Система газовых труб для доставки газа, установка и способ электролитического выделения металла

Изобретение относится к устройству для барботирования газом ванны электролита в установке для электролитического выделения металла. Устройство выполнено с возможностью доставки газа на поверхность катода и содержит систему газовых труб, средства подачи газа в указанную систему газовых труб и средство управления количеством подаваемого газа, при этом стенки газовых труб выполнены с газоснабжающими отверстиями с возможностью по меньшей мере частичного предотвращения прохождения газа, протекающего по газовым трубам через них и обеспечения выхода пузырьков газа прямо вверх из газоснабжающих отверстий с распределением пузырьков газа от нижнего края катода и их равномерным подъемом с обеих сторон катода. Раскрыты также способ и установка для электролитического выделения металла, такого как медь, и использование упомянутого устройства. Обеспечивается возможность предотвращения образования больших газовых пузырьков при барботировании ванны электролита. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к системе газовых труб, а также к установке и способу электролитического выделения металла, такого как медь, как определено в независимых пунктах формулы изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электролитическое выделение используют, к примеру, в гидрометаллургическом способе, когда целью является производство чистого металла, такого как медь. При выделении электролизом, медь восстанавливают непосредственно из электролитического раствора, которым является раствор сульфата меди. В ходе процесса медь осаждается на поверхность катодов, изготовленных, например, из кислотостойкой стали, после чего медь механически удаляют с поверхности пластин. Аноды, используемые в процессе, представляют собой металлические нерастворимые пластины. Скорость осаждения металла, такого как медь, зависит от плотности тока, но ее нельзя увеличивать неограниченно, не снижая качества осажденного продукта. На практике максимально возможная плотность тока определяется так называемой критической максимальной плотностью тока, т.е. наивысшей плотностью тока, при которой осаждение идет на достаточно высоком качественном уровне, которая прямо пропорциональна, например, содержанию металла, который необходимо выделить, и обратно пропорциональна толщине так называемого диффузионного слоя.

В данной области техники известно, что электролитическое выделение можно стимулировать при помощи барботирования газа через раствор, т.е. посредством продувания газом электролитической ванны. Массоперенос к поверхности катода усиливается, т.к. барботирование уменьшает толщину диффузионного слоя. Таким образом, становится возможным использовать ток более высокой плотности без снижения качества поверхности осаждения.

Способ и установка для барботирования при электролитическом выделении известны из публикации США 2007/0251828. Согласно этому способу в ходе процесса производили воздушные пузырьки диаметром 0,5-3 мм, а для подачи в ванну газа для барботирования применяли пористый материал.

Также известно, что применение очень маленьких воздушных пузырьков способствует улучшению процесса выделения, поскольку обеспечивает получение более тонкого диффузионного слоя на катодной поверхности, что, в свою очередь, позволяет использовать более высокую плотность тока без ухудшения качества осадка.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание нового и более эффективного способа электролитического получения металла, такого как медь. Конкретная цель изобретения - представить новаторские установку и способ электролитического выделения металла, такого как медь, в котором получение газовых пузырьков в электролите и дополнительно на катодных поверхностях регулируют установкой по изобретению. В соответствии с изобретением формирование пузырьков в ванне предпочтительно происходит таким образом, что при этом предотвращается соединение пузырьков и образование больших пузырьков.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Отличительные признаки изобретения изложены в прилагаемой формуле изобретения.

С помощью предлагаемого изобретения можно использовать ток более высокой плотности без понижения качества металлического осадка. Производительность установок, таким образом, может увеличиться. Пузырьки газа, обеспечивающие технологический режим в ванне, можно поддерживать достаточно мелкими, что, в свою очередь, обеспечивает оптимальные условия для образования осадка на катодной поверхности. С помощью изобретения можно получить ровный слой пузырьков малого размера при более низком давлении и даже с меньшим потреблением энергии, чем раньше.

СПИСОК ЧЕРТЕЖЕЙ

Установка по изобретению подробно описана со ссылкой на чертежи, где:

На фиг.1 показан общий вид изобретения;

На фиг.2 показана установка в соответствии с воплощением изобретения;

На фиг.3a показано воплощение изобретения;

На фиг.3b показано воплощение изобретения;

На фиг.4 показано воплощение изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение иллюстрирует фиг.1, где показан процесс электролитического выделения, и фиг.2 с соответствующей деталью установки для электролиза согласно воплощению изобретения. В ванне 2 с днищем 5, где находится электролит 3, содержащий металл, такой как подлежащая восстановлению медь, подвешено надлежащее количество катодов 4, при этом расположение подвесок направлено вдоль ванны. Естественно, что в ванне между катодами расположены аноды 9. Согласно воплощению изобретения в системе газовых труб 6, такой как трубопровод, в надлежащем количестве выполнены отверстия 7 в стенке 19, ограничивающей систему газовых труб для доставки газа в установку 1 для электролизного выделения металла, иными словами, в установку для электролиза. В соединении с установкой размещены средства 13 подачи, по меньшей мере, газа в систему газовых труб, при этом, по меньшей мере частично предотвращают прохождение вещества, протекающего по системе газовых труб 6, такого как газ 8, через стенку 19 системы газовых труб 6. Изобретение относится к способу электролитического выделения металла, такого как медь, где аноды 9 и катоды 4 поочередно размещают в ванне 2 в растворе электролита 3, содержащего ионы металла, и пузырьки 8 газа распределяют в растворе электролита 3, причем газовые пузырьки распределяют по поверхности катодов 4 из системы газовых труб и при этом частично предотвращают прохождение газа через стенку 19 системы газовых труб.

Согласно воплощению изобретения устройство 13 для барботирования, относящееся к установке 1, содержит трубопровод 6, в котором имеются отверстия 7 для подачи газа, снабжающие газом раствор 3 электролита. Кроме этого устройство 13 для барботирования содержит средство получения газовых пузырьков и управления количеством воздуха, подаваемого для их появления, такое как насос. Электролит удаляют из ванны, например, через слив 15 или путем выкачивания его в отдельный контейнер. Над ванной 2 установлен колпак 16, оттуда кислотные пары, образующиеся в ходе процесса, извлекают очистным устройством 17. Дополнительно с ванной соединен источник 18 тока для обеспечения процесса током.

В системе газовых труб установки 1 имеется достаточное количество газоснабжающих отверстий 7, из которых пузырьки газа распределяются под действием давления в электролите 3 и далее на поверхности катодов 4, где они оказывают воздействие на толщину диффузионного слоя. Согласно примеру система газовых труб состоит из трубопровода 6 и пористого материала, причем диаметр газоснабжающих отверстий 7 здесь менее 3 миллиметров. Как показано в примере, изображенном на фиг.2, трубопровод устройства для барботирования расположен в ванне 2 по меньшей мере частично перпендикулярно общему направлению В расположения подвесок катодов 4. Трубопровод 6 устройства подачи газа состоит, например, из труб, которые расположены перпендикулярно направлению подвески катодов и соединены друг с другом таким образом, что газ может проходить между трубами. Согласно воплощению изобретения можно также изготовить систему газовых труб 6 из одного куска трубы посредством сгибания. Газоснабжающие отверстия 7 трубопровода 6 расположены таким образом, что пузырьки могут выходить прямо вверх в ванну 2, не сталкиваясь друг с другом по мере выхода газа 8 из газоснабжающих отверстий 7. При прохождении через отверстия, выполненные в стенке трубопровода, формируются пузырьки газа, которые, в конце концов, доходят до поверхностей катодов. Согласно изобретению выход газа через стенку трубопровода частично закрыт. Газ направленно движется через стенку 19 линии трубопровода 6 с тех частей трубопровода, которые обращены в сторону катодов 4. Газ проходит сквозь стенку там, где стенка трубопровода обращена к катодам, откуда пузырьки могут свободно подниматься прямо на поверхность катодов. Согласно изобретению предпочтительный размер диаметра трубопровода составляет от 4 до 40 миллиметров.

Согласно изобретению трубопровод подачи газа может быть изготовлен разными способами. В воплощении, показанном на фиг.3a, трубопровод выполнен из пористого газопроницаемого материала, при этом предпочтительный диаметр газоснабжающих отверстий менее 3 миллиметров. Согласно воплощению изобретения при необходимости не допустить прохождения газа через стенку, в стенку 19 трубопровода 6 в качестве вставки помещают отдельную деталь 11, не пропускающую газ. Та часть трубопровода, которая обращена к дну ванны, может, по меньшей мере, частично быть покрыта газонепроницаемым материалом 11, который легко заменить, таким как краска, лак или клей. Эффективным будет такое выполнение, в котором стенки трубопровода являются непроницаемыми для газа в месте, таком как часть трубопровода, обращенная к дну ванны, где прохождение газа окажет вредоносное действие на процесс. Фиг.3b иллюстрирует пример воплощения изобретения, в соответствии с которым газоснабжающие отверстия имеются только на той стороне стенки трубопровода, где газ проникает сквозь трубу. Та часть трубопровода, которая является проницаемой для газа, покрыта материалом, обеспечивающим разделение газовых пузырьков. В данном примере газоснабжающие отверстия 7 трубопровода 6 также покрыты материалом 10, обеспечивающим разделение газовых пузырьков на еще более мелкие пузырьки, таким, как техническая ткань. Согласно воплощению изобретения трубопровод 6 функционирует как система газовых труб, которая сформирована из надлежащего количества соединенных между собой труб, где имеются газоснабжающие отверстия 7 по меньшей мере в тех местах труб, которые расположены под катодами 4. В предпочтительном воплощении изобретения не более 70% площади поверхности стенок системы газовых труб выполнены газопроницаемыми.

Воплощение изобретения, представленное на фиг.4, показывает случай, когда трубопровод 6, функционирующий как система газовых труб устройства для барботирования, размещен в ванне параллельно общему направлению расположения подвесок B катодов. Движение пузырьков 8 к поверхностям катодов обеспечивают с помощью направляющих элементов 12. Устройство 13 для барботирования размещено в ванне таким образом, что расстояние A от верхнего края 19 трубопровода 6 до нижнего края 14 катода составляет не более 100 см, предпочтительно от 5 до 70 см, так что пузырьки двигаются от трубопровода 6 оптимальным образом к обеим сторонам катодов. Направляющие элементы можно разместить в пространствах между катодами, в частности, как это сделано в примере, т.е. на анодах, расположенных в пространствах между катодами. Направляющий элемент 12 - это элемент, направляющий поток и выводящий пузырьки газа в нужном направлении.

Иллюстрацию изобретения представляют приведенные ниже примеры.

Пример 1

Около 10 м газопропускающего гибкого шланга поместили в держатель, образуя 9 рядов длиной один метр каждый. Шланг был обработан соответствующим клеем таким образом, чтобы воздух, продуваемый через трубу, не мог проникать через стенки трубы никуда, кроме как прямо вверх. Держатель со шлангом был помещен в прозрачную коробку, которую наполнили водой. При прохождении воздуха по газопропускающей шланговой конструкции со скоростью 120 мл м_-1 мин_-1 из участков шланга поднялась ровная стенка пузырьков с размерами пузырьков в диапазоне от 0,1 до 3 мм.

Пример 2

Металлическую трубу с отверстиями, направленными прямо вверх, плотно обернули технической тканью. Трубу поместили на дно ячейки для электролиза высотой 1,2 м (шириной 25 см, объемом 62 л) под стальной пластиной, выполняющей функцию катода; когда в трубу закачивали воздух, пузырьки рассеивались по нижнему краю катода и поднимались одинаково по обе стороны катода. Ячейка была заполнена электролитом, содержащим 40 г/л меди и 175 г/л серной кислоты. 46,5 л/ч электролита подавали в ячейку и поддерживали во время опыта температуру электролита на уровне 45°C. Осаждение меди происходило на поверхности катода в течение 24 часов при плотности тока 450 А/м₂ с одновременным продуванием воздуха через трубу. Поверхность осадка образовавшейся меди была проверена при помощи СЭМ микроскопа (сканирующего электронного микроскопа) и оптического микроскопа. Дополнительно оптическим микроскопом был исследован микрошлиф поперечного сечения медного осадка. Осадок имел гладкую поверхность, был плотным, рост кристаллов был равномерным, и через микроскоп СЭМ было трудно обнаружить границы частиц. Опыт повторили без пропускания пузырьков, и тогда осадок меди был неровным, пористым и с довольно крупным размером зерна.

Пример 3

Используя оборудование из примера 2, барботирующую трубу положили в поперечном направлении относительно катодов. К анодам были прикреплены направляющие компоненты для равномерного движения пузырьков на поверхность катода. Опыт на основе примера 2 был повторен при плотности тока 450 А/м₂ и проведено исследование осажденной меди. Осадок имел гладкую поверхность, был плотным и рост кристаллов был равномерным, как и в случае примера 2, где осадок меди был получен с применением барботирования.

Квалифицированному специалисту в данной области техники очевидно, что, поскольку технологии развиваются, основная идея изобретения может быть воплощена многими различными путями. Таким образом, изобретение и его воплощения не ограничены описанными выше примерами, а могут изменяться в объеме, заданном формулой изобретения.

1. Устройство для барботирования газом ванны электролита в установке для электролитического выделения металла, выполненное с возможностью доставки газа на поверхность катода (4), содержащее систему газовых труб (6), средство (13) подачи газа в указанную систему газовых труб и средство управления количеством подаваемого газа, при этом стенки (19) газовых труб (6) выполнены с газоснабжающими отверстиями (7) и с возможностью по меньшей мере частичного предотвращения прохождения газа (8), протекающего по газовым трубам (6), через них и обеспечения выхода пузырьков газа прямо вверх из газоснабжающих отверстий (7) с распределением пузырьков газа от нижнего края катода (4) и равномерным их подъемом с обеих сторон катода (4).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газовые трубы (6) изготовлены из пористого материала, а газоснабжающие отверстия (7), выполненные в них, имеют диаметр менее 3 миллиметров.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газовые трубы (6) по меньшей мере частично покрыты газонепроницаемым материалом (11).

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве газонепроницаемого материала использована краска, лак или клей.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газовые трубы (6) соединены между собой с образованием системы газовых труб.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газовые трубы (6) системы выполнены посредством сгибания цельного куска трубы.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр газовых труб (6) системы предпочтительно составляет от 4 до 40 миллиметров.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что выполненная газопроницаемой часть газовых труб (6) системы покрыта материалом, обеспечивающим разделение газовых пузырьков.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что не более 70% площади поверхности стенок в системе газовых труб выполнены газопроницаемыми.

10. Установка (1) для электролитического выделения металла, содержащая:
- аноды (9) и катоды (4), размещенные поочередно в ванне (2),
- раствор электролита (3) в ванне (2), содержащий ионы металла, и
- устройство для барботирования газом ванны электролита по любому из пп. 1-9, при этом газоснабжающие отверстия (7) выполнены в стенках (19) газовых труб (6) с возможностью направления пузырьков газа к поверхностям катодов за счет расположения их в местах под катодами для распределения пузырьков газа от нижнего края катода (4) и равномерного подъема их вверх с обеих сторон катода (4).

11. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что расстояние (A) между верхним краем (19) газовых труб (6) системы и нижним краем (14) катода составляет не более 100 сантиметров.

12. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что газовые трубы (6) системы размещены в ванне (2) по меньшей мере частично перпендикулярно общему направлению (B) расположения подвесок катодов (4).

13. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что газовые трубы (6) системы размещены в ванне (2) параллельно общему направлению (В) расположения подвесок катодов.

14. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что в пространствах между катодами расположены отдельные направляющие элементы (12) для направления газа, поступающего в ванну, к поверхностям катодов.

15. Способ электролитического выделения металла, при котором в ванне (2) с раствором электролита (3), содержащим ионы металла, поочередно размещены аноды (9) и катоды (4), а пузырьки газа распределяют по поверхностям катодов (4) посредством устройства для барботирования газом ванны электролита, выполненного по любому из пп. 1-9, с по меньшей мере частичным предотвращением прохождения газа через стенки (19) газовых труб (6), при этом газ направляют через газоснабжающие отверстия (7) в стенках (19) газовых труб (6) с поверхностей, которые обращены в сторону катодов (4), с обеспечением распределения пузырьков газа от нижнего края катода (4) и равномерного подъема их с обеих сторон катода (4).

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что в стенку (19) газовых труб (6) системы в качестве вставки помещают отдельную деталь, не пропускающую газ, для предотвращения, при необходимости, прохождения газа через стенку.

17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что прохождение газа, получаемого из газовых труб (6) системы, направляют в ванне с помощью отдельных направляющих элементов (12).