| 单词 | 金属水溶液电解 |
| 释义 | 【金属水溶液电解】 是提取冶金中的重要单元过程，包括电解精炼和电解提取两种工艺类型。电解精炼是水溶液中由粗金属获得较纯金属的电解过程。现代电解精炼同时也是富集贵金属的重要手段。通过电解精炼，可把粗金属中的贵金属富集在阳极泥中。电解提取是水溶液中由金属化合物提取金属的电解过程。 19世纪60年代工业规模的直流发电机问世后，Elkington在英国取得了铜电解精炼的专利权，并首次把该项技术用于生产。此后，金属水溶液电解技术进入大发展时期，相继出现铅电解精炼、镍电解精炼、铜电解提取、锌电解提取和镍电解提取等。早期发展起来的水溶液电解提取是从金属硫酸盐水溶液中电解提取金属的过程。20世纪50年代初，加拿大国际镍公司研究和开发了从硫化镍中电解提取金属镍的技术。对于金属硫酸盐水溶液的电解提取过程，阴极上产出金属：Me2++2e→Me；阳极上析出氧气：H2O→1／2O2+2H++2e。由于阳极上放出的氧气无法回收，电解过程的阳极反应没有得到利用。20世纪20年代，French和Tainton等针对这一问题提出用Mn2++2H2O→MnO2+4H++2e代替放氧反应，以达到金属和二氧化锰同槽电解的目的。50年代后，英国、南非及印度等国都有人研究这一课题。70年代以后，中国中南工业大学、昆明工学院、东北大学及西北有色冶金研究院都有人开展这方面的研究。目前，中国在这方面的一些研究已取得较大进展，达到了半工业试验阶段。20世纪50年代以来，水溶液电解过程在操作机械化和自动化以及过程最佳化等方面发展迅速。目前，国外绝大多数锌电解的剥锌操作已实现机械化，铜电解精炼过程的短路检查均采用红外技术。过程最佳化的研究更为广泛。例如，近年来日本饭岛炼锌厂通过降低电解液中的杂质含量，增加电解液酸度，提高电解液温度等最佳化措施，取得了明显的节能效果。早期的铜电解提取过程的电流密度一般为200A／m2。电流密度过高会造成电铜密度降低和纯度下降。然而，提高电流密度能增加单槽产量，减少投资费用。为了在较高电流密度下电解得到优质电铜，60年代以来，许多国家开展了提高电流密度的研究工作。Balberyszski和Anderson通过改变电解液循环方式，将电流密度提高到380～430A／m2。Ettet和Gendron通过改变阳极形状，把电流密度提高到300A／m2。Eggett等人利用超声波搅拌技术，把电流密度提高到540A／m2。Harvey等人采用空气搅拌技术，最高电流密度可达640A／m2。Jacobi等人采用电流周期反向技术，可提高电流密度到480A／m2。电流周期反向技术在电解精炼过程中也得到应用。70年代以来，中国在铜电解精炼和铅电解精炼过程中，成功地应用该项技术提高电流密度。传统的电解提取过程通常采用Pb-Ag或Pb-Sb合金阳极。为了减少铅对产品的污染，降低氧析出过电位，Koth等研究了在铜电解液中添加钴盐的技术，Anderson等研制了Pb-Ca新阳极，Prengaman研制了Pb-Ca-Sn新阳极。目前，Pb-Ca阳极已在工业中获得应用。Koziol等人研究了在铅合金上镀钛阳极，Beer和Cotton等研究了在钛上镀贵金属及其氧化物的氧催化阳极。近年来，新阳极的研究相当广泛。70年代以来中国在这方面的研究已取得了较大进展。为降低能耗，达到节能目的，近年来在改变电解提取过程阳极反应方面的研究也很活跃。在铜电解提取方面，Pace和Stanten提出用2H2O+SO2→SO22－+4H++2e代替氧析出反应，取得了中间试验结果，Cooke等进行了用Fe2+→Fe3++e作为节能阳极反应的试验研究。在锌电解提取方面，Nikolova等采用氢扩散电极技术，用H2→2H++2e代替氧析出反应。试验结果表明，新阳极反应的节能效果明显。现行的铜电解提取过程是在硫酸盐溶液中进行。近年来，采用氯化盐体系进行电解的研究日趋增多。主要原因是(1)硫化铜矿的氯化浸出的研究越来越广泛，越来越成熟；(2)对于氯化盐体系，可采用高强度的电解液；(3)与硫酸盐体系相比，氯化盐体系电解的能耗可降低2～4倍。Hoeptner和Asheroft是在氯化盐体系进行铜电解提取的早期研究者。他们分别在19世纪末和20世纪初进行适应这方面的研究。近年来氯化盐水溶液电解的研究还包括锌电解提取和铜电解精炼过程。除硫酸盐和氯化盐体系之外，在20世纪50年代Baroch等首次研究了在碱性电解液中进行电解提取过程。近年来，Tennessee公司和Amax公司分别研究了用碱性电解液生产金属锌的过程。这两个公司的研究结果表明，与酸性电解相比，碱性电解具有锌回收率高，投资费用少，能耗低等优点。近年来，从稀浸出液中电解提取铜也是一个被广泛研究的领域。Kennecot铜公司采用叠床式电极进行中间试验研究。Flett采用沸腾床式电极进行小型试验。Wikingson和Haines把沸腾床式电极小型试验发展成工业规模的试验研究。利用从稀浸出液电解提取的原理，许多研究者把电解提取过程作为废水处理的有效方法。采用化学法处理含有各种金属离子的废水，废水中的金属不能回收，每年要损失几百吨金属。采用电解法处理含金属离子的废水，可回收废水中的金属，因而会产生经济效益。目前已有几种类型的电极用于实际废水处理工程，其中主要包括：竖直网状电极，旋转圆柱电极以及用沸腾床电解池，把金属颗粒作阴极等。沸腾床电解除被用于从稀溶液中回收金属外，也用于从浓溶液中电解提取金属的过程。这样做的原因是沸腾电解具有时空产率高，投资费用低及能消除酸雾等优点。70年代，Goodridge和Vance等人首次采用沸腾床电解进行锌电解提取的可行性研究。Jiricny和Evans采用传统锌电解条件研究锌的沸腾电解。在水溶液电解过程中，电池内部可分4个区：(1)主体电解液－电阻控制区；(2)能斯特扩散层－传质控制区；(3)界面双电层－活化控制区；(4)结晶表面－电结晶控制区。100年来，人们对前3个区研究得比较充分，而对第4个区只是在近年来才开展一些研究工作。Warren在1984年编辑了这方面的研究报告：极化测量在控制金属沉积中的应用。研究的主要内容是采用循环伏安法等电化学测量技术，结合扫描电子显微镜技术，研究晶体结构，结晶形态，电极极化以及添加剂对它们的影响。根据金属水溶液电解技术的现状和发展趋势，近10年内该领域的研究热点如下：(1)把电极反应的电化学与工程设计结合起来，对现行电解过程进行最佳化研究，寻求节能和降低生产成本的技术；(2)进一步增加对阳极反应和金属电结晶的研究，寻求其控制技术；(3)电解过程中添加剂的监测，添加剂在电解液中的活性组分及其浓度的分析化验方法；(4)电解提取过程中的新阳极的研制；(5)氯化盐及碱性介质电解技术；(6)新一代金属水溶液电解技术的开发。【参考文献】：1 Dougla J，et al．Anodes for Electrowinning，19842 West E G．Copper and its alloys，19903 Gupta C K，et al．Hydrometallurgy in Extractive Processes，19904 Blaskett D R，et al．Lead and its allyos，19905 Gonzalez-Dominguez J A，et al．Jaunual of Applied Electrochemistry，1991，21：189～2026 Thomas J．O’keefe，JOM，1992，4：30～34(东北大学王德全副教授撰) |
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