锌冶金学第5章-硫酸锌溶液的电解沉积1

1、有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 锌冶金学 有色重金属冶金学精品课程 主讲教师： 魏昶 陈为亮 邓志敢 昆明理工大学冶金与能源工程学院 二零一二年二月 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 目 录 3 湿法炼锌浸出过程 4 硫酸锌浸出液的净化 2 硫化锌精矿的焙烧与烧结 6 湿法炼锌发展动态 1 绪论 5 硫酸锌溶液的电解沉积 7 火法炼锌简介 9 伴生元素的综合利用及二次资源的回收 8 锌产品的延伸 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5 硫酸锌溶液的电解沉积 v5.1 概述 v5.2 锌电积的电极反应 v5.3 杂质行为、电锌质量及添加剂 v5.4 电流效率、槽电压及电能消耗 v5.5 锌电解车间的主要设备 v5.6 阴极锌的熔铸 v5.7 湿法炼锌厂的能耗及热平衡 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy v5.1 概述 锌的电解沉积是湿法炼锌的最后一个工序。 锌的电解沉积： 用电解的方法从硫酸锌水溶液中提取纯金属锌的过程。 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学

2、 Zinc Metallurgy v5.1 概述 电积时总的电化学反应为： 氧气金属锌 净化后的硫酸锌溶液（新液） Zn130170，pH5.25.4 一定比例的电解废液 阳极 含银0.51%的铅银合金板 阴极 纯铝板 电解液 Zn6070 硫酸 130150 直流电 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy v5.1 概述 电解一定周期（一般为24h）后，将阴极锌剥下，经熔铸 后得到产品锌锭。 溶液中含锌达 4560 g/l 锌 硫酸 溶液中硫酸 135170 g/l 电积过程 电解液 不断降低 逐渐增加 废电解液 冷却循环 浸出溶剂 返回电解 返回浸出 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy v5.1 概述 按所采用技术条件不同，锌电积有三种方法： 国外采用低电流密度（300400A/m2）、大阴极（ 1.63.4m2），以适应机械化、自动化作业及降低电耗。 我国采用的电流密度为450550A/m2。 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy v5.2 锌电积的电极反应 阴极 Zn2+ + 2e = Z

3、n 阳极 H2O - 2e = 0.5O2 + 2H+ 电解槽内发生的总反应为： Zn2+ + H2O = Zn + 0.5O2 + 2H+ 锌电积的电解液的主要成份为ZnSO4、H2SO4和H2O， 并含有微量杂质金属铜、镉、钴等的硫酸盐。 对于纯硫酸锌溶液，通以直流电时， 发生的电极反应为： 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy v5.2 锌电积的电极反应 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy v5.2 锌电积的电极反应 Cooling冷却 Electrolytic Cellhouse 电解单元 Stripped Zn Sheets锌板 Zinc Product to Customers 交付用户的锌成品 Zinc Dust to Leaching 用于浸出的锌尘 Melting Furnace 熔炉 Ag-Pb Anodes银铅阳 极 Return Acid返酸 Purified Electrolyte from SLP 来自SLP的纯净电解质 Aluminum Cathodes铝阴极 电锌工艺流程 有色重金属冶金学精品

4、课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.1 阴极反应 阴极区存在有Zn2+、H+、微量Pb2+及其它杂质金属离 子(Men+)，通直流电时，在阴极上的可能的反应有： Zn2+ + 2e = Zn EZn2+/Zn = -0.763 V 2H+ + 2e = H2 E H+/H2 =0.0 V 在298K时，锌和氢的放电电位如下： 在工业生产条件下，电解液的成份为H2SO4 120g/l、Zn2+ 55g/l，在40，Zn和H2析出的平衡电位可表示为： EZn2+/Zn = EZn2+/Zn + 0.0295lgaZn2+ = -0.806V EH+/H2 = E H+ /H2 + 0.0591lgaH+ = -0.053V 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.1 阴极反应 从热力学上可以看出， 在阴极上析出锌之前，电位较正的氢应先析出。 在实际的电积锌过程中， 由极化现象而产生电极反应的超电压（），阴极反应的 析出电位应为： E Zn = -0.763 +ln aZn2+ -Zn E H2 =lnaH+ -H 氢氢在锌电极上的超电

5、压为1.105V，锌的超电压为0.05V。 E Zn=-0.856VE H2=-1.158V 由于氢气超电压的存在，使氢的析出电位比锌负， 锌优先于氢析出，从而保证了锌电积的顺利进行。 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.1 阴极反应 氢析出超电压影响因素 阴极材料、 阴极表面状态、 电 流 密 度电流密度的增大 电解液温度电解液温度的下降 添 加 剂添加胶 溶 液 成 份电解液酸度的提高 中性盐浓度的增加 溶液中加有铜、锑、铁、钴等 大大降低过电压。 在锌电积过程中，氢气析出不可避免。 为了提高锌的电流效率，必须设法提高氢析出超电压。 增加 降低 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.1 阴极反应 氢的超电压与温度、电流密度及阴极材料的关系为： H = a +blgDK 式中 a依据阴极材料与温度而定的经验常数值； b(22.303RT)/F；Dk阴极电流密度，A/m2。 对于不同的阴极金属，常数b接近于0.12； 常数a值则介于0.1 1.5V之间，且受温度的影响大。 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学

6、Zinc Metallurgy 5.2.1 阴极反应 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.1 阴极反应 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.2 阳极反应 采用含银0.51%的铅银合金板作不溶阳极， 阳极上发生的主要反应是氧的析出： 2H2O - 4e = O2 + 4H+ EO2/H2O=1.229V 在上述电极反应发生之前，首先发生铅阳极的溶解， 并形成PbSO4覆盖在阳极表面： Pb 2e =Pb2+ EPb2+/Pb=-0.126V Pb + SO42- -2e = PbSO4 EPbSO4/Pb=-0.356V 该反应对阳极的坚固性及对阴极锌质量有本质影响。 形成的PbSO4 部分溶解于电解液中，其溶解度随温度和 硫酸浓度而变化。 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.2 阳极反应 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.2 阳极反应 部分PbSO4继续在阳极氧化为PbO2： PbSO4 + 2H2O 2e = PbO2+ 4H+ + SO42- EPbO2/PbSO4=1.685V 未被PbSO4覆盖的表面上，铅可以直接被氧化成PbO2： Pb + 2H2O -4e = PbO2 EPbO2/Pb=0.655V 由于氧超电压（约为0.5V）的存在，待阳极基本上为PbO2 覆盖后，即进入正常的阳极反应，结果在阳极上放出氧气，而 使溶液中的H+浓度增加。 随着金属铅自由表面接近完全消失，即发生下列反应： Pb2+ + 2H2O 2e = PbO2 + 4H+ EPbO2/Pb2+=1.45V 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学 Zinc Metallurgy 5.2.2 阳极反应 氧在阳极上析出时超电压的大小与阳极材质、阳极表面状 态等因素有关。 有色重金属冶金学精品课程 锌冶金学

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