CÉLULA DE EXTRACCIÓN ELECTROLÍTICA DE METALES CON PRIFICADOR DE ELECTROLITO.

Célula de extracción electrolítica de metales con purificador de electrolito Campo de la invención La invención se refiere a una célula para la extracción electrolítica de un metal, en particular aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrolito fundido. La invención se refiere en particular a la producción mediante electrolisis de aluminio que tiene un alto nivel de pureza. Antecedentes de la invención La extracción electrolítica de un metal a partir de un compuesto del mismo disuelto en un electrolito viene seguida habitualmente por un proceso de purificación del metal producido. Para minimizar el posterior proceso de purificación, el metal se somete a extracción electrolítica ventajosamente en un entorno que no contiene o que contiene pocos elementos (o especies de los mismos) que es probable que contaminen el metal producido. En la extracción electrolítica de metales comerciales, la contaminación del metal producido se minimiza evitando la introducción de elementos contaminantes en el electrolito, en particular controlando la pureza de la materia prima que se usa. En el campo de la extracción electrolítica de aluminio, la contaminación del aluminio producido se debe a las impurezas presentes en la materia prima, habitualmente alúmina que contiene una pequeña cantidad de óxido de hierro, y a elementos encontrados en la estructura de la célula de extracción electrolítica de aluminio que se disuelven, durante el funcionamiento, en el electrolito, por ejemplo azufre o níquel que se encuentran en ánodos de carbono. Con el desarrollo de ánodos de extracción electrolítica de aluminio no de carbono y el funcionamiento de células sin costra ni reborde, la posibilidad de contaminar el aluminio producido con elementos de la estructura de la célula ha aumentado de forma significativa. Se conoce la producción de aluminio con un bajo nivel de contaminación purificando el aluminio producido después de la extracción electrolítica, por ejemplo desgasificando el aluminio fundido fuera de la célula de extracción electrolítica de aluminio como se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 4.668.351 (Dewing/Reesor), así como en los documentos WO00/63630 (Holz/Duruz), WO01/42168 (de Nora/ Duruz), WO01/42531 (Nguyen/Duruz/de Nora), WO02/096830 (Duruz/Nguyen/de Nora) y WO02/096831 (Nguyen/de Nora). Existe un gran incentivo para el uso de ánodos no de carbono para mejorar el proceso de producción de aluminio reduciendo la polución y el coste de la producción de aluminio. Se han realizado muchas propuestas para sustituir los ánodos de carbono que se siguen utilizando habitualmente en la industria por ánodos no de carbono. Los materiales que tienen la mayor resistencia a la oxidación son óxidos metálicos que son todos, en alguna medida, solubles en criolita. Los óxidos son también malos conductores de la electricidad, por lo tanto, para evitar pérdidas óhmicas sustanciales y altas tensiones en la célula, el uso de óxidos debe ser mínimo en la fabricación de ánodos. Cuando sea posible, debe utilizarse un material buen conductor para el núcleo del ánodo, mientras que la superficie del ánodo está hecha preferentemente de un óxido que tiene una alta actividad electrocatalítica. Sólo recientemente se ha vuelto posible producir ánodos a base de metal que pueden resistir el entorno de la célula durante varios cientos de horas y aún más tiempo y que son lo suficientemente conductores de la electricidad para permitir el uso comercial. Estos recientes desarrollos, en particular ánodos hechos de un núcleo de ánodo de metal conductor de la electricidad con una parte externa activa a base de óxido, se han descrito en varias patentes, tales como, las Patentes de Estados Unidos Nº 6.077.415 (Duruz/de Nora), 6.103.090 (de Nora), 6.113.758, 6.248.227, 6.361.681 (todas de de Nora/Duruz), 6.365.018 (de Nora), 6.379.526 (de Nora/Duruz), 6.521.115 (Duruz/de Nora/Crottaz), 6.562.224 (Crottaz/Duruz) y las solicitudes PCT, WO00/40783, WO01/42534 (ambas de de Nora/Duruz), WO01/42536 (Duruz/Nguyen/de Nora), WO02/070786 (Nguyen/de Nora) y WO02/083990 (de Nora/Nguyen), WO02/083991 (Nguyen/de Nora), WO03/014420 (Nguyen/Duruz/de Nora), WO03/078695 (Nguyen/de Nora), WO03/087435 (Nguyen/de Nora), WO2004/018731 (Nguyen/de Nora), WO2004/024994 (Nguyen/de Nora), WO2004/044268 (Appourchaux/Nguyen/de Nora). La sustitución de ánodos de carbono por ánodos a base de metal conduce a la presencia de especies metálicas del ánodo disueltas en el electrolito y reducidas en el aluminio catódico producido. Se ha propuesto impedir la contaminación del aluminio producido con una cantidad inaceptable de dichas especies metálicas accionando la célula en condiciones estrictamente controladas, como se describe en algunas de las anteriores referencias, así como en las Patentes de Estados Unidos Nº 6.540.887 (de Nora), 6.521.116 (Duruz/de Nora/Crottaz), 6.572.757 (de Nora/Berclaz), y solicitudes PCT WO00/40781 (de Nora), WO01/31086 (de Nora/Duruz), WO01/42535 (Duruz/de Nora), WO02/097167 (Nguyen/de Nora), WO03/006716 (de Nora), WO03/006717 (Berclaz/Duruz), WO03/023092 (de Nora), y la publicación Estadounidense 2003/0075454 (de Nora/Duruz). 2   El documento US2004/0020786 (LaCamera et al.) publicado el 5 de febrero de 2004 describe la retirada de azufre del electrolito de una célula de producción de aluminio para aumentar el rendimiento en corriente de la célula. En varias realizaciones, se usa un electrodo de purificación en el electrolito para retirar el azufre. Dicho electrodo está oculto detrás de una pared en una zona libre de oxígeno fuera del chorro principal de electrolito para evitar exposición a oxígeno desprendido de forma anódica. Esta publicación reconoce que las impurezas de hierro son desventajosas para el rendimiento en corriente, particularmente en combinación con azufre, pero solamente describe un método para retirar azufre y no hierro. El documento US 4.670.110 (Withers et al) describe una célula para la extracción electrolítica de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrolito fundido, conteniendo además el electrolito especies de al menos un elemento que es probable que contamine el aluminio producido. Los iones de aluminio son transferidos preferentemente desde una capa bipolar a través de una membrana a un compartimento de refinado para recogerlos en un charco de metal fundido. El documento US 4.214.956 (Bowman) describe un método de separación de forma electrolítica de un metal de impurezas, conteniendo el metal y las impurezas en estado fundido en un recipiente que tiene una membrana porosa permeable por un electrolito fundido. El metal es transferido electrolíticamente a través de la membrana a un cátodo en presencia del electrolito con fines de separar o retirar impurezas del metal. El documento US 4.115.215 (Das et al) describe un proceso para purificar aleaciones de aluminio que comprende proporcionar aluminio fundido en un recipiente permeable al electrolito fundido. El aluminio es transportado electrolíticamente a través de la pared porosa a un cátodo, separando de este modo sustancialmente el aluminio de los constituyentes de la aleación. Como se ha mencionado anteriormente, la alúmina que se usa como materia prima para la extracción electrolítica comercial de aluminio habitualmente contiene aproximadamente 500-1000 ppm de especies de hierro que, durante la extracción electrolítica, se reducen en el cátodo y contaminan el aluminio producido. No es posible limitar la contaminación por hierro que se origina de la alimentación de alúmina mediante los métodos descritos en las referencias mencionadas anteriormente. El electrolito de una célula de extracción electrolítica de aluminio habitualmente contiene pequeñas cantidades de impurezas contaminantes, habitualmente de hasta 500 ppm de hierro y por debajo de 200 ppm de níquel y posiblemente otros elementos, que no deben recogerse en el aluminio sometido a extracción electrolítica. Sigue existiendo una necesidad de reducir la contaminación de aluminio durante la extracción electrolítica. Resumen de la invención Un objeto principal de la invención es aumentar la pureza del metal producido mediante la electrolisis de un electrolito que contiene un compuesto del metal disuelto, en particular la extracción electrolítica de aluminio a partir de alúmina, inhibiendo la reducción en el metal sometido a extracción electrolítica de especies de elementos diferentes del metal a producir, especies que están presentes en el electrolito. La invención se refiere a una célula para la extracción electrolítica de un metal a partir de un compuesto del mismo disuelto en un electrolito de sal fundida, en particular aluminio a partir de alúmina disuelta. Esta célula comprende un ánodo y un cátodo que están en contacto con el electrolito fundido, estando el cátodo durante el... [Seguir leyendo]

1. Célula para la extracción electrolítica de un metal a partir de un compuesto del mismo disuelto en un electrolito de sal fundida (30), en particular aluminio a partir de alúmina disuelta, comprendiendo dicha célula un ánodo (40) y un cátodo (10; 10, 11; 20) que está en contacto con el electrolito fundido (30), estando el cátodo durante el uso a un potencial catódico para reducir sobre él especies del metal a producir a partir del compuesto disuelto, conteniendo además el electrolito (30) especies de al menos un elemento que es probable que contamine el metal producido (20) y que tiene un potencial de reducción catódica que es menos negativo que el potencial catódico del metal a producir, en la que la célula comprende además un colector (50) para retirar especies de dicho elemento o elementos del electrolito (30), teniendo dicho colector una superficie conductora de la electricidad en contacto con el electrolito fundido, estando la superficie conductora del colector durante el uso a un potencial que es: - menos negativo que el potencial catódico del metal producido para inhibir la reducción sobre él de especies del metal a producir; y - a o más negativo que el potencial de reducción de las especies de dicho elemento o elementos para permitir la reducción de los mismos sobre la superficie conductora del colector, - estando la célula dispuesta de modo que especies de dicho elemento o elementos se reduzcan sobre la superficie conductora del colector en lugar de sobre el cátodo para inhibir la contaminación del metal producido (20) por dicho elemento o elementos. 2. Célula de la reivindicación 1, en la que la célula está dispuesta para promover durante el uso una circulación del electrolito (31) desde y hacia el cátodo (10; 10, 11; 20), estando la superficie conductora del colector expuesta al electrolito fundido (30) que circula hacia el cátodo (10; 10, 11; 20) y que contiene las especies de dicho elemento o elementos. 3. Célula de la reivindicación 2, en la que la superficie conductora del colector está situada fuera de un espacio (35) que separa el ánodo (40) y el cátodo (20), estando la superficie conductora conectada eléctricamente a un medio para aplicar un potencial. 4. Célula de la reivindicación 1 ó 2, en la que la superficie conductora del colector está situada entre el ánodo (40) y el cátodo (10; 10, 11; 20), estando la superficie conductora del colector opcionalmente conectada eléctricamente a una fuente de tensión o teniendo su potencial fijado por su posición relativa al ánodo y al cátodo. 5. Célula de cualquier reivindicación anterior, que comprende un medio para suministrar a la superficie conductora del colector una corriente para reducir especies de dicho elemento o elementos sobre la superficie conductora del colector durante el uso. 6. Célula de cualquier reivindicación anterior, en la que el electrolito (30), que es opcionalmente un electrolito que contiene sodio para extracción electrolítica de aluminio, contiene metal producido y/u otro metal disuelto, tal como sodio reducido a partir del electrolito, que durante el uso se oxida u oxidan sobre la superficie conductora del colector para pasar una carga eléctrica que reduce especies de dicho elemento o elementos sobre la superficie conductora. 7. Célula de cualquier reivindicación anterior, en la que la superficie conductora del colector (50) está hecha de carbono. 8. Célula de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que la superficie conductora del colector (50) es a base de metal, estando la superficie conductora a un potencial por debajo del potencial de disolución electroquímica de la superficie a base de metal, comprendiendo dicha superficie a base de metal en particular al menos un metal seleccionado entre titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre, itrio, zirconio, niobio, molibdeno, rutenio, rodio, paladio, hafnio, tungsteno, renio, iridio, platino y oro, y/o un compuesto de los mismos tal como un óxido o un boruro. 9. Célula de cualquier reivindicación anterior, en la que las especies de dicho elemento o elementos comprenden especies de al menos un metal seleccionado entre níquel, hierro, cobre, cobalto, titanio, cromo, manganeso, itrio, cadmio, estaño, antimonio, oro, platino, plata, cerio, paladio, rutenio, tungsteno, bismuto y plomo, estando el ánodo opcionalmente hecho de carbono o teniendo una superficie que comprende uno o más de dicho metal o metales en forma metálica y/o en un compuesto. 10. Célula de cualquier reivindicación anterior, en la que las especies de dicho elemento o elementos comprenden especies de al menos un metaloide o no metal tal como azufre. 11   11. Célula de cualquier reivindicación anterior, en la que la superficie conductora del colector está formada por uno o más miembros alargados, en particular por un alambre tal como una espiral o por una o más barras tal como una rejilla. 12. Célula de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que la superficie del colector está formada por una estructura foraminada a través de la cual el electrolito (30) puede circular, en particular una estructura en forma de una placa perforada, una estructura en panal o una espuma. 13. Método de extracción electrolítica de un metal en una célula como se ha definido en cualquier reivindicación anterior, que comprende: a) fijar el cátodo (20) a un potencial catódico para reducir sobre él especies del metal a producir; b) fijar la superficie conductora del colector (50) a un potencial catódico que es: - menos negativo que el potencial catódico del metal a producir para inhibir la reducción sobre él de especies del metal a producir; y - a o más negativo que el potencial de reducción de las especies de dicho o dichos elementos; c) producir el metal (20) sobre el cátodo (10; 10, 11; 20) a partir del compuesto disuelto del metal a producir; y d) reducir especies de dicho elemento o elementos sobre la superficie conductora del colector en lugar de sobre el cátodo (20) para inhibir la contaminación del metal producido por dicho elemento o elementos. 14. Método de la reivindicación 13, en el que la superficie conductora del colector está a un potencial en el intervalo de 0,5 a 1,5 V por encima del potencial catódico del metal a producir, en particular de 0,7 a 1,2 V por encima de éste, seleccionándose el metal a someter a extracción electrolítica en particular entre aluminio, magnesio, titanio, manganeso, sodio, potasio, litio, zirconio, tántalo y niobio. 12   13   14     16   17