同槽双极锰电沉积清洁节能工艺

发布时间：2020-03-30 02:59

【摘要】：为解决传统电沉积锰或者二氧化锰工艺的电能消耗大、生产能力低、酸污染等问题,早在上个世纪70年代,国外就有相关研究人员将锰和二氧化锰电解工艺结合,同时电解的相关研究报道,同槽电解可以克服锰或者二氧化锰单独电解时的高能耗问题,传统的工业隔膜透液率、耐热和抗氧化性能亦较差,使用寿命短,需频繁更换,国内外已经有用离子交换膜代替传统物理隔膜的相关研究,且离子交换膜制备的产品电流效率普遍高于物理隔膜。本次研究课题以离子交换膜为基础,结合电解金属锰及二氧化锰的特点,利用阴阳离子膜交换膜的选择透过性,将传统的单膜双室电沉积工艺用双膜三室工艺代替,以MnSO_4为电解主盐,在离子交换膜的基础上研究同槽双极锰电积生产工艺,进行理论分析和实验模拟,改进和完善生产装置,探究不同的实验条件来实现精确控制参数、改善水力条件、降低能耗、提高电积效率以及添加不同添加剂来改善电沉积锰的质量等。可降低能耗,提高生产效率,通过中隔室两侧阴阳离子的选择透过性回收硫酸,从而减少了废酸对环境造成的酸污染。设计多因素多梯度实验,最终确定经济合理的运行条件以及对电积锰和二氧化锰品质好坏的最显著影响因素。并且对影响技术指标的各个因素进行探讨,获得较优的电解条件,实现通过最低能耗达到较高生产能力的目的,同时可以解决酸污染对环境造成的危害。通过单因素试验得到各因素较为合理的范围值,较低的Mn~(2+)浓度易发生锰贫化,降低电流效率,过高的Mn~(2+)浓度易产生Mn(OH)_2沉淀,阴极Mn~(2+)浓度在30 g/L-40 g/L,阳极在40 g/L左右为宜;过高的电流密度会影响膜的选择透过性能,阳极易发生副反应,析氧速率增大,过低能耗和槽电压升高,酸回收率降低。阴极电流密度在300A/m~2-350A/m~2,阳极在900A/m~2范围内为宜;阴极缓冲剂(NH_4)_2SO_4浓度和硒添加剂浓度过高和过低都不利于锰的析出,因此初定(NH_4)_2SO_4浓度为100g/L-110g/L,SeO_2浓度为0.03g/L;过低的温度会降低电流效率,温度过高阳极析氧速率加快,易发生副反应,二氧化锰晶粒团聚严重,易产生裂纹、锰板发黑严重,因此,温度在35℃附近为宜;阳极液硫酸浓度过低不利于槽电压和能耗,过高电解液中大量的H~+数量会抑制主反应的进行,二氧化锰的生成速率减慢,电流效率降低。所以,H_2SO_4浓度在2mol/L至2.5mol/L为宜。通过正交试验确定最优工艺条件参数为:阴极Mn~(2+)浓度为35g/L,阴极电流密度为300A/m~2,阴极(NH_4)_2SO_4浓度为90 g/L,阳极Mn~(2+)浓度为40g/L,阳极电流密度为1050A/m~2,阳极H_2SO_4浓度为2.5mol/L,电解温度为40℃。在最优工艺条件参数下,阴极电流效率为61.7%,阴极能耗为8539kWh·t~(-1),阳极电流效率为60.3%,阴极能耗为5522kWh·t~(-1),硫酸回收率为29.8%,槽电压为5.4V。论文通过大量的数据,分析双膜三室工艺在同槽电解锰和二氧化锰方面的优越性,并通过和单膜双室的横向试验对此,论证双膜三室工艺在节能、环保、经济性等方都优于单膜双室,有效降低了酸污染对周围环境和空气带来的危害,而且回收的硫酸可循环利用。目前,本课题研究仅限于实验室小规模模拟和理论分析,处于初步探索阶段,以后可在此基础上改进装置,优化运行条件,将同槽双极锰电积技术投入实际生产和大规模工业化应用。
【图文】：

试验装置图,试验装置,交换膜,中隔

兰州交通大学硕士学位论文置课题的实验装置主要是由以下几个部分所构成的：试验主体源、阴阳离子交换膜（IONSEPTM杭州埃尔环保科技有限公司浴锅等。主体试验电解槽采用的是双膜三室结构（聚甲基离子交换膜将电解槽分割成三个电解室，分别是阴极室、中隔SO4电解液、(NH4)2SO4缓冲剂和添加剂，中隔室为 0.5％的MnSO4组成的强酸性电解液。阴、阳离子交换膜与阴、阳电板间距为 180mm。实验装置如图 2.2 所示。

电流效率,能耗,锰离子

图 3.1 CMn2+对电流效率和电压的影响Fig.3.1 Effect of CMn2+on current efficiency and voltage流效率、槽电压、中隔室硫酸回收率和能耗四个指标分析由图 3.1 分析得知，随着电解液中 Mn2+浓度的逐渐增加先升高后逐步平稳下降的趋势，在 20 g/L 至 35 g/L 区间近达到最大值，随后随着浓度的增加缓慢下降；但是电压是的抛物线走势，在30 g/L至40 g/L区间变化不大，当锰离子明显增快。察分析，能耗与图 3.1 中的变化趋势刚好相反，，能耗趋之后随着 Mn2+浓度的递增，呈直线递减趋势，当浓度超回收率随着锰离子浓度增加呈近似折线式上升，35 g/L 趋于平缓，之后回收率有所下降。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X781;O646

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