EA032134B1

EA032134B1 - Ячейка для электрохимического извлечения металла

Info

Publication number: EA032134B1
Application number: EA201790300A
Authority: EA
Inventors: Алессандро Фьоруччи; Лучано Якопетти; Джузеппе Фаита
Original assignee: Индустрие Де Нора С.П.А.
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2019-04-30
Also published as: PH12016502567B1; PH12016502567A1; US20170211195A1; AR101935A1; ES2687602T3; CA2953274A1; CL2017000259A1; CN106574385B; PE20170233A1; PL3175020T3; KR20170038880A; MX2017001467A; CN106574385A; WO2016016406A1; AU2015295324A1; ZA201700176B; EP3175020B1; JP6660387B2; EA201790300A1; JP2017524074A

Abstract

Изобретение относится к электролизеру для электрохимического извлечения цветных металлов, включающему множество составленных в пакет элементарных ячеек, причем каждая элементарная ячейка оснащена устройством, пригодным для детектирования отклонений в распределении электрического тока на соответствующем ей аноде.

Description

032134 Β1

Область изобретения

Изобретение относится к электролизеру, включающему множество элементарных ячеек, пригодных для электрохимического извлечения металлов, в частности для электролитического получения меди и других цветных металлов из ионных растворов, и к установке электрохимического извлечения, в которой установлен такой электролизер.

Предпосылки изобретения

На электрохимических предприятиях по выделению цветных металлов, таких как, например, заводы по электролитическому извлечению и рафинированию металлов, также соответственно известные как установки по электроизвлечению и электрорафинированию, типично используются один или более электролизеров, включающих множество элементарных ячеек, каждая из которых содержит анод и катод.

В электролизерах, предназначенных для вышеупомянутых предприятий, аноды и катоды обычно размещены в электролитической ванне в чередующихся положениях и взаимно параллельно. Каждый электрод механически и электрически соединен с несущей балкой, и электрический ток подводится в нему через контакт его соответствующей несущей балки с шиной. В электролизере одна и та же шина является общей для электродов одинаковой полярности, подключенных друг с другом параллельно.

В случае, например, установок для получения таких цветных металлов, как медь, кобальт, цинк или никель, получившийся в результате электрохимической реакции металл осаждается под действием протекающего электрического тока на катоде каждой элементарной ячейки. Осажденный продукт собирают через определенные периодические интервалы, обычно несколько дней, при извлечении катодов из соответственного электролизера. Осаждение металла на поверхность катода может происходить неравномерным образом, приводя к локализованным отложениям, также известным как дендриты или дендритные образования, растущие в сторону противостоящего анода с возрастающей скоростью под действием протекающего электрического тока до тех пор, пока не происходит электрическое короткое замыкание. В таком случае повышение температуры на поверхности анода в месте контакта с дендритным образованием может вызывать серьезные повреждения; в некоторых случаях дендритное образование локально приваривается к поверхности анода, затрудняя последующее извлечение катода и, следовательно, всю операцию сбора металла.

Вышеупомянутые проблемы, связанные с образованием дендритов, особенно актуальны для анодов современных конструкций, изготовленных из титановых подложек, таких как сетки или просечновытяжные листы, снабженные покрытием из каталитического материала. Хотя такие аноды предпочтительны ввиду их повышенной эффективности по сравнению с традиционными свинцовыми анодами, условия короткого замыкания часто могут создавать в них обширные и неисправимые повреждения. Такая проблема остается неразрешимой также с анодами прогрессивного типа, раскрытыми в патентной заявке \УО 2013060786, в которой покрытая катализатором титановая сетка вставлена внутрь оболочки, состоящей из проницаемого материала, такого как пористый полимерный сепаратор или ионообменная мембрана. Повреждение анодов обусловливает высокие затраты на техническое обслуживание установки, падение производства металла и дополнительный ущерб, связанный с возможным вынужденным отключением установки.

Поэтому было бы желательным создание некой формы защиты анодов элементарных ячеек электролизера в случае роста дендритных образований. Также желательно быстро выявлять и уведомлять о тех отдельных анодах электролизера, в которых рост одного или более дендритных образований представляет потенциальную опасность. Поскольку установки электрохимического извлечения металла создают вредные для здоровья среды вследствие высоких температур и возможного присутствия кислотных туманов вблизи электролизеров, выявление и, в частности, оповещение о конкретных анодах, подверженных формированию дендритных образований, также имеет целью обеспечение возможности срочного вмешательства обслуживающего установку персонала, сокращая продолжительность его пребывания внутри электролизного цеха.

Сущность изобретения

Различные аспекты изобретения изложены в прилагаемой формуле изобретения.

По одному аспекту изобретение относится к электролизеру для электрохимического извлечения металлов, выполненному из множества элементарных ячеек, причем каждая ячейка содержит анод и катод с размещенным между ними электропроводящим пористым экраном, анод снабжен каталитической в отношении реакции выделения кислорода поверхностью, а катод пригоден для осаждения металла из электролитической ванны. Кроме того, ячейка включает электропроводящую анодную несущую балку, электрически и механически соединенную с анодом, и электропроводящую катодную несущую балку, электрически и механически соединенную с катодом. Каждая элементарная ячейка также включает в себя устройство, пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, протекающего через соответствующую анодную несущую балку. Кроме того, электролизер оснащен анодной шиной, электрически соединенной с анодными несущими балками каждой ячейки, и катодной шиной, электрически соединенной с катодными несущими балками каждой ячейки. Электролизер также может включать катодную уравновешивающую шину, размещенную параллельно анодной шине и поблизости от нее.

- 1 032134

Проводящий пористый экран, размещенный между анодом и катодом элементарной ячейки, представляет собой конструкцию, которая может обладать разными степенями компактности и выполнена таким образом, чтобы обеспечивать возможность протекания раствора электролита без прерывания ионной проводимости между катодом и анодом.

При проведении электролиза с использованием электролизера с описанной выше конструкцией дендриты, которые могут образовываться на одном или более катодах элементарных ячеек, приходят в контакт с противолежащим пористым экраном прежде, чем они смогут достигнуть анодной поверхности, и тем самым их рост прерывается, или в любом случае замедляется. Было обнаружено, что в случае, когда дендритное образование приходит в контакт с пористым экраном, часть полученного в ячейке металла осаждается непосредственно на экран в виде покрытия, придавая экрану некоторую электрическую проводимость. В этом случае весь узел, состоящий из катода, дендрита и пористого экрана, вследствие существующего между этими элементами электрического соединения, дополнительно выполняет функцию нового катода элементарной ячейки, к тому же расположенного ближе к аноду, чем исходный катод. В этой ситуации меньшее омическое падение напряжения в электролите, связанное с уменьшением зазора между новым катодом и анодом, обусловливает возрастание электрического тока, протекающего по соответствующей анодной несущей балке. Было найдено, что степень этого возрастания тока может быть использована в качестве показателя роста дендрита.

В одном варианте исполнения прямое или косвенное детектирование электрического тока, протекающего в каждой анодной несущей балке, может быть выполнено на самой балке, или же на элементах, электрически соединенных с нею, посредством устройства детектирования, способного измерять вариации напряжения или температуры.

В одном варианте исполнения измерение вариации напряжения производится путем подключения устройства детектирования к соответственной анодной шине, с одной стороны, и к катодной несущей балке, с другой стороны, с помощью электропроводящего и необязательно гибкого прижимного контакта. Эта конфигурация может обеспечивать преимущество исключения стационарных электрических соединений на анодной несущей балке, упрощая последующие операции технического обслуживания ячейки.

В одном дополнительном варианте исполнения измерение вариации напряжения проводится подключением устройства детектирования к соответственной анодной несущей балке в двух точках, находящихся на определенном расстоянии вдоль ее основной оси.

В одном варианте исполнения измерение вариации температуры может быть выполнено с помощью термочувствительного устройства, например термопары. Это измерение может быть проведено, например, термочувствительным устройством, установленным на каждую анодную несущую балку, предпочтительно в совмещении с ее концевым участком, или, альтернативно, на анодной шине в совмещении с каждой точкой ее контакта с анодной несущей балкой. Термочувствительное устройство может быть оснащено химически стойкой облицовкой, пригодной для защиты и/или усиления его теплоизоляции от окружающей среды.

В еще одном варианте исполнения измерение вариации температуры может быть выполнено с использованием термохромных красок, которые изменяют свой цвет, как только температура превышает предварительно заданное пороговое значение. Такие краски наносят либо на анодную несущую балку, либо на анодную шину в совмещении с точкой контакта с анодной несущей балкой. Этот вариант исполнения может иметь преимущество в том, что потенциально критические ситуации, определяемые ростом дендритных образований, немедленно делает явными для персонала, работающего внутри электрохимической установки, также позволяя быстро выявить тот электролизер и тот анод или аноды в таком электролизере, где возникают эти ситуации.

В одном варианте исполнения каждое устройство детектирования может быть соединено с своим собственным микропроцессором, выполненным с возможностью проведения сравнения между измерением, выполненным этим устройством, и предварительно заданным контрольным диапазоном; если результат измерения не попадает в пределы контрольного диапазона, микропроцессор может активировать одну или более систем сигнализации, действующих последовательно или синхронно. Микропроцессор и/или система сигнализации могут быть выключены во время операции извлечения катода, например, ввиду сбора продукта. Микропроцессор может быть встроен в систему сигнализации и/или устройство детектирования в виде единого узла.

В одном варианте исполнения микропроцессор запитывается от рабочего электрического напряжения, чтобы избежать применения батарей, которые потребовали бы периодической замены. В частности, микропроцессор может быть подключен непосредственно к анодной шине и к катодной уравновешивающей шине в случае, если электролизер оснащен ею. Если электролизер не имеет катодной уравновешивающей шины и желательно избежать стационарной проводки, которая мешала бы работе установки, микропроцессор, предназначенный для мониторинга определенной анодной несущей балки, может быть подключен к анодной шине и к несущей балке соседнего катода, предпочтительно через гибкий прижимной контакт.

В одном варианте исполнения микропроцессор приводит в действие по меньшей мере одну систему

- 2 032134 сигнализации, состоящую из светоизлучающего диода, который может быть связан с оптическим волокном, либо напрямую, либо через оптическое соединительное устройство. Оптическое волокно, необязательно облицованное полимерным материалом, позволяет передавать световой сигнал на концевые участки каждой анодной несущей балки, или, что еще лучше, наружу электролизера, тем самым упрощая его выявление эксплуатирующим установку персоналом и позволяя быстро определить электролизер и соответствующий анод или аноды, представляя непосредственно или косвенно величины тока за пределами диапазона предварительно заданных значений.

В одном варианте исполнения пористый экран может быть изготовлен из углеродных полотен подходящей толщины. В еще одном варианте исполнения пористый экран может состоять из сетки или перфорированного листа, сделанного из коррозионностойкого металла, например титана, снабженного каталитически инертным в отношении реакции выделения кислорода покрытием. В одном варианте исполнения каталитически инертное покрытие может быть выполнено на основе олова, тантала, ниобия или титана, например, в форме оксидов. В одном варианте исполнения аноды получены из титановых сеток или просечно-вытяжных листов, покрытых каталитическим материалом. В еще одном дополнительном варианте исполнения покрытая катализатором титановая сетка вставлена внутрь оболочки, состоящей из проницаемого сепаратора, например пористого листа из полимерного материала или катионообменной мембраны, закрепленной на раме и увенчанной туманоуловителем.

Оптимальный зазор между пористым экраном и поверхностью анода зависит от технологических параметров процесса и общих габаритов установки. В установках, использованных для проверки изобретения, наилучшие характеристики были получены с ячейками, в которых использовались аноды и катоды, отстоящие друг от друга на расстояние от 25 до 100 мм, и пористые экраны, размещенные на расстоянии 1-20 мм от противолежащих анодов.

По другому аспекту изобретение относится к анодному элементу для элементарных ячеек электролизеров для электрохимического извлечения металлов, включающему анод с каталитической в отношении реакции выделения кислорода поверхностью, пористый экран, анодную несущую балку, механически и электрически соединенную с анодом, и устройство, пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, протекающего через анодную несущую балку. Устройство, пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, может быть выполнено так, как было описано здесь выше, и может быть необязательно соединено с микропроцессором, пригодным для сравнения детектированного значения с предварительно заданным диапазоном значений, и включения одного или более аварийных сигналов в том случае, когда детектированное значение не входит в заданный диапазон. Аварийный сигнал может быть акустическим, визуальным, электромагнитным или любой другой природы и может состоять из сочетания множественных сигналов.

По еще одному аспекту изобретение относится к элементарной ячейке электролизера для электрохимического извлечения металла, включающей анод с каталитической в отношении реакции выделения кислорода поверхностью;

катод, пригодный для осаждения металла из электролитической ванны, размещенный параллельно упомянутому аноду;

пористый экран, размещенный между упомянутым анодом и упомянутым катодом;

электропроводящую анодную несущую балку, объединенную с анодом и электрически соединенную с ним;

устройство, пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, протекающего через анодную несущую балку;

анодную шину, электропроводящую и электрически соединенную с анодной несущей балкой.

По еще одному аспекту изобретение относится к способу получения меди из раствора, содержащего ионы одно- и/или двухвалентной меди, включающему электролиз раствора внутри описанного здесь выше электролизера.

Некоторые примерные варианты осуществления изобретения будут теперь описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи, назначение которых состоит только в иллюстрировании взаимного размещения различных элементов относительно упомянутых конкретных вариантов осуществления изобретения; в частности чертежи совсем не обязательно выполнены в масштабе.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 схематически показывает элементарную ячейку электролизера для электрохимического извлечения металла, представляя один вариант осуществления изобретения;

фиг. 2 схематически показывает возможную систему сигнализации роста дендритных образований в элементарной ячейке электролизера для электрохимического извлечения металла, представляя еще один вариант осуществления изобретения.

Подробное описание чертежей

Фиг. 1 схематически показывает элементарную ячейку электролизера для электрохимического извлечения металла, включающую анод (100) и катод (200), пригодный для осаждения металла из электролитической ванны и размещенный параллельно аноду, пористый экран (300), размещенный между анодом и катодом, анодную несущую балку (400), объединенную с анодом и электрически соединенную с

- 3 032134 ним, катодную несущую балку (450), устройство (500), пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, протекающего через анодную несущую балку (400), электропроводящую анодную шину (600) в электрическом соединении с анодной несущей балкой (400). Устройство (500), пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, может быть соединено с микропроцессором (700), выполненным с возможностью сравнения детектированной устройством (500) величины с предварительно заданным диапазоном значений. Микропроцессор (700) соединен с системой (800) сигнализации, активируемой в случае обнаружения значения вне контрольного диапазона.

Фиг. 2 показывает устройство (500), пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, соединенное с микропроцессором (700) для сравнения упомянутого детектирования с предварительно заданным диапазоном значений. Микропроцессор (700) выполнен с возможностью приведения в действие системы (800) сигнализации в случае обнаружения значения за пределами контрольного диапазона. Система (800) сигнализации может состоять из светоизлучающего диода (801), который испускает световой сигнал в случае активации микропроцессором (800). Сигнал диода (801) передается по оптическому волокну (803), необязательно связанному с диодом (800) через оптическую соединительную систему (802).

Оконечность волокна, из которой выводится световой сигнал (803), размещена в надлежащем положении, по возможности легком для выявления работающим на установке персоналом (900). Предыдущее описание не должно предполагать ограничения изобретения, которое может быть применено согласно разнообразным вариантам осуществления без выхода за его пределы и объем которого определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.

На протяжении всего описания и формулы изобретения данной заявки термины включать, содержать и их варианты, такие как включающий и содержит, не предполагаются исключающими наличие других элементов, компонентов или дополнительных этапов способа.

Обсуждение документов, актов, материалов, устройств, изделий и тому подобных включено в настоящее описание только с целью создания контекста для настоящего изобретения. Не предусмотрено и не предполагается, что любой или все из этих объектов составляли часть базового уровня техники или представляли собой общеизвестные сведения в той области, к которой относится изобретение, до даты приоритета каждого пункта формулы изобретения данной заявки.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Элементарная ячейка электролизера для электрохимического извлечения металла, включающая анод с каталитической в отношении реакции выделения кислорода поверхностью;

катод, пригодный для осаждения металла из электролитической ванны, размещенный параллельно упомянутому аноду;

электропроводящий пористый экран, размещенный между упомянутым анодом и упомянутым катодом;

электропроводящую анодную несущую балку, механически и электрически соединенную с анодом; устройство, пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, протекающего через анодную несущую балку;

анодную шину, электропроводящую и электрически соединенную с анодной несущей балкой.
2. Ячейка по п.1, в которой упомянутое устройство, пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, дополнительно включает средство для оценки физической величины, выбранной из напряжения и температуры.
3. Ячейка по п.2, в которой упомянутое средство для оценки физической величины представляет собой средство для измерения температуры с использованием термохромной краски или термочувствительного устройства.
4. Ячейка по п.3, в которой упомянутое термочувствительное устройство представляет собой термопару.
5. Ячейка по п.3 или 4, в которой упомянутое средство для измерения температуры размещено на упомянутой анодной несущей балке и совмещено с ее концевым участком.
6. Ячейка по п.3 или 4, в которой упомянутое средство для измерения температуры размещено на упомянутой анодной шине в области контакта с анодной несущей балкой.
7. Ячейка по п.1, дополнительно включающая микропроцессор, соединенный с упомянутым устройством детектирования и по меньшей мере одной системой сигнализации, причем упомянутый микропроцессор выполнен с возможностью сравнения электрического тока, измеренного упомянутым устройством детектирования, с предварительно заданным контрольным диапазоном, а упомянутая по меньшей мере одна система сигнализации выполнена с возможностью приведения ее в действие, как только упомянутое устройство детектирования дает значение за пределами упомянутого контрольного диапазона.
8. Ячейка по п.7, дополнительно включающая электропроводящую катодную несущую балку, связанную с катодом и электрически соединенную с

- 4 032134 ним; и катодную уравновешивающую шину.
9. Ячейка по п.8, в которой микропроцессор подключен к источнику рабочего электрического напряжения.
10. Ячейка по п.9, в которой микропроцессор подключен к упомянутой анодной шине и упомянутой катодной уравновешивающей шине.
11. Ячейка по п.9, в которой микропроцессор подключен к упомянутой анодной шине и через прижимной контакт к упомянутой катодной несущей балке.
12. Ячейка по любому из пп.7-11, в которой упомянутая система сигнализации включает светоизлучающий диод, приводимый в действие упомянутым микропроцессором.
13. Ячейка по п.12, в которой упомянутый светоизлучающий диод соединен с оптическим волокном.
14. Электролизер для первичного извлечения металла из электролитической ванны, включающий в себя пакет ячеек по любому из предшествующих пунктов в совместном электрическом соединении.
15. Способ получения меди из раствора, содержащего ионы одно- и/или двухвалентной меди, включающий электролиз раствора внутри электролизера по п.14.
16. Анодный элемент для ячеек электрохимического извлечения металлов, включающий анод с по меньшей мере одной каталитической в отношении реакции выделения кислорода поверхностью, по меньшей мере один электропроводящий пористый экран, анодную несущую балку, механически и электрически соединенную с анодом, и устройство, пригодное для непосредственного или опосредованного детектирования электрического тока, протекающего через упомянутую анодную несущую балку.