[发明专利]在电解法中在直流电流上叠加交流电流的方法

说明书

本发明涉及在供给到一组电解池用于铜和其它产品的电解冶金或电解精炼的直流电流上叠加交流电流的方法。本发明的特征在于：(a)并入电感器，所述电感器连接在电解池组的中间池的端子之间，并且所述电感器的功能是充当交流电流滤波器并且充当导通直流电流的工具；(b)并入电容器，所述电容器并联连接到原始直流电流源，并且电容器的功能是充当导通交流电流的工具并充当直流电流滤波器；以及(c)并入交流电流源，所述交流电流源连接在设置在电解池组的中间点处的电感器的端子处。

技术问题

铜工业使用电流整流器生产铜，其中流通电解液具有溶解入其中的铜(图2)。由整流器生成的电流使得电解液中溶解的铜沉积在阴极表面上；根据法拉第定律的该过程与流通电流成比例，并且导致高纯度的金属铜。然而，由于事实证明，电极处电流密度的任意增加使所沉积铜的化学和物理质量恶化，所以关于在阴极上沉积铜的能力方面沉积过程具有限制。

目前，工业设施用约300-400[A/m²]的电流密度工作。电流水平的增加导致增加生产，然而带来一些质量问题。在电解冶金(EW)和电解精炼(ER)的传统过程中，用于冶金过程的控制变量是铜浓度、流速和电解液的温度。增加温度提高了离子的局部迁移率，而流速和浓度加大了离子反应的可用性。

用高于300[A/m²]的电流密度用于铜生产、保持保留的铜的良好物理质量的工业EW设施以高于45[℃]的温度、高于2.2[I/min/m²]的表面流速以及约45[g/l]的铜浓度操作。这带来了高操作成本，如果铜的国际评估高的话这是合理的，然而，在低和中等等级评价中，高操作成本对工厂的操作连续性是决定性的。

在ER设施用于铜的情况下，电流密度甚至进一步由于阳极钝化现象而受到限制，其典型地将电流密度限制为320[A/m²]或更低，并且ER设施还必须在60[℃]以上的温度操作以维持沉积的质量。流速不是可供ER设施中使用的变量，因为流速的增加会导致阳极泥的搅动，这会污染所生产的阴极的较低部分。

电沉积现象的具体学习它不是我们的目的，也不是在所谓“电化学双层”的界面电极-电解液处发生的现象。然而，有必要一提的是模型化的电化学双层限定(如其名称暗示的)具有不同行为的电解液的两个完全区别开的层：内层或赫姆霍兹层以及外层或扩散层(图3)。

赫姆霍兹层内部发生溶液中的铜转变为金属铜的复杂现象。由于大量积累的离子在这样小的距离“等待”被沉积，模型可以简化地将赫姆霍兹层认为由金属板(电极)和非金属板(包括电解液中的高浓度离子)构成的电容器。该非金属板与电阻特性的阻抗并联连接，表示将溶液中的离子金属原子转变为阴极的金属晶格(铜还原)所需的能量(图4)。

对于扩散层，它包括范围从接近赫姆霍兹层到溶液内典型浓度的离子浓度。撇开赫姆霍兹层，从扩散层到溶液的中部发生离子输运现象，就像由于施加电场的迁移和由于浓度变化的扩散。为了提高这些输运现象，存在多种技术，诸如包括将空气注入到电解液的“空气喷射”，该技术在电极附近生成水动力的改善，以及EMEW技术，该技术实际上实现了额外的高流速操作。然而，由于高的实施成本限制了这些技术处理边缘溶液，因此它们不适用于大量生产铜。电解液的粘度限制了以上提及的技术的效果，电解液的粘度阻止机械搅动从电解液施加到电极以接近电化学双层处的反应区。

然而，通过改变进入电解池的电流、通过在直流电流传统电沉积过程上叠加或重叠交流电流、使用赫姆霍兹层的电容器作为用于交流电流的输运工具，存在“电摇动”电解液的可能性。该电容器的金属板(电极)经受表面电荷的巨大变化，就像它是金属导体。相反，该电容器的非金属板中电荷的变化必然生成溶液中离子分布的变化，因为离子占有溶液内的物理空间。这意味着重叠交流电流生成电解液－电极界面附近的离子运动，并且更确切地在扩散层中(图5)。这实现了在机械搅动方法由于溶液粘度而不可用的区域中某种使电极附近的离子移动的“液压泵”。