一种高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置及电解或电积方法与流程

本发明属于冶金行业铜电解技术领域，具体涉及一种高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置及电解或电积方法，它有效解决了冶金行业铜电解技术领域中高杂铜阳极板电解困难阳极钝化、低铜溶液难以直接电积的缺点，同时该装置与方法使生产过程中消除了浓差极化，进行高电流密度运行，是一种高效电解与高效电积的方式。

背景技术：

电解铜在过去一个世纪有了显著的现代化发展，即在有硫酸铜 -硫酸溶液的电解槽中用电化学方法电解不纯净的铜阳极，铜离子被传送到阴极，铜在阴极以一定的纯度富集。 主要的电化学反应包括 ：

阳极反应： Cu（不纯）→ Cu²⁺ + 2e（ 1）

阴极反应 ： Cu²⁺ + 2e → Cu（纯） （ 2）

净反应 ： Cu（不纯）→ Cu（纯）（ 3）

自从 19 世纪末铜电解工厂建立以来，铜的生产规模和生产能力得到了显著提高。在过去的几十年中，通过提高电流效率、调整配料、净化电解液、工艺的自动化操作和程序控制等措施大大增加了铜的产量。近期 Moats等人对全球通用的 56个商业用槽的工作条件进行了评价。

增加产量和提高阴极铜质量的最新方法包括使用不锈钢阴极、改善活化电解质、监控添加剂和阳极加工机组。

尽管有了这些技术的发展，但是阳极钝化还是会发生在大多数的现代化电解中，钝化是因为难溶物质的形成而抑制溶解反应的发生，特别是高杂铜阳极板由于难溶物质较多，更容易发生阳极钝化。阳极钝化会造成生产能力的损失、电耗费用增加、阴极铜的质量下降。

因此在电解铜领域中存在了产能低，综合能耗高，资金占压大，高杂铜电解困难等难题。

在铜电积方面，主要是由于浓差极化、离子浓度的影响以致在铜电积行业基本在铜离子浓度大于45克升才能高效电积并得到高品质的产品。

综合以上两种情况，其实制约生产的瓶颈就是阳极钝化和浓差极化。减少阳极钝化与消除浓差极化的影响可以有效的解决高杂阳极铜电解与低铜电积的高效生产。

因此，通过将阳极钝化降低到最低程度，可以提高全球铜的质量和降低生产成本。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置及电解或电积方法，它有效解决高杂阳极铜阳极钝化及低铜溶液的浓差极化的影响，突破了高电流密度下高杂阳极铜电解和低铜溶液电积精炼技术瓶颈，实现了高杂阳极铜的高效电解与低铜溶液的高效电积。

所述的一种高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置，包括电解槽体和分液喷射进液系统，电解槽体左、右两头设有循环回液口，底部设有上清液排液口和阳极泥放空口，其特征在于分液喷射进液系统由导流道和溶液分布管连接构成，导流道悬挂于电解槽体侧壁，溶液分布管位于电解槽体底部，溶液分布管上间隔设置多组特制喷嘴，电解槽体侧壁之上铺设用于与电解槽绝缘的胶皮，胶皮上依次敷设槽间铜排和绝缘玻璃钢垫，每组特制喷嘴中间放置阴极，相邻两组特制喷嘴之间放置阳极，阳极、阴极一端槽间铜排，另一端置于绝缘玻璃钢垫上。

所述的一种高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置，其特征在于槽间铜排包括正极铜排和负极铜排，正极铜排和负极铜排分别置于电解槽体两边侧壁之上，正极铜排连接整流系统的正极和阳极，负极铜排连接整流系统的负极和阴极，正负极铜排连接整流系统。

所述的一种高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置，其特征在于溶液分布管上间隔设置一组带内螺纹连接孔，特制喷嘴一端为喷头，另一端设有与带螺纹连接孔匹配的M10螺纹口，通过螺纹连接安装在溶液分布管上。

所述的一种高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置，其特征在于阴极置于分液喷射系统的每组特制喷嘴中间，每组特制喷嘴之间间距为20~40mm，阳极置于相邻两组特制喷嘴之间，相邻的两组特制喷嘴之间间距为60~100mm。

所述装置的电解或电积方法，其特征在于溶液经过强制动力的输送，通过管路进入分液喷射系统的导流道和溶液分布管，从溶液分布管上的特制喷嘴中以1~3m/s的速度进行喷射，在电解槽内形成向上、向下的流道，同时及时补充溶液中的电解/电积的金属离子。

所述的电解或电积方法，其特征在于生产准备时，先将溶液注满电解槽，使溶液与循环回液口齐平，便于溢流循环回液，电解或电积生产时，整流系统给电，铜离子在阴极析出，经过滤器过滤的电解液或电积液通过强制动力系统由管路系统进入分液喷射系统的导流道，流经溶液分布管，再由特制喷嘴进行喷射，在电解槽的阴阳极之间形成向上及向下的两股流道形成近似环形流动，向上流道补充电解或电积损失的金属离子，消除电解或电积过程中的浓差极化，向下的流道形成内部循环，加速消除浓差极化以及加速电解过程中阳极泥的沉降，内部循环冲刷阳极，消除阳极钝化，同时溶液通过电解槽体两端的循环回液口溢流出液，形成外部循环，强化电解或电积的效果，电解或电积完成后，铜离子在阴极析出，进行出装，产出的阴极铜达到GB/T 467-2010标准的A级铜或1号标准铜。

所述的电解或电积方法，其特征在于溶液进入电解槽体的流量为5~20m³/h，溶液通过特制喷嘴进液的喷液速度为1~3m/s，循环回液口的流量为2.5~10 m³/h。

所述的电解或电积方法，其特征在于所述分液喷射进液系统中导流道由DN40的CPVC材质的管材管件组装成型，溶液分布管由CPVC材质制成。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明通过采用分液喷射进液系统，将喷射电解液以1~3m/s的速度进入电解槽，提供动能，阴极表面向上运动，阳极表面向下运动，电解液形成“内循环”，加速阳极表面阳极泥沉降，消除阳极钝化相膜，同时溢流至电解槽两端出液口，由于强制动力的存在又与整个体系形成“外循环”，消除了高杂阳极铜电解过程中的阳极钝化以及浓差极化和消除了低铜溶液电积过程中的浓差极化现象，突破了高电流密度下高杂阳极铜电解和低铜溶液电积精炼技术瓶颈；

2）本发明的装置可以和其他设备如溶液微滤器、溶液输送泵、分液包、溶液储槽、管路系统、直流电源、变频控制器、可编程控制器等组成自动化PCL控制，节省人力，便携式成套装置，模块化组装，可与其他废水处理系统兼容，做到“即插即用”；

3）本发明通过采用上述技术得到的所述的高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置，其结构简单、操作方便，利用该装置对溶液进行电解或电积处理，消除了浓差极化，在保证产品质量的情况下可进行高电流密度的电解或电积，达到较高的电流效率，高效的电解与电积方式，降低了生产成本，提高了劳动生产率。

附图说明

图１为本发明的结构示意图；

图２为本发明分液喷射进液系统的结构示意图；

图3为图2中A-A处放大结构示意图；

图4为本发明生产时电解槽内情况的示意图；

图5为本发明生产时电解槽俯视图；

图6为本发明的消除阳极钝化及浓差极化的反应机理图。

图中：1-电解槽体，2-分液喷射进液系统，3-特制喷嘴，4-循环回液口，5-上清液放空口，6-阳极放空口，7-导流道，8-溶液分布管，9-阳极，10-阴极，11-胶皮，12-槽间铜排，13-绝缘玻璃钢垫。

具体实施方式

以下结合说明书附图及实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-5所示，本发明的一种高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置，包括电解槽体1和分液喷射进液系统2，电解槽体1左、右两头设有循环回液口4，底部设有上清液排液口5和阳极泥放空口6，其特征在于分液喷射进液系统2由导流道7和溶液分布管8连接构成，导流道7悬挂于电解槽体1侧壁，溶液分布管8位于电解槽体1底部，溶液分布管8上间隔设置多组特制喷嘴3，电解槽体1侧壁之上铺设用于与电解槽绝缘的胶皮11，胶皮上依次敷设槽间铜排12和绝缘玻璃钢垫13，槽间铜排12包括正极铜排和负极铜排，正极铜排和负极铜排分别置于电解槽体1两边侧壁之上，每组特制喷嘴3中间放置阴极10，每组特制喷嘴3之间间距为20~40mm，相邻两组特制喷嘴3之间放置阳极9，阳极9置于相邻两组特制喷嘴3之间，相邻的两组特制喷嘴3之间间距为60~100mm。

阳极9一端连接槽间铜排12的正极铜排，阴极10一端连接槽间铜排12的负极铜排，另一端均置于绝缘玻璃钢垫13上，正极铜排连接整流系统的正极，负极铜排连接整流系统的负极，正负极铜排连接整流系统，本发明的导流道7由DN40的CPVC材质的管材管件组装成型，溶液分布管8由CPVC材质制成，导流道7与溶液分布管8通过法兰连接，溶液分布管8上间隔设置一组Φ10的带内螺纹连接孔，特制喷嘴3一端为喷头，另一端设有与带螺纹连接孔匹配的M10螺纹口，通过螺纹连接安装在溶液分布管8上，如图3所示。

如图1-6所示，本发明基于该电解或电积装置的电解或电积方法，生产准备时，先将溶液注满电解槽，使溶液与循环回液口4齐平，便于溢流循环回液，整流系统给电，电解或电积生产时，经过滤器过滤的电解液或电积液经过输送泵等强制动力的输送，通过管路进入分液喷射系统2的导流道7和溶液分布管8，从溶液分布管8上的特制喷嘴3中以1~3m/s的速度进行喷射，在电解槽内形成向上、向下的流道形成近似环形流动，向上流道补充电解或电积损失的金属离子，消除电解或电积过程中的浓差极化，向下的流道形成内部循环，加速消除浓差极化以及加速电解过程中阳极泥的沉降，内部循环冲刷阳极，消除阳极钝化，同时溶液通过电解槽体1两端的循环回液口4溢流出液，形成外部循环，强化电解或电积的效果，电解或电积完成后，铜离子在阴极10析出，进行出装，产出的阴极铜达到GB/T 467-2010标准的A级铜或1号标准铜，其中溶液进入电解槽体1的流量为5~20m³/h，溶液通过特制喷嘴3进液的喷液速度为1~3m/s，循环回液口4的流量为2.5~10 m³/h。

如图6所示，本发明的高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积分液喷射装置技术的原理：

所有的电解技术均建立在电化学基础理论之上，旋流电解技术也不例外。传统的电解技术是将阴阳极放置在缓慢流动或停滞的槽体内，在电场的作用下，阴离子向阳极定向移动，阳离子向阴极定向移动，通过控制一定的技术条件，欲获得的金属阳离子在阴极得到电子沉积析出，从而得到电解产品。

阴极反应：

金属离子在阴极得到电子形成金属

Me⁺_(aq) + e^- →Me_(S)

阳极反应：

阴极得到的电子需要通过阳极失去电子来平衡。阳极有几个可能的反应，最主要的反应是溶液中的水氧化产生氧气，反应如下：

2H₂O → O_2(g) + 4H⁺ + 4e^-

当电解液中的金属浓度降低时，很难保证金属在阴极还原而不发生其它反应。在金属浓度较低时最容易发生的化学反应是氢气的产生，如下：

2H_+(aq) + 2e^- → H_2(g)

高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置及方法利用分液喷射装置（DED）对溶液在生产电解槽中由向上向下流道形成近似环形流道的内部循环，冲刷阳极，把高杂铜阳极板上的难溶物质随着向下流道运动，带到电解槽底部，消除阳极钝化，同时分液喷射装置（DED）由于有泵等强制动力带入铜电解液或铜电积液，组成外部大循环，使得由于电解或电积贫化的铜离子得到补充，消除了浓差极化。

高杂铜阳极板电解与低铜溶液电积的装置及方法，消除了浓差极化，在保证产品质量的情况下可进行高电流密度的电解或电积，达到较高的电流效率，高效的电解与电积方式，降低了生产成本，提高了劳动生产率。

实施例1：

（1）高杂铜阳极板电解

高杂铜阳极板平均成分

该成分的铜阳极板杂质含量高，铜含量远低于一般的铜阳极板（一般的电解铜阳极板含铜量在97%以上），该种高杂铜阳极板电解时极易引起钝化现象，阳极钝化会造成生产能力的损失、电耗费用增加、阴极铜的质量下降。

因此在电解铜领域中存在了产能低，综合能耗高，资金占压大，高杂铜电解较困难。

利用本发明的装置及方法，将电解槽按图示先安装就位完成（电解槽体1和分液喷射进液系统2，电解槽体1左、右两头设有循环回液口4，底部设有上清液排液口5和阳极泥放空口6，分液喷射进液系统2由导流道7和溶液分布管8连接构成，导流道7悬挂于电解槽体1侧壁，溶液分布管8位于电解槽体1底部，溶液分布管8上间隔设置多组特制喷嘴3，电解槽体1侧壁之上铺设用于与电解槽绝缘的胶皮11，胶皮上依次敷设槽间铜排12和绝缘玻璃钢垫13，槽间铜排12包括正极铜排和负极铜排，正极铜排和负极铜排分别置于电解槽体1两边侧壁之上，每组特制喷嘴3中间放置阴极10，每组特制喷嘴3之间间距为20~40mm，相邻两组特制喷嘴3之间放置阳极9，阳极9置于相邻两组特制喷嘴3之间，相邻的两组特制喷嘴3之间间距为60~100mm。阳极9一端连接槽间铜排12的正极铜排，阴极10一端连接槽间铜排12的负极铜排，另一端均置于绝缘玻璃钢垫13上，正极铜排连接整流系统的正极，负极铜排连接整流系统的负极，正负极铜排连接整流系统，本发明的导流道7由DN40的CPVC材质的管材管件组装成型，溶液分布管8由CPVC材质制成，导流道7与溶液分布管8通过法兰连接，溶液分布管8上间隔设置一组Φ10的带内螺纹连接孔，特制喷嘴3一端为喷头，另一端设有与带螺纹连接孔匹配的M10螺纹口，通过螺纹连接安装在溶液分布管8上），电解液（铜离子浓度在45克升左右的硫酸铜溶液）充满电解槽和循环槽，主要生产过程中，电解液通过变频泵从循环槽中抽出，经过泵的动力输送至板式换热器，流经分液包最后通过管路进入分液喷射系统2的导流道7和溶液分布管8，从溶液分布管8上的特制喷嘴3中以1~3m/s的速度进行喷射，喷射出的电解液在在电解槽内形成向上、向下的流道形成近似环形流动，向上流道补充电解金属离子，消除浓差极化，向下的流道形成内部循环，加速消除浓差极化以及加速电解过程中阳极泥的沉降，内部循环冲刷阳极，消除阳极钝化，避免阳极钝化现象的产生，使得生产效率提高，产品质量提升。同时溶液通过电解槽体1两端的循环回液口4溢流出液，形成外部循环，强化效果，电解一定时间，达到阴极铜的出铜周期后后，铜离子在阴极10析出，进行出装，产出的阴极铜达到GB/T 467-2010标准的A级铜。其中溶液进入电解槽体1的流量为5~20m³/h，溶液通过特制喷嘴3进液的喷液速度为1~3m/s，循环回液口4的流量为2.5~10 m³/h。

（2）低铜溶液电积

在传统铜电积生产中，主要由于浓差极化、离子浓度的影响以致在铜电积行业基本在铜离子浓度大于30克升时才能高效电积并得到高品质的产品。

本发明装置及其方法，可在铜离子浓度大于12~15克升及以上就能得到高品质的铜产品。该发明装置及其方法，主要是加速溶液流动来消除低铜溶液的浓差极化，始终弱化阴极区的贫化现象，及时补充铜离子。具体实施是先将装置安装就位（同上），整个系统为一个大系统，可以直接从45克升以上往下电积到12~15克升，也可以电解槽和循环槽中的溶液始终维持在12~15克升，从进液上来控制进液量。以始终维持在12~15克升铜离子电积为例。经过精密过滤的溶液充满电解槽及循环槽后，通过变频泵将12~15克升的溶液进入换热器加热，流经分液包，通过管路进入分液喷射系统2的导流道7和溶液分布管8，从溶液分布管8上的特制喷嘴3中以1~3m/s的速度进行喷射，喷射出的电积循环液在在电解槽内形成向上、向下的流道形成近似环形流动，向上流道补充阴极区电积时损耗的铜离子，消除浓差极化，向下的流道形成内部循环，加速消除浓差极化，使阴极区尽可能的保持在铜离子充足状态消除铜离子贫化，生产效率提高，产品质量提升。同时溶液通过电解槽体1两端的循环回液口4溢流出液，形成外部循环，强化效果。根据电解槽的数量，和脱除铜的量，来控制电积高铜溶液的补充，电积一定时间，达到阴极铜的出铜周期后后，铜离子在阴极10析出，进行出装，产出的阴极铜达到GB/T 467-2010标准的标准1号铜。其中溶液进入电解槽体1的流量为5~20m³/h，溶液通过特制喷嘴3进液的喷液速度为1~3m/s，循环回液口4的流量为2.5~10 m³/h。