DSA陽極鋅電沉積槽內部流場的數值模擬*

吳允苗，王 娜

(泉州師范學院化工與材料學院，福建 泉州 362000)

金屬氧化物涂層電極是指在以鈦為基體的表面涂上金屬氧化物的電極，簡稱DSA陽極(Dimensionally Stable Anode，即尺寸形狀穩定型陽極)，目前在濕法冶金的電解提取金屬、化工、環保、有機電合成、陰極保護等領域得到廣泛應用[1-11]。但目前DSA陽極還很少應用在鋅電積上，主要原因是鋅電沉積機理復雜，鋅電沉積過程涉及電沉積液在電沉積槽中的電積液的流動、物質傳熱、擴散和導電等，多種物理場以及多種電化學反應和雜質間的化學反應，DSA陽極質量不穩定性，這些都增加了研究DSA陽極對鋅電沉積影響的難度。本工作針對DSA陽極鋅電沉積槽內部流場進行數值模擬，從速度場的分布、析出厚度和電流能耗三個方面進行分析，可為積電沉積過程的研究提供一定的理論依據。

1 建立模型與數值模擬

在DSA陽極鋅電沉積槽中，電沉積液通過進液管流入電沉積槽中，電沉積槽內包括兩對交替放置的陰陽極板，利用COMSOL軟件建立有限元模型。DSA陽極鋅電沉積槽模型圖如圖1所示。

圖1 DSA陽極鋅電沉積槽模型圖

針對DSA陽極鋅電沉積槽設置其基本參數，如表1所示。

表1 DSA陽極鋅電沉積槽基本參數

電沉積槽中的電沉積液運動對鋅電積過程有著顯著的影響，因此需要對電沉積槽內的流場進行研究。流場中要保持質量守恒和動量守恒，通常用連續性方程來表示質量守恒，納維-斯托克斯方程表示動量守恒。本工作從以下三個方面對物理場模型進行簡化：

1)忽略產生的氣泡對電沉積液流場的影響，即把流場看作單相流；

2)當速度梯度變化時，動力黏度不變，即電沉積液的流動為穩態不可壓縮流；

3)電沉積液為均相連續性介質，即電沉積液密度和溫度不變。

在仿真過程中，設置入口邊界條件為速度入口，為充分發展的流動，速度為x軸方向上的 0.05659 m/s。由于電沉積液是從出口溢流而出，電沉積液從與大氣直接接觸的電沉積槽右側面流出，所以出口邊界設置為壓力出口，壓力為一個大氣壓。其物理場所用參數如表2所示。

表2 物理場全局參數

當網格劃分越細，求解精度越高；在湍流模塊中，計算量越大，計算時間越長。通常過細的網格會求解很長時間且難以達到求解精度而迭代失敗。為了提高計算效率，只考慮流場的影響，根據物理場控制選擇較粗化的網格。選擇瞬態求解，并且以時間為求解速度，選定24 h為一個周期，為了提高計算速度，設置1 h計算一個解，湍流計算中選取10 s為一個周期。經過仿真計算得到電沉積槽中電沉積液的速度流場分布。

2 數值模擬結果分析

2.1 速度分布

在12 h內，保持進液管的電積液流量不變，電積槽內電積液流場最終會達到穩定狀態。觀察DSA陽極鋅電沉積槽速度分布圖(圖2)，可以看出湍流在電積槽中兩板之間速度較大，達 0.12 m/s 左右;在陰極板表面上，湍流速度則呈現出四周較低、越往里速度呈先高后低的分布;陰陽極板上各自呈現出一種沿Z軸對稱的布局，陽極板接近進液管電解液因極板的攔截作用，多數從電積槽下部或兩邊流過，造成了陽極板速度四周偏高而中間低的分布。圖3所示為DSA陽極鋅電沉積槽陰極板區速度分布圖。由圖3看出，位于陰極板中下部，速度較高，并且呈現沿Z軸大致對稱的分布；而在陰極板的邊緣區以及上部，速度極小，說明在這些區域流體并未充分流動。

圖2 DSA陽極鋅電沉積槽速度分布圖

圖3 DSA陽極鋅電沉積槽陰極板區速度分布圖

2.2 析出厚度

由圖4所示的鋅析出厚度變化圖發現，在沉積進行到第4 h，已經有不同厚度的鋅在陰極上析出(最厚可達 2.76 mm，最低為 0.24 mm)，因為過電位的存在，使得鋅離子電位更正，優先在陰極析出。

圖4 鋅析出厚度變化圖

圖5為陰極板鋅析出厚度圖。由圖5可知，陰極板上鋅析出并不是均勻增加，整個板上的鋅析出厚度呈現出邊緣部分較厚，越往里越薄，邊界最高處鋅析出厚度可達 4 mm。出現此現象與圖3所呈現的邊緣區速度較小有一定的關聯。

圖5 陰極板鋅析出厚度圖

2.3 電流能耗

圖6所示為陰極板電流能耗圖。由圖6可知，陰極板能耗分布并不均勻，呈邊緣高中間低的分布，特別是靠近陰極板下方的左右兩個角落區域，其電流能耗達到最大，由于極板的邊緣效應造成靠近極板邊緣槽電壓較高。

圖6 陰極板電流能耗圖

3 結語

本工作所研究的DSA陽極鋅電沉積槽內部流場的數值模擬，從結果來看，位于槽體中下部速度值較高，而四周速度較低，產生這一現象一方面與電沉積槽的內部構造有關。另一方面與物質濃度分布也有一定的關聯。陰極板區中下部速度較高，邊緣區以及上部速度極小。速度場的分布會影響到鋅的析出量以及電流能耗，陰極板鋅析出厚度呈現出邊緣厚中間薄的現象，陰極板能耗則呈四周高中間低的分布。數值模擬將內部流場速度分布、析出厚度、電流能耗可視化，對于分析DSA陽極鋅電沉積過程具有一定的理論指導意義。