DSA阳极锌电沉积槽内部流场的数值模拟*

吴允苗，王 娜

(泉州师范学院化工与材料学院，福建 泉州 362000)

金属氧化物涂层电极是指在以钛为基体的表面涂上金属氧化物的电极，简称DSA阳极(Dimensionally Stable Anode，即尺寸形状稳定型阳极)，目前在湿法冶金的电解提取金属、化工、环保、有机电合成、阴极保护等领域得到广泛应用[1-11]。但目前DSA阳极还很少应用在锌电积上，主要原因是锌电沉积机理复杂，锌电沉积过程涉及电沉积液在电沉积槽中的电积液的流动、物质传热、扩散和导电等，多种物理场以及多种电化学反应和杂质间的化学反应，DSA阳极质量不稳定性，这些都增加了研究DSA阳极对锌电沉积影响的难度。本工作针对DSA阳极锌电沉积槽内部流场进行数值模拟，从速度场的分布、析出厚度和电流能耗三个方面进行分析，可为积电沉积过程的研究提供一定的理论依据。

1 建立模型与数值模拟

在DSA阳极锌电沉积槽中，电沉积液通过进液管流入电沉积槽中，电沉积槽内包括两对交替放置的阴阳极板，利用COMSOL软件建立有限元模型。DSA阳极锌电沉积槽模型图如图1所示。

图1 DSA阳极锌电沉积槽模型图

针对DSA阳极锌电沉积槽设置其基本参数，如表1所示。

表1 DSA阳极锌电沉积槽基本参数

电沉积槽中的电沉积液运动对锌电积过程有着显著的影响，因此需要对电沉积槽内的流场进行研究。流场中要保持质量守恒和动量守恒，通常用连续性方程来表示质量守恒，纳维-斯托克斯方程表示动量守恒。本工作从以下三个方面对物理场模型进行简化：

1)忽略产生的气泡对电沉积液流场的影响，即把流场看作单相流；

2)当速度梯度变化时，动力黏度不变，即电沉积液的流动为稳态不可压缩流；

3)电沉积液为均相连续性介质，即电沉积液密度和温度不变。

在仿真过程中，设置入口边界条件为速度入口，为充分发展的流动，速度为x轴方向上的 0.05659 m/s。由于电沉积液是从出口溢流而出，电沉积液从与大气直接接触的电沉积槽右侧面流出，所以出口边界设置为压力出口，压力为一个大气压。其物理场所用参数如表2所示。

表2 物理场全局参数

当网格划分越细，求解精度越高；在湍流模块中，计算量越大，计算时间越长。通常过细的网格会求解很长时间且难以达到求解精度而迭代失败。为了提高计算效率，只考虑流场的影响，根据物理场控制选择较粗化的网格。选择瞬态求解，并且以时间为求解速度，选定24 h为一个周期，为了提高计算速度，设置1 h计算一个解，湍流计算中选取10 s为一个周期。经过仿真计算得到电沉积槽中电沉积液的速度流场分布。

2 数值模拟结果分析

2.1 速度分布

在12 h内，保持进液管的电积液流量不变，电积槽内电积液流场最终会达到稳定状态。观察DSA阳极锌电沉积槽速度分布图(图2)，可以看出湍流在电积槽中两板之间速度较大，达 0.12 m/s 左右;在阴极板表面上，湍流速度则呈现出四周较低、越往里速度呈先高后低的分布;阴阳极板上各自呈现出一种沿Z轴对称的布局，阳极板接近进液管电解液因极板的拦截作用，多数从电积槽下部或两边流过，造成了阳极板速度四周偏高而中间低的分布。图3所示为DSA阳极锌电沉积槽阴极板区速度分布图。由图3看出，位于阴极板中下部，速度较高，并且呈现沿Z轴大致对称的分布；而在阴极板的边缘区以及上部，速度极小，说明在这些区域流体并未充分流动。

图2 DSA阳极锌电沉积槽速度分布图

图3 DSA阳极锌电沉积槽阴极板区速度分布图

2.2 析出厚度

由图4所示的锌析出厚度变化图发现，在沉积进行到第4 h，已经有不同厚度的锌在阴极上析出(最厚可达 2.76 mm，最低为 0.24 mm)，因为过电位的存在，使得锌离子电位更正，优先在阴极析出。

图4 锌析出厚度变化图

图5为阴极板锌析出厚度图。由图5可知，阴极板上锌析出并不是均匀增加，整个板上的锌析出厚度呈现出边缘部分较厚，越往里越薄，边界最高处锌析出厚度可达 4 mm。出现此现象与图3所呈现的边缘区速度较小有一定的关联。

图5 阴极板锌析出厚度图

2.3 电流能耗

图6所示为阴极板电流能耗图。由图6可知，阴极板能耗分布并不均匀，呈边缘高中间低的分布，特别是靠近阴极板下方的左右两个角落区域，其电流能耗达到最大，由于极板的边缘效应造成靠近极板边缘槽电压较高。

图6 阴极板电流能耗图

3 结语

本工作所研究的DSA阳极锌电沉积槽内部流场的数值模拟，从结果来看，位于槽体中下部速度值较高，而四周速度较低，产生这一现象一方面与电沉积槽的内部构造有关。另一方面与物质浓度分布也有一定的关联。阴极板区中下部速度较高，边缘区以及上部速度极小。速度场的分布会影响到锌的析出量以及电流能耗，阴极板锌析出厚度呈现出边缘厚中间薄的现象，阴极板能耗则呈四周高中间低的分布。数值模拟将内部流场速度分布、析出厚度、电流能耗可视化，对于分析DSA阳极锌电沉积过程具有一定的理论指导意义。