一种电解制备高纯铁的方法与流程

1.本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种制备高纯铁的方法。


背景技术：

2.随着科技的发展，传统的工业纯铁、雾化铁粉等纯度及性能已经无法满足高新技术对材料的需求。一般纯度≥99.9％时的纯铁称为高纯铁，由于纯度的大幅提升，高纯铁具有良好的延展性、软磁性能、导电性能、热性能、耐腐蚀性能等。高纯铁可被应用于核工业、军工用品、航空航天合金零部件以及光电半导体材料等铁基新材料方面。当前，制备高纯铁的研究越来越受到人们的广泛关注。由于单一的提纯方法难以满足制备99.9％以上高纯铁的要求，因此需要将多种提纯方法联合使用。例如，火法冶炼生产工业纯铁
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电解精炼
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冷坩埚熔炼
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区域熔炼，几种方法的联合递进使用可使终端产品铁得以大幅度纯化。2005年日本专利us6896788b2公开了一种可生产高纯铁方法：使用可溶性阳极，多级电解制备高纯铁，纯度最高可达99.999％。该方法首先通过一级电解对粗铁材料进行电解以获得一级电沉积铁，然后将一级电沉积铁作为二级电解的阳极材料，同时以溶解的一级电沉积铁为二级电解的高纯度电解质溶液，进行二级电解制备高纯铁。目前，世界上高纯铁与超高纯铁的制备与生产技术基本为日本所垄断，如日本东邦亚铅公司采用电解法生产工业纯铁，该公司生产的电解铁纯度最高可达到99.999％，已经可以进行商业化生产。日本在世界高纯铁市场占据优势地位，英、美也以购买日本的高纯铁为主。伴随我国社会发展与科技进步的需求，高纯度基础材料的研发与制备具有重要而深远的意义。由于相关技术壁垒等问题，我国鲜有工业化规模电解精炼制备高纯铁的相关报道，大部分还处于实验室研究阶段。电解制备高纯铁是工业化生产高纯铁、超高纯铁极其重要的环节，本发明目的在于提供一种工艺简单且流程短，制备成本低且产品纯度高，剥离完整性好且厚度易控的电解制备高纯铁方法。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种工艺简单且流程短，制备成本低且产品纯度高，剥离完整性好且厚度易控的电解制备高纯铁方法。为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
4.(1)一种电解制备高纯铁的方法，其阴极材料采用预制阴极板，如钛、钛合金板、纯铁板等；阳极材料采用工业纯铁或低碳钢等。电解质水溶液含有feso4·
7h2o:100～300g/l(铁浓度为55～165g/l)、少量的用于保持电解液稳定的添加剂l
‑
抗坏血酸：0～5g/l，以及提升电解质溶液电导率的na2so4：40～80g/l，电解质溶液为酸性，ph为1.00～40.0；电解工作温度为20～100℃；阴极电流密度为100～230a/m
‑2。
5.(2)电解质水溶液含有少量盐酸，主体为硫酸；硫酸溶液同时用于电解过程ph的调节；用于保持电解液稳定的添加剂为l
‑
抗坏血酸。
6.(3)电解前，预制阴极板表面进行打磨、碱除油、水清洗；阳极板形状修正、表面酸
洗，并在阳极安装隔离膜，用于避免电解时来自阳极附近的不溶性杂质对电解液和阴极电解铁的污染。
7.(4)电解时，采用电解液流动模式。电解液从电解槽的底部加入、上部溢出；溢出槽外的电解液进入低位储罐，经过添加铁粉、沉降过滤、调整ph后，通过缓冲槽、高位槽等，最终重新返回电解槽。
8.(5)根据以上所述方法，电解质feso4·
7h2o浓度为100～300g/l(相应铁浓度为55～165g/l)，优选为250～300g/l。添加剂l
‑
抗坏血酸浓度为1～5g/l，优选为1.5～20.g/l。na2so4浓度为40～80g/l，优选为50～75g/l。
9.(6)根据以上所述方法，电解质溶液ph为1.0～4.0，优选2.00
‑
3.00为初始ph值。电解温度为20～100℃，优选为80～90℃。阴极电流密度为100
‑
230a/m
‑2，优选为110～135a/m
‑2。
10.(7)根据以上所述方法，所制备的高纯铁可为箔状或板状，厚度可达20μm～3cm，可根据需要选择电解时间控制阴极沉积产物厚度。
11.(8)根据以上所述方法，电解过程中，当可溶性阳极的溶解完毕，阳极需重新更换，以进行下一循环电解。
12.(9)本发明方法的优点是采用可溶性阳极，电解质溶液稳定且可以通过槽外循环和净化，重新进入电解槽，同时可以通过对电解时长的控制，电解制备不同厚度的阴极电沉积产物。本发明方法设备与工艺简单、成本低、流程短，易操作，可生产厚度20μm～3cm的高纯铁，纯度可达99.9％～99.99％。
13.(10)以下将结合附图对本发明的构思、具体结构、产生的技术性效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
14.图1是本发明的一个较佳实施例一电解制备示意图与操作步骤流程图
15.图2是本发明的一个较佳实施例一电解制备高纯铁的实物图
16.图3是本发明一个较佳实施例一电解制备高纯铁的xrd物相图
17.图4是本发明一个较佳实施例二电解制备高纯铁的的实物图
18.图5是本发明一个较佳实施例二电解制备高纯铁的xrf纯度分析图
19.图6是本发明一个较佳实施例三电解制备高纯铁的实物图
20.图7是本发明一个较佳实施例四电解制备高纯铁电解2小时过程中电压
‑
电流
‑
时间曲线图
21.图8是本发明一个较佳实施例五电解制备高纯铁的实物图
22.图9是本发明一个较佳实施例五电解制备高纯铁的gdms杂质与纯度分析图
23.图10是本发明一个较佳实施例五电解制备高纯铁的截面金相显微图
具体实施方式
24.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
25.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。
26.本发明一个较佳实施例一：
27.在本实施例中，主要介绍一种电解制备高纯铁的方法，具体操作步骤如下：
28.(1)阴极采用厚度为2mm的钛板，阳极采用工业纯铁。电解前，阴极表面进行砂纸打磨、碱水除油、去离子水清洗，阳极材料表面进行一定时间的稀盐酸浸泡、纯水清洗；然后，在阳极安装玻璃纤维布袋。电解时，电解液从电解槽的底部加入、上部溢出；溢出槽外的电解液进入低位储罐，经过添加铁粉、沉降过滤、调整ph后，最终重新返回电解槽。其电解流程如图1所示。(2)所用电解质溶液分别为feso4·
7h2o:278g/l(相应铁浓度为56g/l)，添加剂l
‑
抗坏血酸：0g/l，na2so4：56.8g/l，电解初始ph为2.00，电解温度为75℃，阴极电流密度为227a/m
‑2。经过3小时电解，得到的产物如图2，xrd(x
‑
ray diffraction)物相分析如图3所示，显示产物为纯铁的特征峰。
29.本发明一个较佳实施例二：
30.在本实施例中，主要介绍一种电解制备高纯铁的方法，具体操作步骤如下：
31.(1)本步骤与实施例一相同。(2)所用电解质溶液feso4·
7h2o:278g/l(相应铁浓度为56g/l)，添加剂l
‑
抗坏血酸：0g/l，na2so4：56.8g/l，电解初始ph为2.00，电解温度为75℃，阴极电流密度为227a/m
‑2。经过5小时电解，得到的产物为高纯铁箔，其厚度为93微米。高纯铁实物如图4，xrf(x
‑
ray fluorescence spectrometry，)纯度分析如图5所示。由图4可见高纯铁的剥离完整性良好，靠近基体面呈现金属光泽，背离基体面呈现灰色。由xrf分析结果可知，电解制备高纯铁纯度为99.99％。
32.本发明一个较佳实施例三：
33.在本实施例中，主要介绍一种电解制备高纯铁的方法，具体操作步骤如下：
34.(1)本步骤与实施例一相同。(2)所用电解质溶液feso4·
7h2o:278g/l(相应铁浓度为56g/l)，添加剂l
‑
抗坏血酸：1.5g/l，na2so4：56.8g/l，电解初始ph为2.00，电解温度为80℃，阴极电流密度为166a/m
‑2。经过36小时电解，得到的产物为高纯铁板,其厚度为402微米，如图所示6。
35.本发明一个较佳实施例四：
36.在本实施例中，主要介绍一种电解制备高纯铁的方法，具体操作步骤如下：
37.(1)本步骤与实施例一相同。(2)所用电解质溶液feso4·
7h2o:278g/l(相应铁浓度为56g/l)，添加剂l
‑
抗坏血酸：2g/l，na2so4：56.8g/l，电解初始ph为2.50，电解温度为80℃，阴极电流密度为112.2a/m
‑2，电解时间2小时。其电压与时间关系曲线如图7。由图可知，恒电流0.55a电解制备高纯铁2小时过程中，电解槽电压呈现先迅速上升(最高达到0.91v)，然后开始下降，此时制备铁在钛板上形核与覆盖。最后电压趋于稳定值0.52v，且稳定时间达1h，此时制备铁开始增厚。
38.本发明一个较佳实施例五：
39.在本实施例中，主要介绍一种电解制备高纯铁的方法，具体操作步骤如下：
40.(1)本步骤与实施例一相同。(2)所用电解质溶液feso4·
7h2o：278g/l(相应铁浓度为56g/l)，添加剂l
‑
抗坏血酸：2g/l，na2so4：56.8g/l，电解初始ph为2.50，电解温度为85℃，
阴极电流密度为112.2a/m
‑2。经过195小时电解，得到的产物为高纯铁板，其厚度为2.544mm，其实物照片如图8所示，gdms(glow discharge mass spectrometry，辉光放电质谱)杂质与纯度分析见图9，高纯铁横截面金相显微图见图10。图8表明，本发明方法所制备高纯铁剥离完整性的良好性。由gdms图可知，电解制备铁的纯度为99.9676％。由图10可知，本发明方法高纯铁的电解制备生长呈现逐层生长，厚度具有可控性。
41.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明一种电解制备高纯铁的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
42.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。