电冶金技术也叫湿法冶金,以区别于采用火或电的火法熔炼技术。所谓湿法冶金,就是从电解液中电沉积出金属的过程,它是冶金工业部门提取金属的重要方法之一,同时也是提纯有色金属和制取贵重金属的主要方法。
电冶金与火法冶金比较,具有制品纯度高,并且能处理低品位矿石或复杂多金属矿的优点。电冶金技术的要点是将矿石经焙烧、粉碎等处理后,用酸(如盐酸、硫酸)或碱(如硫化碱,即硫化钠加氢氧化钠)、盐(如硫酸亚铁)等,将矿石中的金属盐进行溶解,再对这种含金属离子的电解液进行电沉积加工。这时采用的阳极是不溶性阳极,而从阴极上获取金属材料。当然在电解制取前还要对这种电解液进行提纯,将电位较正的异种金属离子先行取出,然后才进行所需金属的制取。
电冶金还用于对不纯有色金属的精炼。这时的阳极则是需要提纯的金属,如铜、镍等。通过电解加工后,从阴极上获得的是纯度很高的金属材料,其纯度通常可以达到99.99%以上。
金属的电解冶炼和精炼提纯,大部分都是在电解质的水溶液中进行的。用水溶液电解体系制取的金属已经达到30多种。主要有铜、锌、钴、镍、铁、铬、锰、镉、铅、锑、锡、铟、金、银等。其中电解精炼提取的有铜、镍、钻、锡、铅、汞、金、银、锑、铟等。
除了水溶性电解质,在金属的熔融盐中也可以电解冶金,并且是制取铝等重要现代工业材料的重要技术。
通过熔盐电解大规模生产的金属有铝、镁、钠、锂、钾、钙、锶、钡、铍、铀、钛等。这些材料在国民经济中的重要性早巳超过钢铁与铜、镍、锌等一样,成为重要的战略性金属材料。
(1)铜的电解精炼
电解炼铜是工业上采用得最早的电化学方法之一,其应用也最广。因为火法制取的铜的杂质含量太高,不适合现代工业特别是电子工业对高纯度铜的需要。因此大部分(85%~90%)的铜的制取要通过电解法进行精炼。各种铜的组分如图1所示。
电解精炼铜的阴极沉积层尽管不需要像装饰性电镀那样平滑光亮,但也不能有树枝状或疏松的镀层。因此要适当添加表面活性剂等改善阴极电流分布,使镀层较为平整光滑。
电解精炼铜与其他电沉积铜的区别还在于它的规模是非常大的。为了提高生产效率和降低成本,电解精炼铜采用的是大规模生产方式。通常是上百个电解槽并联或者串联工作。所用的槽电压也比电镀高得多,约在16~18V。电流密度为200~260
铜的电冶金则是从铜矿石浸取的电解液中进行的。铜矿石的科类很多,如孔雀石、蓝铜矿、黑铜矿、硅孔雀石矿、赤铜矿、辉铜矿、斑铜矿、铜蓝矿和黄铜矿等。
氧化铜矿用硫酸溶解浸出;硫化矿石是用硫酸铁溶解;含有金属铜和氧化物的矿石可以用氨水溶液浸出;孔雀石、蓝铜矿和黑铜矿可以稀硫酸溶解;赤铜矿、辉铜矿和斑铜矿则用酸化的硫酸亚铁溶解;黄铜矿必须先在高温煅烧使之变成氧化铜,再用酸浸出,用湿法电冶炼;铜的电冶金所用的阳极为铅板。
(2)银的电解精炼
用电解精炼银几乎是提纯金属银的唯一方法。因为用这种方法制得的金属银,其纯度可达99.96%~99.99%。电解精炼银的电解液如图2所示。
由于银的电位很正,因此电解液中的其他金属杂质的影响不眵显。在槽电压为1.5V,电流效率为95%时,每吨银的电能消耗芫400kW·h。
电解银的阳极泥中含有金、铂等希贵金属,还可以再用来提炼这些贵金属。
(3)金的电解精炼
在电解铜时分离银、铜之后的阳极泥,精炼银以后的阳极泥中的金,由矿石冶炼中所提取的金以及废金饰等都可以用于金的精炼提纯。这些材料中除金外,尚夹杂着铜、铅、银、铂族金属杂质等。如果杂质金属含量超过15%,则要用化学法先提纯。作为阳极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,而且还不稳定,因此都不适合作电解金的电解液。
电解金用的电解液是三氯化金加盐酸。加入盐酸的目的是为了增加电解液的电导,同时防止三氯化金的水解。
生成的一氧三氯络金酸按下式电离。
因此,在中性的氯化金溶液中,主要以一氧三氯络金酸的形式存在。这时如果以金属金为阳极进行电解,将不是阳极的金的电化学溶解,而是氧气的析出,结果使阳极容易钝化。
电解精炼金的电解槽比较小,一般只有20L,用陶瓷制作。电解液的配方如图3所示。
电解精炼出来的金的纯度可达99.98%一99.99%。
(4)锌的湿法冶金
锌是重要的最常用有色金属之一。在全世界的镀槽中,有一半左右是镀锌液。也就是说镀锌的量是所有电镀液总量的一半。而世界上大约50%锌则是通过湿法冶金制取的。
将锌矿石用硫酸浸取,然后制成镀锌电解液,最后用不溶性阳极进行电沉积,从阴极上获得金属锌。
工业上用电解法制锌最早是美国和加拿大,他们于1914年开始工业电解冶炼锌。湿法冶炼锌方法与当初基本上是一样的。只是技术和设备更加完善。
与前面几种有色金属和贵金属不同的是,锌的还原电位比较负,因此很多比锌电位正的金属都容易成为在阴极优先析出的杂质。这使得锌的电冶金的流程和管理比较复杂。为了排除杂质金属的干扰,在将锌精矿经煅烧成氧化锌后,经酸化浸制成硫酸锌的溶液。这时要加入锌粉,将电位比锌正的金属(铜、银、金等)置换并沉淀出来。进行这种分离后的电解液,才能用于湿法冶金。
锌的湿法冶金分为正规法和强化法两种。正规法是将浮选得到的锌精矿在550~650℃缓慢煅烧,然后用较低浓度的硫酸溶解(也可以用电解锌后的电解液),制成如图4(a)组成的电解液。
强化法是加大电解液主盐浓度和电流密度,同时提高镀液温度和电流密度。这样可以获得较快的电沉积速度,如图5(b)所示。