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研究了在Zn (Ⅱ ) NH3 ·H2 O (NH4 ) 2 SO4 体系中电解制取活性锌粉新工艺。结果表明 :在常温下 , 电流效率高达 88.19%, 每吨产品能耗为 32 5 4.37kW·h , 其产品质量符合GB6 890 86标准 ;活性锌粉杂质含量低 , 锌含量≥ 98.78%, 有效锌含量≥ 96 %, 锌的总回收率为 97.97%。该法与以金属锌为原料的蒸馏法、雾化法相比较 , 成本大幅度降低。

关键词：

Zn (Ⅱ) -NH·HO- (NH) SO;电解;活性锌粉;

中图分类号： TF124

收稿日期：2002-07-08

Preparation of active zinc powder by electrowinning in system of Zn (Ⅱ) -NH₃·H₂O- (NH₄) ₂SO₄

Abstract：

A new process for preparing active zinc powder by electrowinning in the system of Zn (Ⅱ) -NH 3·H 2O- (NH 4) 2SO 4 was studied. Electrowinning at room temperature has a good result. The current efficiency is about 88.19%, the energy comsuption for per ton zinc is about 3 254.37 kW·h. The active zinc powder contains zinc 98.78% and the impurities included in product are low, meeting with the standard of GB689086. The total recovery of zinc is about 97.97%. This process has the lowest cost compared with the traditional processes.

Keyword：

ammonia-ammonium sulphate; electrowinning; active zinc powder;

Received： 2002-07-08

锌粉是一种重要的工业原材料, 主要用于涂料、染料、冶金化工、电子、医药及食品工业等方面 ^[1] 。

目前, 生产锌粉的方法有雾化法 ^[2] 、蒸馏冷凝法 ^[3] 和电解法 ^[4] 。雾化法生产过程简单、便于操作、成本较低、生产率高, 但锌粉粒度较大, 通常为数十微米, 所产锌粉只能适用于一般用途; 蒸馏冷凝法生产的锌粉呈球状, 活性较好, 但工艺对原料要求较高; 电解法生产锌粉的主要特点是: 原料来源广泛, 可以使用各种含锌物料, 如各类锌渣、热镀锌、锌焙砂、氧化矿和挥发窑尘等, 生产的锌粉呈树枝状, 比表面积大, 活性好, 在应用中还原效果好, 可减少锌粉的用量并且生产成本低。因此, 电解法是一种很有发展前途的锌粉生产方法。目前, 用电解法生产锌粉的厂家很少, 有关报道相对较少, 基本处于实验室或半工业试验之中。在我国, 北京矿冶研究总院已对该法进行了一定的研究; 在国外, 美国有相关的研究报道。

本文作者主要研究了在Zn (Ⅱ) -NH₃·H₂O- (NH₄) ₂SO₄体系中电解制取活性锌粉的新工艺 (简称AAS法) 。

1 原料与工艺流程

研究用试液是湿法炼锌净化钴渣后所得的除钴后液, 其成分见表1。这种电解液成分组成单一, 杂质很低, 符合电积要求。

表1 电解液成分

Table 1 Chemical composition of electrolyte (g·L^-1)

Zn	Cu	Cd	Co
20	0.001 6	<0.003	<0.000 8
Fe	Pb	As	Sb
<0.008	<0.18	<0.000 1	<0.000 1

AAS法制取活性锌粉的工艺流程如图1所示 ^[5] 。

图1 由湿法炼锌净化钴渣后液制取活性锌粉的AAS法原则工艺流程

Fig.1 Principle flow-sheet of AAS processfor treating purified cobalt-residueto produce active zinc powder

2 基本原理与方法

在Zn (Ⅱ) -NH₃·H₂O- (NH₄) ₂SO₄体系中电解的阴极反应为 ^[6]

[Zn (NH₃) _i]²⁺+2e=

Zn (powder) +iNH₃ (aq) (1)

2H⁺+2e=H₂ (2)

阳极反应为

2OH^--2e=H₂O+1/2O₂ (3)

总反应为

[Zn (NH₃) _i]²⁺+2OH^-=

Zn (powder) +iNH₃ (aq) +H₂O+1/2O₂ (4)

在江培海等 ^[7] 、邓良勋等 ^[8] 和杨声海 ^[9] 的研究基础上, 固定条件为: ①温度为自然温度, ②阴极材料为纯铝板, 阳极材料为铅-锑合金, 其中锑占10%左右, ③异极距60 mm, 重点考察电流密度、电解液中锌浓度对电解制锌粉的影响。

试料量为条件试验500 mL/次, 综合试验2 000 mL/次。

3 实验结果

在温度为常温, 阴极有效面积为50 cm²的固定条件下, 考察了锌浓度、电流密度对电解过程的影响。

3.1锌浓度对电流效率的影响

在常温下, 固定电流密度为600 A/m²时锌的质量浓度对电解过程的影响情况如图2和3所示。

由图2和图3可以看出: 锌浓度对电流效率的影响较明显, 随着锌浓度的增加电流效率开始上升, 当锌质量浓度达到20 g/L时, 电流效率最高, 然后随锌浓度的升高电流效率下降; 相应的锌浓度对槽电压的影响不太明显。综合考虑选取锌质量浓度最佳值为20 g/L。

图2 锌质量浓度对电流效率的影响

Fig.2 Effect of zinc mass concentrationon current efficiency

图3 锌质量浓度对槽电压的影响

Fig.3 Effect of zinc mass concentrationon cell voltage

3.2电流密度对电流效率的影响

在常温下, 固定锌质量浓度为15 g/L, 考察电流密度对电流效率和槽电压的影响, 实验结果如图4和5所示。

由图4和5可以看出: 电流密度对电流效率的影响较明显, 随着电流密度的增加电流效率开始上升, 达到800 A/m²附近时, 电流效率达到最高值, 随后略有下降; 对槽电压的影响也较明显, 随电流密度的增加槽电压增加。综合考虑选取电流密度最佳值为800 A/m²。

3.3 电解最佳条件

图4 电流密度对电流效率的影响

Fig.4 Effect of current density oncurrent efficiency

图5 电流密度对槽电压的影响

Fig.5 Effect of current density on cell voltage

在温度为常温, 锌起始质量浓度为20 g/L, 电解液体积2 000 mL, 电流密度800 A/m²的最佳条件下, 进行了电解实验, 实验结果见表2, 3。

从表2和3可以看出, 电解实验获得较好效果, 得到质量优于1级的锌粉。

表2 电解综合试验各项指标

Table 2 Results of comprehensivetests of electrolysis

Index	ρ (Zn²⁺) / (g·L^-1)	Volume of waste solution/L		Electrolytic time/h		Current efficiency/%
Value	14.66	1.995		1.2		88.19
Index	Cell voltage/V		Energy consumption for per ton zinc/ (kW·h)		Recovery rate of zinc/%
Value	3.5		3 254.37		97.97

表3 电解锌粉质量及其国家标准

Table 3 Quality and national standardof zinc powders (%)

Component		Zn		Pb	Fe	Cd
Zinc powder		98.78		0.16	0.007	0.002
GB6890-86 standard		98.00		<0.20	<0.200	<0.200
Component	Cu		Co		Undissolved substance with acid
Zinc powder	0.001 4		0.000 1		-
GB6890- 86 standard	<0.200 0		<0.200 0		<0.2