碱性木糖醇体系中铅离子电沉积机理及阴极形貌控制研究

The electrometallurgy is the mostly used hyrometallurgical processes to recovery lead from exhausted lead-acid batteries,including acidic medium and akaline medium. The mostly used electrolyte in existing hydrometallurgical processes is acidic, which is harmful to the environment and human health. The alkaline electrometallurgical processes have some disadvantages such as powdery or cavernous lead deposited in cathod, which is easily oxidized and need to be refined later. The morphology control of cathodic lead limits the application of hydrometallury in recovering lead in exhausted batteries. In this project, lead paste of the exhausted acid-lead batteries is leaching in alkaline solutions containing xylitol and lead is recovered by subsequently electrowinning procedure. The research is focused on the dissolving performance of lead compound in the alkaline solutions containing xylitol, the electrode reaction mechanism of lead in this solutions, influences of electrowinning parameter to the purity and morphologyof the electrodeposited lead. The accomplishment of this project would solve the key technical problems and reduce the environmental pollution, which is of great significant to the lead recovery of lead paste from exhausted acid-lead batteries. The use of xylitol in metallurgical industry could improve the working environment for it is poisonless and harmless. Furthermore, the results of this research would provide some useful information to the separation of the valuable metals in the intermediate material and metal electrorefining in alkaline solutions containing xylitol.

目前废铅酸蓄电池铅膏的湿法回收主要采用电冶金方法，包括酸性体系和碱性体系，酸性体系对环境和人体健康存在危害，而碱性体系得到的阴极铅多为粉状或海绵状，需二次加工，制约了湿法工艺在再生铅生产中的应用。针对这些问题，本项目提出在含有木糖醇的碱性溶液中进行“铅膏(转化)浸出-电积”回收铅，主要内容是研究铅膏中主要化合物在碱性木糖醇体系中的溶解机理和溶解规律；通过电化学测试考察铅在该体系中的电沉积机理，确定铅配合物离子的放电过程；研究电积过程中新型添加剂对阴极铅形貌的影响，确定其整平机理；优化完整的铅膏回收技术参数，为建立废铅酸蓄电池的清洁冶金新工艺奠定应用基础。本项目的完成，有望突破废铅酸电池清洁冶金的关键技术，降低环境污染，对提高我国铅蓄电池的回收水平具有重要意义。木糖醇无毒无害，应用于冶金工业，可改善生产环境，符合绿色经济的要求。此外，本研究还可为该体系应用于中间物料分离、金属精炼等提供借鉴。

废铅酸蓄电池的高效回收提取可降低铅污染，提高二次铅资源利用率。针对目前铅膏处理工艺的弊端，本项目开展了碱性木糖醇体系“铅膏(转化)浸出-电积”回收铅的研究。分别以PbO2、PbO 、PbSO4 和铅膏为原料，考察溶解温度、时间、木糖醇浓度、氢氧化钠浓度等因素对其溶解性能的影响，研究铅膏中主要成分的溶解规律，确定醇浓度和氢氧化钠浓度是关系溶解量的最显著影响因素，优化了浸出条件，实现了铅膏的短流程浸出。进行木糖醇与铅形成化合物的鉴定和表征，XRD和FTIR分析表明在溶解过程中形成了含铅金属有机化合物。进行了PbSO4的脱硫转化和的PbO2还原研究，结果表明NaOH脱硫效果优于Na2CO3，Na2SO3的还原效果优于FeSO4，PbO2的还原率可达到100%。分别对铅膏预脱硫/直接浸出得到的浸出液进行电积提铅，考察电流密度、铅浓度、氢氧化钠浓度、硫酸钠浓度、温度、添加剂等因素对电流效率、槽电压、阴极铅形貌的影响。确定了最佳的电积提铅工艺条件，电流效率大于97%。阴极铅致密平整，纯度大于99.994%。利用电化学测试技术（循环伏安法、线性扫描法、计时电流法等）研究了铅在碱性木糖醇溶液中电解的电极反应机理，考察了铅在阴极电沉积的初期行为。根据线性扫描伏安曲线计算了阴阳极交换电流密度、表观传递系数、活化能、反应级数等电极动力学参数。根据不同扫描速度下的循环伏安曲线，推断出铅在碱性木糖醇体系的电沉积为高度不可逆电极反应。拟定了铅在碱性木糖醇溶液中的电沉积机理并利用表观传递系数论证了拟定机理的正确性。计时电流法的实验结果表明，铅在碱性木糖醇体系中的电结晶过程符合扩散控制下的三维连续成核机理。外加电位对晶体生长速率和电极表面的饱和晶核密度有显著影响，晶体生长速率和饱和晶核密度随外加电位的增加而增大。由计时电流暂态曲线求出了铅离子的扩散系数。本项目的完成，为碱性木糖醇体系应用于废铅酸蓄电池回收提供一定的理论依据，同时为该体系应用于含铅物料处理、金属精炼等提供借鉴。