DE19841587A1

DE19841587A1 - Elektrolsysezelle zum elektrochemischen Abscheiden eines der Metalle Kupfer, Zink, Blei, Nickel oder Kobalt

Info

Publication number: DE19841587A1
Application number: DE19841587A
Authority: DE
Inventors: Nikola Anastasijevic; Stefan Laibach; Reinhard Dobner; Helmut Schatton
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2000-03-16
Also published as: US6589404B1; FI112802B; AU765237B2; FI20010480A; WO2000015874A1; PE20001175A1; AU5974499A

Abstract

Die Elektrolysezelle weist einen trogartigen Behälter mit einem Boden, mit Seitenwänden und mit mindestens einem Zulauf und mindestens einem Ablauf für den Elektrolyten auf. Zahlreiche plattenartige Elektroden sind im Behälter angeordnet und tauchen teilweise in ein Elektrolytbad ein. Der mit dem Elektrolytbad in Kontakt stehende Boden des Behälters weist zahlreiche Öffnungen für den Durchtritt von Elektrolyt auf und unter dem Boden ist mindestens eine Verteilkammer für rückgeführten Elektrolyt angeordnet. Mindestens eine der Seitenwände des Behälters ist mit mindestens einer Rückführkammer zum Rückführen von Elektrolyt vom Elektrolytbad in die Verteilkammer ausgestattet, wobei der obere Bereich der Rückführkammer mit dem Elektrolytbad verbunden ist und der untere Bereich der Rückführkammer mit der Verteilkammer in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zum elektrochemischen Abscheiden eines der Metalle Kupfer, Zink, Blei, Nickel oder Kobalt aus einem das Metall ionogen enthaltenden wässrigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelle einen trogartigen Behälter mit einem Boden, mit Seitenwänden und mit mindestens einem Zulauf und mindestens einem Ablauf für den Elektrolyten aufweist, wobei zahlreiche plattenartige Elektroden im Behälter angeordnet sind und teilweise in ein Elektrolytbad eintauchen, und wobei mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode mit einer Gleichstromquelle verbunden sind.

Elektrolysezellen dieser Art sind bekannt und z. B. in DE-A-26 40 801, US-A-5720867 und DE-A-196 50 228 beschrieben. Bei diesen Zellen gibt es eine einzige oder nur wenige Zulaufleitungen für den Elektrolyten, wobei versucht wird, den Elektrolyten in gewünschter Weise im Behälter zu führen. Aus US-A-5720867 sind Öffnungen in den Seitenwänden bekannt, wobei in einer Zelle mit bipolaren Elektroden eine Elektrolytzirkulation aufgebaut wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle zu entwickeln, die für Stromdichten von mehreren hundert und auch über 1000 A/m² geeignet ist und die dabei entstehende heftige Gasbildung für die Führung des Elektrolyten ausnutzen kann.

Bei der eingangs genannten Elektrolysezelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mit dem Elektrolytbad in Kontakt stehende Boden des Behälters zahlreiche Öffnungen für den Durchtritt von Elektrolyt aufweist, daß unter dem Boden mindestens eine Verteilkammer für rückgeführten Elektrolyt angeordnet ist und daß mindestens eine der Seitenwände des Behälters mindestens eine Rückführkammer zum Rückführen von Elektrolyt vom Elektrolytbad in die Verteilkammer aufweist, wobei der obere Bereich der Rückführkammer mit dem Elektrolytbad verbunden ist und der untere Bereich der Rückführkammer mit der Verteilkammer in Verbindung steht.

Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird ständig ein Teil des Elektrolyten aus dem Elektrolytbad über die Rückführkammer und die Verteilkammer durch die Öffnungen im Zellenboden in das Bad und zu den Elektroden zurückgeführt. Diese Rückführung von Elektrolyt sorgt dafür, daß alle Elektrodenbereiche ständig intensiv mit dem Elektrolyten in Kontakt kommen, auch wenn bei hohen Stromdichten eine starke Gasbildung unvermeidlich ist. Bei der Kupfer-Gewinnung entwickelt sich z. B. gasförmiger Sauerstoff an den Anoden, der sich in Form von Bläschen an den Anodenflächen aufwärts bewegt und aus dem Elektrolytbad abzieht. Bei der erfindungsgemäßen Zelle wird die Gasbildung und der damit verbundene Mammutpumpen-Effekt genutzt, um ständig Elektrolyt aus der Verteilkammer durch die Öffnungen im Boden in das Elektrolytbad zu ziehen und so eine Zirkulation des Elektrolyten herbeizuführen. Der Mammutpumpen-Effekt des aufsteigenden Gases ist stark genug, so daß auf eine externe Pumpe zum Bewegen des Elektrolyten verzichtet werden kann. Der vom Zellenboden aufwärts strömende Elektrolyt verhindert, daß an den Oberflächen der Elektroden eine an Elektrolyt zu sehr verarmte Grenzschicht entsteht.

Bei den Elektroden der Elektrolysezelle kann es sich um monopolare oder bipolare Elektroden handeln. Monopolare Elektroden können z. B. durch ein einfaches Blech (z. B. aus Titan) gebildet werden. Einzelheiten zur Ausbildung von Zellen mit bipolaren Elektroden sind z. B. aus US-A-5720867 und DE-A-196 50 228 bekannt. Man arbeitet in der Elektrolysezelle bei Stromdichten im Bereich von 200 bis 2000 A/m² und vorzugsweise liegt die Stromdichte bei mindestens 1500 A/m².

Es ist vorteilhaft, wenn mindestens die Hälfte der Elektroden in dem Bereich, der in das Elektrolytbad eintaucht, Öffnungen für den Durchfluß von Elektrolyt aufweisen. Diese Öffnungen verbessern den Fluß des Elektrolyten durch das Elektrolytbad hindurch zur Rückführkammer und erleichtern dadurch die Elektrolyt-Zirkulation. Zumeist werden alle Elektroden mit solchen Durchflußöffnungen versehen. Die Rückführkammer für den Elektrolyten wird an mindestens einer der Seitenwände des Behälters so angeordnet, daß ein gewisser Abstand zu der Stelle besteht, wo der frische Elektrolyt von außen in den Behälter zugeführt wird. Eine Möglichkeit besteht darin, die Rückführkammer an der Seitenwand des Behälters anzuordnen, die dem Elektrolyt-Ablauf am nächsten liegt. Es ist aber auch möglich, Rückführkammern an den Seitenwänden des Behälters anzuordnen, auf die sich die Elektroden stützen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, drei Seitenwände des Behälters mit Rückführkammern zu versehen. Die Rückführkammern können auch als einzelne Leitungen oder Kanäle ausgebildet sein, durch die der Elektrolyt vom Elektrolytbad abwärts unter den Boden zur Verteilkammer fließt.

Die zahlreichen Öffnungen im Boden des Behälters, durch welche der Elektrolyt von der Verteilkammer aufwärts in das Elektrolytbad strömt, können in verschiedenartiger Weise geformt sein. Die Öffnungen können z. B. rund, oval oder schlitzförmig ausgebildet sein. Üblicherweise wird dafür gesorgt, daß 1 bis 20% der Fläche des Bodens aus Öffnungen besteht, dabei wird die Bodenfläche insgesamt und ohne Abzug der Querschnittsflächen der Öffnungen gerechnet. Zumeist machen die Öffnungen mindestens 3% der Bodenfläche aus. Durch die intensive Zirkulation des Elektrolyten in der Elektrolysezelle ist es möglich, die Flächen der Elektroden, die im Elektrolytbad hängen, möglichst groß auszubilden. Insbesondere ist es nun nicht mehr nötig, für einen relativ großen Abstand der Elektroden vom Zellenboden zu sorgen, damit der Elektrolyt möglichst alle Elektroden gleichmäßig anströmen kann. Bei der erfindungsgemäßen Zelle können die Unterkanten der Elektroden vom Boden nur einen Abstand von 5 bis 50 mm haben.

Ausgestaltungsmöglichkeiten der Elektrolysezelle werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Zelle als gläsernes Modell in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch die Zelle der Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3 eine Variante des Zellenbehälters in der Form eines abgebrochenen gläsernen Modells und

Fig. 4 den vertikalen Schnitt durch eine Zelle mit bipolaren Elektroden.

Die Zelle der Fig. 1 und 2 weist einen trogartigen Behälter (1) und zahlreiche plattenförmige Elektroden. (2) auf. In Fig. 1 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen nur eine Elektrode dargestellt und diese zur optischen Hervorhebung punktiert. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß es sich um eine Zelle mit monopolaren Elektroden handelt, wobei Anoden (2a) und Kathoden (2b) abwechselnd im Elektrolytbad (3) hängen. Die Elektroden weisen eine horizontale Tragstange (2d) auf, die sich auf den nicht dargestellten Stromschienen an den Seitenwänden des Behälters (1) abstützt. Der Flüssigkeitsspiegel des Elektrolytbades (3) ist in Fig. 2 durch eine punktierte Linie (4) angegeben, in Fig. 1 ist das Elektrolytbad weggelassen. Frischer Elektrolyt wird durch den Zulauf (6) herangeführt, verbrauchter Elektrolyt durch den Ablauf (7) abgezogen.

Der Behälter (1) weist den Boden (9) mit zahlreichen Öffnungen (10) und unter dem Boden eine Verteilkammer (11) auf. In der Variante der Fig. 1 und 2 wird frischer Elektrolyt durch den Zulauf (6) in die Verteilkammer (11) eingespeist, doch könnte der Zulauf alternativ auch über dem Boden (9) im Elektrolytbad münden.

Der Behälter (1) weist 4 Seitenwände (1a), (1b), (1c) und (1d) auf. Die Seitenwand (1c), die dem Ablauf (7) am nächsten liegt, ist mit Öffnungen (13) versehen, durch welche Elektrolyt vom Elektrolytbad (3) in die dahinter liegende Rückführkammer (14) fließen kann. Am unteren Ende geht die Rückführkammer (14) ohne Strömungshindernis in die Verteilkammer (11) über. Der Elektrolyt kann somit von der Rückführkammer abwärts in die Verteilkammer (11) fließen, wie das durch die Strömungspfeile A, B und C angedeutet ist.

Die Zirkulation des Elektrolyten wird allein durch die beim Elektrolysebetrieb entstehende Gasentwicklung bewirkt. Diese Gasblasen steigen an der Anode (2) auf, wie das durch die Pfeile D in Fig. 2 angedeutet ist. Damit der Elektrolyt möglichst frei zirkulieren kann, sind die Elektroden im Bereich des Elektrolytbades (3) mit Öffnungen (15) versehen. Somit wird der Elektrolyt unter der Mammutpumpen-Wirkung der aufsteigenden Gase aus der Verteilkammer (11) durch die Öffnungen (10) im Boden (9) aufwärts in das Elektrolytbad (3) gezogen und kann durch die Öffnungen (15) in den Elektroden hindurch horizontal strömend durch die Öffnungen (13) in die Rückführkammer (14) gelangen. Üblicherweise sorgt man dafür, daß die durch den Boden (9) aufwärts strömende Elektrolytmenge 2 bis 20 mal so groß ist wie die Menge an frischem Elektrolyten, die man durch die Leitung (6) heranführt. Als Material für den Behälter (1) kann man Kunststoffe wie z. B. Polyester, Polypropylen oder Polyvinylchlorid verwenden, auch eignet sich der an sich bekannte Polymerbeton.

Wenn man die Öffnungen (10) im Boden (9) schlitzförmig ausbildet, können die Schlitze z. B. eine Öffnungsfläche von 3×500 mm aufweisen und somit ziemlich schmal geformt sein. Die Tiefe des Schlitzes und damit üblicherweise auch die Dicke des Bodens (9) wird vorzugsweise im Bereich von 50 bis 200 mm liegen. Abweichend davon können die Öffnungen (10) aber auch rund oder oval geformt sein.

Bei der Variante der Fig. 3 ist die Rückführkammer (14a) hinter der Seitenwand (1b) angeordnet, wobei diese Seitenwand mit Durchlaßöffnungen (13a) versehen ist. Ebenso wie in den Fig. 1 und 2 befindet sich auch gemäß Fig. 3 unter dem Boden 9 die Verteilkammer (11), die mit der Rückführkammer (14a) in Verbindung steht. Auf die Seitenwand (1b) stützen sich die Elektroden (2), wie das in Fig. 1 dargestellt ist. Bei einer Anordnung gemäß Fig. 3 ist es zweckmäßig, daß die gegenüberliegenden Seitenwände (1b) und (1d) (vergleiche Fig. 1) in gleicher Weise mit Rückführkammern versehen sind, um eine symmetrische Strömungsverteilung im Elektrolytbad zu gewährleisten. Eine weitere Rückführkammer hinter der Seitenwand (1c), wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist bei der Variante der Fig. 3 ebenfalls möglich oder aber es kann auf eine solche Rückführkammer verzichtet werden.

Im schematisch dargestellten Behälter (1) der Fig. 4 befinden sich eine Endkathode (20) und eine Endanode (21) und dazwischen zwei bipolare Elektroden (23). Die Endkathode und Endanode sind an eine nicht dargestellte Gleichstromquelle angeschlossen. Die Anodenseiten (23a) der bipolaren Elektroden weisen im Bereich des Elektrolytspiegels (4) Durchströmöffnungen (15) auf, so daß der Elektrolyt entlang der Pfeile E, F und G vertikal um die Anodenseite (23a) herumströmen kann. Zusätzlich ist auch diese Zelle mit einer Rückführkammer (14) und einer Verteilkammer (11) sowie mit Öffnungen (10) im Boden (9) versehen, wodurch auch hier die bereits beschriebene Elektrolytzirkulation zusätzlich stattfindet. Die bipolaren Elektroden können trennbar ausgebildet sein, wobei der das abgeschiedene Metall tragende Teil aus dem Bad (3) herausgezogen werden kann, während der andere Teil der jeweiligen Elektrode (23) im Bad verbleibt. Die so ausgestalteten bipolaren Elektroden sind ausführlich in der DE-A-196 50 228 beschrieben.

Beispiel

Eine zu Versuchszwecken gebaute Elektrolysezelle weist einen Behälter (1) aus Polymerbeton auf, wie er zusammen mit Fig. 1, 2 und 4 beschrieben ist. Die rechteckige Fläche des Bodens (9) hat die Maße 1×3,2 m, der Behälter hat eine Höhe über dem Boden (9) von 1,4 m. 6,8% der Bodenfläche sind mit schlitzförmigen Öffnungen (10) versehen, wobei die Schlitzbreite 3 mm beträgt. Im Elektrolytbad hängen 20 bipolare Elektroden (23) aus Titan, vgl. Fig. 4, die 1,2 m tief in den Elektrolyten eintauchen. Die Stromstärke beträgt 1800 A bei einer Zellenspannung von 41,9 V.

Man führt der Verteilkammer (11) 5 m³/h Elektrolyt mit einer Temperatur von 62°C zu, der 183 g/l freie Schwefelsäure und 45 g/l Kupfer enthält und eine Dichte von 1170 kg/m³ aufweist. Die durch die Rücklaufkammer (14) zur Verteilkammer fließende rückgeführte Elektrolytmenge beträgt 75 m³/h. Der in der Leitung (7) aus der Zelle abgezogene Elektrolyt weist einen restlichen Cu-Gehalt von 36 g/l auf.

Claims

1. Elektrolysezelle zum elektrochemischen Abscheiden eines der Metalle Kupfer, Zink, Blei, Nickel oder Kobalt aus einem das Metall ionogen enthaltenden wässrigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelle einen trogartigen Behälter mit einem Boden, mit Seitenwänden und mit mindestens einem Zulauf und mindestens einem Ablauf für den Elektrolyten aufweist, wobei zahlreiche plattenartige Elektroden im Behälter angeordnet sind und teilweise in ein Elektrolytbad eintauchen, und wobei mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode mit einer Gleichstromquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Elektrolytbad in Kontakt stehende Boden des Behälters zahlreiche Öffnungen für den Durchtritt von Elektrolyt aufweist, daß unter dem Boden mindestens eine Verteilkammer für rückgeführten Elektrolyt angeordnet ist und daß mindestens eine der Seitenwände des Behälters mindestens eine Rückführkammer zum Rückführen von Elektrolyt vom Elektrolytbad in die Verteilkammer aufweist, wobei der obere Bereich der Rückführkammer mit dem Elektrolytbad verbunden ist und der untere Bereich der Rückführkammer mit der Verteilkammer in Verbindung steht.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Hälfte der Elektroden in dem Bereich, der in das Elektrolytbad eintaucht, Öffnungen für den Durchfluß von Elektrolyt aufweisen.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführkammer an der Seitenwand des Behälters angeordnet ist, die dem Elektrolyt-Ablauf am nächsten liegt.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rückführkammern an den Seitenwänden des Behälters angeordnet sind, auf die sich die Elektroden stützen.

5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß 1 bis 20% der Fläche des Bodens aus Öffnungen besteht.

6. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle mit einer End-Anode und einer End-Kathode sowie mit elektrisch in Serie geschalteten bipolaren Elektroden ausgerüstet ist.

7. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterkanten der Elektroden vom Boden einen Abstand von 5 bis 50 mm haben.