TWI687550B - 金屬電煉電解槽之單位電池及其陽極元件，和從電解浴初步萃取金屬用之電解槽，以及從含亞銅離子和／或銅離子之溶液取得銅之製法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於非鐵金屬之電煉電解槽，包括複數插在中間的單位電池，其中各單位電池裝設有裝置，適於檢測電流在個別陽極間之異常。

Description

金屬電煉電解槽之單位電池及其陽極元件，和從電解浴初步萃取金屬用之電解槽，以及從含亞銅離子和/或銅離子之溶液取得銅之製法

本發明係關於一種電解槽，包括複數單位電池，適於金屬電煉，尤其是從離子溶液起，電解生產銅和其他非鐵金屬，以及進行此種電煉之電化廠。

電解澱積非鐵金屬用之電化廠，例如電解萃取和精煉廠，亦分別稱為電煉廠和電精煉廠，通常使用至少一個電解槽，包括複數單位電池，各由陽極和陰極組成。

旨在為上述工廠使用之電解槽中，陽極和陰極一般置放電解浴內，呈交替位置且彼此平行。各電極以機械方式和電氣方式連接至吊桿，並令其吊桿與匯流排接觸以饋電。在電解槽中，同一匯流排在同樣極性的電極間共享，彼此並聯。

以生產銅、鈷、鋅或鎳等非鐵金屬之工廠為例，電化反應生成之金屬，是在電流通過時，澱積在各單位電池之陰極，並以定期間隔(通常是幾天)收成，藉從個別電解槽萃取陰極為之。金屬澱積於陰極會以非均勻方式發生，引起局部化澱積，亦稱為樹枝晶體或樹枝晶體形成，在電流通過的效應下，朝面向陽極以遞增速度發展，造成電氣短路。在此情況下，陽極溫度上升，相當於樹枝晶體形成造成損害，也會發生樹枝晶體形成會局部熔接於陽極表面，妨礙金屬收成操作。

關於樹枝晶體形成之上述通常問題，特別關係到現代觀念之陽極，由鈦網或網狀片材製成，設有催化材料塗料，比習知鉛陽極更有效，因為短路情況會造成昂貴且無法修復的損壞。此等問題亦可由專利申請案WO2013060786所載更進一步陽極型確認，其中塗催化材料之鈦網，插入透過性材料，諸如多孔性聚合物隔離材料或離子交換隔膜，所組成外層內 側。陽極損壞暗示一直較高之工廠保養成本，較低量之金屬製品，可能進一步受損，關聯到工廠可能被逼停工。

所以，在樹枝晶體形成成長時，亟需提供保護電解槽的單位電池陽極之形式，亦需即刻識別和報告個別陽極或個別電解槽陽極，其中一個或多個樹枝晶體形成之成長，構成潛在威脅。由於上述工廠為有礙健康之環境，因為在電解槽附近，高溫且可能存在酸霧之故，檢測且特別是發訊受到樹枝晶體形成影響之個別陽極，另有目的，在於容許工廠保養人員快速介入，以減少在電解槽室內停留時間。

本發明諸要旨規範於附帶申請專利範圍。

本發明一要旨，係關於金屬電煉電解槽，包括複數單位電池，各電池包括陽極和陰極，陽極設有朝向釋氧反應之催化表面，陰極適於從電解浴澱積金屬，和多孔網，介置於陽極和陰極之間。電池又包括導電性陽極吊桿，以電氣方式和機械方式連接於陽極，和導電性陰極吊桿，以電氣方式和機械方式連接於陰極。各單位電池亦包括裝置，適於直接或間接檢測電流流過相對應陽極吊桿。電解槽亦裝設陽極匯流排，以電氣方式連接到各電池之陽極吊桿，和陰極匯流排，以電氣方式連接到各電池之陰極吊桿。電解槽亦包括陰極平衡桿，平行設置，並在陽極匯流排附近。

多孔網(可視情形具導電性)介置於單位電池的陽極和陰極之間，其結構可呈不同之緊密程度，並製成容許電解溶液通過，不會干擾陽極和陰極間離子傳導。

以前述電解槽設計進行電解，在單位電池一個或多個陰極可能形成之樹枝晶體，在到達陽極表面背後之前，即接觸到面向多孔網，故即停止其成長，或在任何情況下減緩。茲觀察到，在樹枝晶體形成碰觸到多孔網之情況時，即使呈現極小導電係數，電池內生成之部份金屬，會直接澱積於網上，加以塗佈。在此情況時，陰極、樹枝晶體和多孔網組成之總成，因為在此等元件間存在電氣連接，另外遂行置於位在比原有組態更靠近陽極的單位電池新陰極之功能。在此情形時，與新陰極和陽極間減少間隙關聯的電解質內較低電阻降，造成流過相對應陽極吊桿之電流增加。已知此電流增加程度，可用來指示樹枝晶體成長。

在一具體例中，直接或間接檢測流入各陽極吊桿之電流，可在吊桿本身，或於與其電氣連接之元件為之，利用已檢測裝置，能夠測量電壓或溫度之變異。

在一具體例中，電壓變異之測量，一方面藉檢測裝置連接於相關陽極匯流排，另方面利用導電性和視情形撓性壓力觸點連接於陰極吊桿為之。此組態之優點是，避免固定電氣連接於陽極吊桿，終於使電池之保養操作更容易。

在又一具體例中，電壓變異之測量，是把檢測裝置透過位於沿其主軸一定距離之二點，連接於相對應陽極吊桿為之。

在一具體例中，溫度變異測量，可利用熱敏性裝置為之，例如熱電偶。此項測量可例如以熱敏性裝置安裝在各陽極吊桿，最好在末端部，或另外在陽極匯流排上相當於與陽極吊桿各觸點為之。熱敏性裝置可裝設抗化學性襯材，適於保護和/或提高隔熱，免受週圍環境影響。

在另一具體例中，溫度變異之測量，可藉用溫度變色漆為之，在溫度超過預定臨限值時會變色。此漆可施加於陽極吊桿，或相當於與陽極吊桿觸點之陽極匯流排。此具體例之優點是，由樹枝晶體形成成長確定之潛在臨界狀況，可使電化廠內之工作人員立刻看到，並且很快識別發生此狀況的電解槽，以及電解槽內之陽極或陰極。

在一具體例中，各檢測裝置可連接至其本身微處理器，構成比較裝置所得測量與預定參考範圍；若測量不在參考範圍內，微處理器可作動發訊系統，或是依序或同時作動之更多發訊系統。微處理器和/或發訊系統，可在陰極摘取操作中關閉。微處理器可與發訊系統和/或檢測裝置整合於單一單位內。

在一具體例中，微處理器是由製程電壓供電，避免使用需定期更換操作之電池組。尤其是微處理器可直接連接到陽極匯流排，和陰極平衡桿，若電解槽有裝設的話。若電解槽不含陰極平衡桿，而想要避免固定接線以免干擾工廠操作，則針對監視某一陽極吊桿之微處理器，係經由最好是可撓性壓力觸點，連接至陽極匯流排和相鄰陰極之吊桿。

在一具體例中，微處理器作動至少一發訊系統，包含發光二極體，可與光纖耦合，不論是直接或透過光耦合裝置。光纖可視情形襯以 聚合物料，容許傳送光訊號至各陽極吊桿末端，或更好是到電解槽外側，以方便工廠操作人員識別，得以快速辨認電解槽，和電解槽陽極，或呈現直接或間接電流數值在預定數值範圍以外之陽極。

在一具體例中，多孔網可由適當厚度之碳織物製成。在另一具體例中，防腐蝕金屬，例如鈦，製成的多孔網可由篩網或打孔片材組成，具有對釋氧反應催化惰性的塗料。在一具體例中，催化惰性塗料可基於錫、鉭、鈮或鈦，例如氧化物之形式。在一具體例中，陽極是由鈦篩網或伸張片材，塗佈催化材料所形成。在又一具體例中，塗佈觸媒之鈦篩網，插入透過性隔板組成之外層內側，例如聚合物多孔性片材或陰離子隔膜，固定於機架，覆以除濕器。

最佳多孔網對陽極表面之間隙，視製程特徵和工廠整體規模而定。在用來證明本發明之工廠內，可得最佳效益，是電池採用陽極和陰極隔開25-100mm，而多孔性篩網離面向陽極之距離為1-20mm。

本發明另一要旨係關於金屬電煉用電解槽單位電池之陽極元件，包括具有對釋氧反應的催化表面之陽極，多孔網，以機械方式和電氣方式連接於陽極之陽極吊桿，以及適於直接或間接檢測流過陽極吊桿的電流之裝置。適於直接或間接檢測電流之裝置，可按上述製造，並可視需要連接至處理器，適於將檢測值與預定數值範圍比較，在檢測值未包括於預設定範圍時，作動一個或多個警報訊號。警報訊號可為音響、視覺、電磁波，或任何其他性質，並可由複數訊號組合所組成。

本發明另一要旨係關於金屬電煉電解槽之單位電池，包括：˙陽極，具有對釋氧反應之催化表面；˙陰極，與該陽極並列配置，適於從電解浴澱積金屬；˙多孔網，介置於該陽極和該陰極之間；˙導電性陽極吊桿，與陽極形成一體，並以電氣方式相連接；˙裝置，適於直接或間接檢測流經陽極吊桿之電流；˙陽極匯流排，具導電性，且以電氣方式連接至陽極吊桿。

本發明另一要旨係關於從含亞銅和/或銅離子之溶液，獲取銅之製法，包括在上述電解槽內對溶液進行電解。

100‧‧‧陽極

200‧‧‧陰極

300‧‧‧多孔網

400‧‧‧陽極吊桿

450‧‧‧陰極吊桿

500‧‧‧裝置

600‧‧‧導電性陽極匯流排

700‧‧‧微處理器

800‧‧‧發訊系統

801‧‧‧發光二極體

802‧‧‧光耦合系統

803‧‧‧光纖

900‧‧‧職員

第1圖簡略表示本發明具體例金屬電煉電解槽之單位電池；第2圖簡略表示本發明具體例金屬電煉電解槽之單位電池內樹枝晶體形成成長可用發訊系統。

茲參照附圖說明本發明具體化之若干實施方式，附圖之唯一目的在於繪示本發明該特別實施方式不同元件彼此相對配置，特別是附圖不一定照比例繪出。

第1圖簡略表示金屬電煉電解槽之單位電池，包括陽極100，與陽極並列配置之陰極200，適於從電解浴澱積金屬；多孔網300，介置於陽極和陰極之間；陽極吊桿400，與陽極成為一體，並以電氣方式相連接；陰極吊桿450；裝置500，適於直接或間接檢測流經陽極吊桿400之電流；導電性陽極匯流排600，與陽極吊桿400呈電氣連接。適於直接或間接檢測電流之裝置500，可連接至微處理器700，構成就裝置500檢測量與預定值範圍進行比較。微處理器700連接於發訊系統800，於檢測提供數值超出參考範圍外時，即被作動。

第2圖表示裝置500，適於直接或間接檢測電流，連接至微處理器700，供該檢測與預定數值範圍比較。微處理器700構成是在檢測提供數值超出參考範圍時，作動發訊系統800。發訊系統800可由發光二極體801組成，在被微處理器700作動時，發出光訊號。二極體801訊號由光纖803傳送，光纖可視情形經由光耦合系統802，與二極體801耦合。

光纖在輸出光訊號803的極端，放在預定位置，讓在工廠操作的職員900容易識別。

前述無意限制本發明，可按照不同具體例使用，不違其範圍，而其程度純以附帶申請專利範圍為準。

在本案說明書和申請專利範圍裡，「包括」一辭及其變化語句，無意排除其他元件、組件或另外製法步驟存在。

本說明書內提到的文件、規章、材料、裝置、論文等，純為提供本發明文脈之目的，並未建議或代表此等事物之任何部份或全部，形成先前技術基礎之部份，且為本案各申請專利範圍優先權日之前，本發明 相關領域之一般常識。

100‧‧‧陽極

200‧‧‧陰極

300‧‧‧多孔網

400‧‧‧陽極吊桿

450‧‧‧陰極吊桿

500‧‧‧裝置

600‧‧‧導電性陽極匯流排

700‧‧‧微處理器

800‧‧‧發訊系統

Claims (15)

1. 一種金屬電煉電解槽之單位電池，包括：●陽極，具有對釋氧反應之催化表面；及●陰極，與該陽極並列配置，適於從電解浴澱積金屬；及●導電性多孔網，置於該陽極和該陰極之間；及●導電性陽極吊桿，與陽極形成一體，並以電氣方式相連接；及●裝置，適用於直接或間接檢測流經陽極吊桿之電流；及●陽極匯流排，具導電性，且以電氣方式連接至陽極吊桿者。
2. 如申請專利範圍第1項之電池，其中該直接或間接檢測電流包含，在電壓和溫度之間所選擇物理量之評鑑機構。
3. 如申請專利範圍第2項之電池，其中該物理量之評鑑機構是使用溫度變色漆或熱敏性裝置，溫度測量之機構。
4. 如申請專利範圍第3項之電池，其中該熱敏性裝置係熱電偶。
5. 如申請專利範圍第3或4項之電池，其中該溫度測量機構係置放在該陽極吊桿上，相當於其與終端部位。
6. 如申請專利範圍第3或4項之電池，其中該溫度測量機構係置放在該陽極匯流排上，相當於與該陽極吊桿接觸點。
7. 如申請專利範圍第1項之電池，又包括連接於該檢測裝置之微處理器，和至少一發訊系統，該微處理器係構成就該檢測電流與預定參考範圍進行比較，該至少一發訊系統係被配置為每當該檢測提供數值在該參考範圍外時被致動。
8. 如申請專利範圍第7項之電池，又包括：●導電性陰極吊桿，與陰極形成一體，並以電氣方式相連接；及●陰極平衡桿。
9. 如申請專利範圍第8項之電池，其中該微處理器之電源，係由製程電壓提供。
10. 如申請專利範圍第9項之電池，其中該電源係藉連接於該陽極匯流排與該陰極平衡桿而得。
11. 如申請專利範圍第9項之電池，其中該電源係藉連接於該陽極匯流排，以及與該陰極吊桿接觸之壓力而得。
12. 如申請專利範圍第7至11項中任一項之電池，其中該至少一發訊系統包括利用該微處理器致動之發光二極體，且該發光二極體最好連接至光纖。
13. 一種電解槽，從電解浴主要萃取金屬，包括申請專利範圍第1至12項任一項電池，以彼此電氣連接層疊。
14. 一種從含亞銅和/或銅離子之溶液獲得銅之製法，包括把溶液在申請專利範圍第13項之電解槽內電解。
15. 一種金屬電解電煉用之陽極元件，包括陽極，具有朝向釋氧反應之至少一催化表面，至少一導電性多孔性網，與陽極以機械和電氣方式連接之陽極吊桿，以及一裝置，適用於直接或間接檢測流過該陽極吊桿之電流。

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