電冶金法

電冶金法是利用電能從原料中提取、精煉金屬的一種冶金方法。直接利用電能獲得冶煉所需要的高溫進(jìn)行冶金的方法，稱為電爐冶煉：有電弧煉鋼;難溶、活潑金屬及它們合金的真空自耗電極熔煉;電子束熔煉;等離子冶金等。先將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能使溶液中的金屬離子還原為金屬析出，或?qū)⒋譄挼玫降慕饘僮鳛殛?yáng)極，經(jīng)溶液電解精煉沉積在陰極上，稱為水溶液電解冶金，如銅、鋅的電解沉積和銅、鉛的電解精煉。

先利用電能產(chǎn)生的熱，使熔鹽處于所需的高溫，再以直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，從熔鹽中還原金屬，稱為熔鹽電解冶金。用于鋁、鎂、鈉、鉭、鈮等的熔鹽電解生產(chǎn)。電冶金過(guò)程容易隔絕有害物質(zhì)的滲入，可以獲得高品質(zhì)高純度的金屬，這不論對(duì)活性金屬或惰性金屬的精煉，都是一種重要的冶金方法。

電冶金技術(shù)概述

電冶金技術(shù)也叫濕法冶金，以區(qū)別于采用火或電的火法熔煉技術(shù)。所謂濕法冶金，就是從電解液中電沉積出金屬的過(guò)程，它是冶金工業(yè)部門提取金屬的重要方法之一，同時(shí)也是提純有色金屬和制取貴重金屬的主要方法。

電冶金與火法冶金比較，具有制品純度高，并且能處理低品位礦石或復(fù)雜多金屬礦的優(yōu)點(diǎn)。電冶金技術(shù)的要點(diǎn)是將礦石經(jīng)焙燒、粉碎等處理后，用酸(如鹽酸、硫酸)或堿(如硫化堿，即硫化鈉加氫氧化鈉)、鹽(如硫酸亞鐵)等，將礦石中的金屬鹽進(jìn)行溶解，再對(duì)這種含金屬離子的電解液進(jìn)行電沉積加工。這時(shí)采用的陽(yáng)極是不溶性陽(yáng)極，而從陰極上獲取金屬材料。當(dāng)然在電解制取前還要對(duì)這種電解液進(jìn)行提純，將電位較正的異種金屬離子先行取出，然后才進(jìn)行所需金屬的制取。

電冶金還用于對(duì)不純有色金屬的精煉。這時(shí)的陽(yáng)極則是需要提純的金屬，如銅、鎳等。通過(guò)電解加工后，從陰極上獲得的是純度很高的金屬材料，其純度通常可以達(dá)到99.99%以上。

金屬的電解冶煉和精煉提純，大部分都是在電解質(zhì)的水溶液中進(jìn)行的。用水溶液電解體系制取的金屬已經(jīng)達(dá)到30多種。主要有銅、鋅、鈷、鎳、鐵、鉻、錳、鎘、鉛、銻、錫、銦、金、銀等。其中電解精煉提取的有銅、鎳、鉆、錫、鉛、汞、金、銀、銻、銦等。

除了水溶性電解質(zhì)，在金屬的熔融鹽中也可以電解冶金，并且是制取鋁等重要現(xiàn)代工業(yè)材料的重要技術(shù)。

通過(guò)熔鹽電解大規(guī)模生產(chǎn)的金屬有鋁、鎂、鈉、鋰、鉀、鈣、鍶、鋇、鈹、鈾、鈦等。這些材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性早巳超過(guò)鋼鐵與銅、鎳、鋅等一樣，成為重要的戰(zhàn)略性金屬材料。

電冶金技術(shù)應(yīng)用

(1)銅的電解精煉

電解煉銅是工業(yè)上采用得最早的電化學(xué)方法之一，其應(yīng)用也最廣。因?yàn)榛鸱ㄖ迫〉你~的雜質(zhì)含量太高，不適合現(xiàn)代工業(yè)特別是電子工業(yè)對(duì)高純度銅的需要。因此大部分(85%～90%)的銅的制取要通過(guò)電解法進(jìn)行精煉。各種銅的組分如圖1所示。

電解精煉銅的陰極沉積層盡管不需要像裝飾性電鍍那樣平滑光亮，但也不能有樹枝狀或疏松的鍍層。因此要適當(dāng)添加表面活性劑等改善陰極電流分布，使鍍層較為平整光滑。

電解精煉銅與其他電沉積銅的區(qū)別還在于它的規(guī)模是非常大的。為了提高生產(chǎn)效率和降低成本，電解精煉銅采用的是大規(guī)模生產(chǎn)方式。通常是上百個(gè)電解槽并聯(lián)或者串聯(lián)工作。所用的槽電壓也比電鍍高得多，約在16～18V。電流密度為200～260

銅的電冶金則是從銅礦石浸取的電解液中進(jìn)行的。銅礦石的科類很多，如孔雀石、藍(lán)銅礦、黑銅礦、硅孔雀石礦、赤銅礦、輝銅礦、斑銅礦、銅藍(lán)礦和黃銅礦等。

氧化銅礦用硫酸溶解浸出；硫化礦石是用硫酸鐵溶解；含有金屬銅和氧化物的礦石可以用氨水溶液浸出；孔雀石、藍(lán)銅礦和黑銅礦可以稀硫酸溶解；赤銅礦、輝銅礦和斑銅礦則用酸化的硫酸亞鐵溶解；黃銅礦必須先在高溫煅燒使之變成氧化銅，再用酸浸出，用濕法電冶煉；銅的電冶金所用的陽(yáng)極為鉛板。

(2)銀的電解精煉

用電解精煉銀幾乎是提純金屬銀的唯一方法。因?yàn)橛眠@種方法制得的金屬銀，其純度可達(dá)99.96%～99.99%。電解精煉銀的電解液如圖2所示。

由于銀的電位很正，因此電解液中的其他金屬雜質(zhì)的影響不眵顯。在槽電壓為1.5V，電流效率為95%時(shí)，每噸銀的電能消耗芫400kW·h。

電解銀的陽(yáng)極泥中含有金、鉑等希貴金屬，還可以再用來(lái)提煉這些貴金屬。

(3)金的電解精煉

在電解銅時(shí)分離銀、銅之后的陽(yáng)極泥，精煉銀以后的陽(yáng)極泥中的金，由礦石冶煉中所提取的金以及廢金飾等都可以用于金的精煉提純。這些材料中除金外，尚夾雜著銅、鉛、銀、鉑族金屬雜質(zhì)等。如果雜質(zhì)金屬含量超過(guò)15%，則要用化學(xué)法先提純。作為陽(yáng)極的金的含量不得低于90%。

金的化合物除了氯化物以外，溶解度都很低，而且還不穩(wěn)定，因此都不適合作電解金的電解液。

電解金用的電解液是三氯化金加鹽酸。加入鹽酸的目的是為了增加電解液的電導(dǎo)，同時(shí)防止三氯化金的水解。

生成的一氧三氯絡(luò)金酸按下式電離。

因此，在中性的氯化金溶液中，主要以一氧三氯絡(luò)金酸的形式存在。這時(shí)如果以金屬金為陽(yáng)極進(jìn)行電解，將不是陽(yáng)極的金的電化學(xué)溶解，而是氧氣的析出，結(jié)果使陽(yáng)極容易鈍化。

電解精煉金的電解槽比較小，一般只有20L，用陶瓷制作。電解液的配方如圖3所示。

電解精煉出來(lái)的金的純度可達(dá)99.98%一99.99%。

(4)鋅的濕法冶金

鋅是重要的最常用有色金屬之一。在全世界的鍍槽中，有一半左右是鍍鋅液。也就是說(shuō)鍍鋅的量是所有電鍍液總量的一半。而世界上大約50%鋅則是通過(guò)濕法冶金制取的。

將鋅礦石用硫酸浸取，然后制成鍍鋅電解液，最后用不溶性陽(yáng)極進(jìn)行電沉積，從陰極上獲得金屬鋅。

工業(yè)上用電解法制鋅最早是美國(guó)和加拿大，他們于1914年開始工業(yè)電解冶煉鋅。濕法冶煉鋅方法與當(dāng)初基本上是一樣的。只是技術(shù)和設(shè)備更加完善。

與前面幾種有色金屬和貴金屬不同的是，鋅的還原電位比較負(fù)，因此很多比鋅電位正的金屬都容易成為在陰極優(yōu)先析出的雜質(zhì)。這使得鋅的電冶金的流程和管理比較復(fù)雜。為了排除雜質(zhì)金屬的干擾，在將鋅精礦經(jīng)煅燒成氧化鋅后，經(jīng)酸化浸制成硫酸鋅的溶液。這時(shí)要加入鋅粉，將電位比鋅正的金屬(銅、銀、金等)置換并沉淀出來(lái)。進(jìn)行這種分離后的電解液，才能用于濕法冶金。

鋅的濕法冶金分為正規(guī)法和強(qiáng)化法兩種。正規(guī)法是將浮選得到的鋅精礦在550～650℃緩慢煅燒，然后用較低濃度的硫酸溶解(也可以用電解鋅后的電解液)，制成如圖4(a)組成的電解液。

強(qiáng)化法是加大電解液主鹽濃度和電流密度，同時(shí)提高鍍液溫度和電流密度。這樣可以獲得較快的電沉積速度，如圖5(b)所示。

簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，電冶金就是電化學(xué)技術(shù)在提取冶金中的應(yīng)用。十分清楚，假若一個(gè)反應(yīng)消耗電子，為使該反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，就必須由另外一個(gè)反應(yīng)供給電子。這一對(duì)互補(bǔ)反應(yīng)組成一電化學(xué)電池，這兩個(gè)反應(yīng)分別叫做陰極反應(yīng)和陽(yáng)極反應(yīng)。

任何一個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)都表現(xiàn)出兩個(gè)重要特點(diǎn)。

第一，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物必須以帶電狀態(tài)或離子狀態(tài)存在。雖然氣體可以是帶電的原子或分子，但大多數(shù)情況下，氣態(tài)物質(zhì)對(duì)組成電化學(xué)電池不甚方便。反應(yīng)物只有溶解在離子固體或離子液體中，或者溶解在水這樣的極性液體中才客易電離。也就是說(shuō)，這些溶劑的基本功能是為帶電物質(zhì)提供一種它們能在其中存在的介質(zhì)。

第二，為使電化學(xué)反應(yīng)在體系中連續(xù)發(fā)生，也就是使電流在回；路中流動(dòng)，必須在陰、陽(yáng)極之間存在電位差。產(chǎn)生電位差的原因，一種情況是兩個(gè)電極上的電化學(xué)反應(yīng)速度不同，造成電子供應(yīng)和消耗不平衡，即兩個(gè)電極表面電位有差異。另一種情況是在兩電極之間加上一外電壓。本章討論的重點(diǎn)是后一種情況，也兼及前一種。

在電冶金反應(yīng)中，對(duì)體系施以外電壓，相當(dāng)于用電能做“燃料”，推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。這種燃料的優(yōu)點(diǎn)首推在過(guò)程中不向體系引入雜質(zhì)。舉例來(lái)說(shuō)，火法冶金中使用焦炭，不可避免地向反應(yīng)池中引入

電冶金是以電能為能源進(jìn)行提取和處理金屬的工藝過(guò)程。根據(jù)電能轉(zhuǎn)化形式的不同分為電化冶金和電熱冶金兩類。

電化冶金又稱電解，是使直流電能通過(guò)電解池轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，將金屬離子還原成金屬的過(guò)程。根據(jù)電解液不同，電化冶金分為水溶液電解和熔鹽電解；根據(jù)陽(yáng)極不同又分為不溶陽(yáng)極電解和可溶陽(yáng)極電解，前者又稱電解提取，后者又稱電解精煉。

電熱冶金是利用電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茉陔姞t內(nèi)進(jìn)行提取或處理金屬的過(guò)程，按電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿姆椒醇訜岬姆椒ú煌?，分為電弧熔煉、電阻熔煉、感?yīng)熔煉、電子束熔煉和等離子冶金等。