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电解锌的SO2阳极反应动力学反应

研究了湿法炼锌电解过程中，用SO2在阳极放电代替传统的水分解放电而降低槽电压，以达到节能的目的。使用铂作阳极，在电解液中通入SO2进行电解，节能可达40%。通过SO2阳极极化曲线的测定，考察了 SO2浓度、S2SO4浓度、温度和搅拌速度对阳极反应速率的影响。研究表明：在铂阳极上SO2阳极反应符合电化学控制，遵从塔菲尔公式；SOee222的反应级数为3.3，表观活化能为 31.8kJ/mol ，硫酸的反应级数为零。

在湿法炼锌中电解锌所消耗的能量占全部炼锌过程能耗的63%,。电解的主要能源是电能，从燃料转变为热能的效率是80%，而转变为电能仅为30%左右。在当前能源日趋紧张，能源价格不断上涨的情况下，研究电解锌过程的节能具有重要意义。

电解锌过程的节能有多种方法，如改变阳极材料，加入添加剂及开发新的阳极液等［1~4］。与其它方法相比，在电解液中加入某种物质以改变阳极反应历程与阳极产物的方法，具有成本低、节能幅度大等优点，因而具有很大的吸引力。Robinson[5~7]研究了在铜电极中通入SO2 的电解法，该法由于改变了阳极反应，使电耗降低一半。但在锌电解液中添加SO微型核电池2后的阳极氧化和阳极动力学研究尚未见报导。作者在文献［8］中已研究了锌电解液中

加入SO2后各种参数对能耗的影响，本文重点报道锌电解液中SO2 阳极的反应动力学研究。

实验方法

采用配制的电解液进行实验，电解液成分为Zn55g/L，H2SO470g/L。由于SO2 能与阴极析出的金属锌发生化学反应而生成单质硫，从而降低电流效率和污染电解液，因此在工艺实验中采用二室隔膜电解，只允许SO2 存在于阳极室而不进入阴极室，阴极采用纯锌板，阳极为金属铂板。由JW型稳流电源供给直流电，用 DT-890A型数字式万用表测定电压。进行SO2 阳极动力学实验时采用三室电解槽，电解槽之间由饱和KCI盐桥连通，外接恒电位仪。SO2 的测定以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定。锌的分析以二甲酚橙作指示剂，用EDTA标准溶液滴定。

理论分析

在实际电解过程中，锌电极的电能消耗可用下式［9］计算：

式中 V—槽电压（V），电流效率（%），q—锌的电化当量1.219g/( A·h）。当电解液中无SO2 存在时，电解锌时的电极反应为

阴极 Zn2++2e=Zn ①=-0.763V

阳极 H2O-2e=12O2+H+ ①=1.230V

总反应Zn2++H2O=Zn+12O2+2+, ①=1.993V

理论上当电流效率为100%，无碳油SO2存在时由式（1）计算产1t电解锌的理论电能消耗为saw11634kW·h。

当电解液中加SO2 电解锌时电极反应为

阴极 Zn2++2e=Zn ①=-0.763V

阳极 H2O-2e=12O2爆闪灯管+H+ ①=1.230V

总反应Zn2++H2O=Zn+12O2+2+, ①=1.993V

理论上当电流效率为100%时,产1t电解锌的电能消耗降低为765kW·h。从以上计算可以看出，在阳极上以SO2放电代替水放电时，生产1t电解锌可降低能耗869kW·h即降低能耗53%。

有关参数对SO2存在下电解锌节能的影响

研究了电解液温度、电流密度、SO2和H2SO4 浓度的影响。发现槽电压及能耗随电解液温度的升高而明显降低，当温度低于10℃时阳极上开始有O2析出，因此温度最好保持在20~50℃。槽电压及能耗随电流密度的增大而升高，因此电流密度应维持在适宜的范围内。槽电压及能耗皆随SO2浓度的增加而降低，SO2质量浓度以40g/L为宜。H2SO4质量浓度在50-150g/L 范围内对槽电压和能耗皆无明显影响。在实验的最佳条件下加入SO2节能达40%。

SO2阳极反应动力学

SO2阳极反应速率控制步骤的确定

在硫酸硫酸锌电解液中，SO2在阳极上的电化学反应是一个多相氧化还原反应，它包括以

下几个步骤：1）S02-3自溶液内部向电极表面扩散，即液相传质过程；2）S02-3在电极与溶液界面进行得失电子的化学反应；3）产物自电极表面向溶液内部扩散的过程。以上各步骤中最慢的步骤可能成为整个阳极反应的速率控制步骤。为确定速率控制步骤，在 Zn55g/L,H2SO470g/L,S0240g/l温度15℃，扫描速度50mV.min的条件下研究了不同搅拌速度对阳极极化曲线的影响。

图1不同搅拌速度下的阳极极化曲线

图 2 不同搅拌速度下的!—G=" 图

从图 1, 可以看出改变电解液的搅拌速度对S02阳极反应速率没有影响，这说明反应物或产