电解液进液方式对电解铜粉能耗的影响*

2022-04-19韩山玉张春霞

化学工程师 2022年3期

吴娜，刘凯，江秦，韩山玉，张春霞

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

电解铜粉因其具有树枝状形貌、良好的生坯强度、较低的氧含量等特殊性能而被广泛地应用于航空、航天、国防等领域[1,2]。铜粉是在低Cu2+浓度（8~12 g·L-1），大电流密度（1400~1600 A·m-2）的条件下制备而成的。铜阳极的溶解（Cu-2e→Cu2+）和阴极板上金属铜粉的析出（Cu2++2e→Cu），导致了阳极附近溶液中金属离子浓度增加和阴极附近溶液中Cu2+浓度减少，在阴极板/电解液界面产生Cu2+浓差极化，并发生严重的析氢反应[3]。析出的氢气泡或吸附在阴极表面，或分散于电解液中，进一步导致槽电压升高，电流效率下降，能耗增加。因此，如何有效降低电解能耗成为该行业发展的主要瓶颈。

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，此外，还与添加剂和超声波的引入等有关。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[5-8]，但对如何优化进液方式、有效消除“死区”研究甚少。为了解决这一发展难题，降低生产成本，提高企业的经济效益和核心竞争力，本文从减少浓差极化现象的角度出发，采用新型电解槽，在阴阳极板之间使用液流搅拌的技术，不仅可以提高阴极电流效率，降低电耗，改善和控制铜粉质量，而且可以解决浓差极化问题，对于降低成本，提高铜粉质量等起着重要作用，具有很好的经济效益和社会效益。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

CuSO4（AR 天津风船化学试剂科技有限公司）；浓H2SO4（98%AR 重庆川东化工有限公司）；NaOH（AR 成都市科龙化工试剂厂）；去离子水为实验室配置。

TAS-986 型火焰型原子吸收（北京普析通用仪器有限公司）；518A 型移相触发温控箱（深圳市福田区金基泰电子工具商行）；MP-55R 型磁力驱动循环泵（上海新西山实业有限公司）；KXN-3030D 型直流稳压电源（深圳市兆信电子仪器有限公司）；USB-2404-UI 型数据采集器（北京神州翔宇技术有限公司）；101A-1 型数显电热恒温干燥箱（厦门市程功矿业设备制造有限公司）；MOLUP-100 型摩尔实验室中央超纯水系统（重庆市高新区科园四街52 号K 座）。

1.2 实验装置

实验装置采用自制U 型电解槽，装置示意图见图1。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental device

电解系统有2 个进液装置，平行流进液装置4和传统进液口5，通过阀门和流量计3，精确控制各进液口的流量。平行流进液装置为10mm 厚长方体，悬挂于槽体和电极间，在靠近电极一侧的壁上开有直径为5mm 的喷液口，根据电解槽电极的位置，在每个阴极板两侧均有1 个进液口（图中虚线圈）。取极板有效面积，12cm×12cm=144cm2。

1.3 实验方法

1.3.1 操作方法根据实验要求，用去离子水配制电解液。按实验方案条件进行电解，得到的铜粉经去离子水和肥皂水洗涤后，真空干燥。通过改变传统进液口和平行流进液口流量以及平行流进液口位置，探究电解液流动方式对电流效率、电解能耗的影响。

1.3.2 分析方法电解前后电解液中离子浓度变化，用酸碱滴定法确定H+浓度；用原子吸收光谱法检测Cu2+浓度。电子天平称量铜粉质量，用数据采集器采集槽电压。利用下式计算电解过程的电流效率和能耗。

式中 η：电流效率；m：铜粉质量，g；q：电化当量，qcu=1.185g·（A·h）-1；I：电流，A；t：通电时间，h；V：槽电压，V；W：电耗，kW·h·t-1；WN：各组直流电耗；ψ：节能率。

2 结果与讨论

2.1 单一进液方式进液对槽电压和能耗的影响

在实验电解液温度为40℃，Cu2+浓度为10g·L-1，酸度为150g·L-1，电流密度约为1400A·m-2，在上述实验条件下，保持总流量为9L·min-1，单一进液方式对实验槽电压和能耗的影响。实验结果见表1。根据表1 作图分析，见图2。

图2 单一进液方式进液对槽电压和能耗的影响Fig.2 Effect of single liquid inlet mode on cell voltage and energy consumption

表1 单一进液方式进液的实验结果Tab.1 Experimental results of single liquid inlet mode

实验结果表明，在总流量为9 L·min-1的情况下，采用侧流进液的方式可明显降低电解槽的槽电压和能耗。并且采用高侧进液方式对降低槽电压和能耗最为明显，可达到节能12.12%，采用低侧进液方式次之，可达6.52%。

相对于电解槽来说，由于阴、阳极板之间极距较窄，传统下进上出的进液方式下，对阴、阳极板之间的电解质流动十分微弱，故随着电解的进行，阴极板附近大部分Cu2+已经析出，未得到有效补充，造成了极板间的浓差极化现象，严重影响了铜粉的析出速率和铜粉粒度，使槽电压升高，电解能耗增加。采用阴极板附近侧流的进液方式，可以加快极板之间的电解液流动，使得Cu2+浓度分布更均匀，有效降低了浓差极化程度，对于控制铜粉的析出速率和铜粉粒度，降低槽电压和能耗是十分有利的。

侧流的进液方式下，由于重力的作用，使得喷嘴喷出的电解液柱呈下降趋势。所以，在高侧进液方式下，阴极板附近电解液搅动的有效面积比低侧进液方式的大，故高侧进液比低侧进液方式节能效果更为明显。同时，由于我们所采用的电解槽的有效面积的限制，故需根据实际生产的电解槽参数改变侧流进液的高度问题。以下由于实验结果原因相同，不再另行说明。

由于侧流进液的方式对于降低槽电压和电耗效果十分明显，故以下根据加入侧流后的方案进行讨论。

2.2 总流量不变，增加单侧进液流量对槽电压和能耗的影响

在2.1 节实验条件下，保持总流量为18L·min-1，增加单侧流量对实验槽电压和能耗的影响。实验结果见表2。根据表2 作图分析，见图3。

表2 总流量不变，增加单侧进液流量的实验结果Tab.2 Experimental results of increasing the one-side liquid inlet mode with constant total flow rate

图3 总流量不变，增加单侧进液流量对槽电压和能耗的影响Fig.3 Effect of increasing one-side liquid inlet mode on cell voltage and energy consumption with constant total flow rate

由表2、图3 可知，在保证总流量为18 L·min-1不变的情况下，减少传统流量，增加侧流流量可明显降低槽电压和电解能耗，且高侧的效果比低侧好，同时可以看出，增加侧流流量比增加传统流量更节能，是节能降耗的突破点。

相对于整个电解槽来说，单侧进液无法达到搅动整个阴极板附近电解液的效果，所以，下节将采用双侧组合进液方式来讨论侧流进液对槽电压和能耗的影响，同时对比分析一高一低、双高和双低对节能降耗的具体效果。

2.3 总流量不变，传统+双侧组合进液方式对槽电压和能耗的影响

在2.1 节实验条件下，保持总流量为18 L·min-1，讨论传统+双侧组合进液方式对实验槽电压和能耗的影响。实验结果见表3，根据表3 作图分析，见图4。

图4 总流量不变，传统+双侧组合进液方式对槽电压和能耗的影响Fig.4 Effect of traditional + bilateral combined liquid inlet mode on cell voltage and energy consumption with constant total flow

表3 总流量不变，传统+双侧组合进液的实验结果Tab.3 Experimental results of traditional + bilateral combined liquid inlet mode with constant total flow rate

由表3、图4 可知，在总流量保持不变的情况下，加入侧流后，都可降低电解槽的槽电压和能耗，随着侧流量的增加，主流量的减少，槽电压和能耗均降低。采用双侧高、双侧低、侧高+侧低进液方式节能降耗表现较优，且采用双侧流量9+9 的情况下，节能率可达20%以上。

实验证明，采用侧流的方式可以明显降低电解槽的槽电压和能耗，双侧进液方式可以有效提高节能降耗效果。但随着侧流流量的增加，侧流水柱会在阴极板上有明显的冲刷效果，可以很大程度提高电解槽内电解液的流动，故可小幅度降低槽电压和能耗。同时由于一高一低的进液方式，会在极板中央区域形成湍流，使得周围的电解液卷入其中，降低了与外界的传质速率，故采用双高的进液方式节能效果比双低和一高一低对节能降耗更有利。