用于从含有金属硫化物和多硫化物的进给流中回收金属和硫的方法和设备与流程

本申请要求于2015年12月29日提交的美国临时申请号62/227,224的优先权，并且通过引用明确地结合在此。

本发明涉及从含有碱金属硫化物和多硫化物的进给流中回收金属和硫。更具体地，本发明涉及用于使用单个电化学系统从含有碱金属硫化物和多硫化物以及某些重金属的进给流中分离和回收碱金属化合物、还原的重金属和硫的方法和设备。

背景技术

对能源以及得到能源的烃类的需求不断增加。然而，用于提供这种能源的烃原料难以移除硫及阻碍这些材料的加工的金属，因此限制了其作为能源的用途。此外，当消耗如燃气或燃油等烃源时，硫可能导致空气污染。硫可能污染用于从机动车尾气中移除烃和氧化氮的催化剂。因此，处理如原油、沥青、重油、油产品或其部分，例如残余物、减压渣油和馏出物，等烃源以移除不需要的物质，如硫或氮。

在过去几年中，钠被认为对于从烃源中移除或减少硫有效，否则由于高硫含量，烃源将不能使用。钠能够与烃源中的硫和其它成分反应，包含可能在烃源中发现的任何污染物，以显著减少硫和其它不需要的物质，如氮。通过形成如金属硫化钠、多硫化物和氢硫化物等硫化钠化合物来完成硫的还原。如锂等其它碱金属也以相同的方式示出有效。

然而，烃源中含有的包含重金属的其它金属可以抑制或阻止从烃源中移除如硫或氮等不需要的物质的过程。例如，重金属可以通过标准和改进的加氢脱硫过程污染通常用于移除硫的催化剂，由此氢在极端条件下反应以分解含硫有机硫分子。至少，这可以使烃源的脱硫或脱氮极其昂贵。因此，还期望移除烃源中含有的重金属。

可以使用如钠或锂等碱金属从烃源中移除重金属。如复合卟啉等有机金属分子中含有的重金属被碱金属还原成金属态。一旦重金属已经被还原，它们就可以与烃源分离，因为它们不再与有机结构化学键合。此外，一旦从卟啉结构中移除金属，结构中的氮杂原子就可以被暴露以进行进一步脱氮。

使用碱金属处理烃源以移除硫或如重金属等其它不需要的物质的所得副产物可以是含有碱金属硫化物和多硫化物以及大量重金属的进给流。由于所需原材料的成本，使用碱金属处理烃是昂贵的。然而，如果可以回收和再利用碱金属，则将限制成本。进一步地，如果可以从此副产物进给流中回收硫，则将进一步降低处理成本并且可能成为收入来源。

然而，从由于脱硫或脱金属过程而产生的溶液中回收碱金属和硫的一个问题是此溶液进给流还含有阻碍、抑制或阻止碱金属和硫回收过程的非碱金属，例如重金属。

因此，无论进给流中是否存在重金属，提供便于从进给流中分离和回收碱金属和硫的方法和设备将是优点。有效地提供在单个过程和系统中使用的碱金属和硫的这种回收将是另一个优点。

技术实现要素：

本发明已经响应于本领域的当前状态而开发，特别是响应于本领域中尚未通过目前可用的碱金属和硫回收技术完全解决的问题和需求。因此，本发明已经被开发用于提供从含有碱金属硫化物和/或多硫化物和少量重金属的非水性进给流中移除碱金属和硫的系统和方法。本发明的特征和优点将从以下描述和所附权利要求书中变得更为充分地明显，或者可以通过实践如下文所阐述的本发明来了解。

与前述内容一致并且根据本文实施和广泛描述的本发明，本文描述了用于从也含有重金属的非水性进给流中回收金属和硫的系统。贯穿本文所用的术语“重金属”是指铜、铋、铝、钛、钒、锰、铬、锌、钽、锗、铅、镉、铟、铊、钴、镍、铁和镓。术语“重金属”还可以包含在标准条件下具有2.7v及以下标准还原电位的所有金属。所属领域技术人员将理解的是，所使用的标准条件包含：25℃、参与反应的每个离子的活性为1、作为反应的一部分的每种气体分压为1巴以及其纯态的金属。

在一个实施例中，使用具有阳极液室的电解槽，所述阳极液室被配置成容纳阳极液。阳极液室可以具有第一入口和第一出口。阳极液包括非水性进给流，并且包含碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种。阳极液还包含溶解碱金属硫化物、碱金属多硫化物中的至少一种的极性有机溶剂。所述溶剂还溶解元素硫。阳极液中的进给流还可以含有重金属、重金属化合物和重金属离子中的至少一种。阳极被定位在阳极液室内、与阳极液连通。

电解槽还包含被配置成容纳阴极液的阴极液室，所述阴极液包括碱离子导电液体。阴极液室还可以包含入口和出口。阴极被定位在阴极液室内，并且与阴极液连通。隔板可以被定位在阳极液室与阴极液室之间，使得其与阳极液和阴极液两者都连通。隔板可以被配置成非选择性地运输阳离子。

电源与阳极和阴极电连通。电源向电解槽施加高于阳极液室中碱金属硫化物或碱金属多硫化物的分解电压的电压。因此，电压足以使碱金属阳离子还原成碱金属。电压也足够高以将阳极液室中的至少一个硫离子氧化成元素硫。可以从阴极液室中移除碱金属，并且可以从阳极液室中移除元素硫。

在一个实施例中，将元素硫施加到阳极液室。硫有助于将碱金属硫化物和多硫化物溶解到更高的浓度。也可以将热量施加到阳极液室和/或阴极液室，和/或通常施加到系统。在一个实施例中，系统在约100℃与约160℃之间的温度下操作。在这些温度下，硫和如硫化铁、硫化镍和硫化钒等固体的溶解度都很高。在施加电压时，吸引到阴极的碱金属阳离子和重金属阳离子流过隔板进入阴极液室。具有中性电荷的硫和具有负电荷的硫化物和多硫化物阴离子倾向于保留在阳极液室中。在预定的施加电压足够高的情况下，如铁金属阳离子、镍金属阳离子、钒金属阳离子等重金属阳离子在阴极还原并在那里析出。根据施加的电压，钠阳离子可以作为溶解的钠阳离子保留在阴极液溶液中。如果电压足够高，则钠阳离子将被还原到金属态，并将在此温度范围内呈液体。通过本领域中已知的如移除阴极并刮除重金属的方法，可以容易地回收析出的金属。如果形成的话，钠金属将变成第二液相，所述第二液相可以被虹吸并回收，或允许其在电解槽外冷却至固相并与阴极液分离。

阳极液室中的硫离子可以氧化成更高级的多硫化物或元素硫。可以移除含有元素硫的阳极液的一部分并放入分离罐中。可以通过本领域中已知的方法回收元素硫，如冷却阳极液以降低元素硫的溶解度，使其沉淀并从阳极液的底部回收它。也可以冷却阳极液，使得其形成沉降在阳极液室底部上的晶体，并且然后可以将其回收。替代性地，可以通过如过滤或离心等其它途径将元素硫与阳极液分离。

在其它实施例中，可以使用多于一个电解槽。一个电解槽可以组合预定电压和隔板，使得阳极液中的重金属阳离子通过隔板并在阴极析出，同时保持电压低于碱阳离子的分解电压。以这种方式，可以在第一步中移除金属，并且可以将所得的阳极液传递到第二电解槽。此电解槽可以具有阳离子特异性膜，在所述阳离子特异性膜处只有碱金属阳离子可以从阳极液传递到阴极液中并在阴极处以来自已经移除的重金属的最小干扰还原。第二电解槽中的电压可以足够高以将被阻止通过阳离子特异性膜的硫离子氧化成然后可以被回收的元素硫。

尽管进给流中存在重金属，但本发明提供了用于从进给流中回收碱金属和元素硫的系统和方法。本发明的特征和优点将从以下描述和所附权利要求书中变得更为充分地明显，或者可以通过实践如下文所阐述的本发明来了解。

附图说明

为了将更好地理解本发明的优点，以上简要描述的本发明的更具体描述将通过参考附图中所示出的特定实施例呈现。应理解的是，这些附图中仅描绘了本发明的典型实施例并且因此不应被认为是限制其范围，通过使用这些附图将更具体和详细地描述并解释本发明，在附图中：

图1是示出具有一个电解槽的钠-硫移除系统的一个实施例的高级框图；

图2是示出在本发明的钠-硫移除系统中使用的电解槽的实施例的高级框图；

图3是示出使用两个电解槽的钠-硫移除系统的高级框图；

图4是示出使用两个电解槽的钠-硫移除系统的另一个实施例的高级框图；

图5是示出在本发明的钠-硫移除系统中使用的电解槽的另一个实施例的高级框图；

图6是示出使用多个电解槽的钠-硫移除系统的另一个实施例的高级框图；

图7是示出使用单个电解槽从进给流中移除钠和硫的过程中的方法步骤的框图；并且

图8是示出使用具有多个电解槽的系统从进给流中移除钠和硫的过程中的方法步骤的框图。

具体实施方式

在以下描述中，提供了各种实施例的具体细节。本发明可以在不背离本发明的精神或必要特性的情况下以其它具体形式体现。所描述的实施例应在所有方面均被视为仅是说明性的而非限制性的。虽然在附图中呈现了实施例的各个方面，但是除非具体指明，否则附图不一定按比例绘制。因此，本发明的范围是由所附权利要求书而不是由以上说明来表明。落入权利要求书的等效方案的含义和范围内的所有改变都将涵盖在权利要求书的范围内。

贯穿本说明书，对特征、优点或实施例的引用并非暗示可利用本发明实现的所有特征和优点应该或已经存在于本发明的任何单个实施例中。相反，指代特征和优点的语言应理解为意指结合实施例所描述的具体特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，对贯穿本说明书的特征和优点和类似语言的讨论可以但不一定指同一实施例。

此外，所描述的本发明特征、优点和特性可以以任何适当的方式组合到一个或多个实施例中。相关领域的技术人员将认识到可以在没有具体实施例的特定特征或优点中的一个或多个的情况下实践本发明。在其它情况下，可以认识到某些实施例中的、可能并不存在于在本发明的所有实施例中的附加特征和优点。

贯穿本说明，对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意指结合实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，整个说明书中通篇出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”以及类似语言可以但不是必定都指代相同的实施例。通过参考附图将更好地理解目前描述的实施例，其中相同的部分始终由相同的数字指定。

本实施例涉及从含有碱金属硫化物和多硫化物以及还可以含有某种形式的重金属的进给流中分离并移除碱金属和元素硫的方法和系统。本发明的实施例可以包含单个电解槽或多个电解槽的组合。在某些实施例中，三个不同电解槽中的一个或多个以各种组合使用。

仅通过非限制性说明，在下面和本文全文的讨论中，三个这样的电解槽中的第一个的讨论将被称为“第一”电解槽，以帮助将其与其它两个不同但类似的电解槽区分开来。“第一”电解槽的部件将包含名称“第一”以帮助区分第一电解槽的部件与在特定组合中使用的其它电解槽的部件。类似地，当两个电解槽组合使用时，“第二”名称可以与第二电解槽及其各种部件一起使用，以帮助识别和区分两个电解槽中使用的类似部件。此外，因为将描述三个电解槽的实施例，所以第三电解槽及其各种部件可以用“第三”名称表示。相应地，与特定电解槽一起使用的名称“第一”不应解释为意味着系统的特定实施例中存在多于一个电解槽。实际上，在一些实施例中，本发明的系统可以包含仅一个电解槽。当与电解槽的特定部件一起使用时，“第一”名称不应解释为意味着在第一电解槽中必须必然存在多于一个任何这样的部件，尽管可能存在。类似地，本文中实施例的任何描述中名称“第二”的使用不应解释为意味着在实施例中必须存在两个电解槽，尽管可能存在，或单个电解槽内两个任何这样的部件，尽管可能存在。与特定电解槽一起使用的名称“第三”不应被读者解释为意味着必须必然存在特定数量的电解槽或任何一个电解槽的特定数量的部件。这些名称只是标签，以帮助读者识别哪些部件可能与哪个特定的电解槽相关联。在某些情况下，可以不使用名称“第一”、“第二”或“第三”，但是各种电解槽的各种部件可以从讨论的上下文中辨别出来。

现在参照图1，示出了用于从非水性进给流中回收金属和元素硫的系统。在一个实施例中，系统是第一电解槽100。第一电解槽100包含第一阳极液室110和第一阴极液室112。第一阳极114被定位在第一阳极液室110内。在一个实施例中，第一阳极114可以由如不锈钢、镍、铁、铁合金、镍合金、石墨等导电材料以及本领域中已知的其它阳极材料制成。第一阳极114可以涂覆有电活性材料，如铂涂覆的钛或电活性氧化物，如氧化钌、氧化铱、氧化钽等及其组合以及本领域中已知的其它氧化物。第一阳极114可以是已知在电解液中在电势梯度下带正电荷时不氧化的导电材料。第一阳极114可以是网状整体结构或者可以是具有允许阳极液到阳极结构的通路的特征的整体材料。第一阳极液室110容纳阳极液116，所述阳极液与第一阳极114连通以便允许第一阳极114与阳极液116之间的化学或电化学相互作用。第一阳极液室110可以包含一个或多个入口118和出口120。在一个实施例中，第一阳极114被可移除地定位在第一阳极液室110内。这种配置可以促进从第一阳极液室110中获得元素硫，如以下将进一步详细讨论的。因此，第一阳极液室110和/或第一电解槽100被配置成允许对第一阳极114的这种移除。在一个实施例中，第一阳极液室(110)和第一阴极液室(112)中的一者或两者可以包含用于排放可以使用本文所描述的设备或方法在室(110，112)中生成的任何气体的排气孔(未示出)。例如，如果碱金属硫氢化物在阳极液中并且电化学过程释放不会溶于阳极液116或阴极液122中的硫化氢，则这可能是希望的。

阳极液116包括碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种。在一个实施例中，碱金属硫化物可以包含硫化钠。碱金属硫化物还可以包含硫化锂。类似地，在一个实施例中，碱金属多硫化物可以包含多硫化钠。碱金属多硫化物还可以包含多硫化锂。在一个实施例中，阳极液116是作为从脱硫过程产生的非水性流的进给流，在所述脱硫过程中，钠与硫在烃源中发生反应。因此，进给到第一电解槽100的第一阳极液室110中的所产生的流将具有碱金属硫化物和多硫化物。所产生的流还将具有至少一种重金属，所述至少一种重金属可以采用各种形式，包含金属化合物或者溶解的或分离出的金属离子。本文所引用的“金属”包含如其可以以任何形式呈现的金属。碱金属的非限制性实例可以包含钠和锂。重金属的非限制性实例可以包含钒、镍、铁、铜、铅、硅以及以上所引用的那些。

在一个实施例中，阳极液116包含极性有机溶剂。极性有机溶剂溶解碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种。极性有机溶剂还溶解元素硫。采用其形式中的任何形式的术语“溶解(dissolve)”，包含但不限于“溶解(dissolves)”、“溶解(dissolved)”以及“溶解(dissolving)”意在包含部分溶解。极性有机溶剂可以包含以下各项中的一项或多项：n,n-二甲基苯胺、喹啉、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、苯、环己烷、氟苯、三氟苯、甲苯、二甲苯、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、异丙醇、乙基丙醛、碳酸二甲酯、二甲氧基醚、乙醇和乙酸乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯、1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮、甲基甲酰胺以及1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(dmi)等。

在一个实施例中，碱金属硫化物和碱金属多硫化物在阳极液116中溶解并且产生碱金属硫化物和多硫化物的更高浓度的离子。当离子浓度较高时，第一电解槽100更高效地执行。在一个实施例中，阳极液包括元素硫。添加在溶剂中溶解的元素硫增大碱金属硫化物和多硫化物的溶解度以便进一步促进碱金属硫化物和多硫化物在阳极液116中的溶解。所属领域技术人员将理解的是，由溶解的碱金属硫化物和多硫化物引入的额外碱金属阳离子还通过提高阳离子的质量运输条件而有助于电解槽性能。

第一阴极122被定位在第一阴极液室112内。在一个实施例中，第一阴极122可以由石墨、铁、钢、不锈钢或其它导电材料制成。第一阴极液室112容纳阴极液124，所述阴极液与第一阴极122连通以便允许第一阴极122与阴极液124之间的化学或电化学相互作用。第一阴极液室包含入口(未示出)和出口126。在一个实施例中，第一阴极122被可移除地定位在第一阴极液室112内以便促进获得在其上析出的金属，如以下将进一步详细讨论的。因此，第一阴极液室112和/或第一电解槽100被配置成允许对第一阴极122的这种移除。

阴极液124包括碱离子导电液体。在一个实施例中，离子导电液体包括包含碱金属离子的阴极液溶剂。当阴极液124包含熔融碱金属时，碱金属应当是在阴极液中的碱金属硫化物或多硫化物中的碱金属。在一个实施例中，离子导电液体包含包括碱金属离子的阴极液溶剂以及可以在第一阴极122处形成的熔融碱金属的液滴。阴极液溶剂可以包含以下各项中的一项或多项：四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、碳酸二甲酯、二甲氧基醚、碳酸丙烯酯、碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯等。在一个实施例中，阴极液包含碱金属盐，如碘离子或氯化物、高氯酸盐或碱金属的氟硼酸盐。阴极液溶剂和熔融碱金属浴促进阴极液124中的离子导电性，这允许必要的氧化还原反应在电解槽100中发生。

所属领域技术人员将理解的是，存在大量的将允许进入第一阳极液室(110)和第一阴极液室(112)的电解槽配置。例如，在一个实施例中，可能有利的是，出于各种原因具有到第一阳极液室(110)或第一阴极液室(112)的多个入口，所述原因包含将阳极液116或阴极液124的对应成分的相互作用或反应限制在其对应室(110，112)内，而非允许其在室外混合。类似地，可能希望具有多个出口。另外，适当时，入口和出口的功能可以组合，从而使得一个开口是入口和出口两者。例如，参见图1中的126。因此，在本发明范围内的是，第一阳极液室110和第一阴极液室112具有多个入口和出口。还在本发明范围内的是，第一阳极液室110的入口和出口是同一个开口，并且第一阴极液室112的入口和出口是同一个开口。

在一个实施例中，第一隔板128被定位在第一阳极液室110与第一阴极液室112之间。第一隔板128与阳极液116和阴极液124连通，从而使得在以下讨论的某些电化学条件下，离子可以从第一阳极液室110传递进入第一阴极液室112。第一隔板128被配置成非选择性地运输阳离子，包含如碱金属阳离子等金属阳离子m⁺或可能在阳极液中的其它重金属阳离子。如本文所使用的，“m⁺”指示金属阳离子，并且包含各种类型的金属的阳离子或一个或多个金属的具有正电荷的其它离子。因此，如本文所使用的，指定“m⁺”包含具有更高氧化态的金属阳离子，如可以以其它方式被指定为m'⁺⁺或m”⁺⁺⁺。在一个实施例中，碱金属为钠离子或锂离子。

第一隔板128可以是阳离子交换膜和微孔膜130中的至少一种。在其它实施例中，第一隔板128可以是多孔的并且具有比微孔性更大的孔隙率。在一个实施例中，第一隔板128可以是对阳离子可渗透的并且对阴离子、溶剂和溶解的元素硫基本上不可渗透。在一个实施例中，碱金属是钠或锂。在一个实施例中，阳离子交换膜提供了更高的电流效率。阳离子交换膜还用于阻碍第一阳极液室110中的硫离子移动通过第一隔板128进入第一阴极液室112。

第一隔板128可以由如聚丙烯等多孔聚合物膜制成。在其它实施例中，第一隔板128可以是微纤维垫或本领域中已知的其它隔板材料以便实质上防止阳极液和阴极液的对流或混合。在一个实施例中，第一隔板128是微孔有机聚合物网络。在另一个实施例中，第一隔板128是如聚丙烯等微孔聚合物膜。微孔聚合物膜的实例包含以产品名称2400销售的膜。celgard是celgard有限责任公司的注册商标。第一隔板128还可以由阳离子交换材料制成，如基于磺化四氟乙烯的氟聚合物-共聚物。这种材料可以以商标销售，所述商标是e.i.dupontdenemoursandcompany公司的注册商标。第一隔板128可以是阳离子交换膜，所述阳离子交换膜包含其结构内的固定带负电荷的成分以及可交换且可移动的非固定阳离子。这种阳离子交换膜材料可以包含由neosepta制造的阳离子交换膜材料。阳离子交换膜用于限制带负电荷的阴离子从阳极液到阴极液的迁移。

第一隔板128可以包括阳离子交换膜、多孔材料和微孔或者甚至纳米多孔材料的组合。在一个实施例中，第一隔板128包括被配置成非选择性地运输附着于多孔基底132的阳离子130的材料以及非选择性地运输阳离子的其它材料。例如，在一个实施例中，阳离子交换膜可以采用施加到基底或其它第一隔板128材料的膜的形式。所属领域技术人员将理解的是，这些材料130可以以任何数量的已知方法附着于多孔基底132或其它隔板材料130，所述方法包括但不限于将材料层压、喷涂、气相沉积涂覆、附着于或涂于生坯状态下的多孔基底上并焙烧所述对等。多孔基底132可以被定位在材料130与第一阴极122之间。在这种配置下，多孔基底是阴极液/阴极与材料之间的缓冲区或间隔区，所述缓冲区或间隔区例如可以是阳离子交换膜。

如以下将更详细讨论的，当向电解槽施加电压时，通过第一隔板128的金属阳离子m⁺将在阴极液中还原。一些可能在从阴极或已经在阴极上析出的任何金属，包含突出枝晶，处接收电子后立即还原。添加用作例如阳离子交换膜130与第一阴极液室112之间的缓冲区或间隔区的多孔基底132增加还原将在多孔基底处发生而不是立即在阳离子交换膜上发生的概率。当金属在阳离子交换膜上还原时，电解槽100的性能最终可能降低。多孔基底减慢此过程。另外，当第一阴极122被定位成靠近阳离子交换膜130时，枝晶形成可能发生在第一阴极122处，所述枝晶形成可能扩展到阳离子交换膜130中，从而负面地影响电解槽100的性能。多孔基底132保护阳离子交换膜130免受第一阴极122处的枝晶形成。

第一电解槽100还包含与第一阳极114和第一阴极122电连通的第一电源134。第一电源134被配置成向第一电解槽100施加足以将至少一个重金属离子还原成重金属的电压。在一个实施例中，由第一电源134施加到第一电解槽100的电压足以将第一电解槽中的至少一个碱金属离子还原成碱金属。在一个实施例中，第一电源134被配置成向第一电解槽100施加足以增加第一电解槽100中的至少一个硫离子的氧化态的电压。在一个实施例中，这可能意味着将一硫化离子增加成多硫化离子。其可能还意味着产生更高的多硫化物。例如，电压可以将一硫化物s^2-驱动到多硫化物s2^2-或将多硫化物s4^2-驱动到更高的多硫化物，如s6^2-或s8^2-。在一个实施例中，电压可以将更高的多硫化物驱动到元素硫。

在一个实施例中，第一电源134被配置成向第一电解槽100施加大于第一电解槽100的开路电位的电压。所属领域技术人员将理解的是，在某些条件下，相对于第一电解槽100中的成分的浓度，碱金属离子将在其拾取电子时还原成碱金属。在一个实施例中，这将发生在第一阴极液室112中。

在一个实施例中，当碱金属硫化物或多硫化物的碱金属为钠时，第一阳极液室110中的钠与硫之比为或者可以维持为使得第一电解槽100的开路电位大于2.3v。所属领域技术人员将理解的是，在这些条件下，通过隔板128从第一阳极液室110传递至第一阴极液室112的金属钠离子将在阴极液室112中还原成金属钠。所属领域技术人员将理解的是，在具有此电压的这些条件下，第一阳极液室110中的硫离子可以氧化并形成元素硫。

在一个实施例中，当碱金属硫化物或多硫化物的碱金属为锂时，第一阳极液室110中的锂与硫之比为或者可以维持为使得第一电解槽100的开路电位大于2.63v。所属领域技术人员将理解的是，在这些条件下，通过隔板128从第一阳极液室110传递至第一阴极液室112的金属锂离子将在阴极液室112中还原成金属锂。所属领域技术人员将进一步理解的是，在具有此电压的这些条件下，第一阳极液室110中的硫离子可以氧化并形成元素硫。

所属领域技术人员将理解的是，元素硫、重金属和碱金属的形成受各种因素的影响，包含第一电解槽100中的特定离子浓度水平。因此，本发明的第一电解槽100可以在第一阳极液室110和第一阴极液室112中配置有传感器、控制器、监视器、调节器、流量计、进入孔和警报机构(未示出)以及允许浓度和如碱金属、元素硫、重金属、溶剂、开槽电压、离子氧化态等成分之比被监测、测量和维持的其它特征。本发明的第一电解槽100还可以配置有监视器和控制器以便监视、测量和维持由第一电源134施加到第一电解槽100的预定电压。

在一个实施例中，第一电源134是可调节的。第一电源134可以是可根据从第一电解槽100中的传感器、控制器、调节器、流量计等接收的输入自动调节的，以便最大化电解槽100的工作效率或者最大化重金属、碱金属或元素硫中的任一个的产量。在另一个实施例中，第一电解槽100可以配置有当第一电解槽100中存在某些条件时对用户的警报。这可以允许用户手动地调节电源134出口。第一电解槽100的传感器、控制器、调节器、流量计(未示出)以及用于警告用户的装置(未示出)还可以用于自动地或使用户手动地调节第一电解槽100的其它参数，如温度、流速、浓度、ph等。

在一个实施例中，第一电源134被配置成向第一电解槽100施加小于5v的电压。所属领域技术人员将理解的是，在相似条件下，足以将碱金属离子还原成碱金属的电压也足以将如以上定义的“重金属”的重金属离子还原成重金属。因此，由于这些金属的正离子被吸引到第一阴极122并且通过第一隔板128，因此它们也将在第一阴极液室112中还原。

在一个实施例中，还原的重金属析出在第一阴极122上，并且碱金属离子还原成碱金属，但是当温度高于碱金属的熔融温度时作为液滴保持在阴极液中。在此配置下，可以以本领域中已知的任何数量的方法获得重金属，包含从电解槽100中移除第一阴极122并且刮除金属。在一个实施例中，第一阴极122可以是旋转带，所述旋转带连续地或间歇地旋转出阴极液124以允许获得并且然后旋转回阴极液124中用于更多析出。

此配置还允许更容易地获得碱金属。这可以通过本领域中已知的方法完成，包括但不限于，移除第一阴极122以及对第一阴极122进行刮擦、加热、使用化学或电化学处理或者以其它方式分离或清除第一阴极122的析出的碱金属。在一个实施例中，当碱金属被还原但是仍然在阴极液中时，可以通过吸出已经在第一阴极液室112中形成的富含碱金属的层来获得碱金属或从系统中移除所述碱金属。根据第一阴极液室112中碱金属与周围阴极液124的相对比重，碱金属可以在第一阴极液室112的顶部或底部附近形成可以被移除的层。根据阴极液的特性，可以使用获得或分离出碱金属的其它方法。在某些实施例中，例如在阴极液124是包含碱离子的溶剂并且还原的碱金属采用熔融碱金属液滴的形式的实施例中，可以通过使具有碱金属液滴的阴极液124流动并且在第一电解槽100外部的容器中将它们分离来从第一阴极液室112中移除还原的碱金属。在其它实施例中，阴极液124可以通过过滤器，所述过滤器积聚碱金属液滴以便更容易地移除。

一旦硫离子被氧化成元素硫，元素硫也可以以本领域中已知的任何数量的方法从阳极液中分离。在一个非限制性实例中，可以使用如冷却回路(未示出)等冷却设备。冷却剂可以通过被定位在第一阳极液室110内的导管(未示出)进入第一阳极液室110。当冷却时，元素硫的溶解度比周围阳极液116的溶解度下降更大比重，沉降到第一阳极液室110的底部，在所述第一阳极液室中其可以从第一阳极液室110流动通过出口(未示出)。替代性地，冷却回路可以将阳极液冷却到低于元素硫的冰点，并且元素硫晶体可以形成，所述元素硫晶体沉降到第一阳极液室110的底部，所述元素硫晶体可以通过导管、泵、阀门和/或过滤器(未示出)结合一个或多个出口120的配置运送出所述第一阳极液室。替代性地，元素硫可以通过如过滤或离心等其它途径与阳极液116分离。在一个实施例中，可以允许元素硫达到第一阳极液室110内的饱和度，从而导致形成第二液相(未示出)，所述第二液相可以被排出或以其它方式从第一电解槽100中移除。

在一个实施例中，第一电解槽100包含与第一阳极液室(110)和第一阴极液室(112)中的者少一者可操作地连通的加热器136。在一个实施例中，加热器136加热第一阳极液室110和第一阴极液室112中的者少一者并且允许系统在低于碱金属的熔点的温度下操作。在此配置下，碱金属连同其它金属析出在阴极122上。碱金属以及如重金属等其它金属然后可以在两个金属通过加热混合物并允许碱金属形成可以与其它固体分离的液相而被刮除或从阴极122移除之后彼此分离。

加热器136可以增大阳极液和阴极液的溶剂中的成分的溶解度。例如，在存在元素硫的情况下，加热阳极液室110可以促进溶解碱金属硫化物或多硫化物。所属领域技术人员将理解的是，极性溶剂可以在提高的温度下具有增大的硫溶解度。

加热器136因此提高了离子导电性，这反过来提高了电解槽100的性能。在一个实施例中，加热器136允许第一阳极液室110和第一阴极液室112中的者少一者在100℃到160℃范围内的温度下操作。在另一个实施例中，温度可以在120℃到150℃范围内。因此，在本发明范围内的一个实施例中，用于电解碱金属硫化物或多硫化物的第一电解槽100被配置，其中第一电解槽100在低于碱金属的熔融温度的温度下操作。在另一个实施例中，用于电解碱金属多硫化物的第一电解槽100可以被提供，其中第一电解槽100在高于碱金属的熔融温度的温度下操作并且其中第一阴极122部分浸没在熔融碱金属中。在这种情况下，阴极液124本质上包括熔融金属，但是还可以包含溶剂和碱金属盐。在其它实施例中，加热器136通常是用于整个第一电解槽100的加热器而非用于电解槽100的特定部件的加热器。

在一个实施例中，第一电解槽100可以在批处理模式下运行，在所述批处理模式下，阳极液116通过入口118被进给到第一阳极液室110中并且阴极液124通过入口126被进给到第一阴极液室112中。元素硫可以通过入口118或通过另一个入口(未示出)进给到第一阳极液室中。元素硫溶解在阳极液溶剂中，并且与溶剂结合的元素硫促进在第一阳极液室110中溶解的碱金属硫化物和多硫化物产生碱金属和d金属的阳离子m⁺连同硫离子。来自电源134的电压被施加到第一阳极114和第一阴极122，所述电压足以使阳极液中的碱金属阳离子和重金属阳离子迁移通过第一隔板并且在第一阴极122处析出或作为溶解在第一阴极液室中的溶剂中的金属而沉降。然后获得或移除碱金属和重金属。

第一电解槽100还可以以连续或半连续模式运行。在此实施例中，第一阳极液室110可以被配置成允许阳极液以连续或半连续方式流过第一阳极液室110。阳极液116可以连续地或间歇地在入口118与出口120之间流动通过第一阳极液室110。在此实施例中，第一阳极液室110的出口120可以流体连接到第一阳极液室110的入口118。再循环阳极液通过相同电解槽可以增大流速。所属领域技术人员将理解的是，增大的流速可以通过减少第一隔板128处的边界层并且增加离子运输而提高第一电解槽100中的质量传递。

在一个实施例中，电解槽可以包含湍流促进器138。湍流促进器138可以是本领域中已知的用于产生湍流的任何促进器。湍流促进器138可以通过部分地阻挡流动路径或重定向流动方向而产生湍流。在一个实施例中，第一阳极114通过第一阳极114表面上的如凹陷和突起等特征而充当湍流促进器138。在另一个实施例中，第一阳极114可以是具有用于中断阳极液到阳极结构的通路的特征的网状或整体结构。所属领域技术人员将理解的是，湍流促进器138可以通过减少阳极液的边界层并且增加离子运输而提高第一电解槽100中的质量传递。

所属领域技术人员将理解的是，多个入口和出口可以采用各种配置用于第一阳极液室110或第一阴极液室112中以便促进各种液体流过系统或者进入或流出第一阳极液室(110)或第一阴极液室(112)。采用各种配置的多个入口和出口在本发明的范围内。另外，在一些实施例中，本领域中已知的某种泵、阀门、控制器和/或过滤器(未示出)可以用于促进液体流过系统。

现在参照图2，示出了第二电解槽200。第二电解槽200包含第二阳极液室210和第二阴极液室212。第二阳极214被定位在第二阳极液室210内。第二阳极214可以由如不锈钢、镍、铁、铁合金、镍合金、石墨等导电材料以及本领域中已知的其它阳极材料制成。第二阳极214可以涂覆有电活性材料，如铂涂覆的钛或电活性氧化物，如氧化钌、氧化铱、氧化钽等及其组合以及本领域中已知的其它氧化物。在一个实施例中，第二阳极214可以是已知在电解液中在电势梯度下带正电荷时不氧化的导电材料。第一阳极214可以是网状整体结构或者可以是具有允许阳极液到阳极结构的通路的特征的整体材料。

第二阳极液室210容纳阳极液216，所述阳极液与第二阳极214连通以便允许第二阳极液室210内的第二阳极214与阳极液216之间的化学或电化学相互作用。第二阳极液室210可以包含一个或多个入口218、219和出口220。在一个实施例中，第二阳极214被可移除地定位在第二阳极液室210内。这种配置可以促进从第二阳极液室210中获得元素硫，如以上详细讨论的。第二电解槽200可以包含用于排放可以在第二阳极液室(210)和第二阴极液室(212)中生成的任何气体的一个或多个排气孔(未示出)。

第二阳极液室210的阳极液216可以包括碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种。阳极液216包含极性有机溶剂。在一个实施例中，第二阳极液室210的阳极液216包含元素硫。极性有机溶剂溶解碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种。极性有机溶剂还溶解元素硫。极性有机溶剂可以包含以下各项中的一项或多项：n,n-二甲基苯胺、喹啉、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、苯、环己烷、氟苯、三氟苯、甲苯、二甲苯、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、异丙醇、乙基丙醛、碳酸二甲酯、二甲氧基醚、乙醇和乙酸乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯、1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮、甲基甲酰胺以及1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(dmi)等。因此，第二阳极液室210的阳极液216类似于结合电解槽100(参见图1)描述的第一阳极液室110的阳极液116(参见图1)，除了阳极液216可能具有更少重金属或基本上没有重金属。因此，由于具有第一电解槽100的第一阳极液室110中的阳极液，所以将元素硫添加到阳极液中增大碱金属硫化物以及特别地碱金属多硫化物的溶解度。如以下将讨论的，第二电解槽200可以结合如第一电解槽等其它电解槽用于系统中，所述其它电解槽可能已经从最终进入第二阳极液室210中的阳极液中移除重金属中的一些或所有。

第二阴极222被定位在第二阴极液室212内。在一个实施例中，第二阴极222可以由石墨、铁、钢、不锈钢或其它导电材料制成。第二阴极液室212容纳阴极液224，所述阴极液与第二阴极212连通以便允许第二阴极液室212内的第二阴极222与阴极液224之间的化学或电化学相互作用。第二阴极液室212可以包含一个或多个入口(未示出)和出口226。在一个实施例中，第二阴极222被可移除地定位在第二阴极液室212内以便促进获得可以在其上析出的金属。在另一个实施例中，第二阴极222是可移动带，所述可移动带连续地或间歇地移动出入第二阴极液室212以便允许在第二阴极222上析出的金属从第二阴极222移除。在一个实施例中，金属可以包含如钠或锂等碱金属。在另一个实施例中，已经在第二阴极222处还原的碱金属可以保持在阴极液中的溶解状态并且可以使用本领域中已知的方法来移除。

阴极液224可以包括碱离子导电液体或熔融碱金属。在一个实施例中，离子导电液体包括包含碱金属离子的阴极液溶剂中的一个或多个。阴极液224可以包含与用于第一电解槽100(参见图1)中的阴极液124(参见图1)相同且本质上相同的相同溶剂和盐。

第二隔板228被定位在第二阳极液室210与第二阴极液室212之间。第二隔板228与第二阳极液室210的阳极液以及第二阴极液室212的阴极液连通。在一个实施例中，第二隔板228是碱离子选择性隔板228，从而使得在以下讨论的某些条件下，选择的碱离子可以通过碱离子选择性隔板228从第二阳极液室210传递至第二阴极液室212。第二隔板228可以仅对阳离子基本上可渗透并且对阴离子、聚阴离子和溶解的硫基本上不可渗透。

在一个实施例中，碱离子选择性隔板228是钠超离子导体(nasicon)。在一个实施例中，第二隔板228具有组合物na1+xzr2sixp3-xo12，其中0<x<3。其它nasicon组合物是本领域中已知的。在另一个实施例中，碱离子选择性隔板228是锂超离子导体(lisicon)。在另一个实施例中，第二隔板228可以是具有实质上为li(1+x+4y)alxti(1-x-y)(po4)3的组合物的磷酸锂钛(ltp)，其中0<x<0.4并且0<y<0.2。其它合适的材料可以来自离子导电玻璃和玻璃陶瓷族，如一般组合物li1+xalxge2-xpo4。其它锂导电材料是本领域中已知的。所属领域人员将理解的是，对碱离子选择性隔板228的选择是基于希望回收哪种碱金属的。在一个实施例中，碱离子选择性第二膜228包含β氧化铝。离子选择性第二膜228可以包含碱金属导电玻璃。

碱离子选择性隔板228可以具有其厚度的一部分，所述一部分具有可以忽略的通过孔隙率，从而使得第二阳极液室210和第二阴极液室212中的液体无法从一个室传递至另一个室，但是实质上仅如钠离子或锂离子等碱离子(m⁺)可以从第二阳极液室210传递至第二阴极液室212。第二隔板228还可以被如由日本的oharaglass公司生产的材料等碱金属导电玻璃陶瓷部分地包括。

第二电解槽200还包含与第二阳极214和第二阴极222电连通的第二电源234。在一个实施例中，第二电源234是直流电源234。第二阳极214连接到直流电源234的正端，并且第二阴极22连接到直流电源234的负端。第二电源234被配置成向第二电解槽200施加大于第二电解槽的开路电位的电压。所属领域技术人员将理解的是，在某些条件下，相对于系统中的特定离子的浓度，此电压将使碱金属离子在其拾取电子时在第二阴极液室212中还原。因此，本发明的第二电解槽200可以配置有如以上结合第一电解槽描述的传感器、控制器、监视器、调节器、流量计、进入孔和警报机构以便允许浓度和如碱金属、元素硫、重金属、溶剂、氧化态、开槽电压等成分之比被监测、测量和维持。本发明的第二电解槽200还可以配置有监视器和控制器以便监视、测量和维持由第二电源234施加到第二电解槽200的预定电压。

在一个实施例中，电源234被配置成向第二电解槽200施加足以增加第二电解槽200中的至少一个硫离子的氧化态的电压。增加至少一个硫离子的氧化态可能意味着将一硫化离子增加成多硫化离子。其可能还意味着产生更高的多硫化物。例如，电压可以将一硫化物s²-驱动到多硫化物s2^2-或将多硫化物s4^2-驱动到更高的多硫化物，如s6^2-或s8^2-。在一个实施例中，电压可以将更高的多硫化物驱动到元素硫。

在碱金属硫化物或多硫化物的碱金属为钠的实施例中，第二阳极液室210中的钠与硫之比为或者可以维持为使得第二电解槽200的开路电位大于2.3v。所属领域技术人员将理解的是，在这些条件下，通过第二隔板228从第二阳极液室210传递至第二阴极液室212的金属钠离子将在其拾取电子时在阴极液室212中还原成金属钠。所属领域技术人员将理解的是，在具有此电压的这些条件下，第二阳极液室210中的硫离子还将氧化并形成元素硫。

在碱金属硫化物或多硫化物的碱金属为锂的实施例中，第二阳极液室210中的锂与硫之比为或者可以维持为使得第二电解槽200的开路电位大于2.63v。所属领域技术人员将理解的是，在这些条件下，通过第二隔板228从第二阳极液室210传递至第二阴极液室212的金属锂离子将在第二阴极液室212中还原成金属锂。所属领域技术人员将进一步理解的是，在具有此电压的这些条件下，第二阳极液室210中的硫离子还将氧化并形成元素硫。在一个实施例中，施加到第二电解槽200的电压范围从2.3v到5v。

因此，当将足以将碱离子还原成碱金属的电压施加到第二电解槽200时，带正电荷的碱金属离子m⁺被吸引到第二阴极222并且在其将还原并形成碱金属时通过碱离子选择性第二隔板228进入第二阴极液室212。所属领域技术人员将理解的是，足以还原碱金属离子的电压也将足以还原第二阳极液室210中的任何重金属。然而，因为第二隔板228是仅对碱离子选择性的，所以第二阳极液室210中的任何重金属离子将不通过碱离子选择性第二隔板228并且在第二阴极液室212中将不还原成重金属。因此，第二电解槽200被配置成在不干扰任何或基本上任何重金属的情况下更容易获得碱金属。

一旦碱金属离子已经在第二阴极液室212中还原成碱金属，还原的碱金属就可以以各种方式从系统中移除。如以上所讨论的，阴极，在这种情况下第二阴极222可以从第二阴极液室212中移除并且被刮除、加热、化学或电化学处理以便从第二阴极22中移除析出的碱金属或以其它方式使析出的碱金属与第二阴极分离。在一个实施例中，当碱金属已经被还原但是保持在阴极液中时，可以通过吸出已经在第一阴极液室212中形成的富含碱金属的层来获得碱金属或从系统中移除所述碱金属。根据第一阴极液室212中碱金属与周围阴极液224的相对比重，碱金属可以在第一阴极液室212的顶部或底部附近形成可以被移除的层。根据阴极液的特性，可以使用获得或分离出碱金属的其它方法。在某些实施例中，例如在阴极液224是包含碱离子的溶剂并且还原的碱金属采用熔融碱金属液滴的形式的实施例中，可以通过使具有碱金属液滴的阴极液224流动并且在第二电解槽200外部的容器中将它们分离来从第一阴极液室212中移除还原的碱金属。在其它实施例中，阴极液224可以通过过滤器，所述过滤器积聚碱金属液滴以便更容易地移除。

一旦元素硫在第二阴极液室210中形成，其就可以以本领域中已知的方法移除。在一个非限制性实例中，可以使用如冷却回路(未示出)等冷却设备。冷却剂可以通过被定位在第二阳极液室210内的导管(未示出)进入第二阳极液室210。当冷却时，元素硫的溶解度比周围阳极液216的溶解度下降更大比重，沉降到第二阳极液室210的底部，在所述第二阳极液室中其可以从第二阳极液室210流动通过出口(未示出)。替代性地，冷却回路可以将阳极液冷却到低于元素硫的冰点，并且元素硫晶体可以形成，所述元素硫晶体沉降到第二阳极液室210的底部，所述元素硫晶体可以通过导管、泵、阀门和/或过滤器(未示出)结合一个或多个出口220的配置运送出所述第二阳极液室。包含元素硫的阳极液216可以从电解槽中移除并且然后被冷却，导致硫的沉淀。替代性地，元素硫可以通过如过滤或离心等其它途径与阳极液216分离。在一个实施例中，可以允许元素硫达到第二阳极液室210内的饱和度，从而导致形成第二液相(未示出)，所述第二液相可以被排出或以其它方式从第二电解槽200中移除。

在一个实施例中，第二电解槽200包含与第二阳极液室(210)和第二阴极液室(212)中的者少一者可操作地连通的加热器236。在一个实施例中，加热器236加热第二阴极液室212并且允许系统在低于碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种中的碱金属的熔点的温度下操作。在此实施例中，第二阴极液室212中的熔融碱金属促进在第二阴极222处析出碱金属。在存在元素硫的情况下，加热器236还可以加热第二阳极液室210以促进溶解碱金属硫化物或多硫化物。在一个实施例中，加热器236允许系统和/或第二电解槽200在100℃到160℃范围内的温度下操作。在另一个实施例中，加热器236允许系统和/或第二电解槽200在120℃到150℃范围内的温度下操作。

第二电解槽200可以包含第二阳极液室238内的湍流促进器238以便提高第二阳极液室210内的质量传递性质。由湍流促进器产生的湍流可以通过减少第二隔板228处的边界层并且增加离子运输而提高第二电解槽200中的质量传递。第二阳极214可以作为湍流促进器238操作，并且第二阳极可以具有与结合图1描述的电解槽100中的阳极114相同的类型和配置。所属领域技术人员将理解的是，本文所描述的类型的湍流促进器或本领域中已知的其它湍流促进器可以用于本文所描述的电解槽中的任何电解槽中，并且用于那些电解槽的阳极液室或阴极液室中。

如以下将更加详细讨论的，第二阳极液室210可以被配置成再循环包含于其中的阳极液216的一部分以便提高电解槽200的性能。在此实施例中，第二阳极液室210的出口220可以与第二阳极液室210的入口218、219流体连通以便允许阳极液216中的一些或所有离开和进入相同第二阳极液室210一次或多次。再循环阳极液通过相同室可以增大流速。所属领域技术人员将理解的是，增大的流速可以通过减少第二隔板128处的边界层并且增加离子运输而提高第二电解槽200中的质量传递。所属领域技术人员将进一步理解的是，用于允许这种再循环以增加流速的入口和出口可以用于本文所描述的电解槽中的任何电解槽中，并且用于那些电解槽的阳极液室或阴极液室中。

现在参照图3，示出了用于组合使用第一电解槽100和第二电解槽200来从进给流中移除金属和元素硫的系统250的一个实施例。第一电解槽100可以与以上结合上图1描述的第一电解槽100以及所有其各种实施例相同或相似。第二电解槽200可以与以上结合上图2描述的第二电解槽200以及所有其各种实施例相同或相似。在系统250的一个实施例中，第一电解槽100与第二电解槽200流体连通。

在两个电解槽系统250的一个实施例中，第一电源134被配置成向第一电解槽100施加低于第一电化学槽100的开路电解槽电位的电压。在另一个实施例中，第一电源134被配置成向第一电解槽100施加比第一电化学槽的开路电解槽电位至少低0.2v的电压。第一电源134还可以被配置成向第一电解槽100施加不足以在第一电解槽100中将碱金属离子还原成碱金属的电压。在一个实施例中，施加到第一电解槽100的电压范围在约0.7v与约2.0v之间。因此，施加到第一电解槽100的电压足以将重金属离子还原成重金属，但不能将碱金属离子还原成碱金属。

如以上所讨论的，当将电压施加到第一电解槽100时，吸引到第一阴极122的重金属离子从第一阳极液116中移除通过第一隔板128并且与第一阴极液124中的电子结合以还原成重金属。这可以发生在第一阴极122处，其中重金属析出在第一阴极122上。重金属然后可以通过以上结合图1讨论的方法从系统250中移除。

在系统250的一个实施例中，第一电解槽100的第一阳极液室110的出口120与第二电解槽200的第二阳极液室210的入口218流体连通。在此配置下，原始进给流或已经使重金属由电解槽100从其中移除的阳极液被进给到第二电解槽200中。随着许多，如果不是基本上所有，重金属污染物的移除，阳极液可以由第二电解槽进一步处理以便分离并回收碱金属和元素硫。因为第二电源234向第二电解槽施加足以将碱金属离子还原成碱金属的电压，所以当碱金属离子与第二阳极液室216中的电子结合时，溶解在第二阳极液室210中的阳极液溶剂中的碱离子可以迁移通过碱离子选择性第二膜228并且在第二阴极液室212中还原成碱金属。第二阴极液室212中的碱金属可以以本领域中已知的任何数量的方法获得，包含以上结合上图1和图2的描述所讨论的方法。

如以上结合图2所讨论的，施加到系统250的第二电解槽200的电压足够高以增加第二阳极液室210中的至少一个硫离子的氧化态。在一个实施例中，电压足够高以驱动硫离子一直到元素硫的氧化。元素硫可以通过以上结合图1和图2讨论的途径与第二阳极液室210的阳极液216分离，并且然后利用出口220从第二电解槽200中移除。在另一个实施例中，包含元素硫的阳极液可以通过出口220从第二阳极液室210中移除并且经历分离过程以移除电解槽200外部的元素硫。

在一个实施例中，系统250包括加热器(未示出)，所述加热器与第一阳极液室(110)和第二阳极液室(210)以及第一阴极液室(112)和第二阴极液室(212)可操作地连通。在一些实施例中，系统加热器可以代替电解槽100或电解槽200的单独加热器。在一个实施例中，系统250被配置成在低于第一阳极液室110或第二阳极液室200的阳极液的所述至少一个碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的碱金属的熔点的温度下操作。在此实施例中，第一阴极液室112或第二阴极液室212的阴极液的离子导电液体可以是熔融碱金属。在一个实施例中，熔融碱金属为熔融钠。在另一个实施例中，熔融碱金属为熔融锂。在另一个实施例中，系统250包含加热器，所述加热器与第一阳极液室(110)和第二阳极液室(210)以及第一阴极液室(112)和第二阴极液室(212)中的者少一者可操作地连通，并且其中系统250被配置成在100℃到160℃范围内的温度下操作。在另一个实施例中，系统250被配置成在120℃到150℃范围内的温度下操作。根据加热器或加热器配置的存在，第一阳极液室(112)和第二阳极液室(212)的离子导电液体包括包含碱金属离子的阴极液溶剂和熔融碱金属中的者少一者。

现在参照图4，系统350包含第一电解槽100和第二电解槽200的组合的另一个实施例。第一阳极液室110的出口120与第二阳极液室210的入口218流体连通，使得两个电解槽(100，200)彼此流体连通。正如系统250(图3)，系统350的此配置允许使用以上所描述的过程从第一电解槽100中的阳极液中移除重金属，之后从现在在第二电解槽200中的相同阳极液中移除钠和元素硫。在本发明的此实施例中，第二阳极液室210的出口221可以与相同第二阳极液室210的入口218流体连通。此配置允许阳极液216被连续地或间歇地再循环通过第二阳极液室210。所属领域技术人员将理解的是，阳极液与隔板228之间的由这种再循环引起的增加的相互作用将增加第二阳极液室210内的阳极液的质量传递性质并且提高电解槽200的效率。所属领域技术人员将进一步理解的是，本说明书中所描述的阳极液室和阴极液室的实施例中的所有实施例可以包含此再循环特征，其中出口与相同室的入口流体连通。

本发明的系统350还可以包含与第一阳极液室110的入口118流体连通的第二阳极液室210的出口223。这将允许系统350在连续模式下运行。在此配置下，重金属可以从第一电解槽100中的阳极液中移除，所述阳极液可以是原始进给流。然后钠和元素硫可以从第二电解槽200中现在具有较少重金属的相同阳极液中移除。并且然后具有较少重金属并且现在具有较少碱金属和元素硫的阳极液可以从第二电解槽200中移除并且进给回到第一电解槽100中用于进一步移除可能仍然保持在循环通过系统350的阳极液中的任何重金属。模式可以重复使得可以递增地完成从对应电解槽(100，200)的对应阳极液室(110，210)中移除重金属、钠金属和元素硫。在此实施例中，单独的输入119可以被包含以便通过第一电解槽100的第一阳极液室110将原始或额外进给流、原始或额外元素硫、原始或额外溶剂等添加到系统350。所属领域技术人员将理解的是，原始或额外进给流可以通过第二电解槽200的第二阳极液室210引入到系统中。在此实施例中，到第二阳极液室210的额外入口(未示出)可以用于引入原始或额外进给流以及原始或额外元素硫、原始或额外溶剂等。

所属领域技术人员将理解的是，系统250和系统350以及实际上阳极液室和阴极液室的所有实施例可以配置有采用各种配置的多个入口和出口以便完成本发明的教导。在一个非限制性实施例中，系统350的出口220、221和223可以是由阀门电子地或手动地控制的相同出口。另外，在一些实施例中，本领域中已知的某种泵(未示出)和/或过滤器(未示出)可以用于促进阴极液或阳极液流过贯穿本说明书描述的系统和室。进一步地，通常可以通过任何数量的本领域中已知的入口、出口或进入点来完成进入阳极液室和阴极液室以及系统的所有实施例。

现在参照图5，示出了第三电解槽300。如以下将更加详细讨论的，第三电解槽300可以结合第一电解槽100(参见图1)和第二电解槽200(参见图2)用于系统中。第三电解槽300包含第三阳极液室310和第三阴极液室312。第三阳极314被定位在第三阳极液室310内。在一个实施例中，第三阳极314与第二电解槽200的第二阳极液室210的第二阳极214连同其各种实施例基本上相同。第三阳极液室310容纳阳极液316，所述阳极液与第三阳极314连通以便允许第三阳极液室310内的第三阳极314与阳极液316之间的化学或电化学相互作用。第三阳极液室310可以包含一个或多个入口318、319和出口320。

第三阴极322被定位在第三阴极液室312内。在一个实施例中，第三阴极322可以与第二电解槽200的第二阴极液室212的第二阴极212连同其各种实施例基本上相似。第三阴极液室312容纳阴极液324，所述阴极液与第三阴极312连通以便允许第三阴极液室312内的第三阴极322与阴极液324之间的化学或电化学相互作用。第三阴极液室321可以包含一个或多个入口(未示出)和出口326。

第三阳极314和第三阴极322可以被定位在其对应第三阳极液室310和第三阴极液室312内，并且以与结合图2所描述的第二阳极214和第二阴极222相同或相似的方式起作用。进一步地，阳极液316和阴极液324可以与结合上图2所描述的第二电解槽200的对应阳极液216和阴极液224相同或基本上相似。因此，在一个实施例中，阳极液316可以包含碱金属硫化物和碱金属多硫化物以及极性有机溶剂中的至少一种，所述极性有机溶剂溶解元素硫并溶解碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种。如以下将更加详细讨论的，当结合第一电解槽100和第二电解槽200使用时，阳极液316可以进一步包含从第二电解槽200的第二阳极液室210中移除阳极液的至少一部分。

阳极液316还可以包含元素硫以有助于增大第三阳极液316中的任何碱金属硫化物或多硫化物的溶解度。阴极液324可以包括碱离子导电液体，所述碱离子导电液体可以包括阴极液溶剂中的一个或多个，所述阴极液溶剂包含碱金属离子和熔融碱金属浴。

第三隔板328可以被定位在第三电解槽300的第三阳极液室310与第三阴极液室312之间。在一个实施例中，第三隔板328可以是与第二电解槽200中使用的第二隔板228连同所有其各种实施例(参见图2)相同的以相同方式定位的隔板。因此，第三隔板328是与第三阳极液316和第三阴极液324连通的碱离子选择性隔板并且可以以与以上结合图2所描述的第二隔板228相同或相似的方式起作用。

在一个实施例中，第三电解槽300可以包含具有与结合上图2所描述的加热器236及其各种实施例相同类型且具有相同目的和配置的加热器336。第三阳极液室310和第三阴极液室312还可以包含具有与结合上图2所描述的湍流促进器及其各种实施例相同类型和目的的湍流促进器。第三电解槽300可以包含用于排放可以在第三阳极液室(310)和第三阴极液室(312)中生成的任何气体的一个或多个排气孔(未示出)。第三阳极液室310可以包含用于促进移除元素硫的内部或外部冷却机构(未示出)，如以上结合第一电解槽100和第二电解槽200所讨论的。第三电解槽300还包含与第三阳极314和第三阴极322电连通的第三电源334。

如以下将更加详细讨论的，第三阳极液室310可以被配置成再循环包含于其中的阳极液316的一部分以便提高电解槽300的性能。在此实施例中，第三阳极液室310的出口320可以与第三阳极液室310的入口318、319流体连通以便允许阳极液316中的一些或所有离开和进入相同第二阳极液室310一次或多次。

因此，在一个实施例中，第三电解槽300可以与结合上图2所描述的第二电解槽200及其各种实施例相同或相似，除了第三电解槽300的第三电源334可能与第二电解槽200的第二电源234不同地操作。

第三电源334被配置成向第三电解槽300施加足以氧化硫离子以在第三阳极液室316中形成元素硫的电压。

所属领域技术人员将理解的是，元素硫和碱金属的形成受各种因素的影响，包含电解槽300中的特定离子浓度水平。因此，本发明的第三电解槽300可以在第三阳极液室310和第三阴极液室312中配置有传感器、监视器、控制器、调节器、流量计、进入孔、警报机构等(未示出)以及允许浓度和如碱金属、元素硫、重金属、溶剂、开槽电压、离子氧化态等成分之比被监测、测量和维持的其它特征。本发明的第三电解槽300还可以配置有监视器和控制器以便监视、测量和维持由第三电源334施加到第三电解槽300的预定电压。

在一个实施例中，电源334是可根据硫离子的当前氧化态调整的，所述硫离子待被氧化以能够提供足以在各种离子浓度或电解槽条件下产生元素硫的电压。例如，当硫离子的氧化态较低时，可能需要更大的电力需求或需要将其施加更长时间段以便氧化硫离子一直到元素硫。当硫离子是更高的多硫化物时，可能不需要电力需求太大或不需要将其施加很长时间段以便氧化硫离子一直到元素硫。

在一个实施例中，第三电解槽300被配置成确定、监测、调节和控制第三阳极液室310中的硫化物的氧化水平并且自动改变或警告用户手动地改变电源314，使得第三电解槽可以更能效地操作以形成元素硫。

在碱金属硫化物或多硫化物的碱金属为钠的实施例中，第三阳极液室310中的钠与硫之比为或者可以维持为使得第三电解槽300的开路电位大于2.3v。所属领域技术人员将理解的是，在这些条件下，通过第三隔板228从第三阳极液室310传递至第三阴极液室312的金属钠离子将在其与电子结合时在第三阴极液室312中还原成金属钠。所属领域技术人员将理解的是，在具有此电压的这些条件下，第三阳极液室310中的硫离子还将氧化并形成元素硫。

在碱金属硫化物或多硫化物的碱金属为锂的实施例中，第三阳极液室310中的锂与硫之比为或者可以维持为使得第三电解槽300的开路电位大于2.63v。所属领域技术人员将理解的是，在这些条件下，通过第三隔板328从第三阳极液室310传递至第三阴极液室312的金属锂离子将在第三阴极液室312中还原成金属锂。所属领域技术人员将进一步理解的是，在具有此电压的这些条件下，第三阳极液室310中的硫离子还将氧化并形成元素硫。在一个实施例中，施加到第三电解槽300的电压范围从2.3v到5v。

所属领域技术人员将理解的是，足够高用于将碱金属离子还原成碱金属的电压也将足以将重金属离子还原成重金属。然而，因为隔板328是仅对碱离子选择性的，所以第三阳极液室310中的任何重金属离子将不通过碱离子选择性隔板328并且在第三阴极液室312中将不还原成重金属。

现在参照图6，在系统450中布置了三个电解槽。在一个实施例中，三个电解槽包含第一电解槽100、第二电解槽200和第三电解槽300。电解槽(100，200，300)彼此流体连通。在系统450的一个实施例中，第一电解槽100的第一阳极液室110的出口120与第二电解槽200的第二阳极液室210的入口218流体连通。第二电解槽200的第二阳极液室220的出口220与第三电解槽300的第三阳极液室310的入口318流体连通。对“系统阳极液”的提及包含可以在电解槽100、电解槽200和电解槽300中的一个或多个中处理的，或者在整个系统450中移动的阳极液。

在450的配置中，原始进给流或已经使重金属由电解槽100从其中移除的系统阳极液可以进给到第二电解槽200中。在移除大部分如果不是基本上所有的重金属污染物的情况下，系统阳极液可以由第二电解槽200进一步处理，以分离和回收碱金属，并在没有或基本上没有重金属离子干扰的情况下生长多硫化物。因为第二电源234向第二电解槽200施加足以还原碱金属的电压，所以碱离子可以迁移通过碱离子选择性膜228并在第二阴极液室212中还原成碱金属。可以以本领域中已知的任何数量的方法获得碱金属，包含以上结合图1的描述所讨论的方法。

如以上所讨论的，施加到系统450的第二电解槽200的电压足够高到以增加第二阳极液室210中的至少一个硫离子的氧化态，但不足够高来基本上驱动硫离子或多硫离子一直到元素硫。在一个实施例中，其中第二阳极液室中的碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种中的碱金属包括钠，并且第二电解槽的第二阳极液室中钠与硫之比为或可以维持为使得第二电解槽的开路电位小于或等于2.2v。在一个实施例中，其中第二阳极液室中的碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种中的碱金属包括锂，并且第二电解槽的第二阳极液室中锂与硫之比为或可以维持为使得第二电解槽的开路电位小于或等于2.53v。

在一个实施例中，系统450中第二电解槽200的传感器、监测器、调节器、控制器、警报机构等(未示出)与电源234(未示出)一起被配置成彼此交互以维持第二电解槽200的第二阳极液室210中硫化物离子或多硫化物离子中的硫化物的数量小于或等于8。在另一个实施例中，第二电解槽200被配置成将第二电解槽200的第二阳极液室210中多硫化物离子中硫化物的数量维持在2到7的范围内。在另一个实施例中，电解槽200可以警告用户第二电解槽200的第二阳极液室210中硫化物或多硫化物离子中硫化物的预定数量或范围小于或等于8，或在范围2到7、或4到7内。

因此，在系统阳极液流过过系统450时，已经通过电解槽100和电解槽200的阳极液现在已经从其中移除了重金属和碱金属两者。此系统阳极液也将在其中有更长的多硫化物链。然后可以将系统阳极液移动到电解槽300中。因为施加到第三电解槽的电压足够高以氧化更高或更长的多硫化物，所以系统阳极液可以由第三电解槽进一步处理以产生元素硫，所述元素硫可以以本领域中已知的任何数量的方法获得，包含以上结合上图5的描述所讨论的方法。特别地，监测碱金属离子与硫含量之比并监测开路电位将有助于优化电解槽的利用，使得在第一电解槽100中产生的碱金属最少并且最大化在第三电解槽300中产生元素硫。

在系统450的一个实施例中，第一电解槽100可以包含具有入口125和出口126的第一阴极液室112，所述入口和出口用于将阴极液124引入阴极液室112中并从第一阴极液室112中移除阴极液或还原的金属。第一电解槽100可以包含具有入口118和出口120的第一阳极液室110，所述入口和出口用于将阳极液116引入第一阳极液室110中并从第一阳极液室110中移除阳极液或其它成分。阳极液116可以是系统阳极液。隔板128将第一阳极液室110和第一阴极液室112分离。当向第一电解槽100施加电力时，阳极液116中的重金属阳离子通过隔板128进入第一阴极液室112。剩余的废阳极液可以通过出口120离开第一阳极液电解槽110并传递到罐415，所述罐具有与第一电解槽100的第一阳极液室110的出口流体连通的入口和与第二电解槽200流体连通的出口。正如贯穿本文所使用的，“废阳极液”可以包含已经从其中移除了成分的任何阳极液。在从第一电解槽接收阳极液的情况下，可能已经从阳极液中移除金属。在此实施例中，罐415可以是溶解罐417。溶解罐可以包含输入罐419和输入罐421。在一个实施例中，具有富含硫化物或者富含碱金属单硫化物或富含碱金属多硫化物的固体的进给流可以通过输入罐419输入到系统450中。可以将元素硫加载到输入罐421中。来自第二阳极液室210的废阳极液可以通过出口219从第二阳极液室210中移除并且进给到溶解罐417中。阳极液可以是“废的”，因为从第二电解槽200中的阳极液中移除了钠金属。元素硫有助于将碱金属硫化物或多硫化物溶解到比不含元素硫时可能的浓度更高的浓度。

溶解罐417可以包含与溶解罐417可操作地连通的加热器436。溶解罐中的系统阳极液包含在高温下具有元素硫溶解度的非水极性溶剂。溶解罐417中的稳态温度可以在约100℃到约160℃的范围内。在另一个实施例中，溶解罐417中的稳态温度可以在约120℃到约150℃的范围内。在这些温度下，元素硫和固体溶解度两者都很高。与来自第一电解槽100的废阳极液相比，溶解罐417中的系统阳极液的碱金属含量和元素硫含量更高。系统450可以包含系统加热器，在一些实施例中，所述系统加热器可以代替在电解槽100、电解槽200或电解槽300中使用的加热器。在一个实施例中，系统450被配置成在低于第一阳极液室110、第二阳极液室210或第三阳极液室310的阳极液的至少一个碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的碱金属的熔点的温度下操作。在此实施例中，第一阴极液室112、第二阴极液室212或第三阴极液室312的阴极液的离子导电液体可以是熔融碱金属浴。在一个实施例中，熔融碱金属浴是熔融钠浴。在另一个实施例中，熔融碱金属浴是熔融锂浴。在另一个实施例中，系统450包含加热器(未示出)，所述加热器被配置成在100℃到160℃范围内的温度下操作系统450。在另一个实施例中，系统450被配置成在120℃到150℃范围内的温度下操作。

另外，在系统450的实施例中，溶解罐417中的如铁、镍、钒和其它重金属等重金属的浓度高于来自第一电解槽100的阳极液的浓度。只要通过输入罐419在溶解罐417的点添加新的或未处理的进给流，情况可能是这样。系统阳极液可以在通过入口218进入第二电解槽200的第二阳极液室之前离开溶解罐417并通过过滤器440。在一个实施例中，泵442将系统阳极液泵送到第二阳极液室210中。可以在固体进入系统450的任何点之后使用过滤器440。

在系统450的一个实施例中，第二电解槽200可以包含具有入口225和出口226的第二阴极液室212，所述入口和出口用于将阴极液224引入阴极液室212中并从第二阴极液室212中移除阴极液或还原的金属。第二电解槽200包含具有入口218和出口220的第一阳极液室210，所述入口和出口用于将阳极液216引入第二阳极液室210中并从第二阳极液室210中移除阳极液或其它成分。阳极液216可以是系统阳极液。碱离子选择性膜或隔板228将第二阳极液室210和第二阴极液室212分离。当向第二电解槽200施加电力时，阳极液216中的碱金属阳离子通过碱离子选择性膜228进入第二阴极液室212并被还原成碱金属。同时，硫化物在阳极液室210中被氧化，使得低多硫化物阴离子变成更高的多硫化物阴离子。剩余的废阳极液可以通过出口219离开第二阳极液室210并传递回溶解罐417中或转发到另一个罐415，所述罐具有与第二电解槽200的第二阳极液室210流体连通的入口和与第三电解槽流体连通的出口。在此实施例中，罐可以是储备罐419。因为碱金属被运输到第二电解槽200中的阳极液之外，所以储备罐419中的钠浓度低于溶解罐417中的钠浓度。在一个实施例中，第二电解槽200可以配置有加热器(未示出)以将第二电解槽200的温度维持在约100℃到约160℃范围内。在一个实施例中，第二电解槽200被配置成将温度维持在约120℃到约150℃范围内，即硫溶解度和固体溶解度都很高并且钠被熔融的温度。

可以从储备罐419将系统阳极液进给到第三电解槽300的第三阳极液室310中。第三电解槽300包含具有入口325和出口326的第三阴极液室312，所述入口和出口用于将阴极液324引入阴极液室312中并从第三阴极液室312中移除阴极液或还原的金属。第三电解槽300包含具有至少一个输入口318和输出口319、320的第一阳极液室310，所述至少一个输入口和输出口用于将阳极液316引入第三阳极液室310中并从第三阳极液室310中移除阳极液或其它成分。阳极液316可以是系统阳极液。碱离子选择性膜或隔板328将第三阳极液室310和第三阴极液室312分开。当向第三电解槽300施加电力时，阳极液316中的碱金属阳离子通过碱离子选择性膜328进入第二阴极液室312并被还原成碱金属。多硫化物在第三阳极液室310的阳极液中通常更长，因此电解槽300的开路电位比电解槽200的开路电位更高，使得在电解槽300中，元素硫在第三阳极液室310中通过氧化长多硫化物而形成。如在所有电解槽100、电解槽200和电解槽300中，氧化硫化物与还原金属阳离子同时发生。在第三阳极液室中，现在具有足够长的多硫化物离子的阳极液316可以在第三阳极液室310中被氧化以产生元素硫。

剩余的废阳极液可以通过出口319离开第三阳极液室310并传递回储备罐419中或转发到另一个罐415，所述罐具有与第三电解槽300的第三阳极液室310流体连通的入口和与第一电解槽100流体连通的出口。此配置允许系统阳极液被连续地或间歇地再循环通过第二阳极液室(210)和第三阳极液室(310)。所属领域技术人员将理解的是，由这种再循环引起的系统阳极液与隔板228和328之间的增加的相互作用将增加第二阳极液室(210)和第三阳极液室(310)内的系统阳极液的质量传递性质并提高系统450的效率。所属领域技术人员将进一步理解的是，本说明书中所描述的阳极液室和阴极液室的实施例中的所有实施例可以包含此再循环特征，其中出口与相同室的入口流体连通。

罐415可以是分离罐421。由于碱金属从电解槽300中的阳极液中部分移除，因此离开电解槽300的阳极液中的碱金属浓度低于从储备罐415流出的碱浓度。分离罐421可以用于以本文所讨论的任何方法将元素硫与系统阳极液分离。在一个实施例中，分离罐421包含具有循环通过其的冷却剂的冷却机构，如冷却循环(未示出)。替代性地，分离罐421包含用于从系统阳极液中移除或分离元素硫的其它装置，如过滤或离心机构(未示出)。可以使用出口420将元素硫从分离罐421中移除。在批处理模式下，可以使用出口420将废阳极液从系统450中移除。

在元素硫已经从分离罐421中的系统阳极液中移除之后，系统阳极液可以被进给回第一电解槽100的第一阳极液室110中，并且可以重复过程或方法450。这将允许系统450在连续模式下运行。在此配置下，可以从第一电解槽100中的系统阳极液中移除重金属，所述系统阳极液可以是原始进给流。然后可以从第二电解槽200中现在具有较少重金属的相同系统阳极液中移除碱金属。并且具有较少重金属并且现在具有较少金属和较少钠金属以及较长多硫化物离子的系统阳极液可以从第二电解槽200移动到第三电解槽以便移除硫元素。然后，系统阳极液可以进给回电解槽100的第一阳极液室110中以便进一步移除可能仍然保留在循环通过系统350的阳极液中的任何重金属。模式可以重复，使得可以递增地完成从对应电解槽(100，200，300)的对应阳极液室(110，210，310)中移除重金属、钠金属和元素硫，首先从第三电解槽300中移除元素硫。

所属领域技术人员将理解的是，尽管图6中未示出，但是系统450可以在批量模式下运行，在所述批量模式下，系统阳极液在一些点处进给回系统450中，并且然后在不重复所述过程的情况下通过该系统的电解槽。通过非限制性实例，在批量系统配置的一个实施例中，系统阳极液进给回第一电解槽100中以进行重金属移除并且然后进给回一个或多个第二电解槽200中。系统阳极液可以再循环通过所述至少一个或多个第二电解槽200。系统阳极液中的一些可以从第二电解槽200之一递送至随后的第二电解槽200，而系统阳极液中的一些再循环通过相同电解槽200。最终，基本上所有系统阳极液进给回第三电解槽300中。系统阳极液可以再循环至少一次通过第三电解槽300以便最大化获得硫元素。在一些点处，在系统阳极液没有进给回起始第一电解槽100的情况下，过程下结论。

所属领域技术人员将理解的是，电解槽100、电解槽200和电解槽300可以以任何数量的配置组合以实践本发明的教导。在系统450的一个非限制性实例中，系统配置的一个实施例包含被定位在第一电解槽100与第三电解槽300之间的多个第二电解槽200。在此配置下，重金属可以以某个电压从第一电解槽中的系统阳极液中分离出，所述电压足够高以还原重金属离子但是不足够高来还原碱金属离子。然后，在多个第二电解槽200的序列中，碱离子可以在某个电压下递增地从系统阳极液中分离出，所述电压高于系统阳极液中的碱金属硫化物和多硫化物的分解电压，使得碱金属离子被还原成碱金属。在第二电解槽200的此相同序列中，电压可能足够高以增加阳极液中的硫离子的氧化态但是不足够高来驱动硫离子的氧化反应一直到单个电解槽中的元素硫。所属领域技术人员将理解的是，在每个连续第二电解槽200的情况下，阳极液将具有越来越少的碱金属以及不断增加的硫离子长度。例如，在第一个第二电解槽200中，溶解的硫离子可以从单硫化物离子s^2-增长到多硫化物离子s2^2-到s4^2-。在随后的第二电解槽200中，溶解的硫离子可以增长到多硫化物离子s4^2-到s6^2-。在又随后的第二电解槽200中，溶解的硫离子可以增长到多硫化物离子s6^2-到s8^2-。然后，具有还原的碱金属和较长的多硫化物离子s8^2-的系统阳极液可以最终进给回第三电解槽300中，其中，采用s8^2-形式的硫离子氧化形成元素硫。由于批量模式配置，过程可以在此结束，或者系统阳极液，过程可以被配置成连续模式。

在连续模式配置下，在将元素硫移除到最终第三电解槽300中之后，系统阳极液可以进给回第一电解槽100中，可以重复以上描述的整个过程。所属领域技术人员将理解的是，用于使用首先增长较长的多硫化物离子的此增加或阶段式设置来产生元素硫的组合的能量比驱动含有单硫化物离子或较短的多硫化物离子一直到单个电解槽中的元素硫的系统阳极液所需要的能量更少。

在其它实施例中，串联的多个第二电解槽200可以穿插有第一电解槽100以便周期性地移除任何重金属并且然后以一个或多个第三电解槽300结束以形成元素硫。多个第三电解槽300可以串联使用以便确保系统阳极液中的较大数量的较长多硫化物被驱动到元素硫。所属领域技术人员将理解的是，电解槽100、电解槽200和电解槽300中的每一个可以在所述过程中的一个或多个点处被串联或并联定位。

所属领域技术人员将理解的是，罐415可以以各种配置被定位以完成本发明的教导。此外，入口419和421中的一个或多个可以被定位在储备罐419或阳极液室110、阳极液室210或阳极液室310中的任何阳极液室上。在一个实施例中，进给流可以通过附接至第一电解槽100的第一阳极液室110的入口419进入系统450。溶解罐可以在其之后被定位并包含元素硫入口421。在第一电解槽100之后引入硫使得第一阳极液室110将具有较少元素硫可以最小化硫跨隔板110的扩散。在不具有被配置成主要硫移除器的第三电解槽300的实施例中，分离罐421可以在第二电解槽200之后被定位。另外，废阳极液可能需要再充电，因为碱金属浓度随着其从系统中移除而下降。系统450中存在额外离子有助于系统450在不需要额外能量来移除系统阳极液通过系统450的情况下操作。因此，用于允许额外未耗尽阳极液进入系统的入口419可能需要战略上置于多个位置中。

另外，泵442、过滤器440、阀门(未示出)以及到系统450的其它进入点和外出点的多种配置由本发明考虑并在本发明的范围内。进一步地，所属领域技术人员将理解的是，传感器(未示出)、调节器(未示出)和控制器(未示出)可以包含在系统450中以调节电压、测量系统内的各个位置处的阳极液和阴极液含量、控制阀门、引导流动、控制流动等。

现在参照图7，用于利用单个电解槽从进给流中回收金属和硫的方法700包含提供710电解槽的步骤。所述电解槽可以是本文所描述的第一电解槽，并且包含配置成容纳阳极液的第一阳极液室。第一电解槽可以包含被定位在第一阳极液室内、与阳极液连通的第一阳极。第一电解槽可以包含配置成容纳阴极液的第一阴极液室。第一电解槽可以包含被定位在第一阴极液室内、与阴极液连通的第一阴极。第一电解槽的第一隔板可以被定位在第一阳极液室与第一阴极液室之间，并且与第一室的阳极液和第一室的阴极液连通。第一隔板被配置成非选择性地运输阳离子。第一电解槽还可以包含与第一阳极和第一阴极电连通的第一电源。

方法700包含将阳极液引入720第一电解槽的第一阳极液室。阳极液可以包含碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种。引入720阳极液还可以包含将元素硫引入第一电解槽的第一阳极液室中。阳极液还包含溶解碱金属硫化物、碱金属多硫化物中的至少一种的极性有机溶剂。因此，引入720阳极液的步骤还可以包含在极性有机溶剂中溶解碱金属硫化物和碱金属多硫化物的至少一种的步骤。溶剂还溶解元素硫。阳极液可以含有重金属、重金属化合物、重金属离子或这些的组合。方法700包含将阴极液引入730第一电解槽的第一阴极液室中。阴极液包括碱离子导电液体。在一个实施例中，碱离子导电液体是熔融碱金属。在另一个实施例中，碱离子导电液体是含有碱金属离子的溶剂。

在一个实施例中，第一阳极液室和第一阴极液室中的至少一个被加热735。将理解的是，加热促进系统中阳极液和阴极液的溶解，产生离子的增加并增加电解槽性能。可以由第一电源向第一电解槽施加740足以将至少一个重金属离子还原成重金属的电压。在一个实施例中，施加的电压足以将第一电解槽中的碱金属离子还原成碱金属。施加740电压的步骤可以包含施加足以增加第一电解槽中的至少一个硫离子的氧化态的电压。在一个实施例中，施加740电压的步骤可以包含施加足以氧化至少一个硫离子以形成元素硫的电压。因此，方法700包含氧化750第一电解槽的第一阳极液室的阳极液中的至少一个硫离子的步骤。

当金属阳离子被吸引到通过施加电压充电的第一阴极时，所述金属阳离子通过第一隔板从第一阳极液室移动760到第一阴极液室。方法700进一步包括还原770在第一阴极液室中移动的金属阳离子中的至少一个以形成金属的步骤。在一个实施例中，还原770步骤包含将从第一阳极液室移动到第一阴极液室的重金属阳离子还原成重金属。在另一个实施例中，还原770步骤包含将从第一阳极液室移动到第一阴极液室的碱金属阳离子还原成碱金属。

方法700包含通过以上详细讨论的途径从第一阴极液室中移除780重金属的步骤。在一个实施例中，移除780步骤包含通过以上详细讨论的途径从第一阳极液室中移除碱金属和元素硫。方法700进一步包含将已经移除金属和元素硫的阳极液进给790回第一阳极液室用于进一步处理的步骤。通过参考本文结合图1所描述的系统和使用方式，可以进一步理解回收金属和元素硫的方法700。

现在参照图8，示出了用于利用具有多个电解槽的系统从进料进给流中回收金属和元素硫的方法800。方法800可以包含图7中示出的实施例的步骤710、步骤720、步骤730、步骤740、步骤750、步骤760、步骤770和步骤780。在图8中，那些步骤分别示出为805、810、825、830、835、840和845。

方法包含提供805电解槽的步骤。所述电解槽可以是本文所描述的第一电解槽，并且包含配置成容纳阳极液的第一阳极液室。第一电解槽可以包含被定位在第一阳极液室内、与阳极液连通的第一阳极。第一电解槽可以包含配置成容纳阴极液的第一阴极液室。第一电解槽可以包含被定位在第一阴极液室内、与阴极液连通的第一阴极。第一电解槽的第一隔板可以被定位在第一阳极液室与第一阴极液室之间，并且与第一液室的阳极液和第一液室的阴极液连通。第一隔板被配置成非选择性地运输阳离子。第一电解槽还可以包含与第一阳极和第一阴极电连通的第一电源。

在一个实施例中，将阳极液引入810第一电化学槽的第一阳极液室中。阳极液可以是第一电解槽的第一阳极液室的阳极液，如本文各处描述的。方法800包含将阴极液引入815第一电解槽的第一阴极液室中。在一个实施例中，阴极液是第一电解槽的第一阴极液室的阴极液，如本文各处描述的。

可以将电压施加825到第一电解槽。可以由第一电解槽的第一电源施加825电压。施加的825电压可以足以将第一电解槽中的至少一个重金属离子还原成重金属。通过施加电压，可以氧化830第一电解槽的第一阳极液室的阳极液中的至少一个硫离子，以增加所述至少一个硫离子的氧化态。方法800还包含通过第一电解槽的第一隔板将第一阳极液室的阳极液中的金属阳离子移动835到第一阴极液室中的步骤。然后在第一阴极液室中还原840金属阳离子中的至少一个以形成金属。

在两个电解槽配置的一个实施例中，施加825到第一电解槽同时足以将至少一个重金属离子还原成重金属的电压不足以将第一电解槽中的碱金属离子还原成碱金属。因此，在第一阴极液室中形成的金属可以仅是重金属。向2-电解槽系统的第一电解槽施加825电压的步骤可以包含向第一电解槽施加低于第一电化学槽的开路电解槽电位(opencellpotential)的电压。在另一个实施例中,向2-电解槽系统的第一电解槽施加825电压的步骤可以包含向第一电解槽施加比第一电化学槽的开路电解槽电位低至少0.2v的电压。在另一个实施例中,向2-电解槽系统的第一电解槽施加825电压的步骤可以包含向第一电解槽施加范围在约0.7v与约2.0v之间的电压。通过配置第一电解槽施加特定电压或特定范围的电压，可以还原重金属离子而不还原碱金属离子。因此，在开始碱金属分离过程之前，可以从第一电解槽中的系统中还原、析出和移除845可能阻碍或干扰碱金属回收的重金属。

方法800进一步包含提供850与第一电解槽流体连通的第二电解槽的步骤。在一个实施例中，第二电解槽是结合上图2描述的第二电解槽。第二电解槽可以包含配置成容纳阳极液的第二阳极液室。第二电解槽可以具有被定位在第二阳极液室内、与阳极液连通的第二阳极。第二电解槽可以包含配置成容纳阴极液的第二阴极液室。第二电解槽可以包含被定位在第二阴极液室内、与阴极液连通的第二阴极。第二电解槽的第二隔板可以被定位在第二阳极液室与第二阴极液室之间，并且与第二液室的阳极液和第二液室的阴极液连通。第二电解槽中的第二隔板可以是碱离子选择性膜，所述碱离子选择性膜被配置成选择性地运输碱离子。第二电解槽还可以包含与第二阳极和第二阴极电连通的第二电源。

方法800包含将阳极液引入855第二电解槽的第二阳极液室中的步骤。阳极液可以包含碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种、极性有机溶剂，所述极性有机溶剂溶解碱金属硫化物、碱金属多硫化物中的至少一种并且溶解元素硫。在一个实施例中，将阳极液引入855第二电解槽的第二阳极液室中的步骤包含在至少一些重金属阳离子已经从第一阳极液室通过第一电解槽的第一隔板到第一阴极液室之后，从第一电解槽的第一阳极液室中移除阳极液的至少一部分，以及将来自第一阳极液室的阳极液的所述部分进给到第二电解槽的第二阳极液室中。所属领域技术人员将理解的是，将来自第一电解槽的阳极液引入第二电解槽的第二阳极液室中的步骤855包含将阳极液进给到多个第二电解槽的第二阳极液室中，使得剩余的步骤可以并行进行。

因此，2-电解槽系统中第二阳极液室的阳极液将具有比2-电解槽系统中第一阳极液室的阳极液更低浓度的重金属。

方法800包含将阴极液引入856第二电解槽的第二阴极液室中。在一个实施例中，阴极液包含碱离子导电液体。所属领域技术人员将理解的是，可以同时完成提供第一电解槽、提供第二电解槽、将阴极液引入815第一阴极液室中以及将阳极液引入810第一阳极液室中的步骤。引入850第二电解槽的第二阴极液室中的阴极液可以包含碱离子导电液体。在一个实施例中，碱离子导电液体是熔融碱金属。在另一个实施例中，碱离子导电液体是含有碱金属离子的溶剂。

在一个实施例中，第一阳极液室、第一阴极液室、第二阳极液室以及第二阴极液室中的至少一个被加热858。所属领域技术人员将理解的是，加热促进系统中阳极液和阴极液的溶解，产生离子的增加并提高电解槽性能。

方法包含向第二电解槽施加860电压的步骤。电压可以高于第二电解槽的开路电位。在施加860此电压的情况下，第一阳极液室的阳极液中的金属阳离子通过第二电解槽的第二隔板移动862到第二阴极液室中。在2-电解槽系统的此实施例中，因为第二电解槽包含作为第二隔板的碱离子选择性膜，所以移动862通过第二隔板膜的仅金属阳离子是碱金属阳离子。碱金属阳离子被吸引到带电的第二阴极并在第二阴极液室中被还原864以形成碱金属。

通过施加大于第二电解槽的开路电位的电压，第二阳极液室的阳极液中至少一个硫离子的氧化态增加865。

在2-电解槽配置的一个实施例中，向第二电解槽施加860电压的步骤包含维持第二电解槽的第二阳极液室中钠与硫之比，使得第二电解槽的开路电位小于或等于2.2v。在此实施例中，当正在被回收的碱金属是钠时，钠离子还原成金属钠，但第二阳极液室中的硫离子不会一直氧化成元素硫。相反，硫离子增加并变得更高。通过非限制性实例，s^2-可以增加到多硫化物s2^2-，或者多硫化物s4^2-可以增加到如s6^2-或s8^2-等更高的多硫化物。

在2-电解槽配置的一个实施例中，向第二电解槽施加860电压的步骤包含维持第二电解槽的第二阳极液室中锂与硫之比，使得第二电解槽的开路电位小于或等于2.53v。在此实施例中，当正在被回收的碱金属是锂时，锂离子还原成金属锂，但第二阳极液室中的硫离子不会一直氧化成元素硫。相反，硫离子增加并变得更高。通过非限制性实例，s^2-可以增加到多硫化物s2^2-，或者多硫化物s4^2-可以增加到如s6^2-或s8^2-等更高的多硫化物。

在2-电解槽配置的另一个实施例中，向第二电解槽施加860电压的步骤包含维持第二电解槽的第二阳极液室中钠与硫之比，使得第二电解槽的开路电位大于或等于2.3v。在此实施例中，当正在被回收的碱金属是钠时，钠离子还原成金属钠，并且第二阳极液室中的硫离子一直氧化成元素硫。

在2-电解槽配置的一个实施例中，向第二电解槽施加860电压的步骤包含维持第二电解槽的第二阳极液室中锂与硫之比，使得第二电解槽的开路电位大于或等于2.63v。在此实施例中，当正在被回收的碱金属是锂时，锂离子还原成金属锂，并且第二阳极液室中的硫离子一直氧化成元素硫。

方法800进一步包含从第二阴极液室中移除868碱金属并从第二阳极液室中移除元素硫的步骤。这可以通过任何数量的方法来完成，包括但不限于以上结合图1和图2所描述的方法。方法800进一步包括在从第二阴极液室中移除868碱金属并从第二阳极液室中移除元素硫的步骤之后并且在硫离子的氧化态已经增加之后，从第二阳极液室中移除870阳极液的至少一部分的步骤。在一个实施例中，移除870一部分的步骤包含将那部分进给回第二阳极液室中。以此方式，阳极液再循环，并且更多的阳极液与碱离子选择性膜接触并在第二阴极的影响下有助于碱金属阳离子通过膜传递，以便在第二阴极液室中还原。在一个实施例中，移除870步骤包含将阳极液的一部分进给到一个或多个额外第二电解槽(未示出)的第二阳极液室中。在此实施例中，过程可以使用第二电解槽串联或并联运行。在一个实施例中移除870阳极液的一部分的步骤还包含将所述部分引回到第一阳极液室中。使用步骤870的此实施例允许系统在连续模式下操作，其中可以重复方法800的先前步骤。

在一个实施例中，方法800进一步包含提供875与第二电解槽流体连通的第三电解槽的步骤。在一个实施例中，第三电解槽是结合上图5描述的第三电解槽。第三电解槽可以包含配置成容纳阳极液的第三阳极液室。第三电解槽可以具有被定位在第三阳极液室内、与阳极液连通的第三阳极。第三电解槽可以包含配置成容纳阴极液的第三阴极液室。第三电解槽可以包含被定位在第三阴极液室内、与阴极液连通的第三阴极。第三电解槽的第三隔板可以被定位在第三阳极液室与第三阴极液室之间，并且与第三液室的阳极液和第三液室的阴极液连通。第三电解槽中的第三隔板可以是碱离子选择性膜，所述碱离子选择性膜被配置成选择性地运输碱离子。第三电解槽还可以包含与第三阳极和第三阴极电连通的第三电源。

方法800包含将阳极液引入878第三电解槽的第三阳极液室中的步骤。阳极液可以包含碱金属硫化物和碱金属多硫化物中的至少一种、极性有机溶剂，所述极性有机溶剂溶解碱金属硫化物、碱金属多硫化物中的至少一种并且溶解元素硫。在一个实施例中，将阳极液引入878第三电解槽的第三阳极液室中的步骤包含在至少一些碱金属阳离子已经从第二阳极液室通过第二电解槽的第二隔板到第二阴极液室之后，从第二电解槽的第二阳极液室中移除阳极液的至少一部分，并且将来自第二阳极液室的阳极液的所述部分进给到第三电解槽的第三阳极液室中。

在具有第三电解槽的实施例中，方法800包含将阴极液引入880第三电解槽的第三阴极液室中。阴极液包括碱离子导电液体。在一个实施例中，碱离子导电液体是熔融碱金属。在另一个实施例中，碱离子导电液体是含有碱金属离子的溶剂。在一个实施例中，第三阳极液室和第三阴极液室中的至少一个被加热882。将理解的是，加热促进系统中阳极液和阴极液的溶解，产生离子的增加并增加电解槽性能。然后可以将电压施加885到第三电解槽。可以由第三电解槽的第三电源施加电压。在3-电解槽配置的一个实施例中，施加885到第三电解槽的电压足以氧化第三电解槽中的至少一个硫离子以形成元素硫。

方法800包含将碱金属阳离子从第三阳极液室通过第三电解槽的第三隔板移动888到第三阴极液室的步骤。碱金属阳离子被吸引到带电的第三阴极并在第三阴极液室中被还原890以形成碱金属。

通过施加885预定的电压，第三阳极液室中的至少一个硫离子被氧化892形成元素硫。在3-电解槽配置的另一个实施例中，向第三电解槽施加885电压以同时使碱金属离子还原成碱金属并将硫离子氧化成元素硫的步骤包含维持第三电解槽的第三阳极液室中钠与硫之比，使得第三电解槽的开路电位大于或等于2.3v。在此实施例中，当正在被回收的碱金属是钠时，钠离子还原成金属钠，并且第三阳极液室中的硫离子一直氧化成元素硫。

在3-电解槽配置的一个实施例中，向第三电解槽施加885电压的步骤包含维持第三电解槽的第三阳极液室中锂与硫之比，使得第三电解槽的开路电位大于或等于2.63v。在此实施例中，当正在被回收的碱金属是锂时，锂离子还原成金属锂，并且第三阳极液室中的硫离子一直氧化成元素硫。

方法800进一步包括从第三阳极液室中移除894元素硫并从第三阴极液室中移除碱金属的步骤。此步骤可以使用本文所描述的任何分离过程完成。

方法800进一步包含在碱金属阳离子已经移动到第三阴极液室中以便还原，并且第三阴极液室中硫离子的氧化态已经增加到元素硫之后，从第三阳极液室中移除898阳极液的一部分。在一个实施例中，移除898第三阳极液室中阳极液的一部分的步骤包含将那部分进给回第三阳极液室中。以此方式，阳极液再循环并且更多的阳极液与第三电解槽的碱离子选择性膜接触并在第三阴极的影响下有助于碱金属阳离子通过膜转移，以便在第三阴极液室中还原。在一个实施例中，移除898步骤包含将阳极液的一部分进给到一个或多个额外第三电解槽(未示出)的第三阳极液室中。在此实施例中，过程可以使用第三电解槽串联或并联运行。在一个实施例中从第三阳极液室中移除898阳极液的一部分的步骤还包含将所述部分引回到第一阳极液室中。使用步骤898的此实施例允许系统在连续模式下操作，其中可以重复方法800的所有先前步骤。

通过参考本文结合图5所描述的系统，可以进一步理解回收金属和元素硫的方法800，并且通过结合图8所描述的本发明的方法考虑了使用相同的任何讨论。

虽然已经示出并描述了本发明的特定实施例，但是在不显著脱离本发明的精神的情况下想到许多修改，并且保护范围仅受所附权利要求的范围的限制。