KR101947369B1 - 금속 전해채취 전지용 애노드 격실 - Google Patents
금속 전해채취 전지용 애노드 격실 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 프레임 형태 기초구조에 의하여 구획되는 금속 전해채취 전지용 애노드 격실로서, 프레임 형태 플랜지에 의하여 상기 프레임 형태 기초구조에 고정되는 투과성 분리막을 포함하는 용기와, 적어도 하나의 내부식성 촉매층으로 코팅된 밸브 금속 기재로부터 시작하여 수득되며 상기 용기 내에 삽입되는 적어도 하나의 애노드와, 상기 애노드 위에 위치되고 상기 분리막과 상기 기초구조에 의하여 구획되는 김 서림 방지부를 포함하는, 금속 전해채취 전지용 애노드 격실에 관한 것이다. 본 발명은 또한 적어도 하나의 이러한 애노드 격실을 포함하는 금속 전해채취용 전기화학적 전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 촉매층을 포함하는 코팅을 구비하는 금속 기재로 이루어지는 애노드를 구비한 금속 전해채취용 전지의 애노드 격실에 관한 것이다. 애노드 격실은 애노드의 표면 상의 애노드 반응에 의하여 생성되는 산소 기포를 수용하기 위하여 설계된다.
전해채취 공정들은 일반적으로 전해조 및 복수의 애노드 및 캐소드를 포함하는 비분리된 전기화학적 전지들에서 수행되는데; 예를 들면 구리 전착과 같은 그러한 공정들에서는, 일반적으로 스테인레스강으로 만들어진 캐소드에서 발생하는 전기화학적 반응은 캐소드 자체 상에서 금속 형태의 구리의 침착으로 이어진다. 일반적으로 납으로 만들어진 애노드에서는, 전기화학적 반응의 결과로 산소 기체가 생성되고, 생성된 산소 기체는 전해질 표면으로 이동하는 기포의 형태로 전극 표면으로부터 분리된다. 전해질의 자유면에 도달하면, 기포는 터져, 기본적으로 전해조 위의 대기에서 부유하는 산성 전해질 액적으로 이루어지는 산성 박무(에어로졸)를 발생시킨다. 산성 박무는, 주변 환경에서 작업하는 사람들의 건강에 해로울 뿐만 아니라, 전지실(cell room)의 모든 금속 부품들의 부식을 일으켜 위험하며, 존재하는 계측장비에 손상을 입힐 수 있다.
금속 전착 전지들을 둘러싼 환경에서 배출된 산성 박무의 농도를 조절하기 위한 몇 가지 화학적 기법과 물리적 기법이 공지되고 사용되는데; 이러한 기술들은 계면 활성제 및 예를 들면 전해질 표면 상에서 부유하는 비드 층들의 이용과 같은 기계적인 방법들의 채용을 포함하는데, 이러한 방법들은 기체 기포를 산성 박무의 분리가 발생하는 구불구불한 경로를 따라가도록 강제한다.
최근에 시간이 지남에 따라 독성 물질을 방출하는 납 애노드들을, 표면상에서 촉매작용을 하는 티타늄 또는 다른 밸브 금속(valve metal) 기재 상에서 얻어지는 비소모성 애노드들로 대체하려는 시도들이 있었다. 이러한 종류의 애노드는 더 좋은 에너지 효율을 보장할 뿐만 아니라, 더욱 내부식성이며 또한 공정 중에 생성된 납 불순물들의 문제를 피한다.
그럼에도 불구하고 후자 종류의 애노드들 상의 산소 발생은 더욱 감소된 크기의 기포(마이크로 기포) 형태의 산소를 발생시키며, 납 애노드들에 비하여 더 높은 산성 박무의 배출을 일으킨다는 것이 관찰되었다. 그러므로, 상기 인용된 산성 박무를 제어하기 위한 방법들은 동일한 효능을 갖지 않는다.
따라서, 표면 촉매층들을 포함하는 밸브 금속 애노드들을 사용하는 전착 공정들에서 산성 박무를 감소시키거나 제거하기에 적합한 새로운 시스템을 제공할 필요가 있다는 것이 입증되었다.
본 발명의 다양한 양태들이 첨부되는 청구범위에 개시된다.
일 양태에서, 본 발명은 적어도 하나의 내부식성 촉매층으로 코팅된 밸브 금속 기재로부터 시작하여 얻어진 하나의 애노드를 포함하는 프레임 형태 기초구조에 의하여 구획되는 금속 전해채취 전지의 애노드 격실로서, 상기 애노드는 투과성 분리막으로 이루어지는 용기 내에 삽입되고, 상기 투과성 분리막은 또한 프레임 형태 플랜지에 의하여 상기 프레임 형태 기초구조에 고정되며, 김 서림 방지부(demister)가 애노드 상에 위치되며 상기 투과성 분리막 및 상기 기초구조에 의하여 구획되는 것인, 애노드 격실에 관한 것이다. 이러한 종류의 구성은 미세 기포들을 밀폐된 공간 내에 갇혀 있도록 유지하는 장점을 갖는다. 투과성 분리막을 고정하기 위한 프레임 형태 기초구조는, 예를 들면 말단에 고정된 4개의 직선 세그먼트들에 의하여 형성되는 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 프레임에 투과성 분리막을 고정하기 위한 플랜지 요소는 또한 플라스틱 재료로 이루어질 수 있으며 예를 들면 볼트결합에 의하여 고정될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이 애노드 격실이란 용어는, 선택적으로 종래 납 애노드를 대체하기 위한, 전착 전지에 존재하는 각각의 애노드에 적용되는 구조를 의미한다. 일 구현예에서, 애노드 격실은 발포 메시, 천공 시트 또는 평면 시트로 이루어지는 기계적인 구조를 갖는 애노드를 포함한다.
대안적으로, 애노드 격실은 서로 평행하며 마주보게 배치된 한 쌍의 발포 메시 또는 천공 시트로 이루어지는 기계적인 구조를 갖는 애노드를 포함한다. 두 개의 평행하게 마주보는 요소들로 세분된 애노드를 제공하는 후자의 해결책은 저항 강하를 최소화하고 전류 분포를 균일하게 하는 장점을 가질 수 있다. 일 구현예에서, 본 발명에 따른 애노드 격실은 단일의 또는 이중의 기계적인 구조를 갖는 애노드를 포함하되, 기재의 밸브 금속은 티타늄이고 기재 상에 적용되는 적어도 하나의 촉매층은 이리듐 및 탄탈륨 산화물을 포함한다.
다른 구현예에서, 애노드 격실은 예를 들면, 탄화수소계의 다공성 시트 또는 양이온 교환막으로 이루어질 수 있는 투과성 분리막을 포함한다. 다공성 분리막이 다공성 시트인 경우에, 대기로의 산소의 가능한 누출을 방지하기 위하여 기체상(gas phase)과 접촉하는 시트의 일부분은 선택적으로 비투과층을 구비할 수 있다.
일 구현예에서, 김 서림 방지부는 플라스틱 재료 또는 발포 플라스틱 폼의 층 또는 밀집된 얇은 블레이드들로 이루어진다. 김 서림 방지부는 액상(liquid phase)으로부터 분리된 산소에 의하여 부유되는 산성 전해질 박무를 억류하는 목적을 갖는다. 김 서림 방지부를 통과한 후에 산소는 대기로 배출되거나, 또는 바람직하게는, 흡입기에 연결된 매니폴드로 보내져서 외부 환경으로 산성 박무의 배출을 가능한 한 많이 방지하면서 가능한 잔류 산성 박무 미량을 더 감소시킨다.
다른 양태에서, 본 발명은 위에서 설명된 바와 같이 적어도 하나의 애노드 격실을 포함하는 금속 전해채취용 전기화학적 전지에 관한 것이다.
제안된 구조는 전기화학적 방법에 의한, 특히 신규 구성 또는 종래 납 전극들의 대체로서 구리 및 니켈 추출을 위한, 금속 추출 플랜트에서의 설치에 적합하다.
본 발명을 예시하는 몇몇 구현예들이 이제 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이며, 첨부된 도면은 본 발명의 상기 특정한 구현예들에 관하여 상이한 요소들의 상호 배열을 예시하는 목적만을 갖는데; 특히 도면들은 반드시 일정한 비율로 도시될 필요는 없다.
도 1은 그 내부에 배치된 두 개의 집전바(current-collecting bar)를 구비하는 한 쌍의 발포 메시에 의하여 형성된 애노드를 포함하는 애노드 격실의 가능한 구현예의 정면도 및 상응하는 측면도.
도 1은 플라스틱 기초구조(2), 다공성 분리막(4)이 고정되는 고정 플랜지(3), 서로 마주보는 한 쌍의 평행한 발포 메시에 의하여 형성된 애노드(5), 외부 환경으로 산소의 누출을 방지하기 위한 라이닝(6), 개스킷(7), 김 서림 방지부(8), 집전바(9) 및 산소 배출 노즐(1)에 의하여 구획되는 애노드 격실의 일 구현예의 정면도 및 상응하는 측면도를 도시한다.
본 발명자들에 의해서 얻어지는 가장 중요한 결과 중 일부 결과는 다음의 실시예에 표시되는데, 이 실시예가 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
실시예
도 1에 도시된 바와 같은 애노드 격실이 실험실 실험 전지 내에서 조립되었다. 전지는 두 개의 높이 100cm 및 폭 70cm 스테인레스강 캐소드들을 포함하였는데, 캐소드들 사이에는 도 1에 따른 애노드 격실이 배치되며, 애노드 격실은 애노드를 포함하고, 애노드는 티타늄으로 만들어진 서로 마주보는 한 쌍의 70x70cm 평행한 발포 메시들로 이루어지는 기재로부터 시작하여 수득되며, 그 요소들과 관련하여 전체 9 g/m2의 하중 및 Ta:Ir의 몰비가 35:65인 탄탈륨 및 이리듐 산화물 기반의 촉매층을 구비하였다. 애노드 격실은 기체 비투과성 네오프렌의 박층을 상부에 구비한, 실리카 분말로 친수화된 두 개의 다공성 폴리프로필렌 시트들, 및 100μm 평균 직경의 공극을 갖는 개방 셀 폴리우레탄 발포체로 이루어진 김 서림 방지부를 더 포함하였다. 구리가 700 A/m2의 일정한 전류밀도로 5시간 동안 전해채취되었다. 전해질은 60 g/l 황산구리 및 100 g/l 황산을 포함하였다. 산성 에어로졸 특성화는 45분 시간 동안 전체 둘레 상의 전지 높이 위로 약 40cm의 높이에서 수행되었다. 공기의 m3 당 0.3 mg 에어로졸의 평균 농도가 검출되었다.
반대 실시예
전지는 두 개의 높이 100cm 및 폭 70cm 스테인레스강 캐소드들을 포함하도록 조립되었는데, 캐소들 사이에는 애노드가 배치되며, 애노드는 티타늄으로 만들어진 서로 마주보는 한 쌍의 70x70cm의 평행한 발포 메시들로 이루어지는 기재로부터 시작하여 수득되며, 그 요소들과 관련하여 전체 9 g/m2의 하중 및 Ta:Ir의 몰비가 35:65인 탄탈륨 및 이리듐 산화물 기반의 촉매층을 구비하였다. 구리가 700 A/m2의 일정한 전류밀도로 5시간 동안 전해채취되었다. 전해질은 60 g/l 황산구리 및 100 g/l 황산을 포함하였다. 19mm의 직경을 가진 중공 폴리프로필렌 비드들의 세 개 층들은 전해질의 노출된 표면 상에 배치되었다. 산성 에어로졸 특성화는 45분 시간 동안 전체 둘레 상의 전지 높이 위로 약 40cm의 높이에서 수행되었다. 공기의 m3 당 1.3 mg 에어로졸의 평균 농도가 검출되었다.
상기 설명은 본 발명을 제한하는 것으로서 의도되지 않을 것이며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상이한 구현예들에 따라서 사용될 수 있고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정의된다.
본 출원서의 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, 용어 "포함하다(comprise)"와 "포함하는(comprising)" 및 "포함하다(comprises)"와 같은 그 변형된 용어들은 다른 소자들, 구성요소들 또는 부가적인 공정 단계들의 존재를 배제하도록 의도되지 않는다.
서류들, 행위들, 재료들, 장치들, 물품들 등의 설명은 본 발명을 위한 맥락을 제공하는 목적으로만 본 상세한 설명에 포함된다. 이러한 문제들의 일부 또는 전부가 본 출원서의 각 청구항의 우선권 날짜 전에 선행기술 기초의 일부를 형성하였거나 본 발명에 관련된 분야에서 통상의 지식이었던 것은 암시되거나 제시되지 않는다.
Claims (7)
- 프레임 형태 기초구조에 의하여 구획되는 금속 전해채취 전지용 애노드 격실로서,
프레임 형태 플랜지에 의하여 상기 프레임 형태 기초구조에 고정되는 투과성 분리막을 포함하는 용기와,
적어도 하나의 내부식성 촉매층으로 코팅된 밸브 금속 기재로부터 시작하여 수득되며, 상기 용기 내에 삽입되는 적어도 하나의 애노드와,
상기 애노드 상에 위치되고 상기 분리막 및 상기 기초구조에 의하여 구획되는 김 서림 방지부(demister)를 포함하는, 금속 전해채취 전지용 애노드 격실. - 제1항에 있어서, 상기 밸브 금속 기재는 발포 메시, 천공 플레이트 또는 평면 플레이트로 구성된 기계적인 구조를 갖는, 금속 전해채취 전지용 애노드 격실.
- 제1항에 있어서, 상기 밸브 금속 기재는 서로 평행하며 마주보게 배치된 한 쌍의 발포 메시 또는 천공 플레이트를 포함하는 기계적인 구조를 갖는, 금속 전해채취 전지용 애노드 격실.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재의 밸브 금속은 티타늄이며 상기 애노드의 상기 촉매층은 이리듐 및 탄탈륨 산화물을 포함하는, 금속 전해채취 전지용 애노드 격실.
- 제1항에 있어서, 상기 투과성 분리막은 다공성 시트 및 탄화수소계 양이온 교환막 사이에서 선택되는, 금속 전해채취 전지용 애노드 격실.
- 제1항에 있어서, 상기 김 서림 방지부는 플라스틱 재료 또는 발포 플라스틱 폼(foam)의 층 또는 밀집된 얇은 블레이드들로 만들어지는, 금속 전해채취 전지용 애노드 격실.
- 제1항에 따른 적어도 하나의 애노드 격실을 포함하는, 금속 전해채취용 전기화학적 전지.
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