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锌电积用铅基多孔节能阳极的制备、表征与工程化试验

衷水平

   湿法炼锌工业中,高浓度H_2SO_4电解液体系使得Zn电积过程一直采用铅基合金阳极。但铅基合金阳极析氧过电位高(约860mV),增加无用电耗近1000kWh/t-Zn(约占Zn电积总能耗的30%),同时存在抗蠕变性能差以及Pb被腐蚀进入电解液并降低电Zn品质等问题。针对上述问题的Ti基电催化涂层阳极尽管可有效降低阳极过电位,但较短寿命与高昂成本使其难以取代铅基合金阳极。因此,开发新型节能阳极仍是湿法炼Zn领域的重要课题。 在大量文献调研的基础上,作者率先提出铅基多孔节能阳极的概念,通过增大阳极导电面积,降低阳极电流密度,从而在保持Pb-Ag阳极优势的同时,降低阳极过电位,减少阳极腐蚀并提高Zn品质。论文研究开发了铅基多孔材料的反重力渗流铸造设备及工艺,系统评价了Pb-Ag(0.8%)(质量百分数,下同)多孔阳极的电化学性能,深入研究了表观电流密度对Pb-Ag(0.8%)平板阳极电化学行为的影响,开展了Pb-Ag(0.8%)多孔阳极的工程化电解试验;在此基础上,进一步研究了电催化活性金属元素掺杂的铅基多孔节能阳极。论文主要研究结果如下: (1)设计并开发了Pb基多孔合金的反重力渗流铸造设备与工艺。铅基熔体在可控压力下充型和结晶,可有效避免渗流不足和渗流过度,解决了铅基熔体和填料粒子的润湿性与补缩问题,建立了孔径可控、结构均匀的铅基多孔合金的制备技术,制备了尺寸为250.0mm×160.0mm×30.0mm的Pb-Ag(0.8%)多孔材料。 (2)系统研究了不同孔径Pb-Ag(0.8%)多孔合金阳极的电化学行为,揭示了多孔阳极的电化学行为与特征。结果表明,不同孔径多孔阳极的相对稳定的析氧电位(以下简称析氧电位)、腐蚀速率均明显低于平板阳极,当阳极孔径为1.60~2.00mm时,其阳极析氧电位比Pb-Ag(0.8%)平板阳极降低了100mV左右,相对腐蚀速率减少50%左右,阴极产品含铅量显著降低,且多孔阳极减少了Mn~(2+)的贫化,有利于减少阳极泥的生成,而电流效率与平板阳极相当,均介于91%—92%之间。 (3)以阐明Pb-Ag(0.8%)多孔阳极的电化学行为与特征为目的,系统研究了不同电流密度下Pb基合金阳极电化学行为,揭示了电流密度对Pb-Ag(0.8%)平板阳极析氧电位、腐蚀速率、氧化膜的物相组成与微观结构、电流效率、阳极泥生成量及阴极Zn品质的影响规律。在纯ZnSO_4-H_2SO_4体系中,当电流密度分别由500A/m~2降低到100A/m~2时,其相对稳定的阳极电位(简称稳定电位)由1.835V(相对饱和甘汞电极,以下同)降低到1.742V,腐蚀速率由1.620g/m~2·h降低到0.652g/m~2·h;在ZnSO_4-MnSO4-H_2SO_4体系中,阳极析氧电位与腐蚀速率随电流密度降低的规律不变,100A/m~2和500A/m~2电流密度下的稳定电位则分别为1.704V和1.792V。 (4)Pb-Ag(0.8%)多孔阳极的工程化电解试验取得了良好效果。采用尺寸为200.0mm×100.0mm×6.0mm的Pb-Ag(0.8%)多孔阳极在工业电解条件下进行了为期24天的工程化电解试验。结果表明,与现行Pb-Ag(0.8%)平板阳极比较,多孔阳极析氧过电位降低约100mV,腐蚀率降低80%;使得吨Zn能耗降低78kWh,阳极泥减少80%,阴极锌产品中Pb含量降低60%。 (5)将Pb蓄电池电极中的有害杂质Bi作为合金元素引入锌电积用Pb-Ag(0.8%)阳极。揭示了Bi添加对Pb-Ag(0.8%)阳极析氧电位、腐蚀速率、合金及其氧化膜组织结构的影响规律,确定Bi的最佳添加量为0.8~1.0%,开发出具有电催化活性金属元素掺杂的电催化多孔节能阳极。……   
[关键词]:锌电积;反重力渗流铸造;多孔阳极;析氧过电位;腐蚀速率
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2009年