金属锰电解过程复杂影响因素的数值模拟方法研究

Metallic Manganese electrolysis is a complex electrochemical process with coupled multi-field and mixed multi-factor. Numerical simulation is an effective method for investigation of the electrolysis process mechanism. However, research of numerical simulation applied in the electrolytic manganese haven't been conducted. This project aims to investigate the manganese electrolysis process by the numerical simulation method. The main contents include: (1) study on the hydraulic properties and transport process of multi-ion in the electrolyte udner the existence of bubbles from cathode and anode, analysis of the spatial distribution rule of flow field and bubbles and their influences on the hydraulics and ion transfer, fabrication of equation models of gas-liquid two-phase flow and multiple ion transport; (2) study on the anodic and cathodic reaction thermodynamics and kinetics of electrode process, analysis of the process controlling procedures and the electrolytic voltage components, construction of electrochemical reaction mechanism model; (3) construction of a mathematical model coupled of ion transport to electrochemical reaction, solving the model by numerical finite element method, obtaining the manganese electrodeposition current density (jMn) distribution and current efficiency （η）and energy consumption （P）under different electrolysis conditions and different parameters of electrolyzer; (4) analysis of the influencing principles and mechanisms of these factors mentioned on the target variables of jMn, η, and P. optimumization of electrolytic conditions and structrue parameters of electrolyzer. The investigation in this project will broaden the application area of numerical simulation, and enrich the research means and methods in electrolytic manganese industry.

金属锰电解是一个多场耦合、多因素交织的复杂电化学过程，数值模拟是研究电解过程机理的有效方法，数值模拟在金属锰电解中的应用研究尚未开展。本项目拟采用数值模拟方法研究金属锰电解过程。主要内容包括：（1）研究阴阳极气泡存在下电解液的水力学特性及多离子的输运过程，分析流场及气泡的空间分布规律，及其对水力学与离子输运的影响，构建符合实际情况的气液两相流及多离子输运方程模型；（2）研究阴阳极电极反应的热力学及电极过程动力学，剖析过程控制步骤，分析电解电压构成，构建电化学反应机理模型；（3）构建多离子输运与电化学反应耦合的数学模型，通过有限元法进行数值求解，获得不同电解条件及不同电解槽参数下的锰电沉积电流密度（jMn）分布及电流效率（η）与电耗（P）；（4）分析各因素对jMn分布、η及P的影响规律及机制，优化电解条件及电解槽结构参数。本研究将拓宽数值模拟的应用范围，丰富电解锰行业的研究手段和方法。

本项目针对多因素交织、多物理场耦合的复杂锰电解过程开展攻关研究，在关键因素影响机理揭示、多参数耦合数学模型构建，以及主要物理场数值模拟方法构建方面实现了创新和突破：.（1）关键因素影响机理揭示：采用长周期电解，结合循环伏安分析法（CV）、电位阶跃和恒电流电解等分析方法以及电镜等表征手段研究了电解时间、电流密度、进液流量、进液锰离子浓度、SeO2浓度等不同因素对电解过程的影响规律及机理，研究发现不同因素主要是通过对锰离子电沉积主反应（MEDR）与析氢副反应（HER）在电化学热力学及动力学上的竞争而影响电解效果，不同因素间存在协同影响和相互转化的问题，电解过程锰离子供需速率匹配性对于保障稳态电解，获得高的电解效率至关重要。.（2）多参数耦合数学模型构建：基于物质守恒原理，构建了多因素耦合复杂锰电解过程数学模型，可准确实现电解过程电流效率的精准监测，模型预测结果与实验数据之间相对误差在-0.091~ 0.081范围内，可有效反馈电解过程工况状态，为进一步实现电解过程干预提供技术支撑，进一步分析了不同因素内在耦合关系，发现传质效果对电解效率影响非常重要。.（3）主要物理场数值模拟方法构建：基于有限元法构建了锰电解过程气液两相流流场数值模拟方法，分别定性定量模拟分析了电流密度、进液流速及进液锰离子浓度等主要因素影响下的气液两相流的流场分布，同时将模拟结果与PIV实测流场分布结果进行了分析，结果吻合较好。可作为锰电解体系流场条件优化及槽体结构改进的有效手段，从而促进锰离子对流传质，显著提高电效。.本项目研究成果可有效支撑电解锰行业电解过程调控优化改进，同时还可为电解锌、电解铜等同类湿法冶金行业技术研发提供借鉴。