夏志美，钟 娟，王宇菲，金 伟，张肖洒，向长柳，李威明

(湖南工业大学 冶金与材料工程学院，湖南 株洲 412007)

含碱性脉石成分较高的低品位氧化锌矿石用传统的酸法处理，酸耗大，且对矿石中的铁和其他碱性金属不具有选择性。用氨法处理低品位氧化锌矿石，金属溶出速度快、工艺流程短、对原料适应性强、对环境污染小，用此法处理高碱性低品位氧化锌矿石优势明显[1-4]。采用氨法所得浸出液中的锌通常采用电沉积法回收。目前，对氨配合物体系电沉积锌的研究较多，但对电沉积过程中添加剂的研究较少。从氨配合物体系中电积锌时，对添加剂的选择比传统酸法体系的更为严苛：若无有效添加剂，阴极电锌质量差，电流效率低，能耗高；添加剂加入时间不当也会引发电积产品难以从锌板剥离[5-6]等问题。添加剂及其浓度直接影响电锌的形貌和生长取向[7]。因此，为获得致密平整的锌板、提高电流效率、降低直流电耗，需在电积过程中加入适宜添加剂。试验选择骨胶作添加剂，考察氨配合物体系中骨胶质量浓度对电积平均槽电压、电流效率、直流电耗及电锌表面形貌的影响。

1 试验部分

试验所用试剂主要有氧化锌(ZnO)，氯化铵(NH4Cl)，氨水(NH3·H2O)，骨胶，无水乙醇等，均为分析纯。试验装置如图1所示。

1—恒温水浴锅；2—电解槽；3—阳极石墨；4—阴极钛板；5—直流稳压电源。

根据工业生产数据配置模拟电解液：[Zn2+]=40 g/L，[NH4Cl]=5 mol/L，[NH3·H2O]=2.5 mol/L。

将配好的电解液倒入电解槽中，以石墨板作阳极，用砂纸打磨好的钛板作阴极，分别接恒流稳压电源正极和负极。以骨胶作添加剂，沉积条件：温度40 ℃，极板间距4 cm，电流密度400 A/m2，电积时间6 h，骨胶质量浓度分别为0、25、50、100、150 mg/L。电积过程中，每隔0.5 h记录槽电压1次，计算平均槽电压。电解完成后，马上用无水乙醇和稀氨水依次冲洗阴极板，用相机拍下阴极锌的宏观形貌，然后烘干、称重，计算电流效率。

2 试验结果与讨论

2.1 骨胶质量浓度对平均槽电压的影响

在试验条件下，骨胶质量浓度对平均槽电压的影响试验结果如图2所示。

图2 骨胶质量浓度对平均槽电压的影响

由图2看出：槽电压随骨胶质量浓度增大先降低后提高；骨胶质量浓度为25 mg/L时，平均槽电压达最小值2.96 V；骨胶质量浓度大于100 mg/L时，平均槽电压迅速提高，最大值大于未添加骨胶时的槽电压3.41 V。这可能是因为：少量骨胶的加入起到了提高溶液活性的作用，使溶液导电性增强；但随骨胶用量增加，体系黏度增大，溶液电阻增大，使槽电压升高。因此，电积过程中，应合理控制添加剂浓度，以得到较小的槽电压，降低能耗。综合考虑，骨胶加入量以25 mg/L左右较为适宜。

2.2 骨胶质量浓度对电流效率的影响

电沉积锌过程中，骨胶质量浓度对电流效率的影响试验结果如图3所示。

图3 骨胶质量浓度对电流效率的影响

由图3看出：骨胶的加入可提高锌电积的电流效率，且随骨胶质量浓度提高，电流效率先升高后降低；骨胶用量为25 mg/L时，电流效率最高可达91.90%，与未加骨胶时相比提高了近7%；骨胶质量浓度继续增大，电流效率虽有所下降，但仍比未加入骨胶时的电流效率高。

研究发现：电解液中加入胶类物质，可使带正电的胶质物吸附在阴极锌晶体凸起面上，增大氢析出过电位[8]，从而增强阴极极化作用，减少树枝晶的生成，使电流效率增大；而随添加量增加，添加剂在电极表面的吸附作用加剧，在金属表面形成一层添加剂的过量吸附层，阻碍传质过程，从而减缓锌离子在电极表面的沉积速率，抑制锌的电化学还原过程，导致电流效率降低。

骨胶的加入能明显提高电流效率，且当骨胶质量浓度为25 mg/L时，锌电积电流效率最大。

2.3 骨胶质量浓度对直流电耗的影响

电沉积锌过程中，骨胶质量浓度对直流电耗的影响试验结果如图4所示。

图4 骨胶质量浓度对直流电耗的影响

由图4看出：骨胶质量浓度对直流电耗的影响与对槽电压的影响趋势类似，随骨胶质量浓度增大，直流电耗先降低后升高；骨胶质量浓度为25 mg/L时，直流电耗为2 641 kW·h/tZn，与未加入骨胶时的3 290 kW·h/tZn相比，直流电耗大大降低；继续增大骨胶质量浓度，直流电耗升高，当骨胶质量浓度增至150 mg/L时，直流电耗最大，但仍比未加入骨胶时的直流电耗低。这主要是因为：添加剂用量较少时，由于添加剂能抑制氢的析出，提高Zn2+与电子结合的速度，从而使锌在阴极快速沉积；而添加剂用量过多时，骨胶大量黏附在阴极表面，附着的骨胶层能明显增大溶液黏度，阻碍Zn2+与电子结合，抑制锌的沉积，从而导致电流效率降低[1]，槽电压升高，直流电耗增大。

2.4 骨胶质量浓度对电锌表面形貌的影响

骨胶质量浓度对电锌表面形貌的影响试验结果如图5所示。

由图5看出，骨胶对电积锌表面形貌影响很大：未加入骨胶时，得到的电积锌疏松多孔，呈海绵状，难以剥离成板；加入骨胶后，所得电积锌更为致密，在与钛板接触区域形成致密薄锌层，能从钛板上剥离下来；骨胶质量浓度为25 mg/L时，电积锌表面最为平整致密，锌沉积层具有明显的金属光泽；骨胶质量浓度继续增大，电积锌表面枝晶明显增多，晶粒增大。这说明：加入适当的添加剂，可使金属锌析出过电位增加，晶核形成速度增大；当晶核形成速度大于晶核生长速度时，得到的晶粒细小，即生成致密、平整、光滑的锌电沉积层，反之，得到的是粗糙的锌电积层[9-10]。

3 结论

从氨配合物体系中电沉积锌时，在一定条件下加入适量添加剂，可获得表面光滑致密的电积锌板，不加入添加剂只能得到海绵状不成板金属锌。添加剂的加入，可使锌板质量得到改善，电流效率提高，直流电耗降低。骨胶最适宜加入量为25 mg/L，此时电流效率为91.90%，槽电压为2.96 V，直流电耗为2 641 kW·h/tZn，电沉积所得电积锌质量较好。

从锌板形貌看出，电沉积锌时仅添加骨胶一种添加剂，即使在最佳浓度下，锌板表面仍会有一定量枝晶，表面不够光滑致密，因此，还需进一步研究加入其他添加剂与骨胶复配，从而得到完全符合工业要求的锌板。

参考文献：

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