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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