镍离子对长周期锌电积的影响.pdf

1 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年4 期 镍离子对长周期锌电积的影响 张怀伟1 ，王吉坤2 ，刘春侠1 ，李勇1 1 ．昆明理工大学，昆明6 5 0 0 9 3 ；2 ．云南冶金集团总公司，昆明6 5 0 0 3 1 摘要通过对槽电压，电流效率，电能消耗和阴极极化曲线分析，阐明了镍离子在硫酸锌电积液中的行为 和对长周期锌电积的影响。研究表明，当溶液中镍离子的浓度大于0 ．1 5m g ／L 时，将对4 8h 长周期电 积产生很大的影响。 关键词镍离子；长周期锌电积；电流效率；电能消耗 中图分类号T F 8 1 5文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 9 0 4 一0 0 1 0 0 3 T h eI n f l u e n c eo fN i c k e lI o n so nt h eL o n g P e r i o dZ i n cD e p o s i t i o n Z H A N GH u a i w e i l ，W A N Gj i k u n 2 ，L I UC h u n - x i a l ，L IY o n 9 1 1 ．K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 。C h i n a , 2 ．Y u n n a nM e t a l l u r g i c a lG r o u pP a r e n tC o m p a n y ，K u n m i n g6 5 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h r o u g ha n a l y z i n gt h ec e l lv o l t a g e ，c u r r e n te f f i c i e n c y ，e l e c t r i c a lp o w e rc o n s u m p t i o na n dc a t h o d i c p o l a r i z a t i o nc u r v e s ，t h eb e h a v i o ro fn i c k e li o n si nt h ee l e c t r o l y t ea n dt h ea f f e c tt ot h el o n g p e r i o dz i n cd e p o s i t i o na r ee l u c i d a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h en i c k e l i o n sc o u l dh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c tw h e ni t sc o n c e n t r a t i o ne x c e e d e d0 ．1 5m g ／Li nt h el o n g p e r i o dz i n cd e p o s i t i o no f4 8h o u r s ． K e y w o r d s N i c k e li o n s ；L o n g p e r i o dz i n cd e p o s i t i o n ；C u r r e n te f f i c i e n t ；E l e c t r i c a lp o w e rc o n s u m p t i o n 国外电锌厂采用机械化剥锌时锌电积阴极周期 一般在4 8h 或以上，国内目前一般为2 4h ，个别的 仅为1 6h 或更低，析出的阴极锌厚度薄，不能满足 机械化剥锌的要求[ 1 - 2 ] 。在锌电积过程中，氢在锌 上的还原电位比大部分金属高[ 1 ] ，电积液中金属离 子含量高，就会导致氢气大量析出。金属离子杂质 的存在及杂质问相互作用还会引起电流效率下降， 电能消耗上升及沉积物质量恶化等诸多问题[ 3 _ 5 ] ， 所以去除溶液中的杂质及其影响非常重要。研究表 明，杂质对锌电积电流效率影响次序如下G e S b N i C o B i C u A s S n c6 ‘。镍离子是电解液 中危害比较严重的杂质之一。本文对锌电积过程中 镍离子的行为及其对长周期锌电积过程中主要指标 的影响进行了研究。 作者简介张怀伟 1 9 8 4 - - ．男，山东青州人，硕士研究生 1试验 电解液制备电解液采用分析纯硫酸，Z n S O 。 7 H z O 分析纯 和蒸馏水配制而成，其组成为4 8g ／ LZ n 2 ，1 1 0g ／LH 。S O 。。N i 2 溶液是采用N i S 0 ． 6 H O 分析纯 配制而得。 稳态极化曲线测定采用传统的三电极体系，高 纯锌为工作电极，辅助电极为铂电极，参比电极为饱 和H g ／H 9 2 S 0 4 电极 O ．6 5 6v ／s H E ，L u g g i n 毛细 管中充人饱和K 。S O 。溶液。采用电化学工作站测 定硫酸锌电解液中添加镍离子的稳态极化曲线。 电积实验电积实验阳极为P b A g 合金 含 A g l ％ ，阴极为高纯A l 板，异极距5c m ，每次实验 前阳极用无水乙醇和蒸馏水反复冲洗干净后使用， 阴极用细砂纸进行表面打磨，无水乙醇和蒸馏水冲 洗后再放入电解槽中。实验采用水浴控温4 0 ℃，电 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年4 期 1 1 流密度5 0 0 ～5 5 0A ／m 2 ，电积液循环方式采用上进 下出。 2实验结果与讨论 2 ．1 镍离子对锌电积液极化行为的影响 电积温度为4 0 ℃和5 0 ℃时不同镍离子浓度 O 、0 ．2 、0 ．5 、1 、2 、5m g ／L 的极化曲线，见图1 ～2 ， 扫描范围一1 ．3 6 V ～一1 ．6 0 V V SS S E ，扫描速度 5m V ／s 。 O ．0 1 0 O ．似丹 0 ．0 8 O ．o 7 0 ．州J 6 0 ．叫巧 O ． x J 4 0 ．0 0 3 1o ．0 0 2 堰0 ．0 0 1 脚0 ．0 0 0 一 ．f H l | - 0 ．讲J 2 - 0 ．0 0 3 - 0 ．0 0 4 - 4 ．0 0 5 - 0 ．州J 6 - 0 ．0 0 7 - 0 ．0 0 8 电势／V 图l4 0 ℃时不同浓度镍离子的电沉积 阴极极化曲线 F i g ．1 C a t h o d i cp o l a r i z a t i o nc n r v e so f e l e c t r o w i n n i n gw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s o fN i 2 a t4 0 ℃ 图25 0 ℃时不同浓度镍离子的电沉积 阴极极化曲线 F i g ．2 C a t h o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e so f e l e c t r o w i n n i n gw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s o fN i 2 a t5 0 ℃ 由图1 可以看出，在4 0 2 2 时，随着镍离子浓度 的增加，电流随电势的变化程度越大，去极化作用越 明显。当镍离子含量在小于0 ．5m g ／L 时的电积液 与纯硫酸锌电积液的极化行为差别不大，去极化作 用不明显，当镍离子浓度增大到lm g ／L 时，去极化 趋势开始剧烈增加，说明氢气的析出会变的越来越 容易，这是由于镍是正电性金属，电解过程中优于锌 在阴极放电沉积，且氢在镍上析出的过电位要小于 在锌上析出过电位，当镍离子增加到一定程度时，氢 在阴极析出的竞争优势会加大，从而减弱了锌在阴 极放电沉积。5 0 ℃时，阴极极化曲线的变化规律和 4 0 ℃时大致相同，但是电流随电势的上升趋势更加 明显，说明电积温度上升，去极化作用也会增大。 2 ．2 镍离子浓度对长周期锌电积中槽电压的影响 湿法炼锌电积过程中，槽电压是一项重要的技 术经济指标，直接影响到锌电积的电能消耗。槽电 压有多部分组成，影响因素较复杂。本实验在电解 液成分为硫酸浓度11 0g ／L 和锌离子浓度5 0g ／L 控 制循环量，使电积液的酸锌比保持在 2 ～2 ．5 1 、 电流密度5 0 0 一- - 5 5 0A ／m 2 、电积液温度4 0 ℃的基本条 件下，主要针对长周期锌电积过程中，不同镍离子浓 度的条件下，槽电压随时间的变化见图3 。 由图3 可以看出当电积液中镍离子浓度小于 0 ．2m g ／L 时，电积过程中槽电压的变化趋势基本和 纯硫酸锌电积液相同，说明在镍离子浓度在o ～o ．2 m g ／L 的范围内，长周期锌电积中的槽电压基本保 持稳定，对电能消耗影响不大。当镍离子浓度增加 到0 ．5m g ／L 时，槽电压的下降趋势已经开始加大， 说明电积锌的“返溶”趋势已经比较明显，对电能消 耗也会产生很大的影响。随着镍离子浓度的继续增 大，槽电压越来越不稳定，下降越来越明显，对长周 期锌电积过程产生剧烈的影响。从镍离子浓度对长 周期电积过程中槽电压影响的角度来看，电积液中 镍离子浓度应该不大于0 ．2m g ／L 。 2 ．3 镍离子浓度对电流效率和电能消耗的影响 电解液成分为硫酸浓度1 1 0g ／L 和锌离子浓度 5 0g ／L 、电流密度为5 0 0 ～5 5 0A ／m 2 、电积液温度 4 0 ℃的基本条件下，分别研究了不同镍离子浓度对 常规周期 取2 6h 电积和长周期 取4 8h 电积过 程的电流效率和电能消耗的影响。 杂质镍浓度对2 6h 锌电积电流效率和电能消 耗的影响见图4 。由图4 可已看出，随着杂质镍浓 度的增加，锌电积的电流效率下降，电能消耗上升。 当镍离子浓度不大于0 ．5m g ／L 时，对常规周期电 积过程中的电流效率和电能消耗影响不大，随着镍 心胧脚萋差心肥耋藿裟||；|M胍 0 O O 0 O O O 0 0 O O O O O 0 0 、犍曾 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年4 期 、 出 砻 墼 时间／h 图34 8h 锌电积过程中槽电压的变化趋势 F i g ．3T h et r e n d l i n eo fc e l lv o l t a g eo n 4 8hz i n cd e p o s i t i o n 离子浓度的不断增加，当镍离子浓度到1m g ／L ，电 流效率的下降趋势和电能消耗的上升趋势已经非常 大，无法再满足电积的要求。 母 、 碍 较 堰 脚 ， L ● 二 ● ≥ 邑 耀 溪 尝 掣 N i - W m g 。L 1 l 图4 镍浓度对2 6h 锌电积电流效率和 电能消耗的影响 F i g ．4 E f f e c to fn i c k e lc o n c e n t r a t i o no nt h e c u r r e n te f f i c i e n c ya n de l e c t r i c a lp o w e r c o n s u m p t i o nf o r2 6hz i n cd e p o s i t i o n 杂质镍浓度4 8h 锌电积电流效率和电能消耗 的影响见图5 ，由于当镍离子浓度大于1m g ／L ，经 4 8h 电积后，电流效率已经接近于零，因此不再对 镍离子浓度大于1m g ／L 时的情况进行研究。 由图5 可已看出，长周期电积对镍离子浓度的 要求要比常规周期电积高的多。当镍离子浓度大于 0 ．1 5m g ／L 时，电流效率的下降趋势和电能消耗上 升趋势已经很明显，镍离子浓度1m g ／L 时，电流效 率已经在3 0 ％以下，而电能消耗已经高达70 0 0k W h t ～，完全不符合电积的要求。因此，当电积液 中的杂质镍离子浓度在0 ．1 5m g ／L 以下时，才能基 N i 2 ， m g ‘L - 1 ， 0 ● 上 ● ≥ 号 、 耀 滔 避 脚 图5 镍浓度对4 8h 锌电积电流效率和 电能消耗的影响 F i g ．5 E f f e c to fn i c k e lc o n c e n t r a t i o no nt h e c u r r e n te f f i c i e n c ya n de l e c t r i c a lp o w e r c o n s u m p t i o nf o r4 8hz i n cd e p o s i t i o n 本满足长周期锌电积的要求。 3结论 1 镍离子对硫酸锌电解液起去极化作用，加速 氢气的析出和锌的返溶； 2 温度4 0 ℃，电流密度5 0 0 ～5 5 0A ／m 2 ，随着 硫酸锌电积液 4 8g ／LZ n 2 ，1 1 0g ／LH S O 。 中镍 离子浓度的增加，电积过程的槽电压下降趋势越来 越大，锌电沉积电流效率下降，电能消耗增加。电积 裱中镍离子浓度在0 ．2 ～0 ．5m g ／L 就能基本满足 常规周期电积 2 6h 要求，而长周期电积 4 8h 过 程中的这个数值需要降到0 ．1 5m g ／L 以下。 参考文献 E 1 3 梅光贵，王德润。周敬元，等．湿法炼锌学I - M ] ．长沙中 南工业大学出版社．2 0 0 1 ． [ 2 ] 铅锌冶金学编委会．铅锌冶金学[ M ] ．北京科学出 版社，2 0 0 3 ． [ 3 ] L i a n aM u r e s a n ，GM a u r i n ，LO n i c i u ，e ta 1 ．I n f l u e n c eo f m e t a l l i ci m p u r i t i e so nz i n ce l e c t r o w i n n i n gf r o ms u l p h a t e e l e c t r o l y t e [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，1 9 9 6 4 3 3 4 5 3 5 4 ． [ 4 ] I v a nl v a n o v ．I n c r e a s e dc u r r e n te f f i c i e n c yo fz i n ce l e c t r o w i n n i n gi nt h ep r e s e n c eo fm e t a li m p u r i t i e sb ya d d i t i o n o to r g a n i ci n h i b i t o r s [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 0 4 7 2 7 3 7 8 ． [ 5 ] S a b aAE ，E l s h e r i e fA E ．C o n t i n u o u se l e c t r o w i n n i n go f z i n e E J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，1 9 9 6 5 4 9 1 1 0 6 ． [ 6 ] I c h i n oR ，C a c h e tC ，W i a r tI LM e c h a n i s mo fz i n ce l e c t r o d e p o s i t i o ni na c i d i cs u l f a t ee l e c t r o l y t e sc o n t a i n i n gP V i o n s [ J ] ．E l e c t r o c h i m i e aA c r e ，1 9 9 6 4 1 1 0 3 1 1 0 3 9 ． 舯I三⋯惦∞蛎帅l晶鲫；￡加∞∞艏舯帖∞赫加为 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 万方数据