KR20170038880A - 금속 전해 채취용 셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 삽입된 기본 셀들을 포함하는 비철금속의 전해 채취용 전기 분해 장치에 관한 것으로, 각각의 기본 셀은 각각의 애노드로의 전류 분배 이상을 검출하는데 적합한 장치를 갖추고 있다.
Description
본 발명은 금속들의 전해 채취 - 특히 이온 용액으로부터 출발하는 구리 및 다른 비철금속의 전기 분해 생성에 적합한 - 복수의 기본 셀들을 포함하는 전기 분해 장치 및 이러한 전기 분해 장치가 설치된 전해 채취 시설에 관한 것이다.
예를 들어 금속들의 전기 분해 추출 및 정련을 위한 시설들과 같은, 또한 각각 전해 채취 및 전기 제련 시설들로 알려진, 비철금속 석출을 위한 전기화학 시설들은 일반적으로 각각이 애노드 및 캐소드를 포함하는 복수의 기본 셀들을 포함하는 하나 이상의 전기 분해 장치들을 사용한다.
상기 언급된 시설들을 위한 전기 분해 장치들에서, 애노드들 및 캐소드들은 대체로 서로 엇갈린 위치들에 그리고 상호 평행하게 전해조 내에 배치된다. 각각의 전극은 행거 바에 기계적 및 전기적으로 연결되고 그 각각의 행거 바와 버스-바의 접촉을 통해 전기를 공급받는다. 전기 분해 장치에서, 동일한 버스-바는 동일한 극성의 전극들 사이에서 공유되며, 상호 병렬로 연결된다.
예를 들어 구리, 코발트, 아연 또는 니켈과 같은 비철금속의 생성을 위한 시설들의 경우, 전기화학 반응에 의해 생성된 금속은 각각의 기본 셀의 캐소드 상에 전류의 흐름의 작용으로 석출된다. 석출된 생성물은 관련 전기 분해 장치로부터 캐소드들을 추출할 때, 일반적으로 수일의, 주기적 간격으로 수확된다. 캐소드 표면 상에서의 금속의 석출은 불-균일한 방식으로 일어날 수 있어, 전기 단락이 시작될 때까지, 전류 흐름의 영향 하에서 증가하는 속도로 마주보는 애노드 쪽으로 성장하는, 수지상정(dendrites) 또는 수지상 형성물들(dendritic formations)로도 알려진, 국부적인 석출물을 발생시킬 수 있다. 이 경우에, 수지상 형성물과의 접촉에 상응하는 애노드 표면의 온도 증가는 심각한 손상들을 야기시킬 수 있다; 어떤 경우에는, 수지상 형성물이 애노드 표면에 국부적으로 결합되어, 차후의 캐소드 추출 및 결과적으로 전체 금속 수확 작업을 방해한다.
수지상정들의 형성과 관련된 전술한 문제점들은 특히 촉매 물질의 코팅이 제공된, 메쉬 또는 확장된 시트들과 같은, 티타늄 기판들로 제조된 현대 개념의 애노드들과 관련 있다. 비록 이러한 애노드들은 종래의 납 애노드들과 대비해 효율이 증가하기 때문에 선호되지만, 단락 회로 조건들은 종종 광범위하고 회복할 수 없는 손상을 일으킬 수 있다. 이러한 문제점은 촉매-코팅된 티타늄 메쉬가 다공성 중합체의 분리기 또는 이온-교환 막과 같은, 투과성 재료로 구성된 엔벨로프(envelope) 내에 삽입되는, 특허 출원 WO2013060786에 개시된 진보된 애노드 유형에 대해서도 여전히 미해결이다. 애노드들의 손상은 더 높은 시설 유지비, 금속 생성물의 손실 및 시설의 가능한 강제 폐쇄와 연관된 추가 손상들을 수반한다.
그러므로 수지상 형성물들의 성장의 경우에는 전기 분해 장치의 기본 셀들의 애노드들을 보호하는 형태를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 또한 하나 이상의 수지상 형성물들의 성장이 잠재적 위협을 구성하는 전기 분해 장치의 개별적인 애노드들을 신속하게 확인하고 보고하는 것이 바람직하다. 금속 전해 채취 시설들은 높은 온도 및 전기 분해 장치들의 부근에 있을 수 있는 산성 안개의 존재 때문에 유해한 환경들이므로, 수지상 형성들에 의해 영향받는 개개의 애노드들의 검출 및 특히 신호 발신은 또한 시설 유지 보수 인력에 의한 신속한 개입을 허용하여, 전해실 내에서의 체류 시간을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다양한 양태들은 첨부된 청구항들에 설명되어 있다.
한 양태에 따르면, 본 발명은 복수의 기본 셀들로 이루어진 금속의 전해 채취를 위한 전기 분해 장치에 관한 것이고, 각각의 셀은 전기 전도성 다공성 스크린을 개재하여 애노드와 캐소드를 포함하고, 애노드에는 산소 방출 반응을 위한 촉매 표면이 제공되고, 캐소드는 전해조로부터 금속의 석출에 적합하다. 셀은 애노드에 전기적 및 기계적으로 연결된 전기 전도성 애노드 행거 바, 및 캐소드에 전기적 및 기계적으로 연결된 전기 전도성 캐소드 행거 바를 더 포함한다. 각각의 기본 셀은 또한 상응하는 애노드 행거 바를 가로질러 흐르는 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치를 포함한다. 전기 분해 장치는 또한 각 셀의 애노드 행거 바들에 전기적으로 연결된 애노드 버스-바, 및 각 셀의 캐소드 행거 바들에 전기적으로 연결된 캐소드 버스-바를 갖추고 있다. 전기 분해 장치는 또한 애노드 버스-바에 평행하게 그리고 근접하게 배치된 캐소드 평형 바를 포함할 수 있다.
기본 셀의 애노드와 캐소드 사이에 개재된, 전도성 다공성 스크린은 상이한 정도의 조밀도를 나타낼 수 있고 캐소드와 애노드 사이의 이온 전도를 방해하지 않고 전해질 용액의 통과를 허용하는 방식으로 이루어진 구조이다.
전술한 바와 같이 전기 분해 장치 설계로 전기 분해를 수행함으로써, 기본 셀들의 하나 이상의 캐소드에 형성될 수 있는 수지상정들이 애노드 표면의 뒤쪽에 도달하기 전에 마주보는 다공성 스크린과 접촉하여 수지상정들의 성장을 멈추게 하거나, 또는 어떤 경우라도 느려지게 한다. 수지상 형성물이 다공성 스크린과 접촉하는 경우, 스크린이 전기 전도성을 약간 가진다면, 셀에서 생성된 금속의 일부가 코팅으로서 스크린상에 직접 석출되는 것이 관찰되었다. 이 경우, 캐소드, 수지상정 및 다공성 스크린으로 이루어진 어셈블리는, 이러한 요소들 사이에 존재하는 전기적 연결에 의해서, 기본 셀의 새로운 캐소드의 기능을 추가적으로 수행하고, 나아가 원래의 것보다 애노드에 더 가깝게 배치된다. 이러한 상황에서, 새로운 캐소드와 애노드 사이의 감소된 갭과 연관된 전해질의 낮은 저항 강하는 관련 애노드 행거 바를 가로질러 흐르는 전류의 증가를 야기한다. 이러한 전류 증가의 정도는 수지상정 성장의 지표로서 사용될 수 있음이 밝혀졌다.
일 실시예에서, 각각의 애노드 행거 바에 흐르는 전류의 직접 또는 간접 검출은 전압 또는 온도 변화들을 측정할 수 있는 검출 장치에 의해, 바 자체, 또는 이에 전기적으로 연결된 요소들에서 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 전압 변화의 측정은 전기 전도성 및 선택적으로 유연한 압력 접촉부에의해 한 쪽에서 관련 애노드 버스-바에 다른 쪽에서 캐소드 행거 바에 검출 장치의 연결을 통해 이루어진다. 이 구성은 애노드 행거 바에 고정된 전기 연결들을 피하는 이점을 제공할 수 있고, 셀의 차후 유지 보수 작업을 용이하게 한다.
다른 실시예에서, 전압 변화의 측정은 검출 장치를 장축을 따라 일정한 거리에 위치된 두 지점들에 대응하는 애노드 행거 바에 연결함으로써 이루어진다.
일 실시예에서, 온도 변화의 측정은 감열성 장치, 예를 들어 열전쌍에 의해 이루어질 수 있다. 이 측정은, 예를 들어, 바람직하게는 그것의 단말 부분에 대응하는 각각의 애노드 행거 바에 설치된, 또는 대안적으로 애노드 행거 바들과 접촉의 각 점에 대응하는 애노드 버스-바에 설치된 감열성 장치로 행해질 수 있다. 감열성 장치는 주변 환경으로부터의 단열을 보호 및/또는 증가시키기에 적합한, 내화학성 라이닝을 갖출 수 있다.
다른 실시예에서, 온도 변화의 측정은 온도가 미리 결정된 임계값을 초과할 때마다 그들의 색을 변화시키는 열반응 도료의 사용을 통해 이루어질 수 있다. 이러한 도료는 애노드 행거 바 또는 애노드 행거 바와 접촉하는 지점에 대응하는 애노드 버스-바에 칠해진다. 이 실시예는 수지상 형성들의 성장에 의해 결정되는 잠재적으로 중요한 상황들을 전기화학 시설 내부에서 일하는 인원에게 바로 분명하게 하고, 이 상황들이 발생하는 전기 분해 장치 또한 이러한 전기 분해 장치 내의 애노드 또는 애노드들의 신속한 식별을 가능하게 하는 이점을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 검출 장치는 장치에 의한 측정과 미리 결정된 기준 범위 사이의 비교를 위해 구성된 자신의 마이크로프로세서에 연결될 수 있다; 만약 측정치가 기준 범위 내에 포함되지 않으면, 마이크로프로세서는 순차적으로 또는 동시에 작동하는 하나 이상의 신호 발신 시스템들을 활성화시킬 수 있다. 마이크로프로세서 및/또는 신호 발신 시스템은, 예를 들면 생성물 수확을 고려하여, 캐소드 추출 작업 동안 꺼질 수 있다. 마이크로프로세서는 단일 장치 내에서 신호 발신 시스템 및/또는 검출 장치와 통합될 수 있다.
일 실시예에서 마이크로프로세서는 주기적인 교체를 필요로 하는 배터리들의 사용을 피하기 위해, 프로세스 전기 전압에 의해 작동된다. 특히, 마이크로프로세서는 전기 분해 장치가 그와 함께 갖추어져 있는 경우 애노드 버스-바 및 캐소드 평형 바에 직접 연결될 수 있다. 만약 전기 분해 장치가 캐소드 평형 바를 포함하지 않고 시설 작업들을 방해하는 고정 배선들을 피하고 싶은 경우, 특정 애노드 행거 바를 모니터링하도록 지시받은 마이크로프로세서는 바람직하게는 유연한 압력 접촉부를 통해 애노드 버스-바 및 인접한 캐소드의 행거 바에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로프로세서는 직접 또는 광 결합 장치를 통해서, 광섬유에 결합될 수 있는 발광 다이오드로 구성된 적어도 하나의 신호 발신 시스템을 작동시킨다. 선택적으로 중합체 물질로 안을 댄, 광섬유는, 광 신호를 각각의 애노드 행거 바의 단자 부분들로 또는 훨씬 더 양호하게는 전기 분해 장치의 외부로의 전송을 허용함으로써, 시설 작업 인원들에 의한 식별을 용이하게 하고, 미리 결정된 값들의 범위 외에 직접 또는 간접 전류 값들을 나타내는 관련 애노드 또는 애노드들 및 전기 분해 장치를 신속하게 발견할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 다공성 스크린은 적합한 두께의 탄소 직물로 제조될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 다공성 스크린은, 산소 방출 반응에 대해 촉매적으로 비활성인 코팅이 제공된, 예를 들어 티타늄 같은, 내부식성 금속으로 만들어진 메시 또는 구멍이 뚫린 시트로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 촉매적으로 비활성인 코팅은 예를 들어 산화물의 형태로, 주석, 탄탈룸, 니오븀 또는 티타늄을 기초로 할 수 있다. 일 실시예에서, 애노드들은 촉매 물질로 코팅된 티타늄 메시들 또는 팽창된 시트들로부터 얻어진다. 또 다른 실시예에서, 촉매 코팅된 티타늄 메쉬는 투과성 분리기, 예를 들어 중합체 물질의 다공성 시트 또는 양이온 교환막으로 구성된 엔벨로프 내에 삽입되며, 프레임에 고정되고 데미스터(demister)가 위에 얹혀져 있다.
최적의 다공성 스크린-대-애노드 표면 갭은 공정 특성들과 시설의 전체 크기에 의존한다. 본 발명을 검증하기 위해 사용된 시설들에서, 25 내지 100mm 만큼 이격된 애노드들과 캐소드들 및 마주보는 애노드들로부터 1-20mm 거리에 위치한 다공성 스크린들을 사용하는 셀들에서 최고의 성능이 얻어졌다.
다른 양태에서, 본 발명은 산소 방출 반응을 위한 촉매 표면을 갖는 애노드, 다공성 스크린, 애노드에 기계적 그리고 전기적으로 연결된 애노드 행거 바 및 애노드 행거 바를 가로질러 흐르는 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치를 포함하는 금속 전해 채취용 전기 분해 장치들의 기본 셀들에 대한 애노드 요소에 관한 것이다. 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치는 전술한 바와 같이 만들어질 수 있고 검출된 값과 미리 결정된 범위의 값들을 비교하고 검출된 값이 사전 설정된 범위에 포함되지 않는 경우에 하나 이상의 경보 신호들을 작동시키는데 적합한 마이크로프로세서와 선택적으로 연결될 수 있다. 경보 신호는 청각, 시각, 전자기 또는 다른 종류일 수 있고, 다수의 신호들의 조합으로 구성될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀에 관한 것으로,
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산소 방출 반응을 위한 촉매 표면을 갖는 애노드;
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상기 애노드에 평행하게 배열된 전해조로부터 금속의 석출에 적합한 캐소드;
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상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재된 다공성 스크린;
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애노드와 일체로 되고 애노드에 전기적으로 연결된, 전기 전도성 애노드 행거 바;
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애노드 행거 바를 가로질러 흐르는 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치;
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전기 전도성이고 애노드 행거 바에 전기적으로 연결된, 애노드 버스-바를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 전술한 바와 같이 전기 분해 장치 내에서 용액을 전기 분해하는 단계를 포함하는, 제 1 구리 및/또는 제 2 구리 이온들을 포함하는 용액으로부터 구리를 얻는 방법에 관한 것이다.
본 발명을 예시하는 몇몇 구현들은 본 발명의 상기 특별한 구현들에 관하여 상이한 요소들의 상호 장치를 도시하는 유일한 목적을 갖는 첨부된 도면들을 참조하여 여기에 기술될 것이다; 특히, 도면들은 반드시 일정한 비율로 도시되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀에서 수지상 형성물들의 성장을 표시하기 위한 가능한 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀에서 수지상 형성물들의 성장을 표시하기 위한 가능한 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 1은 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀을 개략적으로 도시하고, 이러한 기본 셀은, 애노드(100) 및 애노드에 평행하게 정렬된 전해조로부터의 금속 석출에 적합한 캐소드(200), 애노드와 캐소드 사이에 개재된 다공성 스크린(300), 애노드와 일체로 되고 애노드에 전기적으로 연결된 애노드 행거 바(400), 캐소드 행거 바(450), 애노드 행거 바(400)를 가로질러 흐르는 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치(500), 애노드 행거 바(400)와 전기적 연결된 전기 전도성 애노드 버스-바(600)를 포함한다. 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치(500)는 장치(500)에 의해 검출된 양을 미리 결정된 범위의 값들과 비교하도록 구성된 마이크로프로세서(700)에 연결될 수 있다. 마이크로프로세서(700)는 검출이 기준 범위를 벗어나는 값을 제공하는 경우 작동되는 신호 발신 시스템(800)에 연결된다.
도 2는 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치(500)로서, 상기 검출을 미리 결정된 범위의 값들과 비교하기 위해 마이크로프로세서(700)에 연결된 장치(500)를 도시한다. 마이크로프로세서(700)는 검출이 기준 범위를 벗어나는 값을 제공하는 경우 신호 발신 시스템(800)을 작동시키도록 구성된다. 신호 발신 시스템(800)은 마이크로프로세서(700)에 의한 작동의 경우 광 신호를 방출하는 발광 다이오드(801)로 구성될 수 있다. 다이오드(801)의 신호는 광 결합 시스템(802)을 통해 다이오드(801)에 선택적으로 결합된, 광섬유(803)에 의해 전달된다.
광 신호가 출력되는 섬유(803)의 말단은, 시설에서 작업하는 직원(900)에 의해 쉽게 식별되도록 적절한 지점에 위치된다.
앞의 설명은 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않고, 본 발명은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예들에 따라 사용될 수 있으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해서만 정의된다.
본 출원의 설명 및 청구항들 전체에 걸쳐, "포함하다" 용어 및 "포함하는"과 같은 변형은 다른 요소들, 구성요소들 또는 추가 공정 단계들의 존재를 배제하는 것으로 의도되지 않는다.
문서들, 행위들, 재료들, 장치들, 물품들 및 그와 비슷한 것의 논의는 본 발명을 위한 맥락을 제공하기 위한 목적으로만 본 명세서에 포함된다. 이들 사항들 중 어느 것도 또는 전부가 선행 기술 자료의 일부를 형성하거나, 본 출원의 각각의 청구항의 우선일 이전에 본 발명과 관련된 분야에서 통상적인 지식인 것으로 제시되거나 나타내지지 않는다.
Claims (16)
- 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀에 있어서:
- 산소 방출 반응을 위한 촉매 표면을 갖는 애노드;
- 상기 애노드에 평행하게 배치된 전해조로부터의 금속의 석출에 적합한 캐소드;
- 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재된 전기 도전성 다공성 스크린;
- 상기 애노드와 일체로 되고 상기 애노드에 전기적으로 연결된, 전기 도전성 애노드 행거 바;
- 상기 애노드 행거 바를 가로질러 흐르는 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치;
- 전기 도전성이며 상기 애노드 행거 바에 전기적으로 연결된, 애노드 버스-바를 포함하는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 전류의 직접 또는 간접 검출은 전압과 온도 사이에서 선택된 물리량의 평가를 포함하는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 2 항에 있어서,
상기 물리량의 평가는 열반응 도료(thermochromic paint) 또는 감열성 장치의 사용에 의한 온도의 측정인, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 3 항에 있어서,
상기 감열성 장치는 열전쌍인, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 온도 측정은 상기 애노드 버스-바와의 전기적 연결의 부근에서 상기 애노드 행거 바 상에서 이루어지는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 온도 측정은 상기 애노드 행거 바의 부근에서 상기 애노드 버스-바 상에서 이루어지는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 1 항에 있어서,
상기 검출 장치 및 적어도 하나의 신호 발신 시스템과 연결된 마이크로프로세서를 더 포함하고, 상기 마이크로프로세서는 상기 전류의 검출과 미리 결정된 기준 범위를 비교하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 신호 발신 시스템은 상기 검출이 상기 기준 범위 밖의 값을 제공할 때마다 작동되도록 구성되는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 7 항에 있어서,
- 상기 캐소드와 일체로 되고 상기 캐소드에 전기적으로 연결된, 전기 도전성 캐소드 행거 바;
- 캐소드 평형 바를 더 포함하는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 8 항에 있어서,
상기 마이크로프로세서의 전력 공급은 프로세스 전압에 의해 제공되는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 9 항에 있어서,
상기 전력 공급은 상기 애노드 버스-바 및 상기 캐소드 평형 바에 연결됨으로써 얻어지는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 9 항에 있어서,
상기 전력 공급은 상기 애노드 바에 연결 및 상기 캐소드 행거 바와의 압력 접촉에 의해 얻어지는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 발신 시스템은 상기 마이크로프로세서에 의해 작동되는 발광 다이오드를 포함하는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 제 12 항에 있어서,
상기 발광 다이오드는 광섬유에 연결되는, 금속 전해 채취용 전기 분해 장치의 기본 셀. - 전해조로부터 금속의 1차 추출을 위한 전기 분해 장치로서, 상호 전기적 연결된 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 셀들의 적층을 포함하는, 전기 분해 장치.
- 제 1 구리 및/또는 제 2 구리 이온들을 포함하는 용액으로부터 구리를 얻는 방법으로서, 제 14 항에 따른 전기 분해 장치 내에서 상기 용액을 전기 분해하는 단계를 포함하는, 구리를 얻는 방법.
- 금속 전해 채취 셀들을 위한 애노드 소자에 있어서,
산소 방출 반응을 위한 적어도 하나의 촉매 표면을 갖는 애노드, 적어도 하나의 다공성 스크린, 상기 애노드에 기계적 및 전기적으로 연결된 애노드 행거 바 및 상기 애노드 행거 바를 가로질러 흐르는 전류의 직접 또는 간접 검출에 적합한 장치를 포함하는, 금속 전해 채취 셀들을 위한 애노드 소자.
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