復合電極材料在電解鋅過程的應用研究
摘要：研究了新型復合電極材料(Ti-Al、Pb-Al)和Ti網電極材料在電解鋅過程中的實際使用效果。通過與傳統Pb-Ag合金電極在使用過程中槽電壓、陰極產品上板量和質量、電流效率以及電能單耗等方面的比較，結果表明：采用復合電極材料作為基體，可不同程度的提高電極材料的使用性能，電極基體材料的改變能在一定程度上提升電解電流效率，降低能耗；新型復合電極材料對于改善陰極析出產品質量和降低雜質含量的效果明顯；網狀電極在使用過程中增強電解液的流動性增強，減少電極“氣泡簾”的形成，提高了電極電流效率。因此，改變電極基體材料的組成結構不但改善了電極的性能，提高了產品質量，從而還可達到節能降耗的目的。
關鍵詞：電極材料；Ti-Al復合材料；Pb-Al復合材料；Ti網材料；電解鋅
中圖分類號：TG331文獻標識碼：A
隨著礦石品位的不斷降低和對環境保護、節能減排的要求日趨嚴格，濕法冶金在有色金屬、稀有金屬及貴金屬的冶煉過程中占有越來越重要的地位，其中電解法作為濕法冶金中的一個分支在提取金屬工業中得到了廣泛應用，它能處理多金屬礦、貧礦和金屬回收，與火法冶煉比較，環境污染少、資源綜合利用率高，符合當前綠色環保、節能減排的可持續發展要求[1]。在電解沉積過程中，陽極是整個電化學反應體系的核心主體，其電解過程的穩定性是易被人忽視的環節，使其成為降低電積能耗的瓶頸。
近年來，濕法煉鋅技術得到飛速發展，使之在鋅的提取冶煉中占據越來越重要的地位，至20世紀90年代初，濕法煉鋅的鋅產量已經占總產量的80%以上[2]。在電解鋅過程中，鉛電極以其易加工、成本低、可再回收利用等優勢而成為硫酸鋅電解體系中主要的陽極材料[3-4]。然而，鉛的內阻大、析氧電位高、電能消耗大以及易溶解等不可避免的缺陷，不僅造成了電能和電極自身消耗大，且污染電解液和陰極析出產品[5]。有數據顯示，電解Zn過程一般電耗為2950～3500kWh·t-1[6]，鉛電極在電積鋅中，由于陽極析氧過電位為0.86V，致使陽極的無效消耗占總電耗的25%～30%[7]。2012年，我國電積鋅產量約為484.6萬噸，而且每噸鋅的陽極損耗量為0.18～0.25塊，陽極每年消耗量約100萬塊以上，其中約30%的鉛、銀不可回收利用[8]，加之在電解鋅過程中的無功損耗的電能就達45.0678億kW·h。
因此，尋求一種新型的電極材料替代鉛陽極的使用，不僅為高性能電極材料的發展開辟一條新途徑，而且為設計和制備新型電極材料的優化提供理論支撐。同時為濕法冶金和電化學工業帶來節能降耗，提高產品質量等重大實用價值，具有重要理論意義和廣闊的應用前景。本研究所用的復合電極是在前期的研究基礎上[9]，采用熱壓擴散焊接法進行制備完成。
1實驗部分
在前期的研究基礎之上提出了符合生產企業的制造成本等諸多方面的要求，涉及到了4種制造成本相當的不同類型陽極板：1#為Pb-Ag合金電極；2#為Pb-Al層狀復合電極；3#以Ti-Al層狀復合材料為基體的電鍍PbO2涂層電極；4#為本研究所制備的Ti網電鍍PbO2涂層電極，極板尺寸為150mm×160mm，其中的層狀復合電極均采用熱壓擴散焊接法制備而成。將所制備的四種陽極板在某生產廠家分別進行333、450、500、550A/m2四種電流密度下的生產模擬實驗，通過電解過程中的槽電壓、陰極產品上板量、電流效率、電能單耗和陰極析出產品的質量以及雜質含量進行對比，研究復合電極材料在高電流密度下的使用性能。
本研究所采用的工藝條件為：根據電流密度的不同，硫酸鋅電解液中鋅離子濃度為60～70g/L，酸鋅比為2.5～3.0，電解過程中的槽溫35～38℃，骨膠的加入量為0.6～0.7g/kg析出鋅，碳酸鍶的加入量為7.5～11.3g/kg析出鋅，同極板中心距62mm，氯離子濃度≤400mg/l。
2結果討論
2.1電解過程槽電壓的變化
根據研究要求，每槽電解周期為24h，每個固定電流密度下做三組較好重現性試驗。在實驗過程中每2h對在不同電流密度下的槽電壓進行一次實時記錄，得到如圖1所示的平均槽電壓與電流密度關系圖。
從圖1可看出，隨電流密度的增加，4種不同類型極板的槽電壓也隨之增大，Pb-Al層狀復合電極板無論電流密度如何變化，其在4種極板中的槽電壓始終低(2#)，其槽電壓始終＜3.35V。而Ti網電鍍PbO2涂層電極的槽電壓一直是高(4#)，槽電壓始終＞3.56V，但Ti網電鍍PbO2涂層電極的槽電壓隨電流密度的變化穩定，沒有出現大的波動。然而，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極的槽電壓會隨電流密度提高而出現先增大后下降的趨勢，在電流密度增加到450A/m2其槽電壓高。而隨電流密度的近一步提高，其槽電壓開始下降，直至電流密度升至550A/m2時，其槽電壓低，僅為3.333V，較傳統Pb-Ag合金(3.443V)低了110mV。
因此，從以上數據可看出，在電解Zn析氧體系中，Pb-Al層狀復合電極對于降低電解過程的槽電壓有明顯作用。然而，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極對于提升電解過程的電流密度，提升生產效率，有著不可忽視的作用。槽電壓的降低是降低電耗要的解決辦法。因此，在高電流密度下，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極有明顯的降低槽電壓的效果。
2.2電解過程陰極產品上板量的變化
對不同電流密度下，每個電解周期的陰極析出產品進行稱重，得到了如圖2所示的陰極析出產品上板量與電流密度關系圖?？煽闯觯S電流密度的增加，4種不同類型極板的陰極析出產品上板量也隨之增大，其中Ti-Al電鍍PbO2涂層電極陰極析出Zn上板量高，較傳統Pb-Ag合金電極高了5.2%，Pb-Al的次之。Ti網電鍍PbO2涂層電極有著與Pb-Ag合金相當的上板量，但對于Ti網電鍍PbO2涂層來說，由于其利用高的槽電壓來維系著高的產出。
因此，在電解Zn析氧體系中，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極不僅對于降低電解過程的槽電壓有明顯的作用，而且對提高上板量，提升生產效率也存在著很大的促進作用。
2.3電解過程電流效率的變化
結合實驗得到的各陽極板的陰極析出產品質量，計算出不同陽極板在不同電流密度下的電流效率，其中Zn的電化學當量1.220g·A-1·h-1，得到如圖3所示的電流效率與電流密度關系圖。可看出，隨電流密度的增加，4種電極的電流效率也會增大，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極、Pb-Al層復合材料以及Ti網電鍍PbO2涂層電極的電流效率在各個電流密度下均以略高于Pb-Ag合金電極。其中以Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極的電流效率高，平均電流效率達到了88.7%，較傳統的Pb-Ag合金電極提高了5.7%，Ti網電極的電流效率較傳統Pb-Ag合金電極，也有所提高，平均提升了大約1.5個百分點。雖然隨電流密度的變化，電流效率也有所浮動，但整體的變化趨勢區域穩定，因此可看出不同基體材料對于提升實際生產電解過程的電流效率具有一定影響。
在實際電解過程中，電流效率受到陽極板性質、電流密度、電解液純度以及電解溫度和添加劑等多方面的影響，其作為反映整個電解體系中電極性能的一個重要指標。可認為，電流效率的提高先取決于基體材料的性質，Ti-Al、Pb-Al基體使得電極材料的表面電流能夠均勻分布，可充分的發揮電鍍PbO2的作用，使得反應進行得更為充分。Ti網電極由于網孔的存在，增大了電解系統電解液的流動性，使電解液的離子分布均勻，因而可使電化學反應進行得更均勻充分，因此使得它們具有較高的電流效率。
2.4電解過程電能單耗的變化
結合實驗得到各陽極板的槽電壓、電流效率，計算出各電極板的單耗，得到如圖4所示的極板電能單耗與電流密度關系圖，以此直觀的表示出新型電極在節能降耗方面的優異特性。
從圖4可看出，在電流密度＜500A/m2，每生產1t的Zn，Ti網電鍍PbO2電極的電耗高，平均單耗在3489.5kWh·t-1，Pb-Al層狀復合電極和Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極的平均單耗為3116.2、3124.9kWh·t-1，分別較傳統的Pb-Ag合金下降了5.6%、5.3%。隨著電流密度的增加，當電流密度達到550A/m2，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極電能單耗將為四種不同電極中的低，僅為3018.7kWh·t-1，每生產1t的Zn，較傳統Pb-Ag合金電極可節約電能259kWh，因而達到了節能降耗的目的。
綜上，通過比較析氧體系電解Zn在不同電流密度下的槽電壓、上板量、電流效率以及電能單耗，為了說明不同陽極板對電解體系具體的要求不同，
我們通過表1來比較不同類型極板的在具體情況下的佳性能。該表主要以電能單耗低作為判斷依據。
可看出：不同的陽極板的低電能單耗，是在不同的電流密度下出現的。在電流密度低為333A/m2時，Pb-Al復合陽極板的能耗低，電流效率可達85.4%。隨電流密度上升，當電流密度為500A/m2時，傳統Pb-Ag合金具有在不同電流密度下低的電能單耗，為3246.7kWh·t-1，其電流效率為85%。盡管Pb-Ag合金電極的高電流效率為86.1%，此時電流密度為550A/m2。然而其的槽電壓較高，它的高電流電流效率需要高的槽電壓來維系，因此其電耗就高，所以其不是優的電解工藝條件。隨電流密度近一步提高，當電流密度升至550A/m2，電能單耗低的為Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極，其能耗僅為3018.7kWh·t-1，不僅比傳統Pb-Ag合金電極的低能耗還低了7.1%，而且它的的電流效率比Pb-Ag合金電極的高6.5%，因此展現出了優異的電化學性能。這說明Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極在進行析氧體系電解Zn時，其佳的電流密度可達到550A/m2，不僅能到達節能的目的，而且可提升生產效率。
2.5電解過程陰極析出產品質量
在正常電解生產中，若只是單純的通過提升電流密度來達到提高產量的目的，會使得陰極析出產品的質量下降，更容易出現燒板的現象。圖5為電流密度為550A/m2條件下，4種不同類型陽極板所生產的陰極析出產品表面形貌。
可看出，傳統Pb-Ag合金電極的陰極析出產品表面的凹坑數量多，而且尺寸也大，說明Pb-Ag合金電極在電解過程中，電極表面的反應不均勻，而且電解液的流動性差，不足以將電極表面反應生成的氣泡排除，因而停留在表面形成了凹坑。然而，新型層狀復合陽極和電鍍PbO2涂層陽極的陰極析出產品表面平整、致密度高，無燒板現象，但表面存在少量的凹坑，這是由于電極過程中陰極表面會有少量氣泡附著，因而造成表面存在少量凹坑。由于新型層狀復合陽極和電鍍PbO2涂層陽極可改變傳統電極表面的電流分布，使電極表面的的反應能均勻進行，而且網孔結構的存在使得電解液的流動性增強，可迅速將電解過程中產生的氣泡帶離電極表面，從而使得其陰極產品表面凹坑少、質量高。
同時，本研究也對陰極析出產品的質量進行了檢測，結果如表2所示?？煽闯?，不同陽極的陰極析出產品的雜質含量存在一定程度上的差異，均比傳統Pb-Ag合金電極的雜質含量有所下降，以雜質Pb的含量尤為明顯。Pb-Al復合電極的雜質Pb含量下降了25.5%，Ti-Al復合電極的雜質Pb含量下降了41.2%，Ti網電極的雜質Pb含量下降了45.1%。這也說明了，新型復合電極和涂層電極不僅能提高產品的產量，而且對于降低陰極析出產品的雜質含量，提高產品的質量也有一定優勢。
2.6電極對電解過程影響的機理分析
電能單耗，作為終衡量電解過程中技術的操作水平以及經濟效益的重要指標之一，有著不可替代的地位。槽電壓和電流效率直接決定了電能單耗的高低。然而，陽極作為濕法冶金工業中的核心主體以及重要裝備，其在實際電解過程中的性能表現，直接關系到電解過程中槽電壓、電流效率的關鍵環節。
(1)槽電壓的變化：槽電壓作為電解過程的重要技術指標，它由電解質溶液電阻及其分解電壓、陽極泥電阻、接線的接觸電阻、極板電阻等引起的電壓降組成[10]。從歐姆降對電極極化曲線的影響公式[11]：E=a+blgi+IRΩ(其中，E為電極電勢，a為常數，b為Tafel斜率，i為電流密度，I為反應電流，RΩ為總歐姆降)可知，電極電勢E與總歐姆降RΩ成正比，而RΩ由電極內阻和電解液所決定。因此，降低電極內阻是實現降低電極電位的有效途徑之一。而電鍍PbO2為電阻率低的β-PbO2，盡管傳統Pb-Ag合金電極也需進行表面氧化長膜處理。但其在形成的氧化膜中含有部分高電阻率的α-PbO2，電鍍PbO2為電阻率低于Pb-Ag合金電極表面氧化膜的電阻率。同時結合前文所進行的電化學分析測試中，電鍍PbO2涂層電極材料的電化學性能有明顯提升，有明顯下降的極化電位，其在實際電解過程中的表現為：在相同電流密度下電解時，電鍍PbO2涂層電極材料的電解槽電壓相對傳統Pb-Ag合金電極材料的電解槽電壓有明顯降低。
(2)電流效率的變化：電流效率作為衡量電極材料對于電流的利用率，對節能降耗也有指導意義，電流效率越高，說明電極對電流的利用率越高，產量也就有了相應提升。電流效率取決于上板量的大小，而上板量直接與電極的反應有關，如果電極的反應速率提高，在電極反應過程中產生大量氣體形成“氣泡簾”[5]，會使電極的活性面積下降，也會導致電極表面電極的分布不均。而Ti網電極的使用，加強了電解液的流動性，減小了“氣泡簾”對電極反應的影響，同時增大了反應速率，提高了電流效率。
3結論
在電解Zn體系中，通過對比不同電流密度下不同電極的使用性能，分析了電流密度的變化對不同電極的影響，探討在高電流密度下，不同電極的具體使用性能?？煽闯觯?br /> (1)通過對電極基體材料的重新設計，可不同程度的提高電極材料的使用性能，充分發揮電極材料的優勢，電極基體材料變化能明顯提升電解電流效率，與傳統電極板相比，Ti-Al、Pb-Al復合電極分別提高了5.7%和3.6%；降低能耗作用突出，其中Ti-Al復合電極節省直流電耗5.3%，Pb-Al復合電極節省直流電耗5.6%。
(2)層狀復合電極材料的陰極鋅產品質量優良，在高電流密度下電解未出現燒板情況，陰極析出產品的雜質含量較傳統電極的有所下降，新型復合電極材料均比傳統Pb-Ag合金電極的雜質含量有所下降，以雜質Pb的含量尤為明顯，Pb-Al復合電極的雜質Pb含量下降了25.5%，Ti-Al復合電極的雜質Pb含量下降了41.2%，而Ti網電極的雜質Pb含量下降了45.1%。
(3)以Ti網為基體的電極材料，因其自身具有的高電阻，造成了電極在使用過程中高的電能單耗。然而Ti網電極材料的電流效率較傳統Pb-Ag合金電極提升了約1.5%，這是因為電極自身的特點使得電解液在使用過程中的流動性增強，減少電極“氣泡簾”的形成，提高了電極的電流效率。
(4)對層狀復合電極材料的節能降耗機理進行了分析，認為層狀復合材料充分發揮各層金屬的特殊性質，使得極板表面的電流分布更加均勻。提高了電極表面活性物質的利用率，使電極整體都處在給定的電流密度下工作，減少了副反應的發生，從而提高了電流效率。結合鋁內芯帶來的極板內阻壓降減小而引起的槽電壓降低和電化學性能增強，綜合作用于電解過程，降低了電能消耗。
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關鍵詞：電極材料；Ti-Al復合材料；Pb-Al復合材料；Ti網材料；電解鋅
中圖分類號：TG331文獻標識碼：A
隨著礦石品位的不斷降低和對環境保護、節能減排的要求日趨嚴格，濕法冶金在有色金屬、稀有金屬及貴金屬的冶煉過程中占有越來越重要的地位，其中電解法作為濕法冶金中的一個分支在提取金屬工業中得到了廣泛應用，它能處理多金屬礦、貧礦和金屬回收，與火法冶煉比較，環境污染少、資源綜合利用率高，符合當前綠色環保、節能減排的可持續發展要求[1]。在電解沉積過程中，陽極是整個電化學反應體系的核心主體，其電解過程的穩定性是易被人忽視的環節，使其成為降低電積能耗的瓶頸。
近年來，濕法煉鋅技術得到飛速發展，使之在鋅的提取冶煉中占據越來越重要的地位，至20世紀90年代初，濕法煉鋅的鋅產量已經占總產量的80%以上[2]。在電解鋅過程中，鉛電極以其易加工、成本低、可再回收利用等優勢而成為硫酸鋅電解體系中主要的陽極材料[3-4]。然而，鉛的內阻大、析氧電位高、電能消耗大以及易溶解等不可避免的缺陷，不僅造成了電能和電極自身消耗大，且污染電解液和陰極析出產品[5]。有數據顯示，電解Zn過程一般電耗為2950～3500kWh·t-1[6]，鉛電極在電積鋅中，由于陽極析氧過電位為0.86V，致使陽極的無效消耗占總電耗的25%～30%[7]。2012年，我國電積鋅產量約為484.6萬噸，而且每噸鋅的陽極損耗量為0.18～0.25塊，陽極每年消耗量約100萬塊以上，其中約30%的鉛、銀不可回收利用[8]，加之在電解鋅過程中的無功損耗的電能就達45.0678億kW·h。
因此，尋求一種新型的電極材料替代鉛陽極的使用，不僅為高性能電極材料的發展開辟一條新途徑，而且為設計和制備新型電極材料的優化提供理論支撐。同時為濕法冶金和電化學工業帶來節能降耗，提高產品質量等重大實用價值，具有重要理論意義和廣闊的應用前景。本研究所用的復合電極是在前期的研究基礎上[9]，采用熱壓擴散焊接法進行制備完成。
1實驗部分
在前期的研究基礎之上提出了符合生產企業的制造成本等諸多方面的要求，涉及到了4種制造成本相當的不同類型陽極板：1#為Pb-Ag合金電極；2#為Pb-Al層狀復合電極；3#以Ti-Al層狀復合材料為基體的電鍍PbO2涂層電極；4#為本研究所制備的Ti網電鍍PbO2涂層電極，極板尺寸為150mm×160mm，其中的層狀復合電極均采用熱壓擴散焊接法制備而成。將所制備的四種陽極板在某生產廠家分別進行333、450、500、550A/m2四種電流密度下的生產模擬實驗，通過電解過程中的槽電壓、陰極產品上板量、電流效率、電能單耗和陰極析出產品的質量以及雜質含量進行對比，研究復合電極材料在高電流密度下的使用性能。
本研究所采用的工藝條件為：根據電流密度的不同，硫酸鋅電解液中鋅離子濃度為60～70g/L，酸鋅比為2.5～3.0，電解過程中的槽溫35～38℃，骨膠的加入量為0.6～0.7g/kg析出鋅，碳酸鍶的加入量為7.5～11.3g/kg析出鋅，同極板中心距62mm，氯離子濃度≤400mg/l。
2結果討論
2.1電解過程槽電壓的變化
根據研究要求，每槽電解周期為24h，每個固定電流密度下做三組較好重現性試驗。在實驗過程中每2h對在不同電流密度下的槽電壓進行一次實時記錄，得到如圖1所示的平均槽電壓與電流密度關系圖。
從圖1可看出，隨電流密度的增加，4種不同類型極板的槽電壓也隨之增大，Pb-Al層狀復合電極板無論電流密度如何變化，其在4種極板中的槽電壓始終低(2#)，其槽電壓始終＜3.35V。而Ti網電鍍PbO2涂層電極的槽電壓一直是高(4#)，槽電壓始終＞3.56V，但Ti網電鍍PbO2涂層電極的槽電壓隨電流密度的變化穩定，沒有出現大的波動。然而，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極的槽電壓會隨電流密度提高而出現先增大后下降的趨勢，在電流密度增加到450A/m2其槽電壓高。而隨電流密度的近一步提高，其槽電壓開始下降，直至電流密度升至550A/m2時，其槽電壓低，僅為3.333V，較傳統Pb-Ag合金(3.443V)低了110mV。
因此，從以上數據可看出，在電解Zn析氧體系中，Pb-Al層狀復合電極對于降低電解過程的槽電壓有明顯作用。然而，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極對于提升電解過程的電流密度，提升生產效率，有著不可忽視的作用。槽電壓的降低是降低電耗要的解決辦法。因此，在高電流密度下，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極有明顯的降低槽電壓的效果。
2.2電解過程陰極產品上板量的變化
對不同電流密度下，每個電解周期的陰極析出產品進行稱重，得到了如圖2所示的陰極析出產品上板量與電流密度關系圖?？煽闯觯S電流密度的增加，4種不同類型極板的陰極析出產品上板量也隨之增大，其中Ti-Al電鍍PbO2涂層電極陰極析出Zn上板量高，較傳統Pb-Ag合金電極高了5.2%，Pb-Al的次之。Ti網電鍍PbO2涂層電極有著與Pb-Ag合金相當的上板量，但對于Ti網電鍍PbO2涂層來說，由于其利用高的槽電壓來維系著高的產出。
因此，在電解Zn析氧體系中，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極不僅對于降低電解過程的槽電壓有明顯的作用，而且對提高上板量，提升生產效率也存在著很大的促進作用。
2.3電解過程電流效率的變化
結合實驗得到的各陽極板的陰極析出產品質量，計算出不同陽極板在不同電流密度下的電流效率，其中Zn的電化學當量1.220g·A-1·h-1，得到如圖3所示的電流效率與電流密度關系圖。可看出，隨電流密度的增加，4種電極的電流效率也會增大，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極、Pb-Al層復合材料以及Ti網電鍍PbO2涂層電極的電流效率在各個電流密度下均以略高于Pb-Ag合金電極。其中以Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極的電流效率高，平均電流效率達到了88.7%，較傳統的Pb-Ag合金電極提高了5.7%，Ti網電極的電流效率較傳統Pb-Ag合金電極，也有所提高，平均提升了大約1.5個百分點。雖然隨電流密度的變化，電流效率也有所浮動，但整體的變化趨勢區域穩定，因此可看出不同基體材料對于提升實際生產電解過程的電流效率具有一定影響。
在實際電解過程中，電流效率受到陽極板性質、電流密度、電解液純度以及電解溫度和添加劑等多方面的影響，其作為反映整個電解體系中電極性能的一個重要指標。可認為，電流效率的提高先取決于基體材料的性質，Ti-Al、Pb-Al基體使得電極材料的表面電流能夠均勻分布，可充分的發揮電鍍PbO2的作用，使得反應進行得更為充分。Ti網電極由于網孔的存在，增大了電解系統電解液的流動性，使電解液的離子分布均勻，因而可使電化學反應進行得更均勻充分，因此使得它們具有較高的電流效率。
2.4電解過程電能單耗的變化
結合實驗得到各陽極板的槽電壓、電流效率，計算出各電極板的單耗，得到如圖4所示的極板電能單耗與電流密度關系圖，以此直觀的表示出新型電極在節能降耗方面的優異特性。
從圖4可看出，在電流密度＜500A/m2，每生產1t的Zn，Ti網電鍍PbO2電極的電耗高，平均單耗在3489.5kWh·t-1，Pb-Al層狀復合電極和Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極的平均單耗為3116.2、3124.9kWh·t-1，分別較傳統的Pb-Ag合金下降了5.6%、5.3%。隨著電流密度的增加，當電流密度達到550A/m2，Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極電能單耗將為四種不同電極中的低，僅為3018.7kWh·t-1，每生產1t的Zn，較傳統Pb-Ag合金電極可節約電能259kWh，因而達到了節能降耗的目的。
綜上，通過比較析氧體系電解Zn在不同電流密度下的槽電壓、上板量、電流效率以及電能單耗，為了說明不同陽極板對電解體系具體的要求不同，
我們通過表1來比較不同類型極板的在具體情況下的佳性能。該表主要以電能單耗低作為判斷依據。
可看出：不同的陽極板的低電能單耗，是在不同的電流密度下出現的。在電流密度低為333A/m2時，Pb-Al復合陽極板的能耗低，電流效率可達85.4%。隨電流密度上升，當電流密度為500A/m2時，傳統Pb-Ag合金具有在不同電流密度下低的電能單耗，為3246.7kWh·t-1，其電流效率為85%。盡管Pb-Ag合金電極的高電流效率為86.1%，此時電流密度為550A/m2。然而其的槽電壓較高，它的高電流電流效率需要高的槽電壓來維系，因此其電耗就高，所以其不是優的電解工藝條件。隨電流密度近一步提高，當電流密度升至550A/m2，電能單耗低的為Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極，其能耗僅為3018.7kWh·t-1，不僅比傳統Pb-Ag合金電極的低能耗還低了7.1%，而且它的的電流效率比Pb-Ag合金電極的高6.5%，因此展現出了優異的電化學性能。這說明Ti-Al層狀復合材料電鍍PbO2涂層電極在進行析氧體系電解Zn時，其佳的電流密度可達到550A/m2，不僅能到達節能的目的，而且可提升生產效率。
2.5電解過程陰極析出產品質量
在正常電解生產中，若只是單純的通過提升電流密度來達到提高產量的目的，會使得陰極析出產品的質量下降，更容易出現燒板的現象。圖5為電流密度為550A/m2條件下，4種不同類型陽極板所生產的陰極析出產品表面形貌。
可看出，傳統Pb-Ag合金電極的陰極析出產品表面的凹坑數量多，而且尺寸也大，說明Pb-Ag合金電極在電解過程中，電極表面的反應不均勻，而且電解液的流動性差，不足以將電極表面反應生成的氣泡排除，因而停留在表面形成了凹坑。然而，新型層狀復合陽極和電鍍PbO2涂層陽極的陰極析出產品表面平整、致密度高，無燒板現象，但表面存在少量的凹坑，這是由于電極過程中陰極表面會有少量氣泡附著，因而造成表面存在少量凹坑。由于新型層狀復合陽極和電鍍PbO2涂層陽極可改變傳統電極表面的電流分布，使電極表面的的反應能均勻進行，而且網孔結構的存在使得電解液的流動性增強，可迅速將電解過程中產生的氣泡帶離電極表面，從而使得其陰極產品表面凹坑少、質量高。
同時，本研究也對陰極析出產品的質量進行了檢測，結果如表2所示?？煽闯?，不同陽極的陰極析出產品的雜質含量存在一定程度上的差異，均比傳統Pb-Ag合金電極的雜質含量有所下降，以雜質Pb的含量尤為明顯。Pb-Al復合電極的雜質Pb含量下降了25.5%，Ti-Al復合電極的雜質Pb含量下降了41.2%，Ti網電極的雜質Pb含量下降了45.1%。這也說明了，新型復合電極和涂層電極不僅能提高產品的產量，而且對于降低陰極析出產品的雜質含量，提高產品的質量也有一定優勢。
2.6電極對電解過程影響的機理分析
電能單耗，作為終衡量電解過程中技術的操作水平以及經濟效益的重要指標之一，有著不可替代的地位。槽電壓和電流效率直接決定了電能單耗的高低。然而，陽極作為濕法冶金工業中的核心主體以及重要裝備，其在實際電解過程中的性能表現，直接關系到電解過程中槽電壓、電流效率的關鍵環節。
(1)槽電壓的變化：槽電壓作為電解過程的重要技術指標，它由電解質溶液電阻及其分解電壓、陽極泥電阻、接線的接觸電阻、極板電阻等引起的電壓降組成[10]。從歐姆降對電極極化曲線的影響公式[11]：E=a+blgi+IRΩ(其中，E為電極電勢，a為常數，b為Tafel斜率，i為電流密度，I為反應電流，RΩ為總歐姆降)可知，電極電勢E與總歐姆降RΩ成正比，而RΩ由電極內阻和電解液所決定。因此，降低電極內阻是實現降低電極電位的有效途徑之一。而電鍍PbO2為電阻率低的β-PbO2，盡管傳統Pb-Ag合金電極也需進行表面氧化長膜處理。但其在形成的氧化膜中含有部分高電阻率的α-PbO2，電鍍PbO2為電阻率低于Pb-Ag合金電極表面氧化膜的電阻率。同時結合前文所進行的電化學分析測試中，電鍍PbO2涂層電極材料的電化學性能有明顯提升，有明顯下降的極化電位，其在實際電解過程中的表現為：在相同電流密度下電解時，電鍍PbO2涂層電極材料的電解槽電壓相對傳統Pb-Ag合金電極材料的電解槽電壓有明顯降低。
(2)電流效率的變化：電流效率作為衡量電極材料對于電流的利用率，對節能降耗也有指導意義，電流效率越高，說明電極對電流的利用率越高，產量也就有了相應提升。電流效率取決于上板量的大小，而上板量直接與電極的反應有關，如果電極的反應速率提高，在電極反應過程中產生大量氣體形成“氣泡簾”[5]，會使電極的活性面積下降，也會導致電極表面電極的分布不均。而Ti網電極的使用，加強了電解液的流動性，減小了“氣泡簾”對電極反應的影響，同時增大了反應速率，提高了電流效率。
3結論
在電解Zn體系中，通過對比不同電流密度下不同電極的使用性能，分析了電流密度的變化對不同電極的影響，探討在高電流密度下，不同電極的具體使用性能?？煽闯觯?br /> (1)通過對電極基體材料的重新設計，可不同程度的提高電極材料的使用性能，充分發揮電極材料的優勢，電極基體材料變化能明顯提升電解電流效率，與傳統電極板相比，Ti-Al、Pb-Al復合電極分別提高了5.7%和3.6%；降低能耗作用突出，其中Ti-Al復合電極節省直流電耗5.3%，Pb-Al復合電極節省直流電耗5.6%。
(2)層狀復合電極材料的陰極鋅產品質量優良，在高電流密度下電解未出現燒板情況，陰極析出產品的雜質含量較傳統電極的有所下降，新型復合電極材料均比傳統Pb-Ag合金電極的雜質含量有所下降，以雜質Pb的含量尤為明顯，Pb-Al復合電極的雜質Pb含量下降了25.5%，Ti-Al復合電極的雜質Pb含量下降了41.2%，而Ti網電極的雜質Pb含量下降了45.1%。
(3)以Ti網為基體的電極材料，因其自身具有的高電阻，造成了電極在使用過程中高的電能單耗。然而Ti網電極材料的電流效率較傳統Pb-Ag合金電極提升了約1.5%，這是因為電極自身的特點使得電解液在使用過程中的流動性增強，減少電極“氣泡簾”的形成，提高了電極的電流效率。
(4)對層狀復合電極材料的節能降耗機理進行了分析，認為層狀復合材料充分發揮各層金屬的特殊性質，使得極板表面的電流分布更加均勻。提高了電極表面活性物質的利用率，使電極整體都處在給定的電流密度下工作，減少了副反應的發生，從而提高了電流效率。結合鋁內芯帶來的極板內阻壓降減小而引起的槽電壓降低和電化學性能增強，綜合作用于電解過程，降低了電能消耗。
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