Page 158 - 《精细化工》2020年第3期

·576· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷

2+
由图 4 可知，同一电流密度条件下，二氧化锰 随之提高。取阴极液 1 L，Mn 质量浓度 38 g/L，控
产量与硫酸浓度成正相关，硫酸浓度在 1.0~2.5 mol/L 制温度 35 ℃，溶液 pH=7.2，电解时长 12 h，经过
区间递增中，二氧化锰产量增速明显，硫酸浓度超 实验探究，阴极电流密度对 12 h 锰产量及电流效率
过 2.5 mol/L 后，增速明显降低，趋于稳定。出于经 影响如图 6 所示。
济性考虑，最佳硫酸浓度控制在 2.5 mol/L 为宜。
2.3.2 pH 对金属锰生产的影响
2+
Mn 在高 pH 条件下发生水解生成氢氧化物沉
淀，不但会降低阴极锰的产品纯度，还会降低极板
表面的氢过电位，影响锰的沉积。电解液制备过程
中加入铵盐（硫酸铵）作为缓冲剂，可在解决这个
问题的同时提高溶液导电性。但铵盐的加入量要严
格把控，浓度过大自身易析出，影响电解，过小又
不能起到缓冲剂作用，一般控制在 120 g/L 左右为
宜 [25] 。铵盐的投加会使溶液整体偏酸性，酸性条件

下锰的电活性较高，阴极板附近产氢过多，会降低 图 6 电流密度对电流效率及锰产量的影响
2
电流效率，因此，pH 不能太低。在电流密度 400 A/m 、 Fig. 6 Effect of current density on the current efficiency
and manganese yield
温度 36 ℃条件下，探究其对电流效率及电解 12 h

末端槽电压的影响，如图 5 所示。 由图 6 分析可知，电流密度在 400 A/m 时电流
2
2
效率和 12 h 产量达到最佳，在 300~400 A/m ，电流
效率和金属锰的产率呈正相关，实验过程中观察到
阴极板表面锰沉积致密，无明显起壳；电流密度超
2
过 400 A/m 时，极板表面有锰沉积不均的现象，产
生瘤状凸起，甚至在电解中脱落，不符合生产要求。
2
因此，电流密度在 350~400 A/m ，可达到相对理想
的锰沉积效果。
2.4.2 电流密度对阳极格室的影响
阳极二氧化锰产率不仅与硫酸浓度有关，还与

电流密度有关。实验控制阳极溶液体积 1 L、酸浓度
图 5 溶液 pH 对电流效率和槽电压的影响
Fig. 5 Effect of solution pH on the current efficiency and 2.5 mol/L 的条件下，通过调节阳极电流密度大小研
terminal cell voltage 究了其与 EMD 产量的关系，结果如图 7 所示。

由图 5 可知，不同的 pH 环境对电解中的电流效
率影响显著，同时影响电解过程中的能耗，最直观体
现在电解末端电压值。pH 小于 7.0 时，电解 12 h 电压
降至 6 V 以下，但整体电流效率较低；当 pH 大于 7.0
2+
时，末端电压急剧增长。这种现象的发生与 Mn 水解
有关，故最佳的 pH 范围控制在 6.8~7.2 左右。但电
解中发现，初始 pH 小于 7.0，阴极板表层沉积不够致
密，容易起壳。故电解阶段 pH 在 7.0~7.2 之间最佳。
2.4 电流密度对产品生产的影响

电流密度是反应能耗的重要指标，双膜三室结
图 7 电流密度对 EMD 产量影响
构中，阴阳极各自处于相对封闭的格室，故可按照 Fig. 7 Effect of current density on the EMD production
各自格室的最佳条件，调节极板面积控制不同的电
流密度。 由图 7 可知，EMD 产量随电流密度增加同步增
2
2.4.1 电流密度对阴极格室的影响 加，电流密度增至 800 A/m 时最佳，之后随电流密度
金属锰电解沉积于阴极板，一定条件下，阴极 增加呈现下降趋势。经过分析，电流密度大于 800 A/m 2
电流密度越高，电流效率也越高，金属锰的产量也 时，反应 6 发生导致产率降低。