骨膠對氨配合物體系電沉積鋅的影響

夏志美，鐘 娟，王宇菲，金 偉，張肖灑，向長柳，李威明

(湖南工業(yè)大學(xué) 冶金與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

含堿性脈石成分較高的低品位氧化鋅礦石用傳統(tǒng)的酸法處理，酸耗大，且對礦石中的鐵和其他堿性金屬不具有選擇性。用氨法處理低品位氧化鋅礦石，金屬溶出速度快、工藝流程短、對原料適應(yīng)性強(qiáng)、對環(huán)境污染小，用此法處理高堿性低品位氧化鋅礦石優(yōu)勢明顯[1-4]。采用氨法所得浸出液中的鋅通常采用電沉積法回收。目前，對氨配合物體系電沉積鋅的研究較多，但對電沉積過程中添加劑的研究較少。從氨配合物體系中電積鋅時，對添加劑的選擇比傳統(tǒng)酸法體系的更為嚴(yán)苛：若無有效添加劑，陰極電鋅質(zhì)量差，電流效率低，能耗高；添加劑加入時間不當(dāng)也會引發(fā)電積產(chǎn)品難以從鋅板剝離[5-6]等問題。添加劑及其濃度直接影響電鋅的形貌和生長取向[7]。因此，為獲得致密平整的鋅板、提高電流效率、降低直流電耗，需在電積過程中加入適宜添加劑。試驗選擇骨膠作添加劑，考察氨配合物體系中骨膠質(zhì)量濃度對電積平均槽電壓、電流效率、直流電耗及電鋅表面形貌的影響。

1 試驗部分

試驗所用試劑主要有氧化鋅(ZnO)，氯化銨(NH4Cl)，氨水(NH3·H2O)，骨膠，無水乙醇等，均為分析純。試驗裝置如圖1所示。

1—恒溫水浴鍋；2—電解槽；3—陽極石墨；4—陰極鈦板；5—直流穩(wěn)壓電源。

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)配置模擬電解液：[Zn2+]=40 g/L，[NH4Cl]=5 mol/L，[NH3·H2O]=2.5 mol/L。

將配好的電解液倒入電解槽中，以石墨板作陽極，用砂紙打磨好的鈦板作陰極，分別接恒流穩(wěn)壓電源正極和負(fù)極。以骨膠作添加劑，沉積條件：溫度40 ℃，極板間距4 cm，電流密度400 A/m2，電積時間6 h，骨膠質(zhì)量濃度分別為0、25、50、100、150 mg/L。電積過程中，每隔0.5 h記錄槽電壓1次，計算平均槽電壓。電解完成后，馬上用無水乙醇和稀氨水依次沖洗陰極板，用相機(jī)拍下陰極鋅的宏觀形貌，然后烘干、稱重，計算電流效率。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 骨膠質(zhì)量濃度對平均槽電壓的影響

在試驗條件下，骨膠質(zhì)量濃度對平均槽電壓的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 骨膠質(zhì)量濃度對平均槽電壓的影響

由圖2看出：槽電壓隨骨膠質(zhì)量濃度增大先降低后提高；骨膠質(zhì)量濃度為25 mg/L時，平均槽電壓達(dá)最小值2.96 V；骨膠質(zhì)量濃度大于100 mg/L時，平均槽電壓迅速提高，最大值大于未添加骨膠時的槽電壓3.41 V。這可能是因為：少量骨膠的加入起到了提高溶液活性的作用，使溶液導(dǎo)電性增強(qiáng)；但隨骨膠用量增加，體系黏度增大，溶液電阻增大，使槽電壓升高。因此，電積過程中，應(yīng)合理控制添加劑濃度，以得到較小的槽電壓，降低能耗。綜合考慮，骨膠加入量以25 mg/L左右較為適宜。

2.2 骨膠質(zhì)量濃度對電流效率的影響

電沉積鋅過程中，骨膠質(zhì)量濃度對電流效率的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 骨膠質(zhì)量濃度對電流效率的影響

由圖3看出：骨膠的加入可提高鋅電積的電流效率，且隨骨膠質(zhì)量濃度提高，電流效率先升高后降低；骨膠用量為25 mg/L時，電流效率最高可達(dá)91.90%，與未加骨膠時相比提高了近7%；骨膠質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，電流效率雖有所下降，但仍比未加入骨膠時的電流效率高。

研究發(fā)現(xiàn)：電解液中加入膠類物質(zhì)，可使帶正電的膠質(zhì)物吸附在陰極鋅晶體凸起面上，增大氫析出過電位[8]，從而增強(qiáng)陰極極化作用，減少樹枝晶的生成，使電流效率增大；而隨添加量增加，添加劑在電極表面的吸附作用加劇，在金屬表面形成一層添加劑的過量吸附層，阻礙傳質(zhì)過程，從而減緩鋅離子在電極表面的沉積速率，抑制鋅的電化學(xué)還原過程，導(dǎo)致電流效率降低。

骨膠的加入能明顯提高電流效率，且當(dāng)骨膠質(zhì)量濃度為25 mg/L時，鋅電積電流效率最大。

2.3 骨膠質(zhì)量濃度對直流電耗的影響

電沉積鋅過程中，骨膠質(zhì)量濃度對直流電耗的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 骨膠質(zhì)量濃度對直流電耗的影響

由圖4看出：骨膠質(zhì)量濃度對直流電耗的影響與對槽電壓的影響趨勢類似，隨骨膠質(zhì)量濃度增大，直流電耗先降低后升高；骨膠質(zhì)量濃度為25 mg/L時，直流電耗為2 641 kW·h/tZn，與未加入骨膠時的3 290 kW·h/tZn相比，直流電耗大大降低；繼續(xù)增大骨膠質(zhì)量濃度，直流電耗升高，當(dāng)骨膠質(zhì)量濃度增至150 mg/L時，直流電耗最大，但仍比未加入骨膠時的直流電耗低。這主要是因為：添加劑用量較少時，由于添加劑能抑制氫的析出，提高Zn2+與電子結(jié)合的速度，從而使鋅在陰極快速沉積；而添加劑用量過多時，骨膠大量黏附在陰極表面，附著的骨膠層能明顯增大溶液黏度，阻礙Zn2+與電子結(jié)合，抑制鋅的沉積，從而導(dǎo)致電流效率降低[1]，槽電壓升高，直流電耗增大。

2.4 骨膠質(zhì)量濃度對電鋅表面形貌的影響

骨膠質(zhì)量濃度對電鋅表面形貌的影響試驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5看出，骨膠對電積鋅表面形貌影響很大：未加入骨膠時，得到的電積鋅疏松多孔，呈海綿狀，難以剝離成板；加入骨膠后，所得電積鋅更為致密，在與鈦板接觸區(qū)域形成致密薄鋅層，能從鈦板上剝離下來；骨膠質(zhì)量濃度為25 mg/L時，電積鋅表面最為平整致密，鋅沉積層具有明顯的金屬光澤；骨膠質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，電積鋅表面枝晶明顯增多，晶粒增大。這說明：加入適當(dāng)?shù)奶砑觿墒菇饘黉\析出過電位增加，晶核形成速度增大；當(dāng)晶核形成速度大于晶核生長速度時，得到的晶粒細(xì)小，即生成致密、平整、光滑的鋅電沉積層，反之，得到的是粗糙的鋅電積層[9-10]。

3 結(jié)論

從氨配合物體系中電沉積鋅時，在一定條件下加入適量添加劑，可獲得表面光滑致密的電積鋅板，不加入添加劑只能得到海綿狀不成板金屬鋅。添加劑的加入，可使鋅板質(zhì)量得到改善，電流效率提高，直流電耗降低。骨膠最適宜加入量為25 mg/L，此時電流效率為91.90%，槽電壓為2.96 V，直流電耗為2 641 kW·h/tZn，電沉積所得電積鋅質(zhì)量較好。

從鋅板形貌看出，電沉積鋅時僅添加骨膠一種添加劑，即使在最佳濃度下，鋅板表面仍會有一定量枝晶，表面不夠光滑致密，因此，還需進(jìn)一步研究加入其他添加劑與骨膠復(fù)配，從而得到完全符合工業(yè)要求的鋅板。

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