸出、电解的持续连续进行。优选地，为确保浸出、电解的持续连续进行，保持向所述熔盐中投放所述原料，以使所述浸出室内的熔池中作为目标元素的磷元素含量的重量百分比不低于0.3%。

本申请中，浸出室10和电解室20均可以设置为具有能够开闭的清理口，以便定期清理底部沉渣、阳极和阴极表面以及更换阳极、阴极。

如上所述，在本申请的技术方案中，目标元素可以为但不限于：硼（B）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）、砷（As）、硒（Se）、锑（Sb）、碲（Te）。虽然在本文中，主要是以作为目标元素的磷为例对目标元素的收集提纯的方案进行详细描述的，但应该理解的是，这仅为示例性描述，也可适用于其他上述目标元素，如硼、硫、硒等。这些都在本申请的范围之内。

以上详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (11)

1.一种用于制备目标元素单质的电解设备，其特征在于，所述电解设备包括电解室(20)、设置在所述电解室(20)中的阳极(30)和阴极(40)，所述阴极(40)设置为用于将含目标元素离子电化学还原形成目标元素单质，其中，所述阴极(40)的上方设置有收集所述目标元素单质的收集装置，所述收集装置包括罩设在所述阴极(40)上方的蒸气塔(50)和连接于所述蒸气塔(50)且用于收集所述目标元素单质的冷凝器(60)。

2.根据权利要求1所述的电解设备，其特征在于，所述阳极(30)为惰性的析氧阳极，所述阳极(30)包括由氧离子导通的固体电解质制成的管(31)和填充在所述管(31)内的贵金属粉(32)，所述贵金属粉(32)通过导线与外部电源连接。

3.根据权利要求2所述的电解设备，其特征在于，所述管(31)为氧化锆基体的陶瓷管；所述贵金属粉(32)为银粉、铂粉或金粉。

4.根据权利要求2所述的电解设备，其特征在于，所述电解室(20)包括连通所述管(31)顶部的收集管道。

5.根据权利要求1所述的电解设备，其特征在于，所述阳极(30)为惰性的析氧阳极，所述阳极(30)包括具有贵金属外涂层的合金或者具有外表面复合氧化膜的镍基或钛基合金，所述电解设备包括设置在所述阳极(30)上方的收集罩(100)。

6.根据权利要求1所述的电解设备，其特征在于，所述阴极(40)可拆卸地设置在所述电解室(20)中。

7.根据权利要求1所述的电解设备，其特征在于，所述冷凝器(60)内的温度低于所述目标元素的熔点，所述蒸气塔(50)内的温度高于所述冷凝器(60)内的温度且低于所述目标元素的沸点。

8.根据权利要求7所述的电解设备，其特征在于，所述蒸气塔(50)内的温度控制在300℃-500℃，所述冷凝器(60)内的温度控制在室温以下。

9.根据权利要求1所述的电解设备，其特征在于，所述冷凝器(60)通过防倒流结构与所述蒸气塔(50)连接。

10.根据权利要求9所述的电解设备，其特征在于，所述冷凝器(60)通过连接管道与所述蒸气塔(50)连接，所述连接管道为直型且连接所述蒸气塔(50)的一端高于连接所述冷凝器(60)的一端。

11.根据权利要求1所述的电解设备，其特征在于，所述蒸气塔(50)的底部延伸至所述电解室(20)内并低于所述阴极(40)的顶部。

Images