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制取金屬鐵是一個潛在減少甚至消除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增強鋼的抗腐蝕性能。利用含鎳、鐵氧化物的熔渣電解時，鎳與鐵電沉積后可進一步熔煉含鎳鋼（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存在時的電化學(xué)研究已有一些報道，但二者共存

2、于熔渣時的電化學(xué)行為研究尚未見有文獻報道，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，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、計時電位、計時電流、恒電位電解、交流阻抗譜、塔菲爾等多種電化學(xué)測試技術(shù)，并結(jié)合熱力學(xué)理論計算研究了高溫熔渣中Ni2+、Fe2+離子的電化學(xué)行為，并測試了擴散系數(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、計時電流、計時電位、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;熔渣體系進行方波伏安分析時，共存的不同種類電活性離子(Ni2+、Fe2+)的峰電流對頻率呈現(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+離子的擴散系數(shù)，并求出Ni2+離子的擴散活化能為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+的擴散系數(shù)、擴散活化能等電化學(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，擴散系數(shù)減小;隨著溫度的升高，擴散系數(shù)增大。通過不同溫度下的擴散系數(shù)得到了Fe2+離子的擴散活化能為204.3±16.0 kJ·mol-1。另外，通過塔菲爾曲線計算得到不同濃度、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