FI124812B - Menetelmä ja laitteisto metallipulverin valmistamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ JA LAITTEISTO METALLIPULVERIN VALMISTAMISEK¬SI

TEKNIIKAN ALA

Keksintö liittyy hienojakoisten metallipulve-rien valmistukseen. Keksinnön kohteena on erityisestielektrolyysiä hyödyntävä liuotus-saostus-menetelmä ja-laitteisto metallipulverin valmistamiseksi.

KEKSINNÖN TAUSTA

Monien metallien valmistusmenetelmien loppu¬tuote on tavallisesti levymäinen katodimuodossa olevakappale. Tällainen lopputuote saadaan esim. tavan¬omaisten elektrolyysiä hyödyntävien pyrometallurgistenvalmistusreittien avulla. Näissä menetelmissä rikas¬teesta pyrometallurgisesti valmistettu metallianodiraffinoidaan elektrolyyttisesti katodikupariksi, jostavoidaan esim. valaa erimuotoisia tuotteita. Tämäntyyppisillä menetelmillä voidaan valmistaa esim. kupa¬ri-, nikkeli- tai kobolttituotteita.

Metallien valmistuksessa olisi kuitenkin mo¬nissa tilanteissa mm. jatkokäsittelyn kannalta edul¬lista saada valmistusmenetelmän lopputuotteena metallijossakin muussa muodossa kuin yhtenäisenä kiinteänäkappaleena kuten katodilevynä. Erityisesti menetelmät,joissa lopputuote saadaan puhtaana metallipulverina(jauheena) olisivat erittäin hyödyllisiä.

Patenttihakemusjulkaisussa JP2002327289 onesitetty menetelmä kuparipulverin valmistamiseksielektrolyysissä. Menetelmässä titaanikationeja sisäl¬tävää rikkihapon vesiliuosta johdetaan anodikammioon,jolloin titaanikationit pelkistävät anodikammioonliuenneen kuparin saostaen tämän anodikammiossa hieno¬jakoiseksi kuparipulveriksi. Tämän menetelmän ongelma¬na on katolyyttiliuoksen johtaminen suoraan anodikam¬mioon, minkä vuoksi katolyyttiliuoksen ja anolyytti-liuoksen sekoitussuhteita ei kyetä tehokkaasti hallit¬ semaan. Menetelmässä lisäksi kupari saostuu suoraananodikammioon, mikä hankaloittaa saostuneen kuparinpoistamista elektrolyysilaitteistosta. Nämä ongelmatmuodostavat riskin kupariagglomeraattien syntymiselle,mikä hankaloittaa kuparipulverin partikkelikoon kont¬rollia .

Patenttihakemusjulkaisussa US2005/0023151esitetään menetelmä, jossa muodostetaan kuparipulveriaelektrolyyttisesti saostamalla kuparia kuparisulfaa-tista katodilla. Menetelmässä käytetään hyväksi ano¬dista ferro-/ferri-reaktiota, jolla saadaan alennettuamenetelmän energiankulutusta. Tässä julkaisussa esite¬tään lisäksi läpivirtauslaitteisto, jossa saostunutkuparipulveri kerätään talteen elektrodeilta näidenläpi virtaavan elektrolyytin avulla. JulkaisussaUS2005/0023151 esitetyn menetelmän ja laitteiston on¬gelmana on mm. kuparin epäluotettava talteenotto kato¬deilta johtuen esim. kuparin saostumisesta lukuisiineri paikkoihin elektrodeja sisältävässä kammiossa sekäkuparin kiinnittymisestä katodille. Kuparipulverinraekoon ja saostuneiden kuparipartikkelien morfologiankontrollointi ja tasalaatuisuuden saavuttaminen erielektrodeilla on vaikeaa johtuen mm. edellä mainituis¬ta ongelmista. Lisäksi kuparin saostuminen suoraan ka¬todille riippuu myös katodin materiaalista ja pinta-morfologiasta, mikä osaltaan lisää menetelmän epä¬luotettavuutta .

Patenttihakemusjulkaisussa W02008/017731 onesitetty menetelmä metallipulverin valmistamiseksi.Tässä menetelmässä saostetaan arvometallimetallipulve-ria pelkistämällä menetelmässä liuotettu arvometallitoisen metallin avulla. Menetelmässä myös arvometallinliuotus tapahtuu reaktiossa kyseisen toisen metallinkanssa, mikä heikentää prosessin kinetiikan hallintaaja hyötysuhdetta sekä tekee menetelmästä ja siihenkäytetystä laitteistosta varsin monimutkaisia.

Julkaisussa JP 54104439 A on tuotu esiinelektrolyysikenno, jossa elektrodit on erotettu dia-fragman avulla.

KEKSINNÖN TARKOITUS

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellämainittuja tunnetun tekniikan ongelmia ja tuoda esilleuudenlainen menetelmä ja laitteisto metallipulverinvalmistamiseksi elektrolyysiä hyödyntävällä liuotus-saos tus -menetelmällä .

KEKSINNÖN YHTEENVETO

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnus¬omaista se, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaa¬timuksessa 1.

Keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnus¬omaista se, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaa¬timuksessa 20.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä metallipul¬verin valmistamiseksi sekoitetaan liuennutta hyötyme-tallia ainakin yhtä välittäjämetallia sisältävän liu¬oksen kanssa liuenneen hyötymetallin saostamiseksihyötymetallipulveriksi. Menetelmässä tuodaan happoasisältävän alkuliuoksen ensimmäinen osa elektro-lyysikennon anodipuolelle anolyytiksi kosketuksiinanodin ja hyötymetallia sisältävän lähtömateriaalinkanssa, ja tuodaan happoa sisältävän alkuliuoksen toi¬nen osa, joka sisältää hapon lisäksi välittäjämetal¬lia, elektrolyysikennon katodipuolelle kosketuksiinkatodin kanssa katolyytiksi; hapetetaan ja liuotetaanhyötymetallia anolyyttiin johtamalla anodiin sähkövir¬taa; pelkistetään alkuliuoksen toisessa osassa olevaavälittäjämetallia katodipuolella; ja tuodaan anolyyt-tiliuosta ja katolyyttiliuosta saostuskammioon alku-liuoksen ensimmäiseen osaan liuenneen hapettuneen hyö- tymetallin sekä pelkistynyttä välittäjämetallia sisäl¬tävän alkuliuoksen toisen osan sekoittamiseksi.

Keksinnön mukainen laitteisto on laitteistometallipulverin valmistamiseksi saostamalla hyötyme-tallipulveria sekoittamalla liuennutta hyötymetalliaainakin yhtä välittäjämetallia sisältävän liuoksenkanssa. Keksinnön mukainen laitteisto käsittää elekt-rolyysikennon elektrolyysikennon anodipuolella sijait¬sevan hyötymetallin liuottamiseksi ja hapettamiseksianolyyttiin, ja elektrolyysikennon katodipuolella si¬jaitsevan liuenneen välittäjämetallin pelkistämiseksikatodipuolella; elektrolyysikennosta oleellisestierillään olevan saostuskammion; sekä välineet anolyyt-tiliuoksen ja katolyyttiliuoksen tuomiseksi vastaavas¬ti elektrolyysikennon anodipuolelta ja katodipuoleltasaostuskammioon anolyyttiin liuenneen hapettuneen hyö¬tymetallin sekä pelkistynyttä välittäjämetallia sisäl¬tävän katolyyttiliuoksen sekoittamiseksi elektro¬lyysikennon ulkopuolella.

Keksinnön etuina on mm. saostuvan hyötymetal-lipulverin partikkelikoon hyvä hallittavuus, minkämahdollistaa erityisesti sekoitettavien anolyyttiliu-oksen ja katolyyttiliuoksen tuominen erilliseen saos¬tuskammioon, jolloin näiden liuosten sekoitussuhdettavoidaan helposti ja tarkasti hallita sekä optimoidaprosessiolosuhteiden mukaan. Lisäksi saostusvaiheentapahtuessa erillisessä saostuskammiossa pois elektro¬dien ympäristöstä voidaan elektrodien vaikutus saos-tusprosessiin ja saostuman keräämiseen minimoida, jol¬loin prosessin luotettavuus paranee. Myös hyötymetal-lisaostuman talteenotto helpottuu ja tulee luotetta¬vammaksi. Oikealla sekoitussuhteella ja tehokkaallasaostuman talteenotolla voidaan ehkäistä hyötymetal-liagglomeraattien syntyminen saostusvaiheessa ja näinmahdollistetaan pulverissa olevien hyötymetallipartik-kelien homogeenisuus koon suhteen. Oikea sekoitussuhdemyös mahdollistaa hyötysuhteeltaan paremman prosessin, jolla voidaan pienentää prosessin tarvitseman energianmäärää tietyn hyötymetallipulverimassan tuottamiseksi.

Ellei toisin esitetä, tässä dokumentissa Il¬maisuilla "anodipuoli" tai "katodipuoli" tarkoitetaanelektrolyysikennon osia, jotka sisältävät anolyyttiätai katolyyttiä anodin tai katodin läheisyydessä, vas¬taavasti. "Anodipuolen" tai "katodipuolen" ei tarvitseolla yhtenäinen elektrolyysikennon osa vaan "anodipuo¬li" tai "katodipuoli" voivat sisältää useita toisis¬taan erillään olevia osia, jotka käsittävät anodin taikatodin ja anolyyttiä tai katolyyttiä, vastaavasti.

Ellei toisin esitetä, tässä dokumentissa"diatragmalla" tarkoitetaan mitä tahansa tarkoitukseensoveltuvaa kalvoa tai ohutta mekaanista estettä, kutenmembraania, teknistä kangasta tai vastaavaa.

Ellei toisin esitetä, tässä dokumentissa il¬maisulla "hapetustila", "hapetusaste", tai vastaavallailmaisulla, tarkoitetaan varaustilaa, jossa atomiesiintyy yksinään tai näennäisesti molekyylissä. Il¬maisulla "hapetustila", "hapetusaste", tai vastaavallailmaisulla, voidaan siis tarkoittaa myös atomin näen-näisvarausta.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa alkuliuok-sen ensimmäinen osa sisältää välittäjämetallia hyöty-metallin liuottamisen tehostamiseksi anodipuolella.Eräässä keksinnön toteutusmuodossa tuodaan anolyytti-liuoksen ja katolyyttiliuoksen sekoituksen tuloksenasyntyneen kiertoliuoksen ensimmäinen osa takaisin ano-lyytiksi. Eräässä keksinnön toteutusmuodossa alkuliu-oksen ensimmäinen osa koostuu kiertoliuoksen ensimmäi¬sestä osasta. Edelleen eräässä keksinnön toteutusmuo¬dossa tuodaan anolyyttiliuoksen ja katolyyttiliuoksensekoituksen tuloksena syntyneen kiertoliuoksen toinenosa takaisin katolyytiksi. Edelleen eräässä keksinnöntoteutusmuodossa alkuliuoksen toinen osa koostuu kier¬toliuoksen toisesta osasta. Edelleen eräässä keksinnöntoteutusmuodossa johdetaan kiertoliuos oleellisesti kokonaan takaisin elektrolyytiksi, jolloin kiertoliuoskoostuu oleellisesti kiertoliuoksen ensimmäisestäosasta ja kiertoliuoksen toisesta osasta. Kun anolyyt-tiliuosta, joka on muodostettu alkuliuoksen ensimmäi¬sestä osasta, ja katolyyttiliuosta, joka on muodostet¬tu alkuliuoksen toisesta osasta, sekoitetaan keske¬nään, syntyy hyötymetallipulveria anolyytissä hapettu¬neen ja liuenneen hyötymetallin pelkistyessä ja kato-lyytissä pelkistyneen välittäjämetallin hapettuessa.Näin syntynyt kiertoliuos kierrätetään joissain kek¬sinnön toteutusmuodoissa prosessiin käytettävässälaitteistossa siten, että kiertoliuos johdetaan osit¬tain tai kokonaan, sekoitusvaiheen ja hyötymetal-lisaostuman liuoksesta erottamisen jälkeen, uudestaananolyytiksi ja/tai katolyytiksi. Tällöin välittäjäme-talli jälleen pelkistyy katolyytissa. Näin katolyytis-sa voidaan toteuttaa elektrolyyttinen välittäjämetal¬lin regenerointi, jolloin prosessiin ei tarvitseeräissä keksinnön toteutusmuodoissa oleellisesti tuodauutta välittäjämetallia sisältävää liuosta. Lisäksimyös anolyytin sisältäessä eräissä keksinnön toteutus-muodoissa välittäjämetallia, tehostaa tämä välittäjä-metalli hyötymetallin liuottamista toimintaolosuhteis¬sa, esim. suhteellisen alhaisilla happopitoisuuksilla,joissa liuottaminen pelkän sähkövirran ja happoliuok-sen yhteisvaikutuksella ei olisi tehokasta.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa anolyyttija katolyytti on erotettu mekaanisesti toisistaan säh¬köä johtavalla diatragmalla. Eräässä keksinnön toteu¬tusmuodossa elektrolyysikenno käsittää sähköä johtavandiafragman elektrolyysikennon anodipuolen ja katodi-puolen välissä anodipuolen ja katodipuolen erottami¬seksi toisistaan mekaanisesti.

Edelleen eräässä keksinnön toteutusmuodossajohdetaan sähköä johtavaa erotinliuosta anolyytin jakatolyytin erottavan kahden diafragman väliin anolyy¬tin ja katolyytin ennenaikaisen sekoittumisen estämi¬ seksi. Eräässä keksinnön toteutusmuodossa elektro-lyysikenno käsittää kaksi sähköä johtavaa diafragmaaelektrolyysikennon anodipuolen ja katodipuolen välissäanodipuolen ja katodipuolen erottamiseksi toisistaanmekaanisesti kahden diafragman välisessä tilassa ole¬van sähköä johtavan erotinliuoksen avulla.

Saostusvaiheen erottamiseksi tehokkaastielektrolyysikennosta, ja vaiheen toteuttamiseksi hal¬litusti ja oleellisesti kokonaisuudessaan erillisessäsaostuskammiossa, voidaan anolyytti ja katolyyttieräässä keksinnön toteutusmuodossa erottaa toisistaansähköä johtavan diafragman avulla. Sähköä johtavalladiafragmalla tarkoitetaan tässä dokumentissa diafrag¬maa, joka johtaa sähköä niin paljon, että diafragmamahdollistaa elektrolyysikennon tehokkaan toiminnan.Diafragman sähkönjohtavuus saattaa joissain keksinnöntoteutusmuodoissa kuitenkin olla pienempi kuin niidenliuosten, jotka diafragma erottaa toisistaan mekaani¬sesti. Diafragman tarkoituksena on siis erottaa dia¬fragman eri puolilla olevat liuokset mekaanisesti toi¬sistaan, eli toimia mekaanisena esteenä, samalla joh¬taen sähköä niin hyvin, että elektrolyysikenno kykeneetehokkaasti toimimaan. Tämä diafragma jakaa elektro¬lyysikennon anodiosaan (tai anodipuoleen) , jossa ano¬lyytti sijaitsee, ja katodiosaan (tai katodipuoleen),jossa katolyytti sijaitsee. Näin anolyytti ja kato¬lyytti eivät pääse sekoittumaan keskenään anodi- jakatodireaktioiden häiriintymättä, eikä hyötymetalli-pulveria pääse muodostumaan elektrodien läheisyydessäelektrolyysikennossa. Anolyytin ja katolyytin erotta¬misen edelleen tehostamiseksi voidaan anodipuolen jakatodipuolen välillä käyttää kahta puoliin jakavaadiafragmaa, ja näiden kahden diafragman väliin voidaanjohtaa erotinliuosta.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa hyötyme-talli on kupari. Eräässä keksinnön toteutusmuodossahyötymetalli valitaan joukosta nikkeli, koboltti, sinkki, hopea, kulta, ruteeni, rodium, palladium, os¬mium, iridium, platina, mangaani, zirkonium, tina,kadmium ja indium.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa välittäjä-metalli on vanadiini. Edelleen eräässä keksinnön to¬teutusmuodossa välittäjämetalli valitaan joukosta ti¬taani, kromi ja rauta. Edelleen eräässä keksinnön to¬teutusmuodossa välittäjämetalli valitaan joukosta man¬gaani, zirkonium, molybdeeni, teknetium, volframi,elohopea, germanium, arseeni, seleeni, tina, antimonitelluuri ja kupari. Keksinnön eri toteutusmuodoissavoidaan hyötymetalleiksi ja välittäjämetalleiksi vali¬ta metalleja joukosta, joka riippuu monista eri pro-sessiparametreista, erityisesti elektrolyytin pH-arvosta (toisin sanoen happopitoisuudesta). Tämän kek¬sinnön kuvauksen perusteella alan ammattilainen kyke¬nee löytämään edellä mainituista joukoista rutiinin¬omaisen testauksen avulla tietylle hyötymetallille so¬pivan välittäjämetallin. Erityisesti on havaittu, ettäesimerkiksi kuparipulveria voidaan tehokkaasti ja luo¬tettavasti tuottaa eräässä keksinnön toteutusmuodossa,kun välittäjämetalliksi valitaan vanadiini.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa hyötyme-tallia sisältävä lähtömateriaali sijaitsee anodissa.Edelleen eräässä keksinnön toteutusmuodossa elektro-lyysikennon anodipuolella sijaitseva hyötymetalli si¬jaitsee elektrolyysikennon anodissa. Kun hyötymetalliasisältävä lähtömateriaali sijaitsee anodissa, voidaanhyötymetalliin kulkevaa sähkövirran määrää ja näinmyös liukenevan hyötymetallin ainemäärää aikayksikköäkohden tarkasti hallita. Tämän toteutusmuodon etu onliukenemisreaktion erityisen tarkka hallinta sähköäkäyttäen; hyötymetallia liukenee tarkasti käytetynsähkömäärän mukaan annetussa ajassa Faradayn lain mu¬kaan. Liuotusvaiheen kinetiikka on lisäksi nopeaa ano-lyyttiin liukenevan hyötymetallin määrän ollessa suo¬raan verrannollinen anodin läpin virranneen varauksen määrään. Näin myös anolyyttiin liukenevan hyötymetal-lin määrää voidaan hallita tehokkaasti ja tarkasti,mikä mahdollistaa prosessin dynamiikan tarkemman kont¬rollin ja luotettavuuden paranemisen.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa valitaanhyötymetalli siten, että valittu hyötymetalli liukeneeanolyyttiin sen hapon liukoisena suolana, mitä happoalähtöliuoksen ensimmäinen osa sisältää.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa elektro¬lyytit on asetettu hapettamattomaan ympäristöön,elektrolyyteissä olevan hyötymetallin ja/tai välittä-jämetallin hapettumisen estämiseksi. Tämä helpottaaelektrolyyttien happamuuden hallintaa, jolloin voidaantarkemmin säätää prosessin eri liuoksissa tapahtuvien,esim. hyötymetallia ja/tai välittäjämetallia sisältä¬vien, kemiallisten reaktioiden tasapainoa, mikä mm.parantaa prosessin luotettavuutta ja hyötysuhdetta.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa alkuliuossisältää rikkihappoa. Edelleen eräässä keksinnön to¬teutusmuodossa rikkihapon pitoisuus alkuliuoksessa onvähintään 50 g/1 ja edullisesti välillä 50 g/1 - 1500g/1. Eräässä keksinnön toteutusmuodossa alkuliuos si¬sältää suolahappoa tai typpihappoa. Edelleen eräässäkeksinnön toteutusmuodossa suolahapon pitoisuus alku-liuoksessa on välillä 15 g/1 - 500 g/1. Edelleeneräässä keksinnön toteutusmuodossa alkuliuos sisältääsuolahapon lisäksi alkalikloridia, jonka pitoisuus al¬kuliuoksessa on välillä 15 g/1 - 500 g/1. Alkuliuok-seen sopiva happo riippuu mm. lähtömateriaalista, hyö-tymetallista ja välittäjämetallista. Liuokset voivatjoissain keksinnön toteutusmuodoissa sisältää myösuseampaa kuin yhtä happoa. Tämän keksinnön kuvauksenperusteella alan ammattilainen kykenee löytämään ru¬tiininomaisen testauksen avulla tietylle lähtömateri¬aalille, hyötymetallille ja välittäjämetallille sopi¬van hapon ja pitoisuuden tälle hapolle. Erityisesti onhavaittu, että alkuliuoksessa oleva vähintään 50 g/1 rikkihappopitoisuus mahdollistaa eräissä keksinnön to¬teutusmuodoissa kuparianodin tehokkaan hapettamisen jaliuottamisen anolyyttiin välittäjämetallin ollessa va¬nadiini. Sopiva happo ja pitoisuus tälle hapolle tuleevalita siten, että hyötymetalli liukenee lähtömateri¬aalista anolyyttiin välittäjämetallin hapettumisen si¬jaan. Tästä syystä pitää anolyytin pH:n (eli happopi-toisuuden) olla sopiva. Kun hyötymetallina on kuparija välittäjämetallina vanadiini tulee happopitoisuudenolla mahdollisimman suuri.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa elektro-lyysikenno käsittää ainakin yhden, diafragman rajoit¬taman, pussin anolyytin ja/tai katolyytin rajoittami¬seksi pussin sisälle. Edelleen eräässä keksinnön to¬teutusmuodossa elektrolyysikenno käsittää välineeterotinliuoksen johtamiseksi kahden diafragman välises¬tä tilasta anodipuolelle ja/tai katodipuolelle.

Edellä esitettyjä keksinnön toteutusmuotojavoidaan vapaasti yhdistellä toistensa kanssa. Useitatoteutusmuotoja voidaan yhdistää uuden toteutusmuodonmuodostamiseksi. Menetelmä tai laitteisto, johon kek¬sintö liittyy, voi sisältää yhden tai useampia edelläesitetyistä keksinnön toteutusmuodoista.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkeinoheisten piirustusten avulla, joissa kuva 1 esittää vuokaaviona erään keksinnönmukaisen menetelmän toteutusmuotoa, kuva 2 esittää kaavamaisesti erään keksinnönmukaisen laitteiston toteutusmuotoa, kuva 3 esittää kaavamaisesti lohkokaavionaerään keksinnön mukaisen menetelmän toteutusmuotoa, kuva 4 esittää kaavamaisesti erään keksinnönmukaisen laitteiston elektrolyysikennon toteutusmuo¬toa, ja kuva 5 esittää pyyhkäisyelektronimikroskoop-pikuvia (SEM-kuvia) eräällä keksinnön toteutusmuodollavalmistetusta kuparipulverista.

Yksinkertaisuuden vuoksi seuraavissa esimer¬keissä esiintyvät keksinnön osiin viittaavat numerotpidetään samoina toistuvien osien yhteydessä.

Kuvan 1 mukaisen menetelmän toteutusmuodonvalmisteluvaiheessa SI valmistetaan ja tuodaan elekt-rolyysikennoon, sekä anodipuolelle että katodipuolel-le, happoa sisältävää alkuliuosta, elektrolyyttiliuos-ta, joka sisältää välittäjämetallia korkean potentiaa¬lin arvossaan (eli korkeammassa hapetustilassa). Mene¬telmässä on oleellista, että ainakin alkuliuoksen toi¬nen osa, joka tuodaan katodipuolelle, sisältää kyseis¬tä välittäjämetallia korkean potentiaalin arvossaan,koska katolyytissa tapahtuu vaiheessa S2 välittäjäme-tallin pelkistäminen matalan potentiaalin arvoonsa(eli matalampaan hapetustilaan) eli välittäjämetallinregenerointi. Myös alkuliuoksen ensimmäinen, anolyy-tiksi tuotava, osa voi sisältää välittäjämetallia kor¬kean potentiaalin arvossaan. Alkuliuos voi eräissäkeksinnön toteutusmuodoissa sisältää kaksi tai useam¬piakin eri välittäjämetalleja. Joissakin keksinnön to¬teutusmuodoissa alkuliuoksen ensimmäinen ja toinen osaovat koostumukseltaan samat. Näin minimoidaan elektro¬lyyttien koostumuksen muuttuminen prosessin käynnistä¬misen jälkeen, jolloin prosessin toimintapiste saadaannopeammin vakioitua ja prosessin hallittavuus paranee.

Menetelmään soveltuva välittäjämetalli riip¬puu oleellisesti valitusta hyötymetallista, jota ano-lyyttiin halutaan liuottaa vaiheessa S2, ja jota myö¬hemmin saostetaan sekoitusvaiheessa S3 pulveriksi. Vä¬littäj ämetalli ja valittu hyötymetalli yhdessä taasmääräävät menetelmään soveltuvan alkuliuoksen muutominaisuudet, erityisesti liuoksen sisältämän hapon jasen pitoisuuden liuoksessa. Liuoksen tulee mm. ollapH-arvoltaan sellainen, että vallitsevissa prosessi- olosuhteissa anodipuolella tapahtuu edullisemmin hyö-tymetallin hapettuminen ja liukeneminen anolyyttiinkuin välittäjämetallin hapettuminen anolyytissä. Tä¬mänkaltaisia prosessiolosuhteita, eli toimintaikkunoi-ta, on löydettävissä monille eri hyötymetalli-välittäjämetalli-pareille. Näiden toimintaikkunoidenlöytäminen on tämän keksinnön kuvauksen sekä eri vä¬littäj ämetallien ja hyötymetallien Pourbaix-diagrammien valossa alan ammattilaiselle rutiinin¬omaista testausta.

Alkuliuos voidaan tuottaa monin eri tavoin,jotka riippuvat mm. sopivasta välittäjämetallista.Eräs tapa on esim. liuottaa sopivan hapon vesiliuok¬seen haluttua välittäjämetallia sisältävää oksidia.Alkuliuoksen happopitoisuutta ja liuenneen välittäjä-metallin hapetuslukua voidaan tämän jälkeen tarvitta¬essa muuttaa alkuliuokseen sopivaksi. Välittäjämetal¬lin hapetusluvun muuttaminen voidaan suorittaa esim.elektrolyyttisesti.

Kun alkuliuos on muodostettu vaiheessa SI, setuodaan elektrolyytiksi elektrolyysikennoon, jossaanodipuolella sijaitsee hyötymetallia sisältävää läh¬tömateriaalia. Vaiheen SI jälkeen kuvan 1 mukaisen me¬netelmän vaiheessa S2 liuotetaan elektrolyysikennonanodipuolella hyötymetallia lähtömateriaalista ano¬lyyttiin hyötymetallin samalla hapettuessa, ja katodi-puolella pelkistetään alkuliuoksen välittäjämetalliakorkean potentiaalin arvosta matalan potentiaalin ar¬voon. Mm. tuotannollisten näkökohtien vuoksi on edul¬lista saada välittäjämetallipitoisuus ja liuenneenhyötymetallin pitoisuus liuoksissa mahdollisimman suu¬reksi. Näin tietystä liuostilavuudesta saadaan enemmänsaostunutta hyötymetallipulveria sekoitusvaiheessa S3kuin tilanteessa, jossa välittäjämetallin ja/tailiuenneen hyötymetallin pitoisuudet liuoksissa ovatpieniä.

Kuvan 1 mukainen menetelmä voidaan toteuttaakuvassa 2 kaavamaisesti esitetyllä laitteistolla, jos¬sa lähtömateriaali on anodina 2, mikä mahdollistaa no¬pean kinetiikan hyötymetallin liuotuksessa lähtömate¬riaalin liukenemisen ollessa suoraan verrannollinenanodin 2 läpi virtaavan varauksen määrään. Tällöinliukenemisreaktiota voidaan hallita erityisen tarkastisähköä käyttäen; tietyssä ajassa hyötymetallia liuke¬nee ja hapettuu anodilla ainemääräisesti tarkasti käy¬tetyn sähkömäärän suhteessa Faradayn lain mukaan. Vas¬taavasti vastaava ainemäärä (engl. equimolar) välittä-jämetallia regeneroituu (pelkistyy) katodilla. Kuvan 2laitteisto käsittää lisäksi katodin 4, elektro-lyysikennon anodipuolen 6, katodipuolen 8, anolyytinsuodatuslaitteiston 10, saostuskammion 12, erotinlait-teiston 16, ja kiertoliuoksen puhdistuslaitteiston 18.Anolyytti 1 ja katolyytti 3 on mekaanisesti erotettutoisistaan välitilassa 11 olevan sähköä johtavan ero-tinliuoksen 5 ja välitilaa 11 rajoittavan kahden säh¬köä johtavan diafragman 7 avulla. Näin pyritään var¬mistamaan, että anodipuolella syntyvät hyötymetallika-tionit ja katodipuolella matalan potentiaalin arvoonpelkistynyt välittäjämetalli eivät pääse kosketuksiintoistensa kanssa elektrolyysikennossa. Hyötymetalli-pulveria ei tällöin pääse saostumaan suoraan elektro-lyysikennon anodi- tai katodipuolelle, mikä tapahtues-saan aiheuttaisi prosessin hallittavuuden heikkenemis¬tä esim. hyötymetallipulverin partikkelikoon ja pro¬sessin hyötysuhteen kohdalla, ja lisäksi hyötymetalli¬pulverin talteenotto vaikeutuisi. Anolyytin 1 ja kato-lyytin 3 erottamisen tehostamiseksi voidaan välitilas¬sa 11 oleva erotinliuos 5 lisäksi pitää anolyyttiä 1ja katolyyttiä 3 korkeamassa hydrostaattisessa pai¬neessa .

Vaiheen S2 jälkeen vaiheessa S3 johdetaanelektrolyysikennon anodipuolelta anolyyttiliuosta jakatodipuolelta katolyyttiliuosta, esimerkiksi sopivien putkien avulla tai muulla tavoin, saostuskammioon 12sopivassa suhteessa pois elektrodien 2, 4 luota. Koskaanolyyttiliuosta ja katolyyttiliuosta johdetaan eril¬liseen saostuskammioon 12, liuosten sekoitussuhdettavoidaan helposti ja tarkasti hallita sekä optimoidaprosessiolosuhteiden mukaan. Oikealla sekoitussuhteel¬la ja tehokkaalla saostuman talteenotolla voidaan eh¬käistä hyötymetalliagglomeraattien syntyminen saostus-vaiheessa ja näin mahdollistetaan hyötymetallipulve-rissa 14 olevien hyötymetallipartikkelien homogeeni¬suus koon suhteen. Oikea sekoitussuhde myös mahdollis¬taa hyötysuhteeltaan paremman prosessin, jolla voidaanpienentää prosessin tarvitseman energian määrää tietynhyötymetallipulverimassan tuottamiseksi.

Saostuskammiossa 12 sekoittuu tai siellä voi¬daan jatkuvatoimisesti sekoittaa kammioon 12 johdettuaanolyyttiliuosta ja katolyyttiliuosta. Ennen saostus¬kammioon 12 johtamista voidaan anolyyttiliuosta jois¬sain keksinnön toteutusmuodoissa myös puhdistaa metal¬lisista epäpuhtauksista ja/tai mahdollisista muistahyötymetallin saostusprosessia haittaavista epäpuhta¬uksista tarkoitukseen soveltuvassa anolyyttiliuoksensuodatuslaitteistossa 10. Sekoituksen tuloksena ano¬lyyttiliuoksen hapettunut hyötymetalli pelkistyy jasaostuu kiinteäksi hyötymetallipulveriksi 14 samalla,kun katolyyttiliuoksen pelkistynyt välittäjämetallihapettuu takaisin korkean potentiaalin arvoonsa. Näinsaadusta kiertoliuoksesta erotetaan vaiheessa S4 hyö¬tymetalli esim. sentrifugoimalla kiertoliuosta tarkoi¬tukseen soveltuvassa erotinlaitteistossa 16.

Kun hyötymetallipulveri 14 on otettu talteen,kierrätetään syntynyt kiertoliuos takaisin elektro-lyysikennoon vaiheessa S5, osa anolyytiksi 1 ja osakatolyytiksi 3. Ennen kiertoliuoksen johtamista takai¬sin elektrolyysikennoon poistetaan kiertoliuoksestavielä kiertoliuokseen mahdollisesti jäänyt liuennuthyötymetalli ja hyötymetallipartikkelit tarkoitukseen soveltuvassa puhdistuslaitteistossa 18. Puhdistus voi¬daan toteuttaa esim. elektrolyyttisesti pelkistämälläja suodattamalla. Hyötymetallin, niin liuenneen kuinsaostuneenkin, poistaminen hyvin kiertoliuoksesta en¬nen kiertoliuoksen kierrättämistä takaisin elektro-lyysikennoon on hyödyllistä prosessin luotettavuuden,hyötysuhteen ja hyötymetallipulverin 14 partikkelikoonhallittavuuden parantamiseksi.

Edellä kuvatussa menetelmässä kiertoliuoksenkoostumus on oleellisesti sama kuin lähtöliuoksenkoostumus, koska saostuksessa välittäjämetalli hapet¬tuu takaisin lähtöliuoksen arvoonsa ja anodipuolellaanolyyttiin 1 liuennut hyötymetalli saostetaan ja ero¬tetaan liuoksesta. Näin ollen voidaan menetelmässäsyntynyttä kiertoliuosta käyttää uudestaan lähtöliuok-sena. Jos lisäksi kiertoliuoksen kierrättäminen ano-lyytiksi ja katolyytiksi tehdään samassa suhteessakuin, missä anodipuolelta ja katodipuolelta on otettuvastaavaa elektrolyyttiä saostuskammioon vaiheessa S3,voidaan prosessissa käyttää oleellisesti suljettuaelektrolyyttikiertoa ilman, että elektrolyysikennonanodipuolelle/-puolelta 6 tai katodipuolelle/-puolelta8 tarvitsisi erikseen lisätä/poistaa liuosta. Käytännössä kuvan 1 menetelmä toteutetaan ta¬vallisesti jatkuvana elektrolyyttikiertona, jonka tu¬loksena saostuskammioon 12 kerääntyy jatkuvasti hyöty-metallipulveria 14 kiertoliuoksesta erotettavaksi jatalteen otettavaksi, kunnes elektrolyyttiliuoksen(kiertoelektrolyytin) kierrättäminen laitteistossa lo¬petetaan tai, kun lähtömateriaalin (anodi 2) sisältämähyötymetalli on kokonaan liuennut elektrolyysikennos-sa. Kun hyötymetallipulveria 14 ei enää haluta muodos¬taa tai, kun lähtömateriaalin hyötymetalli elektro¬lyysikennon anodipuolella 6 ehtyy, talteen otettu hyö-tymetallipulveri 14 loppukäsitellään vaiheessa S6 japrosessi lopetetaan. Eräissä muissa keksinnön toteu¬tusmuodoissa voidaan loppukäsittely talteen otetulle hyötymetallipulverille 14 suorittaa samanaikaisestiprosessin muiden vaiheiden kanssa sitä mukaa, kun hyö-tymetallipulveria 14 saadaan erotettua ja tuotua lop-pukäsittelylaitteistoon (ei kuvassa).

Kuvan 3 mukaisessa lohkokaaviona esitetyssäesimerkissä välittäjämetallina on vanadiini, joka kor¬kean potentiaalin arvossaan on V3+ kationeina. Hyötyme-tallina on kupari, joka sijaitsee anodina 2 toimivassalähtömateriaalissa. Vanadiinivälittäjämetallia V3+ ka¬tioneina sisältävää lähtöliuosta voidaan valmistaaesim. liuottamalla vanadiinioksidia V2O3 esim. rikkiha¬pon vesiliuokseen. Kun lähtöliuos, joka sisältää V3+kationeja vesiliuoksessa, jonka rikkihappopitoisuus onesimerkiksi välillä 50 g/1 - 1500 g/1, on muodostettu,sen ensimmäinen osa tuodaan elektrolyysikennon anodi-puolelle 6 anolyytiksi 1 ja toinen osa katodipuolelle8 katolyytiksi 3. Kun elektrolyysikennon läpi kulkeesähkövirtaa, V3+ kationit pelkistyvät katodipuolella 8V2+ kationeiksi katolyyttiin 3 ja kupari liukenee ano¬dista 2 anolyyttiin 1 hapettuneina Cu2+ kationeina.Anodireaktio on siis Cu° -> Cu2+ + 2e”, ja katodireak-tio on V3+ + e~ -> V2+.

Kuparin liuottamisessa ja hapettamisessa ano¬lyyttiin 1 saattaa välittäjämetalli eräissä keksinnöntoteutusmuodoissa osallistua vastaaviin reaktioihinliuottamista ja hapettamista tehostavasti toiminta-olosuhteissa, esim. suhteellisen alhaisilla happopi-toisuuksilla, joissa liuottaminen ja hapettaminen pel¬kän sähkövirran ja happoliuoksen yhteisvaikutuksellaei olisi tehokasta. Tällöin välittäjämetallin tarkkaosallistumismekanismi hyötymetallin liukenemiseen jahapettumiseen riippuu valitusta hyötymetallista ja vä¬littäj ämetallista . Edellä esitetyssä esimerkissä, hyö¬tymetallin ollessa kupari ja välittäjämetallin ollessavanadiini, saattaa vanadiini hapettua anodipuolella 6V3+ tilaa korkeampaankin väliaikaiseen hapetustilaanV5+, jonka jälkeen V5+ reagoi kuparin kanssa kuparia hapettavasti ja liuottavasti. Tällöin "ylihapettunut"vanadiini V5+ pelkistyy takaisin alkuperäiseen korkeanpotentiaalin arvoonsa V3+. Vastaavankaltainen "yliha-pettuminen" väliaikaiseen hapetustilaan on anodipuo-lella 6 mahdollista myös muiden välittäjämetallienkuin vanadiinin kohdalla. Tämän jälkeen anolyyttiliuosta ja katolyytti-liuosta johdetaan ja sekoitetaan sopivassa suhteessa,esim. suhteessa 1:3, saostuskammiossa 12, jossa tapah¬tuu kuparin saostuminen reaktion 2V2+ + Cu2+ -> 2V3+ +Cu° kautta. Tämän saostusreaktion perusteella tarvi¬taan anolyyttiä ja katolyyttiä teoriassa sekoitussuh¬teessa 1:2, jotta kaikki liuoksissa olevat V2+ ja Cu2+kationit osallistuisivat kuparin saostukseen. Optimaa¬linen sekoitussuhde riippuu anodireaktioiden reaktio-asteesta ja virtahyötysuhteesta sekä katodireaktioidenreaktioasteesta ja virtahyötysuhteesta.

Prosessin hyötysuhteen ja luotettavuuden kan¬nalta on hyödyllistä varmistaa, että kiertoliuokseenei jää merkittävästi V2+ ja/tai Cu2+ kationeja. Jois¬sain keksinnön suoritusmuodoissa on esimerkiksi edul¬lista pyrkiä varmistamaan, että kaikki Cu2+ kationitkuluvat saostusreaktiossa, jolloin todellinen anolyy-tin ja katolyytin sekoitussuhde voi olla 1:N, missä N> 2. Parametrin N arvo riippuu kuitenkin myös siitä,miten kiertoliuosta puhdistetaan ennen kuin se syöte¬tään takaisin elektrolyysikennoon. Sopivan sekoitus¬suhteen löytäminen on tämän keksinnön kuvauksen perus¬teella alan ammattilaiselle ilmeistä rutiininomaistatestausta.

Kun kupari on saostunut pulveriksi 14 ja ero¬tettu muusta liuoksesta erotinlaitteiston 16 avulla,jäljelle jäänyt kiertoliuos puhdistetaan puhdistus-laitteistossa 18 mahdollisesti erotusprosessissa liu¬okseen jääneestä kuparista; sekä kiinteästä kuparistaettä liuenneista saostumattomista Cu2+ kationeista.Puhdistus voidaan suorittaa esim. elektrolyyttisesti saostamalla ja suodattamalla. Tämän kemiallisen ja me¬kaanisen puhdistuksen jälkeen jäljelle jäänyt kierto-liuos on koostumukseltaan oleellisesti sama kuin alku-liuos sisältäen saostusreaktion tuloksena vanadiinika-tioneja V3+ ja rikkihappoa vesiliuoksessa. Tämä kierto-liuos jaetaan jälleen sopivassa suhteessa anolyytiksi1 anodipuolelle 6 ja katolyytiksi 3 katodipuolelle 8.Edellä kuvatun regeneroinnin jälkeen voidaan samakiertoelektrolyytti jälleen viedä laitteiston ja mene¬telmän läpi lisä-/uuden kuparipulverin 14 saostamisek-si saostuskammioon 12.

Liuoksesta erotettu kiinteä hyötymetallipul-veri 14 loppukäsitellään (kuva 1 vaihe S6) loppukäsit-telylaitteistossa. Erotus- ja loppukäsittelyprosessitvoivat pitää sisällään useita eri vaiheita, jotkariippuvat halutuista lopputuotteen ominaisuuksista.Joissain keksinnön suoritusmuodoissa kiertoelektrolyy-tistä erotettu hyötymetallipulveri 14 pestään vedelläliuoksesta tulevien epäpuhtauksien minimoimiseksi,minkä jälkeen hyötymetallipulveri 14 kuivataan ja pin¬noitetaan passivointikerroksella esim. pulverin oksi-doitumisen ehkäisemiseksi. Saostuneen hyötymetallipul-verin 14 kiertoliuokseen takaisinliukenemisen minimoi¬miseksi hyötymetallipulverin 14 erottaminen kier-toelektrolyytistä erotinlaitteistolla 16 ja pesu onhyödyllistä suorittaa mahdollisimman nopeasti saostu-misreaktion jälkeen.

Joissain keksinnön toteutusmuodoissa suorite¬taan useita erillisiä pesuja hyötymetallipulverille14. Pesujen välillä hyötymetallipulveri 14 erotetaanpesunesteestä. Eräässä keksinnön suoritusmuodossa ero-tinlaitteistosta 16 saatu, sentrifugoimalla kier-toelektrolyytistä erotettu, mutta märkä hyötymetalli¬pulveri 14, sekoitetaan veteen massasekoitussuhteella1:20 (yksi osa märkää hyötymetallipulveria 14 ja 20osaa vettä) kolme kertaa. Sekoituskertojen välillähyötymetallipulveri erotetaan pesunesteestä.

Pesulaitteiston tarkka rakenne ja toimintavoi vaihdella hyvinkin paljon ja sellaisen laitteistonvalmistaminen on alan ammattilaiselle ilmeistä tämänkeksinnön kuvauksen valossa. Pesulaitteisto useidenperättäisten pesujen toteuttamiseksi voi eräässä kek¬sinnön suoritusmuodossa olla esimerkiksi liukuhihna-tyyppinen ratkaisu, jossa märkä hyötymetallipulveri 14kaadetaan liukuhihnalle, joka toimittaa hyötymetalli-pulverin 14 pesunesteeseen, josta hyötymetallipulverikaadetaan seuraavalle liukuhihnalle jne.. Hyötymetal-lipulverin 14 laskeutuminen tapahtuu tällöin pesunes¬teestä erottamisen yhteydessä, kun hyötymetallipulve-ria sisältävä pesuneste kaadetaan liukuhihnalle.

Erotettu hyötymetallipulveri voidaan luonnol¬lisesti pestä edellä esitetyn esimerkin lisäksi taisijasta monilla tunnetuilla menetelmillä, kuten esim.sifonoimalla.

Hyötymetallin liuottamiseksi ja hapettamisek-si elektrolyysikennon anodipuolella sekä välittäjäme-tallin pelkistämiseksi elektrolyysikennon katodipuo-lella voidaan suunnitella erilaisia elektrolyysikenno-rakenteita. Kuvassa 4 kaavamaisesti esitettyä elektro-lyysikennorakennetta voidaan käyttää laitteistossahyötymetallipulverin 14 muodostamiseksi luotettavastija tehokkaasti hyvällä virtahyötysuhteella.

Kuvan 4 elektrolyysikennossa sekä anodipuoli6 että katodipuoli 8 käsittävät useita diafragman 7rajaamia osia, diafragmapusseja. Kukin diatragmapussisisältää vastaavasti anodin 2 tai katodin 4 ja ano-lyyttiä 1 tai katolyyttiä 3. Anodit 2 ja katodit 4ovat luonnollisesti kytketyt virtalähteeseen (ei ku¬vassa) . Kunkin diatragmapussin välissä on sähköä joh¬tavaa erotinliuosta 5, joka eräässä keksinnön sovel-lusmuodossa sisältää välittäjämetallia sopivassa kor¬kean potentiaalin arvossaan, eli hapettuneessa tilas¬sa; edellä esitetyn esimerkin tapauksessa erotinliuos5 voi sisältää esim. V3+-ioneita.

Kuvan 4 elektrolyysikenno käsittää lisäksisyöttöputken 9 erotinliuoksen 5 syöttämiseksi diafrag-mapussien väliseen välitilaan 11, ylivirtauskanavan 13erotinliuokselle 5, poistokanavat 15 anolyyttiliuok-selle ja katolyyttiliuokselle, sekä suojakalvon 17.Kuvan 4 elektrolyysikenno voidaan kytkeä muuhun lait¬teistoon, esim. saostuskammioon 12 (ei esitetty kuvas¬sa 4), poistokanavien 15 ja syöttöputken 9 välityksel¬lä .

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa erotinliu-os 5 toimii alkuliuoksena, jolloin erotinliuos 5 onkoostumukseltaan sama kuin alkuliuos. Tällöin alkuliu-os voidaan syöttää kuvan 4 elektrolyysikennon väliti¬laan 11 syöttöputkessa 9 olevista aukoista. Välitilas¬ta 11 erotinliuos 5 virtaa diatragmapusseihin anolyy-tiksi 1 ja katolyytiksi 3 diatragmoissa 7 olevien auk¬kojen kautta. Diafragma 7 voi lisäksi tai vaihtoehtoi¬sesti olla puoliläpäisevä siten, että erotinliuos 5(alkuliuos) pääsee hallitusti virtaamaan diafragman 7läpi anolyytiksi 1 ja/tai katolyytiksi 3. Diafragma-pusseissa tapahtuvat anodireaktiot ja katodireaktiotedellä kuvatulla tavalla. Näin muodostunut pelkisty¬nyttä välittäjämetallia sisältävä katolyyttiliuos sekäliuennutta ja hapettunutta hyötymetallia sisältäväanolyyttiliuos voidaan johtaa saostuskammioon 12 esim.poistoaukkojen 15 kautta. Joissain keksinnön toteutus-muodoissa poistoaukot 15 voivat toimia ylivirtausauk-koina ylimääräisen elektrolyytin poistamiseksi lait¬teistosta, jolloin anolyyttiliuosta ja/tai katolyytti-liuosta voidaan tuoda saostuskammioon 12 muuta reit¬tiä, esim. tarkoitusta varten sijoitettujen imuaukko-jen kautta. Saostuskammiossa 12 muodostunut kiertoliu-os voidaan puolestaan kierrättää, mahdollisten puhdis-tusvaiheiden jälkeen, esim. syöttöputken 9 kautta ta¬kaisin välitilaan 11 ja sieltä jälleen anolyytiksi 1ja/tai katolyytiksi 3.

Kuvan 4 kennon diafragmojen 7 läpäisevyydellätai diafragmoissa 7 olevien aukkojen koolla voidaantehokkaasti hallita anodipuolen 6 ja/tai katodipuolen8 läpi virtaavan liuoksen määrää aikayksikköä kohden.Diafragmojen 7 läpäisevyys voidaan valita erikseenanodipuolen 6 ja/tai katodipuolen 8 diafragmoille 7.Sopivasti mitoittamalla anodipuolen 6 ja/tai katodi-puolen 8 diafragmapusseihin diafragmojen 7 läpi pääse¬vä liuoksen määrä aikayksikköä kohden suhteessa väli¬tilaan 11 tuotavaan liuoksen määrään aikayksikköä koh¬den voidaan välitilassa 11 olevan erotinliuoksen 5hydrostaattinen paine säätää suuremmaksi kuin erotin-liuoksessa 5 olevien diafragmapussien sisällä olevienelektrolyyttien hydrostaattinen paine. Näin voidaanehkäistä ei-toivottua elektrolyytin virtausta diafrag-man 7 läpi välitilaan 11 päin pois diafragmapussista.Ylivirtauskanavan 13 mitoittamisella, mm. sopivallekorkeudelle, kuvan 4 mukaisesti voidaan varmistaa, et¬tä hydrostaattinen paine-ero välitilan 11 sekä anodi-6 ja/tai katodipuolen 8 välillä ei nouse liian suurek¬si vaan ylimääräinen erotinliuos 5 virtaa pois kennos¬ta ylivirtauskanavan 13 kautta. Vastaavasti voidaanmyös poistoaukkojen 15 mitoittamisella ja sijoittami¬sella vaikuttaa em. hydrostaattisen paine-eron muodos¬tumiseen. Diafragmoissa 7 mahdollisesti olevien aukko¬jen läpimitan ollessa suuri tämä hydrostaattinen pai¬ne-ero yhdessä diafragmojen 7 läpäisevyyden (engl.permeability) kanssa oleellisesti määrittelee anodi¬puolen 6 ja katodipuolen 8 läpi virtaavan liuoksenmäärän aikayksikköä kohden. Edellä esitetyn kaltainenelektrolyysikennon mitoittaminen ja aukkojen sijoitte¬lu on tämän keksinnön kuvauksen perusteella alan am¬mattilaiselle ilmeistä rutiininomaista testausta.

Kuten edellä on esitetty, ei eräissä keksin¬nön toteutusmuodoissa elektrolyysikennon anodi- 6ja/tai katodipuolelle 8 esim. diafragmapusseihin tar¬vitse syöttää suoraan alku- ja/tai kiertoliuosta, vaan oleellisesti kaikki liuos laitteistossa kiertää väli¬tilan 11 kautta. Mikäli diafragmat 7 valitaan sellai¬siksi, että ne eivät päästä lävitseen ollenkaan liuos¬ta, voidaan anodipuolelle 6 ja/tai katodipuolelle 8,esim. diafragmapusseihin, syöttää kiertoliuosta ja/taialkuliuosta suoraan eikä välitilan 11 kautta. Eräissätoisissa keksinnön toteutusmuodoissa voidaan diafrag-mojen 7 sijasta käyttää esim. ioni-selektiivisiä mem-braaneja, jotka päästävät lävitseen ainoastaan tietyn¬tyyppisiä ioneja.

Kuvan 4 elektrolyysikennossa elektrolyysiken-norakennetta peittää suojakalvo 17, jonka avulla väli¬tila 11 voidaan paineistaa esim. typpikaasulla taimuulla inertillä kaasulla mahdollisen ilman tai ympä¬ristön aiheuttaman hapettumisen ehkäisemiseksi. Myösdiafragmapussit voivat olla suljettuja ja typellä pai¬neistettuja hapettumisen ehkäisemiseksi.

Kuvan 4 kennorakenne mahdollistaa anolyytinja katolyytin luotettavan erottamisen toisistaanelektrolyysikennossa, mikä vähentää ennenaikaisia ha-pettumis- ja/tai pelkistymisreaktioita. Kuvan 4 mukai¬sella elektrolyysikennorakenteella saadaan näin mene¬telmään hyvä virtahyötysuhde. Lisäksi hyötymetallipul-verin ennenaikaisen saostumisen riski elektrolyysiken¬nossa pienenee, mikä parantaa menetelmän luotettavuut¬ta ja helpottaa laitteiston huoltoa.

ESIMERKKI

Kuvan 3 lohkokaavion mukaisella menetelmällävalmistettiin oleellisesti kuvan 2 tyyppisessä lait¬teistossa kuparipulveria käyttäen alkuliuoksena V3+ ka¬tioneja sisältävää rikkihapon vesiliuosta. Mitatturikkihappokonsentraatio tässä alkuliuoksessa oli noin500 g/1 ja mitattu vanadiinikonsentraatio noin 16 g/1.Lähtömateriaalina oli Luokan A katodikuparilevy, joka samalla toimi elektrolyysikennon anodina. Katodina olilyijylevy, jonka mitat olivat 275 mm x 130 mm. Koeolo¬suhteissa liuosten lämpötilat olivat noin 20 - 35 °C.

Alkuliuos tuotiin elektrolyysikennoon, jossakuparianodia hapettui ja liukeni anolyyttiin. Liuen¬neen kuparin pitoisuudeksi mitattiin noin 4 g/1. Tämänjälkeen anodipuolelta johdettiin anolyyttiliuosta jakatodipuolelta katolyyttiliuosta saostuskammioon, jokatässä esimerkissä oli lasinen pullo. Anolyyttiliuoksenja katolyyttiliuoksen sekoitussuhde oli 1:3. Sekoituk¬sen tuloksena saostuskammioon muodostui edellä esite¬tyn mukaisesti kuparipulveria. Näin saadusta kupari-pulverista otetut elektronimikroskooppikuvat on esi¬tetty kuvassa 5, joista havaitaan mm., että kuparipar-tikkelien kokojakauma on varsin homogeeninen, suuriapartikkeliagglomeraatteja ei ole päässyt syntymään, japartikkelien keskimääräinen koko on mikrometrialueenalapuolella.

Vaikka jotkin keksintöä kuvaavat esimerkit jasuoritusmuodot on yllä esitetty menetelminä kuparipul-verin valmistamiseksi, kykenee alan ammattilainen tä¬män keksinnön kuvauksen perusteella helposti valmista¬maan myös muiden metallien kuin kuparin pulvereitaerilaisilla keksinnön toteutusmuodoilla. Tämän keksin¬nön kuvauksen perusteella alan ammattilainen kykeneehelposti käyttämään myös muita kuin edellä olevissaesimerkeissä esitettyjä välittäjämetalleita ja/taihappoja keksinnön eri toteutusmuodoissa. Keksintöä eirajata edellä esitettyihin esimerkkeihin vaan sen to¬teutusmuoto voi vapaasti vaihdella patenttivaatimustenpuitteissa.

Claims (26)

1. Menetelmä metallipulverin valmistamiseksi,jossa menetelmässä sekoitetaan liuennutta hyötymetal-lia ainakin yhtä välittäjämetallia sisältävän liuoksenkanssa liuenneen hyötymetallin saostamiseksi hyötyme-tallipulveriksi (14) , tunnettu siitä, että me¬netelmässä - tuodaan happoa sisältävän alkuliuoksen en¬simmäinen osa elektrolyysikennon anodipuo-lelle (6) anolyytiksi (1) kosketuksiin ano¬din (2) ja hyötymetallia sisältävän lähtö-materiaalin kanssa, ja tuodaan happoa si¬sältävän alkuliuoksen toinen osa, joka si¬sältää hapon lisäksi välittäjämetallia,elektrolyysikennon katodipuolelle (8) kos¬ketuksiin katodin (4) kanssa katolyytiksi(3) , - hapetetaan ja liuotetaan hyötymetallia ano-lyyttiin (1) johtamalla anodiin (2) sähkö¬virtaa, - pelkistetään alkuliuoksen toisessa osassaolevaa välittäjämetallia katodipuolella(8) , ja - tuodaan anolyyttiliuosta ja katolyyttiliu-osta saostuskammioon (12) alkuliuoksen en¬simmäiseen osaan liuenneen hapettuneen hyö¬tymetallin sekä pelkistynyttä välittäjäme¬tallia sisältävän alkuliuoksen toisen osansekoittamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä,tunnettu siitä, että alkuliuoksen ensimmäinenosa sisältää välittäjämetallia hyötymetallin liuotta¬misen tehostamiseksi anodipuolella.

3. Jonkin patenttivaatimuksista 1-2 mukai¬nen menetelmä, tunnettu siitä, että tuodaananolyyttiliuoksen ja katolyyttiliuoksen sekoituksen tuloksena syntyneen kiertoliuoksen ensimmäinen osa ta¬kaisin anolyytiksi (1).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä,tunnettu siitä, että alkuliuoksen ensimmäinenosa koostuu kiertoliuoksen ensimmäisestä osasta.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 3-4 mukai¬nen menetelmä, tunnettu siitä, että tuodaananolyyttiliuoksen ja katolyyttiliuoksen sekoituksentuloksena syntyneen kiertoliuoksen toinen osa takaisinkatolyytiksi (3).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä,tunnettu siitä, että alkuliuoksen toinen osakoostuu kiertoliuoksen toisesta osasta.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 5-6 mukai¬nen menetelmä, tunnettu siitä, että johdetaankiertoliuos oleellisesti kokonaan takaisin elektrolyy¬tiksi, jolloin kiertoliuos koostuu oleellisesti kier¬toliuoksen ensimmäisestä osasta ja kiertoliuoksen toi¬sesta osasta.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukai¬nen menetelmä, tunnettu siitä, että anolyytti(1) ja katolyytti (3) on erotettu mekaanisesti toisis¬taan sähköä johtavalla diafragmalla (7).

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukai¬nen menetelmä, tunnettu siitä, että johdetaansähköä johtavaa erotinliuosta (5) anolyytin (1) ja ka-tolyytin (3) erottavan kahden diafragman (7) väliinanolyytin (1) ja katolyytin (3) ennenaikaisen sekoit¬tumisen estämiseksi.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-9 mukai¬nen menetelmä, tunnettu siitä, että hyötyme-talli on kupari.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 1-9 mukai¬nen menetelmä, tunnettu siitä, että hyötyme-talli valitaan joukosta nikkeli, koboltti, sinkki, ho¬pea, kulta, ruteeni, rodium, palladium, osmium, iridi¬ um, platina, mangaani, zirkonium, tina, kadmium ja in¬dium.

12. Jonkin patenttivaatimuksista 1-11 mu¬kainen menetelmä, tunnettu siitä, että välit¬tä jämetalli on vanadiini.

13. Jonkin patenttivaatimuksista 1-11 mu¬kainen menetelmä, tunnettu siitä, että välit-täjämetalli valitaan joukosta titaani, kromi ja rauta.

14. Jonkin patenttivaatimuksista 1-11 mu¬kainen menetelmä, tunnettu siitä, että välit-täjämetalli valitaan joukosta mangaani, zirkonium, mo¬lybdeeni, teknetium, volframi, elohopea, germanium,arseeni, seleeni, tina, antimoni telluuri ja kupari.

15. Jonkin patenttivaatimuksista 1-14 mu¬kainen menetelmä, tunnettu siitä, että hyöty-metallia sisältävä lähtömateriaali sijaitsee anodissa(2) .

16. Jonkin patenttivaatimuksista 1-15 mu¬kainen menetelmä, tunnettu siitä, että vali¬taan hyötymetalli siten, että valittu hyötymetalliliukenee anolyyttiin (1) sen hapon liukoisena suolana,mitä happoa lähtöliuoksen ensimmäinen osa sisältää.

17. Jonkin patenttivaatimuksista 1-16 mu¬ kainen menetelmä, tunnettu siitä, että alku-liuos sisältää rikkihappoa.

18. Jonkin patenttivaatimuksista 1-17 mu¬kainen menetelmä, tunnettu siitä, että rikki¬ hapon pitoisuus alkuliuoksessa on vähintään 50 g/1 jaedullisesti 50 g/1 - 1500 g/1.

19. Jonkin patenttivaatimuksista 1-18 mu¬ kainen menetelmä, tunnettu siitä, että alku-liuos sisältää suolahappoa tai typpihappoa.

20. Laitteisto metallipulverin valmistamisek¬si saostamalla hyötymetallipulveria (14) sekoittamallaliuennutta hyötymetallia ainakin yhtä välittäjämetal-lia sisältävän liuoksen kanssa, tunnettu sii-t ä , että laitteisto käsittää elektrolyysikennon elektrolyysikennon anodipuolella (6) sijaitsevan hyö-tymetallin liuottamiseksi ja hapettamiseksi anolyyt-tiin, ja elektrolyysikennon katodipuolella (8) sijait¬sevan liuenneen välittäjämetallin pelkistämiseksi ka¬todipuolella; elektrolyysikennosta oleellisesti eril¬lään olevan saostuskammion (12); sekä välineet ano-lyyttiliuoksen ja katolyyttiliuoksen tuomiseksi vas¬taavasti elektrolyysikennon anodipuolelta (6) ja kato-dipuolelta (8) saostuskammioon (12) anolyyttiin liuen¬neen hapettuneen hyötymetallin sekä pelkistynyttä vä¬littä j ämetallia sisältävän katolyyttiliuoksen sekoit¬tamiseksi elektrolyysikennon ulkopuolella.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen laitteis¬to, tunnettu siitä, että elektrolyysikenno kä¬sittää sähköä johtavan diafragman (7) elektrolyysiken¬non anodipuolen (6) ja katodipuolen (8) välissä anodi-puolen (6) ja katodipuolen (8) erottamiseksi toisis¬taan mekaanisesti.

22. Jonkin patenttivaatimuksista 20 - 21 mu¬kainen laitteisto, tunnettu siitä, että elekt¬rolyysikenno käsittää kaksi sähköä johtavaa diafragmaa (7) elektrolyysikennon anodipuolen (6) ja katodipuolen (8) välissä anodipuolen (6) ja katodipuolen (8) erot¬tamiseksi toisistaan mekaanisesti kahden diafragman(7) välisessä tilassa olevan sähköä johtavan erotin-liuoksen (5) avulla.

23. Jonkin patenttivaatimuksista 20 - 22 mu¬kainen laitteisto, tunnettu siitä, että elekt¬rolyysikennon anodipuolella (6) sijaitseva hyötymetal-li sijaitsee elektrolyysikennon anodissa (2).

24. Jonkin patenttivaatimuksista 20 - 23 mu¬kainen laitteisto, tunnettu siitä, että elekt¬rolyysikenno käsittää ainakin yhden, diafragman (7)rajoittaman, pussin anolyytin ja/tai katolyytin ra¬joittamiseksi pussin sisälle.

25. Jonkin patenttivaatimuksista 20 - 24 mu¬kainen laitteisto, tunnettu siitä, että elekt- rolyysikenno käsittää välineet erotinliuoksen (5) joh¬tamiseksi kahden diafragman (7) välisestä tilasta ano-dipuolelle (6) ja/tai katodipuolelle (8).

26. Jonkin patenttivaatimuksista 20 - 25 mu¬kainen laitteisto, tunnettu siitä, että elekt¬rolyytit on asetettu hapettamattomaan ympäristöön,elektrolyyteissä olevan hyötymetallin ja/tai välittä-jämetallin hapettumisen estämiseksi.