吳允苗, 王 娜, 朱君秋

(泉州師范學(xué)院化工與材料學(xué)院, 福建 泉州 362000)

濕法煉鋅行業(yè)是高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)之一[1-3], 也是重點(diǎn)推進(jìn)節(jié)能降耗的行業(yè)．在濕法煉鋅工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中,電極面積大、距離窄,不利于電解液的流通和擴(kuò)散, 進(jìn)液口附近陰極板周圍的鋅離子濃度明顯高于出液口陰極板周圍的濃度,易導(dǎo)致電流分布不均,產(chǎn)生濃差極化和電化學(xué)極化．陰極表面的電流分布不均還將導(dǎo)致電沉積的鋅厚度不均,嚴(yán)重影響后續(xù)剝鋅工序．此外,陰極電流密度低的區(qū)域由于析氫過電位低,氫氣易析出,從而影響鋅的析出量,導(dǎo)致電流效率下降,增加電解鋅的能耗．因此,如何保持電流在陰極表面的均勻性,是濕法煉鋅工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題之一．

數(shù)值模擬通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法研究物理、工程等問題, 具有省時(shí)省力、低碳環(huán)保、可規(guī)避人為因素或環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)．國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋅電沉積過程及電沉積槽等開展了數(shù)值模擬的相關(guān)研究[4-6]．如Arise等[7]建立二維電池模型并進(jìn)行數(shù)值分析, 討論了鋅陽極在堿性電解液中的電化學(xué)溶解和鈍化現(xiàn)象; 周萍等[8]應(yīng)用Fluent軟件對(duì)鋅電解槽中的氣液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬研究; 鄧亦梁等[9]基于液相傳質(zhì)原理, 對(duì)鋅電解過程進(jìn)行數(shù)值求解; 李璽等[10]建立鋅電解槽的三維有限元模型, 驗(yàn)證了鋅電解模型中考慮鋅反溶的必要性; Mahon等[11]利用數(shù)值模擬計(jì)算了電沉積鋅過程中錳離子生成二氧化錳的速率, 結(jié)果表明二氧化錳的沉積速率隨錳離子與氯離子濃度比的降低而增加．

鈦基尺寸穩(wěn)定型陽極(dimensionally stable anode, DSA)具有電催化活性高、能耗低、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn), 是理想的替代鉛合金的陽極材料[12]．本文擬結(jié)合濕法煉鋅廠實(shí)際生產(chǎn)中的大量工業(yè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn), 采用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立DSA電極體系中鋅電沉積的多物理場耦合模型,重點(diǎn)考察極化作用和極板數(shù)量對(duì)陰極表面鋅電沉積過程的影響,結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)電流在陰極表面的均勻分布提供理論基礎(chǔ)．

1 模型建立

圖1 雙陰極板電解槽模型(mm)Fig.1 Double cathode plate electrolyzer model

利用COMSOL軟件建立電解槽和電極板模型．電解槽尺寸為320 mm×180 mm×220 mm (長×寬×高), 兩極尺寸均為3 mm×120 mm×157 mm．陰極為純鋁板, 陽極為DSA, 電解液采用硫酸鋅溶液．含單對(duì)電極的單陰極板模型中, 兩極板間距為106 mm; 含兩對(duì)電極的雙陰極板模型中,板間距為65 mm, 如圖1所示．

表1為極化作用條件參數(shù)表．本文將流體流動(dòng)與質(zhì)量傳遞進(jìn)行耦合,同時(shí)考慮電極電位的影響、湍流狀態(tài)、物質(zhì)傳遞等因素,模擬整個(gè)鋅電沉積過程．

表1 極化作用條件參數(shù)Tab.1 Parameters of polarization action conditions

2 極化作用的影響

2.1 電解液流速分布

圖2 極化作用下電解液流動(dòng)速度分布圖(mm)Fig.2 Distribution of electrolyte flow velocity under polarization

耦合多物理場進(jìn)行模擬計(jì)算, 得到如圖2所示的單陰極板模型極化作用下電解液流動(dòng)速度分布圖．由圖2可知,陰極板中間電解液流動(dòng)速度最低,下部形成兩個(gè)渦流,越靠近下部流速越大．通過速度流線可以看出大部分電解液直接從電解槽中下部流出,流入板間形成渦流,從而影響離子分布和鋅的析出．

2.2 鋅離子分布

圖3是極化作用下鋅離子濃度流線圖．由圖3可知, 鋅離子在電解槽中的濃度分布不均,兩極板間鋅離子濃度最高,形成渦流狀,這是因?yàn)閮砂彘g對(duì)流傳質(zhì)速度較高．此外,由于電解液呈電中性,兩板間的鋅離子濃度較高,則該區(qū)域的氫離子濃度較低,酸根離子濃度較高．

2.3 陰極鋅析出厚度

圖4是極化作用下鋅在陰極板上析出的厚度分布．由圖4可知, 鋅析出厚度最大值為5.5 mm, 最小值約為0.5 mm; 因?yàn)橥牧鲌龊臀镔|(zhì)傳遞的共同影響, 陰極板表面的鋅析出區(qū)域呈左右對(duì)稱分布, 電極板中下部鋅析出厚度較大．結(jié)合鋅離子濃度分布可知,其主要原因是陰極板中下部鋅離子濃度高, 陰極表面鋅離子的濃差極化小, 有利于鋅離子發(fā)生還原反應(yīng)．

圖5 第4小時(shí)鋅在陰極表面的析出厚度分布圖(mm)Fig.5 Distribution diagram of precipitation thickness of zinc on cathode surface at the 4th hour

3 板數(shù)對(duì)鋅電沉積的影響

對(duì)單板和雙板電解槽模型設(shè)置相同的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬, 得到如圖5所示的陰極板上鋅析出厚度分布圖．雙陰極板模型在第4小時(shí)析出鋅的厚度總體高于單板模型,最高達(dá)9 mm, 是單板模型的2倍以上．這是因?yàn)閮蓸O間距減小, 有利于降低陰陽極間的溶液電阻, 提高相同電壓下陰陽極間的電流密度, 因此雙板模型中析出的鋅更多．與單陰極板模型的模擬結(jié)果類似, 雙陰極板上析出鋅的位置也呈現(xiàn)四周高、中間低的分布．此外,雙陰極板模型中靠近進(jìn)液管的陰極板(x=170 mm, 記為A板)較靠近出液管的陰極板(x=300 mm, 記為B板)的析出量明顯增多．

針對(duì)雙陰極板模型的A板和B板, 對(duì)比其第12 小時(shí)的鋅析出厚度分布、電流效率和能耗等電沉積行為, 結(jié)果如圖6所示．由圖6(a)、(b)可見, A板鋅析出最高厚度達(dá)10.1 mm, 而B板最高厚度僅3.49 mm, A、B板的鋅析出分布均為四周高,中間低; 圖6(c)～(f)表明, A、B板的電流效率和能耗均呈四周高中間低的分布趨勢, 與B板相比, A板電流效率較高、能耗較低．綜上, A板較B板的鋅電沉積效果好．這是因?yàn)樵跐穹掍\工業(yè)生產(chǎn)中,陰陽極面積大、距離窄,不利于電解液的流通和擴(kuò)散, 靠近進(jìn)液口的陰極板周圍鋅離子濃度明顯高于出液口陰極板周圍的濃度,電流在各陰極板之間和陰極表面分布不均勻,并產(chǎn)生濃差極化．由此可見,在多極板電解槽的設(shè)計(jì)中,注意使新補(bǔ)充電極液均勻流入各陰極板表面,將有利于減小因鋅離子補(bǔ)充不足而導(dǎo)致的濃差極化現(xiàn)象,有利于降低電解能耗、提高電解槽的電流效率．

圖6 第12小時(shí)A板和B板上鋅電沉積技術(shù)指標(biāo)對(duì)比(mm)Fig.6 Comparison of technical indicators of electrodeposited zinc on plate A and plate B at the 12th hour