改进的电化学电解池装置以及分离杂质的方法
阅读说明：本技术 改进的电化学电解池装置以及分离杂质的方法 (Improved electrochemical cell apparatus and method for separating impurities ) 是由 亚当·布伦 斯科特·伊斯特伍德 于 2019-08-17 设计创作，主要内容包括：一种从水溶液中分离杂质的电化学方法,包括以下步骤：使含有杂质离子的进料水溶液循环至含有阴极的电化学电解池的阴极室中；使酸性电解质溶液循环至包含阳极的阳极室中；阳极室与阴极室用中心室分开,形成含三个腔室的电解池,在阴极室和中心室之间有阴离子交换膜,形成一个边界,而在阳极室和中心室之间则有一个阳离子交换膜,形成另一个边界；在中心室内添加氯化物溶液或使其循环至中心室中；在阳极和阴极之间施加电流,促进阳极产生的氢离子通过阳离子交换膜迁移到中心室,促进阴极室产生的氯离子通过阴离子交换膜迁移到中心室,从而形成盐酸；其中,杂质离子以氢氧化物的形式沉淀在阴极室中,使产生的溶液中消耗掉了杂质。(An electrochemical process for separating impurities from an aqueous solution comprising the steps of: recycling the aqueous feed solution containing impurity ions to the cathode compartment of the electrochemical cell containing the cathode; circulating an acidic electrolyte solution into an anode chamber comprising an anode; the anode chamber and the cathode chamber are separated by a central chamber to form an electrolytic cell comprising three chambers, an anion exchange membrane is arranged between the cathode chamber and the central chamber to form a boundary, and a cation exchange membrane is arranged between the anode chamber and the central chamber to form another boundary; adding or recycling a chloride solution to the central chamber; applying an electric current between the anode and the cathode to promote migration of hydrogen ions produced by the anode to the central chamber through the cation exchange membrane and chloride ions produced by the cathode chamber to the central chamber through the anion exchange membrane to form hydrochloric acid; wherein impurity ions are precipitated in the cathode compartment as hydroxides, which result in a solution depleted of impurities.)
技术领域
本发明涉及从水溶液中分离镁的过程。更具体一点，本发明涉及从盐水、海水和冶金溶液中分离镁的过程。
背景技术
下面讨论背景技术的目的仅是为了促进对本发明的理解。讨论的内容并不代表认可或承认提及的任何材料相对于本申请的优先权日属于或曾经属于公知常识。
水溶液中，尤其是盐水或海水溶液，存在的杂质(例如镁或铝)可抑制从溶液中分离和回收珍贵的盐分、金属或其它化合物。
当前从盐水或海水中回收金属镁的工艺使用纯碱或苛性沉淀的替代物。例如韩国专利KR101663515(B1)公布了一种通过控制pH获得Mg(OH)2或MgCO3沉淀的方法。
使用膜分离镁受到限制的原因是一旦镁沉淀后会存在膜污染的问题。PCT/NO99/00343公布了一种使用电渗析技术(离子交换膜形式)从海水中得到氢氧化镁沉淀的方法。然而和许多其它文献资料所记载的一样，从盐水中得到镁(和钙)的沉淀过程必须在离子交换膜加工之前在一个单独的步骤中进行。
此外，这些工艺还需要添加和/或重新生成苛性碱制剂才能促进镁的沉淀。将苛性碱制剂与海水混合是一个不利的因素，因为这样会导致无法精细控制沉淀的过程，而若是两者不混合，就可以通过增量调节达到对沉淀过程的精细控制。反过来，这会导致沉淀仅在局部发生且不受控制(即从溶液中完全地非选择性沉淀所有盐分、金属或其它化合物)。
目前尚没有一种满意的经济的工艺能够分离或直接沉淀出具有足够纯度的氢氧化镁。
本发明希望克服，或至少改善，上述现有技术中存在的一个或多个不足，或给消费者提供一种有用的或商业化的选择。
本文中引用的每个文件、参考文献、专利申请或专利通过引用将全文明确地纳入本文，即意味着读者在阅读并考量时应将其当作本文的一部分。本文中引用的文件、参考文献、专利申请或专利并未在本文中有所重复，仅是为了行文简洁。
在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则对术语“盐水”的理解应包括盐、海水和含有盐的冶金溶液。
在整个说明书中，引用冶金溶液时将被认为适用于希望从金属原料中，包括但不限于矿石、硬岩或浆料，回收的任何金属。
在整个说明书中，引用“浸出溶液”时包括但不限于任何含金属的溶液、冶金溶液，盐卤或盐水浓缩液。
引用金属时将被认为包括任何金属，包括但不限于锂。
在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则对用词“包括”或“包含”的理解应暗示为包括陈述的组成元素或组成元素的组，但不排除任何其它组成元素或组成元素的组。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于从水溶液中分离杂质的电化学方法，其中包括以下步骤：
使含杂质离子的进料水溶液循环至包含阴极的的电化学电解池的阴极室；
使酸性电解质溶液循环至包含阳极的阳极室；
阳极室与阴极室用中心室分开，形成含有三个腔室的电解池，有一个阴离子交换膜，形成阴极室和中心室之间的一个边界，有一个阳离子交换膜，形成阳极室和中心室之间的一个边界；
在中心室内添加氯化物溶液或使其循环至中心室中；
在阳极和阴极之间施加电流，促进阳极产生的氢离子通过阳离子交换膜迁移到中心室，促进阴极室产生的氯离子通过阴离子交换膜迁移到中心室，从而形成盐酸；
其中，杂质离子以氢氧化物的形式沉淀在阴极室中，使产生的溶液中消耗掉了杂质。
所述进料水溶液优选为包含盐水、盐或海水中的任何一种。
所述杂质离子优选为包括镁或铝中的任何一种或多种。
所述阳极室中的酸性电解质溶液优选为硫酸、盐酸或磷酸中的任何一种。
所述中心室中的氯化物溶液优选为酸性氯化物溶液。
根据本发明，提供了一种从水溶液中分离镁和/或铝的电化学方法，包括以下步骤：
将包含镁和/或铝离子的进料水溶液循环至包含阴极的电化学电解池的阴极室中；
使酸性电解质溶液循环至包含阳极的阳极室中；
阳极室与阴极室用中心室分开，形成含有三个腔室的电解池，有一个阴离子交换膜，形成阴极室和中心室之间的一个边界，有一个阳离子交换膜，形成阳极室和中心室之间的一个边界；
将氯化物溶液循环至中心室；
在阳极和阴极之间施加电流，促进阳极产生的氢离子通过阳离子交换膜迁移到中心室，促进阴极室产生的氯离子通过阴离子交换膜迁移到中心室，从而在中心室中形成盐酸；
其中，镁和/或铝离子以氢氧化物形式沉淀在阴极室中，使产生的溶液中消耗掉了镁和/或铝。
所述进料水性溶液优选为包含盐水、盐或海水中的任何一种。
所述阳极室中的酸性电解质溶液优选为硫酸、盐酸或磷酸中的任何一种。
所述中心室中的氯化物溶液优选为酸性氯化物溶液。
根据本发明，提供了一种用于从冶金溶液中分离镁和/或铝的电化学方法，其中包括以下步骤：
将包含镁和/或铝离子的进料冶金溶液循环至包含阴极的电化学电解池的阴极室中；
使酸性电解质溶液循环至包含阳极的阳极室中；
阳极室与阴极室用中心室分开，形成含有三个腔室的电解池，有一个阴离子交换膜，形成阴极室和中心室之间的一个边界，有一个阳离子交换膜，形成阳极室和中心室之间的一个边界；
将氯化物溶液循环至中心室；
在阳极和阴极之间施加电流，促进阳极产生的氢离子通过阳离子交换膜迁移到中心室，促进阴极室产生的氯离子通过阴离子交换膜迁移到中心室，从而在中心室形成盐酸；
其中，镁和/或铝离子以氢氧化物的形式沉淀在阴极室中，产生的冶金溶液中消耗掉了镁和/或铝。
所述冶金溶液优选为包含锂。
所述阳极室中的酸性电解质溶液优选为硫酸、盐酸或磷酸中的任何一种。
所述中心室中的氯化物溶液优选为酸性氯化物溶液。
根据本发明，提供了一种用于从水溶液中分离杂质离子的三腔电化学电解池，其中包括：
一个包含阴极的阴极室，并且该阴极室至少有一个边界是由阴离子交换膜形成；
一个包含阳极的阳极室，并且该阳极室至少有一个边界是由阳离子交换膜形成；
在所述阴离子和阳离子交换膜之间形成一个中心腔；
有电源连接到阳极和阴极，有利于在其间施加电流；
其中，将包含杂质离子的进料水溶液送到阴极室，在阴极室中杂质离子以氢氧化物的形式沉淀，氯离子通过阴离子交换膜迁移到中心室，而酸性电解质溶液送到阳极室，氢氧根离子在阳极室中产生并通过阳离子交换膜迁移到中心室，从而在中心室中形成盐酸，并且在阴极室中形成消耗掉了杂质的水溶液。
根据本发明，提供了一种用于从水溶液中分离镁和/或铝离子的三腔电化学电解池，其中包括：
一个包含阴极的阴极室，并且该阴极室至少有一个边界由阴离子交换膜形成；
一个包含阳极的阳极室，并且该阳极室至少有一个边界由阳离子交换膜形成；
在所述阴离子和阳离子交换膜之间形成一个中心室；
有电源连接到阳极和阴极，有利于在其间施加电流；
其中，将含有镁和/或铝离子的进料水溶液送到阴极室，在阴极室镁和/或铝离子以氢氧化物的形式沉淀，氯离子通过阴离子交换膜迁移到中心室，而酸性电解质溶液送到阳极室，氢氧根离子在阳极室产生并通过阳离子交换膜迁移到中心室，从而在中心室中形成盐酸，并且在阴极室中形成消耗掉了镁和/或铝的水溶液。
根据本发明，提供了一种用于从冶金溶液中分离镁和/或铝离子的三腔电化学电解池，其中包括：
一个包含阴极的阴极室，并且该阴极室至少有一个边界由阴离子交换膜形成；
一个包含阳极的阳极室，并且该阳极室至少有一个边界由阳离子交换膜形成；
在所述阴离子和阳离子交换膜之间形成一个中心室；
有电源连接到阳极和阴极，有利于在其间施加电流；
其中，将含有镁和/或铝离子的进料冶金溶液送到阴极室，在阴极室镁和/或铝离子以氢氧化物的形式沉淀，氯离子通过阴离子交换膜迁移到中心室，而酸性电解质溶液送到阳极室，氢氧根离子在阳极室产生并通过阳离子交换膜迁移到中心室，从而在中心室中形成盐酸，并且在阴极室中形成消耗掉了镁和/或铝的冶金溶液。
在本发明的优选实施例中，本发明的电化学电解池装置和去除杂质的方法经配置可用作独立的电解池。
在本发明的其他优选实施例中，电化学电解池装置和去除杂质的方法经配置后使用或作为串联连续流操作的一部分纳入。
附图的简要说明
在以下几个非限制性实施例的描述中，将更全面地描述本发明的其他特征。说明的目的仅为对本发明进行举例说明。不应将其理解是对上述本发明的广泛概括、公开或说明进行限制。将参考附图进行描述，其中：
图1是本发明的电化学电解池装置的一个实施方案的图示。
图2示出了将本发明的电化学电解池装置和方法应用于合成的锂浸出溶液的实验结果。
图3示出了将本发明的电化学电解池装置和方法应用于海水试验锂溶液的实验结果。
具体实施方式
图1描述的是对本发明的方法进行说明。
电渗析电解池形式的电化学电解池装置10包括阴极室12、阳极室14和中心室16。阴极18位于阴极室12中或形成阴极室12的一个边界，阴离子交换膜19在阴极室12与中心室16之间形成一个邻接边界。阳极20位于阳极室14中或形成阳极室14的一个边界，而阳离子交换膜21在阳极室14与中心室16之间形成一个邻接边界。
将进料水溶液22(例如盐水，盐，海水或冶金溶液)送到阴极室12中。氢氧根离子在阴极18处产生并与杂质(例如镁和/或铝)反应，在进料水溶液22中形成氢氧化物沉淀从溶液中沉降出来。在阴极18处产生的氢气防止氢氧化物沉淀污染阴极。
将氯化物溶液24(例如盐酸，但优选为磷酸)送到中心室16中。由于盐酸会在阳极形成氯气，因此磷酸和其他不可氧化的非氧化性强离解酸比盐酸更可取。进料水溶液22中存在的氯离子继续穿过阴离子交换膜19迁移到中心室16中。将酸性电解质溶液26送入阳极室14，氢离子在阳极室形成并继续穿过阳离子交换膜21迁移到中心室16中。这些氢离子与已穿过阴离子交换膜19迁移到中心室16中的氯离子形成盐酸。
随着杂质在阴极室中以氢氧化物的形式沉淀，形成消耗掉了杂质的溶液，此溶液可以与沉淀的杂质分离以进行进一步处理。
与从溶液中去除例如镁或铝等杂质的传统方法相比，本方法具有多个优点。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可以去除其他杂质。含3个腔室的构造使氯化物能够从进料溶液中去除，从而产生盐酸，而镁以氢氧化镁的形式沉淀，这两者都是潜在的创收流，是传统处理工艺所没有的。此外，在进料流为冶金流的情况下，杂质被去除，从而实现了更好的金属回收率。
含3个腔室的构造防止氯气的形成，这是与现有技术使用单膜构造的电化学方法相比的另一优点。本方法应用在商业上可具有重大的安全和环境意义。
示例
示例1：
6升溶液，含1300mg/l镁；10800mg/l钠；氯化物在3.0安培下电解了4个小时后，保持平衡。
本发明所述的电解池，具有两个膜，氯离子经由阴离子交换膜从阴极室接收至中心室，氢离子经由阳离子交换膜从阳极室接收至中心室，从而在中心室中变成酸。镁在阴极室中沉淀——流出电解池并沉降在分批回收容器中；硫酸为支持性阳极液——对水进行电解，这样在阳极产生氧气和氢离子，在阴极产生氢离子和氢氧根离子。
该试验的结果是，用3.0安培电解4小时后，镁含量降到850mg/l，钠保持不变，并产生盐酸HCl 5.66克(电流效率为36％)。
示例2：
本实验与示例1相似，但是这次使用不同的离子交换膜供应商，并且进料溶液仅为3升。将该溶液在3.0安培下电解2小时。结果如下描述。初始溶液：Mg–1280mg/l；Ca–420mg/l；钠–10800mg/l最终溶液：Mg–690mg/l；Ca–420mg/l；钠–10800mg/l产生5.43g HCl(电流效率为72.7％)。
无论离子交换膜的数量是多少，都适用于本发明，并且对膜制造商并无偏好。
可根据用户的要求，可以将本发明的电化学电解池装置和去除杂质的方法用作独立电解池，或作为串联连续流操作的一部分纳入。
对本领域技术人员显而易见的修改和改变被认为属于本发明的范围内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：苛性转化方法