利用太阳能在水溶液中电解制铁

董洪波，侯明山，刘超，刘润藻，李士琦

（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083）

利用太阳能在水溶液中电解制铁

董洪波，侯明山，刘超，刘润藻*，李士琦

（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083）

以太阳能电池板光伏转换所得电能为电源，采用正交试验对电解氯化亚铁溶液制取纯铁的工艺进行优化，得到最佳电解参数为：FeCl2·4H2O 375 g/L，pH = 2.0，电流密度3 A/dm2，温度 50 °C。在最佳工艺下，电流效率和电沉积速率分别达到88.9%和0.45 g/h，所得铁表面光滑，呈银白色金属光泽。利用太阳能电解制铁对以后的清洁能源制铁具有一定的借鉴作用。

铁；氯化亚铁；电解；太阳能

1 前言

电解铁具有较高的纯度，在永磁体的生产和Fe/NiOOH碱性电池中阴极片活性材料的生产方面都有重要应用[1]。另外，电解铁在多种合金及混合铁氧体的生产中的应用也有很大的潜力[2]。铁硅化物可用于制造红外领域的发光元件，科学家们正在把高纯铁作为一种光学半导体材料加以研究开发，高纯铁的制备与研究是当前高纯金属研究的热点[3]。日本Toho锌业有限公司在高纯电工纯铁的生产中，通过控制电解条件，取得了明显的提纯效果，所研制的纯铁纯度在4 N(即99.99%)以上，RRRH(剩余电阻率比)＞1 000[4]。

电化学工艺广泛应用于电解冶金中，对生产优质的金属材料有巨大的作用，但电解冶金的能耗大是电解工业面临的一个重要问题，如电解铝的生产能耗虽然逐年降低，但2010年的电解铝平均综合交流电耗仍为13 979 kW·h/t[5]。鉴于我国太阳能资源的状况和新能源设备的快速发展[6]，同时为了减少冶金过程中的碳排放及能耗，达到非碳冶金[7]的目的，本文利用太阳能电池板进行光伏发电电解制铁，其基本流程为：太阳能电池板将接收到的太阳能转化为电能储存于蓄电池中，再从蓄电池输出电能进行电解铁，通过调节各影响因素，最后得到比较优质的电解铁。

2 实验

2. 1 基材及试剂

所用的实验原料有铜阴极板(10 cm × 4 cm)、废钢片(10 cm × 5 cm)、FeCl2·4H2O(分析纯)、36%(质量分数)盐酸、NaCl(分析纯)、抗坏血酸(分析纯)等。

2. 2 电解装置

图1 电解实验示意图Figure 1 Schematic diagram of the electrolytic experiment

图1所示为实验装置图。太阳能电池组件由12块电池板组成，2串6并作电源，型号为DH-100，其参数为：标称功率Wp= 100 W，最佳工作电压Vmp= 17 V，最佳工作电流Imp= 5.89 A，短路电流Isc= 6.42 A，开路电压Voc= 21.5 V。其中太阳能电池的标称功率是指标准太阳光照条件(欧洲委员会定义的101标准，即辐射强度1 000 W/m2、大气质量AM 1.5、电池温度25 °C)下，每块太阳能电池的输出功率。蓄电装置由2块免维护阀控密封铅酸蓄电池构成，每块电池的额定电压为2 V，额定容量为1 000 Ah。

除了太阳能电池板、蓄电池外，还有配电与供电装置，其作用是控制蓄电池组的充放电，防止过充、过放或反冲，并控制输入负载的电流，保证提供稳定的电流，使负载能够正常运作。配电与供电装置主要包括控制器、避雷器、继电器、控制开关等元件。

2. 3 电解铁

为了保证电解液中不含Fe3+离子、pH及亚铁盐的浓度符合实验要求等，在电解沉积铁前，先对阴极进行脱脂、抛光和清洗等前处理。每组试验后，要对所得电解铁进行后处理：将铁从阴极板剥离，蒸馏水洗净后干燥。对废电解液进行过滤、调节酸碱度等处理后可供其他组试验再利用。

由于亚铁盐的浓度、溶液pH、温度、电流密度等均影响电解沉积铁，因此，以电流效率、电沉积速率和所得电解铁的外观为指标，按 L9(34)正交表进行正交试验，确定各因素对电解铁的影响，电解时间为1 h，各因素及水平如表1所示。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Levels of factors for orthogonal test

2. 4 性能指标

2. 4. 1 电流效率

电流效率(η)的计算公式如下：

其中，m为阴极板上所得产物的实际质量(g)，mF为按法拉第定律计算所得产物的理论质量(g)，I为通电电流(A)，M为所得金属的原子量，z为电极反应的电子转移数目，F为法拉第常数(取96 500 C/mol)。

2. 4. 2 沉积速率

沉积速率v = m/t，其中m为阴极板上产物的质量(g)，t为电解时间(h)。

3 结果与讨论

3. 1 各因素对电流效率的影响

图2为各因素对电流效率的影响。

图2 各因素对电流效率的影响Figure 2 Effects of different factors on current efficiency

由2图可知，随着Fe2+质量浓度的升高，电流效率呈下降趋势。在第二和第三水平之间，其下降趋势变缓。一般而言，Fe2+浓度高，α(Fe2+)/α(H+)相应增大，有利于铁的沉淀析出，即电流效率相对较高。但本工艺中电流效率随 Fe2+质量浓度的升高反而逐渐减小。对比不同Fe2+质量浓度下所得电解铁的外观发现，Fe2+的质量浓度增大时，电解铁表面呈黑色，且近液面处的黑色较深。此黑色物质的具体成分尚不清楚，可能是因为所得电解铁活性较大，在电解过程中铁与溶于电解液中的氧反应生成 Fe3O4并夹杂于电解铁中。当Fe2+的质量浓度较高时，阴极附近Fe2+的浓度高于电解液本体中的 Fe2+浓度，利于其与氧的结合。而 Fe3O4不导电，其夹杂在电解铁表面必定影响铁的正常析出，导致铁的电解沉积量减小，从而使电流效率降低。

从图2也可看出，电流效率随电流密度和pH升高而升高。因为电流密度增大时，电子的转移速率大大提高，其与Fe2+的反应( Fe2++ 2e-= Fe )随之加强；pH升高时，电解液中的H+浓度减小，α(Fe2+)/α(H+)相应增大，利于铁的电解析出。但pH过高时，由于溶液中H+浓度减小，而水溶液中H+和OH-的活度积为定值，所以电解液中OH-的浓度较高，Fe2+离子会发生水解反应()，生成的Fe(OH)2沉淀悬浮于水溶液中并附着在阴极表面，妨碍铁的正常析出[8]。

由图2还可看出，温度为50 °C时，电流效率达到最大，继续升温，电流效率急剧下降，在75 °C下得到的电解铁表面呈黑色，可见温度的升高促进了 Fe2+与氧的结合反应。

3. 2 各因素对沉积速率的影响

各因素对电沉积速率的影响见图3。

图3 各因素对电沉积速率的影响Figure 3 Effects of different factors on deposition rate

FeCl2·4H2O的质量浓度对沉积速率的影响不大；随FeCl2·4H2O的浓度和温度的升高，沉积速率稍有下降，这与前文所述的高FeCl2·4H2O浓度和高温对铁电解析出的影响不无关系。电流密度对沉积速率的影响最为明显，随电流密度升高，电沉积速率几乎呈直线上升，与理论沉积速率的变化趋势基本一致。pH的变化对沉积速率的影响也不明显，但pH较低时，溶液中H+浓度较高，α(Fe2+)/α(H+)较小，容易在阴极发生析氢反应，致使沉积速率降低，同时，所得电解铁表面多孔、不致密，且脆性较大。而pH较高时，电解液中OH-浓度较高，易生成Fe(OH)2沉淀，从而影响铁的外观。

3. 3 各因素对电解铁外观的影响

表2描述了不同因素及水平下所得镀层的外观。

表2 各因素对电解铁外观的影响Table 2 Effects of different factors on appearance of electrolytic iron

结合图2、图3和表2可知，电流效率和沉积速率都随电流密度升高而升高，但电流密度过高时，所得电解铁外观较差，其余3个因素也选用中间水平为宜。

3. 4 最佳条件下的电解效果

综合上述分析可确定电解铁的最佳工艺条件为：FeCl2·4H2O 375 g/L，pH 2.0，电流密度3 A/dm2，温度50 °C。在最佳工艺下电解铁，其电流效率达88.9%，电沉积速率为0.45 g/h，所得电解铁表面光滑，呈银白色金属光泽，优于其他条件下所得的电解铁，图 4为其外观照片，左侧为铜基体表面电解所得的铁。

图4 最佳工艺下所得电解铁的外观Figure 4 Appearance of electrolytic iron obtained under the optimal process parameters

4 结论

(1) 采用正交试验得到电解铁的最佳工艺为：FeCl2·4H2O 375 g/L，pH 2.0，电流密度3 A/dm2，温度50 °C。在最佳工艺下，电流效率达88.9%，电沉积速率为0.45 g/h，所得铁表面光滑，呈银白色金属光泽。

(2) 利用太阳能电池板光伏效应产生的电能进行电解制铁，除电池板的生产过程涉碳外，其他环节均为非碳或低碳，实现了电解冶金的非碳生产。

(3) 利用太阳能光伏电解铁是可行的。同样，也可用于尝试电解镁、铜、铝等其他金属。太阳能电解冶金既可节约大量能源，也可大大减少对环境的污染。

(4) 本文的电解铁在实验室环境进行，要实现大规模生产还需做好电池板、蓄电池与电解设备等的能量匹配以及设计一条优化的电解生产线。若可实现工业化生产，将会产生可观的经济效益和社会效益。

[1] CARLOS I A, CARLOS R M, CARUSO C S. Chemical, physical and morphological characterization of the electrodeposited iron fragile layer on aluminum substrate [J]. Journal of Power Sources, 1997, 69 (1): 37-40.

[2] CARLOS I A, CARUSO C S. Electrodeposition of iron fragile layer on nickel substrate with emphasis on iron powder production [J]. Journal of Power Sources, 1998, 73 (2): 199-203.

[3] 孙辉, 王力军, 张力, 等. 高纯铁制备技术综述[J]. 金属功能材料, 2009, 16 (4): 42-45.

[4] 长征. 高纯铁与极低碳钢[J]. 金属功能材料, 2003, 10 (5): 42-43.

[5] 王祝堂. 中国电解铝能耗逐年下降[J]. 轻金属, 2011 (9): 60.

[6] 张维, 刘畅. 我国多晶硅产业现状及发展趋势简述[J]. 新材料产业, 2011 (2): 51-54.

[7] 李士琦, 吴华峰, 袁海伦. 非碳冶金理念和探索试验[J]. 中国冶金, 2010, 20 (5): 29-36.

[8] 赵秦生, 张皑. 铁的电解与电镀[M]. 北京: 人民交通出版社, 1986.

[ 编辑：周新莉 ]

Electrolytic preparation of iron from aqueous solution using solar energy //

DONG Hong-bo, HOU Ming-shan, LIU Chao, LIU Run-zao*, LI Shi-qi

With the electric energy obtained by photovoltaic technology using solar-cell panels as the power supply, the process parameters for preparation of pure iron from aqueous ferrous chloride solution by electrolysis were optimized by orthogonal test as follows: FeCl2·4H2O 375 g/L, pH 2.0, current density 3 A/dm2, and temperature 50 °C. Under the optimal parameters, the current efficiency and deposition rate are up to 88.95% and 0.45 g/L respectively and the surface of the obtained iron is smooth with silvery white color and metallic luster. The electrolytic preparation of iron using solar energy gives reference to the future preparation of iron with clean energy.

iron; ferrous chloride; electrolysis; solar energy

School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

TF591.1

A

1004 – 227X (2012) 06 – 0001 – 03

2012–01–11

2012–02–21

董洪波（1987–），男，河南伊川人，在读硕士研究生，主要研究方向为清洁能源冶金。

刘润藻，副教授，(E-mail) hunter88sky@126.com。