铁基镍铬合金膜电解工艺的研究.pdf

第3 2 卷第2 期 2 0 1 2 年0 4 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №2 A p r i l2 0 1 2 铁基镍铬合金膜电解工艺的研究① 张胜全，张恩玉，赵文渊，石伯承 兰州理工人学材料科学与工程学院，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 摘要在盐酸体系中采用膜电解电溶法处理含镍、铬的铁基高温合金。通过优化条件，确定了膜电解过程的操作条件。研究结果 表明，在电压为1 ．5V 、平均电流密度为5 0 0A ／m 2 、N i 2 离子浓度为1m o l ／L 、阳极液酸度为1m o l ／L 、极距为2 0m m 、温度为3 5 ℃条 件下电解，电流效率可达9 0 ％以上，能耗为12 0 0k W h ／t 左右。 关键词膜电解；电流效率；电流密度；铁基镍铬合金；电解能耗 中图分类号T B 3 0 2文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 2 0 1 1 1 0 3 S t u d yo nM e m b r a n eE l e c t r o l y s i so fI r o n - b a s eN i c k e l - c h r o m i u mA l l o y Z H A N GS h e n g q u a n ，Z H A N GE n y u ，Z H A OW e n y u a n ，S H IB o c h e n g C o l l e g eo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，G a n s u ，C h i n a A b s t r a c t I r o n b a s e s u p e r a l l o yc o n t a i n i n gN i a n d C r w a st r e a t e di n h y d r o c h l o r i c a c i ds y s t e mb y u s i n gm e m b r a n e e l e c t r o l y s i sm e t h o d ．T h eo p e r a t i o nc o n d i t i o nf o rt h em e m b r a n ee l e c t r o l y s i sp r o c e s sw a sd e c i d e db yo p t i m i z i n ge x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fv o l t a g eo f1 ．5V ，a v e r a g ec u r r e n td e n s i t yo f5 0 0A ／m 2 ，N i 2 ． c o n c e n t r a t i o n so f1 m o l ／L ，a n o l y t ea c i d i t yo f1m o l ／L ，p o l a rd i s t a n c eo f2 0m ma n dt e m p e r a t u r eo f3 5 ℃，a v e r a g e c u r r e n te f f i c i e n c yc a nb eu pt o9 0 ％w h i l ee n e r g yc o n s u m p t i o ni sa b o u t12 0 0k W h ／t ． K e yw o r d s m e m b r a n ee l e c t r o l y s i s ；c u r r e n te f f i c i e n c y ；c u r r e n td e n s i t y ；i r o n b a s eN i - C ra l l o y ；e n e r g yc o n s u m p t i o no f e l e c t r o l y s i s 铁基高温合金是一类具有优越综合性能的先进铁 合金，该合金已经广泛应用于航空航天、核工业、交通 工程、石油化工等领域J 。铁基镍铬高温合金含镍在 2 0 ％～6 0 ％之间，其中镍的回收成为暖待解决的问题。 含镍废料的回收通常包括浸出、净化、后续处理等步 骤。“。废镍合金的浸出方法主要有酸化浸出与电化 学浸出，其中酸溶法简单，要求酸浓度较高，设备极易 腐蚀，且环境污染严重。电化学溶解法无尾气产生，酸 浓度较低，较好地解决了环境污染问题”1 。采用无隔 膜电解法制备溶液时，阳极上溶解下来的金属往往又 会在阴极上析出，造成电解效率降低，电解能耗高。膜 电解技术可以阻止溶解的金属离子在阴极析出，而且 具有能耗低、易于操作等特点，并且随着具有实用价值 的离子交换膜投人生产，其应用越来越广H “] 。本文 介绍了采用膜电解法处理铁基镍铬高温合金，通过研 究电压、电解液酸度、温度及N i 2 浓度等对电流密度 和能耗的影响，确定了电解的最佳工艺条件。 1 实验原理及方法 1 ．1 实验原理 本实验采用隔膜电解法来溶解铁镍基高温合金。 电解液中间用阴离子交换膜分隔开，阴离子交换膜对 电解液中离子具有选择性透过，阴离子可以在电场的 作用下定向移动，而阳离子则被阻止透过。在电解的 过程中，阴极液中的氢离子在阴极上被还原生成氢气 逸出，而c l 在电场的推动下，可以移动到阳极液中， 而阳极溶解的金属离子则被膜阻挡，不能透过膜到达 阴极，可以不让阳极溶解的金属离子在阴极再沉积，起 到了电化学溶解的目的。 1 ．2 实验方法 本实验装置采用塑料板粘接制成，中间用阴离子 交换膜隔开，并做密封处理。铁镍基高温合金作为膜 电解电溶的阳极，尺寸为3 0m m 7 0m m ，合金板电解 前经过打磨抛光处理。以7 0m m 7 0m i l l 的不锈钢板 作为阴极。电解液被膜分隔为阳极与阴极两室，盐酸 ①收稿日期2 0 1 1 ．1 1 ．1 8 作者简介张胜全 1 9 6 1 一 ，男，陕西人，高级工程师，硕士研究生导师，主要从事铝电解节能与环保方面研究工作。 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 作为电解液，组成一个电化学溶解体系。电源采用 H B l 7 3 1 S L2 0 A 直流稳压电源。 2 实验结果与分析 2 ．1 电压的影响 图1 与图2 为阳极液酸度为1 ．0m o l ／L ，N i 2 浓度 为1 ．0m o l ／L ，阴极液酸度为2 ．0m o l ／L ，温度为2 0 ℃， 极距为2 0m m 的条件下，在盐酸体系中，铁基镍铬高 温合金的膜电解电溶实验时电压对电流密度以及电耗 的影响。 p 昌 S ＼ 越 掘 螗 罾 乒 鼍 号 蠹 岜 耀 曾 电解电压／V 图1 电压对电流密度的关系 电解电压／V 图2 电压与电耗的关系 由图1 可以看出，随电压升高，电流密度呈线性增 加；由图2 可知，电耗随电压升高而增加。从能耗来 看，电压、电流越低，能耗越低，但电压低，电解时的效 率就低。因此，综合考虑，在实际生产时应该选择合适 的电压进行电解，本实验选取电压为1 ．5V 左右，此时 电流密度为5 0 0A ／m 2 ，电耗为l2 0 0k W h ／t 。 2 ．2 金属离子浓度的影响 控制槽电压为1 ．5V ，阳极液酸度为1 ．0m o l ／L ， 阴极液酸度为2 ．0m o l ／L ，温度为2 0 ℃，极距为2 0m m 的条件下，在盐酸体系中观察金属离子浓度对电解过 程的影响。电解过程中阳极不断溶解，镍、铬、铁等金 属离子进入溶液中，因为各离子间的比相对不变，所 以，只选择N i “浓度来分析，结果见图3 。 f 昌 S ＼ 魁 搬 煺 罾 c N P ／ I m I E 1 图3N j 2 浓度对电流密度的影响 由图3 可以看出，随镍离子浓度升高，电流密度升 高，这是因为镍离子浓度升高，溶液的电导增大的 缘故。 2 ．3 阳极液酸度的影响 控制槽电压为1 ．5V ，N i 2 浓度为1 ．0m o l ／L ，阴极 液酸度为2 ．0m o l ／L ，温度为2 0 ℃，极距为2 0m m 的 条件下，在盐酸体系中观察阳极液酸度对电解过程的 影响，结果见图4 5 。 p 暑 S ＼ 划 氍 蠼 唧 e o a o ／ r m l L 0 图4 阳极酸度对电流密度的影响 e O t C I ／ m o l L - 9 图5阳极酸度对电流效率的影响 由图4 ～5 可以看出，随酸度升高，电流密度与电 流效率相应升高。通常酸度升高，使电解液导电性增 加，电流增大；并且酸度提高会加速化学溶解，能耗降 低，电流效率提高。但当酸度超过一定值后，可能会导 万方数据 第2 期张胜全等铁基镍铬合金膜电解工艺的研究 致部分氢离子透过膜向阴极室迁移，氯气在阳极上析 出，导致电流效率的下降，引起电解能耗上升。同时考 虑到阳极液后续净化处理，减少中和酸所需的碱，游离 酸浓度较低为好。因此，阳极液酸度选择在1 ．0m o t ／L 左右。 2 。4 温度的影响 控制阳极液酸度为1 ．0m o ] ／L ，N i 2 浓度为1 ．0 m o l ／L ，阴极液酸度为2 ．0m o l ／L ，极距为2 0m m ，电压 分别为1 ．2V 、1 ．5 V 、1 ．8V 的条件下，在盐酸体系中， 观察温度对电流密度的影响，结果见图6 。 乒 善 S ＼ 越 摊 堪 脚 温度／℃ 图6 温度对电流密度的影响 由图6 可以看出，无论在多大的电压下电解，电流 密度总是随着温度升高而升高。温度上升，将使膜的 孔隙增大，有助于提高膜的电导率，在相同电压下， 电流密度相应增加。当然温度的上升不仅有助于提高 膜的电导率，还将提高电解溶液的电导率。生产中选 择较高的温度电解有利于降低能耗。但温度不能高于 膜的承受温度4 0 ℃，所以选取操作温度在3 5 ℃左右 为佳。 2 ．5 极距的影响 控制槽电压为1 ．5V ，阳极液酸度为1 ．0m o l ／L ， 阴极液酸度为2 ．0m o l ／L ，N i “浓度为1 ．0m o l ／L ，温度 为2 0 ℃的条件下，调节极距大小，考察极距对电解的 影响，结果见图7 。 极距为阳极和阴极之间的距离。由图7 可以看 产 鲁 S ＼ 趟 髑 媛 墨 极距／m m 图7 极距对电流密度的影响 出，缩短极距，可以有效降低电解液的电阻，提高电流 密度。因此在生产实际中，应尽量减小极距，这样可以 降低电耗。 3 结论 1 膜电解技术可以阻止溶解的金属离子在阴极 析出，而且具有能耗低、无污染、易于操作、便于后续处 理等特点。 ， 2 铁基镍铬高温合金膜电解电溶最佳工艺条件 为操作温度3 5 ℃，电压保持在1 ．5V 左右，阳极液酸 度为1 ．0m o l ／L ，N i 2 浓度为1 ．0m o l ／L ，极距在2 0h i m 左右。在此条件下电解，电流密度为5 0 0A i m 2 ，能耗 可以维持在较低的水平，为12 0 0k W h ／t 。 参考文献 [ 1 ] 方京华．粉末冶金铁基高温合金致密化研究[ D ] ．长沙中南大 学．2 0 0 8 ． [ 2 ]曾冬铭，李立波，毛剑，含镍废料的回收利用[ J ] ．中国物资再 生，1 9 9 7 9 1 1 1 3 ． [ 33 梁琥琪电化学溶解法在金属再生中的应用[ J ] ．中国物资再 生，1 9 9 4 1 0 1 9 2 1 ． [ 4 ] 张启修．冶金分离科学与工程[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 4 ． [ 5 ] 王振堂，肖连生，吕薪娟．膜电解法制备纯氯化镍溶液的研究 [ J 1 ．膜科学与技术，2 0 0 5 ，2 5 4 1 7 2 0 ． [ 63 谭翎燕．有色冶金中的离子交换膜电解技术[ J ] ．有色金属 冶 炼部分 ．2 0 0 4 4 1 6 2 0 ． 万方数据