专利名称：传导性复合物的电化学溶解的制作方法
技术领域：
本公开涉及从含有一种或更多种传导性组分和一种或更多种非传导性组分的传导性复合物中释放和回收(recover)组成组分的电化学方法和系统。
背景增强的金属和碳基复合物被广泛地用于航空和汽车工业。与非增强的金属合金或传统材料相比，这些增强的复合物提供了机械，物理，电和化学方面的优点。随着这些增强材料使用的增加，这些复合物的组成组分的回收具有越来越高的经济、生态或战略价值。用于再循环和重新使用的增强相，例如贵重的硼或钨，的回收具有经济上的重要性。例如钴或高熔点金属的金属基体合金组分的回收具有战略上的重要性。这些增强的复合物中的很多具有导电基体相和较低传导性或较低化学反应性的分散的增强相。如前所注明的，传导性的基体可以是金属的或含碳的，但其他传导性基体也是已知的或处于研发之中。
化学方法曾被用于回收该复合物的组成。此类化学工艺可以是慢的，可能使用贵重装备或需要很高维护成本的装备，通常使用危险化学品，并且可能导致对环境有害的副产物。化学回收工艺可能使用强腐蚀性物质，例如氢氟酸，硫酸和硝酸。从这些工艺中回收、再循环和处置反应废弃物是昂贵的。这种慢速的化学方法可以通过以下方法来加速，即减小复合物的尺寸以增加反应面积，提高回收工艺的温度或压力，以及使用高搅动速率。这种加速可能进一步增加装备的成本，增加生成的危险废弃物的量，增加维护成本，引入工艺的危险性或破坏要被回收的材料。
与纯粹的化学工艺相比，电化学方法能够加速复合物组成的回收。这些电化学工艺通常包括(1)腐蚀性介质；(2)减小复合物材料至小的尺寸；和/或(3)低电流密度。例如，题为“再生金刚石的方法”的苏联专利SU 1528727A1描述了从废金属基体研磨工具中回收金刚石颗粒的电解工艺。在每平方厘米电极面积约0.09至约0.13安培(A/cm2)的低电流密度下，金属的基体被溶解于强酸性的HNO3和NaF或KF水溶液中。此工艺涉及将复合物尺度减小至1到3毫米以促进溶解。一般说来，这些电化学工艺需要pH小于5.0的高酸性电解液、静态或温和搅动的浴和大的电极间距。虽然电化学回收法可以比纯粹的化学方法速度更快，但低电流密度提供了缓慢的溶解速度。腐蚀性电解液和危险废弃物的问题仍然存在。
以上回收方法使用强酸。作为结果而发生的回收设备的腐蚀性损耗和危险废弃物所需的处理增加了这些回收工艺的成本和复杂性。因此，仍有需要提供用于传导性复合物的电化学回收的方法，所述方法不使用机械处理、强酸性溶液或不需要处理有害废弃物。
用来加工金属的电化学方法是已经建立的对传统研磨、车削和其他切削方法的替换方法。正如通常被使用的，例如制作用于涡轮机械的叶片，电化学加工赋予金属工件特殊的和高度受控的几何形状或轮廓。通常，电化学加工仅仅移除工件质量(mass)或体积的一小部分。复合物的电化学加工并没有被广泛实践。授予Hihara等人的、题为“粒子金属基体复合物(MMcs)的电化学加工(ECM)方法”的美国专利6,110,351中描述了一个例子，其公开内容被全部并入本文作为参考。如此加工的传导性复合物包括碳化硅陶瓷粒子增强的铝金属或铝合金基体。所描述的加工方法使用的电流密度小于10A/cm2，优选小于约2A/cm2。因为材料去除率与电流密度成比例，溶解相对较缓慢。另外，这种电化学工艺的目的在于克服用于MMCs的传统切削方法的困难，将MMC成形为特定形状，并且，所述专利既没有描述金属组成的回收方法，也没有描述非传导性复合物组成的回收方法。
本文中包括的公开内容描述了解决上述一个或更多个问题的方法和系统。
概述在实施方案中，从传导性复合物本体回收材料的工艺包括固态传导性复合物本体的至少部分电解溶解以及在所述溶解期间从所述复合物释放的一种或更多种材料的回收。复合物包括导电基体和一个或更多个非传导性相(non-conductive phase)。传导性复合物的非传导相可以构成复合物体积的至少约5％，或另一百分比，如达到复合物体积的约95％。回收工艺可以使用包括阴极和阳极的电化学设备。传导性复合物可以形成阳极或采用机械力、电力、气动力、磁力或其他力被附接于阳极。可选地，间隙大小可以基本上相同，且可以小于约10mm，而且，在工艺期间，所述间隙大小可以通过移动阴极、传导性复合物、或者阴极和传导性复合物本体两者来控制。
回收工艺可以在中性或碱性电解液的存在下进行，所述的中性或碱性电解液如pH值在约6至约11之间的电解液。电解液可以被引导或递送以流入位于阴极和复合物本体之间的极间间隙。电解液的流速可以被控制到任何适当的速率，例如在约1到5升每分钟每平方厘米电极面积之间。可以施加适当的电压，例如约10伏至约50伏，和/或电流密度，如约10安培/平方厘米(A/cm2)至约100A/cm2。复合物的溶解可以在过钝化电压状态(transpassive voltage regime)进行。电解液可以包括碱金属、碱土金属盐或铵盐，并且，电解液在从约10℃至约90℃的温度下的电导率超过100毫西门子。从传导性复合物释放的这些材料中的一些或全部可以被分离，以回收一种或更多种复合物组成。可选地，传导性复合物体积的至少约25％可以被溶解。同样可选地，工艺中电解液可以被重新使用，即使所述电解液包含了浓度范围为零至约15％的被释放颗粒。
在可替换的实施方案中，回收传导性复合物组成的工艺包括固态传导性复合物本体的至少部分电解溶解以及在所述溶解期间所述复合物释放的一种或更多种材料的回收。回收工艺可以包括在电解液存在下，将复合物本体置于电化学设备中，使得所述传导性复合物本体充当阳极并与阴极相对。电解液存在于极间间隙中。设备经受适当电压和高达约100A/cm2或更高的电流密度，从而发生复合物的至少部分溶解，所述的适当电压例如范围在约5伏至约50伏或约10伏至约40伏的电压。电位测量法或电流测量法可以用于控制溶解工艺。可选地，多个复合物本体可以被置于所述设备中，以使材料从所有本体同时被释放。随后，从本体释放的一种或更多种复合物组成可以被回收。所述的回收可以在分离装置或其他适当的装置中进行。
在可替换的实施方案中，溶解含有金刚石的传导性复合物本体的工艺包括固态传导性复合物本体的至少部分电解溶解以及所述溶解期间从所述复合物释放的一种或更多种材料的回收。可选地，传导性复合物可以由金属、石墨、其他导电体或其组合以及非传导材料所构成。所述复合物中的金属可以包括元素周期表中从IIIA到VIIA族、VIII族及IB、IIB、IIIB和IVB族中的任何族的任何金属，例如镍、钴、铁或其合金。回收工艺包括将传导性复合物本体放置在电化学设备中，其中，所述设备包括阳极和阴极，以使所述复合物本体被电连接至所述阳极。传导性复合物可以通过机械的、磁的、气动的、液压的和/或其他方式被连接至阳极。可选地，一层或其他量(other amount of)的传导性材料可以存在于所述阳极和所述复合物之间。所述传导性材料可以为传导性液体、传导性固体，或此类液体和固体的组合。在所述复合物与所述阴极之间可以提供极间间隙。可选地，所述工艺可以被控制以维持所需的间隙大小。所述电化学设备可以包含使所述电极中的一个朝另一个前移(advance)或两个电极彼此相对前移的系统，以维持所需的间隙大小。所述的方法可以包括向所述的极间间隙递送电解液流。可选地，可以通过阴极上的一个或更多个开口向极间间隙提供电解液。电解液的pH值可以是约6至约11，或约6.5至约9，或另一适当的pH值。所述方法可以包括在所述阴极和所述传导性复合物之间施加电流。此工艺可以在任何适当的电解液压力(electrolytic pressure)下进行，例如电解液压力为约1巴至约5巴。
在另一实施方案中，从传导性基体复合物本体中回收材料的电化学设备包括(i)阳极，其中所述阳极被电连接至传导性复合物本体，或所述复合物本体充当阳极；(ii)阴极，所述阴极被放置以在所述阳极与所述阴极间形成极间间隙；(iii)电解液源(electrolyticsupply)；以及(iv)非传导性颗粒回收系统。所述设备也可以包括可移动的一个或多个阳极和/或一个或多个阴极，以维持所述间隙基本上不变的大小。所述设备也可以包括直流或交流电源。回收系统可以包括沉淀和/或再循环(recycling)装置。
附图的简要说明
图1是图示电化学溶解设备的示例性部件的框图。
图2是图示示例性电化学溶解工艺的框图。
图3是图示按照本发明的一个实施方案用于非传导性颗粒回收的示例性电化学溶解装置的示意图，所述装置能够溶解传导性复合物。
图4是图示电化学溶解设备的可替换实施方案的示例性部件的框图。
图5是图示按照本发明的一个实施方案的示例性工艺的示意图，用来以电化学方式溶解传导性复合物、回收非传导性颗粒以及可选地再循环电解溶液。
详细描术以下描述中阐述了许多细节，以提供对本发明全面的理解。然而，对于本领域的普通技术人员而言，很显然本发明可以通过不受限制的多种方式来实践。
还必须注意，如在这里以及在所附的权利要求书中使用的，除了在文中明确地指出的以外，单数形式的“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数的引用。除了在这里以其他方式定义的以外，在这里使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。虽然任何与在此所描述的方法相似或等同的方法可以被用于本发明实施方案的实施或试验，但现在描述的是优选的方法。在这里提到的所有公开文献和统计数据通过被引用作为参考。在此没有什么可以被解读成承认本发明不早于这样的文献和数据。
在实施方案中，提供针对由导电基体和非传导性相构成的固态传导性复合物本体的部分、基本上和完全电解溶解的方法和系统。参见图1，固态复合物本体180可以是任何几何形状，包括但不限于矩形、棱柱形、圆柱形或球形。传导性基体140可以由单一的导电材料、导电材料的合金或混合物构成。合适的传导性材料可以包括元素周期表从IIIA族到VIIA族、VIII族、以及IB，IIB，IIIB和IVB族的任何族的金属，包括但不限于铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、和/或铝；传导性有机复合物；和/或石墨。本文中所使用的术语“固态本体”并不是想要暗示所述本体必需是没有孔或内部空间的完整固体。更确切地，术语“固态”指的是物态(即，不是液体、气体或等离子体)。
包含在复合物中的非传导性组分150可以构成所述复合物总体积的约5％至约95％，约10％至约90％，或另外的含量。非传导性部分可以包括任何非传导性或半传导性材料，或者，非传导性部分可以由一些材料构成，这些材料例如金属碳化物、氮化硅、碳化硅、氧化铝、碳化钨、氮化铝、氮化硼、碳化硼、其他氮化物和/或氧化物、硼、金刚石、硅酸盐玻璃、树脂、聚合物、有机物和/或一种或更多种非传导性的碳多晶型物，这些材料中的任一种可能显示出比所述基体的传导性部分实质性地更低的电导率。非传导性部分也可以是与所述传导性基体具有不同反应性的相。
非传导性组分150可以以具有任何几何结构的多种形状存在，所述的几何结构包括但不限于，离散颗粒、小粒、球体、颗粒的团块、须状物(whiskers)、纤维、和/或织造纤维基体。本文中所使用的，术语“颗粒”和“粒子”可以作这样的解释，即所有这样的形状或那些等同的形状，包括但不限于颗粒、纤维、须状物、织造纤维基体或其他形状。非传导性粒子可以具有任何尺寸或尺寸分布，如，举例说来具有直径或宽度小于固态复合物本体的最小尺度的约五分之一的尺寸和/或小于约5毫米。可选地，非传导性组分可以包括由须状物或纤维构成或织造的增强结构，所述的须状物或纤维可以具有大于宽度、甚至达到与正被处理的复合物本体尺寸的尺度一样大的长度。
再参见图1，电源100的正极可以被电连接至阳极180。图1显示其中传导性复合物是阳极180的实施方案，尽管在其他实施方案中复合物可以充当或提供阳极，这是因为所述的复合物被电连接至分开的阳极件。这样的阳极件可以包括，例如单片件(monolithicmember)、线、线组、网、或另外的传导性物品。电源100的负极可以被电连接至阴极120，所述阴极120可以与所述阳极180相对放置，以在传导性复合物本体180和阴极120之间形成极间间隙130。
参见图2，示例性工艺可以包含在电化学设备中使用连接电流源的、包括传导性组分205和非传导性组分210的复合物200作为阳极。连接传导性复合物至电流源的方法可以依据传导性复合物的几何结构而变化。例如，机械的夹持装置可以提供与电源的电接触。可选地，液体电极可以改善电接触。复合物可以被连接至或邻接于电连接到电源的传导性阳极件，以达到所需的电流密度。与阳极件的连接可以通过机械方法获得，如带(strap)，块(block)，具有干涉配合的几何结构(如销上的柱面)，或其他方法，例如磁力、气动力、或液压力方法。可选地，一层或更多层覆层、箔、糊和/或其他传导性材料层可以被使用来改善所述复合物和所述阳极件或电源之间的电接触。
一个或多个阴极220可以具有任何几何结构。然而，有时使面对复合物本体200的阴极表面225的轮廓粗略地反映(mirror)复合物本体200表面230的轮廓是优选的，以使复合物本体与阴极220之间的极间间隙相对均匀。因此，举例而言，如果复合物本体的表面230是凸的，则可以希望阴极的表面225为凹的。这样会促进所述复合物本体的均衡溶解，以使溶解进行时传导性颗粒210被释放进入或接近所述阳极和所述阴极之间的间隙。可替换地，其他形式的阴极也是可能的，例如有孔的传导件、筛网(screen)、丝状电极、穿孔金属电极或其他构件。
有时，例如那些希望复合物完全溶解的情况下，也可能需要阴极具有与面对所述阴极的复合物的类似尺度240大致相当的表面宽度、直径或其他尺度235。在另一些情况下，阴极可以被成形来改善电解液的流动，增加反应表面积和/或改善非传导性相的排出。
再参见图2，电解液250可以通过喷嘴、引流软管(stream hose)、导管或其他输送装置255被引入或导送至阴极与复合物之间的间隙。电解液可以包含，例如，溶液中的浓缩的金属、碱金属、碱土金属盐或铵盐，例如接近中性或碱性pH值的硝酸盐，氯酸盐，高氯酸盐，亚硝酸盐和/或氯化物，或它们中任何的混合物，可选地，与其他材料一起。其他实例包括锂盐；水溶型有机酸的盐或与盐缔合的有机酸(例如单独的乙酸或与盐组合的乙酸，所述的盐例如酸式硼酸铵(ammonium acid borate)、硼酸钠、酒石酸钾钠、磷酸铵、乙酸钠或乙酸铵)；能够与水缔合的脂肪族液态或一元羧酸式有机酸的盐，所述的有机酸例如丙酸、丙烯酸或丁酸；一元羧酸的衍生物，例如乳酸、羟基丙烯酸、巴豆酸、羟丙酸(ethylene lactic acid)、二羟基丙酸、异丁酸、二乙基乙酸、异戊基乙酸及异丁基乙酸；芳香族或环状酸类，例如甲苯基酸(creyulic acid)(甲酚)和石炭酸(苯酚)；与脂肪族型有机酸或芳香族型有机酸组合、或与脂肪族型有机酸和芳香族型有机酸两者组合的无机酸的盐；以及，溶剂型电解液，所述电解液由羟基-烷基胺(例如一乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺)复合并且与有机型弱酸或无机型弱酸组合，或者与有机型弱酸和无机型弱酸两者组合。
当温度在适当范围时，例如约10℃至约90℃，约10℃至约60℃，或其他范围，这样的电解液可以提供适当水平的电导率，例如超过约100毫西门子，或在约100毫西门子至约200毫西门子，或在约100毫西门子至约300毫西门子范围内。可以施加约1巴至约5巴的电解液压力，或其他适当的压力，以使得所述电解液保持液相。如果调节电解液的压力来防止沸腾，更高的温度，包括高于沸点的温度以及高达电解液临界点的温度，也是可能的。可选地，电解液可以与一定量的研磨材料混合。
可以使传导性复合物200达到紧邻阴极220以形成极间间隙。如本文中所提及，间隙大小是传导性复合物本体的溶解表面230与所述复合物本体相对的阴极表面225间距离的度量。所述阴极与复合物本体间的准确距离根据相对表面之间的不同位置而可能不同。间隙的大小可以在单一位置上测量，如多次测量值的算术平均值，直接测量，或由一次或更多次其他测量值来推断，所述的其他测量值如所述复合物本体与阴极的位置。间隙的大小可以被控制以确保传导性基体的快速和稳定溶解。这可以通过以下方式来达成，例如，在溶解进行时，使所述阳极朝所述阴极前移、使所述阴极朝所述阳极前移、使所述阴极和/或阳极变形、或者利用手动和/或机械方法使两个电极都彼此朝对方前移。变形是有可能的，例如，当电极包括传导性流体时。例如，在不同的实施方案中，依据复合物的尺度，所述的间隙可以被维持在约10mm或更少，约3mm或更少，约0.5mm至约5mm，或其他适当的大小。可选地，驱动机械装置可以移动阳极200、阴极220或两者以维持所需的间隙大小。
可选地，所述阴极可以具有非传导性的研磨料外表面，该外表面被放置成使研磨材料接触工件。在此情形下，所述研磨材料可从阳极突出并填充所述间隙的一些或全部。然而，在其他实施方案中，可以维持所述工件和所述阴极的所有部分之间的间隙。
可选地，阴极220可以在多个方向上移动，例如具有旋转阴极的电火花磨床，所述旋转阴极绕轴旋转同时朝阳极移动。这种旋转可以沿平行于朝阳极运动的方向、垂直于这个方向、或以其他方式定位的轴进行。
同样可选地，阴极220可以成形为圆柱形、桶形或其他形状(例如，采用被设置成形成圆柱型的多个杆)使得工件可以被置于所述阴极内。然后，阳极可以被连接至工件以使工件能够在所述阴极内旋转，或所述阴极可以绕所述工件旋转。所述阴极具有可以被挤压、或者以其他方式向内移动的外径以维持所述阴极和工件/阳极的间隙。可选地，多个阴极可以一定形式排列成这样的模式，即工件被推行穿过多个阴极，所述阴极系列中的每一个阴极具有递减的内径。
尽管复合物的部分溶解可以发生在宽的施加电压范围内，在实施方案中，在过钝化状态，基体的溶解可能是最普遍的，所说的过钝化状态是指在此条件下金属表面的正常钝化被破坏的条件。溶解工艺可以通过电位测量法(电压受控)，电流测量法(电流受控)，或电位测量法和电流测量法的组合来控制。向所述电化学设备施加的合适电压包括，例如，在约5伏至约50伏、或约10伏到约40伏的范围内的电压。尽管直流电是优选的，但交流电，如偏置交流电(biased alternating current)或脉冲交流电，也可以使用。当施加交流电时，用于正向溶解反应的电压可以为，例如，在约5伏至约50伏RMS之间。设备中的电流密度可以达到约10A/cm2电极面积至约100A/cm2电极面积，约15A/cm2电极面积至约80A/cm2电极面积。本文中所描述的电流密度的测量基于面对传导性复合物的阴极表面225或面对阴极的复合物本体表面230中的较小的面积。其他电压和电流密度是可能的。由于溶解速率通常与电流密度成正比，这些电流密度可以提供快速的复合物本体溶解。如果更高的电流密度是在不导致电解液过热的条件下施加的，则更高的电流密度也许是可能的。例如，在溶解工艺中通过冷却电解液或复合物，可以达到更高的电流密度。
电解液250可以被冲洗通过(flush through)传导性复合物和阴极之间的间隙以维持电导率并移除溶解产物260和复合物的非传导性相210。电解液250可以经过阴极220、经过复合物200和/或从外源(如喷嘴255)被直接引入间隙。电解液的流速可以被调整以适合该系统的几何结构，特别是基于面对所要被溶解的复合物表面的阴极的面积。尽管其他流速是可能的，但总的说来，可以使用大于约300毫升每分钟每平方厘米(mL/min/cm2)面对复合物的阴极面积，在约1升每分钟每平方厘米(L/min/cm2)和约5升L/min/cm2之间，和/或大于约1200mL/min/cm2的电解液流速。可选地，电解液也可以被搅动，例如通过机械搅动或超声搅动。
所施加的电压和电解液流可以以电解的方式溶解传导性基体，释放非传导性粒子相。为明确表述，当提及复合物的“溶解”时，我们不想要暗示非传导性粒子必需被溶解进入电解液中，而是所述传导性基体被分离、被溶解或以其他方式被反应，从而以物理的或化学的方式释出(free)非传导性粒子。然后非传导性部件可以被流动的电解液、重力或其他力带走。在一些实施方案中，至少占传导性复合物本体体积或质量的约25％在所述工艺中被释放。在其他实施方案中，所述复合物本体可以被基本上或完全被溶解。其他比例是可能的。
参见图2，当传导性相205被溶解时，它们一般被转化成金属氢氧化物沉淀物和/或其他化合物260。这些溶解产物260基本上保留在悬浮液中并被电解液流250带走。在被丢弃或再循环前重复使用电解液可能是所希望的。在这种情况下，在电解液中被夹带或被溶解的金属氢氧化物和/或其他基体溶解产物的水平可以允许达到约1％重量、约5％重量、约10％重量、直至约15％重量、或更高，而没有对溶解工艺的不利影响。
溶解后，复合物本体200的导电部分205可以作为金属氢氧化物和/或其他溶解产物在电解液流250中被夹带。通过适当的方法，如沉降、浮选、过滤、选择性润湿、离心、撇渣等方法，将被夹带的导电部分205从电解液中分离。然后，回收的基体溶解产物260可以被利用来作为金属化合物的来源，所述的金属化合物可以包含元素周期表中从IIIA族到VIIA族、VIII族、IB、IIB、IIIB和IVB族的任何族的金属，包括但不限于铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌和铝；传导性有机物；和/或石墨。通过任何适当方法(如过滤、沉降、蒸发、离心、浮选和/或淘析)，原先嵌在传导性基体中且在电解液中被夹带为被释放粒子的所述复合材料的任何非传导部分210可以从电解液250和所述金属氢氧化物以及其他基体溶解产物260分离，以再生用于重新使用。例如，当用这种方法处理时，钴金属基体与传导基体的碳化钨颗粒构成的传导性复合物在溶解后可以产生含有悬浮碳化钨和氢氧化钴的电解液。通过任何适当的方法，碳化钨颗粒可以从电解液和氢氧化钴分离，所述方法例如在沉淀装置中利用密度差异。移除非传导性组分后，所述氢氧化钴可以通过使用其他已知的方法或装置，例如过滤、离心、蒸发、或沉积，从电解液分离。
在另一实施方案中，基体的传导性部分可以与电解液反应以形成可以被夹带进入电解液的氢氧化物。在复合物中，非传导性、分散的或增强的颗粒也可以被夹带(基本上未反应)进入电解液流，并从极间间隙被除去。在特定实施方案中，所描述的工艺可以溶解至少显著部分的复合物并释放这些成分用于收集和使用。在一实施方案中，非传导性颗粒可以从传导基体中被释放，不被或基本不被附着在表面的残留物污染。这可以通过调整电解液的组成、压力和/或温度来达到，而所述的电解液的组成、压力和/或温度将根据要被溶解的复合物本体而变化。
在各种实施方案中，目前描述的工艺和设备可以消除电化学溶解工艺中对腐蚀性酸的需求。另外，在许多实施方案中，可以避免对复合物本体的研磨或粉碎的预加工步骤。根据要溶解的复合物本体，电化学工艺中数个变量可以被优化。这些变量的实例包括但不限于电流密度、电压、极间间隙大小、电解液组成和/或浓度、电解液流速和电解液温度。所述变量的任何一个或全部可以被调整以提供对从复合物中被释放的非传导性颗粒有很小或没有不利影响的能量效率高的、快速和稳定的溶解工艺。电学参数，如电流、电压和/或间隙大小可以被控制以确保安全操作，避免电化学设备的短路。所述变量也可以被控制以避免或者使设备中不需要的副反应最小化，例如伴随可能形成氯气和氨气的电解液分解。此类副反应可以通过控制所述电解液的pH值来避免或减少。例如，在各种实施方案中，pH可以被维持在约6至约11、或约6.5至约10、或约6.5至约9、或约7至约10、或在另一适当的范围之内。
尽管以上描述参考的是使用这种方法溶解的单个的复合物本体，但该方法能够被应用于附接于单个阳极或多个阳极、并且采用单个阴极或多个阴极以及电解液引入点(electrolyte introduction point)来溶解的任何数量的复合物本体。此外，所述阴极，阳极，复合物和电解液引入点可以通过任何方式，绝对地和彼此相对地，来定向(oriented)。许多种可能的构造形式中的一种如图3所示，一排三个复合物本体300被夹在或以其他方式电连接到阳极310，而所述的阴极320垂直排列在每个复合物本体300的上方。在此实施方案中，电解液可以通过位于一个或更多个所述阴极内的一个或更多个端口330被引入极间间隙。端口可以包括独特的(distinct)开口或仅仅是通道，例如，如果所述电极是多孔的、织造的和/或网状的(如用筛网)的话，这些有可能存在。当然，根据特定的应用，可能存在某些构造形式，例如不同数量的阴极，这些构造形式可能比其他构造形式更适合并且更高效。
图4图示了可替换的实施方案，该方案显示对于每个复合物本体可以使用多于一个的阴极以进一步促进溶解。参见图4，复合物本体400可以被置于两个阴极420和425之间。由此，第一个阴极表面430促进在所述复合物本体的一个侧面440处的溶解，而第二个阴极表面435促进在所述复合物本体的另一个侧面450的溶解。针对每个复合物本体，也可以使用其他数量的阴极。
如图5所示的一个实施方案中描述了传导性基体复合物的连续或半连续的电化学溶解工艺。传导性基体复合物580被置于溶解腔(chamber)520中，其中电解液可以从溶解腔中冲走非传导性颗粒和基体溶解产物，所述电解液来自于电解液供应槽540或其他来源，可选地来自于溶解泵545或其他输送机构。所述的溶解腔520可以包括或被连接于通气孔525以除去溶解工艺期间形成的蒸气。离开溶解腔500并包含被释放的非传导性颗粒和传导性基体的溶解产物的电解液流可以在分离装置530中由一种或更多种方法来处理，所述的方法例如沉淀、离心、过滤、蒸发或其他分离方法，以除去一些或全部的非传导粒子590，并且允许所述的电解液再循环以重新使用。来自分离器530的电解液溶液可以被传送到每二个分离装置550以除去一些或全部的金属氢氧化物或此类化合物570，或在复合物580的电解溶解期间可能已形成的天然元素。前述分离步骤的顺序可以相反。在完全或部分的除去这些化合物后，所述电解液可以被传送至电解液的再循环槽500或直接经595进入电解液供应槽540。可替换地，离开分离器530的电解液可以被直接传送至电解液供应槽540。可选地，为了确保可获得电解液的充足供应，在反应中的损失或随固体组分带走的电解液可以由电解液补充源505来补回(replace)，所述补充源505可以被连接至再循环槽500、供应槽540、或另一适当元件上。被分离的基体溶解产物570可以通过适当的方法进一步被浓缩，所述方法例如导致泥状沉淀或滤饼排出的过滤。
可选地，pH传感器510可以检测电解液的pH值。酸性或碱性溶液535可以被加入电解液中以维持其适当的pH值，例如约6至约11或约6.5至约9。电解液的pH值可以通过加入任何适当的酸，如硝酸或盐酸，或碱(金属氢氧化物形式的碱)被调节。经调节的电解液可以被运送入溶解腔520。由此，此处描述了连续或基本上连续的电解液再循环、溶解产物除去、以及从传导性复合物回收非传导性粒子的工艺。
实施例实施例1含有约10％体积百分数的碳化硅颗粒的铝合金金属基复合物柱(prism)以电气的和机械的方式被固定在电化学设备的铜阳极上，机械夹紧力的范围在100kg/cm2内。面对所述复合物的阴极表面的面积可以是30cm2。阴极可以由铜制得，并相对于所述复合物柱放置以形成极间间隙。溶解期间所述阴极和所述复合物本体之间间隙大小可以被控制在约2mm(+/-1mm)。电解液可以约70L/min的速度经阴极冲洗进入极间间隙，所述电解液的硝酸钠的浓度约为25％，pH约为7.5，并且温度约为50℃。向所述电化学设备施加约25V(DC)的电压，产生的电流密度约为30A/cm2。所述传导性复合物与所述电解液反应，主要产生氢氧化铝和碳化硅颗粒。碳化硅颗粒可以通过从所述电解液溶液中沉淀被回收。
实施例2金刚石从镍/铁/石墨/金刚石复合物中被分离，所述复合物中含有大约13％重量百分数的金刚石和大约25％重量百分数的石墨。所述传导性复合物为直圆柱体形，平末端的面积为30cm2。一个平末端以磁的方式被固定至电化学回收设备的平板阳极。所述装置的阴极是铜的直圆柱体，具有用于供应电解液的中心孔。面对所述复合物的阴极的平末端与所述传导性复合物的平末端直径大致相同。电解液以约70L/min的速率，约1巴至5巴之间的压力经所述阴极冲洗进入复合物本体(阳极)与阴极之间的间隙，所述电解液是NaNO3浓度为约20％重量的硝酸钠的水溶液，pH值约为7且温度约为50℃。向所述设备施加约23V至约28V的直流电压，产生的电流密度大约30A/cm2电极面积。在所述复合物溶解期间，所述阴极与所述复合物本体之间的间隙被控制在大约2mm(+/-1mm)。如表1所示，在多次时间长度为1小时至2.5小时之间运行中，约60cm3至约210cm3的所述复合物被溶解。流出物被收集，所述流出物中包含非传导性金刚石颗粒和含有铁和镍的氢氧化物以及石墨的溶解产物。允许金刚沉淀。倾析含有铁氢氧化物、镍氢氧化物以及石墨的电解液，回收金刚石以用于进一步加工。
表1
实施例3与实施例2具有相似组成和几何结构的复合物被置于如图1描述的电化学设备中。所述复合物用在复合物圆柱体一端上的机械夹具被附接于所述设备的阳极。测试以和实施例2相同的方式进行，除了电解液是重量比分别为约2∶1的硝酸钠和氯化钠的溶液混合物。在此实施例中，约18V的直流电电压被施加于所述设备。阴极以约0.3mm/min接近所述复合物。在这些条件下，设备中消耗约820A的电流。电解液以温度为30℃、流速为0.5L/min/cm2至1.0L/min/cm2、压力大约2巴来供应。沉降后从流出电解液中回收金刚石晶体。
本文中所描述和说明的内容包括本发明的各种实施方案及这些实施方案的一些改变。本文中使用的术语、描述和附图仅以说明的方式提出，并不是要起到限制作用。本领域技术人员会认识到在本发明的主旨和范围内许多改变是可能的，以下权利要求书及其等同物旨在定义本发明的主旨和范围，除非特别说明，这些权利要求和等同物中的术语是指它们最宽、合理的含义。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种从传导性复合物回收材料的工艺，包括通过电解溶解，至少部分地溶解固态本体，其中所述的本体包括传导性基体和一种或更多种非传导性成分；且所述溶解操作是在具有至少10A/cm2密度的电流下进行的；以及回收在所述的溶解中从所述本体释放的一种或更多种材料。
2.如权利要求1所述的工艺，其中所述的溶解是在pH值在约6至约11的电解液的存在下进行的。
3.如权利要求1所述的工艺，其中所述电解溶解使用阴极；在所述阴极与所述本体之间存在间隙；并且通过移动所述阴极、所述本体、或所述阴极和所述本体两者维持所述间隙的大小小于约10毫米。
4.如权利要求1所述的工艺，其中所述电解溶解使用阴极；并且流速大于300毫升每分钟每平方厘米阴极面积的电解液流被引入所述阴极和所述本体之间的间隙。
5.如权利要求1所述的工艺，其中所述电流密度在约15A/cm2和约100A/cm2之间。
6.如权利要求2所述的工艺，其中所述电解液包括在溶液中的浓缩碱金属、在溶液中的碱土金属盐或在溶液中的铵盐。
7.如权利要求1所述的工艺，其中所述非传导性成分包括金刚石或石墨，并且，所述工艺进一步包括将所述被释放的金刚石或石墨的至少一部分供料给分离装置以用于回收。
8.一种用于再生复合物本体的一种或更多种组分的工艺，包括在电解液的存在下，将由一种或更多种传导性材料和一种或更多种非传导性材料构成的复合物本体置于一设备中，使得所述本体作为与阴极相对的阳极；施加约5V至约50V范围内的电压和具有密度为至少10A/cm2到100A/cm2的电流，使得一种或更多种所述非传导性材料从所述本体被释放；以及回收一种或更多种所述被释放的非传导性材料。
9.如权利要求8所述的工艺，其中所述电流密度为约15A/cm2至约100A/cm2。
10.如权利要求8所述的工艺，其中所述的本体通过机械、磁、气动或电气装置与传导性的阳极件电连接，在所述阴极和所述本体之间存在至少1毫米的间隙，并且，所述工艺进一步包括通过移动所述阴极、所述本体、或所述阴极和所述本体两者维持所述间隙。
11.如权利要求8所述的工艺，其中所述电解液包括在溶液中的碱金属，在溶液中的碱土金属盐或在溶液中的铵盐。
12.如权利要求8所述的工艺，其中所述电解液在范围为约10℃至约90℃的温度时具有超过约100毫西门子的电导率。
13.如权利要求8所述的工艺，其中所述被释放的非传导性材料包括金刚石或石墨。
14.一种处理包含金刚石的传导性复合物本体的方法，包括在电化学设备中提供传导性复合物本体，所述设备包括阳极和阴极，使得所述的复合物本体被电连接到所述的阳极，并且极间间隙位于所述阴极和所述复合物本体之间；输送电解液至所述极间间隙，其中所述的电解液的pH值为约6至约11；以及在所述阴极和所述阳极之间施加具有密度为约10A/cm2至约100A/cm2的电流。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述电解液的pH值为约6.5至约9。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述传导性复合物本体由石墨、金属和非传导材料所构成。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述电流密度为约15A/cm2至约100A/cm2。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述电解液包括一种或更多种金属氯酸盐、金属硝酸盐、金属氯化物或其混合物。
19.如权利要求14所述的方法，进一步包括当所述的复合物本体被处理时，将所述电极中的一个或两个都相对另一个前移。
20.如权利要求14所述的方法，其中传导性材料的层被置于所述阳极与所述复合物之间。
21.如权利要求14所述的方法，其中所述处理操作是在约1巴至约5巴的电解液计示压力下进行。
22.一种用于从传导性基体复合物本体回收非传导性非金属材料的设备，所述设备包括阳极，其中所述阳极被电连接到传导性基体复合物；阴极，所述阴极被放置以在所述复合物本体与所述阴极之间形成极间间隙；非酸性电解液源；以及非传导性颗粒回收系统。
23.如权利要求22所述的设备，进一步包括直流电源或交流电源，所述电源施加具有密度为约15A/cm2电极面积至约100A/cm2电极面积的电流。
24.如权利要求22所述的设备，进一步包括移动所述阳极或所述阴极中的一个或更多个的驱动器，以将所述间隙维持在基本相同的大小。
25.如权利要求22所述的设备，其中所述回收系统包括沉淀装置。
26.如权利要求22所述的设备，其中所述回收系统包括用于再循环电解液的设备。
权利要求
1.一种从传导性复合物回收材料的工艺，包括通过电解溶解，至少部分地溶解固态本体，其中，所述的本体包括传导性基体和一种或更多种非传导性成分；以及回收在所述的溶解期间从所述本体释放的一种或更多种材料。
2.如权利要求1所述的工艺，其中所述的溶解是在pH值在约6至约11的电解液的存在下进行的。
3.如权利要求1所述的工艺，其中所述本体的至少25％的体积被溶解。
4.如权利要求1所述的工艺，其中所述电解溶解使用阴极；在所述阴极与所述本体之间存在间隙；并且通过移动所述阴极、所述本体、或所述阴极和所述本体两者维持所述间隙的大小小于约10毫米。
5.如权利要求1所述的工艺，其中所述电解溶解使用阴极；并且电解液流被引入所述阴极和所述本体之间的间隙。
6.如权利要求5所述的工艺，其中所述电解液流的流速大于300毫升每分钟每平方厘米正对所述本体的阴极面积。
7.如权利要求6所述的工艺，其中所述流速在约1升每分钟每平方厘米和约5升每分钟每平方厘米正对所述本体的阴极面积之间。
8.如权利要求1所述的工艺，其中所述溶解操作是采用密度在约10A/cm2和约100A/cm2之间的电流来进行的。
9.如权利要求2所述的工艺，其中所述电解液包括在溶液中的浓缩碱金属、在溶液中的碱土金属盐或在溶液中的铵盐。
10.如权利要求1所述的工艺，其中所述被释放材料的至少一部分被供料给分离装置以回收一种或更多种非传导性成分。
11.如权利要求1所述的工艺，其中所述非传导性成分包括所述本体的至少约5％体积。
12.一种用于再生复合物本体的一种或更多种组分的工艺，包括在电解液的存在下，将由一种或更多种传导性材料和一种或更多种非传导性材料构成的复合物本体置于一设备中，使得所述本体作为与阴极相对的阳极；施加约5V至约50V范围内的电压使得一种或更多种所述非传导性材料从所述本体被释放；以及回收一种或更多种所述被释放的非传导性材料。
13.如权利要求12所述的工艺，其中所述电压为约10V至约40V。
14.如权利要求12所述的工艺，进一步包括在所述设备中达到约10A/cm2至约100A/cm2之间的电流密度的操作。
15.如权利要求12所述的工艺，其中所述非传导性材料构成所述本体总体积的约5％至约95％之间。
16.如权利要求12所述的工艺，其中所述被释放的材料的大部分是在处于电化学过钝化电压状态的电压下被释放的。
17.如权利要求12所述的工艺，其中所述的本体通过机械、磁、气动或电气装置与传导性的阳极件电连接。
18.如权利要求12所述的工艺，其中所述电解液包括在溶液中的碱金属，在溶液中的碱土金属盐或在溶液中的铵盐。
19.如权利要求12所述的工艺，其中所述电解液在范围为约10℃至约90℃的温度时具有超过约100毫西门子的电导率。
20.如权利要求12所述的工艺，其中所述电解液包含重量为0％至约15％的悬浮固体。
21.如权利要求12所述的工艺，其中所述设备包括多个阴极，并且材料同时从多个复合物本体被释放。
22.一种处理包含金刚石的传导性复合物本体的方法，包括在电化学设备中提供传导性复合物本体，所述设备包括阳极和阴极，使得所述的复合物本体被电连接到所述的阳极，并且极间间隙位于所述阴极和所述复合物本体之间；输送电解液至所述极间间隙，其中所述的电解液的pH值为约6至约11；以及在所述阴极和所述阳极之间施加电流。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述电解液的pH值为约6.5至约9。
24.如权利要求22所述的方法，其中所述传导性复合物本体由石墨、金属和非传导材料所构成。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述金属选自由镍、钴、铁及其合金组成的组。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述金属包括来自元素周期表的IIA族至VIIA族、VIII族及IB族、IIB族、IIIB族及IVB族中任何族的任何金属。
27.如权利要求22所述的方法，其中所述电流的密度为约10A/cm2至约100A/cm2。
28.如权利要求22所述的方法，其中所述阴极与阳极间的电压为约10V至约40V。
29.如权利要求22所述的方法，其中所述电解液包括一种或更多种金属氯酸盐、金属硝酸盐、金属氯化物或其混合物。
30.如权利要求22所述的方法，其中当所述的复合物本体被处理时，所述电极中的一个或两个都相对另一个前移。
31.如权利要求22所述的方法，其中所述极间间隙的大小为约0.1mm至5mm。
32.如权利要求22所述的方法，其中所述电解液通过所述阴极上的一个或更多个开口被提供。
33.如权利要求22所述的方法，其中所述传导性复合物通过机械力、磁力、气动力或液压力中的一种被附接于所述阳极。
34.如权利要求22所述的方法，其中传导性材料的层被置于所述阳极与所述复合物之间。
35.如权利要求22所述的方法，其中所述设备包括使所述电极中的一个朝所述另一个电极前移的驱动器。
36.如权利要求22所述的方法，其中所述处理操作是在约1巴至约5巴的电解液压力下进行。
37.如权利要求22所述的方法，进一步包括收集电解液的操作，其中所述电解液包含从所述传导性复合物中释放的非金属颗粒。
38.如权利要求22所述的方法，进一步包括回收已经从所述复合物本体释放的非传导性颗粒的操作。
39.一种用于从传导性基体复合物本体释放非传导性非金属材料的设备，所述设备包括阳极，其中所述阳极被电连接到传导性基体复合物；阴极，所述阴极被放置以在所述复合物本体与所述阴极之间形成极间间隙；非酸性电解液源；以及非传导性颗粒回收系统。
40.如权利要求39所述的设备，进一步包括直流电源或交流电源。
41.如权利要求39所述的设备，进一步包括移动所述阳极或所述阴极中的一个或更多个的驱动器，以将所述间隙维持在基本相同的大小。
42.如权利要求39所述的设备，其中所述回收系统包括沉淀装置。
43.如权利要求39所述的设备，其中所述回收系统包括用于再循环电解液的设备。
全文摘要
从传导性基体复合物(200)分离可回收的组分(210)用于进一步使用或重新使用的方法和设备。在实施方案中，本工艺使用包括阴极(220)和阳极的电化学设备。传导性复合物被电连接到阳极，并且非酸性电解液被提供至所述阴极和阳极之间的极间间隙。
文档编号C01B31/00GK101087903SQ200580044308
公开日2007年12月12日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月23日
发明者B·韦, 帕德里克·奥尼尔 申请人:戴蒙得创新股份有限公司