Катодная ячейка с опускающимся слоем для электрохимического выделения металла
Изобретение может быть использовано для электрохимического выделения металла, выбранного из группы, состоящей из меди, олова, марганца, цинка, никеля, хрома и кобальта, из растворов, содержащих ионы металла. Ячейка содержит анодную камеру, катодную камеру, имеющую опускающийся катодный слой в виде растущих металлических шариков и отделенную от анодной камеры электрически изолирующей диафрагмой, и вертикальный внешний трубопровод для прохождения восходящего потока металлических шариков и электролита, направленного на подпитку катодного слоя. По меньшей мере один струйный насос, размещенный внутри внешнего трубопровода вблизи его основания либо вблизи дна катодной камеры, либо снаружи ячейки в гидравлическом сообщении с дном катодной камеры, предназначен для установления восходящего потока металлических шариков и электролита. Ячейка характеризуется непрерывностью процесса выделения металла, более проста в управлении и работе. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.
Уровень техники
Извлечение металлов в ячейках с подвижным слоем известно в данной области техники как очень привлекательная технология, хотя и все еще далекая от реальной промышленной практики. Впервые осаждение металлов в подвижном слое в качестве усовершенствования более общей концепции осаждения металлов в псевдоожиженном слое (см., например, патент США 4141804) было описано Скоттом с соавторами (Scott et al.) в патенте США 4272333. Слой металлических шариков поднимают струей жидкого электролита до тех пор, пока они не пройдут верхний край металлического катода, перетекая в камеру, ограниченную таким катодом и полупроницаемой диафрагмой, отделяющей опускающийся слой от анода. Таким образом, опускающийся слой является катодно поляризованным, и ионы металлов в электролите могут разряжаться на этих шариках, вызывая их рост. Этот известный способ позволяет подавать шарики в виде маленьких зародышей и выгружать их из ячейки после достижения ими требуемой степени роста, однако имеет очевидный недостаток, заключающийся в том, что он является по существу периодическим процессом. Более того, такая ячейка должна работать как единственная ячейка и при этом нет возможности для эффективного размещения ячеек в виде батареи с плоскопараллельной конструкцией, поэтому производительность ячейки на единицу объема или на единицу установочной поверхности очень ограничена.
Значительное усовершенствование данной концепции предложено с раскрытием патентов США 5635051 и 5958210, направленных на электрохимическое выделение цинка. В данном случае катодная камера содержит фонтанирующий слой, образуемый посредством восходящего движения электролита, подводимого к отводящей трубе, и разделяемый на два кольцевых пространства в областях опускания, расположенных с двух сторон этой трубы. Анодную и катодную камеру разделяют проницаемым для ионов барьером, таким как ионообменная мембрана или т.п. Следовательно, анолит и католит физически разделены и растущие шарики по-прежнему исключены из анодной камеры, а переход осаждаемого иона из анодной в катодную камеру разрешен. Эта ячейка несколько лучше, чем ячейка, описанная в патенте США 4272333, с точки зрения производительности, причем она является достаточно плоской и даже предусматривает возможность параллельного расположения множества отводящих труб и соответствующих кольцевых пространств для опускающихся шариков с целью увеличения ее размера в по меньшей мере одном измерении. Однако рассмотренное там осаждение все еще является типичным периодическим процессом, при этом имеющее место обеднение по ионам металлов в анолитной камере должно уравновешиваться с помощью непростой процедуры восстановления с целью поддержания определенной стабильности условий в ячейке.
Значительный прогресс в вышеописанных технологиях достигнут с помощью ячейки с фонтанирующим слоем, раскрытой в совместно поданной заявке на патент Италии MI 2002A001524, в отношении единичной ячейки, которая может быть установлена плоскопараллельным образом в фильтр-прессной конструкции и которая снабжена средствами отбора и выгрузки продукта таким образом, чтобы сделать возможным процесс непрерывного типа, а также благодаря специальному разделительному элементу, состоящему из электрически изолирующей диафрагмы, которая используется для исключения шариков из катодной камеры и при этом обеспечивает свободное прохождение электролита из одной камеры в другую и таким образом значительно упрощает общий баланс веществ. В такого рода применении отводящая труба, которая создает фонтанирующий слой растущих шариков, по-прежнему является внутренней относительно катодной камеры, а вышеупомянутый слой все еще имеет конфигурацию кольцевого типа, при этом шарики расположены в затрубном пространстве в целом прямоугольной формы с каждой стороны отводящей трубы (случай с трубой, расположенной по центру внутри катодной камеры) или в единственном затрубном пространстве, обычно расположенном вдоль единственной свободной стороны (случай с трубой, расположенной вдоль боковой стенки). Несмотря на хорошее функционирование ячейки указанного типа, остаются, однако, некоторые существенные нерешенные проблемы: прежде всего, размер отводящей трубы ограничен глубиной катодной камеры. Так как по соображениям компактности катодная камера обязательно должна иметь уменьшенную толщину (ориентировочно 20 мм), то протяженность пространства с шариками, образованного с помощью фонтанирующего слоя, имеет ограниченное плоскостное развитие. Кроме того, отводящая труба иногда подвержена локальным засорениям или другими видам функциональных неисправностей, которые не легко обнаружить и устранить, являясь при этом той же самой трубой, заключенной внутри катодной оболочки. То же самое может быть сказано про систему отбора и выгрузки продукта, функции которой возложены на внутренние приспособления, которые трудно контролировать в случае даже частичных засорений (остановок). Наконец, для поддержания фонтанирующего слоя с требуемыми характеристиками входное отверстие отводящей трубы становится зоной очень высокой турбулентности, где связанные с трением явления, локально отражающиеся на диафрагме, влекут за собой значительные опасности повреждения или разрыва.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является создание ячейки для электрохимического выделения металла, позволяющей преодолеть ограничения предшествующего уровня техники.
Согласно первому аспекту изобретение состоит в ячейке для электрохимического выделения металла из электролита, содержащей опускающийся слой растущих металлических шариков, подпитываемый через предпочтительно прозрачный внешний вертикальный трубопровод, по которому проходит восходящий поток шариков и электролита.
Согласно второму аспекту изобретение состоит в батарее монополярной или биполярной конструкции из ячеек, имеющих катод в виде опускающегося слоя растущих металлических шариков, подпитываемого через внешний вертикальный трубопровод.
Согласно еще одному аспекту изобретение состоит в применении ячейки или батареи ячеек, имеющей(их) катод в виде опускающегося слоя растущих металлических шариков, для электрохимического выделения металла, выбранного из меди, олова, марганца, цинка, хрома и кобальта.
Описание изобретения
Ячейка согласно настоящему изобретению является существенным развитием ячейки с фонтанирующим слоем, раскрытой в MI2002A001524. В частности, для анодной камеры и разделяющей диафрагмы могут быть приспособлены те же самые технологические решения, которые раскрыты в вышеупомянутой совместно поданной заявке на патент. Напротив, в катодной камере больше не присутствует слой фонтанирующего типа, имеющий ранее упомянутые проблемы вызванного турбулентностью трения и случающихся иногда остановок (из-за засорения), а содержится более упорядочено опускающийся слой, подпитываемый через внешний трубопровод, который подводит диспергированные в электролите металлические шарики к соответствующей верхней части той же самой катодной камеры, в которой они движутся только под действием силы тяжести. Предпочтительно такой внешний трубопровод является прозрачным, так что возможен контроль за бесперебойностью течения во время работы. В то время как отводящую трубу ячейки согласно MI2002A001524 нужно было предпочтительно выполнять из металла, так как наряду с существенными механическими требованиями она должна была противостоять части деформации сжатия ячейки, внешний подпитывающий трубопровод ячейки согласно изобретению может быть выполнен из пластмассового материала, что является преимуществом. В качестве дополнительного преимущества относительно ячейки согласно в MI2002A001524 устранена, конечно же, необходимость в электрической изоляции внутренней отводящей трубы.
Согласно предпочтительному варианту реализации по меньшей мере одна из боковых стенок катодной камеры является наклонной с тем, чтобы способствовать транспортировке продукта к выходу. Согласно предпочтительному варианту реализации восходящее движение внутри внешнего подпитывающего трубопровода устанавливают посредством одного или более струйных насосов. Как будет разъяснено в последующем описании, струйный насос, предназначенный для установления восходящего потока во внешнем подпитывающем трубопроводе, может быть размещен внутри этого же самого трубопровода, предпочтительно - в его нижней части. Струйный насос может быть также размещен в нижней части (на дне) катодной камеры, предпочтительно вне зоны осаждения, так чтобы он не мешал разделяющей диафрагме, или вне ячейки, но в гидравлическом сообщении с катодным слоем, например, посредством наклонного соединительного патрубка. Для данной цели могут быть с выгодой использованы различные виды струйных насосов; в предпочтительном варианте реализации струйный насос может состоять из простого удлиненного сопла, установленного на фланце, как известно в данной области техники. В этом случае фланец предпочтительно содержит отверстия или эквивалентные каналы, способствующие разжижению частиц.
Таким образом, ячейка согласно изобретению характеризуется смешанной циркуляцией, частично внутренней и частично внешней, по сравнению с ячейками предшествующего уровня техники; это предполагает дополнительное преимущество, т.к. позволяет влиять на отбор производимого продукта в соответствии с размером растущих шариков и на соответствующую выгрузку той фракции, которая достигла требуемого размера, с использованием внешних средств, более легких в управлении и работе по сравнению с системами с эквивалентными функциями, раскрытыми в MI2002A001524. Как и в указанной совместно поданной заявке на патент, в предпочтительном варианте реализации изобретения обеспечено использование разделяющей диафрагмы между двумя камерами, снабженной перфорированными отверстиями, по меньшей мере в соответствии с расположением опускающегося катодного слоя, с тем чтобы сделать возможной свободную циркуляцию электролита от одной камеры к другой и в то же время предотвратить попадание растущих шариков в анодную камеру. Вышесказанное должно соблюдаться в любом случае, поскольку ввиду более эффективного механизма управления продуктом вышесказанное приведет в результате, соответственно, к намного более легкому поддержанию баланса вещества при непрерывном процессе производства в ячейке согласно изобретению; вышесказанное делает необязательное использование полностью непроницаемой, с гидравлической точки зрения, диафрагмы с результирующей раздельной циркуляцией анолита и католита намного менее трудным, чем в случае ячейки согласно MI2002A001524. Это может быть особенно важным в том случае, если используют специальные ванны электрохимического выделения, которые делают работу ячейки с неразделенными анолитом и католитом практически невозможной: это имеет место, например, в случае, потенциально представляющем большой промышленный интерес, осуществления осаждения меди из соответствующего хлорида, как описано в совместно поданной заявке на патент Италии MI2003A000382.
Ячейка согласно изобретению может использоваться в качестве единственной (отдельной) ячейки или, предпочтительно, в качестве модульного элемента батареи ячеек с монополярным или биполярным соединением.
Предложенная ячейка является подходящей для получения металлов из электролитических растворов, содержащих подлежащий электрохимическому выделению элемент в ионной форме; в частности, эта ячейка является особенно подходящей для электрохимического выделения меди, олова, марганца, цинка, никеля, хрома и кобальта.
Далее будут описаны наилучшие варианты реализации изобретения на практике со ссылкой на прилагаемые фигуры, которые приведены только в иллюстративных целях и сами по себе не предназначены для ограничения изобретения.
Описание чертежей
На фигуре 1A и 1B показаны два варианта реализации осуществления изобретения, в которых необязательное присутствие струйных насосов для циркуляции электролита ограничено подпитывающим опускающийся слой трубопроводом.
На фигуре 2A и 2B показаны два варианта реализации осуществления изобретения, в которых используется по меньшей мере один струйный насос для циркуляции электролита, находящийся вблизи дна катодной камеры.
На фигуре 3A и 3B показаны два варианта реализации осуществления изобретения, в которых используется по меньшей мере один струйный насос для циркуляции электролита, находящийся снаружи по отношению к катодной камере, но в гидравлическом сообщении с ней.
На фигуре 4A и 4B показаны два варианта реализации осуществления изобретения, в которых используются снаружи по отношению к катодной камере и в гидравлическом сообщении с ней два струйных насоса для циркуляции электролита, соединенных с системой отбора и сбора растущих шариков.
На фигуре 5A показан детализированный вид двух струйных насосов, соединенных с системой отбора и сбора растущих шариков, согласно фигурам 4A и 4B.
На фигуре 5В показан вариант реализации струйного насоса согласно предыдущим фигурам.
Подробное описание изобретения
На фигуре 1A более детально показан вариант реализации ячейки (100) согласно изобретению, в которой катодная камера (1), заполненная опускающимся слоем растущих шариков, ограничена наклонной стенкой (2), предназначенной для транспортировки продукта к выходу. Опускающийся слой, заполняющий катодную камеру (1), подпитывают через вертикальный трубопровод (3), предпочтительно прозрачный, по которому проходит восходящий поток металлических шариков и электролита, установленный струйным насосом (4), помещенным в нижней части самого этого трубопровода, где расположен подходящий дефлектор (5), который может представлять собой обычное сочленение или даже T-образную деталь. Раствор, поступающий в подающую трубку (6), проходит таким образом в камеру (7), выходит из отверстий (8), выполненных в наклонной стенке (2), и струйного насоса (9), «псевдоожижая» и всасывая шарики по направлению к дефлектору (5). Под действием струйного насоса (4), эта жидкотекучая смесь далее испытывает толчок, позволяющий шарикам преодолеть различие в перепаде высот через упомянутый трубопровод (3), при этом выпуская их через выпускные патрубки (10) и/или (10'), размещенные в верхней зоне катодной камеры. Положение и количество выпускных патрубков (10, 10') показано условно: к примеру, может присутствовать единственный выпускной патрубок, расположенный по центру или сбоку. Решение с единственным выпускным патрубком в положении, обозначенном как (10), является предпочтительным ввиду положительного эффекта, производимого при последовательном выталкивании жидкотекучей смеси на опускающийся слой. Отбор в соответствии с размером шариков и последующая выгрузка некоторой фракции продукта может быть произведена, например, в позиции, обозначенной как (11), к примеру, посредством просеивающих систем, известных в данной области техники.
На фигуре 1B показана ячейка согласно изобретению, представляющая собой эквивалентное решение, за исключением отсутствия выталкивания, производимого струйным насосом (4). По отношению к варианту, изображенному на фигуре 1A, необходимо осуществлять закачивание жидкости через сопло (9) с более высокой интенсивностью, чтобы в любом случае гарантировать циркуляцию шариков.
На фигурах 2A и 2B показаны два альтернативных варианта реализации ячейки согласно изобретению, на которых общие с двумя предыдущими фигурами элементы обозначены теми же самыми ссылочными номерами. В этом случае предусмотрены две наклонные боковые стенки (2), размещенные в нижней части катодной камеры (1) в симметричном расположении и действующие как транспортеры опускающегося слоя. Поэтому всасывание шариков по направлению к трубопроводу (3) рециркуляции происходит в центральной зоне. В то время как на фигуре 2A показано решение с единственным струйным насосом (4), расположенным на дне катодной камеры (1), на фигуре 2B показан вариант со вторым струйным насосом (4), расположенным внутри вертикального трубопровода (3). На той же самой фигуре также показаны два возможных положения системы (11, 11') отбора и выгрузки продукта, которые могут работать поочередно или совместно.
В вариантах реализации, проиллюстрированных на фигурах 3A и 3B, ячейка по-прежнему снабжена двумя наклонными боковыми стенками (2), размещенными в нижней части катодной камеры (1) в симметричном расположении и действующими как транспортеры опускающего слоя. Однако сопло (9) и связанный с ним струйный насос (4) размещены вне ячейки, хотя и в гидравлическом сообщении с опускающимся слоем посредством соединительного патрубка (12). В очередной раз отметим, что различие между этими двумя решениями состоит в присутствии или отсутствии второго струйного насоса (4), помещенного в основании вертикального подпитывающего трубопровода (3) и имеющегося в варианте реализации, показанном на фигуре 3B, но не на фигуре 3A.
Вместо этого на фигурах 4A и 4B показаны лишь слегка различающиеся варианты реализации ячейки, в которых соединительный патрубок (12'), находящийся ниже по потоку относительно зоны осаждения, наклонен для того, чтобы способствовать скольжению шариков и их всасыванию в трубопровод рециркуляции. Как и ранее, нижняя часть ячейки снабжена парой наклонных боковых стенок (2) (фигура 4A) или единственным наклонным дном (2') (фигура 4B). Ячейки, показанные на фигурах 4A и 4B, также имеют устройство для рециркуляции электролита, состоящее из двух струйных насосов (4), соединенных с системой отбора и сбора растущих шариков; такое устройство более детально представлено на фигуре 5A. Путь движения шариков и электролита показан стрелками (14) и (14'), соответственно обозначающими его нисходящую часть внутри наклонного соединительного патрубка (12') и восходящую часть внутри подпитывающего вертикального трубопровода. Известные в данной области техники системы для осуществления отбора и сбора продукта, например просеивающие системы, могут присутствовать в положениях, обозначенных как (11) и (11').
И наконец, на фигуре 5B показан струйный насос (4), эквивалентный тем, которые проиллюстрированы на предыдущих фигурах, и содержащий сопло (9), установленное на фланце (15), снабженном выходными отверстиями (16), показанными в данном случае в виде небольших сквозных отверстий.
Представленное описание не должно рассматриваться как ограничивающее настоящее изобретение, которое может быть осуществлено на практике в соответствии с различными дополнительными вариантами реализации без отступления от его рамок и объем которого однозначно определяется приложенной формулой изобретения.
В описании и формуле изобретения настоящей заявки слова «содержать», «включать в себя» и их разновидности, такие как «содержащий» и «включает в себя», не должны рассматриваться в качестве слов, исключающих возможность присутствия других элементов или дополнительных деталей конструкций.
1. Ячейка для электрохимического выделения металла из растворов, содержащих ионы металла, включающая в себя анодную камеру, катодную камеру, имеющую опускающийся катодный слой в виде растущих металлических шариков и отделенную от анодной камеры электрически изолирующей диафрагмой, и вертикальный внешний трубопровод для прохождения восходящего потока металлических шариков и электролита, направленного на подпитку катодного слоя.
2. Ячейка по п.1, в которой внешний трубопровод является прозрачным.
3. Ячейка по п.1, в которой катодная камера содержит по меньшей мере одну наклонную боковую стенку.
4. Ячейка по п.1, которая содержит по меньшей мере один струйный насос для установления восходящего потока.
5. Ячейка по п.4, в которой катодная камера содержит две наклонные боковые стенки для транспортировки опускающегося слоя металлических шариков ко дну.
6. Ячейка по п.4 или 5, в которой упомянутый по меньшей мере один струйный насос помещен внутри внешнего трубопровода вблизи его основания.
7. Ячейка по п.4 или 5, в которой упомянутый по меньшей мере один струйный насос помещен вблизи дна катодной камеры.
8. Ячейка по п.4 или 5, в которой упомянутый по меньшей мере один струйный насос помещен снаружи ячейки в гидравлическом сообщении с дном катодной камеры.
9. Ячейка по п.8, которая снабжена соединительным патрубком для обеспечения гидравлического сообщения между дном катодной камеры и струйным насосом.
10. Ячейка по п.7, содержащая струйный насос, помещенный внутри внешнего трубопровода вблизи основания внешнего трубопровода.
11. Ячейка по п.8, содержащая струйный насос, помещенный внутри внешнего трубопровода вблизи основания внешнего трубопровода.
12. Ячейка по п.9, содержащая струйный насос, помещенный внутри внешнего трубопровода вблизи основания внешнего трубопровода.
13. Ячейка п.4, в которой упомянутый по меньшей мере один струйный насос выполнен в виде одного удлиненного сопла, установленного на фланце, необязательно имеющем выходные отверстия.
14. Ячейка по п.1, содержащая внешнюю систему отбора и сбора металлических шариков.
15. Ячейка по п.1, в которой диафрагма имеет отверстия, соответствующие растущим металлическим шарикам опускающегося катодного слоя, обеспечивающие свободную циркуляцию электролита между катодной и анодной камерами, но предотвращающие перемещение металлических шариков из катодной камеры в анодную камеру.
16. Батарея ячеек для электрохимического выделения металла из растворов, содержащих ионы металла, включающая в себя множество ячеек по любому из пп.1-15 в монополярном или биполярном гидравлическом соединении.
17. Применение ячейки по любому из пп.1-15 или батареи ячеек по п.16 для электрохимического выделения металла, выбранного из группы, состоящей из меди, олова, марганца, цинка, никеля, хрома и кобальта.
