金电解精炼的理论基础

金的电解可在氯化金和氰化金溶液中进行,为了安全起见,现今世界各国金的电解几乎都采用E.沃耳维尔(Wohlwill)1874年拟定的氯化金电解法,故而称沃耳维尔法。此法是在大的电流密度和高浓度三氯化金的电解液中进行。随着过程的进行,粗金阳极被溶解,而于阳极析出电解纯金。

沃耳维尔法,是在氯化金液的电解槽中装入粗金阳极和纯金阳极。通入电流后,阳极的金和杂质溶解,而在阴极析出纯金。因而,可以认为电解过程是在:Au(阴极)|HAuCl4,HCl,H2O,杂质|Au,杂质(阳极)的电化学系统中进行的。

此外,溶电解液中的络酸(HAuCl4),还可部分水解(尽管在高酸浓度下不显著)成HAuCl3OH:

HAuCl4+H2O

  HAuCl3OH+HCl

由于电解液中存在HAuCl4、HAuCl3OH、HCl和H2O,它们在溶液中可离解成如下的离子:

H2O

  H++OH-

HCl

  H++Cl-

HAuCl4

  H++AuCl4-

AuCl3

  Au3++3Cl-

HAuCl3OH

  H++AuCl3OH-

AuCl4

  Au3++4Cl-

AuCl3OH

  Au3++3Cl-+OH-

这些离子的存在,相应地在阳极和阴极上可能发生如下反应。

在阳极上:

Au-3e

  Au3+                         (1)

2OH--2e

  H2O+

  O2                  (2)

Cl--e

  

  Cl2                          (3)

〔AuCl4〕--e

  AuCl3+

  Cl2          (4)

2〔AuCl3OH〕--2e

  2AuCl3+H2O+

  O2  (5)

Au-e

  Au                              (6)

上述反应除(1)和(6)式外,其余均为有害反应。但当阳极附近氯离子浓度增高时,这些有害反应可以减少至最低限度。

在阴极上,可能发生氧和金离子的放电:

H++e

  H2        (7)

Au3++3e

  Au    (8)

Au++e

  Au      (9)

上述反应由于氢的超电压,使阴极上发生氢的明显极化,故式(8)反应比式(7)更易进行。式(8)与式(9)的析出电位很相近(3价金为0.99V,1价金为1.04V),在阳极上两种离子可能同时进入溶液,在阴极上也将同时放电。但增大电流密度就可减少1价金离子的生成,也减少式(9)的反应。

在盐酸介质中电解金,阳极所含的银会与阴离子氯生成氯化银壳覆于阳极表面。含银5%或更多时,甚至可使阳极钝化放出氯气,而妨碍阳极的溶解。严重时,甚至会中断电解作业。为了使覆盖在阳极表面的氯化银脱落,而不妨碍电解的正常进行,经沃耳维尔于1908年改进的可用于含银很高的金的电解方法,是在向电解槽中通入直流电的同时,重叠与直流电电流强度略大的交流电。此两种电流重叠一起,组成一种合并的与横坐标轴不对称的脉动电流(图1),在重叠交流电流的电解过程中,金的析出仍取决于直流电电流强度而服从法拉第定律。交流电的作用,是电流强度在与横坐标不对称的脉动电流曲线处在最大值的瞬间,电流密度达到很大的数值,以致阳极上开始分解出氧气。经过如此断续而均匀的震荡,进行阳极的自动净化,使覆盖在阳极上的氰化银壳疏松、脱落,从而创造不妨碍电解正常进行的条件。图中,合并的脉动电流强度为:

J脉动=

图1  交、直流及合并电动势

采用交直流重叠电流的电解,还能提高电解液温度,特别是可以使从阳极上落入阳极泥中的粉状金,由约10%下降至约1%左右,以减少阳极泥中的含金量,提高金的直收率。为此,即使在阳极板含银很低时,也应使用交直流重叠的电流。

直流电与交流电的比例通常为1∶1.5~2.2。随着电流密度的增大,也需要相继增高电解液的温度和酸度。因温度越高和含酸越多时,不使阳极钝化的允许电流密度也越大。

沃耳维尔法电解金的条件,通常为电解液含金60~120g∕L,盐酸100~130g/L,液温65~70℃。这时,阴极容许的最大面积电流为1000~3000A∕m2,槽电压0.6~1.0V。当阳极含很多杂质时,阴极电流密度可降至500A∕m2。

在含游离盐酸的电解液中,金多以较稳定的3价氯氢金酸(HAuCl4)的形式存在。但溶液中也存在1价的亚氯氢金酸(HAuCl2)。此两种金盐,能发生下列的可逆副反应:

3HAuCl2

  2Au+HAuCl4+2HCl

生成1价金的副反应,可使阳极中约10%的金沉淀进入阳极泥中。为了减少阳极上生成1价金离子,金的电解都无例外地采用大的电流密度和交直流重叠电流。

综上所述,金在电解时电极上主要发生下列生成Au+和Au3+的离子反应(阳极上反应向右进行):

Au+2Cl

  〔AuCl2〕-+e

〔AuCl2〕-+2Cl-

  〔AuCl4〕-+2e

Au+4Cl-

  〔AuCl4〕-+3e

即电解过程中,阳极上主要发生金的氧化熔解反应。杂质的行为,则与它的电位有关。电性比金负的杂质,除银氧化溶解后迅速与氯离子结合生成氯化银外,铜、铅、镍等贱金属杂质均进入溶液。铱、锇(包括锇化铱)、钌、铑不溶解进入阳极泥中。铂和钯的离子化倾向程度小,理应不溶解。但在粗金中,铂、钯一般与金结合成合金,故有一部分常与金一道进入溶液,但并不在阴极析出。只有当电解液中铂、钯积累的浓度过大(Pt50~60g∕L,Pd15g∕L以上)时,才会与金一道析出。

电金在阴极析出的致密性,随电解液中金浓度的增高而增大,故金的电解均使用高浓度金的电解液(许多工厂在电解造片和生产中,均使用含金250~350g∕L的电解液)。但据O.E.兹发京采夫的资料,美国造币厂早期用沃耳维尔法电解金,在面积电流是550~700A∕m2,使用含金50~60g∕L、盐酸60~70g∕L的电解液。通常,当电解液中含金大于30g∕L、面积电流在1000~1500A∕m2时,析出的金也能很好地粘附在始极片上。

电流的周期反向(或称换向)电解技术,是1949年首先用于电镀生产的,它使镀件获得了光洁的高质量镀层。由于它是在正常供电条件下,每隔一定时间(多为50~150s)将正极供入的电流自动切换至负极,经2~4s再自动切换至正极,如此来回换向,一台供电设备每年需频繁换向数十万乃至数百万次。因而,此项技术直至大功率可控硅整流器和无触点快速换向开关问世后,才于1969年先后在日本、赞比亚、美国和南非几家大型铜厂的电解中获得应用。我国的周期反向电解技术试验始于1971年。1973年在沈阳冶炼厂进行了电流强度6400~7400A(面积电流178~230A∕m2)、正向供电140~150s、反向3~4.2s的铅电解扩大试验。试验结果:电流效率为92.76%~93.37%,电铅产品表面光洁,质量良好。

周期反向电解的电流效率虽取决于正极供入电流,负极换向瞬间供入电流属“无用功”,但它可将阴极上生长的尖形粒了反溶除去,防止极间短路,并产山质量良好的电解产品。且通过电流的频繁换向和来回振荡,可防止浓差极化,并使阳极表面厚硬的阳极泥层硫松脱落,防止阳极钝化。为此,沈阳黄金学院于90年代以来开展了周期反向用于金电解的试验。结果证明它可替代交直流重叠供电的沃尔维尔法,不需重叠交流电流。供入直流电流的波形变化如图2,设备及其连接示于图3。图中,周期换向整流器可在正向3~150s、负向1~40s间自由调整。电解槽为聚丙烯硬塑料槽。电解液温度由蛇形玻璃管经泵送入的热水间接加热,热水供入速度由感温器测定电解液温度,并通过控温仪自动控制热水供应泵的关停和启动,来达到电解要求的温度。

图2  周期自动换相时间和电流波形示意

图3  周期自动换相金电解装置

1-周期自动换向整流器;2-导电母线;3-阳极;4-阴极;

5-感温器;6-自动温度控制仪;7-电解槽;8-加热玻璃管;

9-胶管;10-电热自动恒温浒浴;11-泵

由于本工艺历时尚短,其工艺和设备尚需不断开发使之完善。

金的电解可在氯化金和氰化金溶液中进行,为了安全起见,现今世界各国金的电解几乎都采用E.沃耳维尔(Wohlwill)1874年拟定的氯化金电解法,故而称沃耳维尔法。此法是在大的电流密度和高浓度三氯化金的电解液中进行。随着过程的进行,粗金阳极被溶解,而于阳极析出电解纯金。

沃耳维尔法,是在氯化金液的电解槽中装入粗金阳极和纯金阳极。通入电流后,阳极的金和杂质溶解,而在阴极析出纯金。因而,可以认为电解过程是在:Au(阴极)|HAuCl4,HCl,H2O,杂质|Au,杂质(阳极)的电化学系统中进行的。

此外,溶电解液中的络酸(HAuCl4),还可部分水解(尽管在高酸浓度下不显著)成HAuCl3OH:

HAuCl4+H2O

  HAuCl3OH+HCl

由于电解液中存在HAuCl4、HAuCl3OH、HCl和H2O,它们在溶液中可离解成如下的离子:

H2O

  H++OH-

HCl

  H++Cl-

HAuCl4

  H++AuCl4-

AuCl3

  Au3++3Cl-

HAuCl3OH

  H++AuCl3OH-

AuCl4

  Au3++4Cl-

AuCl3OH

  Au3++3Cl-+OH-

这些离子的存在,相应地在阳极和阴极上可能发生如下反应。

在阳极上:

Au-3e

  Au3+                         (1)

2OH--2e

  H2O+

  O2                  (2)

Cl--e

  

  Cl2                          (3)

〔AuCl4〕--e

  AuCl3+

  Cl2          (4)

2〔AuCl3OH〕--2e

  2AuCl3+H2O+

  O2  (5)

Au-e

  Au                              (6)

上述反应除(1)和(6)式外,其余均为有害反应。但当阳极附近氯离子浓度增高时,这些有害反应可以减少至最低限度。

在阴极上,可能发生氧和金离子的放电:

H++e

  H2        (7)

Au3++3e

  Au    (8)

Au++e

  Au      (9)

上述反应由于氢的超电压,使阴极上发生氢的明显极化,故式(8)反应比式(7)更易进行。式(8)与式(9)的析出电位很相近(3价金为0.99V,1价金为1.04V),在阳极上两种离子可能同时进入溶液,在阴极上也将同时放电。但增大电流密度就可减少1价金离子的生成,也减少式(9)的反应。

在盐酸介质中电解金,阳极所含的银会与阴离子氯生成氯化银壳覆于阳极表面。含银5%或更多时,甚至可使阳极钝化放出氯气,而妨碍阳极的溶解。严重时,甚至会中断电解作业。为了使覆盖在阳极表面的氯化银脱落,而不妨碍电解的正常进行,经沃耳维尔于1908年改进的可用于含银很高的金的电解方法,是在向电解槽中通入直流电的同时,重叠与直流电电流强度略大的交流电。此两种电流重叠一起,组成一种合并的与横坐标轴不对称的脉动电流(图1),在重叠交流电流的电解过程中,金的析出仍取决于直流电电流强度而服从法拉第定律。交流电的作用,是电流强度在与横坐标不对称的脉动电流曲线处在最大值的瞬间,电流密度达到很大的数值,以致阳极上开始分解出氧气。经过如此断续而均匀的震荡,进行阳极的自动净化,使覆盖在阳极上的氰化银壳疏松、脱落,从而创造不妨碍电解正常进行的条件。图中,合并的脉动电流强度为:

J脉动=

图1  交、直流及合并电动势

采用交直流重叠电流的电解,还能提高电解液温度,特别是可以使从阳极上落入阳极泥中的粉状金,由约10%下降至约1%左右,以减少阳极泥中的含金量,提高金的直收率。为此,即使在阳极板含银很低时,也应使用交直流重叠的电流。

直流电与交流电的比例通常为1∶1.5~2.2。随着电流密度的增大,也需要相继增高电解液的温度和酸度。因温度越高和含酸越多时,不使阳极钝化的允许电流密度也越大。

沃耳维尔法电解金的条件,通常为电解液含金60~120g∕L,盐酸100~130g/L,液温65~70℃。这时,阴极容许的最大面积电流为1000~3000A∕m2,槽电压0.6~1.0V。当阳极含很多杂质时,阴极电流密度可降至500A∕m2。

在含游离盐酸的电解液中,金多以较稳定的3价氯氢金酸(HAuCl4)的形式存在。但溶液中也存在1价的亚氯氢金酸(HAuCl2)。此两种金盐,能发生下列的可逆副反应:

3HAuCl2

  2Au+HAuCl4+2HCl

生成1价金的副反应,可使阳极中约10%的金沉淀进入阳极泥中。为了减少阳极上生成1价金离子,金的电解都无例外地采用大的电流密度和交直流重叠电流。

综上所述,金在电解时电极上主要发生下列生成Au+和Au3+的离子反应(阳极上反应向右进行):

Au+2Cl

  〔AuCl2〕-+e

〔AuCl2〕-+2Cl-

  〔AuCl4〕-+2e

Au+4Cl-

  〔AuCl4〕-+3e

即电解过程中,阳极上主要发生金的氧化熔解反应。杂质的行为,则与它的电位有关。电性比金负的杂质,除银氧化溶解后迅速与氯离子结合生成氯化银外,铜、铅、镍等贱金属杂质均进入溶液。铱、锇(包括锇化铱)、钌、铑不溶解进入阳极泥中。铂和钯的离子化倾向程度小,理应不溶解。但在粗金中,铂、钯一般与金结合成合金,故有一部分常与金一道进入溶液,但并不在阴极析出。只有当电解液中铂、钯积累的浓度过大(Pt50~60g∕L,Pd15g∕L以上)时,才会与金一道析出。

电金在阴极析出的致密性,随电解液中金浓度的增高而增大,故金的电解均使用高浓度金的电解液(许多工厂在电解造片和生产中,均使用含金250~350g∕L的电解液)。但据O.E.兹发京采夫的资料,美国造币厂早期用沃耳维尔法电解金,在面积电流是550~700A∕m2,使用含金50~60g∕L、盐酸60~70g∕L的电解液。通常,当电解液中含金大于30g∕L、面积电流在1000~1500A∕m2时,析出的金也能很好地粘附在始极片上。

电流的周期反向(或称换向)电解技术,是1949年首先用于电镀生产的,它使镀件获得了光洁的高质量镀层。由于它是在正常供电条件下,每隔一定时间(多为50~150s)将正极供入的电流自动切换至负极,经2~4s再自动切换至正极,如此来回换向,一台供电设备每年需频繁换向数十万乃至数百万次。因而,此项技术直至大功率可控硅整流器和无触点快速换向开关问世后,才于1969年先后在日本、赞比亚、美国和南非几家大型铜厂的电解中获得应用。我国的周期反向电解技术试验始于1971年。1973年在沈阳冶炼厂进行了电流强度6400~7400A(面积电流178~230A∕m2)、正向供电140~150s、反向3~4.2s的铅电解扩大试验。试验结果:电流效率为92.76%~93.37%,电铅产品表面光洁,质量良好。

周期反向电解的电流效率虽取决于正极供入电流,负极换向瞬间供入电流属“无用功”,但它可将阴极上生长的尖形粒了反溶除去,防止极间短路,并产山质量良好的电解产品。且通过电流的频繁换向和来回振荡,可防止浓差极化,并使阳极表面厚硬的阳极泥层硫松脱落,防止阳极钝化。为此,沈阳黄金学院于90年代以来开展了周期反向用于金电解的试验。结果证明它可替代交直流重叠供电的沃尔维尔法,不需重叠交流电流。供入直流电流的波形变化如图2,设备及其连接示于图3。图中,周期换向整流器可在正向3~150s、负向1~40s间自由调整。电解槽为聚丙烯硬塑料槽。电解液温度由蛇形玻璃管经泵送入的热水间接加热,热水供入速度由感温器测定电解液温度,并通过控温仪自动控制热水供应泵的关停和启动,来达到电解要求的温度。

图2  周期自动换相时间和电流波形示意

图3  周期自动换相金电解装置

1-周期自动换向整流器;2-导电母线;3-阳极;4-阴极;

5-感温器;6-自动温度控制仪;7-电解槽;8-加热玻璃管;

9-胶管;10-电热自动恒温浒浴;11-泵

由于本工艺历时尚短,其工艺和设备尚需不断开发使之完善。


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