离子交换膜法钴电积工艺运行及优化研究

摘要

钴作为一种铁族金属元素，因其单质具有良好的理化性能和机械加工性能，而广泛应用于航空航天、机械加工、化学工业、电子工业以及医疗卫生等领域，同时钴也是一种极其重要的战略资源。我国的钴资源量少，主要伴生于铁、镍、铜等矿床中，长期以来，钴冶炼企业以生产化合态的钴盐和氧化钴为主，随着航空工业和现代机械加工业的不断发展，金属钴的精炼生产变得尤为重要。论文分析了金属钴精炼生产工艺现状，国内外生产企业大多采用不溶性阳极电解法。针对传统工艺中存在的氯气污染难题，本课题提出了离子交换膜法钴电积生产工艺，并开发了电积工艺设备—双膜三室膜组件，通过对离子交换膜法钴电积工艺的影响因素和控制条件进行研究，旨在得出膜法电积工艺的最佳运行和控制条件，以求推动钴精炼行业实现工艺技术革新。
　　论文先通过自制的双膜三室膜组件，对离子交换膜法钴电积工艺规范（包括电积液温度、电流密度、极间距、循环流量、填充介质等因素）进行了单因素和正交试验分析，得出采用膜法电积工艺进行金属钴精炼生产是可行的，各因素对膜电积工艺运行效果的影响程度为：电流密度＞电积液温度＞极间距＞循环流量＞硫酸浓度。采用氯化钴溶液为电积液（浓度110±5g/L、pH值3.0、循环流量3L/h）、质量分数1％的稀硫酸和0.5%的稀盐酸为组件导电介质，控制电积液温度为45℃，阴极电流密度为200A/m2，极间距为100mm的条件下，试验效果理想，膜电积工艺阴极电流效率可达97.91%，阴极板钴沉积层平整、细密，边缘平滑无结瘤现象。
　　考虑到工艺的放大效应和规模化应用可能存在的问题，课题在初步试验的基础上，进行了中试效果试验，经过两阶段的现场中试试验得出：膜法电积工艺中阴极平均电流效率达90.71%。与传统钴电积生产工艺相比，电流效率提高约2.2个百分点，试验过程中氯气产生量减少93.8%，经脱气塔和碱吸收后，全系统的氯气削减量达99.11%。生产每吨金属钴较传统工艺可节约生产成本约5448.92元，经济效益和环保效益显著。
　　本文通过模拟试验和中试试验得出：采用离子交换膜法钴电积工艺实现金属钴精炼生产是可行的，通过进一步完善膜组件结构，开发高性能离子交换膜，改善系统循环效果，有望实现离子交换膜法电积工艺的规模化和产业化应用，从而推动钴精炼行业的技术革新。