CN105696026B - 一种锌粉电解装置及电解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锌粉电解装置及电解方法,所述电解装置包括:反应釜;与所述出液管连接的第一换热器;与所述第一换热器出口连接的第一储液罐;通过第一泵及第一输液管道与所述第一储液罐连接的第二储液罐,所述第二储液罐通过第三泵及回流管道与所述回流孔连接;通过第二泵及第二输液管道与所述第二储液罐连接的至少一个电解槽,所述电解槽位于台架上,所述电解槽通过所述溢流口和溢流管道与所述第二储液罐连接,所述溢流管道上连接有第二换热器。通过本发明提供的一种锌粉电解装置及电解方法,解决了现有技术中因制得的锌粉颗粒大、比表面积小、锌粉活性低等缺点无法应用在锌空气燃料电池上的问题。
Description
技术领域
本发明涉及锌空气燃料电池的设计领域,特别是涉及一种锌粉电解装置及电解方法。
背景技术
新能源和新能源汽车已被《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006━2020年)》明确规划为国家重点发展的前沿技术,对我国能源、交通和国防等领域快速发展和相关战略新兴产业的形成与发展具有重大意义。目前使用的车用动力电池中锂离子电池仍存在安全隐患,而氢燃料电池成本高,因此,迫切需要发展高安全性、较低成本、高比能量的动力电池。
锌空气燃料电池主要由空气电极、锌电极、电解液和隔膜组成,以空气中的氧气作为正极活性物质、金属锌作为负极活性物质,使用碱性电解液。空气中的氧通过空气电极的防水透气层扩散到催化层,在催化剂与电解液的界面上发生电化学还原反应,同时锌电极进行电化学氧化反应,产生电流。与其它电池相比,锌空气燃料电池有着独特的特点:(1)电池比容量较大,比能量较高,实际上可以达到150~300Wh/kg。(2)使用简单,安全性好,锌空燃料电池可连续放电,且不怕过放,免维护。(3)价格便宜,零污染,可再生,在使用中锌空气电池的正极消耗氧气,且正极采用的是低成本的非贵金属催化剂;负极消耗锌,负极物质放电完毕后变成氧化锌,可通过电解还原成锌,重新用作负极活性物质,这样不仅大大降低了使用成本,同时提高了对资源的有效利用。(4)放电电压平稳,放电时空气电极催化剂本身不发生变化,锌电极电压平稳。(5)锌空气燃料电池由于采用的是水溶液电解质,不存在燃烧、爆炸的隐患,安全性高。
鉴于锌空气燃料电池低成本(制造成本低至~1.5元/Wh)、高安全性、较高比能量≥150Wh/kg等优势非常适合作为新能源汽车等电池,市场前景极为广阔。众所周知,电解锌粉过程中,电解电流、电解质浓度以及温度将直接影响电解所得锌粉的性状,包括粒度、比表面积等。目前市场上的锌粉均存在颗粒大、比表面积小、锌粉活性低等特点,无法应用在锌空气燃料电池上。
鉴于此,有必要设计一种新的锌粉电解装置及电解方法来解决上述问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种锌粉电解装置及电解方法,解决了现有技术中因制得的锌粉颗粒大、比表面积小等缺点无法应用在锌空气燃料电池上的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种锌粉电解装置及电解方法,所述电解装置包括:
反应釜,所述反应釜包括釜体,位于所述釜体上方的回流孔、加料口,与所述釜体连接的搅拌桨、第四温度传感器,位于所述釜体下方的出液管以及位于所述出液管上的球阀;
与所述出液管连接的第一换热器;
与所述第一换热器出口连接的第一储液罐,所述第一储液罐包括第一罐体、位于所述第一罐体上方的第一排气孔、以及与所述第一罐体连接的第一温度传感器;
通过第一泵及第一输液管道与所述第一储液罐连接的第二储液罐,所述第二储液罐包括第二罐体、位于所述第二罐体上方的第二排气孔、以及与所述第二罐体连接的第二温度传感器,所述第二储液罐通过第三泵及回流管道与所述回流孔连接;
通过第二泵及第二输液管道与所述第二储液罐连接的至少一个电解槽,所述电解槽位于台架上,所述电解槽包括槽体,与所述槽体连接的阴极、阳极、第三温度传感器,以及位于所述槽体上方的溢流口,所述电解槽通过所述溢流口和溢流管道与所述第二储液罐连接,所述溢流管道上连接有第二换热器。
优选地,所述电解槽的数量为2个,所述2个电解槽分别与所述第二输液管道连接,且所述溢流口分别与溢流管道连接。
优选地,所述电解装置还包括位于所述电解槽上方的排风罩。
优选地,所述台架为可升降台架。
优选地,所述反应釜为带有加热功能的反应釜,所述反应釜为搪瓷反应釜、玻璃反应釜或不锈钢反应釜中的一种。
优选地,所述第一、第二换热器中的换热介质为自来水,所述第一、第二换热器为板式换热器或列管换热器中的一种。
优选地,所述第一、第二储液罐为聚丙烯储液罐或聚乙烯储液罐中的一种。
优选地,所述第一、第二、第三泵均为磁力泵。
优选地,所述电解槽为聚丙烯电解槽、聚乙烯电解槽或聚氯乙烯电解槽中的一种。
优选地,阴极为金属镍或金属镁的一种,所述阳极为金属镍或金属镁的一种。
本发明还提供一种锌粉电解方法,所述锌粉电解方法包括:
S1:向反应釜中加入体积为V1的去离子水,温度为T1、质量为M1的KOH溶液,及质量为M2的ZnO粉末,通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C1;
S2:将S1中得到的溶液经第一换热器流入第一储液罐中,此时第一储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C1,温度为T2;
S3:将第一储液罐内的溶液通过第一泵及第一输液管道抽入至第二储液罐内作为电解母液,此时第二储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C1,温度为T2;
S4:向反应釜中加入体积为V1的去离子水,温度为T1、质量为M1的KOH溶液,及质量为M3的ZnO粉末,并通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C2;
S5:将S4中得到的溶液经第一换热器流入第一储液罐中作为电解补充溶液,此时第一储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C2,温度为T2;
S6:将第二储液罐内的电解母液通过第二泵及第二输液管道抽入至电解槽中,溶液流量为Q1,在电解槽的阴阳极之间施加电流I,使阴极按化学反应式Zn(OH)4 2-+2e=Zn+4OH-进行化学反应,阳极按化学反应式4OH--4e=H2O+O2进行化学反应,此时电解槽中溶液的温度为T3;
S7:当电解槽中溶液的液位达到溢流口的高度时,电解槽中的溶液通过溢流管道及第二换热器流入第二储液罐中,此时溢流溶液的流量为Q1、温度为T2、Zn(OH)4 2-的浓度为C3,此时第一储液罐中的电解补充溶液通过第一泵及第一输液管道抽入第二储液罐中,溶液流量为Q2,第二储液罐中溢流溶液与电解补充溶液满足(Q1*C3+Q2*C2)/(Q1+Q2)=C1;
S8:当第二储液罐中溶液的体积达到V2时,通过第三泵及回流管道将第二储液罐中的溶液抽入至反应釜中,直至反应釜中溶液的体积达到V3时,停止第三泵,通过反应釜将溶液的温度升高至T1,并向反应釜中补充质量为M4的ZnO粉末,通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C2,使整个电解系统处于浓度恒定、温度恒定、电流恒定的状态。
如上所述,本发明的一种锌粉电解装置及电解方法,具有以下有益效果:本发明所述的锌粉电解装置通过向电解槽中连续补充浓度恒定、温度恒定的电解质溶液,使锌粉析出与[Zn(OH)4 2-]的补充达到动态平衡,从而实现电解过程在浓度恒定、温度恒定、电流恒定的状态下进行,继而得到性状可控的锌粉。
附图说明
图1显示为本发明所述锌粉电解装置的主视图。
图2显示为本发明所述锌粉电解装置的俯视图。
图3显示为本发明所制得锌粉的放电曲线。
图4显示为本发明所制得锌粉的功率密度曲线。
元件标号说明
1 第一换热器
2 反应釜
21 釜体
22 第四温度传感器
23 加料口
24 搅拌桨
25 回流孔
26 球阀
27 出液管
3 第一储液罐
31 第一罐体
32 第一温度传感器
33 第一排气孔
4 第一泵
5 第一输液管道
6 第二储液罐
61 第二罐体
62 第二温度传感器
63 第二排气孔
7 第二泵
8 第二输液管道
9 电解槽
91 槽体
92 阴极
93 阳极
94 第三温度传感器
95 溢流口
10 台架
11 溢流管道
12 第二换热器
13 第三泵
14 回流管道
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明基于电解法设计一套电解质浓度恒定、温度恒定、电流恒定的电解装置,用来制备性状可控的锌粉;反应原理主要是通过ZnO在KOH溶液中发生反应(反应式如式1),得到电解质溶液,通过对电解质溶液进行电解,制得锌粉(反应式如式1、式2)。
2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]············式1
阴极:Zn(OH)4 2-+2e=Zn+4OH-···········式2
阳极:4OH--4e=H2O+O2················式3
如图1至图2所示,一种锌粉电解装置及电解方法,所述电解装置包括:
反应釜2,所述反应釜2包括釜体21,位于所述釜体21上方的回流孔25、加料口23,与所述釜体21连接的搅拌桨24、第四温度传感器22,位于所述釜体21下方的出液管27以及位于所述出液管27上的球阀26;
与所述出液管27连接的第一换热器1;
与所述第一换热器出口连接的第一储液罐3,所述第一储液罐3包括第一罐体31、位于所述第一罐体31上方的第一排气孔33、以及与所述第一罐体31连接的第一温度传感器32;
通过第一泵4及第一输液管道5与所述第一储液罐3连接的第二储液罐6,所述第二储液罐6包括第二罐体61、位于所述第二罐体61上方的第二排气孔63、以及与所述第二罐体61连接的第二温度传感器62,所述第二储液罐6通过第三泵13及回流管道14与所述回流孔25连接;
通过第二泵7及第二输液管道8与所述第二储液罐6连接的至少一个电解槽9,所述电解槽9位于台架10上,所述电解槽9包括槽体91,与所述槽体91连接的阴极92、阳极93、第三温度传感器94,以及位于所述槽体91上方的溢流口95,所述电解槽9通过所述溢流口95和溢流管道11与所述第二储液罐6连接,所述溢流管道11上连接有第二换热器12。
需要说明的是,所述电解槽的数量为大于等于1个,优选地,所述电解槽的数量可以为2个、6个、10个。
进一步需要说明的是,所述电解槽的数量为2个,其中,所述2个电解槽为并联结构,即所述2个电解槽分别与所述第二输液管道连接,且所述溢流口分别与溢流管道连接。
具体的,所述电解装置还包括位于所述电解槽上方的排风罩。
需要说明的是,在电解过程中,所述阳极上会产生气体,气体在排放时会携带碱雾,此时通过所述排风罩收集在电解过程中排放出来的气体,避免碱雾对空气的污染以及对周围电气造成腐蚀。
具体的,所述反应釜为带有加热功能的反应釜,所述反应釜为搪瓷反应釜、玻璃反应釜或不锈钢反应釜中的一种。
需要说明的是,通过反应釜的加热功能,加快ZnO在KOH溶液中的溶解,有利于反应的快速进行;由于KOH为强碱溶液,故本发明采用耐强碱腐蚀的搪瓷反应釜、玻璃反应釜或不锈钢反应釜。
具体的,所述第一、第二换热器中的换热介质为自来水,所述第一、第二换热器为板式换热器或列管换热器中的一种。
需要说明的是,所述换热器通过调整换热参数,实现流经换热器的溶液温度的控制。在本发明所述的电解装置中,只有反应釜和电解槽中发生化学反应,即热源来自反应釜和电解槽两处;通过在反应釜及电解槽处设置换热器,实现控制反应釜及电解槽中流出溶液的温度,使得换热效率最大化;本发明所述换热器均采用耐强碱腐蚀的板式换热器或列管换热器。
具体的,所述第一、第二储液罐为聚丙烯储液罐或聚乙烯储液罐中的一种。
需要说明的是,随着溶液不断流入储液罐,储液罐内的压强将不断变大,通过在储液罐上方设置排气孔实现储液罐内外的压强平衡;由于需要观察储液罐内溶液的液位,故本发明选用耐强碱腐蚀、强度高、及易于观察液位的聚丙烯储液罐或聚乙烯储液罐。
具体的,所述第一、第二、第三泵均为耐强碱腐蚀的磁力泵;优选地,所述磁力泵为变频磁力泵。
需要说明的是,通过所述第一泵实现将所述第一储液罐内的溶液抽入第二储液罐,通过所述第二泵实现将所述第二储液罐内的溶液抽入电解槽,通过所述第三泵实现将所述第二储液罐内的溶液抽入反应釜中,通过调节泵内的变频器控制溶液的流量,进而实现溶液的进出平衡。
具体的,所述电解槽为聚丙烯电解槽、聚乙烯电解槽或聚氯乙烯电解槽中的一种;所述阴极为金属镍或金属镁的一种,所述阳极为金属镍或金属镁的一种。
需要说明的是,所述电解槽位于所述台架上;为了便于锌粉的收集,所述台架为可升降结构,通过可升降台架实现电解槽的可升降功能,同时阴、阳极固定不动。
需要说明的是,由于KOH的强碱腐蚀作用,本发明整个电解系统中所涉及到的装置均为耐强碱腐蚀的装置。
下面对图1和图2所述电解装置的电解方法进行说明。
S1:向反应釜中加入体积为V1的去离子水,温度为T1、质量为M1的KOH溶液,及质量为M2的ZnO粉末,通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C1;
S2:将S1中得到的溶液经第一换热器流入第一储液罐中,此时第一储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C1,温度为T2;
S3:将第一储液罐内的溶液通过第一泵及第一输液管道抽入至第二储液罐内作为电解母液,此时第二储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C1,温度为T3;
S4:向反应釜中加入体积为V1的去离子水,温度为T1、质量为M1的KOH溶液,及质量为M3的ZnO粉末,并通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C2;
S5:将S4中得到的溶液经第一换热器流入第一储液罐中作为电解补充溶液,此时第一储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C2,温度为T2;
S6:将第二储液罐内的电解母液通过第二泵及第二输液管道抽入至电解槽中,溶液流量为Q1,在电解槽的阴阳极之间施加电流I,使阴极按化学反应式Zn(OH)4 2-+2e=Zn+4OH-进行化学反应,阳极按化学反应式4OH--4e=H2O+O2进行化学反应,此时电解槽中溶液的温度为T4;
S7:当电解槽中溶液的液位达到溢流口的高度时,电解槽中的溶液通过溢流管道及第二换热器流入第二储液罐中,此时溢流溶液的流量为Q1、温度为T2、Zn(OH)4 2-的浓度为C3,此时第一储液罐中的电解补充溶液通过第一泵及第一输液管道抽入第二储液罐中,溶液流量为Q2,第二储液罐中溢流溶液与电解补充溶液满足(Q1*C3+Q2*C2)/(Q1+Q2)=C1;
S8:当第二储液罐中溶液的体积达到V2时,通过第三泵及回流管道将第二储液罐中的溶液抽入至反应釜中,直至反应釜中溶液的体积达到V3时,停止第三泵,通过反应釜将溶液的温度升高至T1,并向反应釜中补充质量为M4的ZnO粉末,通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C2,使整个电解系统处于浓度恒定、温度恒定、电流恒定的状态。
需要说明的是,上述电解方法中涉及的体积、质量、浓度可根据化学反应式得到,并根据实际需要进行修改。
需要说明的是,通过调节第一、第二、第三泵内的变频器,实现调节流经第一、第二、第三泵的溶液流量;本发明通过调节第二泵,实现流经第二输液管道的溶液流量与溢流管道的溶液流量相等。
需要说明的是,将Zn(OH)4 2-浓度为C3的溢流溶液通过溢流管道流入第二储液罐,并将Zn(OH)4 2-浓度为C2的电解补充溶液经第一泵从第一储液罐抽入第二储液罐;此时,第二储液罐内的溶液包括Zn(OH)4 2-浓度为C3的溢流溶液、Zn(OH)4 2-浓度为C2的电解补充溶液、及Zn(OH)4 2-浓度为C1的电解母液,为了保持第二储液罐内的混合溶液中Zn(OH)4 2-浓度仍为C1,通过调节第一泵及第二泵,实现流量与浓度满足关系式(Q1*C3+Q2*C2)/(Q1+Q2)=C1。
进一步需要说明是,当所述第二储液罐内的溶液液位超过一定高度时,启动第三泵,将所述第二储液罐内的溶液经回流管道抽入至反应釜中,直至反应釜中溶液的液位达到一定高度,由于此时反应釜中混合溶液中Zn(OH)4 2-浓度为C1,需要向反应釜中加入质量为M4的ZnO粉末进行反应,反应后反应釜中溶液的Zn(OH)4 2-浓度为C2,并继续作为电解补充溶液使用。
进一步需要说明的是,由于电解效率不足100%,为了平衡电解效率不足100%而电解损失的水,本发明需要定时向反应釜中加入一定量的去离子水,从而使整个电解系统处于电解质浓度恒定的状态。
需要说明的是,通过读取第一、第二、第三、第四温度传感器的温度值,实时读取反应釜、第一储液罐、第二储液罐、以及电解槽内溶液的温度,并通过调节第一、第二换热器的换热参数,实现将流经所述第一、第二换热器的溶液温度控制在目标温度。
进一步需要说明的是,所述KOH溶液的温度为T1,当ZnO粉末和KOH溶液在反应釜中发生化学反应后,流经第一换热器的溶液温度要高于T1,通过调整第一换热器的换热参数,使从反应釜流出的溶液经第一换热器后溶液温度控制在目标值T2上;通过第二换热器,使从电解槽流出的温度为T4的溶液经第二换热器后溶液温度控制在目标值T3上;通过第一、第二换热器,实现流经第一、第二换热器的溶液温度可控,进而实现电解过程中溶液的温度恒定。
进一步需要说明的是,所述换热器实现换热功能的实质是通过热传递,即换热器的换热介质为温度低于流经溶液的物质;当溶液流经换热器时,通过热传递实现降低流经溶液的温度。但由于溶液流经换热器后,换热介质的温度会升高,当下一次溶液流经换热器时,为了保证流经换热器的溶液温度在目标温度上,需要调整换热器的换热参数。
实施例一
在本实施例中,所述反应釜规格为1m3;第一、第二换热器均为3㎡板式换热器,冷却水采用自来水冷却;第一、第二储液罐为1m3聚乙烯储液罐;第一、第二、第三泵均为变频磁力泵;电解槽为6串联结构,每只电解槽容积为50L,热电偶为Pt100热电偶。
向反应釜中加入830L的去离子水,加入质量为284Kg、温度为80℃的KOH(95%)溶液,向反应釜中加入质量为130Kg的ZnO(99.7%)粉末并搅拌,使其完全溶解,化学反应按2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行,所得溶液为KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液,混合溶液中[Zn(OH)4 2-]浓度为1.95mol/L;
该溶液经第一换热器流入第一储液罐中,此时第一储液罐中溶液的浓度为1.95mol/L、温度为60℃;
该溶液再由第一泵抽入至第二储液罐中,作为电解母液,此时第二储液罐中[Zn(OH)4 2-]浓度为1.95mol/L,温度为60℃;
向反应釜中加入830L的去离子水,加入质量为284Kg、温度为80℃的KOH(95%)溶液,向反应釜中加入质量为150Kg的ZnO(99.7%)粉末并搅拌,使其完全溶解,化学反应按2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行,所得溶液为KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液,混合溶液中[Zn(OH)4 2-]浓度为2.26mol/L;
该溶液经第一换热器流入第一储液罐中,此时第一储液罐中溶液的浓度为2.26mol/L、温度为60℃,此溶液作为电解补充溶液;
将第二储液罐中的电解母液由第二泵抽入至6串联电解槽中,溶液总流量为4m3/h,在电解槽阴阳极之间通以电流3000A,电解效率为94%,阳极电解反应按4OH--4e=H2O+O2进行,有氧气产生,阴极电极反应按Zn(OH)4 2-+2e=Zn+4OH-进行,有锌粉析出,此时,6串联电解槽中溶液的温度为63℃,伴随着电解的进行,锌粉不断析出,溶液中[Zn(OH)4 2-]浓度随之下降;
当电解槽中液位超过溢流口,溶液从溢流管道经过第二换热器回流至第二储液罐中,此时溢流溶液中[Zn(OH)4 2-]浓度为1.87mol/L,温度为60℃,溢流流量与第二泵的流量相同,均为4m3/h,与此同时,第一储液罐中的[Zn(OH)4 2-]浓度为2.26mol/L的电解补充溶液由第一泵抽入至第二储液罐中,流量与浓度需满足关系式(Q1×CB3+Q2×CB2)/(Q1+Q2)=CB1,因此,第一泵的流量为1.03m3/h,溢流溶液与电解补充溶液混合后[Zn(OH)4 2-]浓度为1.95mol/L,与第二储液罐中电解母液的[Zn(OH)4 2-]浓度(1.95mol/L)相同;
当第二储液罐中溶液体积达到900L时,启动第三泵,将第二储液罐中的溶液抽入至反应釜中,当反应釜中溶液体积为500L时,停止第三泵,将反应釜升温使溶液温度达80℃,向反应釜中补充质量为12.6Kg的ZnO(99.7%)粉末,搅拌溶解1h,使ZnO粉末完全溶解,此时反应釜中溶液[Zn(OH)4 2-]的浓度恢复到2.26mol/L,溶液继续在装置体系内反复循环使用,适当调整第一、第二换热器的工作状态,确保电解槽中溶液温度保持63℃定值,为平衡电解效率不足100%而电解损失掉的水,每半小时向反应釜中加入120g的去离子水,从而使得整个电解系统处在浓度恒定、温度恒定、电流恒定的状态,以确保电解所得锌粉性状稳定可控。
通过上述装置制备锌粉,锌粉电解产能为20.7Kg/h;对所得锌粉进行电化学性能测试,由图3和图4可知,其放电平台稳定,最大功率密度可达252mW/cm2,满足锌空电池性能需求。
综上所述,本发明的一种锌粉电解装置及电解方法,具有以下有益效果:本发明所述的锌粉电解装置通过向电解槽中连续补充浓度恒定、温度恒定的电解质溶液,使锌粉析出与[Zn(OH)4 2-]的补充达到动态平衡,从而实现电解过程在浓度恒定、温度恒定、电流恒定的状态下进行,继而得到性状可控的锌粉。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种锌粉电解装置,其特征在于,所述电解装置包括:
反应釜,所述反应釜包括釜体,位于所述釜体上方的回流孔、加料口,与所述釜体连接的搅拌桨、第四温度传感器,位于所述釜体下方的出液管以及位于所述出液管上的球阀;
与所述出液管连接的第一换热器;
与所述第一换热器出口连接的第一储液罐,所述第一储液罐包括第一罐体、位于所述第一罐体上方的第一排气孔、以及与所述第一罐体连接的第一温度传感器;
通过第一泵及第一输液管道与所述第一储液罐连接的第二储液罐,所述第二储液罐包括第二罐体、位于所述第二罐体上方的第二排气孔、以及与所述第二罐体连接的第二温度传感器,所述第二储液罐通过第三泵及回流管道与所述回流孔连接;
通过第二泵及第二输液管道与所述第二储液罐连接的至少一个电解槽,所述电解槽位于台架上,所述电解槽包括槽体,与所述槽体连接的阴极、阳极、第三温度传感器,以及位于所述槽体上方的溢流口,所述电解槽通过所述溢流口和溢流管道与所述第二储液罐连接,所述溢流管道上连接有第二换热器。
2.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,所述电解槽的数量为2个,所述2个电解槽分别与所述第二输液管道连接,且所述溢流口分别与溢流管道连接。
3.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,所述电解装置还包括位于所述电解槽上方的排风罩。
4.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,所述台架为可升降台架。
5.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,所述反应釜为带有加热功能的反应釜,所述反应釜为搪瓷反应釜、玻璃反应釜或不锈钢反应釜中的一种。
6.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,所述第一、第二换热器中的换热介质为自来水,所述第一、第二换热器为板式换热器或列管换热器中的一种。
7.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,所述第一、第二储液罐为聚丙烯储液罐或聚乙烯储液罐中的一种。
8.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,所述第一、第二、第三泵均为磁力泵。
9.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,所述电解槽为聚丙烯电解槽、聚乙烯电解槽或聚氯乙烯电解槽中的一种。
10.根据权利要求1所述的锌粉电解装置,其特征在于,阴极为金属镍或金属镁的一种,所述阳极为金属镍或金属镁的一种。
11.一种利用如权利要求1所述锌粉电解装置进行的锌粉电解方法,其特征在于,所述锌粉电解方法包括:
S1:向反应釜中加入体积为V1的去离子水,温度为T1、质量为M1的KOH溶液,及质量为M2的ZnO粉末,通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C1;
S2:将S1中得到的溶液经第一换热器流入第一储液罐中,此时第一储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C1,温度为T2;
S3:将第一储液罐内的溶液通过第一泵及第一输液管道抽入至第二储液罐内作为电解母液,此时第二储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C1,温度为T2;
S4:向反应釜中加入体积为V1的去离子水,温度为T1、质量为M1的KOH溶液,及质量为M3的ZnO粉末,并通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C2;
S5:将S4中得到的溶液经第一换热器流入第一储液罐中作为电解补充溶液,此时第一储液罐内Zn(OH)4 2-的浓度为C2,温度为T2;
S6:将第二储液罐内的电解母液通过第二泵及第二输液管道抽入至电解槽中,溶液流量为Q1,在电解槽的阴阳极之间施加电流I,使阴极按化学反应式Zn(OH)4 2-+2e=Zn+4OH-进行化学反应,阳极按化学反应式4OH--4e=H2O+O2进行化学反应,此时电解槽中溶液的温度为T3;
S7:当电解槽中溶液的液位达到溢流口的高度时,电解槽中的溶液通过溢流管道及第二换热器流入第二储液罐中,此时溢流溶液的流量为Q1、温度为T2、Zn(OH)4 2-的浓度为C3,此时第一储液罐中的电解补充溶液通过第一泵及第一输液管道抽入第二储液罐中,溶液流量为Q2,第二储液罐中溢流溶液与电解补充溶液满足(Q1*C3+Q2*C2)/(Q1+Q2)=C1;
S8:当第二储液罐中溶液的体积达到V2时,通过第三泵及回流管道将第二储液罐中的溶液抽入至反应釜中,直至反应釜中溶液的体积达到V3时,停止第三泵,通过反应釜将溶液的温度升高至T1,并向反应釜中补充质量为M4的ZnO粉末,通过搅拌桨使所述ZnO粉末完全溶解,按化学反应式2KOH+ZnO+H2O=K2[Zn(OH)4]进行化学反应,所得KOH和K2[Zn(OH)4]的混合溶液中Zn(OH)4 2-的浓度为C2,使整个电解系统处于浓度恒定、温度恒定、电流恒定的状态。
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