ARTE PREVIO

Esta invención está relacionada con aparatos y procesos electroquímicos, y más particularmente aunque no exclusivamente con aparatos electroquímicos que emplean cátodos especiales y con procesos de electrodeposición de metal que se realizan utilizando tales aparatos electroquímicos.

En general, los procesos electroquímicos pueden ser considerados ya sea siendo procesos catódicos o procesos anódicos dependiendo, sobre el electrodo en el cual la reacción más económica ocurre. Muchos de los procesos catódicos involucran electro deposición de un metal o reducción electrolítica de un constituyente del electrolito en la presencia de hidrógeno formado en el cátodo; en la clasificación formal en los procesos catódicos se incluyen solo el galvanizado, la electro refinación y la electro obtención, y eii la actualidad en los procesos catódicos están además la reducción de compuestos orgánicos y la producción de soda caustica. En los procesos anódicos se involucran la descarga de aniones de la solución a un esencialmente estable ánodo o la disolución del ánodo en sí mismo. En la clasificación formal los procesos anódicos son procesos para la producción de cloro y oxígeno y en la última clase son procesos para la recuperación de metales valiosos desde scrap y la refinación o purificación de metales. Detalles de los procesos convencionales de electroquímica en la industria se encuentran en extenso en el libro titulado "Industrial Electrochemical Processes" editado por A. uhn y publicado en 1971 por la editora Elsevier PubUsbing Company, Estados Unidos.

La electro obtención de metales a nivel industrial se lleva a cabo en celdas denominadas cubas electrolíticas en donde el ánodo y el cátodo son inmersos en el electrolito y están separados cerca de 100 mm uno del otro. El metal es depositado en el cátodo, pero la potencia de la oxidación se pierde a través de la generación de oxígeno el cual es enviado a la atmósfera, dicho oxígeno, junto con el ácido sulfúrico presente en las soluciones, genera neblina ácida (0 ₂ + H ₂ SO ₄ ). En el caso del cobre estas celdas operan con electrolito purificado proveniente de las plantas de extracción por solvente, en concentraciones de cobre que se mantienen en el rango de 35 - 45 g/1, mediante el cual se producen cátodos comerciales grado A de tamaño con pesos de 42 kg y tamaño de 1 m ² . Una alternativa a dicha cuba electrolítica es la celda EMEW cubierta por la US Patent No. 5,529,672 (Jun 25, 1996) "Mineral Recovery Apparatus" que en su propuesta considera una celda tubular en la cual el cátodo es un cilindro de cerca de 100 mm de diámetro por 1 m de largo y un tubo de ánodo a través del centro. Esta celda usa el conocido principio de la turbulencia en un hidrociclón con el electrolito alimentado tangencialmente dentro del cátodo cilindrico. Esta celda ofrece mejor agitación del electrolito comparada con la celda convencional, pero aún suf e del defecto fundamental de la celda convencional que es que las reacciones del ánodo y del cátodo opuestas . están localizadas en la proximidad una de las otras en el mismo contenedor. Esta celda puede trabajar con concentraciones de electrolito para el caso del cobre entre 5-45 g/1, tolerando a la vez altos niveles de contaminantes como cloruro (>10 g/1), fierro férrico (15 g/1), entre otros; estando dentro de sus características que puede operar sin la etapa de SX siempre y cuando el PLS sea de una calidad aceptable en contenidos de impurezas. También es posible su uso para extraer electrolíticamente otros metales, como Zn, Ni y Ag. En general, el cátodo exterior es de acero inoxidable, siendo el ánodo de aleación de base titanio. La cámara de la celda es cerrada por lo que no hay emisiones de neblina ácida pudiendo operar con altas densidades de corriente sobre 1 kA/m ² , para la obtención de cátodos grado A, aunque en términos energéticos, su efecto no es significativo. Esta celda produce cátodos cilindricos de escasa aceptación para producción masiva en el mercado, estando orientada en la actualidad a la recuperación de metal de efluentes con contenidos menores de metal.

Otra celda electroquímica circular para recuperar metales de soluciones acuosas de baja concentración de la industria fotográfica es la que se encuentra descrita en la US Patent No; 6,086,733 (Jul 11, 2000) "Electrochemical cell for metal recovery". En dicha patente, para incrementar el área de deposición de metal en el cátodo, éste se envuelve con un material poroso que permite simultáneamente una manipulación de la dirección del fluido y del flujo eléctrico en la vecindad del cátodo. Esto se logra teniendo una geometría circular de la celda con el cátodo en el centro y un ánodo coaxialmente dispuesto alrededor de éste. La distancia entre uno y otro va de 0,1 a 20 cm y el contenedor de ambos o carcasa es de un material no conductor. El soporte no poroso del cátodo tiene aperturas para una distribución uniforme del fluido y para que entregue una caída de presión uniforme al cátodo. El diámetro de los orificios es inferior a 10 mm, pudiendo el ancho y profundidad de los canales ser equivalentes. El cátodo es de acero inoxidable, cobre o níquel, mientras que el ánodo es de cermet, metal ferroso o grafito. Las celdas se disponen de arreglos en serie o en paralelo y los voltajes iniciales de celda son al menos de 0,5 volts. La recuperación de metal se lleva a cabo utilizando densidades de corriente entre 0,01 a 0,2 A/cm ² : Aunque la celda se puede usar en la industria minera, tratamiento de aguas servidas, plantas químicas, es preferentemente adecuada en la industria fotográfica para recuperar plata, cobre, plomo, paladio y níquel.

En el estado del arte aparecen descritas otras formas de aparatos elecüOquímicos para soslayar los problemas que presenta el método convencional, los cuales esencialmente comprenden celdas electroquímicas que disponen de cátodos de deposición de distintas configuraciones o que disponen de una membrana permeable a los iones dispuestos entre los electrodos de la celda, en el cual, el cátodo es un electrodo particular que comprende una pluralidad de materiales electro conductores sobre el cual un metal puede ser electro depositado. Estas celdas tratan de obviar la etapa de extracción por solvente, y por ende, pretenden ser aplicadas a soluciones con contenidos altos y bajos de metal disueltos en estos. Asimismo, se ha estudiado el uso de la oxidación de Fe2+ a Fe3+ como reacción anódica en la EO de cobre. Sin embargo, el uso de esta reacción anódica en la EO convencional conlleva a una disminución de la eficiencia de corriente catódica, debido a que una parte de la comente se consume en la reducción de los iones de Fe3+ que se encuentran en las cercanías del cátodo. Por ello, las membranas de intercambio iónico son interesantes en esta técnica, ya que se pueden separar dos soluciones, una con los iones de cobre (catolito) y otra conteniendo iones de Fe (anolito), conservando la conductividad eléctrica entre ellas por medio del transporte selectivo de especies en solución y permitiendo que se lleve a cabo la electro deposición del cobre.

Bajo lo anterior, se han desarrollado celdas alternativas a las convencionales, empleando membranas como las celdas de lecho fluidizado. La patente U.S. Pat. No. 7,494,592 B2 (Feb. 24, 2009), describe una celda denominada "Spouted Bed", celda que mejora ostensiblemente la condición lu^rodinárnica. Estas celdas de lecho fluidizado están formadas en la mayoría de los diseños por compartimentos independientes para anolito y catolito, separados entre sí por membranas de diafragma. Dichas membranas de intercambio iónico sirven de soporte para el lecho. El metal que forma el cátodo debe ser el mismo que el que se desea recuperar, debido a que las partículas iniciales pasan a ser parte del producto final; por esto, en el caso del cobre, esta celda posee un lecho de partículas de cobre en el compartimento del catolito, el cual es puesto en suspensión por un flujo ascendente de solución que ingresa a la celda a través de un diafragma o de un distribuidor. Las partículas de cobre se polarizan catódicamente mediante un alimentador de corriente inserto en el lecho, y el circuito de la celda se completa con un ánodo de material para la reacción de oxidación presente en el compartimento del anolito. El cuerpo de este tipo de celdas puede ser rectangular o cilindrico, pero, en ambos casos, la alimentación del electrolito se realiza por la parte inferior del cuerpo, mientras que la descarga del mismo, se lleva a cabo por rebalse en la parte superior. Este tipo de celdas, se caracteriza por tener una gran superficie catódica, lo que les permite disponer de un área mayor para la deposición de cobre y operar a densidades de corriente más bajas, lo que conlleva a una reducción en la polarización del cátodo. Por otra parte, la fluidización del lecho, genera una alta velocidad relativa entre la solución y el electrodo, con lo cual se incrementa la transferencia de masa. En este último caso, el cuerpo de la celda puede ser cilindrico o de geometría plana.

Cabe destacar que este tipo de celdas de lecho fluidizado presentan inconvenientes, tales como, problemas de resistencia mecánica del material que soporta al lecho, extensas zonas de disolución en el lecho (debido a la distribución del potencial), elevados costos de bombeo para fluidizar altas cantidades de partículas y tendencia a ensuciar la membrana generándose una capa pasiva. Estos alcances son los que han impedido que este tipo de celdas se masifique a nivel industrial.

Del análisis de la tecnología se observa que al utilizar celdas cerradas se resuelve el tema de la generación de neblina acida y emisión de gases, se mejoran las condiciones hidrodinámicas y se puede incrementar la densidad de comente; solo con el uso de membranas de intercambio iónico se pueden separar las reacciones anódica y catódica que ocurren en una celda, pudiendo a la vez trabajar con soluciones en alta y baja concentración. Siguiendo esta línea, la presente patente propone un aparato de electro obtención de metal de tipo tubular, basado en la utilización de membranas de intercambio iónico, que permite ser aplicada en la obtención de una gran variedad de metales disueltos en soluciones de diverso origen o bien orientada a la producción de compuestos o materiales requeridos por la industria metalúrgica para la recuperación de metal.

Ninguna de las tecnologías propuestas, salvo la que se explícita en la presente patente, satisface la necesidad simultánea de disponer de una celda económica que permita la recuperación de metal ya sea en altas o bajas concentraciones, con altas tasas de recuperación de metal, gran capacidad de carga de metal, simplicidad en el diseño y uso, fácil remoción del metal y diseño compacto del equipo; y que además otorga garantías de ser amigable con el medio ambiente.

DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

El corazón de la presente invención es el uso de la membrana de intercambio iónico y la manipulación de los flujos eléctricos y de fluidos en la vecindad del cátodo, de tal manera que el metal a ser cosechado sea electro depositado en la forma de un cilindro, hueco o sólido. Una fuerte interacción entre la dirección del flujo del fluido y la dirección del flujo de electrones es utilizada para maximizar el área superficial del cátodo y por ende, la deposición de metal.

La presente patente propone un nuevo aparato de electro obtención de metales o compuestos tipo tubular que está constituido por dos cámaras unitarias que operan independientemente a uniformes y elevados caudales de fluido. Así, en cada una de las cámaras se dispone de un ánodo o de un cátodo de superficie variable extendida a lo largo del tubo pudiendo diseñarse éstos de acuerdo a los requerimientos industriales, ya sea de 0,20, 0,50, 1 m ² o superior. Asimismo, cada cámara está compuesta con una membrana de intercambio iónico de separación entre los electrodos, también de diseño tubular, para formar alternativamente compartimentos por donde circulan el anolito o el catolito.

El proceso de deposición del metal se realiza por medio de energía eléctrica, aplicada en los electrodos del aparato, utilizando un rectificador de corriente, permitiendo que se deposite el metal. Así, uno de los objetivos de la presente invención, es proporcionar una construcción de un aparato tubular simplificado de producción electrolítica de metal, de aquella clase que comprende una serie de aparatos conectados en serie o en paralelo, según los requerimientos de la industria, de construcción especialmente diseñada para circulación de electrolito, resistencia a la corrosión a altas temperaturas, accesibilidad para la reparación y fácil cosecha del metal.

El aparato está conformado por una carcasa o celda de un material no conductor, el cual, en su interior, contiene los electrodos, ánodo y cátodo, separados por la membrana de intercambio iónico, a distancias que varían entre 0,1 a 20 cm (preferentemente de 3 a 8 cm). El cátodo de geometría circular y tubular puede ser configurado de dos formas en relación al ánodo: cátodo en el centro del aparato con el ánodo dispuesto coaxialmente-.alrededor de él, o bien, el ánodo centrado con el cátodo dispuesto coaxialmente alrededor de éste.

La carcasa exterior tubular está conformada de un material impermeable no conductor, estando los cabezales inferior y superior conformados con tubos de entrada y salida de los fluidos, anolito y catolito. Esta pared externa tubular puede ser construida de diferentes materiales no porosos estructuralmente fuerte, que incluye pero no limita a polipropileno, polietileno de alta densidad u otros. Este debe ser de un espesor apropiado que asegure resistencia suficiente y durabilidad en su uso. Las entradas y salidas están diseñadas de manera tal que permitan una distribución uniforme de los fluidos y se alcance una caída de presión uniforme a lo largo de los cilindros que constituyen la superficie del cátodo y del ánodo. A través del cabezal superior se disponen las conexiones eléctricas para el ánodo y el cátodo por bornes u otro dispositivo alimentador de corriente. Con este arreglo se puede aplicar una alta densidad de corriente a cada aparato que pasa a constituir una celda de deposición de metal y al mismo tiempo pasar un alto flujo vertical de electrolito (catolito) y de solución anódica (anolito).

Dé acuerdo a la invención, las entradas y salidas de las soluciones pueden ser dispuestas en cualquier dirección relativa a la dimensión alargada de la carcasa. Sin embargo, se prefiere que las entradas de fluido estén dispuestas adyacentes a un primer extremo de la carcasa alineado sustancialmente perpendicular al eje de la carcasa alargada, y tangencial a. la cavidades anulares formada entre los electrodos y la ^' membrana iónica. Esta disposición induce a que el flujo sea en espiral a través de las cavidades anulares considerándose que promueve la deposición de metal durante la electro deposición. Adecuadamente, las salidas de fluidos están dispuestas en una configuración similar a la entrada y a distancia del mismo de tal manera que el fluido de flujo en espiral del licor mantiene sus características fluido dmámicas.

Las entradas de los fluidos pueden ser conectadas a las salidas de un segundo aparato de electro deposición de metal de forma tal que los fluidos pueden pasar en serie a través de ambos aparatos, permitiendo la extracción progresiva del metal desde el fluido de interés. Una batería de aparatos puede ser formada con una pluralidad de aparatos en serie, tal que la extracción desde un volumen determinado de solución, en un período sostenido de tiempo, permita la extracción de una proporción significativa de metal.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un aparato de electro obtención sellado, que mantiene la distribución uniforme del líquido dentro de las cámaras que se aseguran bajo condiciones de presión con los ensambles y sellos correspondientes para la prevención completa de fugas de líquido fuera de las cámaras, y que además sea fácilmente ensamblado o desarmado. En el caso que la extracción de metal o producto compuesto de las reacciones químicas de electro obtención genere gases, como sub producto, un sistema de separación de gases se instala ex profeso en las cañerías de salida de los aparatos de electro deposición de tal manera que estos sean venteados antes que entren a los aparatos siguientes o de forma preferente en un grupo definido de ellos. El efecto de separación de los gases se incrementa cuando se proporciona una cámara de separación en la cual la salida tiene el mismo diámetro que la cañería de conducción de la solución y tiene un mínimo de altura equivalente a la mitad del diámetro de la cañería.

Bajo el arreglo antes descrito, un flujo uniforme de electrolito anolito o catolito circula por cada cámara desde los orificios inferiores hacia los superiores, donde los electrodos se encuentran polarizados positiva (+) o negativamente (-) por efecto del campo eléctrico aplicado, ocurriendo la electro deposición en el cátodo. Dicho flujo es esencialmente estable durante la circulación, libre de interferencias, proporcionando simultáneamente, suficiente tiempo de residencia para la ocurrencia de las reacciones químicas y la electro deposición de metal. Las dimensiones y posiciones de los orificios entregan una baja resistencia al flujo, siendo el volumen estable, conducente a una operación fácilmente controlada con rnínima variación de los parámetros operacionales. El espesor de metal depositado en la placa catódica, aunque disminuye el volumen de circulación de catolito, no afecta la calidad de éste ni la operación de la celda por la condición Iridrodinámica de diseño de la misma.

De acuerdo a la invención, el aparato puede ser adaptado para la extracción electrolítica de metal, compuestos metálicos u otro productos en forma de partículas mediante cambios en la disposición de los procedimientos y condiciones de funcionamiento de éste, que incluyen la velocidad del fluido y la densidad de corriente del cátodo, dentro de los límites deseados en los que algunos de los materiales de electrodeposición, se depositan sobre el cátodo en forma de partículas las que son arrastradas a través del aparato con el flujo de líquido de tal manera que pueden ser recogidas en un punto de captura convenientemente alejado de la parte cilindrica de la carcasa. El sistema particular de recolección de partículas puede incluir medios de separación gravitacional, centrífugos u otros de clasificación de las mismas.

En la realización de la presente invención, el aparato de electro obtención dispone de un dispositivo de extracción del metal depositado en el cátodo, de tal manera que al detener la operación, estos se despegan del electrodo catódico en el evento que se utilice dicha opción o se extrae a la forma de cilindro sólido. Dicho mecanismo pennite que estos sean levantados por sobre el aparato. Las tapas del aparato están fabricadas de material plástico resistente a la corrosión de los ácidos, mientras que las placas de los electrodos de metal, son de acero inoxidable, plomo u otro requerido según se traten de cátodo u ánodo, respectivamente. También estos tipos de metal están condicionados al tipo de metal disuelto en la solución que se quiere depositar y extraer de la solución. Dicha solución puede ser de carácter ácída, básica o neutra.

Los fluidos que pueden ser tratados usando la presente invención pueden variar en el tipo y concentración de los iones metálicos a ser removidos. Tales fluidos por lo general son de tipo acuoso en naturaleza aunque algunos de ellos pueden contener varios solventes orgánicos. Las fuentes de los fluidos pueden ser de reacciones industriales, procesos químicos y mineros, y otros efluentes de descarte, plantas de tratamiento de aguas o municipales, estanques o lagos. La presente invención es útil entonces, para recuperar metales de la minería, galvanoplastia, fundiciones, foto procesamiento, u otros procesos industriales, para recuperar metales como plata, oro, cobre, plomo, platino, teluro, níquel y hierro, en concentraciones desde 100 ppm.

La presente invención tiene ventajas comparado con otros aparatos, celdas y dispositivos de electrodeposición de metal existentes en el mercado, entre ellas se destacan:

1. La prescindencia de etapas de concentración previas a la operación de electro deposición de metal, recuperando metales desde soluciones directamente de la fuente de origen en un amplio rango de concentración, pH, temperatura y flujo otorgándole una gran flexibilidad operacional.

2. El metal obtenido presenta características de calidad equivalentes o superiores al proceso convencional, sin requerir la adición de reactivos químicos, mejorando la extracción global y la cinética del proceso.

3. Es posible operar con mayores densidades de corriente que el proceso convencional (>400 A/m ² ) lo que redunda en un mayor depósito de metal por área efectiva en un menor tiempo de proceso. Esto, producto de las condiciones mdrodinámicas de la celda que permite trabajar con altos caudales de solución.

4. Al ser un aparato electrolítico completamente cerrado y sellado, no emite gases contaminantes ni neblina acida a la atmósfera, sumado ai hecho que por su construcción no tiene derrame de líquidos, condiciones ambas que mejoran considerablemente el área de trabajo y el circundante a la faena.

5. El consumo de energía es inferior al reportado en la literatura técnica indicando un menor consumo de energía específica para alcanzar igual densidad de corriente.

6. Permite generar Fe ⁺³ _f reactivo esencial para la lixiviación de minerales y estabilización de impurezas como As ^+S a la forma de FeAs0 ₄ .

7. La obtención de metal en el dispositivo de electro obtención es a temperatura ambiente, o entre el rango de 10-60 °C, sin requerir consumo de energía para precalentar el electrolito.

8. PeiTnite recuperar como reactivo, ya sea el ácido sulfúrico (H ₂ SO ₄ ) u otros ácidos, o bases que han disuelto los metales durante la lixiviación de minerales, polvos u otros presentes en los procesos mineros, implicando una economía del proceso con menor requerimiento del reactivo durante la operación.

9. Las condiciones de seguridad laboral mejoran como resultado de operaciones que no exponen a los operadores al contacto, manejo ni inhalación de ácidos o bases peligrosos y corrosivos.

10. Es una alternativa económicamente viable de electro deposición de metales, principalmente de cobre, oro, plata y otros metales, obviando procesos de concentración, aditivos orgánicos y otros reactivos químicos, algunos de ellos incluso cancerígenos.

11. Puede operar eléctricamente en modo intensiostático (modo de operación convencional actual en EO de cobre) o potenciostático según se requiera.

Mayores detalles de la práctica de esta invención pueden observarse teniendo en consideración las realizaciones preferentes que se muestran sobre el aparato electroquímico en la Figuras 1 a 6 y la siguiente explicación de las mismas. Estas formas de realización ilustradas están destinadas a ser representativas y no limitantes de la presente invención en modo alguno.

La Figura 1 es una vista en perspectiva en despiece ordenado de la mayoría de los componentes de un aparato electroquímico tubular preferido de esta invención.

La Figura 2 es una vista en sección transversal de una realización adicional del aparato electro químico ensamblado según la invención.

Las Figuras 3, 4 y 5 son vistas en sección transversal de la pieza móvil del cabezal superior, el cabezal superior soporte múltiple y del cabezal inferior, respectivamente, según la invención.

La Figura 6 es una vista en perspectiva en despiece ordenado de la mayoría de los componentes de un aparato electoquímico tubular alternativo de la invención.

Descripción de la Invención según las Figuras.

Tal como se puede apreciar en la Figura 1 la invención consiste en un aparato electroquímico tubular dotado de una serie de elementos cilindricos tubulares, tuercas de unión y sellos que en su conjunto ensamblado conforman dicho aparato. Considerando el despiece del mismo, se observa que los soportes principales tanto inferior como superior lo constituyen los cabezales (1) y (15), respectivamente. El cabezal inferior (1), que es la base del aparato, está compuesto de dos entradas, (2) y (3), que envían las soluciones de fluidos electroquímicas bombeadas desde estanques o reservónos (no mostrados), anolito y catolito, a los espacios anulares (5) y (6) dentro del aparato. Estas entradas (2) y (3) están diseñadas para una distribución radial uniforme y de alta turbulencia de los fluidos, los que se incorporan al cabezal de forma directa o bien tangencial desde los estanques dispuestos para tal efecto, siendo sus componentes diseñados por separado o como una parte integral del mismo cabezal. Dicho cabezal (1) dispone en su parte superior interior de un resalte anular roscado que ensambla con la carcasa (8) que en su exterior cuenta con el enroscado de ajuste para la unión tanto al cabezal base del aparato (1) como al múltiple de salida de los fluidos o cabezal superior (15), dado que su diámetro es inferior a aquel del cabezal base y múltiple de salida.

La carcasa (8), cubierta exterior tubular en su armado por su diámetro menor se desliza y ensambla al cabezal (1) y al cabezal múltiple de salida (15), es una cubierta de material no conductor, PVC u otro y constituye la cubierta protectora del aparato. Sobre esta carcasa (8) en su parte superior se disponen los bornes conductores de energía (9).

Los electrodos del aparato que son su base de funcionamiento están constituidos por el electrodo metálico catódico (10), (+), de acero inoxidable, cobre metálico u otro adecuado al metal a depositar, y por el electrodo metálico anódico (7), (-), de plomo, aleación de plomo, acero inoxidable u otro de características adecuadas al propósito de la electro deposición. El electrodo catódico (10) se localiza inmediatamente a continuación de la carcasa (9), de un diámetro inferior ajustado a dicha carcasa, no existiendo separación física entre ellos. En la cara interior del electrodo catódico (10) se deposita el metal de la solución catolítica entre el espacio anular (6) del cátodo y el soporte (14) de la membrana de intercambio iónico (13), formando un tubo a lo largo de la zona de deposición entre el cabezal (1) y el cabezal soporte múltiple (15). Este electrodo (10) se ajusta a presión de tal manera que sus extremos calzan a tope con la porción anular del cabezal inferior (1) y el cabezal soporte múltiple superior (15). El electrodo anódico (7) se ubica en el ^' centro del aparato, separado a lo largo de este por el espacio anular del soporte (14) de la membrana de intercambio iónico (13), en el cual sus extremos se ajustan y fijan en el cabezal (1) y en el cabezal soporte múltiple superior (15). Dicho electrodo anódico (7) en su parte inferior se ajusta al zoquete (4) parte integrante central del cabezal inferior (1).

Un elemento diferenciador constitutivo de la presente invención, es la membrana de intercambio iónico (13), que esta soportada por un empaque porta membrana (14). Ambos (13) y (14) se localizan entre los electrodos (10) y (7), estableciendo los espacios anulares por donde circulan el catolito (6) y el anolito (5), respectivamente. Al efectuar la unión, los extremos de la membrana iónica (13) se ajustan dentro del cabezal inferior (1) y el cabezal soporte múltiple superior (15), mediante los seguros de membrana inferior y superior (12). La porta membrana (14) se desliza y encaja hasta que los extremos de ambos calcen y se encuentren a tope con la porción anular interior de dichos elementos constitutivos del aparato.

Por otra parte, el reborde (11) es el elemento que se desplaza y ajusta por la parte interior de la carcasa (9) al interior del soporte múltiple (15) permitiendo una fácil conexión exterior a los bornes de alimentación eléctrica del aparato de la invención. Así, el cabezal soporte múltiple superior (15) cuenta con los rebordes interiores de ajuste, enroscados de hilos interiores inferiores y los ductos (16) y (17) de salida de los fluidos electroquímicos que se desplazan por los espacios anulares (6) y (5). Al instalar el cabezal soporte múltiple superior (15), el aparato queda completamente ensamblado, ya que esta pieza ajusta el aparato de la invención con el efecto de ser el cabezal superior del mismo, no siendo posteriormente removido, excepto para casos de mantención luego de un uso prolongado en operación de electro deposición de metal.

Por sobre el múltiple de salida (15), como componente del cabezal, se incorpora la pieza móvil (19) que dispone de las salidas de fluidos (16) y (17), teniendo por finalidad su fácil remoción, promoviendo y permitiendo la extracción del electrodo catódico (10) con el metal depositado. Dicha pieza (19) calza ajustadamente en su diámetro y altura en el interior del soporte múltiple (15), teniendo una superficie suave no permitiendo fugas de fluidos. Para su remoción dispone del mango (20), fácilmente manipulable, ya sea de forma manual o con accionamiento mecánico. El cierre final del aparato se lleva a cabo utilizando la tapa terminal (22) tipo tornillo que se ajusta y cierra al soporte múltiple (15) mediante atornillado (21) lo que le confiere total adherencia de éste al aparato objeto de la invención.

En operación, una fuente de potencia eléctrica DC se conecta al aparato con su terminal positivo al electrodo tubular (7), que corresponde al ánodo, y su terminal negativo unido al tubo metálico (10), que corresponde al cátodo, siendo preferido para este propósito conexión tipo clip que facilita el armado y desarmado, y el particular reemplazo de piezas del cabezal inferior (1) y del cabezal soporte múltiple superior (15). Incorporados los fluidos al aparato luego de un período de tiempo con un espesor y un peso esperado de metal en el cátodo dentro del tubo (10), se detiene la operación y se remueve el metal depositado.

En referencia a la Figura 2 esta corresponde a una vista en sección transversal del aparato electroquímico preferente de la invención mostrada en despiece en la Figura 1. Del punto de vista de construcción y fácil montaje de la presente patente, es posible observar los principales componentes de dicho aparato, base de soporte inferior (1), electrodo anódico (7), anillos de sujeción (12), carcasa (8) de soporte del electrodo catódico (10), membrana de intercambio iónico (13) y soporte de membrana (14). También se muestra la disposición del borne eléctrico (9), cabezal superior múltiple (15), con la pieza móvil (19), y la tapa de cierre (22).

En relación a las Figuras 3, 4 y 5 son vistas seccionales de la pieza superior desmontable (19), en la que se observan los ductos (16) y (17) de salida de los fluidos. El cabezal superior múltiple (15) con los ductos dé salida (16) y (17) y el cabezal inferior (1) con los ductos de entrada de los fluidos electroquímicos (2) y (3).

El aparato electroquímico mostrado en despiece en la Figura 6 es similar a aquel mostrado en despiece en la Figura 1, excepto en que la posición de los electrodos es invertida, esto es en que el cátodo ocupa la posición del ánodo y viceversa. Considerando el despiece del mismo, en la Figura 6 se observa que los soportes principales tanto inferior como superior lo constituyen los cabezales (41) y (55), respectivamente. El cabezal inferior (41), que es la base del aparato, está compuesto de dos entradas, (42) y (43), que envían las soluciones de fluidos electroquímicas bombeadas desde estanques o reservónos (no mostrados), anolito y catolito, a los espacios anulares (46) y (45) dentro del aparato. Estas entradas, (42) y (43), están diseñadas para una distribución radial uniforme y de alta turbulencia de los fluidos, los que se incorporan al cabezal de forma directa o bien tangencial desde los estanques dispuestos para tal efecto, siendo sus componentes diseñados por separado o como una parte integral del mismo cabezal. Dicho cabezal (41) dispone en su parte superior interior de un resalte anular roscado que ensambla con el electrodo (49), ánodo, que en su exterior cuenta con el enroscado de ajuste para la unión tanto al cabezal base del aparato (41) como al múltiple de salida de los fluidos o cabezal superior (55), dado que su diámetro es inferior a aquel del cabezal base (41) y cabezal múltiple de salida (55).

El electrodo anódico (49), cubierta exterior tubular del aparato en su armado por su diámetro menor, se desliza y ensambla al cabezal base (41), al conectar de energía (48) y al cabezal múltiple de salida (55). Es una cubierta de material conductor, acero inoxidable, plomo, aleación de plomo u otro adecuado a los fines del invento, constituye la cubierta protectora del aparato. Sobre el cabezal base (41) se ajustan en su parte superior los bornes conductores de energía (48).

Los electrodos del aparato, que son su base de funcionamiento, están constituidos por el electrodo metálico catódico (47), (+), de acero inoxidable, cobre metálico u otro ádecuado al metal a depositar, y por el electrodo metálico anódico (49), (-), de plomo, aleación de plomo, acero inoxidable u otro de características adecuadas al propósito de la electro deposición. El electrodo catódico (47) se localiza en el centro del aparato, diámetro 5 a 20 mm, preferentemente de 10 mm, en donde se deposita el metal de la solución catolítica entre el espacio anular (45) del cátodo y el soporte (52) de la membrana de intercambio iónico (51), formando un tubo a lo largo de la zona de deposición entre el cabezal (41) y el cabezal soporte múltiple (55). Este electrodo (47) se ajusta a presión de tai manera que sus extremos calzan a tope con la porción anular del cabezal inferior (41) y el cabezal soporte múltiple superior (55). El electrodo anódico (49) se ubica en el exterior del aparato, separando el anolito a lo largo de este por el espacio anular (46) de la membrana de intercambio iónico (51) y el soporte de la membrana (52), en el cual sus extremos se ajustan y fijan en el cabezal (41) y en el cabezal soporte múltiple superior (55).

Un elemento diferenciador constitutivo de la presente invención, es la membrana de intercambio iónico (51) que esta soportada por un empaque porta membrana (52), ambos (51) y (52), se localizan entre los electrodos (49) y (47), estableciendo los espacios anulares (46) y (45), por donde circulan el anolito y catolito, respectivamente. Al efectuar la unión de éstos, (51) y (52) los extremos de la membrana iónica (51) y el empaque porta membrana (52) se ajustan dentro del cabezal inferior (41) y el cabezal soporte múltiple superior (55) mediante los seguros de membrana (50), en su nivel superior e inferior. La porta membrana (52) se desliza y encaja hasta que los extremos de ambos calcen y se encuentren a tope con la porción anular interior de dichos elementos constitutivos del aparato en los cabezales inferior (41) y superior (55).

Por otra parte, el anillo (48) es el elemento que se desplaza y ajusta por la parte superior al cabezal inferior (41) permitiendo una fácil conexión exterior a los bornes de alimentación eléctrica del aparato de la invención.. Así, el cabezal inferior (41), cuenta con los rebordes interiores de ajuste, enroscados de hilos interiores inferiores al igual que el anillo (48) por lo que al desplazar y atornillar el electrodo (49), los ductos (42) y (43) de los fluidos electroquímicos que se desplazan por los espacios anulares (46) y (45), quedan completamente encapsulados y obligados a desplazarse por los mencionados espacios anulares hacia las salidas (53) y (54). Al instalar el cabezal soporte múltiple superior (55), el aparato queda completamente ensamblado, ya que esta pieza ajusta el aparato de la invención con el efecto de ser el cabezal superior del mismo, no siendo posteriormente removido excepto para casos de mantención luego de ün uso prolongado en operación de electro deposición de metal.

Por sobre el cabezal múltiple de salida (55) como componente de dicho cabezal se incorpora la pieza móvil (57) que dispone de las salidas de fluidos (53) y (54), teniendo por finalidad su fácil remoción promoviendo y permitiendo la extracción del electrodo catódico (47) con el metal depositado. Dicha pieza (57) calza ajustadamente en su diámetro y altura en el interior del cabezal soporte múltiple (55), teniendo una superficie suave y no permitiendo fugas de fluidos. Para su remoción dispone del mango (58), fácilmente manipulable de forma manual o con accionamiento mecánico. El cien-e final del aparato, se lleva a cabo utilizando la tapa terminal (60) tipo tomillo que se ajusta y cierra al soporte múltiple (55) mediante atornillado (59) lo que le confiere total adherencia de éste al aparato objeto de la invención.

En operación, una fuente de potencia eléctrica DC se conecta al aparato con su terminal positivo al electrodo tubular (49), que corresponde al ánodo, y su terminal negativo unido al tubo metálico (47), que conesponde al cátodo, siendo preferido para este propósito conexión, tipo clip que facilita el armado y desarmado, y el particular reemplazo de piezas del cabezal inferior (41) y del cabezal soporte múltiple superior (55). Incorporados los fluidos al aparato luego de un período de tiempo con un espesor y un peso esperado de metal en el cátodo dentro del tubo (47), se detiene la operación y se remueve el metal depositado.

El aparato de la invención en cualquiera de sus versiones según lo indican la Figura 1 y la Figura 6, puede operar individualmente o dispuesto en un aneglo considerando la construcción de varios aparatos dispuestos en serie o en paralelo, de tal manera que el metal contenido en el catolito, puede ser progresivamente reducido y la operación optimizada según lo disponga la operación de la industria. Similarmente, el suministro eléctrico puede ser arreglado en cualquier disposición serie/paralelo de acuerdo a los requisitos impuestos por el procesamiento del licor.

En lo sucesivo, la presente invención será descrita en más detalle referido a algunos ejemplos de trabajo, lo cual no obstante, no limitan el alcance de la invención.

EJEMPLOS DE REALIZACIÓN

La instalación piloto de la celda tubular de la invención, según se describió más arriba, comprendió un conjunto de 4 celdas. Las celdas son tubulares con un diámetro de 150 mm siendo la carcasa de PVC (8) con soportes inferior de ingreso de las soluciones (1) y superior de salida (15) del mismo material. Los fluidos de electrolito (catolito) y solución (anolito), fueron introducidas concéntricamente a los espacios anulares (6) y (5) por los tubos de entrada (2) y (3), respectivamente, lo que indujo flujos en espiral desde la base a la parte superior de la celda. El cátodo (10) y el ánodo (7) fueron hechos de acero inoxidable tipo 316 con espesores de 0,6 mm siendo la superficie activa del cátodo de 0,5 m ² mientras que la del ánodo de 0,18 m ² . La corriente (9) se aplicó al cuerpo del cátodo y al ánodo. Ambos electrodos se ubican coaxialmente separados por la membrana de intercambio iónico (13), estando los tres elementos fijos a través de los cabezales inferior (1) y superior (15). El electrolito y la solución de anolito fluyeron a las celdas en serie y provino de estanques de capacidad 10 m ³ .

Se efectuaron pruebas en continuo entre 5-30 g 1 de Cu ⁺² , controlándose periódicamente los contenidos de Cu ⁺² y de H ₂ SC>4 del electrolito. Las pruebas en continuo se mantuvieron con alimentación fresca de electrolito desde estanques de reserva. Al término de cada prueba se desconectó la energía eléctrica suspendiéndose la circulación de electrolito. Las celdas fueron abiertas y el depósito de cobre manualmente despegado, pesado y etiquetado para su análisis físico y químico. Con la invención se obtuvo cobre electrolítico de pureza constante de 99,99% Cu, suaves y densos, sin ninguna superficie nodular característica de los cátodos. Los resultados y las condiciones de operación se muestran en la Tabla I siguiente:

Tabla I. Indicadores tecnológicos Aparato Tubular electro deposición Cu

I Densidad de corriente 188 299 492 854 1

(A/m ² )

j Tiempo operación (h) 168 48 72 37

1 Peso cátodo (kg) 20,8 9,2 19,2 19,4

j Eficiencia (%) 91 89 97 96 1