熔渣中鐵（鎳）離子的電化學(xué)研究.pdf

1、利用惰性電極電解含有鐵氧化物的熔融氧化物來(lái)制取金屬鐵是一個(gè)潛在減少甚至消除CO2排放的短流程煉鋼的冶金新工藝。鎳作為鋼中的一種重要的合金化元素，可以通過在鋼中添加金屬鎳來(lái)增強(qiáng)鋼的抗腐蝕性能。利用含鎳、鐵氧化物的熔渣電解時(shí)，鎳與鐵電沉積后可進(jìn)一步熔煉含鎳鋼（包括不銹鋼）。電解冶煉含鎳鋼的工藝參數(shù)的建立與熔渣中鎳、鐵離子的電化學(xué)行為以及反應(yīng)電化學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律密切相關(guān)。目前關(guān)于鎳、鐵離子在熔渣中單獨(dú)存在時(shí)的電化學(xué)研究已有一些報(bào)道，但二者共存

2、于熔渣時(shí)的電化學(xué)行為研究尚未見有文獻(xiàn)報(bào)道，有關(guān)熔渣中鐵離子反應(yīng)電化學(xué)參數(shù)研究也很少。關(guān)于熔渣的高溫電化學(xué)研究較少，一個(gè)重要原因是受限于電解池容器以及電極（特別是參比電極）的穩(wěn)定性。ZrO2基固體電解質(zhì)抗渣侵蝕性強(qiáng)，具有選擇性的高氧離子導(dǎo)電性和很低的電子導(dǎo)電性，在冶金生產(chǎn)和科學(xué)研究中已獲得廣泛應(yīng)用。本文主要利用MgO部分穩(wěn)定的ZrO2基固體電解質(zhì)管集成構(gòu)建以Pt，O2(air)|ZrO2作為參比電極的新型可控氧流電解池，采用循環(huán)伏安、方波

3、伏安、計(jì)時(shí)電位、計(jì)時(shí)電流、恒電位電解、交流阻抗譜、塔菲爾等多種電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，并結(jié)合熱力學(xué)理論計(jì)算研究了高溫熔渣中Ni2+、Fe2+離子的電化學(xué)行為，并測(cè)試了擴(kuò)散系數(shù)、交換電流密度、電極反應(yīng)速率常數(shù)等有關(guān)電化學(xué)參數(shù)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用循環(huán)伏安、方波伏安、計(jì)時(shí)電流、計(jì)時(shí)電位、恒電位電解法等電化學(xué)研究方法研究1723 K高溫下SiO2-CaO-MgO-Al2O3-FeO-NiO熔渣中共存的Ni2+、Fe2+離子在Ir電極

4、上的電化學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn):熔渣體系中FeO與NiO存在較弱的相互作用，但熔渣中鎳離子以Ni2+存在，鐵離子基本以Fe2+存在;熔渣體系進(jìn)行方波伏安分析時(shí)，共存的不同種類電活性離子(Ni2+、Fe2+)的峰電流對(duì)頻率呈現(xiàn)不同的規(guī)律。在各自合適頻率范圍內(nèi)，各峰電流隨頻率的增加而增加，但各峰電位基本不隨頻率而變化;在Ir電極上Ni2+→Ni和Fe2+→Fe的電化學(xué)還原都是擴(kuò)散控制的一步兩電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程，但Fe2+的還原明顯受到Ni2+還原的

5、影響。通過研究1623、1673、1723 K三個(gè)不同溫度下Ni2+、Fe2+離子在Ir電極上的電化學(xué)行為，求得不同溫度下Ni2+離子的擴(kuò)散系數(shù)，并求出Ni2+離子的擴(kuò)散活化能為517.1±78.5 kJ·mol-1。⑵采用電化學(xué)阻抗譜和塔菲爾測(cè)定了不同濃度的FeO和不同溫度下SiO2-CaO-MgO-Al2O3-F eO熔渣中Fe2+在Fe電極上的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。通過電化學(xué)阻抗譜獲得了體系的電荷傳遞電阻、Warburg電阻、工作

6、電極的雙電層電容以及熔渣中Fe2+的擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散活化能等電化學(xué)參數(shù)。結(jié)果也表明，電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)很快，物質(zhì)傳遞起主導(dǎo)作用。并且隨著FeO濃度的增加，擴(kuò)散系數(shù)減小;隨著溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)增大。通過不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)得到了Fe2+離子的擴(kuò)散活化能為204.3±16.0 kJ·mol-1。另外，通過塔菲爾曲線計(jì)算得到不同濃度、溫度下的交換電流密度和電荷傳遞系數(shù)，并進(jìn)一步求出電極反應(yīng)速率常數(shù)和電極反應(yīng)活化能為68.8±7.5 kJ·mol-1