“U”型進(jìn)液方式降低銅粉電解能耗的研究

江秦，劉凱，吳娜，韓山玉，張春霞

(1.重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331; 2.重慶科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 401331)

銅是一種重要的基礎(chǔ)性原材料，其具有優(yōu)良的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，是大自然賜予人類寶貴的資源，與我們的生活息息相關(guān)［1-2］。電解法是生產(chǎn)銅粉最經(jīng)濟(jì)的方法，所獲得的銅粉質(zhì)量最高［3］。電解銅粉的影響因素主要有電解液的成分、電解溫度和電流密度等。王建偉等人［4］的研究結(jié)果證實(shí)，傳統(tǒng)電解槽“下進(jìn)上出”的進(jìn)液方式，使得槽內(nèi)電解液的主體流不能直接穿過電極之間，易造成溶液成分和溫度不均勻。現(xiàn)有電解過程中電解液的進(jìn)液方式已成為制約電流效率、能量消耗和槽體壽命等技術(shù)指標(biāo)的極為重要的因素［5-9］。但對(duì)如何優(yōu)化進(jìn)液方式、有效消除“死區(qū)”研究甚少。因此亟需以研發(fā)的新型電解槽為研究對(duì)象，采用不同的流量和進(jìn)液方式，研究流量和流向等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)電解銅粉槽電壓和電耗的影響，獲得最佳的進(jìn)液方式。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括電解液循環(huán)系統(tǒng)、電解系統(tǒng)以及加熱系統(tǒng)三部分構(gòu)成。采用定制“U”型電解槽如圖1所示，電解槽左右兩側(cè)各有一個(gè)有機(jī)玻璃板儲(chǔ)液槽如圖2所示。

圖1 定制的銅粉電解實(shí)驗(yàn)用電解槽（單位：mm）

圖2 銅粉電解實(shí)驗(yàn)用有機(jī)玻璃儲(chǔ)液槽

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

銅粉電解實(shí)驗(yàn)的陰陽(yáng)極都采用銅板。電解的有效面積為15cm×12cm=180cm2，用透明膠帶包邊。本實(shí)驗(yàn)配置溶液所需的化學(xué)藥劑全部采用分析純?cè)噭?，用去離子水配置。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 槽電壓

將導(dǎo)出的TXT文件導(dǎo)入至Excel表格中，做出槽電壓的變化曲線，并標(biāo)明實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到平均槽電壓V。

1.3.2 電流效率

電流效率按下式計(jì)算，

式（1）中，η為電流效率，%；M為n個(gè)電解槽實(shí)際陰極析出量，g；q為銅的電化當(dāng)量，q=1.1852g/ (A·h)；I為電流，A；t為通電時(shí)間，h；n為電解槽個(gè)數(shù)，臺(tái)。

通過得到的銅粉質(zhì)量M，求出每組數(shù)據(jù)的電流效率η。

1.3.3 電解能耗

電解能耗按下式計(jì)算，

式（2）中，W為直流電單耗，kW·h/t；V為槽電壓，V；η為電流效率，%。

通過得到的槽電壓V和電流效率η得到電耗W。

1.3.4 節(jié)能率

節(jié)能率按下式計(jì)算，

式（3）中，WN為各組直流電單耗，kW·h/t；W1為傳統(tǒng)進(jìn)液流量為18L/min時(shí)的電耗，kW·h/t；ψ為節(jié)能率，%。

1.3.5 實(shí)驗(yàn)條件

由能耗計(jì)算公式可知電耗與槽電壓成正比關(guān)系，而與電流效率成反比關(guān)系。所以可以用槽電壓的變化來說明能耗的變化趨勢(shì)。全部實(shí)驗(yàn)采用相同的電解工藝參數(shù)，即：電解液溫度為40℃，陰陽(yáng)極間距為20mm，銅離子濃度為8g/L，電解時(shí)間為25min，硫酸濃度為150g/L，電流密度為1200A/m2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)進(jìn)液流量對(duì)銅粉電解電流效率的影響

考察傳統(tǒng)進(jìn)液流量對(duì)銅粉電解電流效率的影響，實(shí)驗(yàn)采用相同的電解條件為：電解液溫度為40℃，陰陽(yáng)極間距為20mm，噴嘴直徑3.0mm，銅離子濃度為8g/L，硫酸濃度為150g/L，電流密度為1200A/m2，電解時(shí)間為25min；考察的進(jìn)液流量為0.5L/min、1.0L/min、2.0L/min、3.0L/min、4.0L/min。

表1 傳統(tǒng)進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖3中可以看出，在傳統(tǒng)進(jìn)液條件下，隨著進(jìn)液流量的增大，電解銅粉的槽電壓近似線性減小。當(dāng)進(jìn)液流量由0.5L/min增大到4L/min這一過程，槽電壓降低，即能耗降低。當(dāng)流量增大時(shí)，對(duì)電解液的攪動(dòng)會(huì)變得劇烈，極板間電解液可以及時(shí)更新，電解液成分及溫度也更加均勻，從而消除濃差極化，降低能耗。

圖3 傳統(tǒng)進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響

2.2 單側(cè)陰極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響

考察單側(cè)陰極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響，進(jìn)液位置均為（從下往上）第三排。考察單側(cè)陰極進(jìn)液量為0.5L/min、1.0L/min、2.0L/min、3.0L/min。表2為單側(cè)陰極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉槽電壓的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖4顯示了單側(cè)陰極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響。

表2 單側(cè)陰極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 單側(cè)陰極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響

從圖4中可以看出，在單側(cè)陰極進(jìn)液方式下，隨著流量增大，槽電壓呈降低趨勢(shì)，能耗隨之降低。這是由于在極板間加入單側(cè)進(jìn)液后，極板間電解液起到攪動(dòng)作用，極板間電解液的銅離子得到了及時(shí)的補(bǔ)充，消除了濃差極化。

2.3 單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響

考察單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響，進(jìn)液位置均為（從下往上）第三排?？疾斓膯蝹?cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量為0.5L/min，1.0L/min，2.0L/min，3.0L/min。表3為單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉槽電壓和電流效率的影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖5顯示了單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響。

表3 單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗的影響

從圖5中可以看出，在單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液方式下，隨著流量增大，槽電壓呈降低趨勢(shì)，能耗也隨之降低。由于側(cè)流對(duì)電解液的攪動(dòng)，均勻了極板間電解液的成分和溫度，消除了濃差極化。

2.4 單側(cè)陰極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響

考察單側(cè)陰極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響，單側(cè)進(jìn)液流量為3.0L/min；考察的單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置為（由下往上數(shù)）第1排、第2排、第3排、第4排。表4為單側(cè)陰極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖6是單側(cè)陰極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響。從圖6中可以看出，隨著噴嘴位置（由下往上數(shù)）依次升高，槽電壓呈先降后升的趨勢(shì)，噴嘴在第三排時(shí)，槽電壓達(dá)到最低，能耗最低。這是由于第二排和第四排分別處于陰極板上下邊緣三分之一的位置，對(duì)電解槽內(nèi)的電解液的攪動(dòng)和消除濃差極化效果基本相同，因此槽電壓大小也近似，第一排處于陰極板最下邊緣的位置，對(duì)陰極電銅附近的電解液幾乎沒有攪動(dòng)效果，能耗就會(huì)比較高。

圖6 單側(cè)陰極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響

表4 單側(cè)陰極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.5 單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響

考察單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響，單側(cè)進(jìn)液流量為3.0L/min，考察的單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置為（由下往上數(shù)）第1排、第2排、第3排、第4排。表5為單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖7是單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響。

表5 單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖7中可以看出，隨著噴嘴位置的（由下往上數(shù)）依次升高，槽電壓呈先降后升的趨勢(shì)，噴嘴在第3排時(shí)，槽電壓達(dá)到最低，能耗最低。

圖7 單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響

2.6 不同進(jìn)液方式比較

對(duì)比分析不同進(jìn)液方式對(duì)能耗的影響，將每種進(jìn)液方式下最佳方案進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到最佳的進(jìn)液方式。圖8為單側(cè)陰極和單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量大小對(duì)電解銅粉能耗的影響對(duì)比，圖9為單側(cè)陰極和單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗的影響對(duì)比。

圖8 單側(cè)陰極進(jìn)液和單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液流量對(duì)電解銅粉能耗影響對(duì)比

圖9 單側(cè)陰極進(jìn)液和單側(cè)陽(yáng)極進(jìn)液噴嘴位置對(duì)電解銅粉能耗影響對(duì)比

從圖8、9中可以看出，由極板間側(cè)邊進(jìn)液的方式可以明顯的降低槽電壓，減少能耗，而陰極進(jìn)液的槽電壓與陽(yáng)極進(jìn)液的槽電壓差異不大。因此，以降低能耗為目標(biāo)，最優(yōu)進(jìn)液方式為單側(cè)陰極進(jìn)液。

3 結(jié)論

本文通過在各個(gè)實(shí)驗(yàn)方案下對(duì)銅粉電解過程的電流效率進(jìn)行了詳細(xì)分析和比較，得出在傳統(tǒng)進(jìn)液的條件下，隨著進(jìn)液流量的增大，電流效率變化不明顯，且效果都不如單側(cè)進(jìn)液；單側(cè)進(jìn)液時(shí)，最佳進(jìn)液位置在從下往上第三排，最佳進(jìn)液流量為3.0L/min，選擇陰極進(jìn)液或陽(yáng)極進(jìn)液對(duì)電流效率的影響并不大。

綜上分析可知，在保證電解銅粉其他電解條件一定，降低能耗的最佳方案為：?jiǎn)蝹?cè)陰極進(jìn)液方式，流量3L/min，噴嘴位置為第三排，即在極板有效面積的中央位置。