1、工艺条件对 铜 电解 精炼 过程 直流电耗 的影响 孙亚峰，任兵芝， 王宏丹， 夏文堂 ， 邓佑明 ，向威 ，王磊 （ 重庆科技学院 冶金与材料工程学院 冶金工程系 ，重庆 401331） 摘要 ： 采用单因素 试验 研究了 电解液温度 （ 4070 ） 、 电流密度 （ 200320 A/m2） 、 H2SO4 浓度 （ 110230 g/L） 、Cu2+浓度 （ 2565 g/L） 、 极间距 （ 2035 mm） 等工艺条件对 铜 电解 精炼 过程 直流电耗的影响规律。 结果 表明 ，随着电流密度和极间距的增大， 直流电耗 显著升高 ， 随电解液温度和硫酸 浓度 的 增 加 而 显著降低
2、 ；随 着 电解液中铜离子浓度 的 增大 ， 直流电耗先急剧降低，然后趋于平稳，在 55 g/L 时电耗最小 。 关键词 ： 铜 电解 精炼 ； 直流电耗 ； 工艺条件 ； 槽电压 中图分类号： TF811； TF804 文献标志码： A 文章编号： 1007-7545（ 2018） 06-0000-00 Effect of Process Conditions on Power Consumption of Copper Electrorefining SUN Ya-feng, REN Bing-zhi, WANG Hong-dan, XIA Wen-tang, DENG You-ming,
3、 XIANG Wei, WANG Lei (Department of Metallurgical Engineering, School of Metallurgical and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China) Abstract ： Influences of electrolyte temperature (4070 ), current density (200320 A/m2), sulfuric acid concentrat
4、ion (110230 g/L), cupric ion concentration (2565 g/L), and electrode spacing (2035 mm) on power consumption of copper electrorefining were investigated by single factor experiment. The results show that power consumption rises significantly with increase of current density and electrode spacing, and
5、 drops remarkably with rise of electrolyte temperature and sulfuric acid concentration. Upon rising of Cu2+ concentration, power consumption drops sharply firstly and then tends to maintain stable, the minimum power consumption is obtained with Cu2+ concentration of 55 g/L. Key words： copper electro
6、refining; power consumption; process condition; cell voltage 工业上， 80%以上的铜产量是用火法冶金从硫化铜精矿中提取的。硫化铜精矿经过熔炼、吹炼和火法 精炼后，得到的阳极铜的品位为 99.2%99.7%，最后 通过电解精炼的方法，进一步将铜的品位提升到 99.95%以上 1。在铜电解精炼生产中，直流电耗约占整个电解铜生产车间直接成本的 60%左右，显著影响电解铜生产的经济效益 2。为降低铜电解精炼的能耗， 人们 从 电流密度 2-8、极距 2-3,5、电解液成分 2,4-5,7,9、电解液温度 2-5,7、添加剂 2-4,6-7,
7、9、电解液循环量 3-7、阴阳极周期 4,7、进液方式 7-8,10等 方面进行了研究 ，以降低槽电压 3-4,9-10， 提高电流效率 2,5,10。本文在 实验室 条件下系统研究了电解液温度、电流密度、电解液成分、极间距等工艺参数对铜电解精炼过程直流电耗的影响。 1 试验 1.1 原料 铜电解精炼 试验 采用紫铜板作阳极，不锈钢板作阴极，用硫酸和硫酸铜的混合水溶液作电解液，阴、阳极板相间地插入电解槽，通入直流电进行电解。铜在阴极上沉积，杂质则以离子形态保留在电解液中或进入阳极泥 1-2。在使用前用砂纸逐级 将 阴阳极板打磨至表面光滑平整。阴极板的有效面积为 80 mm100 mm，其余表面
8、使用透明胶带包裹绝缘。 采用五水硫酸铜（分析 纯） 、 浓硫酸（ 98%）以及去离子水配置电解液。电解液中 Cu2+和 H+浓度检测 时 用到 的试剂有硫代硫酸钠（分析纯）、氢氧化钠溶液（ 0.5 mol/L）、甲基红 溴甲酚绿溶液、氟氰化氨溶液、醋酸 醋酸钠缓冲溶液、碘化钾溶液、淀粉溶液、硫氰化钾溶液等。 收稿日期： 2017-12-08 基金项目 ：国家自然科学基金资助项目（ 51674057）；重庆市教委科学技术研究项目（ KJ1713343）； 重庆科技学院校内科研基金项目（ CK2016B19） ；重庆科技学院 2016 年大学生科技创新训练计划项目（ 201636） 作者简介 ：孙
9、亚峰（ 1994-），男，河南卢氏人，本科生； 通信作者 ：任兵芝（ 1982-），男，四川苍溪人，博士，讲师 . doi： 10.3969/j.issn.1007-7545.2018.06.002 1.2 试验 装置 采用 自制的 2 L 有机玻璃容器作为电解槽 11，进液方式采用传统的 “下进上出 ”方式。 为 模拟真实电解槽内的流动 ， 电解槽内共设置了 7 个 极板，但只有中间的一对阴阳极板进行通电电解 ，每个 试验 的电解时间均为 2 h。电解液 不 加 添加剂。 试验 结束后，用去离子水充分洗涤 阴极板 ， 然 后 再晾干、剥离 电铜 并称重 ， 得到 阴极 实际析出的电铜 重量
10、。 1.3 数据处理 铜 电解 精炼的 直流电 耗 与 槽电压 和电流效率密 切相关，并随 槽电压 的升高或 电流效率 的降低而增加。生产实践表明，铜电解精炼电流效率 波动的原因主要有系统设备漏电、阴阳极间发生短路等 10,12；而槽电压受电解液温度、电流密度、极距等工艺条件的影响波动范围较大 9， 因此 槽电压 对铜电解精炼过程直流电耗的影响 最大 3-4,9。 在本文的铜电解精炼 试验 中， 采用分析纯试剂和去离子水配制的电解液，杂质 很少 ；另外 ，严格 规范试验 操作， 在 试验 时没有短路或泄露电流发生， 相同 工艺条件至少做 3 次 试验 。 试验 发现 ， 电流效率基本上稳定在较
11、高水平（接近 100%），而槽电压变化较大 ，这与 KHOURAIBCHIA 的 试验 研究结果一致 12，所以直流电耗与槽电压的变化规律相同。因此，本文主要探讨工艺参数对铜电解精炼过程直流电耗的影响 。 在铜电解精炼中， 槽电压通过与电脑连接的 万用表软件 DMM Data Precessor 实时记录， 并 保存为 Excel 文件，求出平均槽电压 ；电流效率通常是指阴极电流效率，为 阴极铜的实际产量与 按照法拉第定律计算的 理论产量的比值 1,5， 其计算公式为 100%1 .1 8 5 2M D Stn （ 1） 式 中， M 为 阴极 实际析出的电铜量 (t)； D 为 电流密度 (
12、A/m2)； S 为阴极有效面积 (m2)； t 为电解时间 (h)； n为电解槽个数 。 2 试验 结果与讨论 2.1 电解 液 温度的影响 试验条件： 电流密度 280 A/m2、 H2SO4 浓度 170 g/L、 Cu2+浓度 45 g/L、 极间距 30 mm， 电解 液 温度对 铜电解 直流电耗的影响 见图 1。由图 1 可以看出， 电解 液 温度的变化对铜电解精炼过程影响较大。 电解 液 温度 从 40 升高至 70 ， 铜电解精炼过程的 直流电耗 近似线性 显著降低， 由 181.67 kWh/t 降为 103.47kWh/t， 降幅达 43.05%。这是因为电解 液 温度升高
13、 时 ， 可使电解液的黏度减小， Cu2+的扩散速度加快， 有利于减轻 阴、阳极浓差极化程度， 降低 电解液的电阻， 提高电解液的电导率， 从而 降低 槽电压 2-3,12， 并 促使铜电解精炼过程的直流电耗减少。但 电解 液 温度过高， 会 增加 电解液的蒸发损失，并引起电解槽内酸度变大，影响电解液成分的稳定，给正常生产带来不利影响。而且随着电解液的蒸发会向空气中排放酸雾，恶化 车间劳动环境 5,13。因此， 需综合考虑以上影响选择 适当 的 电解 液 温度 。 40 45 50 55 60 65 70 7590105120135150165180195直流电耗/(kWht-1)温度/ 图
14、1 电解 液 温度对 铜 电解 精炼直流电耗 的影响 Fig.1 Effect of electrolyte temperature on power consumption of copper electrorefining 2.2 电流密度的影响 试验条件： 电解 液 温度 50 、极间距 30 mm、 H2SO4 浓度 170 g/L、 Cu2+浓度 45 g/L， 不同 电流密度 条件下的 直流电耗 如 图 2 所示 。 由图 2 可以看出， 电流密度变化对铜电解精炼过程影响较大。 电流密度 从 200 A/m2 增大 至 320 A/m2，直流电耗 显著升高， 由 107.25 kW
15、h/t 增加为 176.23 kWh/t，增幅 达 64.32%。 原 因 是 ， 电流密度增 大 时， 消耗在电解液 电阻 上的 电压降 和阴、阳极极化电压降 相应增高， 引起槽电压升高 2,9， 增加 直流电耗。 200 240 280 320100120140160180直流电耗/(kWht-1)电流密度/ ( A m-2)图 2 电流密度 对 铜 电解 精炼直流电耗 的影响 Fig.2 Effect of current density on power consumption of copper electrorefining 2.3 电解液 硫酸浓度的影响 图 3 为 电解 液 温
16、 度 50 、极间距 30 mm、 电流密度 280 A/m2、 Cu2+浓度 45 g/L 的 条件下， 电解液 H2SO4浓度对 铜电解精炼直流电耗的影响。 可以看出， 硫酸浓度 从 110 g/L 增大至 230 g/L，直流电耗 显著降低， 由 177.50 kWh/t 减少 至 132.18 kWh/t，且降幅逐渐增大 。这是由于 硫酸浓度增大 时 ， 电解液中 H+浓度随之增加，使得 电解液 的比电阻减小 2， 电导率 增大 ， 引起 槽电压 降低，促使铜电解精炼过程 的 直流电耗减少。 110 140 170 200 230130140150160170180直流电耗/(kWht
17、-1)硫酸浓度/ ( g L-1)图 3 电解液 硫酸浓度对 铜 电 解 精炼直流电耗 的影响 Fig.3 Effect of sulfuric acid concentration on power consumption of copper electrorefining 2.4 电解液 铜离子浓度的影响 试验条件： 电解液温度 50 、极间距 30 mm、 电流密度 280 A/m2、 H2SO4 浓度 170 g/L，电解液 铜离子浓度 对直流电耗的影响 见 图 4。由图 4 可以看出， 随电解液中铜离子浓度的增大，铜电解精炼的直流电耗总体是下降的， 且铜离子浓度变化对直流电耗的影响明
18、显减小 ，这与 KHOURAIBCHIA12、 DAS 等 14的 铜电积 试验 研究结果是一致的。 电解液中 Cu2+浓度小于 35 g/L 时，直流电耗从 199.34 kWh/t 快速减少至 165.28 kWh/t； Cu2+浓度由 35 g/L 增大至 55 g/L，直流电耗降幅趋缓；而 Cu2+浓度增大到 65 g/L 时，直流电耗略有 增加 ， 这是由于电解液中 铜离子 浓度 过高 时 ， 易发生阳极钝化， 使得 铜电解精炼过程的直流电耗增加 7。 25 35 45 55 65150160170180190200直流电耗/(kWht-1)铜离子浓度/ ( g L-1)图 4 电解
19、液 铜 离子浓度对 铜 电解 精炼直流电耗 的影响 Fig.4 Effect of Cu2+ concentration on power consumption of copper electrorefining 2.5 极间距 的影响 试验条件： 电解液温度 50 、 电流密度 280 A/m2、 H2SO4 浓度 17 0g/L、 Cu2+浓度 45 g/L， 不同 极间距 下的直流电耗 如图 5 所示 。由图 5 可以看出， 极间距 变化对铜电解精炼过程直流电耗的影响较大。 极间距 从 20 mm增大至 35 mm，直流电耗显著升高，增幅达 37.29%。 在 实验室 电解条件下， 极
20、间距 小于 25 mm 时，直流电耗由 120.61 kWh/t 快速增加至 147.46 kWh/t，超过 25 mm 后，增幅逐渐减小，到 35 mm 时，达到 165.59 kWh/t。这是因为 增大 极间距 会 增大 电解液 的 电阻 ， 从而提高 槽电压， 导致铜电解精炼过程 直流电耗增加。 在实际生产过程，缩短极距是降低槽电压的重要途径之一，但同时电解槽内阴、阳极发生短路的可能性将会增加，引起电流效率下降 2-3,5，因此 必须综合考虑多方面的影响来选择合适的极距 。 20 25 30 35120130140150160170直流电耗/(kWht-1)极间距/ m m图 5 极间距
21、 对 铜 电解 精炼直流电耗 的影响 Fig.5 Effect of electrode spacing on power consumption of copper electrorefining 3 结论 1） 随 着 电解液温度升高， 铜电解精炼过程的直流电耗近似线性降低 。 2） 随 着 电流密度增大，铜电解精炼过程的直流电耗显著升高 。 3） 随 着 电解液中硫酸浓度增大，铜电解精炼过程的直流电耗显著降低，且降幅逐渐增大 。 4）电解液中 Cu2+浓度由 25 g/L 增大至 35 g/L， 铜电解精炼过程的直流电耗快速降低，由 35 g/L 继续增大至 55 g/L，直流电耗降幅趋
22、缓 ；而再增大至 65 g/L，直流电耗略有升高 。 5）随 着 极间距 增大，铜电解精炼过程的直流电耗显著升高，但增幅逐渐减小。 参考文献 1 陈利生 ， 余宇楠 ， 张志军 ， 等 . 湿法冶金 电解技术 M. 北京 ： 冶金工业出版社 ， 2015： 12-13. 2 高秋平 . 降低铜电解精炼直流电消耗的途径 J. 江苏冶金 ， 2000(4)： 77-79. 3 梁文林 . 铜电解过程中的节能措施与效益 J. 有色冶金节能 ， 2004， 21(3)： 4-5 4 别良伟 . 铜电解精炼过程中的节能措施与实践 J. 铜业工程 ， 2011(1)： 43-45. 5 林欣 ， 陈崇善
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