[发明专利]在铜-氯循环中操作参数对电化学电池性能的影响

说明书

发明领域

本发明涉及各种操作参数（如阳极与阴极的表面积比、电极之间的距离、盐酸（HCl）的浓度、所施加的电压、电解质的流动速率，氯化亚铜（CuC1）浓度和反应温度）对电化学电池的性能的影响。在目前的用于氢气生产的铜-氯循环中，在阴极侧的氯化亚铜到铜粉末的电解以及在阳极侧的氯化铜的形成是主要反应之一。

发明背景

使用电解从电解质回收金属实际上用于许多工业，例如电镀、采矿和金属加工。从含有离子形式的铜金属的溶液中回收铜是公知的方法（JP2004244663（A）、WO2009090774（A1））。本发明涉及作为铜-氯循环中的主要反应的电解的研究，其中在阴极形成铜且在阳极上产生氯化铜。

US005421966A描述了一种用于印刷电路板制造中所使用的酸性氯化铜蚀刻镀液的在线再生的电解设备和方法。蚀刻入系统中的铜金属被完全去除。石墨和/或碳材料被用作阴极和阳极。微孔分离器用于阳极电解质和阴极电解质溶液的分离（US005421966A）。

US2008/0283390A1描述了一种用于氯化亚铜的电解以生产用于铜-氯（Cu-Cl）热化学循环的铜粉末和氯化铜的方法。致密的石墨电极被用作工作电极如阳极和阴极。由聚乙烯（poly）和聚乙烯亚胺交联制成的阴离子交换膜被用作分离介质。电极被设计成通道肋方式的形式。电解质流过相应的通道。主要的问题是在电解期间形成的铜粉末的去除。已经使用不同的添加剂以增强铜-氯（Cu-Cl）的溶解性。为了增加导电性，向溶液中加入作为晶种的炭黑材料。

US2010/051469A1使用电化学电池用于从氯化亚铜和HCl的电解中在阴极电极生产氢气以及在阳极电极生产氯化铜。所使用的阳极电解质和阴极电解质分别为盐酸中的氯化亚铜以及水。阳离子交换膜被用作阳极和阴极隔室之间的分离介质。

该方法的主要挑战之一是实现CuC1的电解期间的高效率。在氯化亚铜电解成铜粉末形式和氯化铜形式中的主要困难是在阴极电极上形成的铜粉末的去除以及通过在盐酸（HCl）存在下溶解氧和氯化亚铜之间的竞争反应的氯化铜的形成，如：

2HC1+2CuCl+0.5O₂→2CuCl₂+H₂O

随着盐酸（HCl）浓度的增加，形成不需要的阴离子物质如CuCl₂^-、CuCl₃^2-的速率增加。随着盐酸（HCl）的浓度的降低，在电池中存在氯化亚铜的沉淀。

发明内容

本发明涉及氯化亚铜的电解以在电化学电池中的阴极侧生产铜粉末和在阳极侧生产氯化铜。在电化学电池中进行氯化亚铜的电解。颗粒尺寸、电流密度、阴极电流效率、氯化亚铜的转化以及形成铜的收率主要取决于电流流动、传热和传质操作。电流流动、传热和传质取决于阳极与阴极的表面积比、电极之间的距离、盐酸（HCl）的浓度、所施加的电压、电解质的流动速率，氯化亚铜（CuC1）浓度和反应温度。已经在此进行了作为用于氢气生产的铜-氯（Cu-Cl）热化学循环的一部分的氯化亚铜的电解。

因此，本发明涉及用于氯化亚铜的电解以生产铜的方法，其中，电化学电池的至少一个阳极和至少一个阴极与（一个或多个）隔室中的电解质接触且还在阳极和阴极之间施加电压以生产铜。

本发明还涉及电化学电池的设计和构造以生产铜，其中，电化学电池的至少一个阳极和至少一个阴极与（一个或多个）隔室中的电解质接触。

本文公开的用于从氯化亚铜生产铜的电化学电池包括设置在电解质中的至少一个阳极；设置在电解质中的至少一个阴极；用于电极的至少一个隔室以及设置在阳极隔室和阴极隔室之间的离子交换膜。

协同发现，在0.01cm至100cm范围内的电极之间的距离操作有效。

附图简要说明

结合附图描述了本发明的实施例，其中：

图1以示意的形式示出了本发明的方法中所使用的电化学电池结构。

图2表示电解中所使用的铜阴极和铂阳极的示意性形式。

图3描绘了（a）氢气（H₂）生成反应中所使用的铜粉末和（b）氯化亚铜（CuC1）的电解中所获得的铜粉末的X-射线衍射（XRD）图案。

图4示出了铜电极上的铜粉末的电解沉积。

图5示出了电解沉积的铜粉末的扫描电子显微镜（SEM）图像。

具体实施方式