锌的电积-电流效率及其影响因素

    电流效率及其影响因素
    在生产实践中，在阴极上通过1法拉第电量往往不能析出1mol的锌。这是因为在金属锌析出的同时，还有杂质及氢气析出、阴极沉积物的氧化和溶解，以及电极短路及漏电损失等。因此，提出了电流有效利用问题，即电流效率问题。
    在工业上，常用电积过程实际析出锌量与通过相同电量理论上应析出锌量的百分比来表示电流效率，计算方法如下：

                                     实际析出的物质量
                       电流效率 = ——————————— × 100%
                                  理论上应该析出的物质量
即                                  ηi = m/（q · I · t · n）
式中    ηi——阴极电流效率，％；
        m——在t时间内的析出锌实际产量，g；
        I——通过阴阳极之间的电流，A；
        t——电积时间，h；
        n——电积槽数；
        q——锌的电化当量，1.220g/（A·h）。
    在生产实践中，因具体条件不同，锌电积的电流效率高低也不同，现代湿法炼锌工业中电流效率大都波动在85％～95％之间。
    槽电压与电能消耗
    A  槽电压
    槽电压就是电积槽内相邻阴阳极之间的电压降数值。它可用每对阴阳极之间的实测电压降来表示。但在生产实践中，由于电积槽的数目很多，阴阳极对数则更多，而每对阴阳极之间的电压降因具体情况不同而有所差别，所以并不使用测定方法，而是用供给所有串联电积槽的总电压减去导电板的电压降，除以串联电路上的总槽数，所得的商即为槽电压，公式表示为：

                                         V₁-V₂
                                   V_槽 = ————
                                           N

式中  V槽——槽电压；
       V₁——所有串联电积槽总电压；
       V₂——导电板电压降；
        N——总电解槽数。
    一个电积槽的电压由下列部分构成：硫酸锌的理论分解电压、超电压、电解质溶液的电压降，以及接线的接触电阻、极板电阻、阳极泥电阻等所引起的电压降，用公式表示为：[next]

                            V槽 = E₊ - E_- + IR_极 + IR_液 + IR_泥 + IR_接

式中  （ E₊ - E_- ）——电极极化电位；
              IR_极——极板电阻电压降；
              IR_液——电积液电阻电压降；
              IR_泥——阳极泥电阻电压降；
              IR_接——接触电阻电压降。
    电极极化电位(E₊ - E_- ）包括硫酸锌的理论分解电压和超电压。现讨论含H₂SO₄为115g/L和Zn²⁺为54g/L的电积液在40℃时以电流密度500A/m²进行电积的极化电位。
    在该溶液中Zn²⁺的浓度C_Zn²⁺ = 0.826mo1/L,取活度系数为0.053，则a_Zn²⁺ ＝0.053×0.826＝0:0438，根据极化电位公式，对于阴极过程应有：

                           E_Zn ＝ E^ө_Zn²⁺＋RT/nFlga_Zn²⁺ -η_Zn 
                              ＝0.763＋0.031051g（0.0438）-η_Zn
                              ＝-0.805 - η_Zn

式中，η_Zn表示锌的析出超电压，已知在给定条件下等于0.03V。
    因此，可求得：

                            η_Zn = -0.805 - 0.03 = -0.835V

    在同样溶液中,H⁺浓度为C_H⁺ = 2.345mo1/L, 而OH^-离子浓度C_OH^- = K_w/C_H⁺ = 3×10^-14/2.345 = 1.279 × 10^-14mol/L，其活度系数等于0.75，则a_OH- = 0.75 × 1.279 × 10^-14 ＝ 9.60 × 10^-15，因此，阳极过程的极化电位为：

                             E_O2 ＝ E^ө_O2 - RT/F1ga_OH^- ＋ η₀₂
                                ＝1.272＋η₀₂

式中，η₀₂表示在电积条件下氧在阳极铅上的析出超电压，并已知等于0.993V。因此，可求得

                              фO₂ = 1.272 + 0.993 = 2.265V

根据以上计算结果，便可求出阴阳极的极化电位差V_极。[next]

                            V_极 ＝ 2.265 - （-0.835） = 3.10V

    电积液虽然可以依靠离子导电，但与金属导体相比，电阻要大得多。当电流通过电积液时，必然引起电压降，其大小与电流密度、阴阳极间距离、电积液的电阻率成正比，可用以下公式表示：

                                   V_液 = IR_液 = J·pL

式中  V_液——电积液电阻电压降，V；
       J——阴极电流密度，A/mz；
       P——电积液的电阻率，Ω·m；
       L——阴阳极距离，m。
    下表为40℃时不同组成的酸性硫酸锌溶液的比电阻值。由已知电阻率的数值，就可以计算出两电极间溶液的电压降，通常V_液在0.4～0.6之间。