镁离子对锌电积液性质和电积能耗的影响.pdf

．2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年5 期 镁离子对锌电积液性质和电积能 李永佳1 ’2 ，杨大锦2 ，曾桂生 1 ．昆明理工大学材料与冶金工程学院 2 ．昆明冶金研究院，昆明6 5 0 0 3 1 ； 3 ．南昌航空大学环境与化学工程学院 耗的影响 ，昆明6 5 0 0 9 3 ； ，南昌3 3 0 0 6 3 摘要系统研究了镁离子浓度在不同温度时对锌电积过程锌电积液密度、黏度、电导率、电流效率和能耗 的影响。结果表明，在同一温度下，电积液的密度和黏度随镁离子浓度的增加而增大，电积液的电导率 随镁离子浓度的增加而降低。在同一镁离子浓度下，电积液的密度和黏度随温度的增高而降低，电积液 的电导率随温度的升高而增大。在电沉积锌过程中，在同一电积温度下，镁离子的增加使得电流效率下 降，电耗增大。在同一镁离子浓度下，随着电积温度的升高，电流效率增大。 关键词镁离子；锌电积；电流效率；能耗 中图分类号T F 8 1 3 ；T F l l l 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 5 0 0 0 2 0 5 E f f e c t so fM a g n e s i u mI o no nP r o p e r t yo fZ i n cE l e c t r o l y t ea n dE n e r g y C o n s u m p t i o ni nZ i n cE l e c t r o w i n n i n g L IY o n g j i a l ”，YA N GD a j i n 2 ，Z E N GG u i s h e n 9 3 1 ．T h eF a c u l t yo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo f S 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 ．K u n m i n gM e t a l l u r g yR e s e a r c hI n s t i t u t e ，K u n m i n g6 5 0 0 3 1 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fE n v i r o n m e n ta n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n c h a n gH a n g k o n gU n i v e r s i t y ，N a n c h a n g3 3 0 0 6 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so ft h ec o n c e n t r a t i o no fm a g n e s i u mi o ni nt h es o l u t i o ni nz i n ce l e c t r o w i n n i n go nt h e d e n s i t y ，v i s c o s i t y ，c o n d u c t i v i t y ，c u r r e n te f f i c i e n c ya n de n e r g yc o n s u m p t i o nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ．T h e r e s u l t ss h o wt h a td e n s i t ya n dv i s c o s i t yo fe l e c t r o l y t ei n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fM 9 2 c o n c e n t r a t i o na n d c o n d u c t i v i t yd e c r e a s e sa tt h es a m et e m p e r a t u r e ．D e n s i t ya n dv i s c o s i t yo fe l e c t r o l y t ed e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ea n dc o n d u c t i v i t yi n c r e a s e sa tt h es a m eM 9 2 c o n c e n t r a t i o n ．T h ec u r r e n te f f i c i e n c y d e c r e a s e sa n de n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fM 9 2 c o n c e n t r a t i o na tt h es a m et e m p e r a t u r ei nz i n ce l e c t r o w i n n i n g ．T h ec u r r e n c ye f f i c i e n c yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ei nz i n ce l e c t r o w i n n i n ga tt h es a m eM 9 2 c o n c e n t r a t i o n ． ’ K e y w o r d s M a g n e s i u mi o n ；Z i n ce l e c t r o w i n n i n g ；C u r r e n c ye f f i c i e n c y ；E n e r g yc o n s u m p t i o n 在锌电解工业生产中，溶液中有些金属离子由 于没有有效的净化脱除措施，都会在溶液中循环富 集[ 1 - 3 3 。当这些元素的离子在溶液中富集到一定浓 度时，就会显著增加溶液黏度、增大溶液电阻，进而 增加电能消耗，导致阴极析氢反应加剧，阴极锌沉积 层结构疏松‘4 - 5 1 。大部分碱金属离子在除铁过程中 形成矾类而被除去，使其保持在一定的范围或水平 上，但碱土金属离子如钙、镁离子基本没有开路的方 基金项目国家自然科学基金资助项目 2 0 8 0 1 0 2 6 l 江西省自然科学基金资助项目 2 0 0 7 G Z H l 5 1 0 作者简介李永佳 1 9 7 7 一 ，男，湖南常德人，博士研究生． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年5 期 3。 法，其在溶液中逐渐积累，达到最大溶解度后随着温 度的变化而在溶液中结晶析出，阻塞管道，影响生产 顺利进行。钙、镁离子虽然理论上不影响锌电积过 程，但由于其在电积液饱和结晶析出时则影响锌的 电积过程[ 6 q ] 。 为了系统研究镁离子对锌电积过程和能耗的影 响，我们对镁离子对电积液性质的影响和对电积过 程的能耗影响分别进行研究。 1实验 实验电积液采用七水合硫酸锌、硫酸及蒸馏水 配制而成。根据工业上锌电积的生产条件，配制硫 酸锌浓度6 0g ／L ，硫酸浓度1 5 0g ／L ，温度控制在3 0 ～5 5 ℃，电积周期为2 4h 。试验中保持电积液流量 为0 ．4L ／h ，每次试验配制电积液1 0L 。 试验所用电积槽内径1 5c m 8 ．5c m 1 1c m ， 中间有隔板隔开，便于电积液循环。阴极板采用压 延纯铝板，单面有效面积为6 ．5c m 5 ．4e l i l 。阳极 板采用含银0 ．5 ％～1 ％的铅银合金板，配有与之相 适应的阳极袋[ 8 ] 。 2结果与讨论 2 ．1 镁离子浓度对电积液密度的影响 M 9 2 浓度对电积液密度的影响结果如图1 所 示。从图1 可知，在同一温度下，电积液密度随 M 9 2 浓度增加基本成线形增加的。这是由于溶液 中镁离子浓度增加后，离子间的距离减小，单位体积 的溶液中所包含的镁离子数量增加，溶液的密度也 增大了。在同一镁离子浓度下，电积液随着温度的 增高，在所研究的温度范围内溶液的密度基本上也 是线形降低，但高温时降低的幅度要大些。因为溶 图1镁离子浓度对电积液密度的影响 F i g ．1 T h ee f f e c to fM 9 2 c o n c e n t r a t i o n o nd e n s i t yo fe l e c t r o l y t e 液体积随温度升高而膨胀，单位体积所包含的离子 数量减小。 2 ．2 镁离子浓度对电积液黏度的影响 M 9 2 浓度对电积液黏度的影响结果如图2 所 示。可以看出，同一温度下，电积液的黏度随着镁离 子的增加基本上也是线形增加的，同时增加幅度比 较大，达5 0 ％以上。这是由于镁离子浓度的增加， 促使溶液中的硫酸镁以微细粒结晶，使得溶液更加 粘稠，黏度增大。电积液黏度增加，将影响电积液的 扩散传质，使扩散传质性能变差。在同一镁离子浓 度下，随着温度的增高，电积液黏度也随温度线形降 低，高温下降低幅度相对低温下要略小些。温度升 高，离子间的作用力减弱，同时硫酸镁的结晶减少， 都使得电积液的黏度下降。 f “ 色 g 魁 耦 O5l O1 52 02 5 M 9 2 ， g ‘L - 1 图2 镁离子浓度对电积液黏度的影响 F i g ．2 T h ee f f e c to fM 矛 c o n c e n t r a t i o n o nv i s c o s i t yo fe l e c t r o l y t e 在锌电积过程，电积槽内由于极板的阻隔作用， 电积液循环是从电积槽一端到另一端，不能采用上 进下出或下迸上出方式循环，电积液需要从电积的 极板四周扩散传质到极板中间，才能保证锌电积的 正常进行和减少浓差极化，有利于提高电流效率和 降低电积能耗。要提高电积液的传质效果，对于高 M g 抖浓度的电积液，需要采用大流量的电积液循环 制度，才有可能保证锌离子的传质效果，这是和低 M 9 2 十浓度的电积液电积时的差别。 2 ．3 镁离子浓度对电积液电导率的影响 M 9 2 浓度对电积液电导率的影响结果见图3 。 从图3 可以得出，在同一温度下，电积液的电导率下 降与M 9 2 增加基本成线形关系，电导率降幅达到 3 0 ％以上。由于镁离子浓度的增大，M 9 2 形成的水 化离子大，使得离子迁移速度变慢，另一方面是镁离 子浓度增大，电积液中硫酸镁的结晶增多，使得溶液 增稠，溶液导电能力下降。在同一镁离子浓度下，随 4 2 0 8 6 4 2 O 2 2 2 l l l l l 肌舯黔船盯舫弱黔船盟 i i}l 一_．19．嚣、越糙 万方数据 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年5 期 着温度增高，电积液的电导率增大。这是由于温度 升高，离子的运动速度增大再加上硫酸镁的结晶减 少，溶液的流动性好，所以溶液的导电能力加强，电 导率随之增大。 ， 昌 ● 巴 、 奄垂 廿 掣 图3 镁离子浓度对电积液电导率的影响 F i g ．3 T h ee f f e c to fM 9 2 c o n c e n t r a t i o n o nc o n d u c t i v i t yo fe l e c t r o l y t e 2 ．4 镁离子浓度对锌电积电流效率影响 电流密度5 2 7A ／m 2 、异极距3 0m m ，其它实验 条件和前面相同时，实验结果见图4 。 永 、 静 较 壤 脚 图4 镁离子浓度对锌电积电流效率影响 F i g ．4 T h ee f f e c to fM f c o n c e n t r a t i o nO n c u r r e n c ye f f i c i e n c yi nz i n ce l e c t r o w i n n i n g 从图4 可以得出，在同一温度下，随着镁离子浓 度的增加，开始电流效率快速下降，到一定程度后， 下降速度不是很明显，而且在电积初期沉积出的锌 的质量很好，循环到一定程度后，出现锌的返溶，甚 至烧板，严重影响锌沉积。在相同的M 9 2 浓度下， 温度升高，电流效率降低，这是由于温度升高，析氢 可能性增大所致。 镁的还原电位很低，为一2 ．3 4V 相对于标准 氢电极 ，因此在水溶液中镁离子是不会电积成金属 镁，理论上不会影响锌的电沉积过程，但实际上其对 锌电积过程影响比较显著，使锌电积的电流效率明 显降低甚至不能正常进行锌电积。 在M 9 2 浓度高时，在锌电积过程中发现，电积 液表面有大量的小气泡产生，电积液如沸腾一样。 分析认为，电积产生的锌没有有效吸附在阴极板上， 脱落到电积液中，与电积液中游离硫酸反应生成的 H 形成气泡，搅拌电积液。 在锌电积过程，Z n 2 由于还原电位低而在阴极 板上电沉积析出，M 9 2 十则由于还原电位高不能析出 而富集在阴极板表面，只能在浓度增加出现浓差作 用下向电积液中扩散。当电迁移和浓差扩散速度达 到相同时，M 9 2 在阴极板表面浓度相对稳定。这样 M 9 2 必然在阴极板表面富集，并且浓度高于电积液 中的M 9 2 浓度。在一定温度下，由于硫酸镁的溶 解度有限，在阴极板表面会出现微细硫酸镁晶体。 当锌在阴极表面析出时就容易沉积在硫酸镁微细晶 体上，由于硫酸镁晶体与阴极表面锌不能有效结合， 其随电积液流动离开阴极表面时，沉积在其表面的 金属锌就与电积液中游离硫酸反应，形成H 气泡。 当M 9 2 十浓度比较高时，溶液中本身存在硫酸 镁微细晶体，使正常的锌电积无法进行，出现严重的 烧板现象。． 2 ．5 镁离子浓度对锌电积电耗影响 在2 4h 电积周期内，每1h 测定一次槽电压， 取其平均值作为槽电压值，根据测定的槽电压和电 流效率计算得到锌电积的电能消耗，结果见图5 。 ， o ● 二 ● ≥ 邑 、 犍 诞 涩 翟 图5镁离子浓度对锌电积电能消耗影响 F i g ．5 T h ee f f e c to fM 9 2 c o n c e n t r a t i o no n e n e r g yc o n s u m p t i o ni nz i n ce l e c t r o w i n n i n g 从图5 可见，电积锌电单耗随M 9 2 浓度增加 而增加。M 9 2 十浓度增加，总的来说槽电压是增加 的，但幅度不同，M 9 2 浓度从0g ／L 增加到2 5g ／L 时，槽电压在3 5 ℃、4 0 ℃和4 5 ℃时分别增加0 ．1 4 V 、o ．0 8V 和0 ．0 9V 。该结果与电积液导电率降低 的幅度基本吻合。 下转第2 4 页 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年5 期 铁工艺，是有效解决冶炼废渣综合利用的新途径。 参考文献 [ 1 ] 方觉．非高炉炼铁工艺与理论[ M ] ．北京冶金工业出 版社，2 0 0 7 i 一5 ． [ 2 ] 刘清，招国栋．有色冶金废渣中有价金属回收的技术及 现状[ J ] ．有色冶金设计与研究，2 0 0 7 增刊1 2 2 2 5 ． [ 3 ] 李克庆，许永，倪文，等．低贫铁矿熔融还原炼铁熔渣用 于微晶玻璃制备[ J ] ．硅酸盐学报，2 0 0 7 ，3 5 6 5 6 8 ． [ 4 ] 傅崇说．有色冶金原理[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 5 ，6 5 6 8 ． I s ] 刘伟波．金川炼镍渣提铁的试验研究[ D ] ．西安西安建 筑科技大学冶金工程学院，2 0 0 1 ． [ 6 ] 陈津，林万明，赵晶．非焦煤冶金技术[ M ] ．北京化学 工业出版社，2 0 0 7 2 5 6 2 5 7 ． 上接第4 页 3结论 在同一温度下，电积液的密度和黏度随镁离子 浓度的增加而增大，电积液的电导率随镁离子浓度 的增加而降低。在同一镁离子浓度下，电积液的密 度和黏度随温度的增高而降低，电积液的电导率随 温度的升高而增大。 参考文献 [ 1 ] 杨显万，邱定藩．湿法冶金[ M ] ．北京冶金工业出版 社，1 9 9 8 6 8 ． [ 2 ] 张怀伟，王吉坤，李勇．金属杂质离子对长周期锌电积的 影响[ J ] ．中国有色冶金，2 0 0 8 4 3 5 3 8 ． [ 3 ] Z E N GG ，X I EG ，Y A N GD ，e ta 1 ．T h ee f f e c to fc a d m i u mi o no nc o b a l tr e m o v a lf r o mz i n cs u l f a t es o l u t i o n [ J ] ． M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，1 9 2 1 9 7 2 0 0 ． [ 4 ] Z H A N GH ，L IY ，W A N GJ ，e ta 1 ．T h ei n f l u e n c eo f n i c k e l i o n so nt h el o n g p e r i o de l e c t r o w i n n i n go f z i n c f r o ms u l f a t ee l e c t r o l y t e s [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 0 9 ，9 9 1 ／2 1 2 7 1 3 0 ． [ 5 ] 陆莹．杂质对硫酸锌电积的影响[ D ] ．昆明昆明理工大 学材料与冶金工程学院，2 0 0 4 3 8 ～5 2 ． [ 6 ] 李永佳．添加剂对锌电积过程的影响[ D ] ．昆明昆明理 工大学材料与冶金工程学院，2 0 0 6 2 2 2 6 ． [ 7 ] 张博亚．湿法炼锌过程中镁的脱除的研究及应用I - D ] ． 昆明昆明理工大学材料与冶金工程学院，2 0 0 6 1 3 1 5 ． [ 8 ] 王彦军．湿法炼锌电积工艺参数优化的研究[ D ] ．昆明 昆明理工大学材料与冶金工程学院，2 0 0 6 3 8 ． ’，’，’，，’’，’，，’ ’’- ，，，，，’’ ’’’ ’，’I ， ，，’，，， ’’’， ，，，， ’I ’’ I ，， ’’、 ■ ■ 北京矿冶研究总院迁址启事i ■ ■ 北京矿冶研究总院院本部自2 0 1 0 年9 月9 日起迁往新址，现将迁址后的通讯方式敬告如下i 地址北京南四环西路1 8 8 号十八区2 3 号楼邮政编码1 0 0 0 7 0i 电话 0 1 0 6 3 2 9 9 8 8 8传真 0 1 0 6 8 3 2 1 3 6 2 ； 一 ■ 网址W W W ．b g r i m m ．c o r n { ● - ■ t t t t t t t t ‘t t ‘t l l l t l ‘I I t ‘t l t l l I I t t l ‘l l I ‘‘t ‘‘I t t l I ‘‘l ‘， ， t，●●●．●●●●●★●●、 万方数据