CN104404575B - 金属电解槽及金属电解工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属电解槽包括槽体、阳极板、阴极板及安装在槽体相对两端的弧形导液凸起，阳极板和阴极板交错布置在槽体内，槽体上设有进液口和溢流口，阴极板两侧的进液口位于阴极板同一端，阳极板两侧的进液口分别位于阳极板两端，阴极板两端分别与弧形导液凸起的凸起端抵接，阳极板与弧形导液凸起之间设有液体导流腔体。两相邻阴极板同其中间的阳极板形成一个类似封闭的空间，电解液通过阴极板一端和相邻阴极板另一端的进液口快速喷射进入该空间后，按顺时针或逆时针方向流动，利用电解液自身存在的动能，很好的降低两极板间金属离子的浓度差，有效地减小了浓差极化。本发明还公开了一种金属电解工艺。

Description

金属电解槽及金属电解工艺

技术领域

本发明涉及金属电解技术领域，特别涉及一种金属电解槽。本发明还涉及一种金属电解工艺。

背景技术

金属电解槽主要用于铜、铅、镍等金属的电解及电解液的净化。例如传统的铜的冶炼是将矿产原料铜精矿经过熔炼、吹炼、火法精练步骤之后得到阳极铜。阳极铜经过金属电解槽的电解精练之后得到电解铜，铜的纯度提高。

电解精炼是有色金属冶炼过程中金属精炼的主要手段，也是有色金属冶炼的一个最终环节，其技术及配套设备的先进与否直接影响到金属的质量好坏和产能高低。在有色金属中铜、铅和镍等金属的电解或电解液净化过程均基于电化学原理，将阴极和阳极置于盛有含金属离子的溶液的槽中，通电后在电极上发生电化学反应，阳极上单质金属失去电子变为金属离子，通过扩散向阴极方向运动；阴极上金属离子不断析出、沉积。由于溶液中各种金属离子的电极电位决定了它们在阴极和阳极上反应的顺序，在阴极上优先析出的是电极电位较高的金属，而各金属的电极电位是由标准电极电位和该金属离子的浓度确定的。

铜在水溶液电解过程中，其电析出的量遵守法拉第定律，可以用下式(1)表示为：

mCu＝1.1852×i×A×t (1)

式中：mCu为析出的金属的质量(g)，i为电流密度(A/m²)，t为时间(s)。

由(1)式可以看出，在现有工艺设备和技术的前提下，若要提高产能，唯一的途径就是提高电流密度。

但在生产实践中，若单纯的只提高电流密度，在阴极上析出金属的速度加快，这往往会造成阴极附近的金属Cu²⁺浓度降低，即产生了浓差极化，从而引起电极电位的降低，使主要的金属不能在阴极上优先析出，导致杂质金属的析出，影响产品质量。在阳极上电流密度的提高，促使阳极溶解过快，使阳极溶解产生的Cu²⁺不能迅速离开阳极-溶液界面向阴极区扩散，同样也导致浓差极化，通过阳极区Cu²⁺浓度到达饱和或过饱和，将产生铜的氧化物或难溶性的盐沉积于阳极表面，就会阻滞阳极反应，阳极电位升高,造成大量杂质离子溶解进入电解液中而污染电解液，严重时甚至造成阳极钝化，增大了能耗。因此，浓差极化是导致铜、铅、镍在电解或电积过程中电流密度提高受到限制的主要原因。

实际生产中，可以通过提高电解过程中电解液的循环量来减小两极板间的浓差极化，从而提高电解电流密度，提高产能。但是在近200年的生产实践中，铜电解工艺虽然有了长足的发展，电流密度也由原有的250A/m²提高到了420A/m²，但由于受其电解液循环方式的原因，仍不能很好的解决浓差极化问题带来的影响，电流密度再无更大的突破，与理论电解电流密度1000A/m²相差甚远。如图1和图2所示，现有的金属电解槽包括槽体01、阳极板03、阴极板04和导电排06，其中阳极板03和阴极板04交错布置于槽体01内，且阳极板03和阴极板04两端均放置在导电排06上。槽体01顶部侧面设有溢流口05，槽体01底端设有进液口02，其中进液口02位于槽体01同一侧。

金属电解槽在工作时，电解液由进液口02进入槽体01内部，电解液通过靠近阴极板04两侧的进液口沿平行于阴极板04方向喷出，然后，喷出的电解液通过极板与对侧槽体01壁之间的缝隙向槽体两端运动，之后通过槽体两端的溢流口返回到电解液循环系统。电解液由下至上运动，最终通过溢流口05排出，其中电解液在向上运动过程中，阴极和阳极置于盛有含金属离子的溶液的槽中，通电后在电极上发生电化学反应，阴极上有金属不断析出、沉积。

然而，由于进液口02位于槽体的同一侧，即金属电解槽为单侧进液，电解液由槽体01一侧向另一侧运动时，与进液口02相对一侧及电解槽上部的电解液流动速度较慢。当电流密度升高时，阳极上金属离子溶解速度加快，阴极上金属离子析出速度加快，由于电解液循环速度过慢，不能及时降低两极板间金属离子的浓度差，造成阴极板质量下降、槽电压升高，严重会造成阳极钝化等一系列问题，不仅影响了正常生产，槽电压的升高也大大提高了生产能耗。

同时，现有技术采用下进上出循环方式，使得电解液循环方向同阳极泥沉降方向相反，若提高电解液循环量，势必会影响阳极泥沉降，严重时会造成电解液浑浊，使得大量阳极泥机械的附着于阴极板上，造成产品质量下降。

因此，如何降低浓差极化，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属电解槽，该金属电解槽内的浓差极化降低。本发明的另一目的是提供一种金属电解工艺。

为实现上述目的，本发明提供一种金属电解槽，包括槽体、阳极板及阴极板，所述阳极板和所述阴极板交错布置在所述槽体内，所述槽体上设有进液口和溢流口，还包括安装在所述槽体相对两端的弧形导液凸起，所述阴极板两侧的所述进液口位于所述阴极板同一端，所述阳极板两侧的所述进液口分别位于所述阳极板两端，所述阴极板两端分别与所述弧形导液凸起的凸起端抵接，所述阳极板与所述弧形导液凸起之间设有液体导流腔体。

优选地，所述进液口位于所述槽体上部。

优选地，所述弧形导液凸起的弧度为60°至180°。

优选地，所述进液口向下倾斜的角度为0°至20°。

优选地，还包括安装在所述槽体上的液体导流板，所述液体导流板与所述槽体侧面密封，所述液体导流板与所述槽体侧面形成溢流通道，所述溢流通道两端分别与所述槽体内部腔体和所述溢流口连通。

优选地，所述槽体底端为倾斜导向面，所述槽体的底端设有排液口和清淤口，所述清淤口的高度低于所述排液口的高度。

一种金属电解工艺，包括步骤：

1)电解液由槽体上部的进液口进入阴极板与阳极板之间，其中，所述阴极板两侧的所述进液口位于所述阴极板同一端，所述阳极板两侧的所述进液口分别位于所述阳极板两端；

2)在所述槽体相对两端设置弧形导液凸起，所述阴极板两端分别与所述弧形导液凸起的凸起端抵接，所述阳极板与所述弧形导液凸起之间设有液体导流腔体，电解液围绕阳极板顺时针或逆时针旋转；

3)电解液由所述槽体底部流动至由设置在槽体内的导流板与所述槽体侧壁形成的溢流通道内，再由所述槽体上的溢流口排出。

优选地，所述阴极板单侧电解液流量为1.0L/min-3.0L/min，电解液压力在0.2MPa-0.5MPa。

优选地，电流密度为500A/m²～700A/m²。

在上述技术方案中，本发明提供的金属电解槽包括槽体、阳极板、阴极板及安装在槽体相对两端的弧形导液凸起，阳极板和阴极板交错布置在槽体内，槽体上设有进液口和溢流口，阴极板两侧的进液口位于阴极板同一端，阳极板两侧的进液口分别位于阳极板两端，阴极板两端分别与弧形导液凸起的凸起端抵接，阳极板与弧形导液凸起之间设有液体导流腔体。通过上述描述可知，阳极板的两端均设有进液口，电解液围绕阳极板顺时针和逆时针转动，通过电解液对流，增强了阳极板和阴极板周围电解液的流动速度，电解液在密闭空间中向下流动，经过极板与槽体底部的空间分别向槽体两端流动，之后通过溢流口重新回到电解液循环系统中。两相邻阴极板同其中间的阳极板形成一个类似封闭的空间，电解液通过阴极板一端和相邻阴极板另一端的进液口快速喷射进入该空间后，按顺时针或逆时针方向流动，即成功利用了电解液自身存在的动能，很好地降低两极板间金属离子的浓度差，有效地降低了浓差极化。

附图说明

图1为现有的金属电解槽的结构示意图；

图2为现有的金属电解槽的俯视图；

图3为本发明具体实施例所提供的金属电解槽的结构示意图；

图4为本发明具体实施例所提供的槽体与弧形导液凸起和液体导流板的结构示意图；

图5为本发明具体实施例所提供的金属电解槽的俯视图；

图6为本发明具体实施例所提供的槽体与液体导向板的安装位置图。

其中图1-6中：01-槽体、02-进液口、03-阳极板、04-阴极板、05-溢流口、06-导电排；

1-槽体、2-进液口、3-阳极板、4-阴极板、5-溢流口、6-导电排、7-液体导流板、8-清淤口、9-排液口、10-倾斜导向面、11-弧形导液凸起、12-溢流通道。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种金属电解槽，该金属电解槽的浓差极化降低。本发明的另一核心是提供一种金属电解工艺。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图3至图6，在一种具体实施方式中，本发明提供的金属电解槽包括槽体1、导电排6、阳极板3、阴极板4及安装在槽体1相对两端的弧形导液凸起11，具体的，优选，弧形导液凸起11的弧度为60°至180°，具体的，弧形导液凸起11的弧度为75°。阴极板4两端分别与弧形导液凸起11的凸起端抵接，阳极板3与弧形导液凸起11之间设有液体导流腔体。阳极板3和阴极板4交错布置在槽体1内，阳极板3和阴极板4均安装在导电排6上。阴极板4可以为不锈钢材质，阳极板3和阴极板4的具体数量根据实际需求而定。为了便于电解液循环，优选，阳极板3比阴极板4多一块。槽体1的底部设有清淤口8和排液口9，具体的，槽体1内部底面可以为水平面。槽体1上设有进液口2和溢流口5，进液口2可以位于槽体1底部，为了与阳极泥沉降方向一致，有利于阳极泥的沉降，避免阳极泥污染阴极电解出的金属的情况，优选，进液口2位于槽体1的上部。如图5所示，阴极板4两侧的进液口2位于阴极板4同一端，阳极板3两侧的进液口2分别位于阳极板3两端。其中进液口2可以为一定宽度和长度的竖直缝隙，也可以为圆孔。

阴极板4每侧的进液口2可以为多个，多个进液口2可以横向排布，也可以纵向排布，由于阴极板4与阳极板3之间的横向距离较短，优选，进液口2纵向排布，为了便于工作人员加工进液口2，优选，进液口2为直径相等的圆孔。进液口2的宽度、竖直高度或个数、直径需要根据具体的进液量和进液速度而定。槽体1可以采用耐腐蚀材料一次性整体浇铸成型，材料选用树脂砂浆，树脂材料中优选环氧树脂、不饱和聚酯树脂或呋喃树脂中的任意一种，有效地提高槽体1的抗腐蚀、绝缘、抗渗漏等性能，且安全环保。为了便于阳极泥快速沉降，且便于电解液发生反应，优选，进液口2向下倾斜的角度为0°至20°，具体，进液口2向下倾斜的角度为10°。

通过上述描述可知，在本发明具体实施例所提供的金属电解槽中，阳极板3的两端均设有进液口2，电解液围绕阳极板3顺时针和逆时针转动，通过电解液对流，增强了阳极板3和阴极板4周围电解液的流动速度。通过设置电解液在由相邻阴极板4和导液槽形成的类似封闭空间内沿顺时针或逆时针方向流动，通过电解液对流，增强了阳极板3和阴极板4周围电解液的流动速度，降低了浓差极化。电解液在密闭空间中向下流动，经过极板与槽体1底部的空间分别向槽体1两端流动，之后通过溢流通道12进入溢流口5重新回到电解液循环系统中。进液口2的位置更靠近于阴极板4两侧。两相邻阴极板4同其中间的阳极板3形成一个类似封闭的空间，可以通过变频泵加压后的电解液通过阴极板4一端和相邻阴极板4另一端的进液口2快速喷射进入该空间后，按顺时针或逆时针方向流动，即成功利用了电解液自身存在的动能，也可以很好的降低两极板间金属离子的浓度差，强化了阳极板和阴极板两端离子的扩散，减小了浓差极化，提高了电流密度，增加了产能，降低了能耗。由于，进液口2位于槽体1的上部，与阳极泥的沉降方向一致，有利于阳极泥的沉降，更好的降低了阳极泥污染电解液的可能。同时，在与传统的阴极金属电解量相同的情况，有效地减少了进液口2处的电解液循环量。由于通过电解液对流，增强了阳极板3和阴极板4周围电解液的流动速度，可以提高电流密度，进而提高金属电解槽的生产效率。

进一步，该金属电解槽还包括安装在槽体1上的液体导流板7，液体导流板7与槽体1侧面密封，液体导流板7与槽体1侧面形成溢流通道12，溢流通道12两端分别与槽体1内部腔体和溢流口5连通。电解液通过向下和横向流动之后，将携带的阳极泥沉降于槽体1底部后，在槽体1两端通过溢流通，进入溢流口5后重新流入电解液循环系统。

在上述各方案的基础上，优选，槽体1底端为倾斜导向面10，槽体1的底端设有排液口9和清淤口8，清淤口8的高度低于排液口9的高度。由于清淤口8的高度低于排液口9的高度，便于阳极泥的收集，且避免排放槽体1内液体时，阳极泥也被排出的情况，避免能源浪费。

本申请提供的一种金属电解工艺，包括步骤：

1)电解液由槽体1上部的进液口2进入阴极板4与阳极板3之间，阴极板4两侧的进液口2位于阴极板4同一端，阳极板3两侧的进液口2分别位于阳极板3两端。其中阴极板4单侧电解液流量为1.0L/min-3.0L/min，优选，阴极板4单侧进液量控制在2.0L/min，电解液中铜离子浓度控制在48g/L-50g/L之间，电解液压力在0.2MPa-0.5MPa。电流密度为500A/m²～700A/m²，具体，电流密度可以控制在570A/m²。槽体1内温度为60℃～65℃左右。

2)在槽体1相对两端设置弧形导液凸起，阴极板4两端分别与弧形导液凸起11的凸起端抵接，阳极板3与弧形导液凸起11之间设有液体导流腔体，电解液围绕阳极板3顺时针或逆时针旋转；优选，弧形导液凸起11的弧度为60°至180°，具体的，弧形导液凸起11的弧度为75°。阴极板4两端分别与弧形导液凸起11的凸起端连接，阳极板3与弧形导液凸起11之间设有液体导流腔体。通过设置电解液在由相邻阴极板4和导液槽形成的类似封闭空间内沿顺时针或逆时针方向流动，通过电解液对流，增强了阳极板3和阴极板4周围电解液的流动速度，减小了浓差极化。

3)电解液由槽体1底部流动至由设置在槽体内的导流板7与槽体1侧壁形成的溢流通道12内，再由槽体1上的溢流口5排出。即槽体1上设置有液体导流板7，液体导流板7与槽体1侧面密封，液体导流板7与槽体1侧面形成溢流通道12，溢流通道12两端分别与槽体1内部腔体和溢流口5连通。电解液通过向下和横向流动之后，将携带的阳极泥沉降于槽体1底部后，在槽体1两端通过溢流通道12，进入溢流口5后重新流入电解液循环系统。

通过该金属电解工艺，由于电解液由槽体1顶端进入槽体1内部，与阳极泥沉降方向一致，有利于阳极泥的沉降，避免阳极泥污染阴极电解出的金属的情况，该金属电解工艺能够提高阴极金属的电解精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种金属电解槽，包括槽体(1)、阳极板(3)及阴极板(4)，所述阳极板(3)和所述阴极板(4)交错布置在所述槽体(1)内，所述槽体(1)上设有进液口(2)和溢流口(5)，其特征在于，还包括安装在所述槽体(1)相对两端的弧形导液凸起(11)，所述阴极板(4)两侧的所述进液口(2)位于所述阴极板(4)同一端，所述阳极板(3)两侧的所述进液口(2)分别位于所述阳极板(3)两端，所述阴极板(4)两端分别与所述弧形导液凸起(11)的凸起端抵接，所述阳极板(3)与所述弧形导液凸起(11)之间设有液体导流腔体。

2.根据权利要求1所述的金属电解槽，其特征在于，所述进液口(2)位于所述槽体(1)上部。

3.根据权利要求1所述的金属电解槽，其特征在于，所述弧形导液凸起(11)的弧度为60°至180°。

4.根据权利要求1所述的金属电解槽，其特征在于，所述进液口(2)向下倾斜的角度为0°至20°。

5.根据权利要求1所述的金属电解槽，其特征在于，还包括安装在所述槽体(1)上的液体导流板(7)，所述液体导流板(7)与所述槽体(1)侧面密封，所述液体导流板(7)与所述槽体(1)侧面形成溢流通道(12)，所述溢流通道(12)两端分别与所述槽体(1)内部腔体和所述溢流口(5)连通。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的金属电解槽，其特征在于，所述槽体(1)底端为倾斜导向面(10)，所述槽体(1)的底端设有排液口(9)和清淤口(8)，所述清淤口(8)的高度低于所述排液口(9)的高度。

7.一种金属电解工艺，其特征在于，包括步骤：

1)电解液由槽体(1)上部的进液口(2)进入阴极板(4)与阳极板(3)之间，其中，所述阴极板(4)两侧的所述进液口(2)位于所述阴极板(4)同一端，所述阳极板(3)两侧的所述进液口(2)分别位于所述阳极板(3)两端；

2)在所述槽体(1)相对两端设置弧形导液凸起，所述阴极板(4)两端分别与所述弧形导液凸起(11)的凸起端抵接，所述阳极板(3)与所述弧形导液凸起(11)之间设有液体导流腔体，电解液围绕所述阳极板(3)顺时针或逆时针旋转；

3)电解液由所述槽体(1)底部流动至由设置在槽体内的导流板(7)与所述槽体(1)侧壁形成的溢流通道(12)内，再由所述槽体(1)上的溢流口(5)排出。

8.根据权利要求7所述的金属电解工艺，其特征在于，所述阴极板(4)单侧电解液流量为1.0L/min-3.0L/min，电解液压力在0.2MPa-0.5MPa。

9.根据权利要求7所述的金属电解工艺，其特征在于，电流密度为500A/m²～700A/m²。