DE3024696C2

DE3024696C2 - Elektrolysezelle zur Durchführung einer Raffinationselektrolyse

Info

Publication number: DE3024696C2
Application number: DE3024696A
Authority: DE
Inventors: René Prof. Rixensart Winand
Original assignee: METALLURGIE HOBOKEN-OVERPELT BRUESSEL/BRUXELLES BE
Current assignee: METALLURGIE HOBOKEN-OVERPELT BRUESSEL/BRUXELLES BE
Priority date: 1979-07-02
Filing date: 1980-06-30
Publication date: 1986-08-07
Also published as: DE3024696A1; US4326942A; CA1180681A; LU81446A1; GB2054649A; GB2054649B

Description

unter einem gegenseitigen Abstand angeordneten Elektrodenplatten befinden, und zwar derart, daß man eine möglichst große Massenübertragung auf die Elektroden erreicht Wie bereits erwähnt, beobachtet man jedoch dann, wenn keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, daß die Dickenzunahme der Kathode und die Dickenabnahme der Anode an den seitlichen Rändern am Einlauf des Elektrolyten zwischen die Elektrodenplatten wesentlich stärker sind als an anderen Stellen dieser Elektrodenplatten. Diese Unregelmäßigkeit der Massenübertragung auf die Kathode ermöglicht es nicht, die Elektrolyse wirksam zu steuern, so daß die Metallablagerung auf der Kathode eine unregelmäßige Struktur und eine unbefriedigende Qualität ergibt

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle oder Elektrolysevorrichtung dient im wesentlichen dazu, diese Nachteile LU vermeiden und zumindest im Einlaufbereich der Kanäle zwischen den Elektroden eine im wesentlichen gleichförmige Elektrolytströmung aufrechtzuerhalten, und zwar unabhängig von der Dickenzunahme der Kathode und der Dickenabnahme der Anode. Es hat sich herausgestellt, daß man auf diese Weise an praktisch allen Stellen der Elektroden im wesentlichen die gleichen Massenübertragungsbedingungen erhalten kann. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Elektroden bleibt in diesem Falle praktisch an allen Stellen der Elektroden konstant

Ein spezifisches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß man den Elektrodenstrom vor dem Eintritt in die zwischen den Elektroden ausgebildeten Kanäle derart führt, daß man Störungen der Strömung beim Einlaufen vermeidet

Vorzugsweise teilt man den Elektrolytstrom vor dem Eintritt zwischen die Elektroden in benachbarte Teilströme auf, die im wesentlichen denen entsprechen, die sich im Inneren der Kanäle ausbilden. Diese Teilströme richtet man mit den Kanälen derart aus, daß jeder der Teilströme im wesentlichen störungsfrei zwischen die Elektroden eintreten kann.

Es hat sich in der Tat durch Versuche herausgestellt, daß es wesentlich ist, eine regelmäßige Elektrolytströmung zu erzeugen, um an den Rändern der Kathoden eine homogene, hinsichtlich der Dicke nicht unkontrollierte elektrolytische Abscheidung zu erreichen, die den aktuellen industriellen Qualitätsanfoirderungen entspricht.

Um eine ausreichende Produktivität zu erreichen, läßt man durch die Kathoden einen Strom mit einer Stromdichte von mindestens 10 A/dm² und vorzugsweise von mindestens 20 A/dm² fließen.

Vorzugsweise läßt man den Elektrolyten in den Kanälen zwischen den Elektrodenplatten mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1 m/sec und vorzugsweise von mindestens 4 m/sec umlaufen.

Bevorzugt wählt man die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten in den Kanälen zwischen den Elektroden derart, daß man mindestens einen Teil der unlöslichen Teilchen, die sich gegebenenfalls während der Elektroraffinierung gebildet haben, aus den Kanälen entfernt, wobei man wenigstens einen Teil der mitgeführten Teilchen zurückhält, bevor man den Elektrolyten wieder zwischen die Elektroden einführt.

Die unlöslichen Teilchen, die von den Anoden stammen, setzen sich am Boden der Elektrolysegefäße ab und werden periodisch aus denselben abgezogen.

Nachstehend werden einige konkrete Anwendungsbeispiele des Einsatzes der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle gegeben, und zwar am Beispiel einer elektroly-

tischen Raffinierung von Kupfer.

Der Abstand zwischen der Anodenplalte und der Kathodenplatts betrug 6 mm. Der Elektrolyt hatte eine Geschwindigkeit von 4 m/sec, seine Temperatur lag bei ungefähr 50⁰C, die Konzentration der CU⁺ +-Ionen lag bei 50 g/l und die der verwendeten Schwefelsäure bei 100 g/l. Dieser Elektrolyt enthielt keinen Inhibitor.

Die Dicke der Kupferabscheidung lag bei 2 mm.

Mit den oben angegebenen Parametern wurde die Kathodenstromdichte zwischen 20 und 100 A/dm² variiert Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

Stromdichte	Klemmen	spezifischer	Aussehen der
	spannung	Energie	Abscheidung
		verbrauch
(A/dm²)	(V)	(kwh/kg Cu)

20
50
70

100

0,32
0,80
1,12

1,60

0,275
0,688
0,963

1,375

glatt glatt

sehr leicht rauh leicht rauh

Die F i g. 1 stellt eine schematische Darstellung des Elektrolytumlaufes bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektroraffinierungsvorrichtung dar. Diese Vorrichtung umfaßt eine Elektrolysezelle 1 mit einem Einlaßverteiler 2 sowie einem Auslaßsammler 3. Der Einlaßverteiler 2 und der Auslaßsammler 3 bilden die Verbindung zwischen einer Elektrolytzufuhrleitung 11 bzw. einer Abflußleitung Il', die im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, mit der Zelle 1, die einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.

Der Durchgang des Elektrolyten soll im Bereich zwischen der Zufuhrleitung 11 und der Abflußleitung 11' durch die Zelle 1 ohne Strömungsstörungen erfolgen.

Um eine im wesentlichen gleichförmige Strömung von der Zufuhrleitung 11 durch den Einlaßverteiler 2 in die Zelle 1 über den gesamten rechteckförmigen Querschnitt des Einlaßverteilers zu erzielen, umfaßt dieser Einlaßverteiler Trennmittel, die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Folge von drei Netzen 2a, 2b und 2c gebildet werden. Die im Innern der Zelle erwünschte Elektrolytgeschwindigkeit wird mittels einer Pumpe 9 aufrechterhalten. Der Durchfluß des Elektrolyten wird mittels eines Durchflußmessers 10 bestimmt, der zwischen die Pumpe 9 und den Einlaßverteiler 2 in die Zufuhrleitung 11 eingeschaltet ist.

Der aus der Zelle 1 austretende Elektrolyt gelangt durch den Auslaßsammler 3 in die Abflußleitung 11'. Diese weist eine Gabelung auf, so daß der eventuell mit von der Anode stammenden Teilchen beladene Elektrolytstrom ganz oder teilweise durch eine Leitung U" in eine Wiedergewinnungseinrichtung 5 für"die unlöslichen Teilchen gelangt, bevor sie wieder über die Auslaßleitung 6 in die Abflußleitung 11' gelangt. In den Leitungen 11' und 11" sind Ventile 4 angeordnet, rrtit denen man das Verhältnis der Elektrolytmengen regeln kann, die durch die Wiedergewinnungseinrichtung 5 geleilet werden. Einos der beiden Ventile kann im übrigen in bestimmten Fällen ganz geschlossen bleiben, so daß entweder der gesamte Elektrolyt ohne Durchlauf durch die Wiedergewinnungseinrichtung im Kreislauf gehalten wird oder daß der gesamte Elektrolyt in diese Wiedergewinnungseinrichtung geleitet wird.

Die Wiedergewinnungseinrichtung kann als Hydrozyklon ausgebildet werden, dessen unterer Ausfluß auf einer Filterpresse filtriert wird. Es ist auch möglich, eine Serie von Filterpressen zu verwenden oder irgendeine andere Kombination einer Dekantierung und Filtrierung, die dem Charakter der abzutrennenden, unlöslichen Teilchen entspricht.

Diese zurückgehaltenen, unlöslichen Teilchen bilden in der Regel einen konzentrierten Schlamm oder einen Kuchen, der über einen Auslaß 7 entfernt wird.

Die Abflußleitung W führt in einen Vorratsbehälter 8, der eventuell eine Regelung der Elektrolyttemperatur ermöglicht

Der Elektrolyt wird anschließend aus diesem Vorratsbehälter mittels der Pumpe 9 entnommen und wieder der Zelle 1 zugeführt

Die F i g. 2 und 3 zeigen einen Teil der Elektrolysezelle gemäß der Erfindung.

Diese Zelle kann eine unbestimmte Anzahl von Anodenplatten 12 und Kathodenplatten 13 aufnehmen. Die Anodenplatten 12 sind mit Anodenstromstäben 20 verbunden, während die Kathodenplatten 13 mit Kathodenstromstäben 21 verbunden sind.

Die Anodenplatten 12 und die Kathodenplatten 13 sind parallel zueinander unter einem gewissen gegenseitigen Abstand angeordnet und bilden zwischen den aufeinanderfolgenden Elektroden, d. h. zwischen einer Anode und einer benachbarten Kathode, Kanäle 25, durch welche der Elektrolyt in der Richtung der Pfeile 26 fließen kann. Die Pumpe 9 bildet also ein Mittel, um eine im wesentlichen gleichförmige Strömung des Elektrolyten zwischen den Elektroden zu gewährleisten.

Diese Zelle wird dadurch gekennzeichnet daß sie Leitglieder umfaßt, insbesondere Ablenkelemente 14, die es ermöglichen, die Elektrolytströmung von den Kanälen 25 in benachbarte Teilströme 27 aufzuteilen, die im wesentlichen denen entsprechen, die sich im Innern der Kanäle 25 ausbilden.

Darüber hinaus sind die Leitglieder zur Führung der Ströme 27 derart angeordnet, daß jeder Kanal 25 eine im wesentlichen stetige Verlängerung eines analogen Kanals bildet der durch die Ablenkelemente 14 begrenzt wird und einen Teilstrom 27 leitet. Die Ablenkelemente 14 und die Elektrodenplatten 12 und 13 sind gegeneinander in Abhängigkeit der Dickenzunahme der Kathodenplatte 13 und der Dickenabnahme der Anodenplatte 12 im Betrieb derart bewegbar, daß die Ablenkelemente mit den Elektroden immer im wesentlichen stetige Passagen für den zwischen dem Einlaßverteiler 2 und den Kanälen 25 strömenden Elektrolyten bilden. Die Ausrichtung zwischen den Kanälen 25 und der Zufuhrleitung 11 wird erreicht indem man entweder das Ablenkelement 14 oder die Elektroden zusammen mit ihrer nicht dargestellten Halterung oder die gesamte Elektrolysezelle relativ zu den Ablenkelementen bewegt

Bei der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform sind die Ablenkelemente 14 in Abhängigkeit vom Fortschreiten des Elektroraffinierungsprozesses orientierbar.

Jedes der Ablenkelemente 14 besteht aus zwei Flügeln 14a und 14Z>, die um eine Welle 22 verschwenkbar sind, deren Achse im wesentlichen parallel zu den Elektrodenplatten 12 und 13 und senkrecht zur Strömungsrichtung 26 des Elektrolyten verläuft

Vorteilhafterweise können Ablenkelemente 15, die aus zwei drehbar auf einer Welle 22 gelagerten Flügeln 15a und t5b bestehen, auch in Strömungsrichtung nach den Anodenplatten 12 und den Kathodenplatten 13 angeordnet sein, wie dies in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist.

Stellmotore 18 und 19 für die Flügel der Ablenkelemente bewegen diese über Stangen 17 und 17' sowie 16 und 16'. Die Steuerung dieser Motoren kann unabhängig voneinander oder jedoch gemeinsam sein, beispielsweise durch Rückwirkung der Ablenkelemente 15 am Auslauf auf die Ablenkelemente 14 am Einlaß.

Um zwischen den Elektrodenplatten 12 und 13 einen äußerst festen Abstand einzuhalten, können diese in einer Schiene 23 am Boden 24 der Elektroysezelle befestigt sein, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. Außerdem kann die Zelle entweder Seitenwände haben, die gegenüber den Elektrodenplatten 12 und 13 so hoch ausgebildet sind, daß ein Überlaufen des Elektrolyten verhindert wird, oder die Zelle kann mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten, abdichtenden Deckel versehen sein.

Die Elektroden können in manchen Fällen auch bipolar sein.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, es können auch andere Abweichungen noch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.

Beispielsweise können die am Auslauf der Elektrodenplatten 12 und 13, d. h. am Auslaß der Kanäle 25, angeordneten Leitelemente eventuell weggelassen werden. Wenn jedoch trotzdem solche Leitmittel vorgesehen sind, können diese durch feststehende Ablenkelemente gebildet werden. Die Ablenkelemente 14 und 15 können im übrigen recht unterschiedliche Form und Konzeption aufweisen. Sie können in verschiedener Weise gesteuert werden. Es genügt in der Tat, wenn es mit ihnen möglich wird, eine Strömungsstörung an den seitlichen Rändern der Elektroden zu verhindern. Die Ablenkelemente können aus beliebigem Material bestehen, vorteilhaft ist insbesondere ein elektrisch isolierendes Material.

Es können weiterhin mehrere Zellen 1 in Reihe oder in Parallelschaltung verwendet werden, die Anzahl der Anodenplatten 12 und der Kathodenplatten 13 kann sehr unterschiedlich sein.

Das beschriebene Elektroraffinierungsverfahren und die entsprechende Vorrichtung können auch für andere Metalle als Kupfer verwendet werden.

Die Ablenkelemente befinden sich vorzugsweise in einem solchen Abstand von den Elektroden, daß sie für die Seitenränder der Elektroden bei der Elektroraffinierung keine Abschirmung bilden.

Wenn die Ablenkelemente aus zwei Flügeln bestehen, um vor den Kanälen 25 Teilströme zu erzeugen, die im wesentlichen denen im Innern der Kanäle 25 entsprechen, dann hält man vorzugsweise den in bezug auf die Schwenkachse auf derselben Seite wie die Elektroden angeordneten Rand eines der beiden Flügel im wesentlichen in der Ebene einer der Seitenflächen einer Elektrodenplatte oder zur Außenseite der Platte hin leicht auf dieser Ebene heraustretend, während man den entsprechenden Rand des anderen Flügels im wesentlichen in der Ebene der anderen Seitenfläche derselben Elektrodenplatte oder zur Außenseite der Platte hin leicht aus dieser Ebene heraustretend hält

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

einer Anodenstromleitung und ein anderer Teil mit ei-

Patentansprüche: ner Kathodenstromleitung verbunden sind, so daß zwei

benachbarte Elektroden jeweils eine Anoden-Katho-1. Elektrolysezelle zur Durchführung einer Raffi- den-Einheit bilden.

nationselektrolyse von Metallen, insbesondere Kup- 5 Bekannte Verfahren zur Elektroraffinierung von Mefer, mit hohen Stromdichten in der mindestens zwei tallen sind mit verschiedenen Nachteilen behaftet, insplattenförmige Elektroden zueinander parallel und besondere bei der Raffinierungselektrolyse eines Meim gegenseitigen Abstand angeordnet sind und mit tails mit sehr hoher Stromdichte, beispielsweise bei der Einrichtungen zur Erzeugung einer im wesentlichen Raffinierung von Kupfer. Man stellt nämlich fest, daß es gleichförmigen Strömung des Elektrolyten in den 10 entweder bei einer Raffinierungselektrolyse mit sehr zwischen zwei benachbarten Elektroden gebildeten hohen Stromdichten nicht möglich ist, eine gleichmäßi-Kanälen, in der ein Teil der Elektroden mit einer ge Übertragung der Masse auf die Kathode zu erzielen, Anodenstromleitung und ein anderer Teil mit einer wodurch man eine Ablagerung mit nicht zufriedenstel-Kathodenstromleitung verbunden sind, so daß zwei lender Qualität erhält, oder daß die Mittel zur Erreibenachbarte Elektroden jeweils eine Anoden-Ka- 15 chung einer homogenen Massenübertragung in der inthoden-Einheit bilden, dadurch gekenn- dustriellen Praxis aus ökonomischen oder technologizeichnet, daß vor dem Einlauf in die zwischen sehen Gründen nicht brauchbar sind,
den Elektroden (12,13) gebildeten Kanäle (25) Ab- Beispielsweise ist aus der DE-OS 26 34 117 ein Ver-

lenkelemente oder Leitglieder (14, 15) vorgesehen fahren und eine Vorrichtung bekannt, bei denen der sind, die in Abhängigkeit von der Dickenzunahme 20 Elektrolyt beidseitig die Kathode bestreicht, wobei eine der Kathode (13) sowie der Dickenabnahme der An- weitere Verbesserung der Abscheidung durch ein perioode (12) gegeneinander bewegbar sind, wobei die disches Umkehren der Strömungsrichtung des Elektro-Il Ablenkelemente oder Leitglieder (14, 15) mit den lyten in der Elektrolysezelle erreicht werden solL

H Elektroden (12, 13) immer stetige Durchgänge für In der US-PS 40 53 377 wird dagegen vorgeschlagen,

$ den Elektrolyten bilden. 25 den Elektrolyten durch Leitglieder derart zu den Elek-

y 2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch ge- trodenoberflächen zu leiten, daß mit einer Art Venturi-

§j kennzeichnet, daß die Ablenkelemente (14, 15) aus bereich von einem einzelnen Kathoden-Anoden-Paar

vJ einem elektrisch isolierenden Material bestehen. eine im wesentlichen nicht turbulente Strömung er-

Il 3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, da- reicht wird.

|| durch gekennzeichnet, daß jedes Leitglied (14) aus 30 Auch diese Verfahren und Vorrichtungen lösen die

|- zwei Flügeln (14a, 146) besteht, die um eine gemein- oben angegebenen Probleme nicht zufriedenstellend.

\§ same, im wesentlichen parallel zur Elektrodenebene Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrolysezelle

?■{ und im wesentlichen senkrecht zur Elektrolytströ- vorzuschlagen, mit welcher ein Elektroiyseverfahren

;s mungsrichtung angeordnete Achse (22) schwenkbar der oben beschriebenen Art durchgeführt werden kann

;;\ sind. 35 und mit der eine gleichmäßige Massenübertragung auf

,;.> 4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, gekennzeich- die Kathode in ökonomischer Weise und mit technisch

% net durch eine Einrichtung, die den in bezug auf die akzeptablem Aufwand möglich ist.

j Schwenkachse (22) auf derselben Seite wie die Elek- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer

|i; troden (12,13) angeordneten Rand eines der beiden Elektrolysezelle der eingangs beschriebenen Art da-

if. Flügel (14a, 14b) im wesentlichen in der Ebene einer 40 durch gelöst, daß vor dem Einlauf in die zwischen den

!'■ι der Seitenflächen einer Elektrodenplatte (12, 13) Elektroden gebildeten Kanäle Ablenkelemente oder

j oder zur Außenseite der Platte (12,13) hin leicht aus Leitglieder vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von

);; dieser Ebene heraustretend hält, wobei sie den ent- der Dickenzunahme der Kathode sowie der Dickenab-

^!: sprechenden Rand des anderen Flügels (146,14a) im nähme der Anode gegeneinander bewegbar sind, wobei

iß wesentlichen in der Ebene der anderen Seitenfläche 45 die Ablenkelemente oder Leitglieder mit den Elektro-

•| derselben Elektrodenplatte oder zur Außenseite der den immer stetige Durchgänge für den Elektrolyten bil-

•;, Platte hin leicht aus dieser Ebene heraustretend hält. den.

5. Elektrolysezelle nach einem der voranstehen- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung

den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sind in den Unteransprüchen niedergelegt
ψ. Ablenkelemente (14) mit Steuer- und Verschiebe- 50 Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausfüh-

[■:) mitteln (17, 18) in Wirkverbindung stehen, die die rungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeich-

fi Ablenkelemente (14) in Abhängigkeit von der nung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt:

f| Schichtdickenzunahme auf der Kathode (13) und zur F i g. 1 schematisch eine Elektrolysevorrichtung zur

\ψ. Dickenabnahme der entsprechenden Anode (12) Elektroraffinierung mit dem Elektrolytkreislauf;

?i verschieben. 55 F i g. 2 schematisch eine Ansicht eines Teils einer

ί:| Elektroraffinierungsanlage gemäß einem bevorzugten

(S, Ausführungsbeispiel;

is F i g. 3 eine Schnittansicht längs Linie H-II in F i g. 2.

*f In den verschiedenen Figuren bezeichnen dieselben

I j Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur 60 Bezugszeichen identische oder entsprechende Elements Durchführung einer Raffinationselektrolyse von Metal- te.

len, insbesondere Kupfer, mit hohen Stromdichten, in Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur elek-

der mindestens zwei plattenförmige Elektroden zuein- trolytischen Raffinierung eines Metalls, beispielsweise ander parallel und im gegenseitigen Abstand angeord- von Kupfer, bevorzugt unter Verwendung von Strömen net sind und mit Einrichtungen zur Erzeugung einer im 65 hoher Stromdichte.

wesentlichen gleichförmigen Strömung des Elektroly- Man läßt den Elektrolyten vorzugsweise mit großer

Γ ten in den zwischen zwei benachbarten Elektroden ge- Geschwindigkeit und Turbulenz durch Kanäle zirkulie-

bildeten Kanälen, in der ein Teil der Elektroden mit ren. die sich zwischen den im wesentlichen Darallel und