用于金属电解提取的电解槽的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于金属电解提取(electrowinning)的电解槽，特别用于从离子溶液中电解生产铜和其他非铁金属。
【背景技术】
[0002]电冶金工艺一般在包含电解浴以及多个阳极和阴极的无分隔电化学槽中进行；在这种工艺(例如电沉积铜)中，电化学反应发生在通常由不锈钢制成的阴极处，导致铜金属沉积在阴极表面上。通常阴极和阳极垂直布置，以面对面的位置交替布置。阳极固定到合适的阳极吊杆，该阳极吊杆再与和槽体一体化的正母线电接触；类似地，阴极由阴极吊杆支撑，该阴极吊杆与负母线接触。以规律间隔(通常是几天)取出阴极，从而实现收集沉积的金属。期望金属沉积物在整个阴极表面上以规律厚度生长，随着电流的通过而积累，但是已知某些金属(例如铜)会偶尔形成树枝状(dendritic)沉积物，由于它们的尖端接近面对的阳极表面，其局部以加快的更高速率生长；由于阳极和阴极间的局部距离减小，电流中的增加的部分趋向于集中在树枝状晶体的生长点，直到阴极和阳极间开始发生短路状况。这样显然导致该工艺的法拉第效率损失，因为供给电流的一部分作为短路电流而消散，而不是用来制造更多的金属。此外，建立短路状况使得时应接触点的位置局部温度升高，这又成为阳极表面损坏的原因。对于由铅片材制成的上一代阳极而言，损坏一般限于树枝状晶体尖端周围的小面积熔融；然而，当使用由涂覆催化剂的钛多孔结构(诸如网或网状片材(expanded sheet))制成的当前阳极时，情形严重得多。在此情况下，较低质量和热容量的阳极，加上较高熔点，往往涉及广泛的损坏，实际的阳极区域全部损毁。即使不发生上述情形，仍然存在打开其横过阳极网的道路的树枝状晶体的尖端可能变得焊接到其的风险，以致随后在收集产品时取出阴极成为问题。
[0003]在更先进的一代阳极中，在包封物(envelope)内插入涂覆催化剂的钛网，该包封物由固定于框架且顶上装有除雾器的可渗透隔离物(例如阳离子交换膜或聚合物材料的多孔片材)构成，如同时存在的专利申请W02013060786所述。在此情况下，树枝状晶体朝向阳极表面的生长使得蒙受甚至在它们到达阳极表面之前就刺穿可渗透隔离物的进一步风险，由此导致装置不可避免的破坏。
[0004]因此，已经证明需要提供技术方案，允许防止因树枝状晶体沉积物在金属电解提取电解槽的阴极表面上不受控制生长造成的有害结果。
[0005]发明简述
[0006]本发明的各方面在随附的权利要求中陈述。
[0007]—方面，本发明涉及一种金属电解提取的电解槽，包括:阳极，其具有对析氧反应有催化性的表面；和与阳极平行布置的阴极，其具有适于电解沉积金属的表面，在阳极与阴极之间布置有多孔的导电网，该网可选地通过合适尺寸的电阻器电连接到阳极，该多孔网对析氧的催化活性比阳极显著低。通过显著更低的催化活性，在这里意欲使网表面的特征为，在典型工艺条件下，例如电流密度为450A/m2时，析氧电位比阳极表面高出至少100mV。除了对于氧的阳极释放的高过电压之外，该网的特征还在于充分紧凑但多孔的结构，使得容许电解液通过而不会干扰阴极和阳极之间的离子传导。本发明人出人意料地发现通过用上述的槽设计进行电解，可能形成的树枝状晶体在到达面对的阳极表面之前即可有效停止，使得实际上阻止了其生长。作为该网表面的特征的高的阳极过电压防止其在正常的槽操作期间作为阳极工作，容许电流的路线不受干扰地继续到达阳极表面。另一方面，若树枝状晶体从阴极表面生长，只能进行到接触该网。一旦发生接触，第一种导体的电路闭合(阴极/树枝状晶体/网/阳极母线)，使得树枝状晶体朝向阳极的生长变得不利。可能有金属沉积在网的表面上，甚至能一定程度提高其导电性，使其受到短路电流通过。该网的电阻可通过选择构造材料、其尺寸(例如，在织物结构情况下线的间距和直径，在网的情况下直径和网孔)、或引入或多或少的导电插件来校正到最佳值。在一个实施例中，网可由适当厚度的碳布(carbon fabrics)制成。在另一实施例中，网可由耐腐蚀金属(例如钛)的网或者穿孔片材组成，其上具有对析氧反应催化惰性的涂层。这能够具有如下优点:依赖涂层的化学性质和厚度实现最佳电阻，留下对网或穿孔板赋予必要的机械特征的任务。在一个实施例中，该催化惰性涂层可基于锡，例如具有氧化物形式。超过特定单位载荷(超过5g/m2，典型地约20g/m2或更多)的锡氧化物已经证明特别适合于在对阳极析氧无催化活性情况下赋予最佳电阻。实现催化惰性涂层的其他合适材料包括钽、铌和钛，例如具有氧化物形式。在一个实施例中，通过利用校正电阻器(例如具有0.01至100 Ω的电阻)来相互连接阳极和多孔网，实现短路电流的抑制。适当调节网的电阻容许装置以最大程度发挥本发明的优点地操作:非常低的电阻会导致过量电流消耗，这会稍微减少铜沉积的总产率；另一方面，该网的一定的导电性对于打破“尖端效应”(树枝状晶体生长的主要原因)和分散从树枝状晶体流出横过平面的电流是有用的，以避免其生长通过该网的孔以及在随后的阴极取出过程中机械干扰的风险。该网和串联的可选的电阻器的电阻调整的最佳点基本上取决于整个槽的尺寸，并且能被本领域技术人员容易地算出。
[0008]在一个实施例中，电解提取电解槽包括附加的不导电的多孔隔离物，位于阳极和网之间。这能具有如下优点:在两个第一种平面导体之间放置离子导体，在与阳极关联的电流和通过网消耗的电流之间建立明确分隔。该不导电的隔离物可为绝缘材料的网、塑料材料的网、间隔物的组件或上述元件的组合。在阳极置于由可渗透隔离物组成的包封物内的情况下，如同时存在的专利申请W02013060786所述，这种任务亦可由相同的隔离物执行。
[0009]本领域技术人员能够根据工艺的特性和设备的整体尺寸来决定多孔网与阳极表面的最佳距离。发明人以阳极与所面向的阴极间隔25至100mm、多孔网设置成距离阳极l-20mm的槽作业，得到最佳结果。
[0010]另一方面，本发明涉及用于从电解浴进行金属电解提取的电解器，其包括彼此电连接的一组(stack)前述电解槽，例如由彼此串联的多组电解槽平行地组成。如本领域技术人员将明白的，一组电解槽表示每个阳极被两个面对的阴极夹在中间，以其两面中的每个面界定两个相邻电解槽；然后将在阳极的每个面和相关的面对的阴极之间，交替放置多孔网和可选的非导电的多孔隔离物。
[0011]另一方面，本发明涉及通过含离子形式的铜的溶液在上述电解器内电解来制造铜的方法。
[0012]将参考附图描述例示本发明的一些实施方式，其唯一目的是说明不同元件相对于本发明的所述【具体