锌电积零电位氢气扩散阳极的制备与性能研究

Lead-based alloy is widely used as anode materials in zinc electrowinning, the high anodic potential generated in the oxygen evolution reaction is one of the most important problems to be solved. A new type of hydrogen diffusion anode for zinc electrowinning will be prepared by a heat pressure polymerization method. It will avoid the generation of oxygen evolution reaction on the lead-based alloy anode, thus energy saving of zinc hydrometallurgy, and improving the quality of cathode zinc at the same time. Based on the systematic design and preparation of zero potential hydrogen diffusion anode, the mass transfer on the anode, the kinetics of the electrode reaction process in zinc sulfate electrolyte, the effective rules of the electrolyte species on the anode properties and the zinc electrowinning with the anodes will be studied. It will mainly solve the key scientific issues about the gas/liquid/solid three-phase interface electrocatalytic oxidation mechanism, the mass transfer mechanism of molecules, protons and electrons，and the anodes polarization characteristics. Then the steady-state mathematical model of the anode, the kinetics mathematical model of the anode reaction process, and the energy consumption mathematical model of zinc electrowinning with the anodes will be established. The basic theoretical system which can guide the preparation of the anode will be established. It will enrich the content of hydrometallurgy and it's of an important scientific significance to develop the basic theoretical system of zinc hydrometallurgy.

目前，锌电积阳极材料仍使用铅基合金，其析氧电位高是亟待解决的重要难题之一。本项目采用热压聚合的方法制备零电位氢气扩散阳极以电积锌，避免应用铅基合金阳极电积锌析氧电位的产生，从而降低湿法炼锌能耗并提高阴极锌品质。项目在系统设计与制备零电位氢气扩散阳极的基础上，对物质在其上的传递机制、其在硫酸锌电解溶液中的电极反应过程动力学、常规锌电解溶液中物种对其性能的影响规律和其锌电积过程进行系统研究，重点解决：零电位氢气扩散阳极气/液/固三相界面电催化氧化机理，分子、质子、电子传递机制和电极极化行为的关键科学问题，建立零电位氢气扩散阳极应用于锌电积的稳态数学模型、电极反应过程动力学数学模型和能耗数学模型。通过研究，建立零电位氢气扩散阳极制备与性能的基础理论体系，为其制备提供理论指导。该研究将丰富湿法冶金内容，对发展湿法炼锌基础理论体系具有重要科学意义。

研究开发湿法炼锌新型节能型阳极具有重要的科学意义和现实价值。在本项目执行过程中，主要完成了以下研究内容：（1）对氢气扩散阳极电积锌基础理论进行了研究，结果表明HDA阳极反应为氢气的氧化反应，避免了传统阳极析氧电位的产生，可降低约50%的锌电积能耗；（2）对氢气扩散阳极进行了设计与制备，设计并制备了2类不同氢气扩散阳极结构，2类平板基底和3类催化剂；（3）采用TEM、EPMA和电化学测试对决定氢气扩散阳极性能的粉末微电极进行了表征，结果表明其具有较好的催化氧化性能；（4）对氢气扩散阳极电积锌物质传递规律即电极反应过程动力学进行了研究，结果表明：氢气通过憎水型颗粒构成的微孔，扩散到半亲水的气液界面并进而向催化剂表面扩散，在催化剂表面进行吸附、反应及电子转移，电子沿着导电碳颗粒、碳纸传递到高纯石墨电极上，在HDA锌电积过程中，氢气扩散、吸附及产物传递较快，不是限制环节，氢气在气-液-固界面催化氧化为控制性环节；（5）溶液中H+、Zn2+、Fe2+、Fe3+、Co2+等物种对氢气扩散阳极性能均有影响，其中H+对氢气扩散阳极性能的影响尤为显著，其会导致氢气扩散阳极变形、膨胀甚至破损，从而减少寿命；（6）HDA对比传统铅银合金阳极电积锌，研究了不同Zn2+浓度，H2SO4浓度，异极距，电流密度，温度，时间对锌电积槽电压、电流效率、直流电能单耗的影响。结果表明：HDA应用于锌电积试验的槽电压(1.462-1.681V)，直流电能单耗(1344.74-1566.72kW▪h/t)明显低于Pb-Ag合金阳极的槽电压(2.913-3.377V)，直流电能单耗(2730.83-3181.71kW▪h/t)，HDA应用于锌电积试验的电流效率(87.36-94.41%)略高于Pb-Ag合金阳极的电流效率(84.67-93.53%); HDA相对于传统Pb-Ag合金阳极，稳定性稍差。通过本项目的执行，建立了氢气扩散阳极制备与性能的基础理论体系，丰富了湿法冶金内容，对发展湿法炼锌基础理论体系具有重要意义。