第十五章-水溶液电解质电解综述.ppt

1、湿法冶金原理第三章水溶液电解质电解教学内容:电解工艺概述；阴极工艺；阳极工艺；电解工艺槽电压、电流效率和电能效率教育要求:了解电解的基本原理、阳极、阴极、电解质的概念；了解水溶液电解过程的阳极反应和阴极反应。了解电解过程中槽电压的概念，掌握电流效率和电源效率的计算方法。教学重点和难点:水溶液电解过程的正负反应对生产过程的影响；电流效率和电源效率计算方法。第15章水溶液电解，15.1概述15.2阴极工艺15.3阳极工艺15.4电解工艺15.5槽电压，电流效率和电能效率，15.1概述，1基本概念电解的本质是将电能转换为化学能的过程。有色金属水溶液电解质电解适用于(1)从浸出(或净化)的溶液中提取金

2、属的两个方面。(2)从粗糙金属、合金或其他冶炼中间产品(如垫子)中提取金属。电解过程将阴阳两电极反应合成阴极，产生的反应是物质得到电子后称为阴极反应的还原反应。两极发生的反应是物质失去电子的氧化反应，称为阳极反应，两极有溶解和不溶性两种。15.1概述，2分解电压理论分解电压电解质水溶液，欧姆电阻小，认为可以忽略的话，可逆情况下分解所需的最小电压称为理论分解电压。实际分解电压是电解质溶液中持续发生电解反应所需的最低电压，称为电解质的实际分解电压。显然，实际分解电压大于理论分解电压，有时大得多。15.2阴极工艺，阴极中1氢的沉淀1.1氢的沉淀过程第一过程-水合(H3O)离子的脱水化。(H3O) x

3、h2o (h3o) xh2o的第二过程脱水化(H3O)离子的放电，结果产生金属(电极)吸附的氢原子。(h3o) H2O h eh (me)的第三过程阴极表面吸附的氢原子由于溶液过饱和而结合成氢分子。h hh2 (me)的第四个过程-氢分子的解吸和溶液进入，可以在阴极表面生成氢气泡进行析出：xH2 (me) me xh2(溶解)xH2(溶解)xh2(气体)，15.2阴极过程，氢离子在阴极上放电析出的超电势具有很大的实际意义。在电解水中制造氢的情况下，氢的超电势高是不可取的，因为电力消耗太多。但是对于有色金属冶金中锌、铜等水溶液的电解，氢的超电势有利于金属析出。氢的超电势主要基于阴极材料、电流密度

4、、电解质温度、溶液成分等的塔佩尔方程：(15-1)，15.2阴极工艺，影响氢的超电势的元素电流密度的电解质成分影响阴极表面状态的电解质成分，15.2阴极工艺，2金属离子的阴极还原周期表中左侧金属元素的特性越活跃，水溶液的性质就越大越接近右侧的金属元素，将电沉积还原到阴极的可能性就越大。水溶液中，简单金属离子通常以铬系列元素为边界。铬系左边的金属元素不能将电沉积还原到水溶液中的阴极。铬族元素除了铬在水溶液中更容易还原阴极中的电沉积外，钨和钼的电沉积是很困难的。铬系右侧的金属元素在水溶液中阴极上还原电沉积更容易。通过还原过程产生非纯金属合金时，由于产物的活动减少，有利于还原反应的实现。溶液中金属离

5、子以比水合离子稳定的络合离子形式存在，析出电位变为负值，不利于电解。在非水溶液的情况下，金属离子的溶剂能量与水合化能量可能有很大差异，15.2阴极工艺，3阳离子的阴极上的共同放电3.1金属阳离子的同时放电阳离子的共同放电条件是，(15-2)，因此两种离子的共同放电与4个因素有关。也就是说，与金属标准电位、溶液的放电离子活性、电极上放电时的超电位有关。15.2阴极工艺，3正离子在阴极上同时放电3.2金属离子和氢离子，金属的析出电位比氢的析出电位要暗得多。与氢的析出电位相比，金属的析出电位得到了很大的修正。金属的析出电位类似于氢的析出电位，但金属的析出电位仍然更像氢的析出电位。但是氢是负的，而15

6、.2阴极工艺，4电结晶工艺要求在有色金属的水溶液电解过程中有致密平坦的阴极沉积表面。阴极沉积物形成过程有两个并行的过程：原子核的形成和晶体的生长。影响阴极沉积物结构的主要因素(1)电流密度(2)温升(3)搅拌速度(4)氢离子浓度(5)添加剂，水溶液电解质电解过程中可能发生的阳极反应，可以分为以下几种基本类型：(1)金属的溶解：Me ze A5;其溶解电位如下。金属溶解电位的大小不仅与金属性质有关，还与溶液中那种金属离子的活性、可溶性阳极中金属的活性、那种金属的氧化超电位等有关。(15-3)，15.3阳极工艺，2阳极钝化2.1钝化现象阳极极化时，如果阳极电极电位偏离平衡电位，则发生阳极金属的氧化

7、溶解。随着电流密度的增加，极化程度的增加，偏差越大，金属的溶解速度也越大。电流密度增加到一定值，极化达到一定水平时金属的溶解速度不会提高，而是急剧降低。此时，金属表面将从“激活”状态过渡到“钝化”状态。从激活状态转变为钝化状态的这种现象称为阳极钝化现象。图15-1是阳极钝化曲线的示意图。15.3阳极工艺，图15-1阳极钝化曲线图，15.3阳极工艺，2.2钝化理论钝化原因，目前有星形膜理论和吸附理论两种共存理论。星形膜理论认为金属阳极钝化的原因是阳极表面产生了将金属和溶液分开单独阶段的致密、复盖良好的固体物质。吸附理论认为，金属钝化不必形成新的固体产物膜，特定粒子吸附在金属表面或部分表面形成吸附

8、层，金属和溶液之间的界面发生变化，阳极反应激活能量提高，金属表面的反应性降低，防止钝化发生，或重新激活钝化的金属，经常采取加热、还原的气氛，阴极极化，改变溶液的pH值，或添加特定活性负离子等措施。15.3阳极工艺，3合金阳极的溶解电解生产中使用的阳极不是单一金属，往往比主要金属包含正负电元素，构成合金阳极。合金阳极多种多样，二元合金可分为三大类：(1)两种金属晶体形成机械混合物的合金；(2)形成连续固溶体的合金；(3)形成金属相互化合物的合金。，15.3阳极工艺，4不溶性阳极及其工艺，不溶性阳极一般使用(1)电子电导率和不氧化石墨(碳)的部分材料。(2)电位是在电解条件下位于水的稳定度的氧气线

9、上的各种金属，其中首先是铂；(3)电解条件下发生钝化的各种金属，如硫酸溶液中的铅；碱性溶液的镍和铁。在硫酸溶液中，铅或铅使用合金作为阳极。铅阳极稳定性差，含0.0l9mol分数银的铅合金比较稳定。在被二氧化铅覆盖的阳极上，氧的超电势很大。铅在阳极上氧的超电势较低。以15.4电解工艺、在硫酸水溶液中使用两个铜电极的电解(图15-4)为例，讨论电解工艺的历程。图15-4 CuSO4水溶液中，使用两个铜电极的电解图，15.4电解过程，如果没有在未连接电源之前制造平衡断裂元件的因素，则两个铜电极的平衡电位必须相同。如果将电极连接到电源，电极电位就会改变，电路中的电流就会流动。电源的阴极使电极电位沿负方

10、向移动，朝向连接的阴极输入电子。阳极从连接的阳极中抽出电子，使电极电位正向移动。硫酸铜溶液电解的极化曲线如图15-5所示。电解槽电路连接之前，电流不通，两个电极的电势都等于e。连接电路后，设置阴极电位值K，设置阳极电位值A。此时，反应开始在电极上进行，其速度由阴极电流强度IK和阳极电流强度IA确定。15.4电解工艺，图15-5表明，CuSO4水溶液电分解为两个铜电极的极化曲线图，15.4电解工艺，此或其原因导致阳极电位达到足够高的正数时，金属离子的转移溶液可能非常慢或完全停止。在这种情况下，离子氧化开始，阳极转子进入钝化状态。如果阳极发生钝化，则电流强度降低，阴极电流强度降低。必须指出，阳极的钝化往往给金属精炼的可用性阳极电解过程带来困难。但是在将铅作为不溶性阳极用于金属硫酸盐溶液的电解过程中，由于阳极钝化而形成在铅表面的二氧化铅薄膜有利于工艺进展。对15.5插槽电压、电流效率和电源效率、1插槽电压一个电解槽，电解反应所需的电压称为槽电压。et=ef e er，(15-4)，(15-5)，(15-6)，15.