JP2017524074A - 金属を電解採取するためのセル - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の挿入された基本セルを含み、それぞれの基本セルは、それぞれのアノードへの電流の分布における異常を検出するのに好適な装置を装備する、非鉄金属を電解採取するための電解装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属の電解採取、特にイオン溶液から出発して銅及び他の非鉄金属を電解製造するために好適な複数の基本セルを含む電解装置、並びにかかる電解装置が設置されている電解採取プラントに関する。

例えば金属の電解抽出及び精製のためのプラント（それぞれ電解採取及び電気精製プラントとしても知られている）のような非鉄金属を析出させるための電気化学プラントは、通常はそれぞれアノード及びカソードを含む複数の基本セルを含む１以上の電解装置を用いる。

上述のプラントのための電解装置においては、アノード及びカソードは、一般に交互に且つ互いに平行に電解槽中に配置される。それぞれの電極はハンガーバーに機械的且つ電気的に接続され、そのそれぞれのハンガーバーをバスバーと接触させることによって電力が供給される。電解装置においては、互いに平行に接続されている同じ極性の複数の電極の間で同じバスバーが共有される。

例えば銅、コバルト、亜鉛、又はニッケルのような非鉄金属を製造するためのプラントの場合には、電気化学反応によって生成する金属は、電流通過の作用の下でそれぞれの基本セルのカソード上へ析出する。析出した生成物は、通常は数日の定期的な間隔で関係する電解装置からカソードを抜き出して採取する。カソード表面上への金属の析出は不均一に起こって、デンドライト又は樹枝状形成物としても知られる局所的な析出物を生成して、これは電流通過の影響下で増加する速度で、短絡が開始するまで対向するアノードに向かって成長する。かかる場合においては、樹枝状形成物との接触に対応するアノード表面の温度上昇によって重大な損傷が引き起こされる可能性があり；幾つかの場合においては、樹枝状形成物はアノード表面に局所的に接合して、その後のカソードの引き抜き、及びその結果として金属採取操作全体を妨げる。

デンドライトの形成に関係する上述の問題は、触媒材料の被覆が与えられているメッシュ又はエキスパンドシートのようなチタン基材で製造される近代的概念のアノードにおいて特に関係する。かかるアノードは従来の鉛アノードと比べて増加したそれらの効率のために好ましいが、短絡状態によって、しばしばそれに対して大きく修繕不能な損傷を生成させる可能性がある。かかる問題は、多孔質ポリマーセパレーター又はイオン交換膜のような透過性材料から構成される外皮の内側に触媒被覆チタンメッシュが挿入される特許出願ＷＯ−２０１３０６０７８６において開示されているタイプの進歩的なアノードに関しても未解決のままである。アノードが損傷すると、より高いプラントの保守コスト、金属製造の損失、及びプラントが強制停止される可能性に関係する更なる損害が引き起こされる。

ＷＯ−２０１３０６０７８６

したがって、樹枝状形成物が成長する場合に電解装置の基本セルのアノードを保護する形態を提供することが望ましいであろう。また、１以上の樹枝状形成物の成長が潜在的脅威を構成する電解装置の個々のアノードを迅速に突き止めて報告することも望ましい。金属電解採取プラントは、電解装置の付近における高い温度及び酸ミストが存在する可能性のために健康に害のある環境であるので、樹枝状形成物が形成された個々のアノードを検出し、及び特に警報することは、プラントの保守要員がより迅速に介入することを可能にし、電解室内部における彼らの滞在時間を減少させる目的も有する。

本発明の種々の形態は添付の特許請求の範囲において示す。
一形態においては、本発明は、複数の基本セルから構成され、それぞれのセルはアノード及びカソードを、それらの間に配置される電気伝導性の多孔質スクリーンと共に含み、アノードには酸素発生反応のための触媒表面が与えられており、カソードは電解槽から金属を析出させるために好適である、金属を電解採取するための電解装置に関する。セルは、アノードに電気的且つ機械的に接続されている電気伝導性のアノードハンガーバー、並びにカソードに電気的且つ機械的に接続されている電気伝導性のカソードハンガーバーを更に含む。それぞれの基本セルはまた、対応するアノードハンガーバーを流れる電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置も含む。電解装置にはまた、それぞれのセルのアノードハンガーバーに電気的に接続されているアノードバスバー、及びそれぞれのセルのカソードハンガーバーに電気的に接続されているカソードバスバーも装備されている。電解装置にはまた、アノードバスバーに平行に且つ近接して配置されているカソードバランスバーも含めることができる。

基本セルのアノードとカソードの間に配置されている導電性の多孔質スクリーンは、異なる緻密度を示すことができ、カソードとアノードの間のイオン伝導を妨げないで電解液を通過させることができるように形成されている構造体である。

上記に記載したデザインの電解装置を用いて電気分解を行うことによって、基本セルの１以上のカソードの上に形成することができるデンドライトは、それらがアノードの表面に到達してその後にそれらの成長が停止するか、又はいずれにせよ速度が緩やかになる前に、対向する多孔質スクリーンと接触する。樹枝状形成物が多孔質スクリーンと接触する場合には、スクリーンが多少の電気伝導性を有しているならば、セル内で生成した金属の一部が被覆としてスクリーン上に直接析出することが観察された。この場合においては、カソード、デンドライト、及び多孔質スクリーンから構成される集合体は、これらの部材の間に存在する電気的接続のために基本セルの新しいカソードの機能を付加的に果たし、更に元のものよりもアノードに近接して配置される。この状況においては、新しいカソードとアノードの間の減少した間隙に関係する電解液中のより低いオーミック降下によって、関係するアノードハンガーバーを流れる電流が増加する。この電流増加の程度を、デンドライトの成長の指示として用いることができることが見出された。

一態様においては、それぞれのアノードハンガーバー内を流れる電流の直接的又は間接的検出は、電圧又は温度の変動を測定することができる検出装置を用いて、バーそれ自体、又はそれに電気的に接続されている部材上で行うことができる。

一態様においては、電圧変動の測定は、電気伝導性で且つ場合によっては可撓性の圧接を用いて、検出装置を、一方の側は関連するアノードバスバー、他方の側はカソードハンガーバーに接続することによって行う。この構成は、アノードハンガーバー上に固定される電気的接続を回避し、セルのその後の保守操作を容易にする有利性を与えることができる。

更なる態様においては、電圧変動の測定は、検出装置を、対応するアノードハンガーバーに、その主軸に沿って一定の距離に位置する２つの点で接続することによって行う。
一態様においては、温度変動の測定は、感熱装置、例えば熱電対を用いて行うことができる。この測定は、例えば、好ましくはその末端部に対応するそれぞれのアノードハンガーバー上、或いはアノードハンガーバーとのそれぞれの接触点に対応するアノードバスバー上に取り付けた感熱装置を用いて行うことができる。感熱装置には、周囲雰囲気から保護するか及び／又はそれからの断熱を増加させるのに好適な耐化学薬品性のライニングを備えることができる。

他の態様においては、温度変動の測定は、温度が所定の閾値を超えたら直ぐにそれらの色を変化させる熱変色性塗料を用いることによって行うことができる。かかる塗料は、アノードハンガーバー上か、或いはアノードハンガーバーとの接触点に対応するアノードバスバー上のいずれかに施す。この態様は、樹枝状形成物の成長によって定められる危険な可能性がある状況が電気化学プラントの内部で作業する作業者に速やかに明らかになり、また、これらの状況が起こっている電解装置及びかかる電解装置中の１つ又は複数のアノードを迅速に特定することが可能になるという有利性を与えることができる。

一態様においては、それぞれの検出装置は、装置によって得られた測定値と所定の基準範囲の間の比較を行うように構成されているそれ自体のマイクロプロセッサーに接続することができ；測定値が基準範囲内に含まれない場合には、マイクロプロセッサーは、逐次的又は同時に作動する１以上の警報システムを作動させることができる。マイクロプロセッサー及び／又は警報システムは、カソード引き抜きの操作中において、例えば生成物の採取を考慮して停止することができる。マイクロプロセッサーは、警報システム及び／又は検出装置と単一のユニット内に統合することができる。

一態様においては、マイクロプロセッサーは、周期的な交換が必要な電池の使用が回避されるようにプロセス電圧によって駆動する。特に、マイクロプロセッサーは、アノードバスバー、及び電解装置がそれを装備している場合にはカソードバランスバーに直接接続することができる。電解装置がカソードバランスバーを含まず、プラントの操作を妨げると思われる固定配線を回避することが望まれている場合には、特定のアノードハンガーバーをモニターするためのマイクロプロセッサーは、好ましくは可撓性の圧接によってアノードバスバー及び隣接するカソードのハンガーバーに接続することができる。

一態様においては、マイクロプロセッサーは、光ファイバーに直接か又は光カップリング装置を介して接続することができる発光ダイオードから構成される少なくとも１つの警報システムを作動させる。場合によってはポリマー材料でライニングされている光ファイバーによって、光信号をそれぞれのアノードハンガーバーの末端部分、或いは更に良好には電解装置の外部に伝達することが可能になり、これによってプラントの操作要員によるその特定が容易になり、値の所定範囲の外側の電流値を直接又は間接的に呈示する電解装置及び関係する１つ又は複数のアノードを迅速に発見することが可能になる。

一態様においては、多孔質スクリーンは好適な厚さの炭素布で形成することができる。他の態様においては、多孔質スクリーンは、酸素発生反応に対して触媒的に不活性の被覆が与えられている耐腐食性金属、例えばチタンで製造されているメッシュ又は穿孔シートで構成することができる。一態様においては、触媒的に不活性の被覆は、例えば酸化物の形態のスズ、タンタル、ニオブ、又はチタンをベースとするものであってよい。一態様においては、アノードは、触媒材料で被覆されたチタンのメッシュ又はエキスパンドシートから得る。更に他の態様においては、触媒が被覆されたチタンメッシュを、フレームに固定され、デミスターが搭載された、透過性のセパレーター、例えばポリマー材料又はカチオン交換膜の多孔質シートから構成される外皮の内部に挿入する。

最適の多孔質スクリーン／アノード表面の間隙は、プロセス特性及びプラントの全体的な寸法によって定まる。本発明を実証するために用いたプラントにおいては、２５〜１００ｍｍ離隔したアノードとカソード、及び対向するアノードから１〜２０ｍｍの距離に配置した多孔質スクリーンを用いるセルによって最良の性能が得られた。

他の形態においては、本発明は、酸素発生反応のための触媒表面を有するアノード、多孔質スクリーン、アノードに機械的且つ電気的に接続されているアノードハンガーバー、及びアノードハンガーバーを流れる電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置を含む、金属を電解採取するための電解装置の基本セルのためのアノード部材に関する。電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置は、上記に記載したように構成することができ、場合によっては、検出された値を所定の値の範囲と比較し、検出された値が予め設定された範囲内に含まれない場合に１以上の警報信号を作動させるのに好適なマイクロプロセッサーに接続することができる。警報信号は、音響的、視覚的、電磁的、又は任意の他の性質のものであってよく、複数の信号の組合せで構成することができる。

他の形態においては、本発明は、
・酸素発生反応のための触媒表面を有するアノード；
・アノードに対して平行に配置されている、電解槽から金属を析出させるのに好適なカソード；
・アノードとカソードの間に配置されている多孔質スクリーン；
・アノードと一体でそれに電気的に接続されている電気伝導性のアノードハンガーバー；
・アノードハンガーバーを流れる電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置；
・電気伝導性で、アノードハンガーバーに電気的に接続されているアノードバスバー；
を含む、金属を電解採取するための電解装置の基本セルに関する。

他の形態においては、本発明は、上記に記載した電解装置の内部で溶液を電気分解することを含む、第１銅及び／又は第２銅イオンを含む溶液から銅を得る方法に関する。
ここで、添付の図面を参照して本発明を例示する幾つかの実施態様を記載するが、これらは本発明のかかる特定の実施態様に関する異なる部材の相互配置を示す唯一の目的を有するものであり、特に図面は必ずしも等縮尺ではない。

図１は、本発明の一態様を表す金属を電解採取するための電解装置の基本セルを図示する。 図２は、本発明の他の態様を表す金属を電解採取するための電解装置の基本セルにおける樹枝状形成物の成長を知らせるための可能なシステムを図示する。

図１は、アノード（１００）、及びアノードに対して平行に配置されている、電解槽から金属を析出させるのに好適なカソード（２００）、アノードとカソードの間に配置されている多孔質スクリーン（３００）、アノードと一体でそれに電気的に接続されているアノードハンガーバー（４００）、カソードハンガーバー（４５０）、アノードハンガーバー（４００）を流れる電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置（５００）、アノードハンガーバー（４００）と電気的に接続されている電気伝導性のアノードバスバー（６００）を含む、金属を電解採取するための電解装置の基本セルを図示する。電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置（５００）は、装置（５００）によって検出された量を所定の値の範囲と比較するように構成されているマイクロプロセッサー（７００）に接続することができる。マイクロプロセッサー（７００）は、検出によって基準範囲の外側の値が与えられる場合に作動する警報システム（８００）に接続されている。

図２は、検出値を所定の値の範囲と比較するためのマイクロプロセッサー（７００）に接続されている、電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置（５００）を示す。マイクロプロセッサー（７００）は、検出によって基準範囲の外側の値が与えられる場合に警報システム（８００）を作動させるように構成されている。警報システム（８００）は、マイクロプロセッサー（８００）によって作動させられた場合に光信号を発する発光ダイオード（８０１）から構成することができる。ダイオード（８０１）の信号は、場合によっては光カップリングシステム（８０２）を介してダイオード（８００）に接続されている光ファイバー（８０３）によって伝達される。

それから光信号が出力されるファイバー（８０３）の先端は、プラント内で作業を行っている職員（９００）によって特定することが容易であると思われる適当な位置に配置する。上記の記載は本発明を限定することは意図しておらず、その範囲から逸脱することなく異なる態様にしたがって用いることができ、その範囲は専ら添付の特許請求の範囲によって規定される。

本出願の明細書及び特許請求の範囲の全体にわたって、「含む」という用語、並びに「含み」及び「包含する」のようなその変形は、他の部材、部品、又は更なるプロセス工程の存在を排除することは意図しない。

文献、行為、材料、装置、物品などの議論は、単に本発明の内容を与える目的で本明細書中に含めるものである。これらの事項のいずれか又は全部が従来技術の基礎の一部を形成していたか、或いは本出願のそれぞれの請求項の優先日の前に本発明に関係する分野における通常の一般的知識であったことは示唆も明示もされない。

Claims (16)

1. 金属を電解採取するための電解装置の基本セルであって：
   ・酸素発生反応のための触媒表面を有するアノード；
   ・前記アノードに対して平行に配置されている、電解槽から金属を析出させるのに好適なカソード；
   ・前記アノードと前記カソードの間に配置されている電気伝導性の多孔質スクリーン；
   ・前記アノードと一体でそれに電気的に接続されている電気伝導性のアノードハンガーバー；
   ・前記アノードハンガーバーを流れる電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置；
   ・電気伝導性で、前記アノードハンガーバーに電気的に接続されているアノードバスバー；
   を含む、前記セル。
2. 前記電流を直接又は間接的に検出することが、電圧と温度の間で選択される物理量を査定することを含む、請求項１に記載のセル。
3. 前記物理量を査定することが、熱変色性塗料又は感熱装置を用いて温度を測定することである、請求項２に記載のセル。
4. 前記感熱装置が熱電対である、請求項３に記載のセル。
5. 前記温度の測定を、前記アノードバスバーとの電気的接続部の付近の前記アノードハンガーバー上で行う、請求項３又は４に記載のセル。
6. 前記温度の測定を、前記アノードハンガーバーの付近の前記アノードバスバー上で行う、請求項３又は４に記載のセル。
7. 前記検出装置に接続されているマイクロプロセッサー、及び少なくとも１つの警報システムを更に含み、前記マイクロプロセッサーは前記電流の検出値を所定の基準範囲と比較するように構成されており、前記少なくとも１つの警報システムは、前記検出によって前記基準範囲の外側の値が与えられたら直ぐに作動するように構成されている、請求項１に記載のセル。
8. ・前記カソードと一体でそれに電気的に接続されている、電気伝導性のカソードハンガーバー；
   ・カソードバランスバー；
   を更に含む、請求項７に記載のセル。
9. 前記マイクロプロセッサーの電力供給がプロセス電圧によって与えられる、請求項８に記載のセル。
10. 前記電力供給が、前記アノードバスバー及び前記カソードバランスバーへの接続によって得られる、請求項９に記載のセル。
11. 前記電力供給が、前記アノードバスバーへの接続、及び前記カソードハンガーバーとの圧接によって得られる、請求項９に記載のセル。
12. 前記警報システムが前記マイクロプロセッサーによって作動する発光ダイオードを含む、請求項７〜１１のいずれかに記載のセル。
13. 前記発光ダイオードが光ファイバーに接続されている、請求項１２に記載のセル。
14. 相互に電気接続されている請求項１〜１３のいずれかに記載のセルの積層体を含む、電解槽から金属を一次抽出するための電解装置。
15. 請求項１４に記載の電解装置の内部で溶液を電気分解する工程を含む、第１銅及び／又は第２銅イオンを含む溶液から銅を得る方法。
16. 金属電解採取セルのためのアノード部材であって、酸素発生反応のための少なくとも１つの触媒表面を有するアノード、少なくとも１つの多孔質スクリーン、前記アノードに機械的且つ電気的に接続されているアノードハンガーバー、及び前記アノードハンガーバーを流れる電流を直接又は間接的に検出するのに好適な装置を含む、前記アノード部材。

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