CN107268026B - 一种双电解槽电积提取锌的装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双电解槽电积提取锌的装置及其应用,属于湿法冶金技术领域。装置,该装置包括惰性阳极、纯铝或锌阴极、辅助电极Ⅰ、辅助电极Ⅱ、阳极槽、阴极槽、含硫酸电解液和含硫酸锌电解液,阳极槽中装有惰性阳极和含硫酸电解液,阴极槽中装有铝或锌阴极和含硫酸锌电解液,惰性阳极与电源正极连接,纯铝或锌阴极与电源负极连接,阳极槽和阴极槽内还分别设有辅助电极Ⅰ和辅助电极Ⅱ,辅助电极Ⅰ和辅助电极Ⅱ通过导线连接。本装置使用双电解槽,实现了金属锌电积提取过程阴、阳极反应过程的解耦合,即金属锌的阴极沉积和阳极氧析出分别在不同的电解槽进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种双电解槽电积提取锌的装置及其应用,属于湿法冶金技术领域。
背景技术
现代炼锌方法分湿法炼锌和火法炼锌,湿法炼锌由于资源来源广、环境友好和能耗较低等优点,其生产的电锌约占锌总量的80%以上,锌精矿的常规湿法冶炼流程是焙烧→浸出→净化→电积→高纯锌。锌电积用铅基合金做阳极,压延纯铝板做阴极,净化后的硫酸锌/硫酸溶液为电解液,在电场作用下,锌在阴极析出,同时电解液酸度提高,目前工业锌电积中,电解液中的锌的浓度为40-60g/L,硫酸浓度从110-140g/L提高到170-200g/L(铅锌冶金学,科学出版社,2002)。为了解决传统锌电积存在的问题,研究人员研究开发了新的电积工艺,如:Zn-NaClO4联合电解法;氢气、SO2气体扩散阳极电积法;甲醇电积法等,但是上述方法存在工业化困难、阴阳极液易混合等诸多问题(材料导报,2008,22(2),86-89)。
在传统的锌电积过程中,阳极发生水的氧化,析出大量的氧气,气体逸出电解槽的液面会夹带大量的硫酸溶液液滴,形成“酸雾”,不仅会对厂房和设备造成腐蚀,而且使操作环境恶化,是当前湿法炼锌厂较难解决的环保问题之一。目前常见的解决办法,一是在电解槽内的液面上覆盖一层泡沫,但是泡沫常造成极板间短路,增加能耗,二是在电解槽上加盖,带来了极板装、出槽作业困难,且不能避免气体外泄。专利ZL 200620053101.6提出用弥散状的圆形或椭圆形状的固体覆盖物防治酸雾。该方法虽然酸雾的产生有所改善,但很难避免酸雾产生。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足,本发明提供一种双电解槽电积提取锌的装置及其应用。本装置使用双电解槽,实现了金属锌电积提取过程阴、阳极反应过程的解耦合,即金属锌的阴极沉积和阳极氧析出分别在不同的电解槽进行。两个电解槽可以分别独立放置,将氧气析出与锌沉积在空间上彻底分离,可以将所有的氧气析出集中密闭设置,既避免了酸雾现象,也可以收集得到较高纯度的氧气。本发明通过以下技术方案实现。
一种双电解槽电积提取锌的装置,包括惰性阳极1、纯铝或锌阴极2、辅助电极Ⅰ3、辅助电极Ⅱ4、阳极槽5、阴极槽6、含硫酸电解液7和含硫酸锌电解液8,阳极槽5中装有惰性阳极1和含硫酸电解液7,阴极槽6中装有铝或锌阴极2和含硫酸锌电解液8,惰性阳极1与电源正极连接,纯铝或锌阴极2与电源负极连接,阳极槽5和阴极槽6内还分别设有辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4,辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4通过导线9连接。
所述辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4组成均为铅粉或海绵状铅、膨胀剂和阻化剂。
所述膨胀剂为铅粉或海绵状铅质量0.5%~1.0%硫酸钡、铅粉或海绵状铅质量0.5%乙炔黑中的一种或两种混合物。
所述阻化剂为铅粉或海绵状铅质量0.5%木素磺酸盐、铅粉或海绵状铅质量0.5%的松香中的一种或两种混合物。
一种双电解槽电积提取锌的装置的应用,所述阳极槽5中含硫酸电解液7中含有160g/LH2SO4,阴极槽6中含硫酸锌电解液8中含有150g/LZnSO4,在现有技术中常规提取锌的电流密度下进行双电解槽电积,在纯铝或锌阴极2电积得到锌。
上述含硫酸电解液7为阴极槽6中含硫酸锌电解液8通过双电解槽电积锌后得到的硫酸溶液。
(1)应用工艺流程
双电解槽分别称为阳极槽和阴极槽,阳极槽放置铅合金或其它类型惰性阳极,阴极槽放置纯铝板或锌电极,电解槽内分别另外配置辅助电极,两个电解槽的辅助电极之间通过导线连接。本工艺的电解液可以使用目前工业锌电积工艺电解液,新电解液从阴极槽进入,电解液中锌离子浓度降低后,进入阳极槽,酸度提高后,出阳极槽直接进入工业湿法炼锌的其他工序。阳极槽中的阳极接外接电源的正极,通电后发生氧气析出反应,阴极槽中的阴极接外接电源的负极,通电后发生金属锌的电沉积反应。辅助电极分别发生充电和放电反应,充放电完成后,只需交换即可继续使用。
具体反应原理如下:
阴极槽中:
Zn2++2e-→Zn
Pb+SO4 2--2e-→PbSO4
总反应:ZnSO4+Pb=Zn+PbSO4
阳极槽中:
PbSO4+2e-→Pb+SO4 2-
H2O–2e-→1/2O2↑+H+
总反应:PbSO4+H2O=Pb+H2SO4+1/2O2↑
电积过程总反应:ZnSO4+H2O=Zn+H2SO4+1/2O2↑
(2)辅助电极的制备
将铅粉或海绵状铅、膨胀剂和阻化剂混合均匀,加入浓度18wt%硫酸搅拌均匀成膏状(加入量为铅粉或海绵状铅质量的27%),得到铅膏,将铅膏压涂在铅合金格栅上,自然干燥。然后在10wt%硫酸溶液中,在恒电流-5mA/cm2条件下电流化24小时,将原铅膏中的铅氧化物或硫酸盐转化为金属铅,表面涂敷后的铅合金格栅作为辅助电极。
本发明的有益效果是:(1)本装置实现了金属锌电积提取过程阴、阳极反应过程的解耦合,阳极氧气析出可以集中管理,可以彻底解决了锌电积过程的酸雾问题,还可以得到纯净的氧气副产品;(2)由于避免了阴、阳极区的电解液互溶问题,阴极槽中硫酸浓度低,可以有效降低阴极锌的返溶;(3)本工艺与传统锌电积流程完全兼容,不影响现有工艺过程。
附图说明
图1是本发明装置示意图;
图2是本发明实施例1使用双电解槽(-□-)与对比实施例1单电解槽(-○-)的槽电压比较图,其中电流密度j=100A/m2,电解液为160g/LH2SO4和150g/LZnSO4,压延铝板为阴极,铂片为阳极。
图中:1-惰性阳极,2-纯铝或锌阴极,3-辅助电极Ⅰ,4-辅助电极Ⅱ,5-阳极槽,6-阴极槽,7-含硫酸电解液,8-含硫酸锌电解液,9-导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步说明。
实施例1
该双电解槽电积提取锌的装置,包括惰性阳极1、纯铝阴极2、辅助电极Ⅰ3、辅助电极Ⅱ4、阳极槽5、阴极槽6、含硫酸电解液7和含硫酸锌电解液8,阳极槽5中装有惰性阳极1和含硫酸电解液7,阴极槽6中装有铝阴极2和含硫酸锌电解液8,惰性阳极1与电源正极连接,纯铝阴极2与电源负极连接,阳极槽5和阴极槽6内还分别设有辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4,辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4通过导线9连接。
(1)制备辅助电极
取5g铅粉(200目,3N),0.03g硫酸钡(铅粉质量0.6%),0.025g木素磺酸盐(铅粉质量0.5%)混合均匀,加入浓度18wt%硫酸1.35g(加入量为铅粉质量的27%),搅拌均匀成膏状,得到铅膏,将铅膏压涂在铅合金格栅上,自然干燥。然后在10wt%硫酸溶液中,恒电流-5mA/cm2电流化成24小时,将原铅膏中的铅氧化物或硫酸盐转化为金属铅,表面涂敷后的铅合金格栅作为辅助电极。
(2)应用工艺流程
配置出浓度为160g/LH2SO4和150g/LZnSO4的电解液。取2个250mL的烧杯,分别放入200mL配好的电解液,这2个烧杯分别称为阳极槽和阴极槽,然后按照图1连接电路,阳极槽放置铂片电极,阴极槽放置纯铝板,阳极槽放置辅助电极,阴极槽放置辅助电极,两个电解槽的辅助电极之间通过导线连接。阳极槽中的铂电极接外接电源的正极,通电后发生氧气析出反应,阴极槽中的铝板阴极接外接电源的负极,通电后发生金属锌的电沉积反应。辅助电极分别发生充电和放电反应,充放电完成后,两个辅助电极交换后即可继续使用进行电积。在电积过程中,电流密度为j=100A/m2条件下,阴极槽的槽电压约为0.75V,阳极槽的槽电压约为2.3V。辅助电极由于直接连接,电压为0V,电积系统总的电压,即铂电极和铝板电极之间的电压变化示于图2(-□-)。
对比实施例1
为对比说明,模拟传统的电积过程,将铂片电极和铝板电极放入同一个阴极电解槽中,不使用辅助电极条件下,保持电流密度j=100A/m2不变,即铂电极和铝板电极之间的电压变化示于图2(-○-)。
对比试验结果的图2中可以看出,双电解槽电积的槽电压较传统的单电解槽的槽电压约高0.1V,约占总槽压的3%。
实施例2
该双电解槽电积提取锌的装置,包括惰性阳极1、纯铝阴极2、辅助电极Ⅰ3、辅助电极Ⅱ4、阳极槽5、阴极槽6、含硫酸电解液7和含硫酸锌电解液8,阳极槽5中装有惰性阳极1和含硫酸电解液7,阴极槽6中装有铝阴极2和含硫酸锌电解液8,惰性阳极1与电源正极连接,纯铝阴极2与电源负极连接,阳极槽5和阴极槽6内还分别设有辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4,辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4通过导线9连接。
(1)制备辅助电极
取5g铅粉(200目,3N),铅粉质量0.5%硫酸钡,铅粉质量0.5%乙炔黑,铅粉质量0.5%木素磺酸盐,铅粉质量0.5%的松香混合均匀,加入浓度18wt%硫酸1.35g(加入量为铅粉质量的27%),搅拌均匀成膏状,得到铅膏,将铅膏压涂在铅合金格栅上,自然干燥。然后在10wt%硫酸溶液中,恒电流-5mA/cm2电流化成24小时,将原铅膏中的铅氧化物或硫酸盐转化为金属铅,表面涂敷后的铅合金格栅作为辅助电极。
(2)应用工艺流程
配置出浓度为160g/LH2SO4和150g/LZnSO4的电解液。取2个250mL的烧杯,分别放入200mL配好的电解液,这2个烧杯分别称为阳极槽和阴极槽,然后按照图1连接电路,阳极槽放置铂片电极,阴极槽放置纯铝板,阳极槽放置辅助电极,阴极槽放置辅助电极,两个电解槽的辅助电极之间通过导线连接。阳极槽中的铂电极接外接电源的正极,通电后发生氧气析出反应,阴极槽中的铝板阴极接外接电源的负极,通电后发生金属锌的电沉积反应。辅助电极分别发生充电和放电反应,充放电完成后,两个辅助电极交换后即可继续使用进行电积。在电流密度为j=100A/m2条件下进行电积,在铝板阴极上得到锌。
实施例3
该双电解槽电积提取锌的装置,包括惰性阳极1、锌阴极2、辅助电极Ⅰ3、辅助电极Ⅱ4、阳极槽5、阴极槽6、含硫酸电解液7和含硫酸锌电解液8,阳极槽5中装有惰性阳极1和含硫酸电解液7,阴极槽6中装有锌阴极2和含硫酸锌电解液8,惰性阳极1与电源正极连接,锌阴极2与电源负极连接,阳极槽5和阴极槽6内还分别设有辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4,辅助电极Ⅰ3和辅助电极Ⅱ4通过导线9连接。
(1)制备辅助电极
取5g海绵状金属铅粉体(3N),铅质量1.0%硫酸钡,铅质量0.5%木素磺酸盐,铅质量0.5%的松香混合均匀,加入浓度18wt%硫酸1.35g(加入量为铅质量的27%),搅拌均匀成膏状,得到铅膏,将铅膏压涂在铅合金格栅上,自然干燥。然后在10wt%硫酸溶液中,恒电流-5mA/cm2电流化成24小时,将原铅膏中的铅氧化物或硫酸盐转化为金属铅,表面涂敷后的铅合金格栅作为辅助电极。
(2)应用工艺流程
配置出浓度为160g/LH2SO4和150g/LZnSO4的电解液。取2个250mL的烧杯,分别放入200mL配好的电解液,这2个烧杯分别称为阳极槽和阴极槽,然后按照图1连接电路,阳极槽放置铅银合金电极(Pb-1wt%Ag),阴极槽放置纯锌板,阳极槽放置辅助电极,阴极槽放置辅助电极,两个电解槽的辅助电极之间通过导线连接。阳极槽中的铅银合金电极外接电源的正极,通电后发生氧气析出反应,阴极槽中的锌板阴极接外接电源的负极,通电后发生金属锌的电沉积反应。辅助电极分别发生充电和放电反应,充放电完成后,两个辅助电极交换后即可继续使用进行电积。在电流密度为j=100A/m2条件下进行电积,在锌板阴极上得到锌。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种双电解槽电积提取锌的装置,其特征在于:包括惰性阳极(1)、纯铝或锌阴极(2)、辅助电极Ⅰ(3)、辅助电极Ⅱ(4)、阳极槽(5)、阴极槽(6)、含硫酸电解液(7)和含硫酸锌电解液(8),阳极槽(5)中装有惰性阳极(1)和含硫酸电解液(7),阴极槽(6)中装有铝或锌阴极(2)和含硫酸锌电解液(8),惰性阳极(1)与电源正极连接,纯铝或锌阴极(2)与电源负极连接,阳极槽(5)和阴极槽(6)内还分别设有辅助电极Ⅰ(3)和辅助电极Ⅱ(4),辅助电极Ⅰ(3)和辅助电极Ⅱ(4)通过导线(9)连接;
所述辅助电极Ⅰ(3)和辅助电极Ⅱ(4)组成均为铅粉或海绵状铅、膨胀剂和阻化剂;
所述膨胀剂为铅粉或海绵状铅质量0.5%~1.0%的硫酸钡、铅粉或海绵状铅质量0.5%的乙炔黑中的一种或两种混合物;
所述阻化剂为铅粉或海绵状铅质量0.5%的木素磺酸盐、铅粉或海绵状铅质量0.5%的松香中的一种或两种混合物。
2.一种根据权利要求1所述的双电解槽电积提取锌的装置的应用,其特征在于:所述阳极槽(5)中含硫酸电解液(7)中含有160g/LH2SO4,阴极槽(6)中含硫酸锌电解液(8)中含有150g/LZnSO4,在现有技术中常规提取锌的电流密度下进行双电解槽电积,在纯铝或锌阴极(2)电积得到锌。
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