電解制高錳酸鉀的研究進(jìn)展

陶長元1,丁莉峰1,劉作華1,杜 軍1,范 興2

(1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 400044;2.重慶大學(xué)動力工程學(xué)院,重慶 400044)

綜合評述

電解制高錳酸鉀的研究進(jìn)展

陶長元1,丁莉峰1,劉作華1,杜 軍1,范 興2

(1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 400044;2.重慶大學(xué)動力工程學(xué)院,重慶 400044)

電解高錳酸鉀是資源消耗大、能耗高、污染重的行業(yè),研發(fā)提高電流效率的新工藝和新技術(shù)勢在必行。高錳酸鉀的電解過程受非平衡熱力學(xué)特征和混合控制時的動力學(xué)規(guī)律共同影響。綜述了電解高錳酸鉀的電解裝置和各非線性耦合因素(離子濃度變化、陽極電流密度、電解溫度、電解時間等)對電解的影響,提出在封閉式反應(yīng)塔中實(shí)現(xiàn)連續(xù)電解,以達(dá)到資源循環(huán)利用、節(jié)能降耗的目標(biāo)。

電解;高錳酸鉀;錳酸鉀;電流效率;節(jié)能減排

高錳酸鉀(KMnO4)是重要的錳化合物之一,廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、采礦、金屬冶煉及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。目前,高錳酸鉀的主要制備工藝為:將軟錳礦(主要成分為MnO2)與堿(KOH)和氧化劑(O2)混合后共熔制得錳酸鉀(K2MnO4),再經(jīng)電解、結(jié)晶、分離、干燥等工序制得高錳酸鉀[1]。高錳酸鉀制備過程中,電解是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。國外電解工序一般采用階梯式電解槽或復(fù)極式串聯(lián)電解槽,再與濃縮、結(jié)晶裝置配合,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程連續(xù)化[2]。我國電解高錳酸鉀的產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%,已成為世界高錳酸鉀的第1大生產(chǎn)國和出口國,但電解過程采用間歇式和敞開式工序,電解效率僅30%左右。因此,我國電解高錳酸鉀行業(yè)的節(jié)能減排工作還任重道遠(yuǎn)。對于電解法生產(chǎn)高錳酸鉀,電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定著電流效率的高低;同時,電解工藝條件也嚴(yán)重影響電流效率。為此,本文主要對電解裝置改進(jìn)及各影響因素的研究進(jìn)行綜述。

1 電解裝置

國外對電解高錳酸鉀裝置的設(shè)計各有特色。RadoiI等[3]發(fā)明的制備高錳酸鉀的方法是通過兩步法電解錳—鉀合金,第1步在電解槽中使用振動的陽極,第2步使用蜂窩聚乙烯電解池,電流效率高達(dá)98%～99%。但是兩步法電解較復(fù)雜,現(xiàn)已被一步法所取代。Inorg等[4]研究發(fā)現(xiàn)在電流密度為50～100A/dm2、溫度為30～50℃時,每層的每個粒子(錳或其合金顆粒)都是一個雙電極單位,其中含有流動的電解液。當(dāng)在陰陽極間施加電流后,隨著陽極的溶解,每個粒子中都會產(chǎn)生高錳酸鉀。用此裝置電解,生產(chǎn)成本可降低20%～25%,占地面積可減少15倍。Inorg等[5]研究的電解制高錳酸鉀實(shí)驗(yàn)裝置為塔板式密封電解池,其陰極是網(wǎng)格狀的,陽極是用傾斜的振動架子來固定的多級振動石墨電極,這樣的設(shè)計能及時收集振動下來的產(chǎn)物,且每架上都有排氣管道能及時排出廢氣。用此裝置可提高電流效率,同時,陽極的振動固定方式也適用于密封式反應(yīng)塔中連續(xù)電解。AgladzeRI等[6]研究電解制高錳酸鉀時,將密封的外殼通過循環(huán)圈與網(wǎng)格狀的電極相連做成電解槽,并利用電解過程中產(chǎn)生的氧氣向上排出過程,來加速反應(yīng)電解液循環(huán)流動(見圖1)。這種利用氣體排放過程來加速電解液的流動促進(jìn)反應(yīng)的原理也可以在密封式反應(yīng)塔中應(yīng)用。

電極極板表面的光潔度是提高密封式電解裝置電流效率的重要因素。極板材料表面的光潔度與過

圖1 電解制高錳酸鉀的裝置[6]

電位有著密切的關(guān)系。表面光潔度愈高的極板,其過電位愈大,從而提高電流效率。電解前可先對極板進(jìn)行提高光潔度的預(yù)處理,包括預(yù)洗(除去極板表面的油污),中間清洗(除去預(yù)備清洗中殘留的污垢),最終電解清洗(除去極少數(shù)殘留的固狀附著物、油污及其它干態(tài)污垢),酸處理與表面整修(除去金屬表面的氧化物或油污)[7]。而用磷酸[8]、草酸電解處理或浸泡除去極板表面的污垢后,均可使極板的電流效率提高。但磷酸較貴,故用草酸比較適宜。另外,在小電解槽中將陰陽極對掉,用電解液進(jìn)行電解,經(jīng)過數(shù)次實(shí)驗(yàn)后,也能使電流效率恢復(fù);在生產(chǎn)的電解槽中,電解2～3h后恢復(fù)正常的陰陽極位置進(jìn)行電解,電流效率也能恢復(fù),在處理當(dāng)中,有時第1次電解效果不會太好,但會逐漸恢復(fù)[9]。

2 各因素變化對電解的影響

2.1 離子濃度

電解高錳酸鉀時各電極反應(yīng)如下[10～11]:

在陰極區(qū),由于E?[KOH/K]?E?[H2O/ H2],所以只有H2O才可能發(fā)生還原反應(yīng)。而在陽極區(qū)情況比較復(fù)雜,從標(biāo)準(zhǔn)電極電位分析可知,E?[(MnO4)-/(MnO4)2-]

由此可見,E(MnO4)-/(MnO4)2-的值在電解過程中表現(xiàn)出上升的趨勢,而EO2/OH-的值卻表現(xiàn)出下降的趨勢,隨著電解的不斷進(jìn)行,(MnO4)2-和OH-在陽極上的實(shí)際放電電位的差值將不斷地縮小。所以O(shè)H-慢慢地開始在陽極上放電生成H2O和O2,而(MnO4)2-在陽極上的放電反應(yīng)在電解初期比較劇烈,在后期將逐漸減緩最后慢慢地趨于停止,此時在陽極上副反應(yīng)放電消耗的OH-幾乎和陰極上反應(yīng)生成的OH-達(dá)到動態(tài)平衡,于是溶液中OH-濃度不再增加[10]。另外,在實(shí)際電解過程中陽極的主要反應(yīng)是(MnO4)2-的電沉積反應(yīng),而不是析氧反應(yīng)。主要是因?yàn)樵诓讳P鋼電極上析氧反應(yīng)具有較高的過電位,也就是說(MnO4)2-在陽極上的實(shí)際放電電位比析氧電位低。

眾所周知,經(jīng)典電化學(xué)已根據(jù)濃差與電流之關(guān)系,沿用Nernst公式構(gòu)建起濃度極化理論[12～13]。但在現(xiàn)代非平衡熱力學(xué)的基礎(chǔ)上已經(jīng)闡明[14],只有在局域平衡假定成立的條件下,Nernst公式對不可逆電極過程才是適用的。因此,當(dāng)電極電流逐漸增加,電極過程不可逆程度增大,隨著局域平衡假定的失效,濃度極化必然越來越大地偏離于Nernst公式,表現(xiàn)為所謂的非Nernst濃度極化。實(shí)際上,電極過程中對流傳質(zhì)是不可忽略的,除點(diǎn)電極外無電極液對流傳質(zhì)的參與電極過程之穩(wěn)態(tài)(非平衡定態(tài))是無法實(shí)現(xiàn)的[15],在電解過程中應(yīng)加以考慮。因此必須將非平衡電極反應(yīng)體系隨機(jī)熱力學(xué)理論推廣,以適用于穩(wěn)態(tài)對流擴(kuò)散電極過程[13];同時,還必須考慮電解電極化學(xué)反應(yīng)體系的本征非理想性通過耗散漲落對非Nernst濃度極化的影響,才能用于電解電壓的理論分析計算。

姚鎮(zhèn)田等[16]研究工廠電解實(shí)驗(yàn)得出,在一定范圍內(nèi)K2MnO4溶液的濃度增高,其比導(dǎo)電度也隨之增高,這對電解是有利的。但是K2MnO4電解液濃度不能過高。因?yàn)闈舛冗^高,會使電解質(zhì)電離度減少,相對減少了離子濃度;又因溶液濃度愈高,則其粘度愈大,限制了離子的活動度。而上述兩個因素所產(chǎn)生的影響,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過因濃度增加使比導(dǎo)電度增加的影響。同時,電解液濃度過高,K2MnO4還有析出結(jié)晶的可能,影響電解得到粗晶的程度。

SubramanianK等[17]研究了在壓濾式流量電解槽中電解合成高錳酸鉀,采用涂有重金屬或其氧化物的鈦陽極和不銹鋼陰極。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有涂層的鈦陽極電解性能比傳統(tǒng)的鎳陽極好,而用全氟磺酸離子交換膜Nafion417能有效地控制K+和水分子穿過隔膜。CarusIP等[18]研究電解制高錳酸鉀時用陽極膜將陰陽極區(qū)域分開,陰極區(qū)的KOH被回收循環(huán)用于錳酸鉀的制液,陽極區(qū)產(chǎn)生的高錳酸鉀可及時分離回收。AtiehS等[19]研究了電解過程中兩種不同隔膜Permion229140/100和Permion2291 40/20對各種離子選擇性擴(kuò)散的影響。所以,電解過程中使用隔膜能有效地分隔開電解中產(chǎn)生的游離堿,防止生成的高錳酸鉀被還原成錳酸鉀,從而提高電流效率。

2.2 陽極電流密度

將高錳酸鉀的棱柱狀晶型近似為圓柱形二維晶核討論。在晶面上生成高度為h的圓柱形二維晶核的各種參數(shù)分別為[15]:

式中j0——交換電流密度;

ja——陽極電流密度; ηa——陽極過電位;

σ——表面自由能;

r臨界——形成的晶核的臨界半徑;

ΔG臨界——形成晶核時增加的自由能;

V——摩爾體積;

B——單電子轉(zhuǎn)移步驟氧化反應(yīng)的傳遞系數(shù)。

由上式可知,固定電解溫度T,當(dāng)陽極電流密度ja增大時,陽極過電位ηa也相應(yīng)增大,從而電解的高錳酸鉀晶核就越細(xì)小。電流密度增大時,晶核的生成速度也增大。因此,合理控制電流密度,才可制得粉末狀(俗稱流沙狀)、顆粒狀和棱柱狀(俗稱針狀)等的不同高錳酸鉀產(chǎn)品。

電解制高錳酸鉀過程中節(jié)能的一個關(guān)鍵方面,是在保證電冶質(zhì)量的前提下,盡量消除相應(yīng)電極過程的濃度極化或超電壓,降低電解電壓。對擴(kuò)散步驟控制的濃差極化過程,用加強(qiáng)溶液攪拌的方法可以有效地提高反應(yīng)速率。而對電子轉(zhuǎn)移步驟控制的電極過程,則可以采用增大電極真實(shí)面積、提高極化值和溫度、改變電極材料或者電極表面狀態(tài)等方法來提高電極反應(yīng)速率[20]。

電解過程中存在一些特殊性。比如,提高電流密度,陽極OH-放電數(shù)目增加,則產(chǎn)生的氧原子就增多。這樣,不僅增加電耗,而且超量的氧原子又使K2MnO4的氧化反應(yīng)不易進(jìn)行。因此,就電解制KMnO4而言,陽極的電流密度越小,越利于KMnO4的生成。姚鎮(zhèn)田等[16]研究工廠放大試驗(yàn)得出,相同條件時,陽極電流密度為800A/m2,其電流效率僅為56%;當(dāng)陽極電流密度降到50A/m2時,其電流效率高達(dá)76%以上。但是,電流密度越小,陰、陽極面積就越大,電解槽的體積也越大。通過計算分析試驗(yàn)結(jié)果,確定最佳的陽極電流密度為75A/m2。

Maslovvd等[21]研究電解制高錳酸鉀時,在流動的電解液中,在40～70℃時陽極極化值為0.03～0.15V,陽極電流密度從500～3000A/m2至250～50A/m2逐步變化。在電解池中電解液流動的速度和升溫的速度分別從0.5～2m/sec和40～60℃至2～5m/sec和60～70℃。根據(jù)電解過程中體系的變化,電流密度隨溫度的變化而漸變的思路也適用于封閉式反應(yīng)塔中控制電流密度的變化。

另外,直流電解存在較大的濃差極化,而脈沖電解在斷電間隙時間內(nèi),陽極區(qū)附近放電離子又恢復(fù)到初始濃度,能消除濃差極化。所以耗電相同時,以脈沖供電的電流密度要比直流供電下的電流密度有所提高[8]。脈沖電解時電極上的反應(yīng)時斷時續(xù),使電耗降低,電解效率得到大幅度提高,達(dá)到節(jié)能的目的[22～23]。

2.3 電解液溫度

在空間分布的非等溫體系中,經(jīng)由Hopf和Turing分支,能夠出現(xiàn)各種類型穩(wěn)定的溫度場時空自組織。這是一種由化學(xué)反應(yīng)—擴(kuò)散—熱傳導(dǎo)耦合引起的對稱破缺現(xiàn)象。速率常數(shù)k與溫度T之間滿足Arrehnius公式:

式中 kρ——化學(xué)反應(yīng)速率;

Eρ——1個原子、離子或分子從一種狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)時所要渡越的能量勢卒(激活能)。

以指數(shù)函數(shù)的形式耦合,因此在特定的邊界條件和一定的外控約束下,即使是單組分線性化學(xué)反應(yīng)—擴(kuò)散—熱傳導(dǎo)體系,也會出現(xiàn)這種溫度場的自組織。對溫度場分布的演化起到重要作用。這種模型體系的溫度場時空對稱破缺的閾值不僅受如速率常數(shù)、基元反應(yīng)反應(yīng)熱及擴(kuò)散和傳熱系數(shù)等本征參數(shù)影響,而且受邊界條件,特別是受作為約束的外控反應(yīng)物濃度和其它外控組分濃度影響。由溫度場的空間對稱破缺而導(dǎo)致的溫度—濃度Turing結(jié)構(gòu),便會出現(xiàn)于模型體系中。這是一種與時間無關(guān)的穩(wěn)定的周期性的局域溫度空間分布,與局域濃度之周期性分布相耦合[12]。

對電解過程的宏觀分析可知,槽溫對槽電阻即槽液的電導(dǎo)率影響很大,電壓一定時,槽溫較低,電流上不去,即槽液電導(dǎo)率小,槽阻大。槽溫對電導(dǎo)率的影響可以從電導(dǎo)率測定的溫度校正公式中得到解釋,即:

式中

KT——溫度T時溶液的電導(dǎo)率;

a——常數(shù)。

溶液的電導(dǎo)率隨溫度的升高而升高,槽阻隨溫度的升高而降低,槽壓也隨槽溫的升高而降低。并且,電解液的溫度越高,過飽和度越小,結(jié)晶出來的晶體顆粒越粗大;反之,溫度越低,過飽和度越大,則晶粒越細(xì)小。所以較高的溫度有利于提高電導(dǎo)率及得到粗大的晶粒[24]。

然而,槽溫也不宜過高,一般敞開式電解槽的槽溫不超過70℃,否則陽極氣體中水蒸氣分壓將迅速提高,而電解液水分蒸發(fā)將帶出大量的K2MnO4、 KMnO4、KOH和K2CO3,嚴(yán)重污染操作環(huán)境且浪費(fèi)電解液。電解中應(yīng)維持電解液的溫度為60～80℃,這不僅對電解有利,而且能防止K2MnO4和KMnO4在電極上結(jié)晶而導(dǎo)致短路。電解槽的溫度可以用保溫和調(diào)節(jié)進(jìn)槽電解始液的溫度來控制[25]。彭茂竹[24]研究重結(jié)晶過程發(fā)現(xiàn),電解完之后,將電解液迅速冷卻,攪拌溶液,溫度降低,會促進(jìn)晶核生成而得到細(xì)小的晶體;而緩慢冷卻,溶液靜置不動,溫度較高,則促進(jìn)晶體成長過程而得到粗大的晶體。

2.4 電解時間

電解時間與能耗和產(chǎn)率密切相關(guān),電解時間過長,電流效率顯著下降,電耗增加,電解產(chǎn)率也無明顯增加。電解時間縮短,電流效率雖然較高,但電解產(chǎn)率低,且母液中殘存的K2MnO4質(zhì)量濃度較高,給蒸發(fā)回收堿工序造成困難[10]。

工廠電解實(shí)驗(yàn)得出,一般電流效率是根據(jù)K2MnO4被氧化的數(shù)量來確定的(即隨時間其濃度的變化),當(dāng)大約30%K2MnO4被氧化時,電流效率平均為70%;當(dāng)50%～75%被氧化時,其電流效率為50%～25%。因此,在生產(chǎn)過程中,當(dāng)電解液內(nèi)含K2MnO4+KMnO4為40～60g/L時,應(yīng)為電解的終點(diǎn),其電解時間為24～30h[16]。

3 結(jié) 論

電解制高錳酸鉀的節(jié)能要從電解過程中非平衡熱力學(xué)特征及電化學(xué)極化和濃差極化共存時的動力學(xué)規(guī)律等影響考慮。主要有以下幾方面:

1) 降低電解能耗在于提高電流效率及減少實(shí)際電解過程中因電極化學(xué)反應(yīng)體系處于非平衡態(tài)引起的極化導(dǎo)致的耗散。

2) 提高電效就要考慮用相應(yīng)的電極反應(yīng)體系定態(tài)的非平衡熱力學(xué)隨機(jī)理論(隨機(jī)熱力學(xué))來解決實(shí)際問題。

總之,電解高錳酸鉀的實(shí)際生產(chǎn)不能簡單考慮單一因素的影響,應(yīng)該從電解實(shí)驗(yàn)裝置和電解影響因素(如離子濃度變化、陽極電流密度、電解溫度、時間等)的多場非線性耦合[26]的角度去研究,建立在密封式反應(yīng)塔中連續(xù)生產(chǎn)的模式,最終提高電解高錳酸鉀的電流效率,降低單位電解高錳酸鉀的原料消耗,以推動電解高錳酸鉀行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的逐步實(shí)現(xiàn)。

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Research Progress of Electrolytic Production of Potassium Permanganate

TAO Chang-yuan1,DING Li-feng1,LIU Zuo-hua1,DU Jun1,FAN Xing2
(1. College of Chemistry&Chemical Engineering Chongqing University,Chongqing 400044,China; 2. School of Power Energy,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

Electrolytic potassium permanganate is an industry with high consumption of resource and energy,serious pollution.Therefore,it is imperative to develop a newprocess to improve the efficiency in electrolytic process.The electrolytic process of potassium permanganate is affected by both the characteristics of non-equilibrium thermodynamics and thekinetics of hybridfactors.In the process of electrolytic potassium permanganate,the effects of the electrolysis system and the non-linear coupling factors,including the changes of ion concentration, ano de current density,electrolysis temperature and electrolysis time,werereviewed.It is pointedout that the continuous electrolysis should be carried out in the sealed reactor,in order to realize resources recycling and achieve the target of energy conservation and consumption reduction.

Electrolysis;Potassium permanganate;Potassium manganate;Current efficiency;Energy conservation and emission reduction

TQ151.8

A

1002-4336(2010)02-0001-05

2010-01-06

國家高技術(shù)發(fā)展研究計劃(863)計劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2008AA031202);重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC2008AC4100);重慶市重大科技專項(xiàng)(CSTC2008AB7127);廣西省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科產(chǎn)0992007-6)資助項(xiàng)目.

陶長元(1963-),男,江蘇鹽城人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:應(yīng)用物理化學(xué)、濕法冶金和環(huán)境化學(xué)方面的研究,電話:023-65111231,E-mail:taocy@cqu.edu.cn.