锌电解工业实践中电流效率下降的原因分析及对策

锌电解工业实践中电流效率

下降的原因分析及对策

1前言

在自由竞争市场中，经常会岀现这样的两种情况：一是由于某种商品过剩而引起价格下跌, 生产这种商品的厂家为了追求利润，就减少生产该商品，避免损失；或者加大该商品的生产量, 以求薄利多销，保住既得利益；二是商品需求旺盛而引起价格上涨，生产厂家就大量生产该商品，以求利润最大化。

在此讨论电解锌生产，设锌片价格为A,锌片产量尾C,锌精矿价格为B,锌精矿消耗量为F,制造成本消耗为G,电流密度为D,直流电能为W,电流效率为n,其它成本消耗H （包含除直流电能以外的生产物资、人工工资等），利润为E。不难得出公式：

式中：n为电流效率（％）; q为锌电化当量，1.22g/A・h； I为槽电流强度（A）； t为电

积时间（h）； N为串联电解槽槽数，a为锌湿法直接回收率（%）； B为锌焙烧直接回收率（%）。

将式（2）和式（3）代入式（1）后可得：

E = qxIxNxtxr/x（A-Bx—-—） -W' — H式（5）

a x

从式(5)中科看出：决定利润E 的变量有电流效率q 、锌片价格为A 、锌精矿价格为B 、 锌湿法直接回收率a 、锌焙烧直接回收率B 、直流电能为W 和其它成本消耗H 。其中通过锌湿 法直接回收率计算公式、锌焙烧直接回收率计算公式和直流电能计算公式我们不难得出：a 和 B 是关于n 的增函数f ( n), w 是关于n 的反函数f" ( n),代入式(5)后有：

E = qXIXNXtXf ( H ) X [A~B Xf 1 ( q ) Xf _l ( n)] 一 尸(n ) —H 式(6) 通过式(6)可看出：电流效率对锌电积工厂的利润至关重要，无论产品与原料成本如何波 动，提高电流效率总是增加工厂利润的关键因素之一。

2电流效率下降的原因分析

一个炼锌厂当面积电流确定后，通过电解槽的电流强度，便可根据电极面积和数目计算出。 通电一定时间后，也就可以按锌的电化当量计算岀锌的析出量，这就是锌电解车间理论上应该 产岀的锌量。但是在实际生产中产出的锌量与通过同等电量理论上计算析出锌量之比，以百分 数表示便称为电流效率，其计算式为

式中：n 为电流效率(%);。为在时间t 内阴极实际析出锌量(g)；q 为锌电化当量,1. 22g/A -h ； I 为槽电流强度(A)； t 为电积时间(h)； N 为串联电解槽槽数。

电流效率是湿法炼锌工业生产重要的技术经济指标之一。1995年的调査统计平均电流是 89.2%,根据2000年世界各国炼锌厂的调查统计，波动在89%〜92%之间。2000年各炼锌厂的平 均电流效率上升到90. 3%o 2. 1电解液中锌、酸含量

在电解液中一定的锌离子浓度是正常进行电解沉积的基本条件之一。若电解液的含锌过低, 则硫酸浓度相对增大，使阴极附近的锌离子浓度发生贫化现象，造成阴极上析出锌的“反溶”。 此外，氢的析出电位也随溶液中锌离子浓度的降低而降低，使得氢可能在阴极上放电析岀。

〃= 实际析出锌量 x ] 00% _ G

理论上应该析出锌量 q-1-N-t

X100% 式(7)

电

流

效

率

n

W (膈0,)%

(a)

图1在不同电流密度时电积液酸度与电流效率的关系

(a)电积液含锌150g/L; (b)电积液含锌80g/L;

图1表示在不同电流密度时电积液酸度与电流效率的关系。由图1可看出：在不同的电流 密度下，增加电解液酸度，电流效率呈下降趋势。

在锌电解生产过程中，电解液成份由硫酸、锌盐、水及少量其它元素的盐组成，由于电解 槽的体积已经固定，如果电解过程中酸度增加，必将造成槽内锌浓度降低，当锌离子浓度低于 阴极表面的锌离子浓度时，由于'‘浓差极化”的原因，将导致阴极附近的锌离子向电解液方向 移动，降低电流效率。但是，值得关注的是：并不是在电解液中锌离子浓度越高就越好，从图 1中可看出：当硫酸浓度低于6%的时候，电流效率开始呈现平稳下降趋势。从拉乌尔定律可知, 对浓溶液有：

a B = P B /P B * = P B / (kXC%)

式(8)

其中：a.为溶液活度；R 为常温下标准蒸汽压；k 为系数；C%为溶液浓度。 因此，当锌离子浓度过大时，其活度将下降，导致电流效率下降。

2.2电解液的成分与温度

电解液的主要成分是Zn"、HzSO,、HQ 和少量其它杂质元素的盐。稳定电解液中适当的Zr? 和H2SO4浓度，对提高电流效率是有益的。实验结果表明，在一定范围内，随着电解液中锌浓度 的增加和酸浓度的下降，锌电积过程的电流效率也随之升高(见图1)。

凡是电解液中存在的能降低氢超电压和能以锌为阳极形成微电池反应的较正电性的金属杂 质，都会使锌电积的电流效率降低。如铁、镣、钻、铜、珅、锐及错的存在，大都会引起烧板、 析出锌返溶等阴极沉积锌的表面状态变化，使电流效率大大降低。但由于各个工厂的生产条件 或各研究者的实验条件的差别，各种杂质对电流效率影响程度也就不尽相同，所以各厂规定的

65

A.' 2

HO 40 60 80 100 120 140 W(HaS 口 4)Z

伝)

9085807570

电流效率

n/%

小2

A/m2

中性净液中杂质含量也有差异。

根据晋森罔等人的研究，各种杂质对锌电积的电流效率等影响特征总结见图2。

12各种杂质对锌电积的影响

根据文献资料对杂质的分类法，对锌电流效率影响较大的杂质有As 、Sb 、Ge 、Co 、Ni 、

Se… 30 35 40 45 50

电解液的温度对锌电积电流效率的影响如图3所示。图中曲线表明，在35〜40°C 的范围内

温度/ °C

可以得到满意的电流效率，这是目前几乎所有冶炼厂控制的电解液温度范围。

图10. 13 电解液的温度 对锌电积电流效率的影响

图3电解液的温度对锌电积电流效率的影响

10 20 30

10

0 -1. 15

效率下降

60<>禄