工藝條件對電解銅粉過程能耗的影響規律研究

2019-09-30

摘要：電解過程是銅粉生產能耗最高的環節，而工藝條件對電解能耗有著重要影響，需要深入研究和優化。采用電解法制備銅粉，研究了極間間隙、Cu2＋濃度、硫酸濃度、電解液溫度、電流密度和刮粉周期對電解銅粉過程槽電壓、電流效率和直流電耗的影響。結果表明：增大Cu2＋濃度、電解液溫度和刮粉周期，有利于降低槽電壓和提高電流效率，進而減少直流電耗；增大極間間隙，電解銅粉的槽電壓、電流效率和直流電耗均增加；而增大硫酸濃度，電解銅粉的槽電壓、電流效率和直流電耗均減少；增大電流密度，電解銅粉的槽電壓顯著提高，電流效率略有下降，導致直流電耗顯著增加。電解銅粉最佳的工藝參數為：極間間隙20～40mm、Cu2＋濃度10～15g/L、硫酸濃度約150g/L、電解液溫度40～50℃、電流密度約1500A/m2、刮粉周期45min左右。

關鍵詞：銅粉；電解精煉；直流電耗；槽電壓；電流效率

電解法生產的銅粉呈樹枝狀，具有純度高、比表面積大、壓制性好的優點，是銅粉生產的主要方法之一。其生產工藝與銅電解精煉相似，陰、陽極均采用電解銅板，以硫酸銅和硫酸混合溶液為電解液。但與銅電解精煉又存在不同，電解銅粉采用更高的電流密度和更低的銅離子濃度，使得陰極上氫與銅同時析出，從而得到細而疏松的純銅粉末[2]。然而，電流密度高，必然導致電解銅粉的槽電壓升高；同時，在陰極發生的析氫反應，將導致電流效率降低。這兩種效應使得電解銅粉的電耗遠高于銅電解精煉，因此考察工藝條件對電解銅粉能耗的影響，為電解銅粉的節能生產提供依據是十分有必要的。

長期以來，學者們主要關注于工藝條件對銅粉形貌、粒度、松裝密度等方面的影響，而對電解銅粉過程能耗的研究較少。鄭精武等對電解法制取銅粉的工藝進行了實驗研究，探討了銅離子濃度、硫酸濃度、電流密度、溫度等工藝條件對陰極電流效率和銅粉粒度的影響。郭學益等采用單因素法研究了電解沉積法制備銅粉時工藝參數對電解銅粉能耗和粒度的影響，得出了最優化工藝條件。Owais研究了電解液特征參數對電解沉積法制備銅粉的形貌、電流效率和能耗的影響。Akbarzadeh和Shakib研究了在電解精煉和電解沉積兩種工藝下，工藝參數對電解銅粉的松裝密度和能耗的影響規律。

本文通過實驗室電解精煉法制備銅粉，系統研究極間間隙、銅離子濃度、硫酸濃度、電解液溫度、電流密度和刮粉周期對電解銅粉過程能耗的影響規律。

1實驗

1.1實驗材料
電解銅粉的陰、陽極均采用純銅板，電極的有效面積為80mm×100mm，其余表面使用透明膠帶包裹絕緣。陰陽極板在使用前均采用砂紙打磨至表面光潔。

電解銅粉的電解液由硫酸銅-硫酸混合溶液體系構成，配制電解液使用的化學試劑有：五水硫酸銅、濃硫酸、去離子水等。檢驗電解液中Cu2＋和H＋濃度所用化學試劑有：硫代硫酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液、碘化鉀等。洗滌銅粉用的抗氧化劑為苯駢三氮唑（BTA）緩蝕劑。

1.2實驗裝置
圖1為電解銅粉的實驗裝置示意圖。采用自制的2L有機玻璃容器作為電解槽，將配制好的電解液裝入25L塑料桶中，在電解槽和塑料桶之間采用磁力泵循環電解液，以保證電解槽內電解液的銅離子濃度和硫酸濃度恒定。電解槽內電解液的循環采用傳統的“下進上出”方式。為保證電解槽內電解液溫度恒定，采用具有溫控功能的加熱帶加熱塑料桶，同時使用電機攪拌塑料桶內電解液以均勻其成分和溫度。

電解槽內共設置了7個極板以模擬真實電解槽內的電解液流動，但只有中間的一對陰陽極板進行通電電解。電解液中不使用添加劑。實驗中，采用直流穩壓電源以保證電流密度恒定，采用帶記錄軟件的數字萬用表記錄槽電壓。

實驗開始前，先測定25L塑料桶中的Cu2＋濃度和H＋濃度，根據實測值與目標值的差距添加一定量的濃硫酸和蒸餾水，充分攪拌后再次檢測，以保證電解液中Cu2＋和H＋的濃度處于適當恒定水平。

實驗結束后，用刷子刮下陰極板上沉積的銅粉，用蒸餾水充分洗滌，并采用1%（質量分數）的BTA溶液進行抗氧化處理，然后再用蒸餾水洗滌3次，最后將過濾后的銅粉經80℃真空恒溫干燥24h，稱重得到實際電解的銅粉質量。

1.3數據處理
電解電耗的計算公式如式（1）所示。

式中：W為直流電耗，（kW·h）/t；U為槽電壓，V；η為電流效率，%，是指陰極析出的實際銅粉質量與理論質量的比值，而電解銅粉的理論質量為銅電化當量、電流密度、陰極板有效面積、刮粉周期的乘積。

由式（1）可知，電解銅粉的直流電耗與槽電壓成正比，與電流效率成反比。因此，降低直流電耗應從降低槽電壓和提高電流效率兩個方面著手。

2結果與討論

2.1極間間隙的影響
圖2為電解銅粉在Cu2＋濃度10g/L、硫酸濃度150g/L、電解液溫度40℃、電流密度1500A/m2、刮粉周期45min條件下，極間間隙對槽電壓、電流效率和直流電耗的影響。由圖可見，隨著極間間隙由20mm增大至50mm，槽電壓近似線性升高，由1.024V增大至1.394V，增幅較大；而電流效率略有提高，由81.3%增大至82.1%；綜合導致直流電耗隨極間間隙的增大而近似線性增加，由1062.74（kW·h）/t增大至1433.03（kW·h）/t，增幅達34.84%。這是由于隨極間間隙的增大，電解液的電阻電壓降增大，導致槽電壓升高。因此，為降低電耗應該適當減小電解銅粉的極間間隙。


2.2電解液銅離子濃度的影響
圖3為電解銅粉在極間間隙40mm、硫酸濃度150g/L、電解液溫度40℃、電流密度1500A/m2、刮粉周期45min條件下，電解液銅離子濃度對槽電壓、電流效率和直流電耗的影響。由圖可見，隨著電解液Cu2＋濃度由5g/L增大至25g/L，槽電壓相應地由1.340V降為1.241V，變化不大；而電流效率顯著提高，由74.22%增大至95.38%；綜合導致直流電耗隨銅離子濃度增大而顯著減少，由1523.32（kW·h）/t減小至1088.50（kW·h）/t，降幅達28.54%。這是因為隨電解液銅離子濃度增大，可向陰極提供足夠的銅離子，進而提高銅粉的沉積速率，并抑制析氫反應的發生，因此提高了電解銅粉的電流效率；同時，銅離子濃度增大，使得電解液的電導率增大，因而槽電壓降低。但銅離子濃度增大，會導致銅粉的粒度增大，為得到較細的銅粉，電解銅粉的電解液Cu2＋濃度應控制在10～15g/L。

2.3電解液硫酸濃度的影響
圖4為電解銅粉在極間間隙40mm、Cu2＋濃度10g/L、電解液溫度40℃、電流密度1500A/m2、刮粉周期45min條件下，電解液硫酸濃度對槽電壓、電流效率和直流電耗的影響?？梢钥闯?，隨著電解液硫酸濃度由110g/L增大至170g/L，槽電壓線性降低，由1.443V減小至1.221V，降幅較大；雖然電流效率也隨之降低，由85.70%減小至80.20%，但變化不大；綜合導致直流電耗隨硫酸濃度增大而減少，由1421.10（kW·h）/t減小至1285.00（kW·h）/t。這是由于隨硫酸濃度的增大，電解液的電導率增大，導致槽電壓降低；同時，電解液中硫酸濃度增大，陰極析氫反應加劇，電解銅粉的電流效率降低。

2.4電解液溫度的影響
圖5為電解銅粉在極間間隙40mm、Cu2＋濃度10g/L、硫酸濃度150g/L、電流密度1500A/m2、刮粉周期45min條件下，電解液溫度對槽電壓、電流效率和直流電耗的影響。由圖可見，隨著電解液溫度由40℃升高至70℃，槽電壓逐漸降低，由1.298V減小至1.103V；而電流效率隨之提高，由82.04%增大至91.75%；綜合導致直流電耗隨電解液溫度升高而顯著減少，由1334.87（kW·h）/t減小至1014.47（kW·h）/t，降幅達24.00%。這是由于隨電解液溫度的升高，電解液的電導率增大，導致槽電壓降低；同時，電解液溫度升高，其黏度減小，銅離子的擴散加強，導致陰極附近的銅離子貧化減弱和濃差極化作用減小，有利于銅離子的沉積，因此電解銅粉的電流效率提高，這與Akbarzadeh和Shakib的研究結果一致。然而，電解液溫度升高，會導致電解液的蒸發損失增大，并使電解液的濃度發生變化，給正常生產帶來不利影響；另外，電解液的蒸發會向空氣中排放酸霧，惡化環境，因此，電解銅粉的電解液溫度應控制在40～50℃。


2.5電流密度的影響
圖6為電解銅粉在極間間隙40mm、Cu2＋濃度10g/L、硫酸濃度150g/L、電解液溫度40℃、刮粉周期45min條件下，電流密度對槽電壓、電流效率和直流電耗的影響?？梢钥闯?，隨著電流密度由800A/m2增大至1800A/m2，槽電壓顯著升高，由0.997V增大至1.424V，增幅達42.85%；而電流效率隨之降低，由83.90%減小至81.40%，變化較??；綜合導致直流電耗隨電流密度增大而顯著增加，由1002.60（kW·h）/t增大至1476.20（kW·h）/t，增幅達47.24%。這是由于隨電流密度增大，電解銅粉速度加快，陰極附近的銅離子迅速沉積，濃差極化增強，導致陰極析氫反應加劇，抑制了銅粉的電解沉積，因此電解銅粉的電流效率降低；同時，電流密度增大，電解液的電阻電壓降增大，使得槽電壓升高。為同時滿足銅粉產量和能耗要求，電解銅粉的電流密度應控制在1500A/m2左右。


2.6電解銅粉刮粉周期的影響
圖7為電解銅粉在極間間隙40mm、Cu2＋濃度10g/L、硫酸濃度150g/L、電解液溫度40℃、電流密度1500A/m2條件下，電解銅粉的刮粉周期對槽電壓、電流效率和直流電耗的影響?？梢钥闯?，隨著刮粉周期由20min延長至60min，槽電壓逐漸降低，由1.368V減小至1.275V，降幅不大；而電流效率隨之升高，由80.15%增大至84.40%，增幅較??；綜合導致直流電耗隨刮粉周期延長而逐漸減少，由1440.00（kW·h）/t減小至1274.60（kW·h）/t，降幅達11.49%。這是由于隨刮粉周期的延長，陰極表面生成的銅粉量增多，極間間隙減小，引起槽電壓下降；同時，刮粉周期延長，使得陰極的有效面積增大，導致局部電流密度減小，因而提高了電解銅粉的電流效率。為保證銅粉粒度較細且分布范圍更窄，應將電解銅粉的刮粉周期控制在45min左右。


3結論

以電解銅粉制備過程為研究對象，采用單因素實驗方法考察了工藝條件對電解過程槽電壓、電流效率和直流電耗的影響規律，得出以下結論：

（1）隨著電解液Cu2＋濃度、電解液溫度和刮粉周期的增大，電解銅粉的槽電壓降低，而電流效率提高，綜合導致直流電耗減少；
（2）隨著極間間隙的增大，電解銅粉的槽電壓近似線性升高，而電流效率略有提高，綜合導致直流電耗近似線性增加；

（3）隨著電解液硫酸濃度的增大，電解銅粉的槽電壓和電流效率均逐漸降低，綜合導致直流電耗逐漸減少；

（4）隨著電流密度的增大，電解銅粉的槽電壓顯著升高，而電流效率隨之降低，綜合導致直流電耗顯著增加；

（5）電解銅粉最佳的工藝參數為：極間間隙20～40mm、Cu2＋濃度10～15g/L、硫酸濃度約150g/L、電解液溫度40～50℃、電流密度約1500A/m2、刮粉周期45min左右。

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