“U”型进液方式降低铜粉电解能耗的研究

江秦，刘凯，吴娜，韩山玉，张春霞

(1.重庆科技学院 冶金与材料工程学院， 重庆 401331; 2.重庆科技学院 化学化工学院， 重庆 401331)

铜是一种重要的基础性原材料，其具有优良的延展性、导电性和导热性，是大自然赐予人类宝贵的资源，与我们的生活息息相关［1-2］。电解法是生产铜粉最经济的方法，所获得的铜粉质量最高［3］。电解铜粉的影响因素主要有电解液的成分、电解温度和电流密度等。王建伟等人［4］的研究结果证实，传统电解槽“下进上出”的进液方式，使得槽内电解液的主体流不能直接穿过电极之间，易造成溶液成分和温度不均匀。现有电解过程中电解液的进液方式已成为制约电流效率、能量消耗和槽体寿命等技术指标的极为重要的因素［5-9］。但对如何优化进液方式、有效消除“死区”研究甚少。因此亟需以研发的新型电解槽为研究对象，采用不同的流量和进液方式，研究流量和流向等实验参数对电解铜粉槽电压和电耗的影响，获得最佳的进液方式。

1 实验

1.1 实验装置

实验装置主要包括电解液循环系统、电解系统以及加热系统三部分构成。采用定制“U”型电解槽如图1所示，电解槽左右两侧各有一个有机玻璃板储液槽如图2所示。

图1 定制的铜粉电解实验用电解槽（单位：mm）

图2 铜粉电解实验用有机玻璃储液槽

1.2 实验材料

铜粉电解实验的阴阳极都采用铜板。电解的有效面积为15cm×12cm=180cm2，用透明胶带包边。本实验配置溶液所需的化学药剂全部采用分析纯试剂，用去离子水配置。

1.3 实验方法

1.3.1 槽电压

将导出的TXT文件导入至Excel表格中，做出槽电压的变化曲线，并标明实验参数，得到平均槽电压V。

1.3.2 电流效率

电流效率按下式计算，

式（1）中，η为电流效率，%；M为n个电解槽实际阴极析出量，g；q为铜的电化当量，q=1.1852g/ (A·h)；I为电流，A；t为通电时间，h；n为电解槽个数，台。

通过得到的铜粉质量M，求出每组数据的电流效率η。

1.3.3 电解能耗

电解能耗按下式计算，

式（2）中，W为直流电单耗，kW·h/t；V为槽电压，V；η为电流效率，%。

通过得到的槽电压V和电流效率η得到电耗W。

1.3.4 节能率

节能率按下式计算，

式（3）中，WN为各组直流电单耗，kW·h/t；W1为传统进液流量为18L/min时的电耗，kW·h/t；ψ为节能率，%。

1.3.5 实验条件

由能耗计算公式可知电耗与槽电压成正比关系，而与电流效率成反比关系。所以可以用槽电压的变化来说明能耗的变化趋势。全部实验采用相同的电解工艺参数，即：电解液温度为40℃，阴阳极间距为20mm，铜离子浓度为8g/L，电解时间为25min，硫酸浓度为150g/L，电流密度为1200A/m2。

2 实验结果与分析

2.1 传统进液流量对铜粉电解电流效率的影响

考察传统进液流量对铜粉电解电流效率的影响，实验采用相同的电解条件为：电解液温度为40℃，阴阳极间距为20mm，喷嘴直径3.0mm，铜离子浓度为8g/L，硫酸浓度为150g/L，电流密度为1200A/m2，电解时间为25min；考察的进液流量为0.5L/min、1.0L/min、2.0L/min、3.0L/min、4.0L/min。

表1 传统进液流量对电解铜粉能耗的影响实验数据

从图3中可以看出，在传统进液条件下，随着进液流量的增大，电解铜粉的槽电压近似线性减小。当进液流量由0.5L/min增大到4L/min这一过程，槽电压降低，即能耗降低。当流量增大时，对电解液的搅动会变得剧烈，极板间电解液可以及时更新，电解液成分及温度也更加均匀，从而消除浓差极化，降低能耗。

图3 传统进液流量对电解铜粉能耗的影响

2.2 单侧阴极进液流量对电解铜粉能耗的影响

考察单侧阴极进液流量对电解铜粉能耗的影响，进液位置均为（从下往上）第三排。考察单侧阴极进液量为0.5L/min、1.0L/min、2.0L/min、3.0L/min。表2为单侧阴极进液流量对电解铜粉槽电压的影响实验数据，图4显示了单侧阴极进液流量对电解铜粉能耗的影响。

表2 单侧阴极进液流量对电解铜粉能耗的影响实验数据

图4 单侧阴极进液流量对电解铜粉能耗的影响

从图4中可以看出，在单侧阴极进液方式下，随着流量增大，槽电压呈降低趋势，能耗随之降低。这是由于在极板间加入单侧进液后，极板间电解液起到搅动作用，极板间电解液的铜离子得到了及时的补充，消除了浓差极化。

2.3 单侧阳极进液流量对电解铜粉能耗的影响

考察单侧阳极进液流量对电解铜粉能耗的影响，进液位置均为（从下往上）第三排。考察的单侧阳极进液流量为0.5L/min，1.0L/min，2.0L/min，3.0L/min。表3为单侧阳极进液流量对电解铜粉槽电压和电流效率的影响的实验数据，图5显示了单侧阳极进液流量对电解铜粉能耗的影响。

表3 单侧阳极进液流量对电解铜粉能耗的影响实验数据

图5 单侧阳极进液流量对电解铜粉能耗的影响

从图5中可以看出，在单侧阳极进液方式下，随着流量增大，槽电压呈降低趋势，能耗也随之降低。由于侧流对电解液的搅动，均匀了极板间电解液的成分和温度，消除了浓差极化。

2.4 单侧阴极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响

考察单侧阴极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响，单侧进液流量为3.0L/min；考察的单侧阳极进液喷嘴位置为（由下往上数）第1排、第2排、第3排、第4排。表4为单侧阴极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响的实验数据，图6是单侧阴极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响。从图6中可以看出，随着喷嘴位置（由下往上数）依次升高，槽电压呈先降后升的趋势，喷嘴在第三排时，槽电压达到最低，能耗最低。这是由于第二排和第四排分别处于阴极板上下边缘三分之一的位置，对电解槽内的电解液的搅动和消除浓差极化效果基本相同，因此槽电压大小也近似，第一排处于阴极板最下边缘的位置，对阴极电铜附近的电解液几乎没有搅动效果，能耗就会比较高。

图6 单侧阴极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响

表4 单侧阴极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗影响的实验数据

2.5 单侧阳极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响

考察单侧阳极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响，单侧进液流量为3.0L/min，考察的单侧阳极进液喷嘴位置为（由下往上数）第1排、第2排、第3排、第4排。表5为单侧阳极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响的实验数据，图7是单侧阳极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响。

表5 单侧阳极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗影响的实验数据

从图7中可以看出，随着喷嘴位置的（由下往上数）依次升高，槽电压呈先降后升的趋势，喷嘴在第3排时，槽电压达到最低，能耗最低。

图7 单侧阳极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响

2.6 不同进液方式比较

对比分析不同进液方式对能耗的影响，将每种进液方式下最佳方案进行对比分析，从而得到最佳的进液方式。图8为单侧阴极和单侧阳极进液流量大小对电解铜粉能耗的影响对比，图9为单侧阴极和单侧阳极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗的影响对比。

图8 单侧阴极进液和单侧阳极进液流量对电解铜粉能耗影响对比

图9 单侧阴极进液和单侧阳极进液喷嘴位置对电解铜粉能耗影响对比

从图8、9中可以看出，由极板间侧边进液的方式可以明显的降低槽电压，减少能耗，而阴极进液的槽电压与阳极进液的槽电压差异不大。因此，以降低能耗为目标，最优进液方式为单侧阴极进液。

3 结论

本文通过在各个实验方案下对铜粉电解过程的电流效率进行了详细分析和比较，得出在传统进液的条件下，随着进液流量的增大，电流效率变化不明显，且效果都不如单侧进液；单侧进液时，最佳进液位置在从下往上第三排，最佳进液流量为3.0L/min，选择阴极进液或阳极进液对电流效率的影响并不大。

综上分析可知，在保证电解铜粉其他电解条件一定，降低能耗的最佳方案为：单侧阴极进液方式，流量3L/min，喷嘴位置为第三排，即在极板有效面积的中央位置。