江秦，劉凱，吳娜，韓山玉，張春霞

(1.重慶科技學院 冶金與材料工程學院， 重慶 401331; 2.重慶科技學院 化學化工學院， 重慶 401331)

銅是一種重要的基礎(chǔ)性原材料，其具有優(yōu)良的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，是大自然賜予人類寶貴的資源，與我們的生活息息相關(guān)［1-2］。電解法是生產(chǎn)銅粉最經(jīng)濟的方法，所獲得的銅粉質(zhì)量最高［3］。電解銅粉的影響因素主要有電解液的成分、電解溫度和電流密度等。王建偉等人［4］的研究結(jié)果證實，傳統(tǒng)電解槽“下進上出”的進液方式，使得槽內(nèi)電解液的主體流不能直接穿過電極之間，易造成溶液成分和溫度不均勻。現(xiàn)有電解過程中電解液的進液方式已成為制約電流效率、能量消耗和槽體壽命等技術(shù)指標的極為重要的因素［5-9］。但對如何優(yōu)化進液方式、有效消除“死區(qū)”研究甚少。因此亟需以研發(fā)的新型電解槽為研究對象，采用不同的流量和進液方式，研究流量和流向等實驗參數(shù)對電解銅粉槽電壓和電耗的影響，獲得最佳的進液方式。

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要包括電解液循環(huán)系統(tǒng)、電解系統(tǒng)以及加熱系統(tǒng)三部分構(gòu)成。采用定制“U”型電解槽如圖1所示，電解槽左右兩側(cè)各有一個有機玻璃板儲液槽如圖2所示。

圖1 定制的銅粉電解實驗用電解槽（單位：mm）

圖2 銅粉電解實驗用有機玻璃儲液槽

1.2 實驗材料

銅粉電解實驗的陰陽極都采用銅板。電解的有效面積為15cm×12cm=180cm2，用透明膠帶包邊。本實驗配置溶液所需的化學藥劑全部采用分析純試劑，用去離子水配置。

1.3 實驗方法

1.3.1 槽電壓

將導(dǎo)出的TXT文件導(dǎo)入至Excel表格中，做出槽電壓的變化曲線，并標明實驗參數(shù)，得到平均槽電壓V。

1.3.2 電流效率

電流效率按下式計算，

式（1）中，η為電流效率，%；M為n個電解槽實際陰極析出量，g；q為銅的電化當量，q=1.1852g/ (A·h)；I為電流，A；t為通電時間，h；n為電解槽個數(shù)，臺。

通過得到的銅粉質(zhì)量M，求出每組數(shù)據(jù)的電流效率η。

1.3.3 電解能耗

電解能耗按下式計算，

式（2）中，W為直流電單耗，kW·h/t；V為槽電壓，V；η為電流效率，%。

通過得到的槽電壓V和電流效率η得到電耗W。

1.3.4 節(jié)能率

節(jié)能率按下式計算，

式（3）中，WN為各組直流電單耗，kW·h/t；W1為傳統(tǒng)進液流量為18L/min時的電耗，kW·h/t；ψ為節(jié)能率，%。

1.3.5 實驗條件

由能耗計算公式可知電耗與槽電壓成正比關(guān)系，而與電流效率成反比關(guān)系。所以可以用槽電壓的變化來說明能耗的變化趨勢。全部實驗采用相同的電解工藝參數(shù)，即：電解液溫度為40℃，陰陽極間距為20mm，銅離子濃度為8g/L，電解時間為25min，硫酸濃度為150g/L，電流密度為1200A/m2。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)進液流量對銅粉電解電流效率的影響

考察傳統(tǒng)進液流量對銅粉電解電流效率的影響，實驗采用相同的電解條件為：電解液溫度為40℃，陰陽極間距為20mm，噴嘴直徑3.0mm，銅離子濃度為8g/L，硫酸濃度為150g/L，電流密度為1200A/m2，電解時間為25min；考察的進液流量為0.5L/min、1.0L/min、2.0L/min、3.0L/min、4.0L/min。

表1 傳統(tǒng)進液流量對電解銅粉能耗的影響實驗數(shù)據(jù)

從圖3中可以看出，在傳統(tǒng)進液條件下，隨著進液流量的增大，電解銅粉的槽電壓近似線性減小。當進液流量由0.5L/min增大到4L/min這一過程，槽電壓降低，即能耗降低。當流量增大時，對電解液的攪動會變得劇烈，極板間電解液可以及時更新，電解液成分及溫度也更加均勻，從而消除濃差極化，降低能耗。

圖3 傳統(tǒng)進液流量對電解銅粉能耗的影響

2.2 單側(cè)陰極進液流量對電解銅粉能耗的影響

考察單側(cè)陰極進液流量對電解銅粉能耗的影響，進液位置均為（從下往上）第三排?？疾靻蝹?cè)陰極進液量為0.5L/min、1.0L/min、2.0L/min、3.0L/min。表2為單側(cè)陰極進液流量對電解銅粉槽電壓的影響實驗數(shù)據(jù)，圖4顯示了單側(cè)陰極進液流量對電解銅粉能耗的影響。

表2 單側(cè)陰極進液流量對電解銅粉能耗的影響實驗數(shù)據(jù)

圖4 單側(cè)陰極進液流量對電解銅粉能耗的影響

從圖4中可以看出，在單側(cè)陰極進液方式下，隨著流量增大，槽電壓呈降低趨勢，能耗隨之降低。這是由于在極板間加入單側(cè)進液后，極板間電解液起到攪動作用，極板間電解液的銅離子得到了及時的補充，消除了濃差極化。

2.3 單側(cè)陽極進液流量對電解銅粉能耗的影響

考察單側(cè)陽極進液流量對電解銅粉能耗的影響，進液位置均為（從下往上）第三排。考察的單側(cè)陽極進液流量為0.5L/min，1.0L/min，2.0L/min，3.0L/min。表3為單側(cè)陽極進液流量對電解銅粉槽電壓和電流效率的影響的實驗數(shù)據(jù)，圖5顯示了單側(cè)陽極進液流量對電解銅粉能耗的影響。

表3 單側(cè)陽極進液流量對電解銅粉能耗的影響實驗數(shù)據(jù)

圖5 單側(cè)陽極進液流量對電解銅粉能耗的影響

從圖5中可以看出，在單側(cè)陽極進液方式下，隨著流量增大，槽電壓呈降低趨勢，能耗也隨之降低。由于側(cè)流對電解液的攪動，均勻了極板間電解液的成分和溫度，消除了濃差極化。

2.4 單側(cè)陰極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響

考察單側(cè)陰極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響，單側(cè)進液流量為3.0L/min；考察的單側(cè)陽極進液噴嘴位置為（由下往上數(shù)）第1排、第2排、第3排、第4排。表4為單側(cè)陰極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響的實驗數(shù)據(jù)，圖6是單側(cè)陰極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響。從圖6中可以看出，隨著噴嘴位置（由下往上數(shù)）依次升高，槽電壓呈先降后升的趨勢，噴嘴在第三排時，槽電壓達到最低，能耗最低。這是由于第二排和第四排分別處于陰極板上下邊緣三分之一的位置，對電解槽內(nèi)的電解液的攪動和消除濃差極化效果基本相同，因此槽電壓大小也近似，第一排處于陰極板最下邊緣的位置，對陰極電銅附近的電解液幾乎沒有攪動效果，能耗就會比較高。

圖6 單側(cè)陰極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響

表4 單側(cè)陰極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗影響的實驗數(shù)據(jù)

2.5 單側(cè)陽極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響

考察單側(cè)陽極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響，單側(cè)進液流量為3.0L/min，考察的單側(cè)陽極進液噴嘴位置為（由下往上數(shù)）第1排、第2排、第3排、第4排。表5為單側(cè)陽極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響的實驗數(shù)據(jù)，圖7是單側(cè)陽極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響。

表5 單側(cè)陽極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗影響的實驗數(shù)據(jù)

從圖7中可以看出，隨著噴嘴位置的（由下往上數(shù)）依次升高，槽電壓呈先降后升的趨勢，噴嘴在第3排時，槽電壓達到最低，能耗最低。

圖7 單側(cè)陽極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響

2.6 不同進液方式比較

對比分析不同進液方式對能耗的影響，將每種進液方式下最佳方案進行對比分析，從而得到最佳的進液方式。圖8為單側(cè)陰極和單側(cè)陽極進液流量大小對電解銅粉能耗的影響對比，圖9為單側(cè)陰極和單側(cè)陽極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗的影響對比。

圖8 單側(cè)陰極進液和單側(cè)陽極進液流量對電解銅粉能耗影響對比

圖9 單側(cè)陰極進液和單側(cè)陽極進液噴嘴位置對電解銅粉能耗影響對比

從圖8、9中可以看出，由極板間側(cè)邊進液的方式可以明顯的降低槽電壓，減少能耗，而陰極進液的槽電壓與陽極進液的槽電壓差異不大。因此，以降低能耗為目標，最優(yōu)進液方式為單側(cè)陰極進液。

3 結(jié)論

本文通過在各個實驗方案下對銅粉電解過程的電流效率進行了詳細分析和比較，得出在傳統(tǒng)進液的條件下，隨著進液流量的增大，電流效率變化不明顯，且效果都不如單側(cè)進液；單側(cè)進液時，最佳進液位置在從下往上第三排，最佳進液流量為3.0L/min，選擇陰極進液或陽極進液對電流效率的影響并不大。

綜上分析可知，在保證電解銅粉其他電解條件一定，降低能耗的最佳方案為：單側(cè)陰極進液方式，流量3L/min，噴嘴位置為第三排，即在極板有效面積的中央位置。