湿法冶金用多孔铅合金阳极 -中南大学出版社

湿法冶金用多孔铅合金阳极

【作者】：蒋良兴赖延清
【出版时间】：2015-11
【字数】：205（千字）
【定价】：￥50（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-5487-2025-6
【页码】：（页）
【开本】：16开

Zn、Cu、Ni、Co、Mn等金属的湿法冶金工业中，电积工序一般采用含高浓度H2SO4的电解液，因而只能采用铅合金阳极。但铅合金阳极存在析氧过电位高、表面氧化膜疏松易脱落、密度大、易蠕变等问题，造成电积过程的能耗高、阴极产品易受Pb污染。针对上述问题开发的电催化涂层阳极（DSA）、多元铅合金阳极及多孔阳极，虽然分别在某些方面取得了较好效果，但仍不能满足工业应用要求。

本书借鉴相关领域的最新研究成果，以开发低成本、高性能新型复合多孔铅合金阳极为目标，深入研究了多孔铅合金阳极在H2SO4电解液中的电化学行为，研究了“反三明治”结构对多孔铅合金阳极的阳极电位、腐蚀率、导电性及力学性能的影响，研究了RE添加对铅合金阳极结构与性能的影响，研究了复合多孔铅合金阳极在锌电积和铜粉电积中的应用关键技术，开发了工业尺寸复合多孔铅合金阳极的反重力渗流铸造设备与工艺，并详细介绍了复合多孔铅合金阳极在锌电积工业现场开展的工业电解试验结果。

本书可以作为高等院校高年级学生、研究生的参考书，也可作为有色金属湿法冶金领域的科研人员、工程技术人员的参考书。

第1章绪论 1
1.1 多孔金属的强化方法 1
1.1.1 多孔Al的强化 2
1.1.2 金属Pb的强化 5
1.2 Pb-RE合金研究现状 7
1.2.1 RE对铅合金金相结构的影响 7
1.2.2 RE对铅合金表面氧化膜的影响 8
1.3 铅合金阳极的电化学行为 10
1.3.1 铅合金阳极的极化过程 10
1.3.2 铅合金阳极的表面氧化膜 12
1.4 当前需要研究的内容 14
第2章多孔铅合金阳极的电化学行为 16
2.1 引言 16
2.2 研究过程 16
2.2.1 电极的制备 16
2.2.2 电极的性能测试 16
2.3 多孔阳极的结构特点 22
2.4 多孔铅合金阳极的CV特性 22
2.4.1 孔径对多孔阳极CV特性的影响 22
2.4.2 多孔层厚度对多孔阳极CV特性的影响 27
2.4.3 极化时间对多孔阳极CV特性的影响 28
2.5 多孔铅合金阳极的CP特性 31
2.6 多孔铅合金阳极的Tafel特性 34
2.7 本章小结 39
第3章 “反三明治”结构复合多孔铅合金阳极的制备与性能 40
3.1 引言 40
3.2 研究过程 40
3.2.1 复合多孔阳极的反重力渗流法制备 40
3.2.2 复合多孔阳极的计算机仿真 43
3.2.3 复合多孔阳极的实验室模拟试验 45
3.2.4 性能测试 47
3.3 复合多孔阳极的力学性能 51
3.4 复合多孔阳极的导电性能 53
3.5 复合多孔阳极的电流分布 54
3.6 复合多孔阳极表面的电势分布 58
3.7 复合多孔阳极的电化学性能 58
3.8 锌电积模拟试验 62
3.9 本章小结 65
第4章 Pb-Ag-RE合金阳极的力学性能与电化学性能 67
4.1 引言 67
4.2 实验 68
4.2.1 Pb-RE合金的铸造 68
4.2.2 性能测试与结构表征 69
4.3 RE对铅阳极性能的影响 70
4.4 RE对Pb-Ag合金阳极性能的影响 73
4.4.1 Pr和Gd对Pb-Ag合金阳极性能的影响 74
4.4.2 元素Nd对Pb-Ag合金阳极性能的影响 76
4.5 RE在铅合金中的强化机制 79
4.6 RE对铅合金阳极恒流极化特性的影响 84
4.7 Pb-Ag-Nd多孔阳极的性能 92
4.8 本章小结 93
第5章多孔铅合金阳极在锌电积中应用的关键技术 95
5.1 引言 95
5.2 电解液中Mn2+浓度对多孔阳极应用特性的影响 95
5.2.1 Mn2+浓度对阳极电位和槽电压的影响 95
5.2.2 Mn2+浓度对阳极腐蚀率和阴极锌品质的影响 98
5.2.3 Mn2+浓度对阴极电效和能耗的影响 101
5.3 阳极泥的溶蚀法去除技术 101
5.3.1 Fe2+浓度对MnO2浸出速率的影响 102
5.3.2 H2SO4浓度对MnO2浸出速率的影响 102
5.3.3 温度对MnO2浸出速率的影响 104
5.3.4 搅拌强度对MnO2浸出速率的影响 104
5.4 本章小结 105
第6章多孔铅合金阳极在电积铜粉中应用的关键技术 107
6.1 引言 107
6.2 研究过程 108
6.2.1 多孔阳极的制备 108
6.2.2 测试与分析 108
6.3 阳极电位 109
6.4 阳极腐蚀率 112
6.5 阳极氧化膜形貌 114
6.6 阴极铜粉 115
6.7 本章小结 120
第7章复合多孔铅合金阳极的锌电积工业应用试验 121
7.1 引言 121
7.2 工业尺寸复合多孔阳极的制备 121
7.2.1 工业尺寸复合多孔阳极的反重力渗流法铸造装置 121
7.2.2 复合多孔阳极的反重力渗流法铸造工艺 123
7.3 工业试验过程 123
7.3.1 工业试验条件与控制参数 123
7.3.2 测试与分析 125
7.4 低锰电解液电解试验 127
7.4.1 阳极电位和槽电压 127
7.4.2 电效和能耗 128
7.4.3 阴极锌品质 129
7.4.4 阳极泥 130
7.4.5 阳极腐蚀率 132
7.5 高锰电解液电解试验 134
7.5.1 阳极电位和槽电压 134
7.5.2 电效和能耗 135
7.5.3 阳极泥 135
7.5.4 阳极腐蚀率与阴极锌品质 136
7.6 复合多孔铅合金阳极的效益估算 136
7.6.1 阳极成本 137
7.6.2 电积能耗 138
7.7 本章小结 139
后记 140
参考文献 142

对于Cu、Zn、Ni、Co、Cd、Mn等有色金属的冶炼提取，一直以来都有火法和湿法两种。其中，火法是利用高温从矿石中提取金属或其化合物的冶金过程，一般包括焙烧、熔炼、吹炼和精炼等步骤。火法冶金过程中产生大量废气、废渣和烟尘，对环境造成了极大的污染。同时，火法过程一般对原料的品位要求较高，需要预先进行选矿和富集，耗费大量人力和物力。而湿法过程一般包括浸出、净化、电积提取等步骤，其过程在水溶液中进行，且流程基本可设计成闭循环系统，工业废水、废渣的排放量极少，对环境的污染也相对要少得多。再者，湿法过程对原料的品位要求不高，尤其是生物浸出等新技术的涌现，在富矿消耗殆尽，矿石品位越来越低的大形势下，湿法冶金显得更有竞争力，其所占比例也在逐年提升。如全世界的金属Zn产量中，有80%以上是采用湿法冶金的方法生产的。

在这些有色金属的湿法提取过程中，电沉积过程是其重要工序，电解液采用强腐蚀性硫酸溶液，而Pb基不溶性阳极因表面能生成PbO2钝化膜而广泛用作不溶性阳极材料，其中以Pb-Ag阳极应用最广。在这些金属的电沉积过程中，Pb基不溶性阳极表面发生的主要是O2的析出反应。但Pb基不溶性阳极并不具有很好的析氧催化能力，析氧过电位很高，从而导致大量电能的无谓耗费。我国是有色金属冶炼大国，据统计，2010Zn、Cu、Mn〖JP2〗产量分别为514万t、457万t和132万t，因均采用Pb基不溶性阳极，析氧过电位高，其电积工序全年共消耗电能约1800kW·h，节能降耗任务艰巨。

以金属Zn为例，湿法炼锌过程从硫化锌精矿经焙烧、浸出直至获得电锌的总能耗大约为4100 kW·h/t-Zn，其中电积工序的能耗约为3200 kW·h/t-Zn，占总能耗的80%\[1，2\]。造成电积工序能耗高的主要原因除了硫酸锌的理论平衡分解电压较高外，很大的一部分来源于高浓度H2SO4电解液体系中一直采用的[HK][GK0!7]Pb基合金阳极，其析氧过电位接近1 V，由此增加无用电耗近1000 kW·h/t-Zn，约占电积程能耗的30%，这是高能耗的主要根源。此外，Pb基合金阳极还存在以下缺点：①阳极中需添加贵金属Ag，使得阳极成本较高；②Pb基合金阳极密度大、强度低、易弯曲蠕变，造成短路，降低电流效率；③Pb基合金阳极的PbO2钝化膜疏松多孔，电解过程中Pb基体的腐蚀，不但使阳极腐蚀快、单耗高，也导致阴极产品Zn受到Pb的污染\[3\]。

当今有色金属已成为决定一个国家经济、科学技术、国防建设等发展的重要物质基础，是提升国家综合实力和保障国家安全的关键性战略资源。作为有色金属生产第一大国，我国在有色金属研究领域，特别是在复杂低品位有色金属资源的开发与利用上取得了长足进展。

我国有色金属工业近30年来发展迅速，产量连年来居世界首位，有色金属科技在国民经济建设和现代化国防建设中发挥着越来越重要的作用。与此同时，有色金属资源短缺与国民经济发展需求之间的矛盾也日益突出，对国外资源的依赖程度逐年增加，严重影响我国国民经济的健康发展。

随着经济的发展，已探明的优质矿产资源接近枯竭，不仅使我国面临有色金属材料总量供应严重短缺的危机，而且因为“难探、难采、难选、难冶”的复杂低品位矿石资源或二次资源逐步成为主体原料后，对传统的地质、采矿、选矿、冶金、材料、加工、环境等科学技术提出了巨大挑战。资源的低质化将会使我国有色金属工业及相关产业面临生存竞争的危机。我国有色金属工业的发展迫切需要适应我国资源特点的新理论、新技术。系统完整、水平领先和相互融合的有色金属科技图书的出版，对于提高我国有色金属工业的自主创新能力，促进高效、低耗、无污染、综合利用有色金属资源的新理论与新技术的应用，确保我国有色金属产业的可持续发展，具有重大的推动作用。

作为国家出版基金资助的国家重大出版项目，有色金属理论与技术前沿丛书》计划出版100种图书，涵盖材料、冶金、矿业、地学和机电等学科。丛书的作者荟萃了有色金属研究领域的院士、国家重大科研计划项目的首席科学家、长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、全国优秀博士论文奖获得者、国家重大人才计划入选者、有色金属大型研究院所及骨干企业的顶尖专家。

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中南大学出版社长期倾力服务有色金属的图书出版，在《有色金属理论与技术前沿丛书》的策划与出版过程中做了大量极富成效的工作大力推动了我国有色金属行业优秀科技著作的出版，对高等院校研究院所及大中型企业的有色金属学科人才培养具有直接而重大的促进作用。