离子液体直接电解还原方铅矿提取铅的基础研究

Lead is an indispensable metallic material in the fields of lead-acid battery, radiation protection, anticorrosion and antidrop of equipment, industrial lubricant and so on. In order to solve the problems existing presently in the production of lead by hydrometallurgy, this project will directly use non-toxic, cheap, quality-stable and synthetic procedure-simple chloride-ethylene glycol ionic liquid as electrolyte, graphite crucible contained with galena and graphite rod as cathode and anode respectively, for the one-step preparation of metallic lead and sulfur through the electroreduction of galena at low temperature. The major research contents include: the existence form of Pb(II) and S2- ions in the ionic liquid; the electrochemical behavior of electroreduction of galena and the corresponding charge and mass transfer mechanism; the nucleation and growth of lead and sulfur during the electroreduction process from galena in ionic liquid; the effects of electrolytic parameters on product morphology and electrical power consumption. The research is of scientific and industrial importance for shortening the lead production process from its source, reducing the industrial wastes and lowering the requirement for equipment. The purpose of this project is to establish the theoretical foundation for the extraction of lead and other metals from sulfide ores through ionic liquid electrolysis, and to create a green extraction method of lead in ionic liquids with advantages of short production process, low energy consumption and environment friendly.

铅是铅蓄电池、辐射防护、设备防腐防漏和工业润滑剂等领域不可或缺的金属材料。本项目针对现有湿法炼铅工艺存在的问题，以无毒、价廉、性质稳定且合成工艺简单的氯化胆碱-乙二醇离子液体为电解质，装有方铅矿的石墨坩埚为阴极、石墨棒为阳极，在低温下电解还原方铅矿一步制得金属铅和单质硫。项目主要研究Pb(II)离子及S2-离子在离子液体中的优势赋存状态；阴极中方铅矿还原的电化学行为及电荷与物质迁移机理；金属铅和单质硫在离子液体电化学还原过程中的成核与生长机制；电解参数对铅形貌和能耗的作用规律。研究工作从源头上显著缩短铅生产的工艺流程，减少三废排放，降低设备要求，为用离子液体电解硫化矿提取铅等金属奠定理论基础，创立一种流程短、能耗低、环境友好的“绿色化”铅提取新方法。

本项目针对现有湿法炼铅工艺存在的问题，直接采用方铅矿为原料，以无毒、价廉、性质稳定且合成工艺简单的低共熔型离子液体为电解质，在低温下直接电解还原方铅矿一步提取金属铅和单质硫，并对其他几种金属硫化物（Sb2S3、Cu2S、ZnS）在离子液体中的电化学还原过程进行了拓展研究。.（1）研究了PbS、Sb2S3、Cu2S、ZnS在离子液体中的溶解行为和优势赋存状态，发现Pb(II)在ChCl-EG和ChCl-urea中经sp3杂化与Cl-形成了配阴离子[PbCl3]-，Sb(III)在ChCl-EG中经sp3d杂化与Cl-形成了配阴离子[SbCl4]-，Zn(II)在ChCl-urea+MA中通过sp2杂化与Cl-形成配阴离子[ZnCl3]-从而实现溶解；.（2）探明了方铅矿在ChCl-EG中电解还原过程的电极反应机理，阴极：PbS(s)+2e-→Pb0(s)+S2-，Pb(II)+2e-→Pb0(s)，阳极：S2--2e-→S0(s)，建立了还原过程模型并考察了槽电压、温度及时间等对产物物相、形貌及能耗的影响规律，发现在50-80℃、2.3-3.8V以及3-30h下可一步制得铅粉和纳米单质硫，电流效率和电能单耗分别为87.23%和741.43kW·h·t-1；.（3）研究了ChCl-urea-PbS中电沉积铅粉的电化学行为，发现Pb(II)的还原是一个受扩散控制的准可逆过程，扩散系数为2.40×10-7cm2/s，考察了PbS浓度和温度对铅粉形貌、结晶取向及能耗的作用规律，发现在40-80℃和10-50mM PbS下可制得150-200nm的海绵状铅粉；.（4）研究了固体Sb2S3和Cu2S在ChCl-EG中直接电解还原的反应机理，以及ChCl-urea-ZnS中电沉积锌粉的电化学行为；发现通过控制电解时间3-16h可实现对锑粉形貌和粒径的调控；在2.0-2.4V和4-15h下直接还原Cu2S可制得蓬松的丝状铜粉；在5-15mA/cm2和1-2.5h下可电沉积制得50-300nm的纳米线状锌粉。.研究工作从源头上显著缩短了铅生产的工艺流程，减少三废排放，降低设备要求，为用离子液体低温电解硫化矿直接提取金属奠定了理论基础，创立了一种流程短、能耗低、环境友好的“绿色化”金属提取新方法，拓宽了离子液体在电化学冶金中的应用范围。