本发明涉及合金分离技术领域，尤其是涉及一种铜镍合金的分离方法及其应用。
背景技术：
当前，伴随着冶金工业的不断发展与进步，产生了大量的金属合金废料，这些废料中含有高价值的金属资源，将其进行分离回收尤为重要。
铜镍合金又名白铜，是一种常用的合金，因其耐蚀性优异，易于塑型、加工和焊接，被广泛用于造船、石油、化工、建筑、电力、精密仪表、医疗器械、乐器等领域。目前，铜镍合金的分离方法主要有溶剂萃取法、硫化法和离子交换法。三者虽然能够实现合金中铜镍的分离，但是，溶剂萃取法由于采用有机溶剂进行萃取，成本高，易造成环境污染；硫化法工艺繁琐、成本较高，不能得到单质铜；离子交换法适用范围小，所用溶液浓度的浓度较低，后续还需进行蒸发浓缩，能耗高。
有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的第一个目的在于提供一种铜镍合金的分离方法，该方法以铜镍合金废料为原料，操作简单、能耗成本低，无污染，无其他杂质引入，电流效率高，原料回收率高，产品纯度高，能够解决上述问题中的至少一种。
本发明的第二个目的在于提供一种应用铜镍合金的分离方法分离得到的铜在电器领域中的应用。
为了解决上述技术问题，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种铜镍合金的分离方法，包括以下步骤：将铜镍合金置于惰性材料中作为阳极，以导电材料作为阴极，以酸性溶液作为电解液，进行电解，使得铜于阴极上析出，镍溶解于电解液中；
其中，阴极的表面积为阳极表面积的3～8％。
作为进一步技术方案，所述铜镍合金为粉状、粒状或块状中的至少一种。
作为进一步技术方案，所述惰性材料包括碳、钛、钛铱合金、钛钌合金和钛铑合金中的至少一种；
优选地，所述惰性材料用于盛放铜镍合金。
作为进一步技术方案，所述导电材料包括铜、铁、碳和钛中的至少一种；
优选地，所述导电材料为铜。
作为进一步技术方案，所述酸性溶液包括硫酸溶液、硝酸溶液和磷酸溶液中的至少一种；
优选地，所述酸性溶液为硫酸溶液；
优选地，硫酸溶液的浓度为150～200g/l，优选为160～190g/l。
作为进一步技术方案，所述阴极的表面积为阳极表面积的5～7％。
作为进一步技术方案，控制异极距为25～35mm，优选为28～32mm。
作为进一步技术方案，控制电解槽槽电压为0.8～1.8v，优选为1～1.6v。
作为进一步技术方案，控制阴极电流密度为1000～5000a/m2，优选为1500～4500a/m2。
作为进一步技术方案，控制电解液循环流量为1～1.5m3/h，优选为1.1～1.4m3/h。
作为进一步技术方案，电解液中镍的浓度控制在0.01～75g/l，优选为65～75g/l。
第二方面，本发明提供了一种铜镍合金的分离方法分离得到的铜在电器领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的铜镍合金的分离方法，以惰性材料作为阳极，以导电材料作为阴极，以稀酸溶液作为电解液，将铜镍合金置于阳极进行电解，实现铜镍的分离。其中，阴极的表面积为阳极表面积的3～8％，能够提高电解过程中阴极的电流密度，加快阳极铜镍合金的溶解和电解液中铜离子向阴极的迁移；通过对异极距、槽电压、阴极电流密度和电解液循环流量等参数的调节，能够避免镍离子于阴极的析出，调控分离的速度；且分离结束后，得到的电解液无需调酸净化。本分离方法操作简单、能耗成本低，无污染，无其他杂质引入，电流效率高，原料回收率高，产品纯度高，能够缓解传统铜镍合金分离的污染性大、成本高和工艺繁琐的技术问题。
本发明提供的应用铜镍合金的分离方法分离得到的铜，纯度高、成本低，能够作为原料应用于电器领域。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面，在一些具体的实施方式中提供了一种铜镍合金的分离方法，包括以下步骤：将铜镍合金置于惰性材料中作为阳极，以导电材料作为阴极，以酸性溶液作为电解液，进行电解，使得铜于阴极上析出，镍溶解于电解液中；
其中，阴极的表面积为阳极表面积的3～8％。
电解是将电流通过电解质溶液或熔融态电解质，在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程。在本发明中采用电解的方法对铜镍合金进行分离。
将铜镍合金置于惰性材料中作为阳极。铜镍合金又名白铜，因其耐蚀性优异，易于塑型、加工和焊接，具有广泛的应用。在本发明中，优选以铜镍合金的废料作为电解分离的原料，回收铜镍合金中的铜和镍。需要说明的是，本发明对于铜镍合金中，铜和镍的比例不作过多的限制，任意比例的铜镍合金均可采用本发明提供的方法进行分离。
阳极选用不易得失电子，不与电解液发生反应的惰性材料电极。在本发明的电解过程中，置于阳极上的铜镍合金会丢失电子，以铜离子和镍离子的形式溶解于电解液中，阳极的电极材料的活动性不能大于或接近铜和镍的金属活动性，否则电极会发生氧化反应并作为杂质溶解于电解液中，影响分离得到产品的纯度。需要说明的是，所述“惰性材料”为能够导电，在本发明的电解过程中不会发生氧化反应、不会与电解液发生反应的材料。
以导电材料作为阴极。在本发明中，铜的金属活动性小于镍的，溶解于电解液中的铜离子会在阴极上优先接收电子发生还原反应，析出铜单质。需要说明的是，所述“导电材料”为能够导电，不会与电解液发生反应的材料。
以酸性溶液作为电解液。酸性溶液能够提供阳离子和阴离子，具有导电性。在电解过程中，阳极的铜镍合金会发生氧化反应，以铜离子和镍离子的形式溶解于电解液中，然后在电场的作用下向阴极移动，根据铜和镍的金属活动性的不同，铜离子会优先于阴极上析出，镍离子则仍然存在于电解液中，最终实现合金中铜镍的分离。其中，在电解初始，由于电解液中不含有铜离子，首先在阴极接收电子的是氢离子，有少量氢气生成，而后才会有铜析出。需要说明的，所述酸性溶液为能够导电，在电解过程中其酸根离子不会发生氧化反应的酸溶液。
阴极的表面积为阳极表面积的3～8％。在电解过程中，阴极的表面积小于阳极的表面积，一方面，会导致阴极的电流密度很高，能够加速铜镍合金在阳极的溶解速度，从而加速合金中铜镍的分离；另一方面，会改变电解液中阴极与阳极间的电场强度，加快电解液中铜离子向阴极的迁移。
在本发明中，典型但非限制性地，阴极的表面积为阳极表面积的3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％或8％。
异极距又名极间距，是指阴极和阳极之间的距离。在电解池中，阴极和阳极的电解液相当于一块接在阴极和阳极间的电阻，异极距影响阴极和阳极间“电阻”的大小，进而影响电流的大小，且异极距越大，电流越小，电能的利用率越低。通常情况下，异极距越小越好，但是异极距过小会导致阴极和阳极间发生连电，不能进行电解，因此异极距需要严格控制。
槽电压即为阴极与阳极间的电压。在本发明中，通过在阴极和阳极间施加电压来实现电解反应的进行；通过控制槽电压的大小来避免溶于电解液中的镍离子于阴极上析出。
阴极电流密度为单位时间内通过阴极单位面积的电量。在本发明中，通过调节阴极电流密度的大小来调控铜镍合金的溶解速度，避免副反应的发生，提高阴极铜的纯度。
在本发明中，电解池连有一个装有电解液的槽，槽中溶液通过泵与电解池中的电解液形成循环。通过将电解液进行循环，降低镍离子在电解液中的浓度，提高电解液对镍离子容量，避免镍离子浓度过高于阴极上析出。
本发明提供的铜镍合金的分离方法，以惰性材料作为阳极，以导电材料作为阴极，以稀酸溶液作为电解液，将铜镍合金置于阳极进行电解，实现铜镍的分离。其中，阴极的表面积小于阳极的表面积，能够提高电解过程中阴极的电流密度，加快阳极铜镍合金的溶解和电解液中铜离子向阴极的迁移；通过对异极距、槽电压、阴极电流密度和电解液循环流量等参数的调节，能够避免镍离子于阴极的析出，调控分离的速度；且分离结束后，得到的电解液无需调酸净化。本分离方法操作简单、能耗成本低，无污染，无其他杂质引入，电流效率高，原料回收率高，产品纯度高，能够缓解传统铜镍合金分离的污染性大、成本高和工艺繁琐的技术问题。
在一种优选的实施方式中，铜镍合金为粉状、粒状或块状中的至少一种。需要说明的是，本发明对于铜镍合金的形状大小不做过多的限制，例如为粉状、粒状、块状，或者上述几种的混合，都可以采用本发明的分离方法进行分离回收。
在一种优选的实施方式中，惰性材料包括但不限于碳、钛、钛铱合金、钛钌合金和钛铑合金中的至少一种，或者采用本领域技术人员所熟知的与上述性质类似的其他电极材料。
优选地，所述惰性材料用于盛放铜镍合金。
在本发明中，将铜镍合金置于惰性材料中作为阳极，惰性材料需要有一定的形状能够盛放铜镍合金。因此惰性材料的形状例如为桶状、碗状或盆状，或者为能够盛放铜镍合金并且使盛放的铜镍合金能够与电解液相接触的其他形状。
在一种优选的实施方式中，导电材料包括但不限于铜、铁、碳和钛中的至少一种，或者采用本领域技术人员所熟知的与上述性质类似的其他电极材料。
优选地，所述导电材料为铜。
在本发明中，阳极生成的铜离子会在阴极发生还原反应析出铜单质，并附着在阴极上，二者不易分离，电解结束后还需将电极和铜进行分离。选用铜作阴极可以直接将阴极和析出的铜作为产品，减少了后续电极和析出铜的分离操作，能够降低生产成本。
在一种优选的实施方式中，酸性溶液包括但不限于硫酸溶液、硝酸溶液和磷酸溶液中的至少一种，或者采用本领域技术人员所熟知的与上述性质类似的其他酸性溶液。
优选地，所述酸性溶液为硫酸溶液。
优选地，硫酸的浓度为150～200g/l，优选为160～190g/l。
在本发明中，硫酸溶液典型但非限制性的浓度为150g/l、155g/l、160g/l、165g/l、170g/l、175g/l、180g/l、185g/l、190g/l、195g/l或200g/l。
通过对电解液的种类和浓度进行进一步优化和调整，使得铜镍合金能够更好的分离，提高电能的利用率，避免副反应的发生。
在一种优选的实施方式中，阴极的表面积为阳极表面积的5～7％。
通过对阴极和阳极表面积进行进一步优化和调整，使得铜镍合金的溶解速度更快，提高电解液中铜离子向阴极的迁移，加速合金的分离。
在一种优选的实施方式中，控制异极距为25～35mm，优选为28～32mm。
在本发明中，典型但非限制性地，控制异极距为25mm、26mm、27mm、28mm、29mm、30mm、31mm、32mm、33mm、34mm或35mm。
通过对异极距进行进一步优化和调整，使得铜镍合金的分离速度更快，提高电能的利用率，降低分离能耗。
在一种优选的实施方式中，控制电解槽槽电压为0.8～1.8v，优选为1～1.6v。通过控制电解槽槽电压的大小来调解电解反应的进行，避免溶于电解液中的镍离子于阴极上析出。
在本发明中，典型但非限制性地，控制槽电压为0.8v、0.9v、1v、1.1v、1.2v、1.3v、1.4v、1.5v、1.6v、1.7v或1.8v。
通过对槽电压进行进一步优化和调整，使得铜镍合金能够更好的分离，避免溶于电解液中的镍离子于阴极上析出。
在一种优选的实施方式中，控制阴极电流密度为1000～5000a/m2，优选为1500～4500a/m2。通过调节阴极电流密度的大小来调控铜镍合金的溶解速度，避免副反应的发生，提高阴极铜的纯度。
在本发明中，典型但非限制性地，控制阴极电流密度为1000a/m2、1500a/m2、2000a/m2、2500a/m2、3000a/m2、3500a/m2、4000a/m2、4500a/m2或5000a/m2。
通过对阴极电流密度进行进一步优化和调整，使得铜镍合金分离速度更加适宜，避免副反应的发生，进一步提高阴极铜的纯度。
在一种优选的实施方式中，控制电解液循环流量为1～1.5m3/h，优选为1.1～1.4m3/h。将电解液进行循环，能够降低镍离子在电解液中的浓度，提高电解液对镍离子容量，避免镍离子浓度过高于阴极上析出。
在本发明中，典型但非限制性地，控制电解液循环流量为1m3/h、1.05m3/h、1.1m3/h、1.15m3/h、1.2m3/h、1.25m3/h、1.3m3/h、1.35m3/h、1.4m3/h、1.45m3/h或1.5m3/h。
通过对电解液循环流量进行进一步优化和调整，使得电解液中镍离子分布均匀，提高电解液对镍离子的容量，节省泵的耗电量。
在一种优选的实施方式中，电解液中镍的浓度控制在0.01～75g/l，优选为60～75g/l。电解开始前，电解液中不含有镍离子，随着电解的进行，阳极上的镍会逐渐溶解于电解液中，电解液中镍离子的浓度会逐渐升高，当电解液中镍离子的浓度足够高后，溶液中的镍离子会在阴极上析出，影响铜镍合金分离的进行，因此电解液中镍离子的浓度需要控制在一定的范围内。
在本发明中，电解液中镍典型但非限制性的浓度为0.01g/l、5g/l、10g/l、15g/l、20g/l、25g/l、30g/l、35g/l、40g/l、45g/l、50g/l、55g/l、60g/l、65g/l、70g/l或75g/l。
在本发明中，将镍铜合金金属置于钛阳极篮中作为阳极，以纯铜棒作为阴极，阴极表面积为阳极表面积的5～7％，以总酸浓度为160～190g/l硫酸溶液作为电解液，电解液进行循环控制，将阴极和阳极置于电解槽中进行常温电解，控制异极距为28～32mm，循环流量为1.1～1.4m3/h，槽电压调为1～1.6v，阴极电流密度为1500～4500a/m2。当电解液中镍含量为65～75g/l时，关闭直流电源和电解液循环泵，完成镍铜分离，电解液中铜的含量低于0.0009g/l，镍的含量高达72.2g/l，阴极铜的纯度高达99.97％，电流效率在97.2％以上，电能消耗低。
第二方面，在一些具体的实施方式中提供了一种铜镍合金的分离方法分离得到的铜在电器领域中的应用。
本发明提供的应用铜镍合金的分离方法分离得到的铜，纯度高、成本低，能够作为原料应用于电器领域。
下面通过具体的实施例和对比例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，包括如下步骤：
将镍铜合金金属置于钛阳极篮中作为阳极，以纯铜棒作为阴极，阴极表面积为阳极表面积的5％，以总酸浓度为150g/l硫酸溶液作为电解液，电解液进行循环控制，将阴极和阳极置于电解槽中进行常温电解，控制异极距为30mm，循环流量为1.2m3/h，槽电压调为0.8v，阴极电流密度为1000a/m2。通电38h时，关闭直流电源和电解液循环泵，完成镍铜分离。
实施例2
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，包括如下步骤：
将镍铜合金金属置于钛阳极篮中作为阳极，以纯铜棒作为阴极，阴极表面积为阳极表面积的6％，以总酸浓度为160g/l硫酸溶液作为电解液，电解液进行循环控制，将阴极和阳极置于电解槽中进行常温电解，控制异极距为30mm，循环流量为1.2m3/h，槽电压调为1.32v，阴极电流密度为2700a/m2。通电16h时，关闭直流电源和电解液循环泵，完成镍铜分离。
实施例3
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，包括如下步骤：
将镍铜合金金属置于钛阳极篮中作为阳极，以纯铜棒作为阴极，阴极表面积为阳极表面积的7％，以总酸浓度为170g/l硫酸溶液作为电解液，电解液进行循环控制，将阴极和阳极置于电解槽中进行常温电解，控制异极距为30mm，循环流量为1.2m3/h，槽电压调为1.62v，阴极电流密度为3500a/m2。通电13h时，关闭直流电源和电解液循环泵，完成镍铜分离。
实施例4
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，包括如下步骤：
将镍铜合金金属置于钛阳极篮中作为阳极，以纯铜棒作为阴极，阴极表面积为阳极表面积的8％，以总酸浓度为180g/l硫酸溶液作为电解液，电解液进行循环控制，将阴极和阳极置于电解槽中进行常温电解，控制异极距为30mm，循环流量为1.2m3/h，槽电压调为1.62v，阴极电流密度为4000a/m2。通电15h时，关闭直流电源和电解液循环泵，完成镍铜分离。
实施例5
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，包括如下步骤：
将镍铜合金金属置于钛阳极篮中作为阳极，以纯铜棒作为阴极，阴极表面积为阳极表面积的8％，以总酸浓度为200g/l硫酸溶液作为电解液，电解液进行循环控制，将阴极和阳极置于电解槽中进行常温电解，控制异极距为30mm，循环流量为1.2m3/h，槽电压调为1.78v，阴极电流密度为5000a/m2。通电14h时，关闭直流电源和电解液循环泵，完成镍铜分离。
实施例6
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于阴极表面积为阳极表面积的3％。
实施例7
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于电解液为浓度为180g/l的稀硫酸。
实施例8
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于电解液为浓度为200g/l的稀硫酸。
实施例9
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于槽电压为1.32v，阴极电流密度为2700a/m2。
实施例10
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于槽电压为1.62v，阴极电流密度为3500a/m2。
实施例11
本实施例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于槽电压为1.8v，阴极电流密度为5000a/m2。
对比例1
本对比例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于阴极表面积为阳极表面积的150％。
对比例2
本对比例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于电解液为浓度为100g/l的稀硫酸。
对比例3
本对比例提供了一种铜镍合金的分离方法，与实施例1的区别在于槽电压为0.3v，阴极电流密度为400a/m2。
试验例1
分别对实施例1-11和对比例1-3电解后的阴极铜纯度、电解液中铜和镍的含量、电解时间、电解每吨合金的能耗和电流效率进行检测，结果如表1所示。
表1实施例1-11和对比例1-3电解后的阴极铜纯度、电解液中铜和镍的含量、电解时间、电解每吨合金的能耗和电流效率
如表1所示，采用本发明提供的铜镍合金的分离方法分离得到的铜的纯度在99.96％以上，电解液中铜的含量在0.0009g/l以下，电解液中镍的含量在65.1g/l以上，电流效率在96.52％以上。实施例1-11的分离效果远远优于对比例1-3的分离效果，而且本分离方法操作简单、能耗成本低，无污染，无其他杂质引入，分离速度快，原料回收率高，产品纯度高，能够缓解传统铜镍合金分离的污染性大、成本高和工艺繁琐的技术问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。