아연전해채취 - 수소 발생과 전류효율의 예측

이전 글 아연의 생산과 전류효율에서 언급되었듯, 실제 공정에서 계산할 수 있는 전류효율은 측정된 전력 소모량과 아연 전착량을 이용하여 계산할 수 있습니다. 그러나, 구리 전해채취와는 다르게 아연 전해채취는 수소 발생(hydrogen evolution)이 필연적으로 발생하며, 설계시 고려해야할 대상입니다.

 

아연의 전착과 수소 가스의 발생은 서로 상당히 밀접하게 엮여있습니다. 예를 들어, 전해액 내 수소이온의 농도가 높을수록(황산의 농도가 높을수록) 전해에 의한 수소 가스의 발생이 많아지고, 아연의 농도가 높을수록 전류 효율이 높아집니다 (아연의 전착량이 많아짐).

 

적당한 양의 수소 가스 발생은 전류 효율에 악영향을 미치는 것 이외에 전해액 내의 와류를 발생시켜 아연 이온의 전해액 내 확산*에 도움을 준다고도 알려져있으나, 과도한 수소 발생은 아래와 같이 아연의 전착을 방해하며 pitting corrosion과 같은 구멍이 생성될 수 있습니다.

*일반적으로 전해채취 시 전착이 발생하는 음극판 주변에는 금속의 농도가 낮음

 

음극판

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앞서 언급되었듯, 불순물의 제어와 관계없이 수소가 발생하며 전류효율에 영향을 미칩니다. 이에 따라, 상업 플랜트의 전류 효율을 예측하는 다양한 경험적 모델(empirical model)들이 있으며 가장 대표적으로 Wark's rule이 있습니다. 아래의 수식은 황산아연과 황산의 농도를 이용하여 전류효율을 예측하는 것입니다.

 

(1) Wark's rule

 

 

C.E: Current efficiency

k: 0.0137* ([ZnSO4]/[H2SO4] ratio of 0.3 - 2.0)

*경험적인 식이기에 사용자/연구자 등에 따라 상수값이 달라질 수 있음