[发明专利]选择性还原电积设备和方法

说明书

相关申请

本申请要求于2012年7月26日提交的序列号为61/675,994、标题为“选择性还原电积设备和方法(SELECTIVE REDUCTIVE ELECTROWINNING APPARATUS AND METHODS)”的美国临时专利申请的权益，其公开内容以其全文通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及金属离子的回收。具体地，本发明涉及利用牺牲性还原剂从溶液中回收金属离子的有效电解方法。

背景技术

诸如镍、钴、铬、银、金、铁、铜、锌和钒的金属被广泛地用作适于许多工业应用和工艺的碱催化剂，所述工业应用和工艺包括石油制造和精炼、电池、化工工艺、空气排放控制等。在许多工艺期间，催化剂将最终会失去其催化功能，并变为废料。此外，在电子工业中，这些金属代表着来自电路板的一种显著浪费。

包含金属的废料(诸如用过的催化剂、电池和电路板)的产生已成为在这些行业中的主要环境问题之一，这主要是由于它们在运输、后处理和处置阶段中的毒性和排放到环境中。另一方面，这些金属废料包含具有商业价值的高部分的金属。

用于回收和再生这类金属的当前工艺是昂贵的，主要是由于在这类回收工艺中消耗掉的高能量。例如，电积是用于从包含金属的废料回收金属的典型工艺。在该工艺中，电流或电压施加到电化学电池，在电化学电池中阳极和阴极被浸入到包含金属的废料的水性溶液中。在所施加的电能下，水性溶液中的金属在阴极处被还原，而水在电化学电池的阳极处被氧化。该工艺由于水氧化反应的高过电位而在高的电池电压下运行。因此，水氧化反应的高过电位也将导致在电池的阴极室析出氢气，这进一步降低金属回收工艺的效率并影响所回收材料的纯度和质量。

因此，对于有效的金属回收工艺仍存在需求。

发明内容

本发明的前提是实现可有效地从水性溶液中回收金属(诸如用过的金属催化剂)。更具体地，本发明的前提是利用分隔的电解池通过电解来实现可将金属离子有效地从水性溶液中除去，所述电解池具有包含牺牲性还原剂的碱性pH阳极室环境、包含要被回收的所需金属的酸性pH阴极室环境、以及将阳极室和阴极室物理隔开的离子传导隔膜(separator)。

根据本发明，回收金属的方法包括将电压或电流施加到电解池，所述电解池包括设置于阳极室内的阳极；设置于阴极室内的阴极；设置于阳极和阴极之间以便将阳极室和阴极室物理隔开的隔膜，隔膜允许在阳极室和阴极室之间进行离子传输；设置于阳极室内的阳极液，其包含牺牲性还原剂，其中所述阳极液具有碱性pH值；设置于阴极室内的阴极液，其包含溶解于其中的至少一种或多种金属离子，其中阴极液具有酸性pH值；以及在阳极和阴极之间的电连接(electrical connection)。电压或电流经由电连接跨越阴极和阳极而施加到电解池，其中所述电压或电流足以还原所述至少一种或多种金属离子，以便在阴极处形成至少一种或多种元素金属种类(species)，以及以便在阳极处氧化牺牲性还原剂。

根据本发明另一个实施例，电化学电池，其包括在阳极室中的阳极；在阴极室内的阴极；设置于阳极和阴极之间以便物理隔开阳极室和阴极室的隔膜，所述隔膜允许阳极室和阴极室之间的离子传输；设置于阳极室内的阳极液，其包含牺牲性还原剂，其中所述阳极液具有碱性pH值；设置于阴极室内的阴极液，其包含溶解于其中的一种或多种金属离子，其中阴极液具有酸性pH值；以及阳极和阴极之间的电连接。

借鉴以下的详细描述和实例，将进一步理解本发明的目的和优势。

附图说明

图1是根据本发明实施例的简化电解池的示意图；

图2是循环伏安图，其示出通过传统的电积(TE)工艺与根据本发明实施例的选择性还原电积(SRE)工艺回收镍的比较；以及

图3是将TE工艺与根据本发明实施例的SRE工艺的电化学性能进行比较的电流(mA)相对于时间(秒)的曲线图。

具体实施方式

图1是简化电解池10的图解描述，其配置成用于液流电池(flow cell)处理，以便实现从水性溶液中回收金属。简化电解池10包括包含阴极20的阴极室15，包含阳极30的阳极室25，其中所述阴极室15和阳极室25通过隔膜35彼此物理隔开。然而隔膜35允许离子在阴极室15和阳极室25之间传输，同时还能用作阴极20和阳极30之间的物理屏障。阴极20和阳极30配置有在其间的电连接40以及电压源(voltage source)45，电压源45将电压或电流供应给电化学电池10。