아연전해채취 - 아연의 생산과 전류효율

아연은 주로 전해채취를 통해 생산되는 금속 중 하나입니다. 상업적인 생산을 시작한 년도는 구리 전해채취보다 조금 늦은 1881년*에 시작되었으나, 전해채취로 생산하는 금속으로는 가장 우선적으로 떠오르는 금속이 되었습니다.

*Patent by Letrange, France

 

주로, 배소(roasting)과정을 거친 아연광을 황산으로 침출, 별도의 정제 과정을 거친 후 이 블로그에 소개된 다른 금속들의 전해채취법과 유사하게 금속의 생산이 이루어집니다. 그러나, 아연의 특성과 연관하여 몇 가지 차별점을 보입니다.

 

·양극반응: H₂O → 2H⁺ + ½O₂ + 2e^-

·음극반응: Zn²⁺ + 2e^- → Zn, 2H⁺ + 2e^- → H₂

 

우선, 불용성 양극을 사용하는 전해채취에서 공통적으로 물의 분해를 통해 전자를 발생시킵니다. 이들은 금속이온을 환원시키는데 사용되는데 아연의 전해채취에서는 발생된 전자 중 일부가 수소이온의 환원에 사용됩니다 (이 이유는 아래에 설명되어 있습니다). 즉, 불순물을 잘 제어하더라도 필연적으로 전기의 소모가 커질 수 밖에 없습니다.

 

(1) Pourbaix Diagram*

*[참고] EH-pH Diagram(Pourbaix Diagram)

 

우선, 전해채취로 생산되는 금속 중 하나인 구리와 비교한 Eh-pH 다이어그램입니다. 물의 안정구역 내에서 구리는 금속으로 환원된 상태, 이온 상태로 공존하는 반면 아연은 그렇지 못합니다 (아연이 환원되기 이전에 수소가 먼저 환원됩니다).

Zinc & Copper Eh-pH diagram

이에 따라서, 양극에서는 전착 이외에 수소가스가 필연적으로 발생하며 전기화학적으로 더 높은 과전압(overpotential)이 요구됩니다. 일부 상업 생산 플랜트의 전해조 전류밀도(current density)를 보면 확연하게 차이가 남을 알 수 있습니다.

 

·CuEW Current Density: 250~350 A/m²

·ZnEW Current Density: 400~500 A/m²

 

(2) Current Efficiency

 

실제 생산을 하는 공정에서 전류효율을 계산하는 방법은 간단하며, 구리 전해채취 글에서 확인할 수 있듯이 이론적 생산량과 실제 생산량의 비율입니다.

Zinc cathode

 

M_P: 실제 생산량

M_T: 이론적 생산량

 

아연 전해채취에서 전류효율을 저하시키는 주요 요인은 구리 전해채취와 다를 수 있습니다. 우선 (1)에서 본것과 같은 이유로, 물의 분해 및 수소가스의 발생이 아연의 전착보다 잘 발생할 수 있기 때문에 상당히 많은 과전압이 필요합니다. 또한, 수소가 발생하는데 사용된 전류는 금속의 환원 및 전착에 사용된 것이 아니기 때문에 수소가스 발생에 의하여 전류효율이 감소하는 것임을 알 수 있습니다*.

*[참고] 수소 발생과 전류효율의 예측