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        大電流無銅體系銀電解過程影響研究

        2023-10-17 07:55:54常意川李玉龍李代穎談志衛(wèi)吳文飚
        船電技術(shù) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:實驗

        常意川,李玉龍,李代穎,談志衛(wèi),吳文飚

        應(yīng)用研究

        大電流無銅體系銀電解過程影響研究

        常意川,李玉龍,李代穎,談志衛(wèi),吳文飚

        (武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)

        針對傳統(tǒng)銀電解技術(shù)能耗高、效率低、銅離子影響大等缺點,以硝酸、硝酸鉀、自制硝酸銀為電解液成分,以自制可控含雜銀錠為陽極銀板、鈦板為陰極板,在大電流、無銅體系下采用電化學(xué)技術(shù)制備了高純度電解銀粉,考察了電解液金屬離子含量、電解液pH值、電解液溫度、電解電流等因素的影響。實驗結(jié)果表明,當(dāng)槽電壓為5 V、電解周期≥24 h、電流密度>600 A/m2、電解液pH<2、Ag+濃度>150g/L、電解液再循環(huán)溫度為25~36℃時,本方法制備的高純度電解銀粉優(yōu)于國標(biāo)IC-Ag 99.99%要求。

        電化學(xué)技術(shù) 高純度銀 大電流 無銅

        0 引言

        銀電解過程是電化學(xué)技術(shù)在貴金屬材料領(lǐng)域的具體應(yīng)用。根據(jù)金屬電極電位不同,以含雜銀板為陽極、不銹鋼板或鈦片為陰極、硝酸銀溶液為電解液,在陽極、陰極上施加直流電流,電解銀粉自陰極析出,其他雜質(zhì)金屬進入電解液中或殘留至陽極泥中,實現(xiàn)銀與其他金屬的分離或者銀的提純[1]。銀電解技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、操作簡單、原料消耗少、產(chǎn)品純度高、不引入新雜質(zhì)、設(shè)備投資小等優(yōu)點,適用于溶液中銀離子濃度較高時,現(xiàn)已成為行業(yè)應(yīng)用最廣泛的銀精煉方法[2]。同時,傳統(tǒng)銀電解技術(shù)也存在著過程能耗高、電解效率低、電解液雜質(zhì)離子凈化操作復(fù)雜、電解銀粉純度因電解液中銅離子含量較高析出而降低等問題[3]。因此,為解決傳統(tǒng)銀電解技術(shù)存在的上述問題和穩(wěn)定控制電解銀粉品質(zhì),大電流(高電流密度)技術(shù)、無銅體系電解技術(shù)等逐漸成為銀電解技術(shù)發(fā)展方向[4, 5]。

        1 實驗部分

        1.1 實驗試劑和儀器

        實驗所用試劑如表1所示。

        實驗所用主要儀器如表2所示。

        表2 實驗所用主要儀器表

        1.2 電解液配制

        使用自制分析純硝酸銀配制電解液,將硝酸銀溶于常溫去離子水中,加入適量硝酸、硝酸鉀調(diào)節(jié)溶液pH及離子濃度,在一定速率下充分?jǐn)嚢?0 min。配制得到的電解液中控制Ag+濃度>150g/L、pH<2。

        1.3 陽極銀板制備

        使用含銀粉末材料制備可控含雜陽極銀板,控制陽極銀板中銀含量>99%、雜質(zhì)金屬總含量<1%、單塊陽極銀板重量約15 kg,同時選擇性控制陽極銀板中雜質(zhì)金屬的種類及組分含量。

        采用電位滴定儀測定陽極銀板中銀含量,采用等離子體發(fā)射光譜儀測定陽極銀板中雜質(zhì)金屬含量,各組分具體含量如表3所示。

        1.4 電解操作

        1.4.1 投料

        向?qū)嶒炿娊獠壑斜萌腚娊庖?,將可控含雜陽極銀板置于陽極袋中并懸掛于陽極導(dǎo)電棒上。

        1.4.2 電解

        電解時開啟整流電源,控制實驗電解槽槽電壓為5 V、電解周期≥24 h、電流密度>600 A/m2、電解液溫度<70℃、陽極殘極率<20%。

        1.4.3 后處理

        電解完成后,過濾分離電解液和電解銀粉,電解液經(jīng)冷卻降溫后泵回循環(huán)槽循環(huán)使用。使用稀酸溶液浸泡電解銀粉,再使用熱去離子水清洗電解銀粉,直至清洗水電導(dǎo)率達標(biāo)。清洗完成后,將電解銀粉置于熱風(fēng)烘箱中干燥,得到高純度電解銀粉。銀電解流程如圖1所示。

        表3 陽極銀板各組分含量表

        圖1 銀電解流程示意圖

        2 實驗數(shù)據(jù)分析

        2.1 電解液金屬離子含量變化影響研究

        電解液中Ag+初始含量較低時,陽極銀板中Ag失去電子進入電解液中,補充Ag+含量至恒定水平;隨著電解過程進行,陽極銀板中部分雜質(zhì)金屬進入電解液中,電解液中雜質(zhì)金屬離子含量逐步升高。電解實驗開始后,每兩小時取樣測定電解液中Ag+含量,每六小時取樣測定電解液中雜質(zhì)金屬離子含量。電解液中Ag+含量和雜質(zhì)金屬離子含量隨電解時間的變化趨勢,如圖2所示。

        從圖2可以看出,電解過程開始后,電解液中Ag+含量和雜質(zhì)金屬離子含量均逐漸升高,表明電解過程是電解液中雜質(zhì)金屬離子逐漸累積的過程。雜質(zhì)金屬離子中Cu2+具有增加電解液導(dǎo)電性、減少濃差極化、改善電解銀粉晶體結(jié)構(gòu)等作用[6],當(dāng)Cu2+濃度較高時會與銀一同在陰極板上析出,導(dǎo)致電解銀粉純度降低。因此,本文采用無銅體系進一步提高電解銀粉純度。

        圖2 電解液中金屬離子含量隨電解時間變化

        2.2 電解液pH值變化影響研究

        電解實驗開始后,每四小時取樣測定電解液pH值,電解液pH值隨電解時間變化趨勢如圖3所示。

        從圖3可以看出,電解液pH值隨電解反應(yīng)進行而逐漸升高,但整個電解過程中pH值均保持<2。這是由于隨著電解反應(yīng)的進行,電解液溫度逐漸升高,硝酸揮發(fā)使溶液中H+濃度降低;同時,電解過程同樣會消耗部分H+,進而導(dǎo)致電解液pH值變化。因此,在電解操作時需要定期向電解液中補酸,保持電解液pH值穩(wěn)定;同時,電解液需要經(jīng)板式換熱器降溫循環(huán),減少硝酸揮發(fā)。

        圖3 電解液pH值隨電解時間變化

        2.3 電解電流變化影響研究

        本文采用恒壓法進行銀電解試驗,每小時記錄恒壓電解過程中電解電流的變化,連續(xù)記錄36小時電解周期內(nèi)電解電流隨電解時間的變化趨勢,如圖4所示。

        根據(jù)圖4電解電流變化趨勢,銀電解過程開始后電解電流隨電解時間先逐漸增大、后逐漸減小,電解結(jié)束時降到最??;同時,陽極銀板質(zhì)量隨電解進行逐漸減小,其投影面積同樣逐漸減小。可以計算出,實驗條件下初始電流密度約為400 A/m2,隨著電解過程進行電流密度最高達到950 A/m2,36小時電解周期結(jié)束時電流密度仍維持在511 A/m2以上。相關(guān)研究結(jié)果表明,控制電解液一定溫度、酸度、濃度條件下,提高電流密度有利于提高電解產(chǎn)能[7]。因此,本實驗采用高電流密度條件分離提純銀,以提高電解效率。

        圖4 恒壓電解過程電解電流隨電解時間變化

        2.4 電解液溫度變化影響研究

        電解過程中電解液溫度不斷升高,因此需要對其進行循環(huán)冷卻。電解實驗開始后,每小時測量電解液溫度,重復(fù)兩組實驗,電解液溫度隨電解時間變化趨勢如圖5所示。

        從圖5可以看出,電解過程中電解液溫度隨電解進行而逐漸升高,從初始狀態(tài)25°C升高到結(jié)束狀態(tài)36°C。根據(jù)楊其壬[8]等研究,電解液溫度一般控制在30~50°C,電解液溫度較低時,電阻大、電能消耗大;電解液溫度較高時,酸霧大、電解銀粉返溶。而銀電解過程中不需加熱,通過電化學(xué)反應(yīng)維持電解體系溫度,并通過熱交換器循環(huán)電解液調(diào)節(jié)體系溫度。

        同時,圖5中實驗結(jié)果同樣表明,硝酸因電解液溫度升高而揮發(fā),導(dǎo)致電解液中H+濃度降低、pH值增大。

        電解結(jié)束后,經(jīng)過濾、酸浸、清洗、烘干等步驟得到高純度電解銀粉,采用等離子體發(fā)射光譜儀測定雜質(zhì)金屬含量,采用差量法確定銀含量,各組分具體含量如表4所示。從表4中數(shù)據(jù)可以看出,采用本實驗方法制備的高純度電解銀粉,其銀含量和雜質(zhì)含量均滿足IC-Ag 99.99%標(biāo)準(zhǔn)[9]。

        表4 電解銀粉各組分含量表

        注:表中“—”表示未檢出。

        3 結(jié)論

        本文研究了大電流、無銅體系條件下恒壓銀電解工藝過程影響因素,確定了大電流、無銅體系條件下恒壓銀電解最佳工藝參數(shù):控制電解液中Ag+濃度>150 g/L,并加入硝酸鉀增加導(dǎo)電性、加入硝酸保持電解液pH<2;控制槽電壓為5 V、電解周期≥24 h、電流密度>600 A/m2;控制經(jīng)熱交換器冷卻后再循環(huán)電解液溫度為25~36℃。實驗結(jié)果表明,在最佳條件下本方法制備的高純度電解銀粉參數(shù)優(yōu)于國標(biāo)IC-Ag 99.99%指標(biāo)要求。

        [1] 吳思鴻, 張煥然, 張永鋒等. 銀電解精煉生產(chǎn)及設(shè)備優(yōu)化實踐[J]. 有色金屬(冶煉部分), 2017(11): 54-56.

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        Study on the influence of silver electrolysis process under the high current and copper-free system

        Chang Yichuan, Li Yulong, Li Daiying, Tan Zhiwei, Wu Wenbiao

        (Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

        TF832

        A

        1003-4862(2023)10-0026-04

        2022-07-28

        2022年黃岡市本級科技創(chuàng)新專項重點Ⅱ類項目(高可靠性銀基電接觸材料研制及產(chǎn)業(yè)化ZDXM20220021)

        常意川(1993-),男,工程師。研究方向:貴金屬功能材料和精煉。E-mail:changyichuan2015@163.com.

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