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湿法冶金用复合多孔Pb合金阳极制备与应用关键技术及基础理论

蒋良兴

  Zn、Cu、Ni、Co、Mn等金属的湿法冶金工业中,电积工序一般采用含高浓度H2S04的电解液,因而只能采用Pb合金阳极。但Pb合金阳极存在析氧过电位高、表面氧化膜疏松易脱落、密度大、易蠕变等问题,造成电积过程的能耗高、阴极产品易受Pb污染。针对上述问题开发的电催化涂层阳极(DSA)、多元Pb合金阳极及多孔阳极,虽然分别在某些方面取得了较好效果,但仍不能满足工业应用要求。 论文借鉴相关领域的最新研究成果,以开发低成本、高性能新型复合多孔Pb合金阳极为目标,深入研究了多孔Pb合金阳极在H2S04电解液中的电化学行为,研究了“反三明治”结构对多孔Pb合金阳极的阳极电位、腐蚀率、导电性及力学性能的影响,研究了RE添加对Pb合金阳极结构与性能的影响,研究了复合多孔Pb合金阳极在锌电积和铜粉电积中的应用关键技术,开发了工业尺寸复合多孔Pb合金阳极的反重力渗流铸造设备与工艺,采用复合多孔Pb合金阳极在锌电积工业现场开展了工业电解试验。主要创新性成果如下: (1)研究了多孔Pb合金阳极在H2S04溶液中的电化学行为,明确了多孔结构对阳极表面氧化膜的形成过程、膜层组分与结构、电极内部传质传荷特点及阳极析氧机制的影响,多孔阳极内部的传质与传荷平行进行,电化学反应强度从外到内依次减弱,电化学“特征深度”约为3mm。计算了多孔阳极电化学反应有效面积和表观活化能,揭示了多孔阳极节能降耗的电化学本质,其表观活化能较传统阳极增加约5kJ/mol,但电化学反应有效面积为传统阳极的10倍左右,使得析氧过程的表观交换电流密度大,析氧能力增强。 (2)提出并制备了“反三明治”结构复合多孔Pb合金阳极,实现了金属芯板与多孔层的冶金结合。复合多孔阳极的芯板主要起传导电流和承担载荷的作用,而电化学性能靠外侧多孔层发挥。当芯板为2mm厚时,孔径为1.25-1.43mm的Pb-Ag合金复合多孔阳极的极限抗拉强度和导电率分别为同孔径纯多孔阳极的3倍和1.3倍。与传统平板阳极和多孔阳极比较,复合多孔阳极的阳极电位降低114mV和16mV,腐蚀率降低48.7%和6.3%,同时抗拉强度和导电率较多孔阳极提高200%和30%。 (3)揭示了Nd、Pr、Gd和Sm对Pb合金的组织结构、氧化膜结构以及析氧过程的影响规律,获得了适用于湿法冶金电沉积的Pb-Ag(0.6wt.%)-Nd(0.5wt.%)三元合金阳极,其极限抗拉强度、稳定阳极电位和腐蚀率分别为20.985MPa.1.798V和2.347g/(m2h),分别是传统Pb-Ag(0.8%)平板阳极的113.9%、99.7%和59.9%。 (4)研发了复合多孔Pb合金阳极在锌电积和铜粉电积中的工业应用技术,采用975mm×620mm×6mm的复合多孔阳极开展了为期24天的锌电积工业试验。与传统平板阳极比较,阳极电位、槽电压和能耗平均降低91mV、116mV和85kWh/t-Zn,腐蚀率、阳极泥及电锌Pb含量分别降低82.5%、77%和34.4%。……   
[关键词]:湿法冶金;复合多孔阳极;Pb-Ag-Nd合金;阳极电位;腐蚀率
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2012年