【摘要】：為解決傳統(tǒng)電沉積錳或者二氧化錳工藝的電能消耗大、生產(chǎn)能力低、酸污染等問題,早在上個世紀70年代,國外就有相關(guān)研究人員將錳和二氧化錳電解工藝結(jié)合,同時電解的相關(guān)研究報道,同槽電解可以克服錳或者二氧化錳單獨電解時的高能耗問題,傳統(tǒng)的工業(yè)隔膜透液率、耐熱和抗氧化性能亦較差,使用壽命短,需頻繁更換,國內(nèi)外已經(jīng)有用離子交換膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理隔膜的相關(guān)研究,且離子交換膜制備的產(chǎn)品電流效率普遍高于物理隔膜。本次研究課題以離子交換膜為基礎,結(jié)合電解金屬錳及二氧化錳的特點,利用陰陽離子膜交換膜的選擇透過性,將傳統(tǒng)的單膜雙室電沉積工藝用雙膜三室工藝代替,以MnSO_4為電解主鹽,在離子交換膜的基礎上研究同槽雙極錳電積生產(chǎn)工藝,進行理論分析和實驗模擬,改進和完善生產(chǎn)裝置,探究不同的實驗條件來實現(xiàn)精確控制參數(shù)、改善水力條件、降低能耗、提高電積效率以及添加不同添加劑來改善電沉積錳的質(zhì)量等�？山档湍芎�,提高生產(chǎn)效率,通過中隔室兩側(cè)陰陽離子的選擇透過性回收硫酸,從而減少了廢酸對環(huán)境造成的酸污染。設計多因素多梯度實驗,最終確定經(jīng)濟合理的運行條件以及對電積錳和二氧化錳品質(zhì)好壞的最顯著影響因素。并且對影響技術(shù)指標的各個因素進行探討,獲得較優(yōu)的電解條件,實現(xiàn)通過最低能耗達到較高生產(chǎn)能力的目的,同時可以解決酸污染對環(huán)境造成的危害。通過單因素試驗得到各因素較為合理的范圍值,較低的Mn~(2+)濃度易發(fā)生錳貧化,降低電流效率,過高的Mn~(2+)濃度易產(chǎn)生Mn(OH)_2沉淀,陰極Mn~(2+)濃度在30 g/L-40 g/L,陽極在40 g/L左右為宜;過高的電流密度會影響膜的選擇透過性能,陽極易發(fā)生副反應,析氧速率增大,過低能耗和槽電壓升高,酸回收率降低。陰極電流密度在300A/m~2-350A/m~2,陽極在900A/m~2范圍內(nèi)為宜;陰極緩沖劑(NH_4)_2SO_4濃度和硒添加劑濃度過高和過低都不利于錳的析出,因此初定(NH_4)_2SO_4濃度為100g/L-110g/L,SeO_2濃度為0.03g/L;過低的溫度會降低電流效率,溫度過高陽極析氧速率加快,易發(fā)生副反應,二氧化錳晶粒團聚嚴重,易產(chǎn)生裂紋、錳板發(fā)黑嚴重,因此,溫度在35℃附近為宜;陽極液硫酸濃度過低不利于槽電壓和能耗,過高電解液中大量的H~+數(shù)量會抑制主反應的進行,二氧化錳的生成速率減慢,電流效率降低。所以,H_2SO_4濃度在2mol/L至2.5mol/L為宜。通過正交試驗確定最優(yōu)工藝條件參數(shù)為:陰極Mn~(2+)濃度為35g/L,陰極電流密度為300A/m~2,陰極(NH_4)_2SO_4濃度為90 g/L,陽極Mn~(2+)濃度為40g/L,陽極電流密度為1050A/m~2,陽極H_2SO_4濃度為2.5mol/L,電解溫度為40℃。在最優(yōu)工藝條件參數(shù)下,陰極電流效率為61.7%,陰極能耗為8539kWh·t~(-1),陽極電流效率為60.3%,陰極能耗為5522kWh·t~(-1),硫酸回收率為29.8%,槽電壓為5.4V。論文通過大量的數(shù)據(jù),分析雙膜三室工藝在同槽電解錳和二氧化錳方面的優(yōu)越性,并通過和單膜雙室的橫向試驗對此,論證雙膜三室工藝在節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟性等方都優(yōu)于單膜雙室,有效降低了酸污染對周圍環(huán)境和空氣帶來的危害,而且回收的硫酸可循環(huán)利用。目前,本課題研究僅限于實驗室小規(guī)模模擬和理論分析,處于初步探索階段,以后可在此基礎上改進裝置,優(yōu)化運行條件,將同槽雙極錳電積技術(shù)投入實際生產(chǎn)和大規(guī)模工業(yè)化應用。
【圖文】：

蘭州交通大學碩士學位論文置課題的實驗裝置主要是由以下幾個部分所構(gòu)成的：試驗主體源、陰陽離子交換膜（IONSEPTM杭州埃爾環(huán)�？萍加邢薰驹″伒取Ｖ黧w試驗電解槽采用的是雙膜三室結(jié)構(gòu)（聚甲基離子交換膜將電解槽分割成三個電解室，分別是陰極室、中隔SO4電解液、(NH4)2SO4緩沖劑和添加劑，中隔室為 0.5％的MnSO4組成的強酸性電解液。陰、陽離子交換膜與陰、陽電板間距為 180mm。實驗裝置如圖 2.2 所示。

圖 3.1 CMn2+對電流效率和電壓的影響Fig.3.1 Effect of CMn2+on current efficiency and voltage流效率、槽電壓、中隔室硫酸回收率和能耗四個指標分析由圖 3.1 分析得知，隨著電解液中 Mn2+濃度的逐漸增加先升高后逐步平穩(wěn)下降的趨勢，在 20 g/L 至 35 g/L 區(qū)間近達到最大值，隨后隨著濃度的增加緩慢下降；但是電壓是的拋物線走勢，在30 g/L至40 g/L區(qū)間變化不大，當錳離子明顯增快。察分析，能耗與圖 3.1 中的變化趨勢剛好相反，，能耗趨之后隨著 Mn2+濃度的遞增，呈直線遞減趨勢，當濃度超回收率隨著錳離子濃度增加呈近似折線式上升，35 g/L 趨于平緩，之后回收率有所下降。
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X781;O646

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本文編號：2606925