一种矿浆电池的制作方法

1.本发明涉及金属提取与能源储存/转换技术领域，更具体地，涉及一种矿浆电池。


背景技术：

2.随着人类社会的快速发展，人类对资源的需求量不断增大。采矿、粉碎和金属提取都是能源密集型过程。随着全球矿石品味的逐渐下降，使得能源密集更加突出
‑
复杂低品位矿的高效分离。高成本、环境污染严重、条件苛刻等严重制约着金属提取技术的发展。因此，发展高效、清洁的金属提取技术意义重大。
3.以黄铜矿为例(cufes2)，黄铜矿是岩石层中主要的铜矿，铜的质量分数高达34%。常温酸性浸出黄铜矿的过程中会在黄铜矿的表面生成一层硫膜，阻碍黄铜矿的继续浸出。因此，在全球范围内，约80%的铜是通过传统的火法冶炼获得。利用火法冶炼工艺处理黄铜矿，包括矿物加工和浮选工艺的能量需求，从开采的矿石中生产1千克的铜大约需要3.8千瓦时的能量。同时，生产1吨纯铜，会排放温室气体二氧化碳5.4吨。能量需求和温室气体排放与铜矿石的品位成负相关。然而，在过去的100年里，铜矿的矿石品位持续下降。平均而言，从1900年到2010年，全球铜矿品位已从1.5%
‑
4.0%下降至约0.6%。据预测，截止2050年，铜矿品位可能会进一步下降至约0.49%。所以通过高效、环保的湿法冶金工艺从电子废弃物和低品位复杂尾矿中回收锂、铜、镍、钴和锰等金属元素在环境保护和资源再上方面有非常强的吸引力。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的提供了一种矿浆电池，该矿浆电池可以同时实现金属的提取与电能储存/转换。而且，该矿浆电池在实现金属提取和电能储存/转换的过程中可以有效克服传统湿法/火法提取金属过程中能耗高、环境污染严重和条件苛刻等问题。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种矿浆电池，包括反应槽、隔膜、阳极、阴极、阳极浆料、阴极电解液和导线，所述隔膜将所述反应槽分成阴极反应槽和阳极反应槽；所述阴极的一端设于所述阴极反应槽中，所述阳极的一端设于所述阳极反应槽中，所述阴极的另一端与所述阳极的另一端通过所述导线连接，形成闭合回路；所述隔膜为阴离子交换膜；所述阴极电解液置于所述阴极反应槽中，所述阴极电解液包括酸性金属盐溶液，所述金属为锰、锌、铁、钴、镍中的至少一种；所述阳极浆料置于所述阳极反应槽中，所述阳极浆料包括矿物、导电碳和酸溶液，ph为0
‑
7；所述矿物包括铜矿和/或铁矿。具体地，所述酸性金属盐溶液为金属盐溶液与酸溶液的混合物，所述金属盐包括但不限于金属的硫酸盐、氯化盐和硝酸盐，所述酸溶液选自硫酸、盐酸和硝酸中的一种或两种以上的混合物。
6.在一些实施方式中，所述阳极浆料包括16
‑
56wt%的矿物、4
‑
14wt%的导电碳和30
‑
80wt%的酸溶液。
7.在一些实施方式中，所述铜矿为黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿、蓝铜矿、铜蓝、硫砷铜矿、硫铜锑矿、硫铋铜矿、黝铜矿、蓝辉铜矿、硫硒铁铜矿中的至少一种；所述铁矿为黄铁矿、白铁矿、磁黄铁矿、马基诺矿、少银黄铁矿中的至少一种。
8.在一些实施方式中，所述阴极电解液还包括缓蚀剂，所述缓蚀剂浓度为1
‑
1000ppm。优选的，所述缓蚀剂选自西曲溴铵、琉基苯并噻唑、苯并三唑中的至少一种。
9.在一些实施方式中，所述隔膜为2,6
‑
二甲基
‑
1,4
‑
苯醚、聚砜类、聚乙烯醇类聚合物中的至少一种。
10.在一些实施方式中，所述隔膜的厚度为5
‑
100μm。
11.在一些实施方式中，所述导电碳为活性炭、炭黑、乙炔黑、碳纳米管、科琴黑、石墨烯中的至少一种。
12.在一些实施方式中，所述阴极和所述阳极分别选取铝、铅、锌、石墨中的一种。优选的，所述阴极和所述阳极分别为阴极板和阳极板，所述阴极板厚度为1
‑
5mm，所述阳极板厚度为1
‑
5mm。
13.在一些实施方式中，所述反应槽的侧部呈连通的中空结构，所述反应槽包括进水口和出水口，所述进水口设于所述反应槽的一侧的下部，所述出水口设于所述反应槽相对的另一侧的上部，用于降低阴极反应槽和阳极反应槽内的反应温度。
14.在一些实施方式中，所述矿浆电池还包括阳极物料储存装置、阴极物料储存装置和若干导管；所述阳极物料储存装置通过两根所述导管与所述阳极反应槽连通，形成阳极浆料循环回路，所述阳极物料储存装置的顶部和底部还分别设有第一进料口和第一出料口；所述阴极物料储存装置通过两根所述导管与所述阴极反应槽连通，形成阴极电解液循环回路，所述阴极物料储存装置还设有第二进料口。
15.在一些实施方式中，所述阳极反应槽和所述阴极反应槽的底部还分别设有第二出料口和第三出料口。
16.本发明的电池的实现原理如下：隔膜将反应槽分成阳极反应槽和阴极反应槽，阴离子可通过隔膜在阳极反应槽和阴极反应槽之间移动。充电时，阳极浆料的矿物失去电子并溶解生成金属离子溶于溶液中，电子从导线向阴极移动，阴离子从阴极反应槽向阳极反应槽移动，而阴极电解液中的金属离子的电子还原形成金属沉积在阴极表面；放电时，基于阳极和阴极的电位差，电子通过导线从阴极向阳极移动，阴离子从阳极反应槽向阴极反应槽移动，阴极表面的金属沉积失去电子形成金属离子溶于溶液中，而阳极反应槽中的金属离子的电子形成低价金属离子，充放电过程实现了金属提取与能源储存/转换。随着反应的不断进行，阳极浆料中的矿物不断溶解，阳极反应槽中的金属离子浓度不断增加，当反应达到一定程度时，可将阳极反应槽中含高浓度金属离子的溶液排出并进行收集，以进一步处理完成金属冶炼/提取。
17.相较于现有技术，本发明的有益效果如下：（1）本发明提供的矿浆电池，可以同时实现金属提取与能源储存/转换。
18.（2）本发明所提供的矿浆电池可以有效解决传统火法/湿法金属冶炼/提取过程中的能耗高、环境污染严重和条件苛刻等问题。
19.（3）本发明所提供的矿浆电池技术可以就地建厂，可以有效解决矿物运输所带来的环境污染与成本增加等问题，有效节约成本。
附图说明
20.图1为实施例1的矿浆电池充电示意图；图2为实施例1的矿浆电池放电示意图；图3为实施例2的矿浆电池充电示意图；图4为实施例2的矿浆电池放电示意图。
21.其中，1
‑
反应槽，2
‑
隔膜，3
‑
阳极反应槽，4
‑
阴极反应槽，5
‑
阳极，6
‑
阴极，7
‑
阳极物料罐，8
‑
阴极物料罐，9
‑
第一进料口，10
‑
第一出料口，11
‑
第二进料口，12
‑
导管，13
‑
进水口，14
‑
出水口，15
‑
第二出料口，16
‑
第三出料口，17
‑
斑铜矿，18
‑
乙炔黑。
具体实施方式
22.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
25.如图1和图2所示，一种矿浆电池，包括反应槽1、隔膜2、阳极5、阴极6、阳极浆料、阴极电解液和导线，隔膜2将反应槽1分成阳极反应槽3和阴极反应槽4；阴极6的一端设于阴极反应槽4中，阳极5的一端设于阳极反应槽3中，阴极6的另一端与阳极5的另一端通过导线连接，形成闭合回路；隔膜2为厚度50μm的2,6
‑
二甲基
‑
1,4
‑
苯醚膜；阴极电解液置于阴极反应槽4中，阴极电解液为硫酸锌溶液、硫酸溶液和西曲溴铵的混合物，其中，硫酸锌浓度为100g/l，西曲溴铵浓度为200ppm；阳极浆料置于阳极反应槽3中，阳极浆料由56wt%的斑铜矿17、14wt%的乙炔黑18和30wt%的硫酸溶液组成，阳极浆料ph为2。
26.具体地，阳极5选用厚度为5mm的石墨板，阴极6选用厚度为5mm的纯锌板。
27.因阳极反应槽3和阴极反应槽4中的物料反应时温度升高，因此反应槽1优选为不锈钢材质，进一步地，反应槽1的侧部和底部呈连通的中空结构，反应槽的其中一侧的下部设有进水口13，与设有进水口13的一侧相对的另一侧的上部设有出水口14。使用时，冷却水从进水口13通入反应槽1的底部和侧部然后从出水口14流出，经冷却后再从进水口13通入反应槽1底部和侧部，形成循环，以保持反应槽1内温度恒定，保证阳极反应槽和阴极反应槽内的反应正常进行。
28.进一步地，为了阳极反应槽3和阴极反应槽4的底部还分别设有第二出料口15和第三出料口16，便于排放浆料和电解液。
29.本实施例的矿浆电池运行时，充电过程中，电子从阳极通过导线向阴极移动，阴离子从阴极反应槽通过隔膜向阳极反应槽移动，阳极发生以下反应：
cufes2→
cu1‑
x
fe1‑
y
s2‑
z
xcu
2
yfe
2
zs 2(x y)e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)cufes2→
cu
2
fe
3
2s 5e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)cu2s
→
cu2‑
x
s cu
2
2xe
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)阴极发生如下反应：zn
2
2e
‑
→
zn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）放电过程中，阳极发生如下反应：2cufes2 6h

2e
‑→
cu2s 3h2s 2fe
2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)阴极发生如下反应：zn
→
zn
2
2e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)实施例2本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括阳极物料罐7和阴极物料罐8，具体如图3和图4所示，阳极物料罐7通过两根导管12与阳极反应槽3连通，形成阳极浆料循环回路，阳极物料罐7的顶部和底部还分别设有第一进料口9和第一出料口10；阴极物料罐8通过两根导管12与阴极反应槽4连通，形成阴极电解液循环回路，阴极物料罐7的顶部还设有第二进料口11。电池使用时，关闭第一出料口10，阳极浆料从第一进料口9装入阳极物料罐中，阴极电解液从第二进料口11装入阴极物料罐8中，阳极浆料从导管12进入阳极反应槽3中，阴极电解液从导管12进入阴极反应槽4中，然后分别关闭第一进料口9和第二进料口11。充电时，接通电源，阳极反应槽发生反应：cufes2→
cu1‑
x
fe1‑
y
s2‑
z
xcu
2
yfe
2
zs 2(x y)e
‑
cufes2→
cu
2
fe
3
2s 5e
‑
cu2s
→
cu2‑
x
s cu
2
2xe
‑
阴极反应槽发生反应：zn
2
2e
‑
→
zn随着反应的不断进行，阳极反应槽3中的矿物不断消耗，浆料不断从阳极物料罐7进入阳极反应槽3中继续反应，阳极反应槽3中生成的物料通过导管12进入阳极物料罐7中。同理，阴极反应槽4中随着锌的沉积，阴极物料罐8中的阴极电解液从导管12进入阴极反应槽中，反应所得溶液通过导管12进入阴极物料管8中。
30.放电时，阳极反应槽发生反应：2cufes2 6h

2e
‑→
cu2s 3h2s 2fe
2
阴极反应槽发生反应：zn
→
zn
2
2e
‑
上述充放电过程实现了金属提取与能源储存/转换。
31.待充放电完全结束后，打开第一出料口10、第三出料口16，将物料排出，将排出的物料经进一步处理，即可将金属离子进一步提取和冶炼。
32.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
33.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。