CN106835255A - 一种湍流电积方法和配套装置及模块化拓展方案 - Google Patents

Abstract

本发明属于电沉积技术领域，尤其涉及一种湍流电积方法，利用电解质溶液在有限的阴阳极管状空间内高速湍流涌动，消除由于电沉积反应速率大于离子扩散反应速率而造成的浓差极化现象的新型电沉积技术，特别适合于冶金、有色金属资源再生行业从复杂含有色金属离子溶液中回收阴极析出金属，同时，本发明还提供一种湍流电积方法的配套装置及一种湍流电积方法的配套装置的模块化拓展方案，相比传统板槽式敞口电沉积槽，湍流电积设备运行期间副反应少、直流电效率高、产生的酸性气体可以集中收集处置，其模块化设备单元安装简单、***内溶液滞留量少，工艺适应性强，随着市场的开拓、技术的提升以及用户的增加，其最终具备取代传统电沉积设备的能力，将是湿法水溶液冶金电沉积技术的新发展方向。

Description

一种湍流电积方法和配套装置及模块化拓展方案

技术领域

本发明属于电沉积技术领域，尤其涉及一种湍流电积方法和配套装置及模块化拓展方案。

背景技术

电沉积技术是指简单金属离子或络离子通过电化学方法在固体（导体或半导体）表面上还原为金属原子附着于电极表面，从而获得一金属沉积层的过程，在各种电沉积反应中，无论何种类型的电解质溶液，其阴阳离子在阴阳电极上的放电反应都遵守离子的溶液析出电位顺序和电化当量，在阴阳极板上通直流电后，电解质溶液中的阴阳离子在电场作用下分别向阳极和阴极运动，排开极板表面的溶液，进而在阴阳极上完成放电反应，在电流强度较低时，阴阳离子的扩散速率大于其放电析出速率，扩散反应主导电化学析出反应，阳离子的放电严格遵守溶液中各离子的析出电位顺序，当电流强度增加时，阴阳离子的扩散速率不足以补充极板间由于阴阳离子放电造成的离子浓度变化时，就形成了浓茶极化现象，阳离子的析出不再严格遵守析出电位顺序，电化学析出反应开始出现大量副反应，以硫酸铜水溶液中电沉积铜为例，随着电流强度的增加，浓差极化现象趋于明显，阴极析氢反应，与铜离子析出电位相同的金属阳离子开始参与电化学析出，直流电效率降低，阴极产品纯度降低，传统电沉积过程由于其固有的物理结构，溶液流向与阴阳极板垂直，且极板间溶液的传质速率受限于溶液流速，浓差极化现象极易产生。传统冶金通过电沉积反应获得阴极析出高纯金属，通常需要控制较高的目标金属离子浓度和极低的杂质金属离子含量，1990年前后，澳大利亚人艾妙提出了旋流电解理论，并于1995年将旋流电解设备首次工业化，最终命名为EMEW艾妙电解。2008年前后该电解技术由澳大利亚公司Electrometals引入中国，由于价值理念及经济行情的波动最终没能在中国成功落地。部分中国冶金工作者开始对这种耳目一新的电沉积技术进行拆解仿制，先后将其命名为旋流电解、旋转阳极电解、离心电解、选择性电沉积、筒形电解等名称，申请了多个类似专利，如：CN 101886271 A；CN202430302 U；CN 102560560 A；CN 204918800 U等，旋流电解设备在国内冶金、环保行业的应用领域极为广阔，但是现阶段技术使用方普遍不满足其实际工作效果。实际应用案例中其生产操作复杂、维修维护成本高昂、跑冒滴漏严重、大规模生产效率远低于传统板槽式电沉积。无论旋流、射流、离心等电解的描述方式有何差异，都只是圆筒形密闭电沉积技术为了区别于他人的形而上学的模仿，利用高速湍动的电解质溶液快速消除浓差极化现象才是新型电沉积技术的科学表述，湍流电积也由此应运而生，总之，旋流电解方法及装置由于设备本身仿制的不到位和结构不合理性，在实际的工业化生产中存在诸多不可回避的设计缺陷，冶金工作者仍有必要围绕圆筒形密闭电沉积技术进行结构、方案设计，现有技术存在由于电沉积反应速率大于离子扩散反应速率而造成的浓差极化现象的问题。

发明内容

本发明提供一种湍流电积方法和配套装置及模块化拓展方案，以解决上述背景技术中提出了现有技术存在由于电沉积反应速率大于离子扩散反应速率而造成的浓差极化现象的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种湍流电积方法，包括在含目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中，所述电解质溶液湍流涌动。

进一步，所述电解质溶液经循环泵的推动湍流涌动。

进一步，所述在含目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中包括在含阴阳极有限密闭空间内的目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中。

同时，本发明还提供一种湍流电积方法的配套装置，其特征在于，包括由上盖密封机构和下盖密封机构以及阴极筒体内腔共同形成的阴阳极密闭空间，所述上盖密封机构和下盖密封机构共同支撑阴阳极密闭空间轴向中心的阳极棒，所述阴阳极密闭空间内的电解质溶液经循环泵推动湍流涌动。

进一步，所述阳极棒为组装式钛基材涂层阳极棒，所述阳极棒顶端设置可拆解密封盖。

进一步，所述阴极筒体内表面弹性贴合镜面钛材始极片。

进一步，所述阴极筒体内底端设置的阴极下部屏蔽环套接于阳极棒。

进一步，所述上盖密封机构包括内螺扣上盖，所述上盖经Y型密封件密封旋压于阴极筒体一端固定的单螺纹上连接座，所述上盖内顶面中心的定位杆凹槽内固定阳极棒的一端，所述下盖密封机构包括内螺扣下盖，所述下盖经Y型密封件密封旋压于阴极筒体另一端固定的单螺纹下连接座，所述下盖顶面中心的星型密封安装凹槽内支撑阳极棒的另一端。

同时，本发明还提供一种湍流电积方法的配套装置的模块化拓展方案，其特征在于，包括由若干配套装置组成的槽体，若干槽体经并联和串联组成工业化单元。

进一步，所述工业化单元的阳极析出气体输出裹挟于带翻液板电解质循环槽支撑的酸雾分离塔内，所述裹挟于酸雾分离塔内的工业化单元的阳极析出气体经酸雾分离塔分离电解质溶液，所述带翻液板电解质循环槽的内部翻液板结构用于满足循环槽内电解质溶液置换而循环泵不断流。

有益技术效果：

1、本专利采用在含阴阳极有限密闭空间内的目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中，所述电解质溶液经循环泵的推动湍流涌动，由于利用电解质溶液在有限的阴阳极管状空间内高速湍流涌动，消除由于电沉积反应速率大于离子扩散反应速率而造成的浓差极化现象。

2、本专利采用包括由上盖密封机构和下盖密封机构以及阴极筒体内腔共同形成的阴阳极密闭空间，所述上盖密封机构和下盖密封机构共同支撑阴阳极密闭空间轴向中心的阳极棒，所述阴阳极密闭空间内的电解质溶液经循环泵推动湍流涌动，相比传统板槽式敞口电沉积槽，湍流电积设备运行期间副反应少、直流电效率高、产生的酸性气体可以集中收集处置。

3、本专利采用所述阳极棒为组装式钛基材涂层阳极棒，所述阳极棒顶端设置可拆解密封盖，由于采用上下等直径的组装式钛基材阳极，有效降低阳极的制造和维护成本，降低了阳极本身接触电阻及导电电阻，从而实现降低电积过程槽电压的目的。

4、本专利采用所述上盖密封机构包括内螺扣上盖，所述上盖经Y型密封件密封旋压于阴极筒体一端固定的单螺纹上连接座，所述上盖内顶面中心的定位杆凹槽内固定阳极棒的一端，所述下盖密封机构包括内螺扣下盖，所述下盖经Y型密封件密封旋压于阴极筒体另一端固定的单螺纹下连接座，所述下盖顶面中心的星型密封安装凹槽内支撑阳极棒的另一端，由于采用单螺纹式上下连接座、内螺扣式上下盖以及Y型硅胶密封件的多重配合，有效避免了上下盖开闭困难、密封件密封不严电解质溶液容易漏液的毛病，由于采用标准星型丁腈密封圈和Y型硅胶密封圈有效降低易损件更换成本。

5、本专利合理缩减了部件构成，将密封件安装槽统一设计在塑胶组件上，方便了模块加工。

6、本专利采用包括由若干配套装置组成的槽体，若干槽体经并联和串联组成工业化单元，由于模块化设备单元安装简单、***内溶液滞留量少，工艺适应性强；随着市场的开拓、技术的提升以及用户的增加，其最终具备取代传统电沉积设备的能力，将是湿法水溶液冶金电沉积技术的新发展方向，同时，采用与循环泵流量相匹配的电积槽并联个数和串联级数，有效保证了工作期间溶液湍流涌动的特性。

7、本专利采用所述带翻液板电解质循环槽的内部翻液板结构用于满足循环槽内电解质溶液置换而循环泵不断流，由于采用低扬程大流量溶液循环泵，确保了设备工作期间较小的设备内压，有效保证了设备工作的安全性，由于采用矩形长方体带内部翻液版结构电解质溶液循环槽，在电解质溶液高速流转的情况下仍然能够创造合理的固悬颗粒沉降环境，保证了电解质溶液在工作期间的高度澄清性，可以有效防止级间放电现象，为进一步缩减阴阳极级间距提供了可能性。

8、本专利采用所述工业化单元的阳极析出气体输出裹挟于带翻液板电解质循环槽支撑的酸雾分离塔内，所述裹挟于酸雾分离塔内的工业化单元的阳极析出气体经酸雾分离塔分离电解质溶液，由于在电解质溶液返回电解槽的末端增加了酸雾分离塔，集中收集电积过程阳极气体，可以保证整个操作区间无酸雾溢出，改善工人操作环境。

9、本专利采用以IGBT大功率电子管为核心的逆变模块和集中水冷降温，实现了用电单元的直供电和冗余供电，相比传统硅整流电源控制简单、可视化高、电能转化率高、供电设备本身就具备模块堆叠的能力。

附图说明

图1是本发明一种湍流电积方法的流程图；

图2是本发明一种湍流电积方法的配套装置的结构示意图；

图3是本发明一种湍流电积方法的配套装置的模块化拓展方案的槽体结构示意图；

图4是本发明一种湍流电积方法的配套装置的模块化拓展方案模块结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

图中：

101-湍流涌动步骤；

201-上盖密封机构，202-下盖密封机构，203-阴极筒体，204-阴阳极密闭空间，205-阳极棒，206-循环泵，207-可拆解密封盖，208-镜面钛材始极片，209-阴极下部屏蔽环，210-上盖，211-单螺纹上连接座，212-下盖，213-单螺纹下连接座水；

301-配套装置，302-槽体，303-工业化单元，304-带翻液板电解质循环槽，305-酸雾分离塔，306-IGBT高频逆变直流电源，307-大流量低扬程循环泵。

实施例：

本实施例：如图1所示，一种湍流电积方法，包括在含目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中，所述电解质溶液湍流涌动。

由于采用在含阴阳极有限密闭空间内的目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中，所述电解质溶液经循环泵的推动湍流涌动，由于利用电解质溶液在有限的阴阳极管状空间内高速湍流涌动，消除由于电沉积反应速率大于离子扩散反应速率而造成的浓差极化现象。

所述电解质溶液经循环泵206的推动湍流涌动。

所述在含目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中包括在含阴阳极有限密闭空间内的目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中。

如图2所示，一种湍流电积方法的配套装置301，其特征在于，包括由上盖密封机构201和下盖密封机构202以及阴极筒体203内腔共同形成的阴阳极密闭空间204，所述上盖密封机构201和下盖密封机构202共同支撑阴阳极密闭空间204轴向中心的阳极棒205，所述阴阳极密闭空间204内的电解质溶液经循环泵206推动湍流涌动。

由于采用包括由上盖密封机构和下盖密封机构以及阴极筒体内腔共同形成的阴阳极密闭空间，所述上盖密封机构和下盖密封机构共同支撑阴阳极密闭空间轴向中心的阳极棒，所述阴阳极密闭空间内的电解质溶液经循环泵推动湍流涌动，相比传统板槽式敞口电沉积槽，湍流电积设备运行期间副反应少、直流电效率高、产生的酸性气体可以集中收集处置。

所述阳极棒205为组装式钛基材涂层阳极棒205，所述阳极棒205顶端设置可拆解密封盖207。

由于采用所述阳极棒为组装式钛基材涂层阳极棒，所述阳极棒顶端设置可拆解密封盖，由于采用上下等直径的组装式钛基材阳极，有效降低阳极的制造和维护成本，降低了阳极本身接触电阻及导电电阻，从而实现降低电积过程槽电压的目的。

所述阴极筒体203内表面弹性贴合镜面钛材始极片208。

所述阴极筒体203内底端设置的阴极下部屏蔽环209套接于阳极棒205。

所述上盖密封机构201包括内螺扣上盖210，所述上盖210经Y型密封件密封旋压于阴极筒体203一端固定的单螺纹上连接座211，所述上盖210内顶面中心的定位杆凹槽内固定阳极棒205的一端，所述下盖密封机构202包括内螺扣下盖212，所述下盖212经Y型密封件密封旋压于阴极筒体203另一端固定的单螺纹下连接座213，所述下盖212顶面中心的星型密封安装凹槽内支撑阳极棒205的另一端。

由于采用所述上盖密封机构包括内螺扣上盖，所述上盖经Y型密封件密封旋压于阴极筒体一端固定的单螺纹上连接座，所述上盖内顶面中心的定位杆凹槽内固定阳极棒的一端，所述下盖密封机构包括内螺扣下盖，所述下盖经Y型密封件密封旋压于阴极筒体另一端固定的单螺纹下连接座，所述下盖顶面中心的星型密封安装凹槽内支撑阳极棒的另一端，由于采用单螺纹式上下连接座、内螺扣式上下盖以及Y型硅胶密封件的多重配合，有效避免了上下盖开闭困难、密封件密封不严电解质溶液容易漏液的毛病，由于采用标准星型丁晴密封圈和Y型硅胶密封圈有效降低易损件更换成本。

由于合理缩减了部件构成，将密封件安装槽统一设计在塑胶组件上，方便了模块加工。

如图3、4所示，一种湍流电积方法的配套装置301的模块化拓展方案，其特征在于，包括由若干如权利要求 4至 8中任意一项所述的湍流电积方法的配套装置301组成的槽体302，若干槽体302经并联和串联组成工业化单元303。

由于采用包括由若干配套装置组成的槽体，若干槽体经并联和串联组成工业化单元，由于模块化设备单元安装简单、***内溶液滞留量少，工艺适应性强；随着市场的开拓、技术的提升以及用户的增加，其最终具备取代传统电沉积设备的能力，将是湿法水溶液冶金电沉积技术的新发展方向，同时，采用与循环泵流量相匹配的电积槽并联个数和串联级数，有效保证了工作期间溶液湍流涌动的特性。

所述工业化单元303的阳极析出气体输出裹挟于带翻液板电解质循环槽304支撑的酸雾分离塔305内，所述裹挟于酸雾分离塔305内的工业化单元303的阳极析出气体经酸雾分离塔305分离电解质溶液。

由于采用所述工业化单元的阳极析出气体输出裹挟于带翻液板电解质循环槽支撑的酸雾分离塔内，所述裹挟于酸雾分离塔内的工业化单元的阳极析出气体经酸雾分离塔分离电解质溶液，由于在电解质溶液返回电解槽的末端增加了酸雾分离塔，集中收集电积过程阳极气体，可以保证整个操作区间无酸雾溢出，改善工人操作环境。

所述带翻液板电解质循环槽304的内部翻液板结构用于满足循环槽内电解质溶液置换而循环泵206不断流。

由于采用所述带翻液板电解质循环槽的内部翻液板结构用于满足循环槽内电解质溶液置换而循环泵不断流，由于采用低扬程大流量溶液循环泵，确保了设备工作期间较小的设备内压，有效保证了设备工作的安全性，由于采用矩形长方体带内部翻液版结构电解质溶液循环槽，在电解质溶液高速流转的情况下仍然能够创造合理的固悬颗粒沉降环境，保证了电解质溶液在工作期间的高度澄清性，可以有效防止级间放电现象，为进一步缩减阴阳极级间距提供了可能性。

由于采用以IGBT大功率电子管为核心的逆变模块和集中水冷降温，实现了用电单元的直供电和冗余供电，相比传统硅整流电源控制简单、可视化高、电能转化率高、供电设备本身就具备模块堆叠的能力。

工作原理：

本专利通过湍流电积的电化学反应机理与传统电沉积相同，只是利用了高速流转的电解质溶液具有的增强离子扩散能力，有效的滞后不利于电沉积反应主反应持续进行的浓差极化现场产生。设备工作期间，阳极发生阴离子失去电子释放氧气的主反应；阴极发生金属阳离子得电子在阴极排开电解质溶液在阴极析出金属沉积物的主反应。

阳极主反应：2H2O-4e-→O2（g）↑+4H+

阴极主反应：Me+（aq）+e-→Me（s）

湍流电积方法的配套装置包含组装式钛基材贵金属涂层阳极（mmo）、耐腐蚀金属筒状阴极、单螺纹塑胶上下连接座、内螺扣式上下盖、阴极筒体下部屏蔽环、金属析出始极片、阴极筒体部件间密封件；所述组装式钛基材贵金属涂层阳极上下等直径，内部为空腔式导电结构，顶部靠阳极端盖的密封使导电结构与电解质溶液相分离，底部靠铜质连接螺栓与直流供电单元直接或间接相连；所述耐腐蚀金属筒状阴极为双端面法兰结构，上端面与塑胶连接座靠密封件连接密封，下端面与阴极筒体下部屏蔽环连接密封；所述单螺纹塑胶上下连接座外观相同，延连接座筒体侧壁切线方向开有电解质溶液进出口，连接座设有凹型槽安装密封件后与阴极上端面法兰和下部屏蔽环连接密封，连接座与上下盖依靠单螺纹及硅胶密封件紧密吻合，与下部阴极屏蔽环依靠密封件紧密密封；所述下部阴极屏蔽环开有凹型密封槽；所述内螺扣式上下盖内有Y型密封嵌入槽，靠旋压力使上下盖与上下连接座分别形成紧密密封；所述金属析出始极片为镜面钛材薄板卷制形成。

湍流电积方法的配套装置的模块化拓展方案湍流电积设备生产单元由多个单体湍流电积槽按照溶液循环泵的溶液输送能力进行并联配置，单个单元电积槽数量为并联配置电积槽数量的2倍，所述循环槽为长方体矩形塑胶槽体，槽内设置溶液翻板，槽内结构满足溶液置换开路而不停止溶液循环泵送的条件，所述酸雾分离塔有效利用循环泵扬程和析出气体与电解质溶液结合不紧密的性质，采用雾喷的方式让电积酸雾与电解质溶液迅速分离，电积酸雾在分离塔内负压的作用下从顶部抽出，电解质溶液在重力的作用下落入循环槽内，所述高频直流供电单元以IGBT大功率逆变模块为核心，采用集中水冷的方式实现生产时动力电到高频稳压直流电的转化，所述溶液循环泵为大流量低扬程（H≤40m）磁力泵，能够有效杜绝电解质溶液腐蚀泄漏并提供稳定的溶液输送能力，所述管道压力监测单元采用触点式带信号输出压力表，能够在整个设备单元工作中有效防止溶液停止输送而造成的可燃气体在设备内汇聚，及时关断供电单元，防止出现设备闪爆事故。

本发明解决了现有技术存在由于电沉积反应速率大于离子扩散反应速率而造成的浓差极化现象的问题，造成上下模对中性不能保障而导致的包装效果差的问题，具有消除浓差极化现象、副反应少、直流电效率高、保证了工作期间溶液湍流涌动的特性等的有益技术效果。

利用本发明的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种湍流电积方法，包括在含目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中，其特征在于，所述电解质溶液在有限阴阳极空间内湍流涌动。

2.根据权利要求1所述的一种湍流电积方法，其特征在于，所述电解质溶液经循环泵的推动在有限阴阳极空间内湍流涌动。

3.根据权利要求1所述的一种湍流电积方法，其特征在于，所述在含目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中包括在含阴阳极有限密闭空间内的目标金属离子的电解质溶液电化学沉积过程中。

4.一种湍流电积方法的配套装置，其特征在于，包括由上盖密封机构和下盖密封机构以及阴极筒体内腔共同形成的阴阳极密闭空间，所述上盖密封机构和下盖密封机构共同支撑阴阳极密闭空间轴向中心的阳极棒，所述阴阳极密闭空间内的电解质溶液经循环泵推动湍流涌动。

5.根据权利要求4所述的一种湍流电积方法的配套装置，其特征在于，所述阳极棒为组装式钛基材涂层阳极棒，所述阳极棒顶端设置可拆解密封盖。

6.根据权利要求4所述的一种湍流电积方法的配套装置，其特征在于，所述阴极筒体内表面弹性贴合镜面钛材始极片。

7.根据权利要求4所述的一种湍流电积方法的配套装置，其特征在于，所述阴极筒体内底端设置的阴极下部屏蔽环套接于阳极棒。

8.根据权利要求4所述的一种湍流电积方法的配套装置，其特征在于，所述上盖密封机构包括内螺扣上盖，所述上盖经Y型密封件密封旋压于阴极筒体一端固定的单螺纹上连接座，所述上盖内顶面中心的定位杆凹槽内固定阳极棒的一端，所述下盖密封机构包括内螺扣下盖，所述下盖经Y型密封件密封旋压于阴极筒体另一端固定的单螺纹下连接座，所述下盖顶面中心的星型密封安装凹槽内支撑阳极棒的另一端。

9.一种湍流电积方法的配套装置的模块化拓展方案，其特征在于，包括由若干如权利要求 4至 8中任意一项所述的湍流电积方法的配套装置组成的槽体，若干槽体经并联和串联组成工业化单元。

10.根据权利要求9所述的一种湍流电积方法的配套装置的模块化拓展方案，其特征在于，所述工业化单元的阳极析出气体输出裹挟于带翻液板电解质循环槽支撑的酸雾分离塔内，所述裹挟于酸雾分离塔内的工业化单元的阳极析出气体经酸雾分离塔分离电解质溶液，所述带翻液板电解质循环槽的内部翻液板结构用于满足循环槽内电解质溶液置换而循环泵不断流。