孟小杰

(全國(guó)錳業(yè)技術(shù)委員會(huì)，湖南 長(zhǎng)沙 410006)

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國(guó)內(nèi)電解金屬錳生產(chǎn)用電解槽的發(fā)展探討

孟小杰

(全國(guó)錳業(yè)技術(shù)委員會(huì)，湖南 長(zhǎng)沙 410006)

中國(guó)已發(fā)展成為電解錳最大的生產(chǎn)和需求國(guó)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的時(shí)代浪潮中，電解錳行業(yè)要不斷的提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化電解效率，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，這些都離不開(kāi)設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展。對(duì)電解金屬錳生產(chǎn)用的主要設(shè)備進(jìn)行了敘述，對(duì)電解槽的指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，闡述了陽(yáng)極板的應(yīng)用歷程，為電解槽的發(fā)展提供參考。

電解錳；電解槽；陽(yáng)極板

0 前 言

20世紀(jì)60年代的上海冶煉廠是中國(guó)的第1代金屬錳生產(chǎn)廠，是我國(guó)電解金屬錳(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：電解錳)工業(yè)開(kāi)始的標(biāo)志[1]。我國(guó)的電解錳工業(yè)的發(fā)展雖起步較晚，但發(fā)展很快，特別是上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的電解錳生產(chǎn)企業(yè)、產(chǎn)量和生產(chǎn)技術(shù)都有很大的提升。目前，中國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為世界上最大的電解錳生產(chǎn)國(guó)和需求國(guó)。

目前，電解錳行業(yè)面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，隨著歐洲環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，我國(guó)對(duì)高耗能行業(yè)的政策性限制以及錳礦石的日益短缺，電解錳企業(yè)要取得經(jīng)濟(jì)效益，就必須不斷節(jié)能降耗，搞好環(huán)境保護(hù)，建設(shè)節(jié)能減排、低耗高效經(jīng)濟(jì)型的現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)。在電解錳行業(yè)改造升級(jí)的過(guò)程中，設(shè)備的更新和指標(biāo)的優(yōu)化至關(guān)重要。

1 電解槽簡(jiǎn)述

制備電解錳主要采用碳酸錳粉與無(wú)機(jī)酸反應(yīng)制得錳鹽溶液，加銨鹽作緩沖劑，用加氧化劑氧化中和的方法除鐵，加硫化劑除重金屬，經(jīng)過(guò)“沉降—過(guò)濾—深度凈化—過(guò)濾”過(guò)程得到純凈的硫酸錳溶液，加入添加劑后，作為電解液進(jìn)入電解槽電解。

電解錳生產(chǎn)用設(shè)備主要有浸出槽、壓濾泵、礦漿壓濾機(jī)、硫化槽以及電解槽等。金屬錳電解是個(gè)高能耗的過(guò)程，其中約95%的電耗集中在電解槽上，電解槽的選擇與設(shè)計(jì)直接決定了電解錳能耗的高低，所以提高電流效率是生產(chǎn)實(shí)踐中最為關(guān)鍵的問(wèn)題。其關(guān)鍵設(shè)備——電解槽的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[2]。

1 陰極室；2 電解槽體；3 陽(yáng)極液管；4 陽(yáng)極室；5 木架；6 泡沫多孔橡膠板；7 底方；8 隔膜框；9 不銹鋼螺栓

2 電解關(guān)鍵設(shè)備對(duì)比

2.1 電解槽

電解效率的高低直接關(guān)系到金屬錳的產(chǎn)量、品質(zhì)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在生產(chǎn)過(guò)程中，電流效率和單位電耗為主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，他們主要與槽電壓有關(guān)，影響槽電壓變化的主要因素有電解液電阻電壓、極板電壓降，所以槽電壓主要受電解過(guò)程中陰、陽(yáng)極極板、電解液濃度、電流密度、溫度等因素影響。

提高電流效率可考慮將電解槽槽體加大，極板增多，極板面積增大，電流密度適當(dāng)減小。適當(dāng)縮小電解槽的同名極距，可降低電解槽的內(nèi)阻，減小電損耗。電解錳最初始所采用的同名極距是100 mm，當(dāng)時(shí)的直流電耗為8 500～10 000 kW·h/t，現(xiàn)在所采用的同名極距在70～80 mm之內(nèi)，直流電耗有效地控制在6 200 kW·h/t以?xún)?nèi)，好的廠家還達(dá)到了5 600 kW·h/t這個(gè)水平[3]。目前正在研制新型電解槽隔膜系統(tǒng)組合體，產(chǎn)品為復(fù)合工程塑料材質(zhì)，具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、輸長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，不返酸，無(wú)需使用氨水。電解槽控制指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 新舊電解槽設(shè)備的控制指標(biāo)對(duì)比

最佳陰極電流密度為350～420 A/m2，提高陽(yáng)極電流密度可減少M(fèi)nO2的沉積，提高陽(yáng)極電流效率，通常陽(yáng)極電流密度確定為陰極電流密度的1.7～2倍。

若陰極液中的Mn2+濃度過(guò)高，容易產(chǎn)生Mn(OH)2沉淀；若Mn2+濃度過(guò)低，則會(huì)由于嚴(yán)重的濃差極化作用而降低電流效率。生產(chǎn)中Mn2+濃度以15～20 g/L為宜，當(dāng)pH值、溫度較低時(shí)，Mn2+濃度可高一些；當(dāng)pH值、溫度較高時(shí)，Mn2+濃度可低一些。

若陰極液的pH值過(guò)低，不利于抑制析氫反應(yīng)，導(dǎo)致陰極電積錳的電流效率降低；若pH值過(guò)高，將導(dǎo)致Mn(OH)2沉淀，降低析氫過(guò)電位，降低電流效率，或使電解過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。工業(yè)生產(chǎn)中一般控制pH值在7.0～8.4的范圍內(nèi)。

若電解溫度過(guò)高，則析氫過(guò)電位變小，導(dǎo)致H2析出，pH迅速上升，Mn(OH)2沉淀大量生成；若溫度過(guò)低，則離子遷移困難，隔膜袋易被結(jié)晶堵塞，導(dǎo)致陰極液pH升高，Mn(OH)2結(jié)晶沉淀。電解溫度以控制在35～40℃為宜。

2.2 陽(yáng)極板

電解錳工業(yè)初期，都以釆用石墨作為陽(yáng)極板，因?yàn)閷?dǎo)電和導(dǎo)熱性能好，具有較好的耐蝕性；易加工成不同形狀，價(jià)格便宜，所以廣泛應(yīng)用于電化學(xué)工業(yè)。但是其在電解中容易膨脹、脫落，而且pH值較低的陽(yáng)極液對(duì)石墨電極的陽(yáng)極腐燭性較大，因而逐漸被淘汰。

鉛和鉛基合金電極容易成形，在硫酸電解液中操作穩(wěn)定，價(jià)格便宜，逐漸替代石墨電極而得到應(yīng)用。但鉛重量大、強(qiáng)度低，容易變形，同時(shí)導(dǎo)電性能不佳，電耗高，電流效率較低，而且引入了雜質(zhì)鉛，降低了陽(yáng)極產(chǎn)物質(zhì)量。

鈦板的導(dǎo)電性良好，強(qiáng)度較大，耐腐蝕性強(qiáng)，同時(shí)質(zhì)量比鉛板要小得多，所以被廣泛應(yīng)用于電解行業(yè)中，特別是酸性溶液的電解。在電解錳中若采用純鈦板作為陽(yáng)極，雖可以避免引入雜質(zhì)，但純鈦板在低溫下很易鈍化，電極板導(dǎo)電性變差，槽電壓升高，導(dǎo)致電流效率降低、能耗增大?？蓪?duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理和活化。有研究表明：與鉛合金陽(yáng)極相比，同等實(shí)驗(yàn)條件下，使用Ti/SnO2/MnO2復(fù)合陽(yáng)極的槽電壓和能耗低、電流效率高，電流效率達(dá)到82.93%，單位能耗為6 500 kW·h/t[4]。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，全球都處于供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的時(shí)代浪潮中，低端產(chǎn)品向高端產(chǎn)品延伸的過(guò)程中，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。時(shí)代對(duì)電解錳行業(yè)提出了提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化電解效率，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的要求，但這些都離不開(kāi)設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展。加強(qiáng)對(duì)工藝流程的管控，加大對(duì)電解槽、陽(yáng)極板等關(guān)鍵設(shè)備部件的研發(fā)力度，為電解錳行業(yè)的轉(zhuǎn)型創(chuàng)造條件。

[1] 譚柱中, 梅光貴, 李維健, 等. 錳冶金學(xué)[M]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)出版社, 2004.

[2] 曾湘波. 國(guó)外電解金屬錳的生產(chǎn)概況[J].中國(guó)錳業(yè), 2000, 18(2): 7-11.

[3] 詹錫松. 電解金屬錳電解槽節(jié)能技術(shù)的探討[J]. 中國(guó)錳業(yè), 2008, 26(4): 48-50.

[4] 楊文翠. 錳電解沉積工藝及新型陽(yáng)極研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2013.

The Development of Electrolytic Cell of Domestic EMM Production

MENG Xiaojie

(TheNationalCommetteeofManganeseIndustryTechnology,Changsha,Hunan410006,China)

China has become the biggest production and demand country of EMM, both opportunities and challenges are exist. In the supply side of structural reform era, the industry needs to improve product quality continuously, optimize the electrolytic efficiency, adjust products’ structure, which are inseparable from the innovation and development of the equipment. The main equipments which are used in EMM product are described in this article. The index of electrolytic cell are compared, and the application of the anode plate are expound. That can provide reference for the development of the electrolytic cell.

EMM; Electrolytic cell; Anode plate

2016-10-28

孟小杰(1984-)，男，湖南南縣人，中級(jí)工程師，研究方向：錳行業(yè)市場(chǎng)狀況與發(fā)展現(xiàn)狀，手機(jī)：18942557041，E-mail：family_mxj@163.com.

TF111.5

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.028