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摘 要：随着经济的快速的发展，社会在不断的进步，通过锌电积试验研究了电流密度、锌离子浓度、酸度、阴阳极板间距、电解液温度等对锌电积过程电流效率、槽电压和直流电单耗的影响。研究表明，直流电耗随电流密度、阴阳极板间距和硫酸浓度的增大而增加，随锌离子浓度的增大而减少；随着电解液温度的升高，直流电单耗先减少后增加，在43℃左右达到最低。
关键词：直流电单耗；电流效率；槽电压
1 锌电解节能的实施现状与必要性分析
锌的生产加工随着经济发展逐渐呈现指数增长的状态，相比国外而言，尤其是美国、德国等经济发展水平高的国家，已经在锌的生产领域中有了较多研究，且锌电解的节能技术较为成熟，有一定的借鉴意义。而我国对于其节能的相关研究较少，且其生产尚处于初级阶段，起步较晚。为了进一步提高锌的电解质量与效益，借鉴国外的优秀案例与技术不可忽视。目前化工产品的加工等过程，阻碍了我国经济友好又快发展的进程在锌电解过程中，从能源的供给与需求之间的矛盾来说，供需平衡严重破坏，该节能过程面临严重的危机，从环境污染的角度来说，锌电解过程浪费大量的能源，且与环境友好型与资源节约型的原因相悖，因此在发展过程中付出了不少的代价。
2 锌电解条件最优控制
探索适合实际生产锌电解过程最佳控制条件，深入分析相关生产工艺机理的锌电解过程中温度、锌离子浓度的变化对能耗产生显著影响。基于锌电解过程是一种连续性强的动态过程，具有明显的關系变量多、过程复杂、以及不确定因素复杂的显著特点基础之上建立锌电解控制条件验证实验，对实验本身严谨性高度上有一定要求，严格根据控制变量法，保证实验过程科学有效。
3 试验
3.1 原料
锌电解试验采用铅银合金板（Ag0.8%～1.0%）为阳极，压延纯铝板（Al>99.5%）为阴极，通以直流电，在阴极上析出金属锌，在阳极上放出O2。阴阳极板的有效面积均为2*90*（140-12）mm=0.022m2，其余表面使用透明胶带包裹绝缘。阴阳极板在使用前均采用砂纸打磨至表面光滑。检验电解液液中Zn2+和H2SO4浓度所用化学试剂有EDTA（0.5mol/L）、乙酸乙钠缓冲液（pH=10）、氢氧化钠溶液（0.5mol/L）、铬黑T指示剂、溴甲酚绿—甲基红混合指示剂等。
3.2试验方法
采用2L玻璃钢电解槽模型，该电解槽与20L广口玻璃瓶用塑料管道相连接，在电解槽和塑料桶之间采用人工循环电解液。电解槽的进液方式采用传统的“下进上出”方式。在试验前和试验期间采用水浴加热，使电解液成分与温度保持均匀。
锌电解槽内共设置了3对阴阳极板以模拟真实电解槽内的流动，电解液中不使用添加剂。
试验中采用直流电源提供稳定的电流以保证电流密度不变。槽电压的记录采用带记录软件的数字万用表。在每个试验开始时，先测定广口瓶中Zn2+浓度和H2SO4浓度，根据实测值与目标值的差距添加一定硫酸锌和蒸馏水，充分搅拌后再次检测以保证电解液中Zn2+和H2SO4的浓度处于适当恒定水平。在试验结束后，把阴极板用去离子水充分洗涤，起下电锌片后，晾干称重。
4 试验结果与讨论
4.1 电解液中锌离子浓度的影响
图2为电解液温度40℃、H2SO4浓度160g/L、电流密度400A/m2、极间距25mm的条件下，电解液中锌离子浓度试验结果。可以看出，随着Zn2+浓度由40g/L增大至65g/L，槽电压在（3.25±0.02）V范围内变化，影响不大，而电流效率由85%不断增大至92.0%，增幅较大，导致直流电耗由3060kWh/t显著地减小至2915kWh/t。这是由于电解液中Zn2+浓度增大时，氢的析出电压升高，抑制了析氢反应，从而提高了锌电解的电流效率。
4.2 电解液温度的影响
图3为Zn2+浓度50g/L、H2SO4浓度160g/L、电流密度400A/m2、极间距25mm条件下，电解液温度对电流效率、槽电压和直流电耗的影响。由图6可以看出，随着电解液温度由30℃升高至60℃，槽电压相应地由3.24V降为3.1V。但电流效率先增大后减小，在43℃左右达到最大值91%，使得直流电耗也达到最低值2818kWh/t。这是因为，提高电解液温度，可以加快锌离子的扩散速度，降低电解液黏度，降低溶液的电阻和电耗，但在过高的电解液温度条件下，起主导作用的因素是氢的超电压降低，有利于氢的析出，从而降低了电流效率，导致直流电耗增加，因此电解温度需控制在一定的范围。在本试验条件下，控制电解液温度在40～45℃，电流效率最大，直流电耗最小。
实验结论
随着电解液温度的升高，锌电解的直流电耗先减小后增大，在43℃左右达到最低；2）随着锌离子浓度的增大，锌电解的直流电耗降低。
5 实验验证拓展
在锌电解实验及现场数据的基础上，建立锌电解过程电效及电耗的一体化控制系统。系统主要功能包括：生产过程的数据监控：实时监视电解电流、冷却塔温度、电解液温度、地槽液位情况、新液与废液流量及各生产设备的运行情况，使操作人员能及时了解生产状况；对电解过程中容易发生的故障作出判断，对温度、液位、流量等参数的各种越限情况跟踪处理，提供操作指导。工艺参数的优化指导：在锌电解过程控制条件优化的基础上，针对分时供电制度，优化计算各时段的电流密度，以实现分时效益的最大化；在不同电流密度条件下，对电解液酸锌含量及温度进行适当调整，以降低能耗。
参考文献
[1]苏寅彪.锌电解槽流场数值模拟及其优化[D].长沙：中南大学，2012.
关键词：直流电单耗；电流效率；槽电压
1 锌电解节能的实施现状与必要性分析
锌的生产加工随着经济发展逐渐呈现指数增长的状态，相比国外而言，尤其是美国、德国等经济发展水平高的国家，已经在锌的生产领域中有了较多研究，且锌电解的节能技术较为成熟，有一定的借鉴意义。而我国对于其节能的相关研究较少，且其生产尚处于初级阶段，起步较晚。为了进一步提高锌的电解质量与效益，借鉴国外的优秀案例与技术不可忽视。目前化工产品的加工等过程，阻碍了我国经济友好又快发展的进程在锌电解过程中，从能源的供给与需求之间的矛盾来说，供需平衡严重破坏，该节能过程面临严重的危机，从环境污染的角度来说，锌电解过程浪费大量的能源，且与环境友好型与资源节约型的原因相悖，因此在发展过程中付出了不少的代价。
2 锌电解条件最优控制
探索适合实际生产锌电解过程最佳控制条件，深入分析相关生产工艺机理的锌电解过程中温度、锌离子浓度的变化对能耗产生显著影响。基于锌电解过程是一种连续性强的动态过程，具有明显的關系变量多、过程复杂、以及不确定因素复杂的显著特点基础之上建立锌电解控制条件验证实验，对实验本身严谨性高度上有一定要求，严格根据控制变量法，保证实验过程科学有效。
3 试验
3.1 原料
锌电解试验采用铅银合金板（Ag0.8%～1.0%）为阳极，压延纯铝板（Al>99.5%）为阴极，通以直流电，在阴极上析出金属锌，在阳极上放出O2。阴阳极板的有效面积均为2*90*（140-12）mm=0.022m2，其余表面使用透明胶带包裹绝缘。阴阳极板在使用前均采用砂纸打磨至表面光滑。检验电解液液中Zn2+和H2SO4浓度所用化学试剂有EDTA（0.5mol/L）、乙酸乙钠缓冲液（pH=10）、氢氧化钠溶液（0.5mol/L）、铬黑T指示剂、溴甲酚绿—甲基红混合指示剂等。
3.2试验方法
采用2L玻璃钢电解槽模型，该电解槽与20L广口玻璃瓶用塑料管道相连接，在电解槽和塑料桶之间采用人工循环电解液。电解槽的进液方式采用传统的“下进上出”方式。在试验前和试验期间采用水浴加热，使电解液成分与温度保持均匀。
锌电解槽内共设置了3对阴阳极板以模拟真实电解槽内的流动，电解液中不使用添加剂。
试验中采用直流电源提供稳定的电流以保证电流密度不变。槽电压的记录采用带记录软件的数字万用表。在每个试验开始时，先测定广口瓶中Zn2+浓度和H2SO4浓度，根据实测值与目标值的差距添加一定硫酸锌和蒸馏水，充分搅拌后再次检测以保证电解液中Zn2+和H2SO4的浓度处于适当恒定水平。在试验结束后，把阴极板用去离子水充分洗涤，起下电锌片后，晾干称重。
4 试验结果与讨论
4.1 电解液中锌离子浓度的影响
图2为电解液温度40℃、H2SO4浓度160g/L、电流密度400A/m2、极间距25mm的条件下，电解液中锌离子浓度试验结果。可以看出，随着Zn2+浓度由40g/L增大至65g/L，槽电压在（3.25±0.02）V范围内变化，影响不大，而电流效率由85%不断增大至92.0%，增幅较大，导致直流电耗由3060kWh/t显著地减小至2915kWh/t。这是由于电解液中Zn2+浓度增大时，氢的析出电压升高，抑制了析氢反应，从而提高了锌电解的电流效率。
4.2 电解液温度的影响
图3为Zn2+浓度50g/L、H2SO4浓度160g/L、电流密度400A/m2、极间距25mm条件下，电解液温度对电流效率、槽电压和直流电耗的影响。由图6可以看出，随着电解液温度由30℃升高至60℃，槽电压相应地由3.24V降为3.1V。但电流效率先增大后减小，在43℃左右达到最大值91%，使得直流电耗也达到最低值2818kWh/t。这是因为，提高电解液温度，可以加快锌离子的扩散速度，降低电解液黏度，降低溶液的电阻和电耗，但在过高的电解液温度条件下，起主导作用的因素是氢的超电压降低，有利于氢的析出，从而降低了电流效率，导致直流电耗增加，因此电解温度需控制在一定的范围。在本试验条件下，控制电解液温度在40～45℃，电流效率最大，直流电耗最小。
实验结论
随着电解液温度的升高，锌电解的直流电耗先减小后增大，在43℃左右达到最低；2）随着锌离子浓度的增大，锌电解的直流电耗降低。
5 实验验证拓展
在锌电解实验及现场数据的基础上，建立锌电解过程电效及电耗的一体化控制系统。系统主要功能包括：生产过程的数据监控：实时监视电解电流、冷却塔温度、电解液温度、地槽液位情况、新液与废液流量及各生产设备的运行情况，使操作人员能及时了解生产状况；对电解过程中容易发生的故障作出判断，对温度、液位、流量等参数的各种越限情况跟踪处理，提供操作指导。工艺参数的优化指导：在锌电解过程控制条件优化的基础上，针对分时供电制度，优化计算各时段的电流密度，以实现分时效益的最大化；在不同电流密度条件下，对电解液酸锌含量及温度进行适当调整，以降低能耗。
参考文献
[1]苏寅彪.锌电解槽流场数值模拟及其优化[D].长沙：中南大学，2012.