KR101529373B1 - 금속 분말 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

금속 분말 제조 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 방법에서, 용해된 제 1 금속은 용해된 유틸리티 금속을 제 1 금속 분말 (14) 로 석출하기 위해 매개금속인 적어도 하나의 제 2 금속을 포함하는 용액에서 혼합된다. 방법에서, 산-함유 출발 용액의 제 1 부분은 애노드액 (1) 으로서 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 에 공급되어서 애노드 및 제 1 금속을 포함한 공급 재료와 접촉하게 되고, 제 2 금속을 또한 포함하는 산-함유 출발 용액의 제 2 부분은 전기 분해 셀의 캐소드측 (8) 에 공급되어서, 캐소드액 (3) 으로서 캐소드 (4) 와 접촉하게 되고; 제 1 금속은 애노드 (2) 에 전류를 안내함으로써 애노드액 (1) 에서 산화 및 용해되고; 출발 용액의 제 2 부분에 포함된 제 1 금속은 캐소드측 (8) 에서 환원되고; 그리고 애노드액 용액 및 캐소드액 용액은 용해 및 산화된 제 1 금속과 환원된 제 2 금속을 포함하는 출발 용액의 제 2 부분을 혼합하기 위해 석출 챔버 (12) 에 공급된다.

Description

금속 분말 제조 방법 및 장치 {METHOD AND ARRANGEMENT FOR PRODUCING METAL POWDER}
본 발명은 미세하게 분할된 금속 분말의 제조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 금속 분말을 제조하기 위한 용해-석출 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 많은 금속 제조 프로세스들에서 최종 제품은 캐소드 형태의 판형 물체이다. 이 종류의 최종 제품은 예를 들어 전기 분해를 이용한 건식 야금 (pyrometallurgical) 제조 루트에 의해 얻어진다. 이 방법들에서, 건식 야금에 의해 정광으로 만들어진 금속 애노드는 전기 분해에 의해 캐소드 구리로 제련될 수 있는데, 이 캐소드 구리는 예를 들어 다양한 다른 형태의 제품으로 주조될 수 있다. 이런 유형의 방법들은 특히 구리, 니켈 또는 코발트 제품들을 제조하는데 사용될 수 있다.
하지만, 금속의 제조시, 많은 경우에 가령 추가 프로세싱에 대해, 제조 프로세스의 최종 제품으로서 받아들인 금속이 캐소드 판과 같은 균일한 고형 물체와 다른 어떤 형태로 얻어진다면 유리할 것이다. 특히 최종 제품이 순수한 금속 분말로서 얻어지는 방법들이 매우 유용할 것이다.
특허 출원 JP 2002327289 에서, 전기 분해로 구리 분말을 제조하는 방법이 소개된다. 이 방법에서, 티타늄 캐소드를 포함한 황산 수용액은 애노드 챔버로 안내되어서, 티타늄 캐소드들은 애노드 챔버에서 용해된 구리를 환원시켜, 이것을 애노드 챔버에서 미세하게 분할된 구리 분말로 석출한다. 이 방법이 가지는 문제점은, 캐소드액 용액 (catholyte solution) 이 애노드 챔버로 직접 안내되어서, 캐소드액 용액과 애노드액 용액 (anolyte solution) 의 혼합비를 효과적으로 제어할 수 없다는 것이다. 게다가, 이 방법에서 구리는 애노드 챔버로 직접 석출되는데, 이것은 전기 분해 장치로부터 석출된 구리를 제거하는 것을 더욱 힘들게 한다. 이 문제점들은 구리 분말의 입자 크기 제어를 더욱 어렵게 하는 구리 응집체들을 형성하는 위험을 가진다.
특허 공개 US 2005/0023151 은 전기 분해에 의해 캐소드에서 황산구리로부터 구리를 석출함으로써 구리 분말이 만들어지는 방법을 소개한다. 이 방법은 제 1 철 (ferrous) /제 2 철 (ferric) 애노드 반응을 이용하는데, 이것에 의해 이 방법의 에너지 소모는 감소된다. 상기 공개는 또한 석출된 구리 분말이 전극들을 통하여 흐르는 전해액에 의해 전극들로부터 회수되는 통류 장치 (through-flow arrangement) 를 설명한다. 공개 US 2005/0023151 에 예시된 방법과 장치의 단점은, 특히, 예를 들어 전극들을 포함한 챔버의 다양한 다른 위치에서 구리의 석출 및 캐소드에 구리의 부착으로 인해 캐소드로부터 구리의 회수가 신뢰할 수 없다는 것이다. 전술한 단점들 때문에, 특히, 구리 분말의 입도 (grain size) 및 구리 입자들의 형태 (morphoogy) 를 제어하는 것뿐만 아니라 분리된 전극들로 균질한 품질을 달성하는 것이 어렵다. 게다가, 캐소드에 직접적인 구리의 석출은 또한 캐소드 재료 및 표면 형태에 의해 결정되는데, 이것은 부분적으로 방법의 비신뢰성을 증가시킨다.
특허 출원 WO 2008/017731 은 금속 분말을 제조하는 방법을 소개한다. 이 방법에서, 유가 금속 분말은 다른 금속에 의한 방법으로 용해된 유가 금속을 환원시킴으로써 석출된다. 상기 방법에서, 또한 귀금속의 용해는 상기 다른 금속과 반응에서 발생하는데, 이것은 프로세스 반응 속도 (kinetics) 제어뿐만 아니라 그것의 효율을 약화시키고 여기에 사용된 방법과 장치를 상당히 복잡하게 한다.
본 발명의 목적은 선행 기술의 전술한 단점을 제거하고 전기 분해를 이용한 용액-석출 방법으로 금속 분말을 제조하는 새로운 방법과 장치를 제시하는 것이다.
본 발명에 따른 방법은 독립항 1 에 제시된 바를 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치는 독립항 20 에 제시된 바를 특징으로 한다.
금속 분말을 제조하는 본 발명에 따른 방법에서, 용해된 제 1 금속을 금속 분말로 석출하기 위해 용해된 제 1 금속은 매개 금속인 적어도 하나의 제 2 금속을 포함한 용액과 혼합된다. 이 방법에서, 산-함유 출발 용액의 제 1 부분은 애노드 및 제 1 금속을 포함한 공급 재료와 접촉하도록 애노드액으로서 전기 분해 셀의 애노드측으로 이동되고, 산 이외에 또한 제 2 금속을 포함하는 산-함유 출발 용액의 제 2 부분은 캐소드와 접촉하도록 캐소드액으로서 전기 분해 셀의 캐소드측으로 이동되며; 제 1 금속은 전류를 애노드로 전도함으로써 애노드액에서 산화되고 용해되며; 출발 용액의 제 2 부분에 포함된 제 2 금속은 캐소드측에서 환원되고; 그리고 애노드액 용액과 캐소드액 용액은 출발 용액의 제 1 부분에서 용해되는 산화된 제 1 금속 및 환원된 제 2 금속을 포함하는 출발 용액의 제 2 부분을 혼합하기 위해 석출 챔버로 이동된다.
본 발명에 따른 장치는, 용해된 제 1 금속 분말과 적어도 하나의 제 2 금속을 포함한 용액을 혼합하여 제 1 금속 분말을 석출함으로써 금속 분말을 제조하는 장치이다. 본 발명에 따른 장치는 전기 분해 셀의 애노드측에 위치한 제 1 금속을 용해하고 이를 애노드액에서 산화하고 캐소드측에서 전기 분해 셀의 캐소드측에 위치한 용해된 제 2 금속을 환원하기 위한 전기 분해 셀; 전기 분해 셀과 본질적으로 분리되어 배치된 석출 챔버; 및 전기 분해 셀 외부에서, 환원된 제 2 금속을 포함한 캐소드액 용액과 애노드액에서 용해된 산화된 제 1 금속을 혼합하기 위해 전기 분해 셀의 애노드측과 캐소드측으로부터 석출 챔버로 애노드액 용액 및 캐소드액 용액을 각각 공급하는 수단을 포함한다.
본 발명의 장점들 중에서, 예를 들어 석출한 제 1 금속 분말의 입자 크기의 우수한 제어성을 지적할 수 있는데, 이것은 특히 별도의 석출 챔버에서 함께 혼합될 애노드액 용액과 캐소드액 용액을 공급함으로써 가능하고, 이 경우에 상기 용액들의 혼합비는 쉽고 정확하게 제어될 수 있을 뿐만 아니라 프로세스 조건들에 따라 최적화될 수 있다. 더구나, 전극들의 근방에서 이격된 별도의 석출 챔버에서 석출 단계를 실시할 때, 석출 프로세스 및 석출물 수집에 전극들의 효과가 최소화될 수 있어서, 프로세스의 신뢰성이 개선된다. 또한, 제 1 금속 석출물의 회수는 더욱 용이해지고 더욱 신뢰할 수 있게 된다. 정확한 혼합비 및 효과적인 석출물 회수로, 석출 단계에서 제 1 금속 응집체들의 형성이 방지될 수 있고, 그 결과 분말에 포함된 제 1 금속 입자들의 균질성이 이 제 1 금속 입자들의 크기에 대해 가능해진다. 정확한 혼합비는 또한 더 우수한 효율성을 갖고 프로세스를 용이하게 하는데, 이것은 임의의 양의 제 1 금속 질량을 제조하기 위해 프로세스에 필요한 에너지의 양을 감소시키는데 이용될 수 있다.
별도의 언급이 없는 한, 본 문헌에서 용어 "애노드측" 및 "캐소드측" 은 애노드 또는 캐소드 근방에 애노드액 또는 캐소드액을 각각 포함하는 전기 분해 셀의 부분을 말한다. "애노드측" 또는 "캐소드측" 은 전기 분해 셀의 일정한 부분일 필요는 없지만, "애노드측" 또는 "캐소드측" 은 애노드 또는 캐소드 및 애노드액 또는 캐소드액을 각각 포함하는 여러 개의 상호 분리된 요소들로 이루어질 수도 있다.
별도의 언급이 없는 한, 본 문헌에서 용어 "다이어프램" 은, 멤브레인, 산업 직물 등과 같은, 임의의 적합한 필름 또는 얇은 기계적 장애물 (obstacle) 을 말한다.
별도의 언급이 없는 한, 본 문헌에서 용어 "산화 상태", "산화 레벨" 또는 대응하는 용어는, 원자가 단독으로 또는 분자에서 분명하게 나타나는 전하 레벨을 말한다. 따라서, 용어 "산화 상태", "산화 레벨" 또는 대응하는 용어는 또한 분명한 원자의 전하를 말할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 출발 용액의 제 1 부분은 애노드측에서 제 1 금속의 용해를 증가시키기 위한 제 2 금속을 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에서, 애노드액 용액과 캐소드액 용액을 혼합한 결과 제조되는 순환 용액의 제 1 부분은 애노드액으로 복귀된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 출발 용액의 제 1 부분은 순환 용액의 제 1 부분으로 구성된다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 애노드액 용액과 캐소드액 용액을 혼합한 결과 생성된 순환 용액의 제 2 부분은 캐소드액으로 복귀된다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 출발 용액의 제 2 부분은 순환 용액의 제 2 부분으로 구성된다. 더구나, 본 발명의 일 실시형태에서, 순환 용액은 본질적으로 전해액으로 완전히 복귀되는데, 이 경우에 순환 용액은 본질적으로 순환 용액의 제 1 부분과 순환 용액의 제 2 부분으로 구성된다. 출발 용액의 제 1 부분으로 형성된 애노드액 용액과 출발 용액의 제 2 부분으로 형성된 캐소드액 용액이 함께 혼합될 때, 애노드액에서 산화되고 용해된 제 1 금속이 환원되고 캐소드액에서 환원된 제 2 금속이 산화됨에 따라 제 1 금속 분말이 생성된다. 얻어진 순환 용액은 본 발명의 실시형태들 중 하나의 실시형태의 프로세스에서 사용되도록 장치에서 재순환되어서, 혼합 단계 후 그리고 제 1 금속 석출물이 용액에서 분리된 후 순환 용액은 부분적으로 또는 완전히 애노드액 및/또는 캐소드액으로 복귀된다. 이제, 제 2 금속은 캐소드액에서 다시 환원된다. 따라서, 캐소드액에서 제 2 금속의 전기 분해 재생을 실현할 수 있는데, 이것은, 본 발명의 일부 실시형태에서, 본질적으로 프로세스에 제 2 금속을 포함한 새로운 용액을 공급할 필요가 없음을 의미한다. 게다가, 본 발명의 일부 실시형태들에서, 또한 애노드액이 제 2 금속을 포함할 때, 상기 제 2 금속은 예를 들어 비교적 낮은 산-함유량으로 이러한 프로세스 조건들에서 제 1 금속의 용해를 증대시키는데, 여기에서 전류와 산성 용액의 결합된 효과를 가지는 용해는 효과적이지 않을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 애노드액과 캐소드액은 전기 전도성 다이어프램에 의해 기계적으로 분리된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 전기 분해 셀은 애노드측과 캐소드측을 기계적으로 분리하기 위해 전기 분해 셀의 애노드측과 캐소드측 사이에 구비된 전기 전도성 다이어프램을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 전기 전도성 세퍼레이터 (separator) 용액은 애노드액과 캐소드액의 조기 혼합을 방지하기 위해서 애노드액과 캐소드액을 분리하는 2 개의 다이어프램들 사이에서 안내된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 전기 분해 셀은 2 개의 다이어프램들 사이 공간에 배치된 전기 전도성 세퍼레이터 용액에 의하여 애노드측과 캐소드측을 기계적으로 분리하기 위해 전기 분해 셀의 애노드측과 캐소드측 사이에 구비된 2 개의 전기 전도성 다이어프램들을 포함한다.
전기 분해 셀로부터 석출 단계를 효율적으로 분리하고 분리된 석출 챔버에서 제어할 수 있게 본질적으로 완전히 이 단계를 실현하기 위해서, 본 발명의 실시형태에서, 애노드액과 캐소드액은 전기 전도성 다이어프램에 의해 분리될 수 있다. 이 문헌에서, 용어 "전기 전도성 다이어프램" 은 다이어프램이 전기 분해 셀의 효과적인 작동을 용이하게 할 정도로 전기 전도성인 다이어프램을 말한다. 하지만, 본 발명의 일부 실시형태에서, 다이어프램의 전기 전도성은 다이어프램에 의해 기계적으로 분리되는 용액들의 전기 전도성보다 낮을 수도 있다. 결과적으로, 다이어프램의 용도는 다이어프램의 다른 측들에 위치한 용액을 기계적으로 분리하는 것이고, 즉 기계식 장애물로서 역할을 하는 것이고, 동시에 전기 분해 셀이 효과적으로 기능할 수 있을 정도로 전기 전도성을 가진다. 이 다이어프램은 전기 분해 셀을 애노드액이 위치한 애노드 부분 (또는 애노드측) 과 캐소드액이 위치한 캐소드 부분 (또는 캐소드측) 으로 나눈다. 따라서, 애노드액과 캐소드액은 애노드 및 캐소드 반응을 방해하지 않으면서 함께 혼합될 수 없고, 금속 분말은 전기 분해 셀에서 전극들의 근방에 형성될 수 없다. 애노드와 캐소드의 분리를 더욱 강화하기 위해, 애노드측과 캐소드측 사이에 2 개의 격벽 다이어프램들을 사용할 수 있고, 세퍼레이터 용액이 상기 다이어프램들 사이에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 금속은 구리이다. 본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 금속은 다음 군, 니켈, 코발트, 아연, 은, 금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 망간, 지르코늄, 주석, 카드뮴 및 인듐 중에서 선택된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 2 금속은 바나듐이다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 제 2 금속은 다음 군, 티타늄, 크롬 및 철 중에서 선택된다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 제 2 금속은 다음 군, 망간, 지르코늄, 몰리브덴, 테크네튬, 텅스텐, 수은, 게르마늄, 비소, 셀레늄, 주석, 안티몬, 텔루륨 및 구리에서 선택된다. 본 발명의 다양한 실시형태들에서, 제 1 금속과 제 2 금속은 다양한 다른 프로세스 파라미터들, 특히 전해액의 pH 값 (즉, 산소 함유량) 에 의해 결정되는 군에서 선택될 수 있다. 본 발명의 이 설명을 기초로, 본 기술분야의 당업자는 루틴한 테스트에 의해 임의의 제 1 금속에 적합한 제 2 금속을 위에 열거한 군에서 찾을 수 있다. 특히, 선택된 제 2 금속이 바나듐일 때 예를 들어 구리 분말이 본 발명의 일 실시형태에서 효율적으로 그리고 신뢰성 있게 제조될 수 있음을 알게 되었다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 금속을 포함한 공급 재료는 애노드에 배치된다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 전기 분해 셀의 애노드측에 위치한 제 1 금속은 전기 분해 셀의 애노드에 배치된다. 제 1 금속을 포함한 공급 재료가 애노드에 배치될 때, 제 1 금속을 통과하는 전류의 단위 시간당 속도 및 결과적으로 또한 단위 시간당 제 1 금속 용해 질량이 효율적으로 제어될 수 있다. 이 실시형태의 장점은 특히 전기에 의해 용해 반응을 정확하게 제어하는 것이고; 제 1 금속은 패러데이의 법칙 (Faraday's laws) 에 따라 주어진 기간 동안 사용된 전기량에 따라 정확하게 용해된다. 더구나, 애노드액에서 용해된 제 1 금속의 양은 애노드를 통하여 흐르는 전하에 정비례하므로 용해 단계에서 반응 속도는 신속하다. 따라서, 또한 애노드액에서 용해된 제 1 금속의 양은 효율적으로 그리고 정확하게 제어될 수 있는데, 이것은 프로세스 역학의 보다 정확한 제어 및 신뢰성의 향상을 용이하게 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 선택된 제 1 금속이 출발 용액의 제 1 부분에 포함된 산의 가용성 염으로서 애노드액에서 용해되도록 제 1 금속이 선택된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 전해액에 포함된 제 1 금속 및/또는 제 2 금속의 산화를 방지하도록, 전해액은 무산소 환경에 놓인다. 이것은 전해액의 산소 함유량을 더욱 쉽게 제어할 수 있게 하는데, 이것은 프로세스의 다른 용액에서 발생하고 예를 들어 제 1 금속 및/또는 제 2 금속을 포함하는 화학 반응의 균형이 보다 정확하게 조절될 수 있어서, 그 결과 특히 프로세스의 신뢰성과 효율성을 향상시키는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 출발 용액은 황산을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 출발 용액의 황산 함유량은 적어도 50 g/ℓ, 그리고 바람직하게 50 g/ℓ ~ 1,500 g/ℓ 의 범위 내에 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 출발 용액은 염산 또는 질산을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서 출발 용액에서 염산 함유량은 15 g/ℓ ~ 500 g/ℓ 의 범위에 있다. 본 발명의 또 다른 실시형태에서, 출발 용액은 염산 이외에 또한 알칼리성 염화물을 포함하는데, 출발 용액에서 그 함유량은 15 g/ℓ ~ 500 g/ℓ 의 범위에 있다. 출발 용액에서 산의 적합성은, 특히, 공급 재료, 제 1 금속 및 당해 제 2 금속에 의해 결정된다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 용액들은 또한 1 종을 초과하는 산을 포함할 수도 있다. 본 발명의 이 상세한 설명을 기초로, 본 기술분야의 당업자는 루틴한 테스트에 의해 임의의 공급 재료, 제 1 금속 및 제 2 금속에 적합한 산 및 상기 산의 적합한 함유량을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 일부 실시형태들에서, 제 2 금속이 바나듐일 때, 적어도 50 g/ℓ 인 출발 용액의 황산 함유량이 구리 애노드의 효율적인 산화 및 애노드에서 그것의 용해를 제공한다는 것을 발견하였다. 적합한 산 및 상기 산의 함유량은, 제 2 금속의 산화 대신에, 제 1 금속이 공급 재료로부터 애노드액으로 용해되도록 선택되어야 한다. 따라서, 애노드액 pH (즉, 산소 함유량) 가 적절해야 한다. 이용된 제 1 금속이 구리이고, 제 2 금속이 바나듐일 때, 산소 함유량은 가능한 한 높아야 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 전기 분해 셀은 백 내부에서 애노드액 및/또는 캐소드액을 제한하도록 다이어프램에 의해 한정된 적어도 하나의 백을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 전기 분해 셀은 2 개의 다이어프램들 사이에 남겨진 공간으로부터 애노드측 및/또는 캐소드측으로 세퍼레이터 용액을 안내하는 수단을 포함한다.
본 발명의 전술한 실시형태들은 서로 자유롭게 조합될 수 있다. 새로운 실시형태를 만들기 위해서 여러 가지 다른 실시형태들이 조합될 수 있다. 본 발명이 관련된 방법 또는 장치는 하나 또는 여러 개의 본 발명의 전술한 실시형태들을 포함할 수 있다.
하기 명세서에서, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법의 일 실시형태를 도시한 흐름도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 장치의 일 실시형태의 개략도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 방법의 일 실시형태를 도시한 개략적 블록도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 장치에서 전기 분해 셀의 일 실시형태의 개략도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 의해 제조된 구리 분말의 주사 전자 현미경 이미지들 (SEM images) 을 보여준다.
간단함을 위해, 본 발명의 다양한 요소들에 관한 도면 부호들은 대응하는 반복되는 요소들과 관련해 동일하게 유지된다.
도 1 에 따른 방법의 실시형태의 준비 단계 (S1) 에서, 전기 분해 셀의 애노드측과 캐소드측 양자로, 산-함유 출발 용액, 전해액 용액이 제조되어 공급되는데, 이것은 높은 포텐셜 값 (즉, 더 높은 산화 상태) 으로 제 2 금속을 포함한다. 이 방법에서 캐소드측으로 공급되는 출발 용액의 적어도 제 2 부분은 높은 포텐셜 값으로 상기 제 2 금속을 포함하는 것이 필수적인데, 왜냐하면 단계 (S2) 에서, 캐소드액에서 낮은 포텐셜 값 (즉, 더 낮은 산화 상태) 으로 제 2 금속의 환원, 즉 제 2 금속의 재생이 수행되기 때문이다. 또한, 출발 용액의 제 1 부분, 즉 애노드액으로서 공급되는 부분은 높은 포텐셜 값으로 제 2 금속을 포함할 수도 있다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 출발 용액은 2 종 또는 심지어 다른 여러 종의 제 2 금속들을 포함할 수도 있다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 출발 용액의 제 1 및 제 2 부분은 조성이 동일하다. 이 과정에 의해, 프로세스를 시작한 후 전해액들의 조성이 변경될 가능성이 최소화되는데, 이것은 프로세스의 작동점이 더 신속하게 안정화되고 프로세스의 제어성이 향상되는 것을 의미한다.
이 방법에 적합한 제 2 금속의 유형은 본질적으로 선택된 제 1 금속에 의해 결정되는데, 이 제 1 금속은 단계 (S2) 에서 애노드액에서 용해되어야 하고, 나중에 혼합 단계 (S3) 에서 분말로 석출된다. 제 2 금속 및 선택된 제 1 금속은 함께 이 방법에 적합한 출발 용액의 다른 특징들, 특히 이 용액에 포함된 산, 및 이 용액에서 상기 산의 함유량을 한정한다.
예를 들어, 우세한 프로세스 조건들에서, 애노드측에서, 애노드액에서 제 2 금속의 산화보다 애노드액에서 제 1 금속의 산화 및 그것의 용해가 더욱 유리하게 수행되도록 용액의 pH 값이 정해져야 한다. 이런 종류의 프로세스 조건들, 즉 기능 창들 (functional windows) 은 많은 다른 쌍들의 제 1 금속과 제 2 금속에 대해 찾아볼 수 있다. 다양한 다른 제 2 금속들과 제 1 금속들의 푸르오베 다이어그램 (Pourbaix diagrams) 뿐만 아니라 본 발명의 상세한 설명에 비추어, 이 기능 창들을 찾는 것은 본 기술분야의 당업자에게 루틴한 시험을 나타낸다.
출발 용액은 많은 다른 방식으로 제조될 수 있는데, 이것은, 특히, 적합한 제 2 금속에 의해 결정된다. 한 가지 방법은 예를 들어 원하는 제 2 금속을 포함하는 적합한 산, 산화물의 수용액에서 용해하는 것이다. 필요하다면, 출발 용액의 산-함유량과 용해된 제 2 금속의 산화수는 그 후 출발 용액에 대해 적합하도록 조절될 수 있다. 제 2 금속의 산화수 조절은 예를 들어 전기 분해로 수행될 수 있다.
출발 용액이 단계 (S1) 에서 형성될 때, 이것은 제 1 금속을 포함한 공급 재료가 애노드측에 위치한 전기 분해 셀에서 전해액으로서 공급된다. 도 1 에 따른 방법에서, 단계 (S1) 다음에, 단계 (S2) 에서 제 1 금속은 이 제 1 금속이 동시에 산화됨에 따라 공급 재료로부터 애노드액으로 전기 분해 셀의 애노드측에서 용해되고, 캐소드측에서 출발 용액의 제 2 금속은 높은 포텐셜 값에서 낮은 포텐셜 값으로 저감된다. 특히 제조를 고려해, 용액에서 제 2 금속 함유량과 용해된 제 1 금속의 함유량은 가능한 한 높은 것이 유리하다. 따라서, 임의의 용액 체적은, 용액에서 제 2 금속 및/또는 용해된 제 1 금속의 함유량이 낮은 상태에서보다 혼합 단계 (S3) 에서 더 많은 석출된 제 1 금속 분말을 제공한다.
도 1 에 따른 방법은 도 2 에서 개략적으로 도시된 장치에 의해 실현될 수 있는데, 여기에서 이용된 공급 재료는 애노드 (2) 로서 존재하고, 이것은 제 1 금속의 용해시 신속한 반응 속도를 위해 제공되고, 공급 재료의 용해는 애노드 (2) 로 흐르는 전하에 정비례한다. 이제 용해 반응들은 전기를 사용함으로써 특히 정확하게 제어될 수 있고; 주어진 기간에, 애노드에서 용해되고 산화된 대량의 제 1 금속이 패러데이 법칙에 따라 이용된 전기량에 정확히 비례한다. 각각, 등몰량의 제 2 금속이 캐소드에서 재생 (환원) 된다. 도 2 의 장치는 또한 캐소드 (4), 전기 분해 셀의 애노드측 (6), 캐소드측 (8), 애노드액 여과 장비 (10), 석출 챔버 (12), 세퍼레이터 장비 (16), 및 순환 용액을 위한 세정 장비 (18) 를 포함한다. 애노드액 (1) 과 캐소드액 (3) 은 중간 공간 (11) 에 배치된 전기 전도성 세퍼레이터 용액 (5) 및 중간 공간을 한정하는 2 개의 전기 전도성 다이어프램들 (7) 에 의해 기계적으로 분리된다. 그 목적은, 애노드측에서 발생된 제 1 금속 양이온들과 캐소드측에서 저 포텐셜 값으로 환원되는 제 2 금속이 전기 분해 셀에서 상호 접촉하지 않도록 보장하는 것이다. 따라서, 제 1 금속 분말은 전기 분해 셀의 애노드 또는 캐소드측에서 직접 석출될 수 없는데, 이것은 발생하는 경우에 예를 들어 제 1 금속 분말의 입자 크기뿐만 아니라 프로세스 효율에 대해 프로세스의 제어성을 약화시킬 수 있고, 게다가, 제 1 금속 분말의 회수가 더욱 어렵게 될 것이다. 애노드액 (1) 과 캐소드액 (3) 의 분리를 향상시키도록, 중간 공간 (11) 에 제공된 세퍼레이터 용액 (5) 은 또한 애노드액 (1) 및 캐소드액 (3) 보다 더 높은 유체 정압으로 유지될 수 있다.
단계 (S2) 이후, 단계 (S3) 에서, 애노드액 용액은 전기 분해 셀의 애노드측에서 안내되고 캐소드액 용액은 그것의 캐소드측으로부터, 예를 들어 적합한 파이프들 또는 그 밖의 다른 방식으로, 전극들 (2, 4) 근방에서 이격되어 적합한 비율로 석출 챔버 (12) 로 안내된다. 애노드액 용액과 캐소드액 용액이 분리된 석출 챔버 (12) 로 안내되므로, 용액들의 혼합비는 쉽게 그리고 정확하게 제어될 수 있고, 이것은 프로세스 조건들에 따라 최적화될 수 있다. 정확한 혼합비와 효율적인 석출물 회수로, 석출 단계에서 제 1 금속 응집체들의 형성이 방지될 수 있고, 결과적으로 제 1 금속 분말 (14) 에 포함된 제 1 금속 입자들의 그것의 크기에 대한 균질성이 보장된다. 정확한 혼합비는 또한 더 우수한 효율성을 가지고 프로세스를 용이하게 하는데, 이것은 결과적으로 임의의 양의 제 1 금속 질량을 제조하기 위해 프로세스에 필요한 에너지 양을 감소시킨다.
석출 챔버 (12) 에서, 챔버 (12) 에 안내된 애노드액 용액과 캐소드액 용액은 혼합되거나, 계속해서 혼합될 수 있다. 애노드액 용액을 석출 챔버 (12) 로 안내하기 전, 또한 본 발명의 일부 실시형태들에서 제 1 금속 석출 프로세스를 방해하는 금속 이물질 및/또는 다른 가능한 이물질을 이 용도에 적합한 애노드액 여과 장비 (10) 에서 제거할 수 있다. 혼합 프로세스 결과, 캐소드액 용액에서 환원된 제 2 금속이 그것의 고 포텐셜 값으로 다시 산화됨과 동시에 애노드액 용액의 산화된 제 1 금속이 환원되고 고형 제 1 금속 분말 (14) 로 석출된다. 얻어진 순환 용액으로부터, 단계 (S4) 에서, 예를 들어 이 용도에 적합한 세퍼레이터 장비 (16) 에서 순환 용액을 원심 분리함으로써 제 1 금속이 분리된다.
제 1 금속 분말 (14) 이 회수될 때, 생성된 순환 용액은 단계 (S5) 에서 전기 분해 셀로 재순환되는데, 그것의 일부는 애노드액 (1) 으로 일부는 캐소드액 (3) 으로 순환된다. 순환 용액을 전기 분해 셀로 다시 안내하기 전, 순환 용액에 남아 있을 수 있는 임의의 용해된 제 1 금속뿐만 아니라 제 1 금속 입자들이 이 용도에 적합한 세정 장비 (18) 에서 제거된다. 세정 작동은 환원 및 여과에 의해 예를 들어 전기 분해로 수행될 수 있다. 프로세스 효율성과 제 1 금속 분말의 입자 크기의 제어성을 향상시키기 위해서, 전기 분해 셀로 다시 순환 용액을 재순환시키기 전 순환 용액으로부터 용해와 석출 둘 다 이루어진 제 1 금속의 철저한 제거는 프로세스의 신뢰성에 유용하다.
전술한 방법에서, 순환 용액의 조성은 본질적으로 출발 용액의 조성과 동일한데, 왜냐하면 석출시, 제 2 금속은 그것의 출발 용액 값으로 다시 산화되고, 애노드측에서 애노드액 (1) 에서 용해된 제 1 금속은 용액으로부터 석출되어 분리된다. 따라서, 이 방법에서 생성되는 순환 용액은 출발 용액으로서 재사용될 수 있다. 단계 (S3)에서 대응하는 전해액이 애노드측과 캐소드측에서 석출 챔버로 공급되었을 때 적용되었던 것과 동일한 비율로 애노드액과 캐소드액으로 다시 순환 용액의 재순환이 또한 수행된다면, 본질적으로 폐쇄된 전해액 순환은 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 또는 캐소드측 (8) 으로 또는 그로부터 용액을 별도로 첨가/제거할 필요없이 프로세스에서 사용될 수 있다.
실제로, 도 1 의 방법은 일반적으로 연속 전해액 순환으로 실현되고, 그 결과 장치에서 전해액 용액 (순환 전해액) 의 재순환이 정지할 때까지 또는 공급 재료 (애노드 (2)) 에 포함된 제 1 금속이 전기 분해 셀에서 완전히 용해될 때, 순환 용액으로 분리되어 회수되는 제 1 금속 분말 (14) 이 계속해서 석출 챔버 (12) 에 축적된다. 더 이상 제 1 금속 분말 (14) 을 제조할 필요가 없을 때, 또는 공급 재료의 제 1 금속이 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 에서 피니싱될 때, 회수된 제 1 금속 분말 (14) 이 단계 (S6) 의 피니싱 처리로 처리되고, 프로세스가 정지된다. 본 발명의 그 밖의 다른 바람직한 실시형태들에서, 회수된 제 1 금속 분말 (14) 을 위한 피니싱 처리는, 제 1 금속 분말 (14) 을 분리하고 이를 피니싱 처리 장비 (미도시) 로 공급하는 프로세스 중 프로세스의 다른 단계들과 동시에 수행될 수 있다.
블록도로 도시된 도 3 에 따른 실시예에서, 이용된 제 2 금속은 바나듐이고, 이것은 고 포텐셜 값의 V3+ 양이온이다. 이용된 제 1 금속은 구리인데, 이것은 애노드 (2) 로서 역할을 하는 공급 재료에 배치된다. V3+ 양이온의 바나듐 제 2 금속을 포함한 출발 용액은 가령 산화바나듐 (V2O3) 을 가령 황산 수용액으로 용해함으로써 제조될 수 있다. 수용액에 V3+ 양이온을 포함하고 상기 용액의 황산 함유량이 예를 들어 50 g/ℓ ~ 1,500 g/ℓ 의 범위에 있는 출발 용액이 형성될 때, 그것의 제 1 부분은 애노드액 (1) 으로서 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 으로 공급되고, 제 2 부분은 캐소드액 (3) 으로서 캐소드측 (8) 으로 공급된다. 전류가 전기 분해 셀을 통하여 흐를 때, V3+ 양이온이 캐소드측 (8) 에서 캐소드액 (3) 에서 V2+ 양이온으로 환원되고, 구리는 산화된 Cu2+ 양이온으로서 애노드 (2) 로부터 애노드액 (1) 으로 용해된다. 결과적으로, 애노드 반응은 Cu0 -> Cu2+2e- 이고, 캐소드 반응은 V3+ + e- -> V2+ 이다.
애노드액 (1) 에서 구리의 용해와 구리의 산화시, 본 발명의 일부 실시형태들에서 제 2 금속은 대응하는 반응들에 관여할 수도 있어서, 예를 들어 꽤 낮은 산 함유량을 가지고 이러한 프로세스 조건들에서 용해 및 산화 둘 다 개선하고, 여기에서 단지 전류와 산 용액의 결합 효과를 가지는 용해와 산화는 효율적이지 않을 것이다. 이제, 제 2 금속이 어떻게 제 1 금속의 용해 및 산화에 관여하는지에 관한 정확한 메커니즘은 선택된 제 1 금속 및 제 2 금속에 의해 결정된다. 전술한 실시예에서, 제 1 금속이 구리이고 제 2 금속이 바나듐일 때, 바나듐은 애노드측 (6) 에서 V3+ 상태보다 훨씬 높은 제 2 산화 상태 (V5+) 로 산화될 수도 있는데, 그 후 V5+ 는 구리와 반응하여서, 구리를 산화하고 용해한다. 이제, "과산화된 (over-oxidized)" 바나듐 (V5+) 은 그것의 최초 고 포텐셜 값 (V3+) 으로 다시 환원된다. 애노드측 (6) 에서, 중간 산화 상태에 대응하는 "과산화" 는 또한 바나듐과 다른 제 2 금속들로 가능하다.
그 후, 애노드액 용액과 캐소드액 용액은, 구리가 반응 2V2 + + Cu2 + -> 2V3 + + Cu0 을 통하여 석출되는 석출 챔버 (12) 에서 적합한 비율, 예를 들어 1 : 3 의 비율로 안내되고 혼합된다. 이 석출 반응을 기초로, 용액에 존재하는 모든 V2 + 와 Cu2 + 양이온들이 구리의 석출에 관여하도록 하기 위해서, 애노드액 및 캐소드액은 이론상으로 혼합비 1 : 2 를 필요로 한다. 최적의 혼합비는 애노드 반응의 반응 상태와 전류 효율뿐만 아니라 캐소드 반응의 반응 상태와 전류 효율에 의해 결정된다.
프로세스의 효율성과 신뢰성에 대해, 임의의 상당한 양의 V2 + 및/또는 Cu2 + 양이온이 순환 용액에 남지 않도록 보장하는 것이 유용하다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 예를 들어 모든 Cu2 + 양이온이 석출 반응에서 소모되도록 시도하고 보장하는 것이 유리하고, 이 경우에 애노드액과 캐소드액의 실제 혼합비는 1 : N 일 수 있고, 여기에서 N > 2 이다. 하지만, 파라미터 (N) 값은 또한 순환 용액이 전기 분해 셀로 다시 공급하기 전 어떻게 세정되는지에 따라 결정된다. 본 발명의 설명을 기초로, 적합한 혼합비를 찾는 것은 본 기술분야의 당업자에게 명백한 루틴한 테스트이다.
구리가 분말 (14) 로 석출되고 세퍼레이터 장비 (16) 에 의해 나머지 용액으로부터 분리될 때, 남아있는 순환 용액은 분리 프로세스에서 용액에 남아 있을 수 있는 임의의 구리, 고형 구리 및 용해되고 미석출된 Cu2 + 양이온을 가지는 세정 장비 (18) 에서 세정된다. 세정은 예를 들어 전기 분해로 석출 및 여과함으로써 수행될 수 있다. 상기 화학적 및 기계적 세정 후, 남아있는 순환 용액은 석출 반응 결과 수용액에 바나듐 양이온 (V3 +) 과 황산을 포함하는 출발 용액과 본질적으로 조성이 동일하다. 이 순환 용액은 다시 적합한 비율로 애노드측 (6) 의 애노드액 (1) 과 캐소드측 (8) 의 캐소드액 (3) 으로 나누어진다. 전술한 재생 이후, 동일한 순환 전해액이 더 많은/새로운 구리 분말 (14) 을 석출 챔버 (12) 로 석출하기 위한 장치 및 방법을 통하여 다시 안내될 수 있다.
용액에서 분리된 고형 제 1 금속 분말 (14) 이 피니싱 처리 장치에서 피니싱된다 (도 1, 단계 (S6)). 분리 및 피니싱 처리 프로세스들은 원하는 최종 제품의 성질에 따라 많은 다른 단계들을 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 순환 전해액으로부터 분리된 제 1 금속 분말 (14) 은 용액으로부터 함께 운반된 불순물을 최소하하기 위해 물로 세척되고, 그 후 제 1 금속 분말 (14) 이 건조되고 특히 분말의 산화를 방지하기 위해 패시베이션 층으로 코팅된다. 석출된 제 1 금속 분말 (14) 이 다시 순환 용액으로 재용해되는 것을 최소화하기 위해서, 세퍼레이터 장비 (16) 에 의해 순환 전해액으로부터 제 1 금속 분말 (14) 의 분리를 수행하는 것이 유용하고, 석출 반응 후 가능한 한 빨리 세척을 수행하는 것이 좋다.
본 발명의 일부 실시형태들에서, 제 1 금속 분말 (14) 은 다양한 분리된 세척 작동을 거친다. 세척 작동 사이에, 제 1 금속 분말 (14) 은 세척액으로부터 분리된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 세퍼레이터 장비 (16) 에서 얻어지고 원심 분리에 의해 순환 전해액으로부터 분리되지만 여전히 젖어있는 제 1 금속 분말 (14) 이 물에서 질량 혼합비 1 : 20 (1 부분의 젖은 제 1 금속 분말 (14) 및 20 부분의 물) 으로 3 회 혼합된다. 혼합 작동 사이에, 제 1 금속 분말 (14) 이 세척액에서 분리된다.
세척 장비의 정확한 구조 및 작동은 심지어 크게 바뀔 수 있고, 이러한 장비를 생산하는 것은 본 발명의 설명에 비추어 본 기술분야의 당업자에게 분명하다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 여러 연속 세척 작동들을 실현하기 위한 세척 장비는 예를 들어 컨베이어 벨트형 장치일 수 있는데, 젖은 제 1 금속 분말 (14) 은 제 1 금속 분말 (14) 을 세척액으로 운반하는 컨베이어 벨트 상에 부어지고, 여기에서 제 1 금속 분말은 다음 컨베이어 벨트 등에 부어진다. 이제, 제 1 금속 분말이 세척액에서 분리될 때, 즉 제 1 금속 분말을 포함한 세척액을 컨베이어 벨트에 부을 때 제 1 금속 분말 (14) 의 침전이 일어난다.
전술한 실시예 이외에, 또는 본원에 설명한 과정 대신에, 물론 분리된 제 1 금속 분말은 많은 공지된 방법들, 예를 들어 사이펀에 의해 또한 세척될 수 있다.
다양한 다른 전기 분해 셀 구조들이 전기 분해 셀의 애노드측에서 제 1 금속을 용해하고 산화하기 위해 그리고 전기 분해 셀의 캐소드측에서 제 2 금속을 환원하기 위해 설계될 수 있다. 도 4 에 개략적으로 도시된 전기 분해 셀 구조는 우수한 효율성을 가지고 신뢰할 수 있는 효율적인 방식으로 제 1 금속 분말 (14) 을 제조하기 위해 장치에서 사용될 수 있다.
도 4 의 전기 분해 셀에서, 애노드측 (6) 과 캐소드측 (8) 은 다이어프램 (7) 에 의해 한정된 여러 구간, 즉 다이어프램 백들을 포함한다. 각각의 다이어프램 백은 각각 애노드 (2) 또는 캐소드 및 애노드액 (1) 또는 캐소드액 (3) 을 포함한다. 물론, 애노드 (2) 와 캐소드 (4) 는 전원 (미도시) 에 연결된다. 각각의 다이어프램 백 사이에, 전기 전도성 세퍼레이터 용액 (5) 이 공급되는데, 이것은 본 발명의 일 실시형태에서 적절한 고 포텐셜 값, 즉 산화된 상태로 제 2 금속을 포함하고; 전술한 실시예의 경우, 세퍼레이터 용액 (5) 은 예를 들어 V3+ 이온을 포함할 수도 있다.
게다가, 도 4 의 전기 분해 셀은 세퍼레이터 용액을 다이어프램 백들 사이에 남겨진 중간 공간 (11) 으로 공급하기 위한 공급 파이프 (9), 세퍼레이터 용액 (4) 을 위한 오버플로 채널 (13), 애노드액 용액과 캐소드액 용액을 위한 배수 채널들 (15) 뿐만 아니라, 보호 필름 (17) 을 포함한다. 도 4 의 전기 분해 셀은 배수 채널들 (15) 과 공급 파이프 (9) 를 제 2로 다른 장치, 예를 들어 석출 챔버 (12) (도 4 에서 미도시) 에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 세퍼레이터 용액 (5) 은 출발 용액으로서 역할을 하는데, 이 경우에 세퍼레이터 용액 (5) 의 조성은 출발 용액의 조성과 동일하다. 이제, 출발 용액이 공급 파이프 (9) 에 구비된 구멍들을 통하여 도 4 에 도시된 전기 분해 셀의 중간 공간 (11) 으로 공급될 수 있다. 중간 공간 (11) 으로부터, 세퍼레이터 용액 (5) 은 다이어프램들 (7) 에 구비된 천공들을 통하여 애노드액 (1) 과 캐소드액 (3) 으로서 다이어프램 백들로 유동한다. 추가로 또는 그 대신에, 다이어프램은 반투과성일 수 있어서, 세퍼레이터 용액 (5) (출발 용액) 은 애노드액 (1) 및/또는 캐소드액 (3) 으로서 다이어프램 (7) 을 통하여 제어할 수 있게 유동으로 접근한다. 애노드 반응들과 캐소드 반응들은 전술한 대로 다이어프램 백들에서 발생한다. 환원된 제 2 금속을 포함하는 얻어진 캐소드액 용액뿐만 아니라 용해되거나 산화된 제 1 금속을 포함하는 애노드액 용액은 예를 들어 배출구들 (15) 을 통하여 석출 챔버 (12) 로 안내될 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태들에서, 배출구들 (15) 은 장치로부터 여분의 전해액을 제거하기 위한 오버플로 채널로서 역할을 할 수 있는데, 이 경우에 애노드액 용액 및/또는 캐소드액 용액은 예를 들어 이 용도로 제공된 흡입 유입구들을 통하여 다른 루트에 의하여 석출 챔버 (12) 로 이동될 수 있다. 결국 석출 챔버 (12) 에서 생성된 순환 용액은, 가능한 세정 단계들 후, 예를 들어 공급 파이프 (9) 를 통하여 다시 중간 공간 (11) 으로 그리고 추가로 애노드액 (1) 및/또는 캐소드액 (3) 으로 재순환될 수 있다.
도 4 에 도시된 셀에서 다이어프램들 (7) 의 투과성 또는 다이어프램들 (7) 에 구비된 천공들의 크기를 조절함으로써, 단위 시간당 애노드측 (6) 및/또는 캐소드측 (8) 을 통하여 흐르는 용액의 양은 효율적으로 제어될 수 있다. 다이어프램들 (7) 의 투과성은 애노드측 (6) 에서 다이어프램들 (7) 및/또는 캐소드측 (8) 에서 다이어프램들 (7) 에 대해 따로따로 선택될 수 있다. 중간 공간 (11) 에 공급될 단위 시간당 용액의 양에 대해 다이어프램들 (7) 을 통하여 애노드측 (6) 및/또는 캐소드측 (8) 에서 다이어프램 백들에 유동 접근하는 단위 시간당 용액의 양을 적절히 제어함으로써, 중간 공간 (11) 에 배치된 세퍼레이터 용액 (5) 의 유체 정압은 세퍼레이터 용액 (5) 에 위치한 다이어프램 백들에 포함된 전해액의 유체 정압보다 높도록 조절될 수 있다. 따라서, 다이어프램 백에서 이격되어 중간 공간 (11) 을 향하여 다이어프램 (7) 을 통과하는 바람직하지 못한 전해액의 유동을 방지할 수 있다. 오버플로 채널 (13) 의 치수를 적절히 결정함으로써, 예를 들어 오버플로 채널을 적합한 높이에 배치함으로써, 도 4 에 따라, 중간 공간 (11) 과 애노드측 (6) 및/또는 캐소드측 (8) 사이의 유체 정압 차이는 너무 높게 상승하지 않고 임의의 여분의 세퍼레이터 용액은 오버플로 채널 (13) 을 통하여 셀 밖으로 유출되도록 보장할 수 있다. 각각, 또한 배출구들 (15) 의 치수와 위치를 결정함으로써, 상기 유체 정압 차이 형성에 영향을 미칠 수 있다. 다이어프램들 (7) 에 제공될 수 있는 천공들의 직경이 클 때, 다이어프램들 (7) 의 투과성과 함께, 상기 유체 정압 차이는 본질적으로 단위 시간당 애노드측 (6) 과 캐소드측 (8) 을 통하여 유동하는 용액의 양을 한정한다. 본 발명의 설명을 기초로, 전기 분해 셀의 치수 및 천공들의 배치에 대한 전술한 설계는 본 기술분야의 당업자에게 명백한 루틴한 테스트이다.
전술한 대로, 본 발명의 일부 실시형태들에서, 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 및/또는 캐소드측 (8), 예를 들어 다이어프램 백들로 출발 용액 및/또는 순환 용액을 직접 공급할 필요는 없지만, 본질적으로 장치 내 모든 용액은 중간 공간 (11) 을 통하여 순환한다. 다이어프램들 (7) 이 용액에 완전히 불투과성이고, 순환 용액 및/또는 출발 용액이 애노드측 (6) 및/또는 캐소드측 (8), 예를 들어 다이어프램 백들로, 직접적으로 그리고 중간 공간 (11) 을 통과하지 않고 공급될 수 있도록 선택된다. 본 발명의 일부 다른 실시형태들에서, 다이이어프램들 (7) 대신에, 예를 들어 임의의 유형의 이온들만 투과사키는 이온 선택성 멤브레인이 사용될 수 있다.
도 4 에 따른 전기 분해 셀에서, 전기 분해 구조는 보호 필름 (17) 으로 커커버되고, 이것에 의하여 공기 또는 둘러싼 환경에 의해 야기되는 가능한 산화를 방지하도록 예를 들어 질소 가스 또는 일부 다른 불활성 가스로 중간 공간 (11) 이 가압될 수 있다. 또한 다이어프램 백들은 산화를 방지하도록 폐쇄되고 질소로 가압될 수 있다.
도 4 의 셀 구조는 전기 분해 셀에서 애노드액 및 캐소드액의 신뢰성 있는 분리를 가능하게 하는데, 이것은 조기 산화 및/또는 환원 반응들을 감소시킨다. 결과적으로, 도 4 에 따른 전기 분해 셀 구조를 사용함으로써, 본 방법에서 우수한 효율성이 달성된다. 추가로, 전기 분해 셀에서 제 1 금속 분말의 조기 석출 위험이 감소되고, 이것은 방법의 신뢰성을 향상시키고 장비의 유지보수를 더욱 용이하게 한다.
실시예
도 3 에 도시된 블록도에 따른 방법을 적용함으로써, 도 2 에 도시된 유형을 기본적으로 나타내는 장치에서, 황산 수용액을 출발 용액으로서 이용하여 구리 분말이 제조되었고, 상기 용액은 V3 + 양이온들을 포함한다. 이 출발 용액에서, 측정된 황산 농도는 약 500 g/ℓ 이었고, 측정된 바나듐 농도는 약 16 g/ℓ 이었다. 이용된 공급 재료는 분류 A 캐소드 구리 판이었고, 이것은 또한 전기 분해 셀의 애노드로서 역할을 한다. 이용된 캐소드는 275 mm x 130 mm 치수의 리드 (lead) 판이었다. 테스트 조건들에서, 용액 온도는 대략 20 ~ 35 ℃ 이었다.
출발 용액이 전기 분해 셀로 공급되었고, 구리 애노드는 애노드액에서 산화되고 용해되었다. 용해된 구리의 측정된 함유량은 대략 4 g/ℓ 이었다. 그 후, 애노드액 용액은 애노드측에서 안내되었고, 캐소드액 용액은 캐소드측에서 석출 챔버로 안내되었는데, 이 실시예에서 석출 챔버는 유리병이었다. 애노드액 용액과 캐소드액 용액의 혼합비는 1 : 3 이었다. 혼합 작동의 결과, 구리 분말은 위의 설명에 따라 석출 챔버에서 형성되었다. 얻어진 구리 분말의 전자 현미경 이미지들이 도 5 에 도시되고; 이 이미지들로부터 예를 들어 구리 입자들의 크기 분배가 꽤 균질하고, 큰 입자 응집체들이 생성되지 않으며, 입자들의 평균 크기는 마이크로미터 범위 미만이라는 것을 볼 수 있다.
본 발명을 예시하는 일부 실시예들과 실시형태들이 구리 분말을 제조하는 방법으로서 기술되지만, 본 발명의 이 설명을 기초로, 본 기술분야의 당업자는 본 발명의 다양한 실시형태들을 적용할 때 구리 이외의 다른 금속들의 분말들을 또한 용이하게 제조할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 설명을 기초로, 본 기술분야의 당업자는 본 발명의 다양한 실시형태들에서 위의 실시예에 열거된 것과 다른 매개 금속 및/또는 산을 용이하게 사용할 수 있다. 본 발명은 단지 전술한 실시예들에 국한되지 않고, 첨부된 청구항의 범위 내에서 많은 다양한 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (26)

  1. 금속 분말 제조 방법으로서,
    용해된 제 1 금속을 제 1 금속 분말 (14) 로 석출하기 위해 상기 용해된 제 1 금속이 매개 금속인 적어도 하나의 제 2 금속을 포함한 용액과 혼합되는 금속 분말 제조 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    - 산-함유 출발 용액의 제 1 부분은 애노드액 (1) 으로서 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 으로 이동되어서, 애노드 (2) 및 제 1 금속을 포함한 공급 재료와 접촉하게 되고; 산 이외에 제 2 금속을 또한 포함하는, 상기 산-함유 출발 용액의 제 2 부분은 캐소드액 (3) 으로서 전기 분해 셀의 캐소드측 (8) 으로 이동되어서 캐소드 (4) 와 접촉하게 되고;
    - 상기 제 1 금속은 애노드 (2) 에서 전류를 전도함으로써 상기 애노드액 (1) 에서 산화 및 용해되고;
    - 상기 출발 용액의 제 2 부분에 포함된 상기 제 2 금속은 상기 캐소드측 (8) 에서 환원되고; 그리고
    - 상기 출발 용액의 제 1 부분에서 용해된 산화된 제 1 금속 및 환원된 제 2 금속을 포함한 출발 용액의 제 2 부분을 혼합하기 위해 애노드액 용액과 캐소드액 용액이 석출 챔버 (12) 로 이동되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출발 용액의 제 1 부분은 상기 애노드측에서 제 1 금속의 용해를 증가시키기 위한 제 2 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드액 용액과 상기 캐소드액 용액의 혼합 결과 형성된 순환 용액의 제 1 부분은 애노드액 (1) 으로 복귀되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 출발 용액의 제 1 부분은 상기 순환 용액의 제 1 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 애노드액 용액과 상기 캐소드액 용액의 혼합 결과 형성된 순환 용액의 제 2 부분은 캐소드액 (3) 으로 복귀되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 출발 용액의 제 2 부분은 상기 순환 용액의 제 2 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 순환 용액은 본질적으로 완전히 전해액으로 복귀되어서, 상기 순환 용액은 본질적으로 순환 용액의 제 1 부분과 순환 용액의 제 2 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드액 (1) 과 상기 캐소드액 (3) 은 전기 전도성 다이어프램 (7) 에 의해 기계적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전기 전도성 세퍼레이터 용액 (5) 은 상기 애노드액 (1) 과 상기 캐소드액 (3) 의 조기 혼합을 방지하기 위해서 애노드액 (1) 과 캐소드액 (3) 을 분리하는 2 개의 다이어프램들 (7) 사이에서 안내되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 금속은 구리인 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 금속은 다음 군, 니켈, 코발트, 아연, 은, 금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 망간, 지르코늄, 주석, 카드뮴과 인듐 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 금속은 바나듐인 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 금속은 티타늄, 크롬 및 철의 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 금속은 다음 군, 망간, 지르코늄, 몰리브덴, 테크네튬, 텅스텐, 수은, 게르마늄, 비소, 셀레늄, 주석, 안티몬, 텔루륨과 구리 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 금속을 포함한 공급 재료는 애노드 (2) 에 위치하는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    선택된 제 1 금속이 상기 출발 용액의 제 1 부분에 포함된 산의 가용성 염으로서 애노드액 (1) 에서 용해되도록 상기 제 1 금속이 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 출발 용액은 황산을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 출발 용액에서 황산의 함유량은 적어도 50 g/ℓ 인 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 출발 용액은 염산 또는 질산을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분말 제조 방법.
  20. 용해된 제 1 금속과 매개 금속인 적어도 하나의 제 2 금속을 포함한 용액을 혼합하여 제 1 금속 분말 (14) 을 석출함으로써 금속 분말을 제조하는 장치에 있어서,
    상기 장치는,
    전기 분해 셀의 애노드측에 위치한 제 1 금속을 용해하고 이것을 애노드액에서 산화시키고, 캐소드측에서 전기 분해 셀의 캐소드측 (8) 에 위치한 용해된 제 2 금속을 환원하기 위한 전기 분해 셀;
    상기 전기 분해 셀로부터 본질적으로 분리된 석출 챔버 (12); 및
    상기 전기 분해 셀의 외부로부터, 환원된 제 2 금속을 포함하는 캐소드액 용액과 애노드액 용액에서 용해된 제 1 금속을 혼합하기 위해 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 및 전기 분해 셀의 캐소드측 (8) 으로부터 각각 석출 챔버 (12) 로 애노드액 용액과 캐소드액 용액을 공급하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분말을 제조하는 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 전기 분해 셀은 애노드측 (6) 과 캐소드측 (8) 을 기계적으로 분리하기 위해 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 과 캐소드측 (8) 사이에 전기 전도성 다이어프램 (7) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분말을 제조하는 장치.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 전기 분해 셀은 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 과 캐소드측 (8) 사이에 2 개의 전기 전도성 다이어프램들 (7) 을 포함하여서 상기 2 개의 다이어프램들 (7) 사이에 남겨진 공간에 제공된 전기 전도성 세퍼레이터 용액 (5) 에 의하여 애노드측 (6) 과 캐소드측 (8) 을 기계적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 금속 분말을 제조하는 장치.
  23. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 전기 분해 셀의 애노드측 (6) 에 공급된 제 1 금속은 전기 분해 셀의 애노드 (2) 에 위치하는 것을 특징으로 하는 금속 분말을 제조하는 장치.
  24. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 전기 분해 셀은 다이어프램 (7) 에 의해 한정된 적어도 하나의 백을 포함하여서, 상기 백 내부에 애노드액 및/또는 캐소드액을 유지하는 것을 특징으로 하는 금속 분말을 제조하는 장치.
  25. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 전기 분해 셀은 상기 2 개의 다이어프램들 (7) 사이에 남겨진 공간으로부터 애노드측 (6) 및/또는 캐소드측 (8) 으로 세퍼레이터 용액 (5) 을 안내하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분말을 제조하는 장치.
  26. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    전해액은 전해액에 포함된 제 1 금속 및/또는 제 2 금속의 산화를 방지하기 위해 무산소 환경에 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 분말을 제조하는 장치.
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