CN111519210B - 一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置和方法 - Google Patents

一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置和方法。本发明提供的装置，包括依次连通的高位罐、电解槽、低位罐和除杂罐，所述除杂罐的出水口与所述高位罐的进水口相连通；所述电解槽内设置有自耗阳极、阴极以及设置在所述自耗阳极和阴极之间的离子渗透膜。本发明提供的装置能够使电解质溶液循环利用，降低了处理成本，避免了对环境的污染，更加经济环保。另外，本发明提供的装置操作、控制和维护简单，且便于运输、安装，适宜工业化应用。

Description

一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置和方法
技术领域
本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置和方法。
背景技术
当铁中的杂质元素含量降到很低(百万分之一以下)时，即为高纯铁。高纯铁不仅具有良好的延展性，还具有很好的软磁性能、热性能、导电性能和耐腐蚀性能等，正是由于高纯铁的这些优点，因而被广泛应用于宇宙航空、医药食品、电子电器工业以及高抗张力合金零部件的加工等。
目前市场上普遍采用工业副产品硫酸亚铁(FeSO4)溶液或氯化亚铁(FeCl2)溶液作为原料，电解沉积得到高纯铁，但采用传统的电解沉积方法制备高纯铁时，工业副产品中其它金属离子也会在阴极板上析出，影响产品的纯度；而且电解残液量大，处理成本高，排放后对环境污染大，系统难以闭环进行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置和方法，采用本发明提供的装置能够使电解质溶液循环利用，节省处理成本，更加环保，在电解质溶液循环流动过程中，利用除杂罐对电解质溶液进行净化，使电解槽内的电解质溶液保持纯净状态，保证了高纯铁的纯度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置，包括依次连通的高位罐1、电解槽5、低位罐6和除杂罐8，所述除杂罐8的出水口与所述高位罐1的进水口相连通；
所述电解槽5的内部设置有自耗阳极4、阴极3以及设置在所述自耗阳极4和阴极3之间的离子渗透膜10。
优选地，所述高位罐1的下表面高于所述电解槽5的上表面，所述电解槽5的下表面高于所述低位罐6的上表面。
优选地，所述自耗阳极4为纯铁板；所述阴极3包括阴极板和固定在所述阴极板上的导电杆。
优选地，所述装置还包括压滤机9，所述压滤机9的进水口与所述除杂罐8的出水口相连通，所述压滤机9的出水口与所述高位罐1的进水口相连通。
优选地，所述除杂罐8的内部设置有搅拌装置7。
本发明还提供了基于上述技术方案所述装置的高纯铁的制备方法，包括以下步骤：
将自耗阳极4和阴极3置于电解质溶液中，在直流电源的作用下，发生电化学反应，铁原子沉积在阴极3表面，获得高纯铁；
在上述电化学反应过程中，所述电解质溶液处于流动状态：所述电解质溶液由电解槽5流至低位罐6，然后进入除杂罐8内，进行净化处理，得到净化电解质溶液；所述除杂罐8内盛装有净化液；
将所述净化电解质溶液输送至高位罐1内，再由高位罐1流至电解槽5内。
优选地，所述直流电源的电压为0.7～3V，电流密度为100～500A/m2。
优选地，所述电解质溶液为硫酸亚铁溶液或氯化亚铁溶液；所述电解质溶液的初始浓度为28～112g/L。
优选地，所述沉积后，还包括：将阴极3上沉积的铁依次进行分离、洗涤和干燥，得到高纯铁。
优选地，所述净化液为硫化钠溶液。
本发明提供了一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置，包括依次连通的高位罐1、电解槽5、低位罐6和除杂罐8，所述除杂罐8的出水口与所述高位罐1的进水口相连通；所述电解槽5内设置有自耗阳极4、阴极3以及设置在所述自耗阳极4和阴极3之间的离子渗透膜10。在本发明中，电解质溶液由高位罐1流向电解槽5，由电解槽5流向低位罐6，让电解槽5内的电解质溶液保持在流动之中，以利于电解质溶液中的离子迁移；低位罐6流出的电解质溶液经过除杂罐8的净化，除去电解质溶液中的非铁金属离子，再经高位罐1流回电解槽5中，保持电解槽5内的电解质溶液处于纯净状态，能够提高高纯铁的纯度。本发明提供的装置能够使电解质溶液循环利用，降低了处理成本，避免了对环境的污染，更加经济环保。另外，本发明提供的装置操作、控制和维护简单，且便于运输、安装，适宜工业化应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自耗阳极电解沉积制备高纯铁装置的示意图，其中，1为高位罐、2为电解质溶液，3为阴极，4为自耗阳极，5为电解槽，6为低位罐，7为搅拌装置，8为除杂罐，9为压滤机，10为离子渗透膜。
具体实施方式
本发明提供了一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁(电解铁)的装置，包括依次连通的高位罐1、电解槽5、低位罐6和除杂罐8，所述除杂罐8的出水口与所述高位罐1的进水口相连通；所述电解槽5内设置有自耗阳极4、阴极3以及设置在所述自耗阳极4和阴极3之间的离子渗透膜10。
本发明提供的装置包括电解槽5，为电化学制备高纯铁提供反应场所。在本发明中，所述电解槽5的内部设置有自耗阳极4、阴极3以及设置在所述自耗阳极4和阴极3之间的离子渗透膜10。
作为本发明的一个实施例，所述自耗阳极4和阴极3竖直放置在所述电解槽5内，所述自耗阳极4和阴极3之间的水平距离为20～80mm。作为本发明的一个实施例，所述离子渗透膜10优选包裹在所述自耗阳极周围；所述离子渗透膜10距离所述自耗阳极4表面的水平距离优选为1～10mm。在本发明的具体实施例中，所述自耗阳极4和阴极3交叉放置。
作为本发明的一个实施例，所述自耗阳极4为纯铁板，所述纯铁板的纯度优选为大于99％。在本发明的具体实施例中，所述自耗阳极4为太钢的YT01工业纯铁板。在本发明中，所述纯铁板的面积优选为所述电解槽5截面积的0.4～0.6倍。
作为本发明的一个实施例，所述阴极3包括阴极板和固定在所述阴极板上的导电杆；所述阴极板优选为不锈钢板或钛板，更优选为316不锈钢板，用于附着生成的高纯铁；所述导电杆优选为紫铜导电杆。在本发明中，所述导电杆具有较好的导电性能，在使用过程中电阻小不发热；而且具有较高的强度，能承载阴极板上沉积的高纯铁。在本发明中，所述阴极板和导电杆的固定方式优选为焊接。在本发明的具体实施例中，所述导电杆焊接在阴极板的上端。
作为本发明的一个实施例，所述阴极板的面积优选为所述电解槽5截面积的0.4～0.6倍；所述导电杆的尺寸优选为15*20mm。作为本发明的一个实施例，所述阴极板的个数为10～100个，更优选为20个；当所述阴极板的个数大于1个时，多个阴极板并联设置。
在本发明中，所述离子渗透膜10的透气率优选为(30～60)L/m2·s。作为本发明的一个实施例，所述离子渗透膜10优选为涤纶240、涤纶740、涤纶747、涤纶758或涤纶3927，更优选为涤纶747。在本发明中，所述离子渗透膜10的截面积与所述自耗阳极4的面积比优选为1.1:1。本发明通过离子渗透膜10过滤去除自耗阳极4在消耗过程中带来的杂质(具体为C、S、P、Pb、As元素等)。
本发明提供的装置包括与所述电解槽5的进水口相连通的高位罐1以及与所述电解槽5的出水口相连通的低位罐6，电解质溶液由高位罐1流向电解槽5，由电解槽5流向低位罐6，使电解槽5内的电解质溶液保持在流动之中，有利于电解质溶液中离子的迁移。
作为本发明的一个实施例，所述高位罐1的下表面高于所述电解槽5的上表面，所述电解槽5的下表面高于所述低位罐6的上表面，使得电解质溶液能够在重力的作用下保持流动。在本发明中，所述高位罐1的下表面和电解槽5的上表面之间的高度差优选为0.5～2m；所述电解槽5的下表面和低位罐6的上表面之间的高度差优选为0～0.5m。本发明对所述高位罐1和低位罐6的具体结构没有特殊的要求，采用本领域技术人员所熟知的高位罐1和低位罐6即可；所述高位罐1和低位罐6的材质优选为耐酸腐蚀材质。
本发明提供的装置包括与所述低位罐6的出水口相连通的除杂罐8，所述除杂罐8的出水口与所述高位罐1的进水口相连通，用于净化电解质溶液，并将净化后的电解质溶液输送至高位罐1中，再流至电解槽5中，保持电解槽5内的电解质溶液处于纯净状态，能够提高高纯铁的纯度。
作为本发明的一个实施例，所述除杂罐8的内部设置有搅拌装置7，提高除杂效率。本发明对所述除杂罐8和搅拌装置7的具体结构以及材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员所熟知的除杂罐8和搅拌装置7即可。
作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括压滤机9，所述压滤机9的进水口与所述除杂罐8的出水口相连通，所述压滤机9的出水口与所述高位罐1的进水口相连通，本发明利用压滤机9将除杂罐8流出的电解质溶液输送回高位罐1，实现电解质溶液的循环利用。本发明对所述压滤机9没有特殊的要求，采用本领域技术人员所熟知的压滤机9即可。
在本发明中，上述各部件之间优选通过管路连通。
作为本发明的一个实施例，本发明提供的自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置的示意图如图1所示，包括由高到低依次连通的高位罐1、电解槽5和低位罐6，所述低位罐6的出水口与除杂槽的进水口相连通，所述除杂槽的出水口与压滤机9的进水口相连通，所述压滤机9的出水口与所述高位罐1的进水口相连通；其中，所述电解槽5的内部设置有自耗阳极4、阴极3以及包裹在所述自耗阳极4周围的离子渗透膜10；所述电解槽5的内部盛有电解质溶液；所述除杂槽的内部设置有搅拌装置7。
本发明还提供了基于上述技术方案所述装置的高纯铁的制备方法，包括以下步骤：
将自耗阳极4和阴极3置于电解质溶液中，在直流电源的作用下，发生电化学反应，铁原子沉积在阴极3表面，获得高纯铁；
在上述电化学反应过程中，所述电解质溶液处于流动状态：所述电解质溶液由电解槽5流至低位罐6，然后进入除杂罐8内，进行净化处理，得到净化电解质溶液；所述除杂罐8内盛装有净化液；
将所述净化电解质溶液输送至高位罐1内，再由高位罐1流至电解槽5内。
本发明将自耗阳极4和阴极3置于电解质溶液中，在直流电源的作用下，发生电化学反应，铁原子沉积在阴极3表面，获得高纯铁。在所述电化学反应过程中，电解槽5内自耗阳极4上的铁原子失去电子变成亚铁离子，进入电解质溶液中，电解质溶液中的亚铁离子向阴极3迁移，亚铁离子在阴极3上得到电子成为铁原子，并沉积在阴极3上，获得高纯铁。在本发明中，所述自耗阳极4和阴极3的材质在前文已经进行了详细说明，这里就不再赘述。
在本发明中，所述直流电源的电压优选为0.7～3V，更优选为0.8～2.2V；所述直流电源的电流密度优选为100～500A/m2，更优选为200～400A/m2。在本发明中，所述直流电源的电压是指自耗阳极4到阴极3的压降；所述电流密度是指通过每个阴极3导电部分的总电流除以每个阴极3导电部分的总面积。本发明限定直流电源的电压和电流密度在上述范围能够保证电效率。当电流密度过大时(比如大于500A/m2)，易出现树枝状生长，导致刺破离子渗透膜10或者造成阴阳极短路，当电流密度过小或者电压过小时，反应速度较慢，电效率低，产量低，当电压过高(比如大于3V)时，会出现析氢现象。
在本发明中，所述电解质溶液优选为硫酸亚铁溶液或氯化亚铁溶液；所述电解质溶液的初始浓度优选为0.5～1.5mol/L，更优选为0.5～1.0mol/L。在本发明中，所述电解质溶液的体积与所述电解槽5的体积比优选为1:1.1。
在本发明中，所述高纯铁的纯度优选为99.9～99.99％。
本发明在上述电化学反应过程中，自耗阳极4不断消耗，至导电面积影响导电参数时，更换新的自耗阳极4。在本发明的具体实施例中，当所述自耗阳极4的面积损失20％时，导电参数发生变化，需要更换自耗阳极4。
在本发明中，所述沉积后，优选还包括：将阴极3上沉积的铁依次进行分离、洗涤和干燥，得到高纯铁。在本发明中，所述阴极3上沉积的铁优选为片状，所述分离的方式优选为敲打阴极3，使附着在所述阴极3的铁脱落。在本发明中，所述洗涤优选为物理清洗，具体优选为物料搅拌条件下清水漂洗。本发明不采用任何化学洗涤剂，防止二次污染。本发明通过除去铁表面残留的电解质。在本发明中，所述干燥优选为热空气干燥，所述干燥的温度优选为50～100℃，时间优选为0.5～2h。本发明通过干燥除去铁表面残留的水分。
本发明在上述电化学反应过程中，所述电解质溶液处于流动状态：所述电解质溶液由电解槽5流至低位罐6，然后进入除杂罐8内，进行净化处理，得到净化电解质溶液；
将所述净化电解质溶液输送至高位罐1内，再由高位罐1流至电解槽5内。
在本发明中，所述电解质溶液的流速优选为2～6L/h。
在本发明中，所述除杂罐8内盛装有净化液，所述净化液优选为硫化钠溶液，所述硫化钠溶液的质量浓度优选为0.5～1.5％。在本发明中，所述硫化钠溶液和电解质溶液的用量比优选为0.5～2g：1L。在本发明中，所述净化处理优选包括依次进行的搅拌净化和静置净化；所述搅拌净化的搅拌速率优选为30～120r/min，更优选为90r/min；所述搅拌的时间优选≥30min，更优选为1～2h；所述静置净化的时间优选为8～16h。本发明通过净化处理将流入除杂罐8内的电解质溶液中的杂质(指除铁以外的所有元素，具体包括固体态的金属元素，固体态的不溶于酸的金属元素和离子态的金属元素)去除，使流回电解槽5的电解质溶液保持纯净状态。在本发明中，所述除杂罐8中杂质元素通过除杂处理成为固体沉淀物，优选通过压滤机进行固液分离，除去杂质。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用图1所示的装置制备高纯铁：包括由高到低依次连通的高位罐1、电解槽5和低位罐6，所述低位罐6的出水口与除杂槽的进水口相连通，所述除杂槽的出水口与压滤机9的进水口相连通，所述压滤机9的出水口与所述高位罐1的进水口相连通；其中，所述电解槽5的内部设置有自耗阳极4、阴极3以及包裹在所述自耗阳极4周围的离子渗透膜10；所述电解槽5的内部盛有电解质溶液；所述除杂槽的内部设置有搅拌装置7。
其中，电解槽5的体积为960L，在电解槽5内盛有840L的浓度为1mol/L的氯化亚铁溶液，自耗阳极4为太钢的YT01工业纯铁板，阴极3为316不锈钢板和焊接在所述316不锈钢板上端的紫铜导电杆，采用涤纶747作为离子渗透膜10；除杂槽的体积为12m3，盛有5000g的浓度为1wt.％的硫化钠溶液。
在电解槽5的自耗阳极4和阴极3之间设置可控硅直流电源，电压为0.9V，电流密度为150A/m2，在直流电源的作用下，电解槽5内自耗阳极4上的铁原子失去电子变成亚铁离子，进入电解质溶液中，电解质溶液中的亚铁离子向阴极3迁移，亚铁离子在阴极3上得到电子成为铁原子，并沉积在阴极3上，获得高纯铁；在上述电化学反应过程中，所述电解质溶液处于流动状态：所述电解质溶液由电解槽5流至低位罐6，然后进入除杂罐8内，进行净化处理，得到净化电解质溶液；将所述净化电解质溶液输送至高位罐1内，再由高位罐1流至电解槽5内。
实施例2
采用图1所示的装置制备高纯铁；其中，电解槽5的体积为960L，在电解槽5内盛有840L浓度为40g/L的硫酸亚铁溶液，自耗阳极4为太钢的YT01工业纯铁板，阴极3为316不锈钢板和焊接在所述316不锈钢板上端的紫铜导电杆，采用涤纶747作为离子渗透膜10；除杂槽的体积为12m3，盛有5000g的浓度为1wt.％的硫化钠溶液。
在电解槽5的自耗阳极4和阴极3之间设置可控硅直流电源，电压为2.3V，电流密度为300A/m2，在直流电源的作用下，电解槽5内自耗阳极4上的铁原子失去电子变成亚铁离子，进入电解质溶液中，电解质溶液中的亚铁离子向阴极3迁移，亚铁离子在阴极3上得到电子成为铁原子，并沉积在阴极3上，获得高纯铁；在上述电化学反应过程中，所述电解质溶液处于流动状态：所述电解质溶液由电解槽5流至低位罐6，然后进入除杂罐8内，进行净化处理，得到净化电解质溶液；将所述净化电解质溶液输送至高位罐1内，再由高位罐1流至电解槽5内。
实施例3
采用图1所示的装置制备高纯铁；其中，电解槽5的体积为960L，在电解槽5内盛有840L的浓度为90g/L的氯化亚铁溶液，自耗阳极4为太钢的YT01工业纯铁板，阴极3为316不锈钢板和焊接在所述316不锈钢板上端的紫铜导电杆，采用涤纶240作为离子渗透膜10；除杂槽的体积为12m3，盛有1000g的浓度为1wt.％的硫化钠溶液。
在电解槽5的自耗阳极4和阴极3之间设置可控硅直流电源，电压为1.4V，电流密度为200A/m2，在直流电源的作用下，电解槽5内自耗阳极4上的铁原子失去电子变成亚铁离子，进入电解质溶液中，电解质溶液中的亚铁离子向阴极3迁移，亚铁离子在阴极3上得到电子成为铁原子，并沉积在阴极3上，获得高纯铁；在上述电化学反应过程中，所述电解质溶液处于流动状态：所述电解质溶液由电解槽5流至低位罐6，然后进入除杂罐8内，进行净化处理，得到净化电解质溶液；将所述净化电解质溶液输送至高位罐1内，再由高位罐1流至电解槽5内。
测试例
实施例1～3制备得到高纯铁的化学成分如表1所示；
表1实施例1～3的高纯铁的化学成分含量
实施例1 实施例2 实施例3
C(％) 0.0017 0.0007 0.0021
Si(％) <0.005 0.0022 <0.01
Mn(％) <0.0005 0.0008 0.0005
P(％) <0.001 0.0008 <0.001
S(％) 0.0002 0.0069 0.0007
Cu(％) <0.0005 0.0005 0.0023
Cr(％) <0.0005 0.0012 0.0012
Ni(％) <0.005 0.0038 0.0048
Al(％) 0.0023 0.0074 0.0048
As(％) <0.00005 <0.0005 <0.0005
Co(％) 0.0015 0.0012 0.0005
Pb(％) <0.0001 0.0001 <0.0001
Zn(％) <0.0001 <0.0001 <0.0005
Fe(％) 99.992 99.956 99.985
实施例结果表明，采用本发明提供的装置能够得到纯度较高的高纯铁。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自耗阳极电解沉积制备高纯铁的方法，包括以下步骤：
(1)将自耗阳极(4)和阴极(3)置于电解质溶液中，在直流电源的作用下，发生电化学反应，铁原子沉积在阴极(3)表面，获得高纯铁；
(2)在上述电化学反应过程中，所述电解质溶液处于流动状态：所述电解质溶液由电解槽(5)流至低位罐(6)，然后进入除杂罐(8)内，进行净化处理，得到净化电解质溶液；所述除杂罐(8)内盛装有净化液；
(3)将所述净化电解质溶液输送至高位罐(1)内，再由高位罐(1)流至电解槽(5)内；
所述直流电源的电压为0.7～3.0V，电流密度为100-500A/m2；
所述净化处理包括依次进行的搅拌净化和静置净化；所述搅拌净化的搅拌速率为30-120r/min，所述搅拌的时间为1-2h；所述静置净化的时间为8-16h；
所述自耗阳极电解沉积制备高纯铁的装置，由依次连通的高位罐(1)、电解槽(5)、低位罐(6)、除杂罐(8)和压滤机(9)组成，所述除杂罐(8)的出水口与压滤机(9)的进水口相连通；所述压滤机(9)的出水口与所述高位罐(1)的进水口相连通；
所述电解槽(5)的内部设置有自耗阳极(4)、阴极(3)以及设置在所述自耗阳极(4)和阴极(3)之间的离子渗透膜(10)；
所述高位罐(1)的下表面高于所述电解槽(5)的上表面，所述电解槽(5)的下表面高于所述低位罐(6)的上表面。
2.根据权利要求1所述自耗阳极电解沉积制备高纯铁的方法，其特征在于，所述自耗阳极(4)为纯铁板；所述阴极(3)包括阴极板和固定在所述阴极板上的导电杆。
3.根据权利要求1所述自耗阳极电解沉积制备高纯铁的方法，其特征在于，所述除杂罐(8)的内部设置有搅拌装置(7)。
4.根据权利要求1所述自耗阳极电解沉积制备高纯铁的方法，其特征在于，所述电解质溶液为硫酸亚铁溶液或氯化亚铁溶液：所述电解质溶液的初始浓度为28～112g/L。
5.根据权利要求1所述自耗阳极电解沉积制备高纯铁的方法，其特征在于，所述沉积后，还包括：将阴极(3)上沉积的铁依次进行分离、洗涤和干燥，得到高纯铁。
6.根据权利要求1所述自耗阳极电解沉积制备高纯铁的方法，其特征在于，所述净化液为硫化钠溶液。
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