CN102021598A

CN102021598A - 活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置

Info

Publication number: CN102021598A
Application number: CN201010572944.8A
Authority: CN
Inventors: 甘永平; 张文魁; 黄辉; 陶新永
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2011-04-20

Abstract

一种活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置，包括电解槽和布置在电解槽内的阳极、阴极，所述阴极的两侧分别布置阳极，所述阴极与阳极之间设有隔膜，所述电解单元槽内设有活动阴极室，所述活动阴极室位于两块相邻阳极之间，所述活动阴极室包括阴极腔和隔膜框，所述阴极位于所述阴极腔内，所述阴极腔的两侧布置所述隔膜框，所述隔膜位于所述隔膜框内，所述隔膜框与阴极腔之间设有密封垫圈。本发明提供一种降低槽电压、隔膜维护槽维护方便、降低加工成本的活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置。

Description

活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置

技术领域

本发明涉及一种电解制备硫酸亚锡的装置。

背景技术

硫酸亚锡为白色粉状晶体，常温时易溶于水。硫酸亚锡作为一种重要的无机化工原料，它广泛用于合金、马口铁、汽缸活塞、钢丝等酸性电镀，以及电子器件的光亮镀锡、铝合金装饰性彩镀、电子元件电镀、铝合金制品的氧化着色及印染工业中的媒染剂等。近年来，硫酸作为水泥煅烧的添加剂，用于制备“绿色”环保水泥，可以抑制水泥生产过程中重金属组分的挥发，从而降低环境污染。

硫酸亚锡的制备方法工业上大致上可分为化学法和电解法。化学法是采用锡或氧化亚锡与酸、盐等反应制备得到硫酸亚锡溶液，然后再经过浓缩等方法制备SnSO₄固体产品。化学法是SnSO₄的传统生产方法，锡的转化率可达85.6%，产品纯度达到98%，但设备投资大，需耗用大量去离子水和HCl，NaCO₃等化工原料。化学法和电解法制备SnSO₄比较成本高，缺乏竞争优势。

电解法制备SnSO₄包括无隔膜电解法、隔膜电解法和微孔性隔膜电解法。由于氢超电压的存在，电解时Sn²⁺在阴极上还原沉积的反应远比放电逸出氢气的反应优先发生，因此溶液中的Sn²⁺通过对流、扩散、电迁移和机械搅动可迅速到达阴极上放电，生成大量海绵锡，大大降低了电流效率。海绵锡如不及时清理，会造成两极短路，目前这一方法已经被淘汰。

隔膜电解法就是采用隔膜将电解槽的阴阳两极分隔开，锡阳极在阳极区发生氧化反应生成Sn²⁺，由于隔膜的阻隔作用，Sn²⁺较难进入阴极区而在阴极放电生成海绵锡，该生产工艺大大提高了电流效率，残极可重新熔铸新极板，锡利用率可达到98%以上，产品质量达到分析纯。主要有微孔性隔膜电解法和阴离子隔膜电解法，性能更优越的是阴离子隔膜。电解开始后，阳极区的Sn²⁺在电场的作用下向阴极方向迁移，由于Sn²⁺与固定离子同电荷，因此产生排斥力，不能穿过隔膜通道，而阴极区的OH^-、SO₄ ^2-等阴离子可以与通道四周的固定离子进行交换，穿过隔膜，完成导电和补充OH^-、SO₄ ^2-，隔膜既阻止了两极阳离子的对流和扩散，又阻止了其电迁移，该法的电流效率达到99%以上，产品纯度达到99%以上，目前多数厂家采用阴离子隔膜电解法制备硫酸亚锡。但隔膜法电解法槽电压高、电解过程中仍会产生大量的海绵锡，隔膜槽维护困难。

发明内容

为了克服已有隔膜电解法制备硫酸亚锡的装置的槽电压高、隔膜槽维护困难、加工成本较高的不足，本发明提供一种降低槽电压、隔膜维护槽维护方便、降低加工成本的活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置，包括电解槽和布置在电解槽内的阳极、阴极，所述阴极的两侧分别布置阳极，所述阴极与阳极之间设有隔膜，所述电解单元槽内设有活动阴极室，所述活动阴极室位于两块相邻阳极之间，所述活动阴极室包括阴极腔和隔膜框，所述阴极位于所述阴极腔内，所述阴极腔的两侧布置所述隔膜框，所述隔膜位于所述隔膜框内，所述隔膜框与阴极腔之间设有密封垫圈。

作为优选的一种方案，所述隔膜位于所述隔膜框靠近阴极腔的一侧，所述阴极腔的侧面与所述隔膜之间设有内密封垫圈，所述隔膜与隔膜框之间设有外密封垫圈。

进一步，所述阳极有多块，多块阳极等间隔布置。

再进一步，所述阳极为锡板或锡锭填充床电极，所述阴极为锡板，所述隔膜为聚合物阴离子隔膜。

所述阴极腔为矩形槽，所述矩形槽的两侧面镂空，所述隔膜固定在镂空的两个侧面上。

本发明的技术构思为：本发明针对电解法制备SnSO₄过程中存在的海绵锡处理困难、难密封和槽电压高等缺点，设计了一种活动阴极室电解装置电解制备硫酸亚锡，采用隔膜电解法制备硫酸亚锡，锡板为阳极材料，锡板为阴极材料，聚合物阴离子膜为隔膜材料。将阴极、阴极腔和隔膜组成活动阴极室整体置于阳极槽中构成活动阴极室电解装置，阴极锡板悬挂于活动阴极室中间，阳极锡板置于活动阴极室两侧阴离子膜外侧。整个阴极室和隔膜可整体取出、移动、更换。

本发明的有益效果主要表现在：避免了隔膜电解法生产硫酸亚锡电解装置密封困难、隔膜更换困难和阴极板海绵锡处理困难的缺点，并降低了槽电压低，具有电解槽加工成本低、维护方便和易大规模生产的特点。

附图说明

图1是活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置的示意图。

图2是活动阴极室的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置，包括电解槽1和布置在电解槽1内的阳极3、阴极4，所述阴极4的两侧分别布置阳极3，所述阴极4与阳极3之间设有隔膜9，所述电解单元槽内设有活动阴极室2，所述活动阴极室2位于两块相邻阳极3之间，所述活动阴极室包括阴极腔7和隔膜框10，所述阴极4位于所述阴极腔7内，所述阴极腔7的两侧布置所述隔膜框10，所述隔膜9位于所述隔膜框10内，所述隔膜框10与阴极腔7之间设有密封垫圈8。

所述隔膜9位于所述隔膜框10靠近阴极腔的一侧，所述阴极腔7的侧面与所述隔膜9之间设有内密封垫圈，所述隔膜9与隔膜框10之间设有外密封垫圈。

所述阳极3有多块，多块阳极3等间隔布置。所述阳极3为锡板或锡锭填充床电极，所述阴极4为锡板，所述隔膜9为聚合物阴离子隔膜。

所述阴极腔7为矩形槽，所述矩形槽的两侧面镂空，所述隔膜9固定在镂空的两个侧面上。

本实施例的电化学反应原理是：

阳极： Sn-2e═Sn²⁺（主反应）；Sn²⁺-2e═Sn⁴⁺（副反应）

阴极： 2H⁺+2e═H₂↑ （主反应）；Sn²⁺+2e═Sn （副反应）

电解时阳极锡溶解生成硫酸亚锡，也可能发生Sn²⁺氧化为Sn⁴⁺的副反应；而阴极发生析氢反应，析氢后阴极区SO₄ ^2-和OH^-离子通过阴离子膜，OH^-和阳极区的H⁺的结合为水，SO₄ ^2-和阳极溶解的Sn²⁺生成SnSO₄。阳极电解液经过浓缩、结晶、过滤后得到硫酸亚锡产品。

将阴极、阴极腔和隔膜组成活动阴极室2置于阳极矩形槽中构成活动阴极室电解装置，整个活动阴极室2可整体取出、移动、更换。电解结束后阳极电解液经过过滤、真空浓缩、结晶和离心分离得到硫酸亚锡产品。

上述的活动阴极室2为开口的矩形槽，矩形槽两侧镂空，紧贴聚合物阴离子膜并固定，阴极4悬挂于活动阴极室2的中间，阳极3置于两侧阴离子膜外侧。将N（N为整数，N≥1）个活动阴极室2置于阳极槽中可以组成2N的单元电解槽，各单元电解槽之间可以串联或并联。

本发明的方法和装置，阳极3采用矩形槽结构，在阳极3中加入5-15%的硫酸溶液，在活动阴极室2中加入和阳极室同浓度的硫酸溶液，活动阴极室2内悬挂锡板作阴极，活动阴极室膜外挂悬挂锡板阳极，以10A-2000A/m²的电流密度连续电解，电解液温度控制低于60℃，恒流电解一段时间后，单阳极区硫酸亚锡的浓度达到规定的浓度后，放出阳极电解液，经过过滤、真空浓缩、结晶和离心分离得到硫酸亚锡产品。电流效率大于92%，电耗低于800kwh/吨硫酸亚锡。

阴极3在电解后期会产生海绵锡，移出阴极极板换作阳极用，可以方便地消除海绵锡的影响；同时阳极矩形框可以消除板框压滤式电解装置的渗漏问题。将N（N为整数，N≥1）个活动阴极室置于矩形阳极槽中，构成2N个单元电解槽。将2N个阴极室并联或串联，更合适的是并联，再将含2N个单元电解槽的矩形电解装置串联，可以实现年产10000吨规模生产，具有电解槽加工成本低、维护方便和易大规模生产的特点。

实例1：一种移动阴极室电解合成硫酸亚锡的电解装置，在附图1和图2移动阴极室电解装置中，电解槽1为聚丙烯材料的矩形槽，活动阴极室2由阴极腔7、密封垫圈8、隔膜9和隔膜框10组成，通过防腐蚀螺帽紧固而成。阴极腔7和隔膜框10采用聚丙烯材料，阴极腔7两侧板和隔膜框10中间窗口开成十字框结构，便于固定隔膜。将3个阴极室2放置于阳极室1矩形框中，在3个阴极室内分别悬挂3块锡板作阴极4；在活动阴极室2的两侧分别悬挂锡板作阳极3，共4块。将3块阴极挂在阴极导电铜排6上；将4块阳极挂在阳极导电铜排5上，构成6个并联连接的单元电解槽。活动阴极室2可在电解结束或存在故障时可任意取出维护，电解槽1为聚丙烯矩形槽，可避免板框压滤机式电解槽容易渗漏、维护困难的缺点。

实例2：在实例1的电解槽中，隔膜窗口有效面积为0.5m²，阳极3厚度为2cm面积为0.6m²，阳极4厚度为2cm面积为0.6m²。在电解槽1中加10%的H₂SO₄溶液，在1个活动阴极室3分别加入加10%的H₂SO₄溶液，构成2个单元电解槽，各单元电解槽之间并联。以300A的电流恒电流电解（每个单元槽电流150A，电流密度250A/m²），电解液温度为控制30-40℃。电解至SnSO₄含量为180-200g/L时结束电解，槽电压为1.5-2.5V。泵出阳极电解液，经过过滤除去少量沉淀物，真空浓缩，结晶，得到SnSO₄产品，纯度99.4%。电流效率93.1%。

实例3：按实例2的方法，电解槽1放置10只活动阴极室3，共20只单元电解槽，各单元电解槽之间并联。阳极电解液和储罐构成循环，阴极电解液和泵构成循环。在阳极和阴极电解液储罐中分别加入10%的H₂SO₄溶液（阳极电解液含结晶母液），以3000A的电流恒电流电解（单槽电流150A，电流密度250A/m²），电解液温度控制30-40℃。电解至SnSO₄含量为180-200g/L时结束电解，槽电压为1.5-2.5V。泵出阳极电解液，经过过滤除去少量沉淀物，真空浓缩，结晶，得到SnSO₄产品，产量1360kg/天，纯度99.4%。电流效率92.1%。

实例4：按实例3的方法，将电源极性反转，即活动阴极室3中锡板连接电源正极，原阳极槽中悬挂的锡板连接电源负极，则活动阴极槽变为活动阳极槽，原阳极槽变为阴极槽。在电解槽1中加10%的H₂SO₄溶液，在10个活动阳极室分别加入加10%的H₂SO₄溶液。以3000A的电流恒电流电解（单槽电流150A，电流密度250A/m²），电解液温度控制30-40℃。电解至SnSO₄含量为180-200g/L时结束电解，槽电压为1.5-2.6V。泵出真空吸出活动阳极槽中的电解液，经过过滤除去少量沉淀物，真空浓缩，结晶，得到SnSO₄产品，纯度99.2%。电流效率92.8%。

实例5：在实例2的电解槽中，在1个活动阴极室分别加入加10%的H₂SO₄溶液，构成2个单元电解槽，各单元电解槽之间并联。活动阴极槽悬挂锡板作阴极，活动阴极槽隔膜两侧阳极以锡板为集流体，各填充锡锭200kg作锡锭填充床阳极，以300A的电流恒电流电解（每个单元槽电流150A，电流密度<100A/m²），电解液温度为控制30-40℃。电解至SnSO₄含量为180-200g/L时结束电解，槽电压为1.1-2.1V。泵出阳极电解液，经过过滤除去少量沉淀物，真空浓缩，结晶，得到SnSO₄产品，纯度99.5%。电流效率94.3%。

Claims

1.一种活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置，包括电解槽和布置在电解槽内的阳极、阴极，所述阴极的两侧分别布置阳极，所述阴极与阳极之间设有隔膜，其特征在于：所述电解单元槽内设有活动阴极室，所述活动阴极室位于两块相邻阳极之间，所述活动阴极室包括阴极腔和隔膜框，所述阴极位于所述阴极腔内，所述阴极腔的两侧布置所述隔膜框，所述隔膜位于所述隔膜框内，所述隔膜框与阴极腔之间设有密封垫圈。

2.如权利要求1所述的活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置，其特征在于：所述隔膜位于所述隔膜框靠近阴极腔的一侧，所述阴极腔的侧面与所述隔膜之间设有内密封垫圈，所述隔膜与隔膜框之间设有外密封垫圈。

3.如权利要求1或2所述的活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置，其特征在于：所述阳极有多块，多块阳极等间隔布置。

4.如权利要求1或2所述的活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置，其特征在于：所述阳极为锡板或锡锭填充床电极，所述阴极为锡板，所述隔膜为聚合物阴离子隔膜。

5.如权利要求1或2所述的活动阴极室电解制备硫酸亚锡的装置，其特征在于：所述阴极腔为矩形槽，所述矩形槽的两侧面镂空，所述隔膜固定在镂空的两个侧面上。