電解槽參數(shù)對(duì)碘化浸出液中金沉積效果的影響

李桂春，孟齊，康華

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

電沉積法從碘化浸出液中回收金具有占地面積小、不添加其他化學(xué)試劑、流程簡(jiǎn)單、金屬沉積率高等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。電沉積反應(yīng)在電解槽中進(jìn)行，根據(jù)相關(guān)研究學(xué)者的實(shí)驗(yàn)可知，所用的電解槽都處于實(shí)驗(yàn)室階段，存在電流效率低、處理量小等問(wèn)題。所以，電解槽的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否直接影響到電沉積效果。張建武等[5]研究了從稀貴液中電解沉積金，在電解槽設(shè)計(jì)上提出新的改進(jìn)措施：陰極材料采用多孔、外形曲折的電極，電流效率提高至7%～10%。針對(duì)陰極材料的選擇，鈦板表面為多孔結(jié)構(gòu)，使金屬能較好的吸附并方便析出，實(shí)驗(yàn)得出金沉積效果明顯提高[6-9]。李桂春等[10]通過(guò)自制電解槽對(duì)碘化浸出液進(jìn)行電沉積金試驗(yàn)，電解槽兩極區(qū)用陰離子交換膜隔開(kāi)，陽(yáng)極采用沖孔鈦板，陰極采用碳棒。結(jié)果表明：此電解槽用于碘化浸出液中回收金具有可行性且回收效果明顯。

實(shí)驗(yàn)采用自制電解槽，陽(yáng)極區(qū)為碘與碘化鉀配制的碘液，陰極區(qū)為金粉配制的溶液。確定電解槽的離子交換膜種類、陰極材料和陽(yáng)極材料的種類以及兩極板間距離，并記錄反應(yīng)過(guò)程中溶液的電流強(qiáng)度，計(jì)算電流效率和金沉積率，分析電解槽不同參數(shù)對(duì)金沉積效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與裝置

碘、碘化鉀均為分析純；純金箔(99.99%)；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

離子交換膜(11 mm×5 mm×0.2 mm)；鈦板、不銹鋼板尺寸都為120 mm×70 mm×1 mm；石墨板(120 mm×70 mm×4 mm)。

AA-6880原子分光光度計(jì)；FA214電子天平；RXN-305D直流穩(wěn)壓電源。

實(shí)驗(yàn)裝置:電解槽(見(jiàn)圖1)為自制的矩形復(fù)合材料槽(12 cm×8 cm×9 cm)，電解槽由離子交換膜隔開(kāi)為陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)，兩極板間可以自由調(diào)節(jié)間距。陽(yáng)極板和陰極板分別連接直流穩(wěn)壓電源的正極和負(fù)極。

圖1 電解槽示意圖

1.2 溶液配制

陽(yáng)極液的配制，碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%，碘與碘化鉀摩爾比1∶10，先將碘化鉀倒入燒杯中，加去離子水?dāng)嚢柘♂屓芙猓缓蟮谷氲鈫钨|(zhì)，加去離子水至溶液體積為50 mL，攪拌至燒杯底部的碘單質(zhì)不再溶解即可。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將已配制的溶液(50 mL)放入電解槽的陰極區(qū)，將配制好的碘液(50 mL)作為電解質(zhì)放入電解槽的陽(yáng)極區(qū)，離子交換膜采用陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜，陰極材料為鈦板、石墨板、碳纖維板。陽(yáng)極材料為不銹鋼板、石墨板、鈦板。反應(yīng)過(guò)程中記錄電流強(qiáng)度，根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算反應(yīng)過(guò)程中的電流密度和電流效率，反應(yīng)完成后取出陰極液作為待測(cè)樣品，用原子吸收分光光度計(jì)對(duì)其進(jìn)行金含量測(cè)定，最后根據(jù)公式(3)計(jì)算金的沉積率。

電流密度是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一單位面積的電量，公式如下[11]：

(1)

式中J——電流密度，A/m2；

I——電流強(qiáng)度，A；

V——陰極液體積，mL；

h——陰極區(qū)橫向長(zhǎng)度，cm。

電流效率是反應(yīng)后實(shí)際金析出量與理論上通過(guò)同等電量應(yīng)得金的質(zhì)量比，公式如下[11]：

(2)

式中 φ——電流效率，%；

G——t時(shí)間內(nèi)陰極實(shí)際金析出量，g；

I——電流強(qiáng)度，A；

t——電解時(shí)間，h。

金的沉積率計(jì)算公式如下：

(3)

式中η——金的沉積率，%；

C0——電解前陰極區(qū)溶液的金濃度，mol/L；

C1——電解后陰極區(qū)溶液的金濃度，mol/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 理論

金在電解槽的陰極沉積，并進(jìn)行析氫反應(yīng)：

(4)

2H2O + 2e=H2+ 2OH-

(5)

陰極區(qū)的I-進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)，在陽(yáng)極被氧化，同時(shí)伴隨氧氣的析出：

2H2O-4e=O2+4H+

(6)

2I--2e=I2

(7)

陽(yáng)極區(qū)的I-濃度不斷升高，與陽(yáng)極區(qū)溶液中過(guò)量的碘化鉀繼續(xù)反應(yīng)，最終碘會(huì)在碘液中發(fā)生溶解，所以當(dāng)電解沉積反應(yīng)完成時(shí)，陽(yáng)極區(qū)氧化生成的碘一部分沉積在陽(yáng)極板上，一部分會(huì)循環(huán)溶解于碘液中[12]。

(8)

電沉積金是共析過(guò)程，在陰極區(qū)金碘絡(luò)合離子放電時(shí)，還有一些離子和水放電，根據(jù)電化學(xué)方面分析得出[13]：

φ析Au=φAu可逆-η電Au-η材Au

(9)

φ析H2=φH2可逆-η電H2-η材H2

(10)

式中，η為過(guò)電位，由電極材料沉積金引起的過(guò)電位η材Au。

以上公式可以看出，選擇提高η材氫，減少η材金的陰極材料，可以減少析氫反應(yīng)所消耗的電能，有利于金的高效沉積。

2.2 離子交換膜種類對(duì)金沉積效果的影響

離子交換膜分別采用陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜，進(jìn)行了兩組不同條件的比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：在常溫(25 ℃)條件下，鈦板作陰極，石墨板作陽(yáng)極，電解時(shí)間2 h，兩極板間距離80 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1(A為陰離子交換膜；B為陽(yáng)離子交換膜)。

表1 不同離子交換膜種類的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 不同陽(yáng)極材料對(duì)金沉積效果的影響

陽(yáng)極分別采用不銹鋼板、石墨板和鈦板進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：鈦板作陰極，采用陰離子交換膜，槽電壓13 V，兩極板間距80 mm，電解不同時(shí)間后，結(jié)果見(jiàn)圖2。

(a)不同陽(yáng)極材料的電流效率 (b)不同陽(yáng)極材料的金沉積率

由圖2可知，3種陽(yáng)極材料中，不銹鋼板的電流效率最高，但金回收率最低，在電沉積實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，不銹鋼板底部有小面積腐蝕，原因是不銹鋼板的抗氧化性相較于石墨板和鈦板較弱，本身會(huì)參與反應(yīng)而導(dǎo)致沉積金的效率降低。在電解2 h時(shí)，電流效率急劇下降為5%～8%，金的沉積率為95.40%，繼續(xù)增加電解時(shí)間，3種陽(yáng)極材料對(duì)電流效率和金沉積率的影響趨緩。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈦板作陽(yáng)極時(shí)，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后浸沒(méi)于陽(yáng)極液的鈦板上附著一層黑色的碘化物斑點(diǎn)，不利于鈦板的繼續(xù)使用且造成碘的浪費(fèi)。當(dāng)石墨板作陽(yáng)極時(shí)，電解2 h后，電流效率雖然略低于鈦板，但是金沉積率高于鈦板，且保持在95%以上，故陽(yáng)極材料選擇石墨板最佳。

2.4 不同陰極材料對(duì)金沉積效果的影響

陰極分別采用石墨板、鈦板和碳纖維進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：石墨板作陽(yáng)極，采用陰離子交換膜，槽電壓13 V，兩極板間距80 mm，電解不同時(shí)間后，結(jié)果見(jiàn)圖3。

(a)不同陰極材料的電流效率 (b)不同陰極材料的金沉積率

由圖3可知，電解2 h后，陰極材料采用石墨板、鈦板和碳纖維板的金沉積率都在90%以上，由于這些材料表面為多孔結(jié)構(gòu)，較大的比表面積和過(guò)濾性能穩(wěn)定[10]，增大溶液中金碘絡(luò)合離子與電極表面的接觸使得金的電解沉積率有所提高，但是此時(shí)電流效率只有5%左右，原因是隨著電解時(shí)間的增加，可以得出陰極區(qū)水放電析出氫的電能消耗越大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金沉積所消耗的電能(公式9、10)，供給電流I=I1+I2，其中，I1為沉積金的電流，I2為水放電析出氫的電流，I2所消耗的電能較大是整個(gè)反應(yīng)電流效率低的主要原因[11]。考慮到碳纖維板的價(jià)格遠(yuǎn)高于鈦板，且采用鈦板作陰極材料的實(shí)驗(yàn)效果僅略低于碳纖維板，即選擇鈦板作陰極材料最合適。

2.5 兩極板間距離對(duì)金沉積效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：鈦板作陰極，石墨板作陽(yáng)極，采用陰離子交換膜，槽電壓13 V，電解一定時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)圖4。

(a)不同兩極板間距離的電流效率 (b)不同兩極板間距離的金沉積率

由圖4可知，兩極板間距離不同的變化曲線重合度較高，說(shuō)明沉積金過(guò)程中兩極板間距離的改變對(duì)電流效率和金沉積率的影響較小，當(dāng)電解時(shí)間為2 h時(shí)，電流效率和金沉積率分別在4.5%～5.5%和94%～96%。在實(shí)際應(yīng)用中，兩極板間距離可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用電解槽的大小以及實(shí)驗(yàn)的便捷性進(jìn)行范圍內(nèi)調(diào)整。

2.6 優(yōu)選條件下金沉積效果

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)得出的優(yōu)選條件為電解槽采用陰離子交換膜，鈦板作陰極，石墨板作陽(yáng)極，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用電解槽，兩極板間距離設(shè)定為60 mm，工藝條件為：陰極液金濃度為60 mg/L，陽(yáng)極液碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，碘化鉀與碘摩爾比為10∶1，槽電壓為14 V，電解一定時(shí)間后，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)選條件下金沉積效果

由圖5可知，隨著電解時(shí)間的增加，電流效率呈下降趨勢(shì)，而金沉積率逐漸上升，當(dāng)電解2 h時(shí)，電流效率和金沉積率分別為5.12%和95.04%。

3 結(jié)論

(1)離子交換膜種類、陽(yáng)極材料和陰極材料是影響電解槽電沉積金效果的主要因素。

(2)實(shí)驗(yàn)所用電解槽參數(shù)為陰離子交換膜、石墨板作陽(yáng)極、鈦板作陰極，兩極板間距離為60 mm時(shí)，電流效率和金沉積率在5%～8%和95%以上。優(yōu)選條件下，電解2 h后，電流效率和金沉積率為5.12%和95.04%。在較高電流效率的情況下實(shí)現(xiàn)金的高效沉積。

(3)增加電解時(shí)間可以有效的提高金沉積率，但是由于陰極金還原沉積時(shí)伴隨水的析氫反應(yīng)，導(dǎo)致電流效率降低和過(guò)多的電能損耗，即在不影響金沉積率的前提下應(yīng)選擇抑制析氫反應(yīng)較好的陰極材料。