電鍍錫用錫補充裝置及試驗應用

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在不溶性陽極電鍍錫工藝應用以來，維持電鍍液中二價錫離子的濃度已經是電鍍錫線多年的挑戰性問題了，在電鍍期間，錫離子在電鍍槽中持續消耗，因而需要補充二價錫離子以保持一致的電鍍過程。

目前主要采取的溶錫工藝是充氧溶錫法[1]，在電鍍液流入溶錫槽之前，向電鍍液中沖入飽和的氧氣，將金屬錫粒氧化溶解生成Sn2+，但是不可避免地會有Sn2+氧化生成Sn4+，進而產生錫泥[2，3]。錫泥的產生不但造成錫損失，還會影響鍍層質量，因此需要經常清除鍍液中的錫泥，導致錫的損失[4，5]。實際生產過程中錫元素的損失量約為10%～15%，以年產20萬噸的鍍錫生產線為例，每年錫元素的損失量約為100噸～150噸。

電解法溶錫通過電化學方法溶解錫，在電解過程中理論上不會產生Sn4+，降低了錫泥產生，進而提高了溶錫利用率，成為電鍍錫生產線技術發展中的新焦點之一。

本文通過自行設計采用電解法進行錫補充的裝置，進行不溶性陽極電鍍錫鍍錫液中二價錫離子的補充。通過試驗應用，考察采用這種裝置補充不溶性陽極電鍍錫消耗的二價錫離子的效果。

1 試驗裝置設計

1.1 試驗原理

陽極：

陰極：

反應過程中，可能存在的副反應為：

1.2 試驗裝置的設計與制作

1.2.1 電解槽槽體結構的選擇

電解槽槽體的結構[6，7]主要有三種：板框式電解槽、箱式電解槽和圓筒式電解槽。

根據本實驗的特點，以及便于后期電解槽的擴展，自行設計并加工了板框式電解槽裝置。

1.2.2 電解槽槽體材料的選擇

實驗室電解槽的槽體材料主要為優質玻璃、高分子材料，如PTFE、PVC、PE或PP等。使用透明材料是最方便的，可以清楚的觀察到槽內的電極裝配和內容物的變化情況，所以本實驗選用具有耐蝕性的有機玻璃作為槽體的制作材料。

1.2.3 陰陽極材料及結構的選擇

常用的陽極主要有石墨、鋼鐵、鎳及其合金，以及涂層鈦陽極。對于電解法溶解金屬制作電鍍液，直接用待溶金屬做陽極，本實驗采用金屬錫粒做陽極。

在水溶液電解槽中，陰極一般產生析氫反應，過電位較高，因此陰極材料的主要改進方向是降低析氫過電位。在各種導電金屬中：Pt、Pd有低的析氫過電位，Fe、Co、Ni、Cu、W、Au等有中等的析氫過電位，Hg、Pb、Zn、Sn、Cd等有較高的析氫過電位，本實驗采用鍍鉑鈦電極做陰極。

1.2.4 離子交換膜的選擇

離子交換膜是錫補充裝置的關鍵組成部分，采用離子交換膜阻止錫陽極電解生成的Sn2+進入陰極室而轉變為金屬錫。本實驗采用日本旭硝子的氫離子選擇透過膜（HSF），可實現阻止Sn2+進入陰極室的同時允許H+進入陰極室，致使Sn2+不能在陰極上發生還原反應，進而抑制了副反應的發生。

1.2.5 建立錫補充裝置

圖1 錫補充裝置的外部結構示意圖

錫補充裝置為自行設計并加工的板框式電解槽裝置，可以清楚的觀察到槽內的電極裝配和內容物的變化情況。用不銹鋼螺栓進行固定，采用密封墊片進行密封，裝置上方有溶液進出口及錫粒添加口；陰極是由鈦板制成的鍍鉑鈦電極，極板上設置分散孔；陽極是由饋電電極和金屬錫粒組成，饋電電極采用鍍鉑鈦電極，用于電源與金屬錫粒之間的連接，金屬錫粒采用純度為99.90%，直徑為2mm～3mm的錫粒；裝置中間加入陽離子交換膜作為陰、陽極室隔膜，其兩側有多孔保護板[8]，保護離子交換膜的同事，還起調節極間距的作用。

本裝置試驗時，采用高頻直流開關電源，圖1為實驗裝置的整體示意圖。

1.3 試驗應用

將配制好的苯酚磺酸電解液加熱到實驗設定溫度，然后分別加入到陽極室和陰極室，并用恒溫水浴鍋對溶液溫度進行控制，溫度在38℃左右。向陽極室添加錫粒，當電解液溫度穩定到實驗設定值后，打開直流電源，進行恒電流電解反應，陽極室電解液中的H+可透過離子交換膜進入陰極室，在陰極處發生還原反應放出氫氣，而在陽極處發生氧化反應產生的Sn2+離子卻僅有極少量通過離子膜進入陰極室，絕大多數Sn2+在電解循環液中進入循環槽，進而補充到電鍍槽中，進行電鍍。

在20A/dm2電流密度下采用此試驗裝置進行試驗時，產生從錫泥量很少，錫利用率達到94%，更好地降低生產成本。

2 結語

本試驗裝置采用板框式，制作簡單、方便，并加壓密封，能夠多個電解槽組合[9]；采用該錫補充裝置及方法進行金屬錫粒的溶解過程，增加錫離子的含量起到補充二價錫離子的作用，而陽極進行的是析氫過程，在消耗電鍍產生的H+的同時，有效抑制了氧氣對Sn2+的氧化過程，阻止二價錫轉化成四價錫，能夠緩解、減少錫泥的產生，有助于降低錫的損失，進而降低生產成本。