电解法制备高纯金属铬的工艺研究

摘要

高纯铬具有很好的韧性,是非铁基耐高温耐腐蚀精密合金、特别是铬基合金的必备材料,在宇航工业、喷气飞机制造、燃汽轮机制造等领域有着重要的应用,而我国目前还不能生产高纯铬,全部依赖进口。基于此,本文以废旧铬铁合金为原料,通过实验研究制取高纯铬的工艺,获得了最佳工艺参数和完整的工艺流程,实现了资源的回收利用,为高纯铬工业化生产奠定了基础。本文主要内容有:
　　 通过对铬的性质与用途、金属铬的提取冶炼方法以及电解沉积铬的研究进展进行综合评述,创造性地提出了从铬铁合金中提取高纯金属铬的工艺流程,该流程包括硫酸浸出、莫尔盐除铁、电还原.结晶和离子交换膜电解。
　　 首先对铬铁合金硫酸浸出进行了实验研究,系统考察了工艺条件对铬、铁浸出率的影响。研究结果表明,在硫酸浓度500g/L左右,硫酸过量系数1.3,搅拌速度300r/min,浸出温度90～95℃,合金粒度230～325目,浸出时间4h的条件下可以获得很好的浸出效果,浸出过程中会产生原子氢和二价铬离子,这些物质促使浸出液中的铁以亚铁离子存在。
　　 从浸出液中分离铬铁的实验采用莫尔盐结晶法进行,系统考察了Cr-Fe分离过程中工艺条件对除铁率和铬损失率的影响。实验结果表明,Fe2+浓度对莫尔盐除铁效果没有明显影响,在溶液pH为0.5,硫酸铵过量系数3.0,Cr3+浓度70g/L左右,温度70℃,反应5～6h,快速冷却,结晶24h的条件下除铁率可达98％以上,铬的损失率在2％以下。不管溶液中铁浓度的高低,采用此法都能够获得很好的铬、铁分离效果,且铬的损失率较低。
　　 首次采用在阴离子交换膜电解槽中通过电化学还原的方法,将除铁后液电解至含有一定量的Cr2+后,再进行铬铵矾结晶。研究结果表明,电还原-结晶法只要3～4天就能达到传统法需要半个月才能达到的效果,且得到的铬铵矾含铁量可降至0.001％以下,完全可以满足制备高纯金属铬对铬铵矾所含杂质的要求。最佳的结晶工艺条件为:溶液初始pH值0.3～0.4,总铬浓度70～80g/L,总Fe浓度＜1.00g/L,Cr2+浓度6.0～7.0g/L,(NH4)2SO4浓度250～300g/L,结晶温度30～35℃,搅拌强度150～200r/min。
　　 首次采用三室双阴离子交换膜电解槽电解沉积金属铬,避免了Cr6+的产生,彻底解决了Cr6+对环境的污染问题,电解1h,阴极液pH值仅上升了0.05,解决了电解过程阴极液的稳定性问题。铬的析出电位较负,电解时伴有剧烈的析氢副反应,使金属铬沉积的电流效率降低,本研究通过添加阻氢剂BP使得电流效率大幅度提高。系统考察了电解沉积高纯铬过程中工艺条件对电流效率及单位电耗的影响,结果表明:电沉积金属铬对电解条件极其敏感,阴极液pH值必须控制在一个相当窄的范围内,最佳电解工艺参数为:阴极液pH值2.2～2.4,电解温度30～35℃,阴极电流密度8.0～9.0A/dm2,Cr3+浓度40～45g/L,(NH4)2SO4浓度350g/L左右,阳极液和缓冲液组成H2SO4浓度200～250g/L,相应的(NH4)2SO4浓度252～185g/L,阴极液循环速度2.7～3.0L/(dm2·h),阻氢剂BP浓度20mg/L。以重结晶铬铵矾为原料,在上述电解条件下进行长时间电解,得到了电流效率达35％以上的高纯(≥99.95％)金属铬。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 铬的性质及用途

1.1.1 铬的性质

1.1.2 铬的用途

1.2 铬的生产方法

1.2.1 铝热法生产金属铬

1.2.2 电解法生产金属铬

1.3 铬铁合金酸浸

1.4 铬铁分离

1.5 铬铵矾结晶

1.6 电沉积铬的国内外研究进展

1.7 本论文的研究目的及意义

第二章 铬铁合金硫酸浸出实验研究

2.1 实验原理

2.2 实验原料、主要试剂与仪器

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验试剂与仪器

2.3 实验方法

2.3.1 实验步骤

2.3.2 分析检测

2.4 实验结果与讨论

2.4.1 硫酸浓度对铬铁合金浸出效果的影响

2.4.2 硫酸过量系数对铬铁合金浸出效果的影响

2.4.3 搅拌速度对铬铁合金浸出效果的影响

2.4.4 温度对铬铁合金浸出效果的影响

2.4.5 合金粒度对铬铁合金浸出效果的影响

2.4.6 浸出时间对铬铁合金浸出效果的影响

2.5 综合扩大验证实验

2.6 本章小结

第三章 莫尔盐结晶法除铁实验研究

3.1 莫尔盐结晶法除铁的原理

3.2 实验原料、主要试剂与仪器、实验方法

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验试剂与仪器

3.2.3 实验方法

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 溶液pH对莫尔盐除铁效果的影响

3.3.2(NH4)2SO4过量系数对莫尔盐除铁效果的影响

3.3.3 温度对莫尔盐除铁效果的影响

3.3.4 Cr3+浓度对莫尔盐除铁效果的影响

3.3.5 Fe2+浓度对莫尔盐除铁效果的影响

3.3.6 反应时间对莫尔盐除铁效果的影响

3.3.7 结晶时间对莫尔盐除铁效果的影响

3.3.8 冷却速度对莫尔盐除铁效果的影响

3.4 综合扩大验证实验

3.5 本章小结

第四章 电还原-结晶法制备铬铵矾实验研究

4.1 实验原料、主要试剂与仪器、实验方法

4.1.1 实验原料

4.1.2 主要试剂与仪器

4.1.3 实验方法

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 溶液初始pH值对铬铵矾结晶的影响

4.2.2 Cr2+浓度对铬铵矾结晶效果的影响

4.2.3(NH4)2SO4浓度对铬铵矾结晶效果的影响

4.2.4 总铬浓度对铬铵矾结晶效果的影响

4.2.5 总铁浓度对铬铵矾结晶效果的影响

4.2.6 结晶温度对铬铵矾结晶效果的影响

4.2.7 搅拌强度对铬铵矾结晶效果的影响

4.2.8 结晶时间对铬铵矾结晶效果的影响

4.2.9 重结晶对铬铵矾结晶效果的影响

4.3 综合扩大验证实验

4.4 本章小结

第五章 铬铵矾电解沉积高纯铬

5.1 铬铵矾电解沉积铬的原理

5.2 三价铬电沉积铬的反应

5.3 实验试剂与仪器

5.4 铬铵矾电解沉积制取高纯铬

5.4.1 电解槽制作

5.4.2 电解液配制

5.4.3 电极制备

5.4.4 实验装置连接

5.4.5 实验方法

5.5 三室双膜电解槽使用效果

5.5.1 三室双膜电解槽阳极室Cr6+产生量

5.5.2 三室双膜电解槽阴极液pH值稳定性

5.6 实验结果与讨论

5.6.1 阴极液pH值对电沉积铬的影响

5.6.2 温度对电沉积铬的影响

5.6.3 阴极电流密度对电沉积铬的影响

5.6.4 阴极液Cr3+浓度对电沉积铬的影响

5.6.5 阴极液(NH4)2SO4浓度对电沉积铬的影响

5.6.6 不同阳极液和缓冲液组成对电沉积铬的影响

5.6.7 阴极液循环速度对电沉积铬的影响

5.6.8 阻氢剂浓度对电沉积铬的影响

5.6.9 长时间电沉积金属铬

5.7 本章小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

硕士期间的研究成果