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CN108474124A - 用于从溶液中电沉积金属的压滤装置，其由形成多个阳极电解液腔室和阴极电解液腔室的离子交换膜所形成的分离元件构成，电极与金属产物的自动分离件串联连接 - Google Patents

用于从溶液中电沉积金属的压滤装置，其由形成多个阳极电解液腔室和阴极电解液腔室的离子交换膜所形成的分离元件构成，电极与金属产物的自动分离件串联连接 Download PDF

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CN108474124A
CN108474124A CN201680060282.1A CN201680060282A CN108474124A CN 108474124 A CN108474124 A CN 108474124A CN 201680060282 A CN201680060282 A CN 201680060282A CN 108474124 A CN108474124 A CN 108474124A
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metal
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cathode
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加布里埃尔·安赫尔·里韦罗斯·乌尔苏亚
马格达莱纳·西富恩特斯·卡韦萨斯
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Abstract

本发明涉及一种用于从具有低或者高含量的金属溶解于其中的酸性、中性或碱性溶液中电沉积金属的方法。该装置设置用于以无瑕疵和纯净的电解金属板的形式电解产生金属。压滤装置由与溶液串联电连接和液压并联连接的多个电解池构成，每个电解池包括交替的四边形框架和离子交换膜，以交替地形成阳极隔室和阴极隔室。考虑到每个框架包括内表面上的入口和出口以及内表面上的孔，每个隔室提供液体的自由流动，阳极电解液或阴极电解液通过每个隔室并且电解产物以金属或金属化合物形式从阳极电解液隔室排出，或者从阴极电解液隔室排出。除端电极以外的所有电极都是双极的并且设计有垂直基板，各个阳极电解液处于电解池单元时其一侧作为阳极，并且各个阴极电解液处于相邻的电解池单元时其另一侧作为阴极。端电极的外侧包括用于一排电解池的电连接器，使得相邻的基板的电极被插入，而不需要直接彼此接触，形成一组电极板。

Description

用于从溶液中电沉积金属的压滤装置，其由形成多个阳极电 解液腔室和阴极电解液腔室的离子交换膜所形成的分离元件 构成，电极与金属产物的自动分离件串联连接
背景技术
用于从矿物中萃取金属的方法和装置在广谱中是已知的，技术文献展示了这些技术。
通常，在铜电解液来自粗铜阳极或回收废金属的情况下，该系列的最后工艺为电解提纯；或者如果铜来自溶解于浓硫酸或其它酸性或碱性介质溶液中的氧化铜或硫酸铜，则该系列的最后工艺是电解沉积(以下也称为EW)。在第一种情况下，对于电解提纯，电解液来自硫化铜，而在第二种情况下，对于电解沉积，电解液来自溶剂萃取(以下也称为SX)。在这两种情况下，通过施加电流，溶解的铜沉积在表面上而形成高纯度阴极。进行该工艺的槽通常被称为电解沉积池或电解提纯池，或者追溯到上个世纪，也可被称为电解槽。
在工业中已很好地建立了后一种工艺，例如来自溶剂萃取(SX)的电解液由硫酸盐和硫酸以及杂质铁(<1g/l)、锰和氯构成，其中浓度为：铜为40g/l至45g/l，酸为180g/l至200g/l。添加硫酸钴和瓜尔豆胶，作为改善阴极质量的添加剂。
电沉积所带来的问题之一是形成酸雾(O2+H2SO4)，并且为了保持产品的质量具有可接受的阴极沉积物，具有保持在250A/m2至360A/m2之间的临界电流密度。在此范围以外，阴极可能密度低、有光泽，并且通常在商业上不可接受。技术文献还显示，由于阳极反应，存在大量相关的能量消耗，近似3kWh/kg Cu，并且这与半反应阴极沉积涉及双电子工艺，即二价铜排出金属铜的事实相关。因为亚铜离子比铜离子具有更大的还原电位，这表明亚铜离子分解成铜离子和金属铜的自然趋势，因此不可能在包括一价铜的硫酸环境中进行操作。
为避免从硫酸铜生产铜，工业上采用的最经济的方式是在存在过量氯离子的盐酸环境中进行电解池操作，其执行络合作用，以优化的方式转换不均衡反应的平衡。因此，可以利用氯化铜和氯化钠对矿物进行侵蚀，从而可以使一价铜的含量最大化。利用5g/l至75g/l的Cu+与60g/l至300g/l的NaCl以及1M的盐酸获得并且pH不大于2的典型溶液可用于电解沉积工艺。该方法降低了能量消耗，但因为即使在电流密度不大于1kA/m2的情况下操作，阴极的粘附性和光泽度仍然存在问题，所以阴极的质量与利用硫酸铜所获得的质量不相似。为此，罗宾逊等人2010年2月的专利US7,658,833B2通过借助于允许电解液在电解槽中从阳极到阴极进行可控循环的半透膜来改变阴极沉积来解决该问题。
在澳大利亚，氯化技术在工业层次上得到使用，但工厂的腐蚀过度，导致生产停止。因此，现今还没有实施亚铜离子的技术。
另一方面，在任何用于获得可接受质量的金属沉积物的电解系统中，尤其是如果要获得商品化性阴极，如在大多数电解沉积和电解提纯工艺中的情况那样，这由电流密度构成，其与电极的表面积直接相关，因此与电解池的大小及其成本直接相关。因此，任何用于增加电流密度限制而未显着增加其成本的开发都受到高度重视。因此，为减少与阴极相邻的膜在厚度上的增加，其中厚度增加降低扩散率，并且防止上述目的，需要增加对电解液的搅拌。在这方面，有很多专利提出了不同的机制。
专利号为4,053,377的专利开发了一种电沉积池，其中均匀的溶液流通过电极保持，电流密度范围为645A/m2至4300A/m2。具体而言，电解液通过离心泵而被引入到电解池中，经过在文氏管内具有数量增加的开口的一系列浇口。电解液以23m/min的平均速度在大型电解池内流动。
考虑到由于通过外部管道泵送效率低而造成的商业上的不可实行性，另一种解决方案是专利号为4,139,429的美国专利提出的一种新型电解池，其包括以适中且均匀的速度平行引入电解液，在使移动电解液时的能量损失最小化的同时，通过电极的整个表面。同样最大化了每单位输入能量的电解液的速度，并且提出了一种新的电解池设计，适于包括两个侧壁、两个拱形壁和一个底部。邻近每一个拱形壁的是位于中心(在底部)的搅拌器，该搅拌器在电解池中旋转并产生电解液的再循环流。在该工艺中使用的电流密度至少为430A/m2。
专利号为1999年的专利号为5,855,756的美国专利公开了另一种电解提纯池的方法和设计，其增加电解液流速，同时保持电解池底部的粘土层并保持阳极表面基本完整。电解池包括位于电解池底部附近的集电极并具有用于电解溶液的多个排放开口。当使用了类似的构造来排出电解液，会允许流入和流出电解池的流量相对较高。
这些示例说明了对改进电解槽的操作的尝试，但未能实现其目标。
与常规电解池不同并考虑到利用高于1kA/m2的较高电流密度来引导流体的湍流的电解池概念为EMEW(电解金属电解沉积(ElectroMetals ElectroWinning))电解池，其在德巴尔等人在1996年6月25日的专利号为5,529,672的美国专利中进行描述。这种电解池可以在铜处于5g/l至45g/l之间的情况下的电解液浓度中进行工作，同时可以耐受较高浓度的杂质，诸如其它物质之中的氯化物(10g/l)、三价铁(15g/l)等；其特点包括只要PLS的质量在杂质含量方面是可接受的，其就能够在没有SX阶段的情况下进行操作。也可以使用其来电解萃取诸如Zn、Ni和Ag的其它金属。该电解池由两个圆柱形电极构成，由钛基合金制成的阳极和由不锈钢制成的外部阴极。电解池腔室是封闭的，所以没有酸雾排放，在较高流速下切向供给电解液，能够在高于1kA/m2的较高电流密度下操作以获得A级阴极。虽然这种类型的电解池与常规的电解池有很大的不同，但其能够以较高的电流效率来获得更高的电流密度，就能量而言，其效果并不显著，同时产生不容易被市场所接受的阴极。
在常规的EW电解池中，在阳极上发生的反应为水的电解分解，因为其不会产生能够减少阴极的阳离子，所以这不会影响电流使用的效率。然而，使用这种阳极反应需要较高的电解池电压，除了在电解沉积建筑物中产生酸雾以外，还会导致较高的能耗。
还研究了使用Fe2+到Fe3+的氧化反应作为铜EW中的阳极反应。然而，因为部分电流在靠近阴极的Fe3+离子的还原反应时被消耗，所以在常规EW中使用这种阳极反应会涉及阴极电流效率的降低。因此，离子交换膜在这种技术中是有意义的，因为可以分离两种溶液，一种具有铜离子(阴极电解液)，另一种包括离子离子(阳极电解液)，通过在溶液中选择性地转移物质并允许进行铜的电沉积的方式保持它们之间的导电性。
基于先前的资料，使用膜作为流化床电解池开发了常规电解池的替代电解池。专利号为2009年2月24日的专利号为7,494,592B2的美国专利描述了题为“喷泉床”的电解池，该电解池表面上改善了流体动力学条件。这些流化床电解池在大多数设计中由独立的阳极电解液隔室和阴极电解液隔室构成，由隔膜隔开。所述离子交换膜用作床(bed)的支撑件。因为初始颗粒成为最终产品的一部分，所以形成阴极的金属必须与待获取的金属相同；因此，在铜的情况下，该电解池在阴极电解液隔室中具有铜颗粒床，其通过经由隔膜或分配器进入电解池的溶液的向上流动而成为悬浮态。铜颗粒通过插入床内的电流进行阴极极化，并且电解池回路利用用于阳极电解液隔室中存在的氧化反应的材料阳极完成。电解池的这种类型的主体可以是矩形或圆柱形，但在这两种情况下，电解液通过主体底部供给，而电解液的排出通过上部溢出来实现。这种类型的电解池的特征在于具有较大的阴极表面积，这允许它们具有更多用于铜沉积的面积，并且在较低的电流密度下进行操作，这导致阴极极化减小。床的流化还在溶液和电极之间产生较高的相对速度，这增加了传质。在后一种情况下，电解池主体可以是圆柱形或具有平坦的几何形状。
不能忽视的是，应当注意的是，这种类型的流化床电解池存在诸如以下问题的缺陷：支撑床的材料的机械强度、床中大量的溶解区(由于电势分布)、使大量颗粒流化的较高的泵送成本以及污染膜的趋势、产生钝化层。这些限制阻碍了这种类型的电解池在工业层次上的广泛应用。
使用膜的其它替代性电解池是专门设计的电渗析池，其在阳极和阴极之间具有交替的单极离子交换膜并且具有垂直于它们的电场。这种类型的电解池能够分离和浓缩不同的离子种类，因此其主要用于工业废水处理、食品制造的物质生产以及海水淡化。分离离子种类的过程称为电渗析(以下也称为ED)，并且当在电极上也提供特定的化学反应时，它被称为反应电渗析(以下也称为RED)，即一种已用于处于实验室层次的铜生产的技术。
具有两个和三个涉及使用离子交换膜的隔室的RED电解池在以下出版物进行了描述：L.Cifuentes等人的出版物“铜在两隔室和三隔室反应电渗析池中的电解沉积”，化学工程科学61(2006)，3623至3631；J.M.Casas和M.Amigo所著的2009年8月7日的专利号为49958的智利专利“使用具有膜的电解池的结合浸出和氧化剂再生的自动湿法冶金法生产金属和材料”；以及基于上述专利的由M.Amigo所著的2014年9月9日的实用新型号为336的智利实用新型“用于电渗析工艺的电解槽”。后面的出版物虽然涉及EW电解池的可能设计，但仅是试图将分离膜结合到常规EW电解池中，其唯一目的是获得铁离子。
在RED电解池的开发中建立的更好的改进出现在由Simpson ArayaJ.R.等人所著的2012年3月22日的申请号为WO201227438A2，题为“通过使用电解池沉积金属的反应性电渗析和电解工艺来沉积金属的电解池”的专利申请中。该后面的出版物描述了一种用于沉积金属的电解池，包括通过离子交换膜隔开的具有相同大小的三个隔室，其中两个隔室包括阳极电解液溶液和浸入其中的正极化电极板(阳极)，同时第三隔室包括阴极电解液溶液和浸入其中的负极化电极(阴极)。所述隔室为隔层的，利用离子交换膜将两种溶液物理分离，其允许两种溶液之间导电。如所示的，这种类型的电解池可以在以下情况下进行操作：电流密度高达1.5kA/m2、电解液流速处于100l/min和1000l/min之间、酸度为硫酸50g/l至190g/l、阳极电解液中总的铁浓度处于0.3M至1M之间、阴极电解液中铜浓度处于3g/l至15g/l之间以及电解池电压处于0.5伏和2.5伏之间。即使这种用途主要针对铜，但其也可以应用于其它金属，其主要优点在于消除酸雾、降低能耗并且在没有SX阶段的情况下操作。在电解池操作过程中没有指出取出阴极。
应当注意的是，先前的RED案例都没有超出实验室阶段。其它类型的电解池是具有离子交换膜的密封式压滤电解池，其在化学工业中使用以从阳极腔室中获得诸如氯化物或溴化物的卤素气体，并且通过诸如氯化钠、氯化钾或溴化钠的碱金属卤化物的水溶液的电解作用的方法从阴极腔室获得碱金属氢氧化物。由于具有低能耗的产品的特性，所以称为“离子膜交换工艺”的工艺具有高度的商业接受度。这种类型的电解池可能具有一个或两个极。
在单极电解池中，离子交换膜位于阳极和阴极之间，而在双极电解池中，离子交换膜位于两极电极的每一个阳极和相邻的两极电极的阴极之间。电解池结构紧凑，其电极和膜之间的空间小，通常在5mm至30mm的范围内进行选择。在由Mataga等人所著的1984年8月14日的专利号为4,465,579，题为“双极电解池”的美国专利中描述了一种双极电解池，在由James等人所著的1988年3月8日的专利号为4,729,822，题为“电解池”的美国专利中描述了单极或双极电解池。适于化学工业中的氯、碱及诸如氢气和氧气的气体产生的所述发明提供了一种压滤电解池，其包括一系列阳极板、阴极和由电绝缘材料制成的填料，以及位于每一个阳极和阴极之间的、形成阳极隔室和阴极隔室的通常非常薄的离子交换膜，其中每一个包括用作集管(headers)的纵向开口，通过该集管阳极隔室和阴极隔室可以被分开装填，并且包括用于从阳极隔室和阴极隔室排出电解产物的开口。
这种类型的专利在萃取冶金学中，特别是在金属电沉积中的应用是未知的。
考虑到上述信息，可以观察到的是，在EW技术现状中引用的专利中，倾向于通过封闭式电解池和增加电流密度的方法来减少和/或解决产生酸雾和排放气体的问题。然而，其中一些尚未超出实验室或试验台阶段，而另一些则没有提供市场上可接受的商用产品。另一方面，化学工业存在一系列使用离子交换膜的电化学电解池，如电渗析(ED)电解池的情况，其向冶金工业转化需要阴极沉积物，并且如反应电渗析(RED)电解池的情况，其尚未超出实验室阶段，更不用说接近生产标准阴极。
同样，由于是由流体动力学条件构想的，所以现有技术不能在较高电解质流速或较低浓度的PLS溶液下进行操作，其涉及在溶液中有限范围的电流密度、高温和金属浓度下工作以产生阴极高品质的铜，需要SX操作和大量的化学反应物，导致这种工厂规模巨大。
本专利基于使用离子交换膜的压滤电解沉积装置的新设计解决了上述问题，该离子交换膜可能适于沉积溶解在不同来源溶液中的大量金属，或面向冶金行业所需的化合物或材料的生产。该电解沉积装置取代矿物浸出后的溶剂萃取(SX)和电解沉积(EW)阶段。
发明内容
本专利公开了一种用于电解沉积金属或化合物的新型压滤装置，其中装置本身由以均匀和高流速独立工作的阴极电解液腔室或阳极电解液腔室单元构成。
腔室的每一个具有可变表面积的阳极和阴极，其可根据工业要求而设计成0.25m2、0.50m2、1m2或更大。同样，每一个腔室由分离离子交换膜构成，以形成通过其阳极电解液和阴极电解液进行循环的交替隔室。
这些腔室电串联连接，并且与溶液液压并联连接。
金属沉积工艺通过使用电流整流器应用到装置的电极的电能的方法实施，从而允许金属沉积。因此，本发明的一个目的在于提供一种用于电解生产金属的简化装置的结构，一种包括串联连接的电极的类型的结构，提供一种为电解液循环、高温度下的耐腐蚀性、可修理性以及获得金属而专门设计的结构。
本发明的装置包括腔室，使得用于工业生产的结构将由多个电串联连接的电解沉积装置组成，其中除端电极以外的电极配备有由橡胶件隔开的垂直基板。一侧作为电解池单元中的阳极，而另一侧作为相邻的腔室单元中的阴极。
电极板插入其之间，在橡胶上电接触，形成具有各自电极的腔室的封装件。端电极的外侧配备有电连接部以构成电解装置。采用这种布置，可以将高电流密度应用到每一个装置上，同时使电解液的高垂直流量被经过。这些腔室由离子交换膜隔开，因此阳极电解液将通过阳极腔室循环，并且阴极电解液通过阴极腔室循环。所述膜允许两种溶液之间导电。
根据本发明，电解装置为压滤装置，因为形成的每一个电解装置包括交替的框架、离子交换膜以及电极，以形成交替的阳极隔室和阴极隔室，因此通过附接这些框架、离子交换膜以及电极形成完全密闭和密封的装置。构成组件的腔室的每一个框架，包括用于液体和气体流动的空间，其中每一个框架在其外表面上具有入口和出口，并且在其内表面上具有孔，每一种电解液通过该孔流到形成在架中的阳极电解液隔室或阴极电解液隔室，并且电解产物从阳极电解液隔室或阴极电解液隔室排出，遵循前述的串联液压构造。
本发明的另一目的在于提供一种用于电解沉积的压滤装置，其在高压条件下确保维持液体在腔室内的均匀分布，从而完全防止液体在腔室中泄漏，并且该压滤装置容易组装或拆卸。
在上述布置下，均匀流动的阳极电解液或阴极电解液通过每一个腔室从下部开口循环至上部开口，其中电极通过所应用的电场的作用而被正向(+)或负向(-)极化，同时在阴极上发生电解沉积。所述流动在循环期间基本稳定，没有干扰，同时为发生的化学反应和金属电解沉积提供足够的驻留时间。开口的尺寸和位置对流动产生较低的阻力，因此体积稳定，这使得操作容易控制，同时操作参数的变化最小。沉积在阴极板上的金属的厚度虽然降低了阴极电解液的循环量，但不会因电解池的流体动力学设计条件而影响阴极电解液的质量或电解池的操作。
根据电解沉积装置的优选安装，阳极电解液和阴极电解液循环开口与防止泄漏的密封件内连接，但同时便于组件的更新和修理。反过来，金属沉积电极-阴极-可以从电解装置中提出，从金属分离的位置移除，并且被替换。同样地，该装置具有用于自动分离阴极的机构，其被收集在装置的下部。腔室的框架由耐酸腐蚀的坚固塑料材料制成，而金属电极板则由不锈钢、铅或其它所需材料制成，这取决于它们分别是阴极还是阳极。这些类型的金属也受溶解在待从溶液中沉积和提取的溶液中的矿物质类型的影响。所述溶液本质上可以是酸性的、碱性的或中性的。
与其它金属电解沉积装置和方法相比，本发明具有以下优点：
1.金属电解沉积的操作利用PLS从浸出操作开始直接进行，避免溶剂萃取(SX)工艺，使先前的浸出阶段能够与酸性、碱性或中性溶液一起工作。除上述方面以外，还可以利用来自SX的溶液或其它具有类似特性的溶液来进行操作。
2.在先前的条件下，所获得的金属的品质高于通过常规工艺直接获得的金属，而不需要添加化学反应物，改善了整体萃取和该工艺的动力学。
3.可以在比常规工艺中(400A/m2)更高的电流密度下进行操作，这使得在更短的工艺时间内每一个有效面积产生更大的金属沉积量。这是电解池流体动力学条件的产物，允许在较高的电解液流速下进行操作。
4.它对环境无害，因为电解沉积在一个完全密闭和密封的电解装置中进行，不会释放排放到大气中的污染气体或的酸雾，不会使液体溢出，这种情况显著改善了工作区域、周围的野生动物，并且不会以任何方式造成污染。
5.其涉及较少的能量消耗以达到相同的电流密度。
6.其可以产生Fe+3，这是一种对矿物质的浸出以及诸如As+5至FeAsO4形式的杂质的稳定性至关重要的反应物。
7.电解沉积装置中金属的获得是在环境温度下，或在10℃至60℃的范围内进行，不需要能量消耗来预热电解液。
8.其可以回收在矿物质、粉末或采矿过程中存在的其它物质的浸出过程中溶解金属的硫酸(H2SO4)或其它酸或碱作为反应物，造成在操作过程中需要较少反应物的加工经济性。
9.由于不会使操作者接触、处理或吸入危险和腐蚀性酸或碱的操作，所以职业安全条件得到改善。
10.其是一种用于金属的电解沉积的经济可行的替代方法，主要针对铜、金、银和其它金属，避免了基于溶剂萃取(SX)的现有工艺，其中溶剂萃取(SX)工艺具有有机添加剂和其它化学反应物，其中一些甚至致癌。
11.其可以根据需要在增强静电(铜的EW中的当前常规操作模式)或恒定电压模式下进行电操作。
12.如果与标准工艺相比表面不粗糙，则可以立即从阴极表面移除金属，而不需要后续的分离阶段。
附图说明
图1是示出了根据本发明的电解沉积装置的压滤设备中的腔室框架、腔室框架之间的电极、离子交换膜、膜支撑件以及用于电解液和液体的转移开口的布置的示意性分解图。
图2、图3和图4是根据本发明的包括电解液循环开口和组装条件元件的电解沉积装置的腔室框架的横截面图。
图5、图6、图7、图8、图9和图10是根据本发明的包括其前后视图的腔室框架以及离子交换膜的支撑结构格栅的横截面图。
图11、图12、图13、图14和图15是电解沉积装置的端部框架的横截面图。
图16是电解沉积装置的以阴极构造的电极的横截面图。
图17是电解沉积装置的以阳极构造的电极的横截面图。
图18是电解沉积装置的以阳极电极和阴极电极的绝缘体和隔膜构造的橡胶件的横截面图。
具体实施方式
参照图1电解沉积装置，阴极包括完全覆盖中心开口并是阴极的活性表面的板(1)，其是阴极电解液通过其框架(3)循环的空间(2)。与该框架(3)相邻的为框架(4)，其在与板(1)的平面平行的平面上排列成行。在该框架(4)内，在与中心开口(2)对应的空间内，包括离子交换膜(5)、开放空间(2)，其中离子交换膜(5)两侧由格栅(6)支撑并防止流体从与框架(7)相对应的阳极电解液的循环空间转移，开放空间(2)由与作为阳极的阳极电解液接触的电极壁(8)的活性表面完全覆盖，阳极电解液密封阳极电解液流过的开口。电极的相对壁由绝缘橡胶件(21)覆盖，相对壁与阴极(1)分开，允许以与前面相同的方式重新构造电解沉积装置，以构造两个相同的腔室以及构造由根据本发明的等效腔室构成的电解沉积装置。
框架(3)、(4)和(7)具有八个开口(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)和(16)，这些开口在电解沉积装置中沿着其长度方向形成内部连接的整体，连接到通过其将电解液装载到阴极电解液回路中的集管，并且液体被装载到阳极电解液回路中，该液体分别流入阴极隔室和阳极隔室，向电解沉积装置的每一个腔室填充流体。通过侧面开口(12)和(13)进入阳极电解液隔室，而电解产物通过侧面开口(9)和(15)取出。类似地，以相同方式且并行地，阴极电解液流体通过开口(14)和(16)进入并通过开口(10)和(11)取出。阴极板(1)和阳极板(8)被构造成使得它们不干扰进入和离开装置的进出口液体的循环流动，并且在电解沉积装置的端部的情况下，两个电极(1)和(8)具有用于连接电能的开口。作为电解产物，产生金属并沉积在装置的阴极(1)上。在生产周期结束时，当阴极(1)上的金属预期厚度和溶解在电解液中的金属的最小浓度实现时，打开该装置并提起阴极并取出。然后对它们进行替换以开始新的生产周期。在需要的情况下，可以通过简单地将金属直接沉降到装置底部用以进行收集和运输来移除金属。框架的公共导向件(17)将它们固定在导轨上，并且在适用的情况下，它们相当于压滤器。这样，根据本发明，导向件(17)允许框架(3)、(4)和(7)在电解沉积装置的壳体和开口中运动。
阴极(1)的表面与离子交换膜(5)的表面之间以及它们与阳极(8)的表面之间的空间在1mm至50mm之间变化，而电解溶液的供给速率在1l/min至2000l/min之间变化。电解装置由PVC、PP或其它耐酸、碱或中性以及电中性溶液的塑料材料构成。
参照图2、图3和图4，这些对应于图1中的框架(3)的横截面展开图。在本专利的构造和组装简易性方面，结合对电解池的各个腔室的隔室的其它横截面视图，可以产生对电解质或液体通过开口(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)和(16)的循环阻力最小的流体动力学流。而且，开口(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)和(16)可独立地形成在上部以及下部，不允许阴极电解液和阳极电解液之间连通。引导件(17)使框架(3)与其它框架(4)和(7)以及依次安装的其它框架对齐以形成根据本发明的一个或多个电解沉积装置。
至于图5、图6、图7、图8、图9和图10，这些是标准框架(4)的横截面视图，对应于构成其部件以易于组装和构造的部件，其中图5是第一部分的正面，并且图6是第一部分的背面。表面的每一个槽或开口在其它表面(10)、(11)、(14)和(16)中都具有对应关系。类似地，在构成第二部分的图7和图8中，每一个投影部分在表面(9)、(15)、(12)和(13)的每一个侧都具有对应关系。从框架上的应力的角度来看，因为其简单的结构和易于组装，并且因为其使开口(2)在电解隔室中保持恒定，所以优选这种结构形式。框架(4)内部包括离子交换膜，由于其的柔韧性和较长的估计使用时间，并且因为离子交换膜隔离阴极电解液隔室和阳极电解液隔室，所以必须加强离子交换膜。图9示出了图10所示的支撑格栅(6)，其由正方形构成和形成，由与装置相同的材料构成，这使得其具有较高的强度并且易于安装。
参照图11、图12、图13、图14和图15，这些对应于电解沉积装置的端部框架，示出了用于在装置中承载流体的流体动力部分，便于构造和安装。在第一横截面中，即在图11中，主动进气导管开口(10)和(11)对应地具有位于开口(18)处的出口，如图12的横截面所示。类似地，如图11所示，主动进气导管开口(12)和(13)具有其出口(19)。然后，它们继续通过图13和图14。图15是根据本发明的电解沉积装置的密封盖(20)。
参照图16，根据本发明的阴极(1)通常由不锈钢、钛、铁合金或用于阴极电解液隔室的另一适当的材料制成。
参照图17，根据本发明，根据阳极电解液，阳极(8)通常由铅、锡、钙或另一所需材料制成。
参照图18，根据本发明，橡胶件(21)通常为伊娃橡胶、印度橡胶或另一适当的材料，以用于在电解沉积装置中使阳极(8)和阴极(1)电极绝缘和分离。
示例性实例
以下部分将根据几个工作示例更详细地描述本发明，然而这些示例不应限制本发明的范围。
电解铜使用本发明图1的电解沉积装置生成。压滤金属电解沉积装置根据本发明的描述进行组装，其大小参考工业上获得1/4m2铜所需的大小，并且限定了所描述的示例：
1.在对应的框架中，分别放置扁平阴极(1)和扁平阳极(8)，其中阴极由不锈钢制成，阳极由铅制成，每一个分别测量长度为250mm×250mm，阴极和阳极面对面布置。
2.由离子交换膜分开两个电极，阴极电解液循环限定的经过厚度为从阴极到膜40mm；并且阳极电解液循环限定的经过厚度为从阳极到膜10mm。
3.快速装配元件所需的压力在3kg/cm2至5kg/cm2之间变化，通过按压施加该压力，直到装置没有溶液泄漏的迹象。
4.电解溶液通过塑料管输送到电解沉积装置中，同样通过塑料管输送到循环液体的储存槽和接收部。
5.根据本发明，阳极电解液溶液以600l/min循环通过为此目的布置的隔室和导管，同时阴极电解液溶液也以600l/min循环通过其各自的隔室。
6.在使用中，DC(直流)电源连接至电解沉积装置，其正端子连接至作为阳极的电极(8)，并且其负端子连接至阴极(1)金属，优选地易于安装的夹式连接器。
通过在阴极和阳极以及酸化的硫酸铜溶液之间施加直流电流，在表I所示的条件下获得99.99％Cu的电解铜。
表I EW压滤装置的操作数据
示例编号 1 2
浓度Cu(g/l) 5 5
电解液流速(l/min) 600 600
电解池电压(V) 12.8 12.0
阴极电解液温度(℃) 42.5 41.0
阴极电解液pH 1.46 1.34
电流密度(A/m2) 192 192
操作时间(h) 8 24
阴极重量(3)(g) 292.8 853.7
效能(％) 97 96

Claims (15)

1.一种用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，所述压滤装置是完全封闭且压力密封的装置，没有气体排放，在压力、流量、电流强度、电压、pH和温度的控制条件下，包括腔室单元、电极以及离子交换膜，其中所述腔室单元由一系列电绝缘材料制成的板形成并且被独立操作，所述离子交换膜放置在每一个阳极和阴极之间以形成多个阳极隔室和阴极隔室；其中绝缘材料的所述板中的每一个包括一系列开口，所述电解液和液体从所述开口分别载入所述阴极隔室和所述阳极隔室，以均匀的高流速以及高电流强度流动，其中每个隔室包括用于移动所述阴极电解液或所述阳极电解液的独立连通开口，所述独立连通开口沿所述电解沉积装置的长度方向平行和/或串联布置，同时允许每一个隔室内的流体从一端到另一端、从下部到上部、从上部到下部、从左到右、或反之亦然，或从一个角到另一个角和从相反的位置到它们的结合位置来进行结合和移动，移除废液，其中一旦生产周期结束，电解池通过打开而停止，提起金属沉积电极以将所述金属沉积电极从其位置移除，并且替换所述金属沉积电极以开始新的生产周期，或者随着电沉积产物的分离而被保持在位置上，而不需从所述装置中移除所述阴极。
2.根据权利要求1所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，在工业生产中，所述电解沉积装置串联电连接，其中除端电极以外，所有电极均配备有由橡胶件隔开的垂直基板，并且其中一侧作为电解池单元中的阳极，而另一侧作为相邻的腔室单元中的阴极。
3.根据权利要求1和2所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，所述装置由腔室单元构成，所述腔室单元以1l/min至100,000l/min的流速并联或串联进行液压操作。
4.根据权利要求1至3所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，所有电极均设计有垂直基板，具有金属板的单个紧凑主体，如果电极是串联连接的阴极或阳极，则所述金属板的单个紧凑主体具有不同性质，其中端电极具有用于一排装置的电连接器。
5.根据权利要求1和4所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，根据不取出阴极时的溶解在所述阴极电解液中的金属的浓度，具有电解产物的所述金属阴极在循环性生产周期中被移除，由于所述阴极的较低的表面粗糙度所以在所述装置中拆除所述阴极。
6.根据权利要求1至5所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，金属支撑阴极不会由于所述金属中的凹坑而遭受腐蚀。
7.根据权利要求1至6所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，在由所述装置的密封绝缘材料制成的端板中，至少存在一对开口，所述开口一起形成所述电解池的隔室，并且分别用作所述阴极电解液溶液和所述阳极电解液溶液的液压补偿收集器。
8.根据权利要求1至7所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，所述电绝缘材料的板的厚度范围处于1mm至100mm之间。
9.根据权利要求1至8所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，阴极板由不锈钢、钛或另一钢合金制成，并且所述阳极板由铅合金、铅或钛或其它金属制成，并且所述阳极板的厚度在两种情况下都处于1mm至5mm之间。
10.根据权利要求1至9所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，分离所述阴极电解液和所述阳极电解液的所述离子交换膜的面积大约等于所述金属沉积面积，被封装在电绝缘材料的格栅之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，所述装置的面积根据待沉积在所述阴极上的所述金属的面积来限定，根据工业要求设计的可变表面积：0.10m2至2m2。
12.根据前述权利要求中任一项所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，应用到所述装置的电流允许实现50A/m2至2000A/m2之间的电流密度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，所述阴极电解液溶液和所述阳极电解液溶液的温度处于10℃至60℃之间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，所述装置可以应用于包括溶解金属的任何液体或溶液中，其中所述溶解金属包括铜、锌、金、银、镉、镍、钴、铀、铁，其的含量范围为0.5g/l至50g/l。
15.根据前述权利要求中任一项所述的用于从包括金属的溶液中电沉积金属的压滤装置，其特征在于，所述装置减少化学反应的时间和所述溶液在所述装置中的驻留时间，引起均匀的电沉积，这使得能够选择待沉积的材料的大小。
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