甲基磺酸体系铅电沉积工艺研究.pdf
甲基磺酸体系铅电沉积工艺研究 ① 常 聪1, 李有刚1,2, 陈永明1, 杨声海1, 何 静1, 常 娣1, 介亚菲1 (1.中南大学 冶金与环境学院,湖南 长沙 410083; 2.长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南 长沙 410019) 摘 要 针对传统铅电沉积体系稳定性差、环境污染严重、腐蚀性强等问题,提出采用甲基磺酸(MSA)体系电沉积铅,考察了电流 密度、铅离子浓度、MSA 酸度、温度和极距对电沉积过程的影响。 结果表明,在电流密度 200 A/ m2、铅离子浓度 150 g/ L、MSA 酸度 50 g/ L、温度 45 ℃和极距 3.5 cm 的条件下,可获得平整光亮、结构致密的铅板,纯度可达 99.98%,此过程电流效率高于 99%,能耗为 612 kWh/ t,相较于传统硅氟酸体系能耗(800 kWh/ t)降低了 188 kWh/ t。 该体系具有稳定性强、不含卤素和节能环保等优点,具有 较为广泛的应用前景。 关键词 铅; 甲基磺酸; 电沉积; 废铅酸电池; 铅膏 中图分类号 TF111文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.01.025 文章编号 0253-6099(2020)01-0105-04 Lead Electrodeposition in Methanesulfonic Acid System CHANG Cong1, LI You⁃gang1,2, CHEN Yong⁃ming1, YANG Sheng⁃hai1, HE Jing1, CHANG DI1, JIE Ya⁃fei1 (1.School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 2.Changsha Nonferrous Metallurgical Research and Design Institute Co Ltd, Changsha 410019, Hunan, China) Abstract Aiming at the problems of poor stability, serious environmental pollution and high corrosivity of traditional lead electrodeposition systems, a methanesulfonic acid (MSA) system was proposed to be used in lead electrodeposition. The effects of current density, lead ion concentration, MSA acidity, temperature and pole distance on the electrodeposition process were investigated. The results show that under the following conditions, including a current density of 200 A/ m2, a lead ion concentration of 150 g/ L, a MSA acidity of 50 g/ L, a temperature of 45 ℃ and a pole distance of 3. 5 cm, a flat lead plate with compact structure can be obtained with purity up to 99. 98%. In this electrodeposition process, the current efficiency is higher than 99% and the energy consumption is 612 kWh/ t, 188 kWh/ t lower than the energy consumption of the traditional silicofluoric acid system (800 kWh/ t). It is concluded that this system, with the advantages of strong stability, halogen⁃free, energy conservation and environmental protection, has a wide application prospect. Key words lead; methanesulfonic acid; electrodeposition; spent lead⁃acid battery; lead paste 废铅酸蓄电池报废后若不进行合理处理,不仅造 成资源浪费,还会污染环境[1]。 废铅酸蓄电池由废电 解液、板栅、铅膏、塑料外壳组成[2-3]。 其中,铅膏中包 含铅硫化物、铅氧化物以及硫酸。 铅膏处置工艺主要 分为火法和湿法。 火法工艺难以避免铅烟尘的挥发以 及 SO2的排放,严重危害人类健康和环境[4]。 湿法工 艺包括固相电解法[5]、RSR 和 CX⁃EW 工艺等[6],其中 固相电解法能耗高、耗时长;RSR 和 CX⁃EW 等工艺在 硅氟酸体系中进行铅电沉积,此体系腐蚀性强,含 F- 废水不易处理。 因此,研究开发一种绿色环保的电沉 积体系势在必行。 甲基磺酸具有金属盐溶解度高、导 电率高、毒性低、腐蚀性低和废液处理容易等优点[7],广 泛用于电解金属或合金,如 Ni[8], Cu[9],In[10],Sn[11]及 其合金[12-14]。 基于以上问题以及前人研究经验,本文 提出了采用 MSA 作为电沉积体系回收铅,研究了电流 密度、铅离子浓度、MSA 酸度、温度和极距对电流效 ①收稿日期 2019-08-05 基金项目 广东省应用型科技研发专项(2016B020242001);湖南省杰出青年基金项目(2018JJ1044) 作者简介 常 聪(1992-),女,山西长治人,硕士研究生,主要从事有色金属清洁冶金研究。 通讯作者 陈永明(1980-),男,安徽安庆人,副教授,博士,主要从事有色金属清洁冶金研究。 第 40 卷第 1 期 2020 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №1 February 2020 万方数据 率、平均槽电压和能耗的影响。 1 实 验 1.1 实验原料 实验所用电解液是铅酸蓄电池铅膏经转化和甲基 磺酸浸出后得到的浸出液,其组成如表 1 所示。 采用 单因素条件进行工艺优化,电沉积过程中采用磷酸 (1.5 mL/ L)作为电沉积过程中阳极 PbO2生成的抑制 剂,采用 T⁃A 和 T⁃B 作为铅电沉积过程中促使阴极铅 表面平整的添加剂。 表 1 浸出液成分组成/ (gL -1 ) PbSFeNaSiBaSnSbMgAs 150.60 5.000.303.070.070.150.020.010.007 0.004 1.2 实验方法 电沉积实验在自制聚四氯乙烯电解槽中进行,阳极 为石墨板 (12 cm 6 cm),阴极为钛板(12 cm 6.5 cm), 电源为直流稳压电源。 采用恒温水浴槽控制反应温 度。 电沉积过程中电解液保持循环状态,采用下进上 出方式。 为保证电解槽内铅离子浓度、游离甲基磺酸 浓度及其温度保持稳定,将配制好的电解液添加至恒 温水浴槽中的原液槽中,控制一定的循环速度,通过蠕 动泵将电解液从原液槽输入到电解槽中。 实验装置如 图 1 所示。 每次电沉积实验前,首先需要对阴极进行预处理, 在硝酸中浸泡数分钟,再用 600、1 000、1 500 目砂纸依 次打磨抛光,之后用无水乙醇除油,并用蒸馏水冲洗干 净,于室温下自然干燥。 量取电解液到电解槽中,阴阳 极放在电解槽合适位置置于恒温水浴槽中加热,待电解 液温度恒定于预定值后接通导线,设置好循环并调节到 一定的循环速度后,开始计时,电积时间为 8 h。 实验结 束后,关闭电源、恒温水浴槽与蠕动泵,取出阴极铅板, 干燥后称重、真空封存以进行 SEM 和 XRD 表征。 2Pb 2Pb2 4H 4H e- 1 2 3567898 11 10 4 4e- -4e- 2H2O O2 ;B ;B 图 1 电沉积铅实验装置 1 自制电解槽; 2 循环后液收集处; 3 阴极钛板; 4 铅沉积层; 5 电积液; 6 阳极石墨板; 7 氧气层;8 恒温槽; 9 蠕动 泵; 10 原液储槽; 11 输液软管 1.3 分析表征方法 采用 XRD 检测阴极铅板的物相组成,SEM 观察阴 极铅板的表面形貌。 铅离子浓度和 MSA 酸度分别采用 EDTA 滴定法和酸碱滴定法分析。 采用电流效率和直流能耗作为评估电沉积过程的 2 个关键的指标 η = M q I t 100%(1) W = U 1 000 q η (2) 式中 η 为电流效率,%;M 为时间 t 内电沉积出来的铅 质量,g;I 为通过阴阳极之间的电流,A;t 为电解时间, h;W 为电能消耗,kWh/ t;q 为铅的电化学当量,q=3.867 g/ (Ah);U 为平均槽电压,V。 2 实验结果及讨论 2.1 电流密度的影响 设定温度 40 ℃、铅离子浓度 100 g/ L、MSA 酸度 60 g/ L、极距 3.5 cm,考察电流密度(180~260 A/ m2)对 电沉积过程的影响,结果如图 2 所示。 由图 2 可知,电 流密度对电流效率、平均槽电压和能耗影响明显。 当电 流密度从 180 A/ m2增加到 240 A/ m2,电流效率逐渐从 96.10%增加到 98.20%,随着电流密度的继续增加,电流 效率开始降低,而平均槽电压和能耗则一直增加,分别 从 2.24 V、602 kWh/ t 逐渐增加至 2.38 V、617 kWh/ t。 原因在于增大电流密度,使得阴极附近电解液中的铅离 子沉积速度加快而使其浓度降低,浓差极化加大,因此 平均槽电压升高。 随着平均槽电压升高,达到了氢气析 601矿 冶 工 程第 40 卷 万方数据 出的电位,因而电流效率降低。 综合考虑,选择电流密 度 200 A/ m2较为合适。 99 98 97 96 95 180220260 45,A m-2 45 2.45 2.40 2.35 2.30 2.25 2.20 180220260 45,A m-2 82V 680 660 640 620 600 580 180220260 45,A m-2 6/kWh t-1 图 2 电流密度对电流效率、平均槽电压和能耗的影响 2.2 铅离子浓度的影响 电流密度 200 A/ m2,其他条件不变,铅离子浓度对 电沉积过程的影响如图 3 所示。 100 98 96 94 92 90 50100150 83D7,g L-1 45 2.40 2.30 2.20 2.10 50100150 83D7,g L-1 82V 680 640 600 560 50100150 83D7,g L-1 6/kWh t-1 图 3 铅离子浓度对电流效率、平均槽电压和能耗的影响 由图 3 可知,铅离子浓度变化对电沉积过程影响较 大,铅离子浓度为 60 g/ L 时,电流效率升高到 98.96%; 铅离子浓度超过 70 g/ L 后,电流效率变化趋缓;铅离子 浓度增加到 150 g/ L 时,电流效率为 99.23%。 平均槽电 压和能耗的变化趋势一致,都随铅离子浓度升高先降低 后缓慢增加。 当铅离子浓度较低时,电解液的比电阻较 高,平均槽电压较高,铅离子浓度增加至 70 g/ L 时,溶 液电阻率略有降低,因而平均槽电压降低;铅离子浓度 继续增加,溶液比电阻升高,同时溶液粘度增大,不利 于离子扩散,进而使溶液的电阻增大,平均槽电压升 高。 由于原始浸出液中铅离子浓度为150 g/ L,选择铅 离子浓度为 150 g/ L。 2.3 MSA 酸度的影响 铅离子浓度 150 g/ L,其他条件不变,MSA 酸度对 电沉积过程的影响如图 4 所示。 100 98 96 94 92 90 507090 MSA, 6/kWh t-1 图 5 温度对电流效率、平均槽电压和能耗的影响 由图 5 可知,温度为 45 ℃时,电流效率达到最高, 为 99.94%,此时能耗为579 kWh/ t。 升高电解液温度, 701第 1 期常 聪等 甲基磺酸体系铅电沉积工艺研究 万方数据 电流效率反而下降,温度为 60 ℃时,电流效率最低,为 97.83%,此时能耗为 555 kWh/ t。 温度从 40 ℃升高到 60 C,平均槽电压从2.30 V 降到2.10 V。 这是因为温 度升高后电解液粘度降低,电解液比电阻降低,使得溶 液电导率升高;同时温度升高使离子的扩散速度加快, 浓差极化减小,从而有利于平均槽电压降低。 综合考 虑,控制电解液温度为 45 ℃。 2.5 极距的影响 温度 45 ℃,其他条件不变,极距对电沉积过程的 影响如图 6 所示。 100 99 98 97 3.55.57.5 02cm 45 2.55 2.45 2.35 2.25 2.15 3.55.57.5 02cm 82V 680 640 600 560 3.55.57.5 02cm 6/kWh t-1 图 6 极距对电流效率、平均槽电压和能耗的影响 由图 6 可知,随着极距增大,电流效率变化较小, 平均槽电压和能耗则显著增加。 因此极距对电流效率 的影响较小,但会增加平均槽电压,进而增大能耗。 极 距过小,容易使得阴阳极之间发生短路;极距过大,电 能消耗也比较大。 综合考虑,选取 3.5 cm 作为合理 极距。 2.6 综合扩大实验 根据以上研究,确定了适宜的电沉积铅工艺条件 为电流密度 200 A/ m2,铅离子浓度 150 g/ L,MSA 酸 度 50 g/ L,温度 45 ℃,极距 3.5 cm。 在该条件下进行 电沉积,电流效率可达 99.23%,能耗为 612 kWh/ t,低 于传统硅氟酸体系中的能耗(800 kWh/ t) [15]。 对阴极 铅板进行成分分析和结构分析,结果分别如表 2 和图 7 所示。 表 2 阴极铅板的组成(质量分数) / % 样品AgAsBiFeSbSnNaMgPb 10.0002 0.0041 0.0007 0.0011 0.0047 0.0006 0.0036 0.0001 99.98 20.0006 0.0019 0.0015 0.0004 0.0021 0.0003 0.0053 0.0002 99.98 由表 2 可知,铅板杂质含量少,纯度可达 99.98%, 高于牌号 Pb 99.970%的国家标准(GB/ T 4692013, Pb 99.970%)。 图 7 阴极铅板的 XRD、SEM 和表观形貌图 (a) XRD; (b) SEM; (c) 表观形貌 从图 7(a)可以看出,各个衍射峰的峰位置和相 应的衍射强度与面心立方 Pb 的标准图谱一致。 在 2θ=31.31,36.27,52.23,62.12,65.24和 76.95处 的衍射峰对应于立方相金属铅(111),(200),(220), (311),(222),(400)晶面,表示阴极铅板是面心立方 晶体结构。 从图 7(b)和图 7(c)可以看出,铅板晶粒交错生 长,凹凸不平,铅板表面平整且具有金属光泽并且在边 缘处没有明显树枝状结晶。 3 结 论 1) MSA 体系电沉积铅的优化工艺条件为电流密 度 200 A/ m2,铅离子浓度150 g/ L,MSA 酸度50 g/ L,温 度 45 ℃,极距 3.5 cm。 在此条件下,铅板表面状况良 好,电流效率和能耗分别为99.23%和612 kWh/ t,纯度 为 99.98%,高于牌号 Pb99.970%的国家标准(GB/ T 4692013,Pb 99.970%)。 2) 适当提高电流密度、铅离子浓度和电解液温 度,有利于提高电流效率。 MSA 酸度和电解液温度增 加有利于降低平均槽电压、降低能耗。 参考文献 [1] 陈维平,杨 霞,曾 悦,等. 废蓄电池泥渣湿法处理过程的热力 学和动力学[J]. 矿冶工程, 1997,17(4)48-51. 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