Электроэкстракция цинка

Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р. Е. Алексеева

               Институт физико-химических технологий  и материаловедения

 

 

 

 

 

 

 

 

      РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:  «Электроэкстракция цинка».

                         

 

 

 

 

 

 

                                                                                Выполнила: ст.гр. 11-ТЭП-1

                                                                                                                        Бородина Алина

                                                                                                            Проверил: Козырин В.А.

 

 

 

 

                                               Нижний Новгород, 2014год

  Введение.

 

   Цинк имеет масштабное использование в составе латуней, применяемых в различных отраслях машиностроения и в теплообменной аппаратуре. Цинковые покрытия - основные для защиты стальных деталей и конструкций от коррозии в атмосфере, воде и грунте. Технический цинк важный металл, его производство исчисляется миллионами тонн в мире.        

 

   Основная область применения использование в гальваническом производстве - 50% для защитных цинковых покрытий и получения сплавов, также значительная часть металла используется в производстве химических источников тока.

 

   В природе цинк встречается в составе полиметаллических руд вместе с медью, никелем, кобальтом, кадмием, свинцом и другими цветными металлами. Основной вид химического соединения цинка в природе ZnS (сульфид цинка или цинковая обманка). Реже встречается карбонат цинка ZnC03. Содержание цинка в полиметаллических рудах не превышает 30-40%, поэтому требуется обогащение руды. Значительное количество цинка содержится в вельц-оксидах, побочных продуктах производства свинца.

 

   Основной способ производства цинка - гидрометаллургический. Гораздо реже применяется пирометаллургический способ, заключающийся в восстановительной плавке концентрата, отгонке и конденсации паров металлического цинка. Пирометаллургический цинк - порошковый продукт с высокой степенью окисления и существенным содержанием примесей применяется в производстве сплавов.

 

                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Гидрометаллургическая схема производства.

                              Гидрометаллургическая схема производства

                                Схема представлена на рис. 1.

 

 

                                               концентрат

                                                 Вельц-кек

                                                        ↓

Обжиг сульфидного концентрата необходим для перевода в легкорастворимую форму - ZnO по реакции:

 

     ZnS + 3/2О2 = ZnO + SO2  (1)

                                            На получение свинца

 

Обжиг осуществляется в печах кипящего слоя при 800-900 °С. Одновременно часть сульфида каталитически окисляется до сульфата:

      ZnS + 2О2 = ZnSО4                                                      (2)

Присутствующие примеси из сульфидной формы также превращается в оксиды. Часть оксида цинка сплавляется с оксидами железа, образуя феррит цинка (ZnO·Fe2О3). Перевод окисленного цинка в раствор происходит легко при малой концентрации серной кислоты:

 

      ZnO + H2SО4 = ZnSО4 +H2О                                                    (3)

а растворение феррита цинка проводят концентрированной серной кислотой, т.к. оплавленные  частицы феррита химически стойки к ее действию. Поэтому после выщелачивания основного количества цинка в слабом растворе кислоты (нейтральное выщелачивание), твердая фаза подвергается «кислому» выщелачиванию. Осветленный раствор после нейтрального выщелачивания содержит кроме ZnSО4 сульфаты примесей меди, никеля, кадмия, железа  и подвергается ступенчатой очистке от них разными

методами.

1)Удаление железа из  раствора.

Его удаляют путем перевода в трехвалентную форму:

 

       2FeSO4+MnO2+2H2SO4→ Fe2(SO4)3+MnSO4+2H2O          (4)

 

        Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3↓ +3H2SO4                                                 (5)

 

Выделяющийся гидроксид железа(3) хемосорбирует другие вредные примеси, также как мышьяк, сурьма и германий. Кроме того, с гидроксидом железа(3) осаждается кремниевая кислота, которая сильно снижает фильтруемость раствора.

Далее очистка от меди и кадмия. С помощью цинкового порошка контактным методом:

 

        CuSO4+Zn→ZnSO4+Cu                                                         (6)

 

Кобальт и никель осаждают в виде нерастворимых солей с помощью с этилксантогената калия, образуя соединение с кобальтом и никелем.

  Электролизному извлечению  цинка из сульфатного раствора  может подвергаться только чистый  раствор, т.к. все названные примеси  имеют более положительный потенциал,

чем цинк (см. табл. 1), и будут в первую очередь осаждаться на катоде. Поэтому чистый цинк может электролитически осаждаться только из чистого раствора.

 

           Таблица 1. Стандартные потенциалы выделения цинка и

Металл	Cu/Cu2+	Ni/Ni2+	Со/Со2+	Fe/Fe2+	Cd/Cd2+	Zn/Zn2+
Стандартный потенциал, В	+0,34	-0,26	-	-0,44	-	-0,76

                                                                                               металлов-примесей

 

 

 

 

 

Отфильтрованный раствор после «кислого» выщелачивания содержит значительное количество кислоты и используется как реагент для «нейтрального» выщелачивания.

Свинец после обжига при выщелачивании концентрата превращается в нерастворимый сульфат свинца, в результате чего хвостовой кек после промывки и фильтрации используется как сырье для производства свинца.

 

      2. Теория электроэкстракции цинка.

 

 

Очищенный раствор сульфата цинка подвергается электролизу после электропроводной добавки серной кислоты. Оптимальный состав электролита: ZnSО4 – 100 г/л, H2SО4 – 50-

60 г/л. На катоде разряжаются  не только ионы Zn (см. рис. 2).

 

    Рис. 2. Схема анодной и катодной реакций электроэкстракции цинка.

 

Zn2+ + 2e– = Zn                                                                                                          (7)

E0 zn/zn2+= –0,76 В.

Ep Zn/ Zn 2+ = E0 zn/zn2+RT/2F ln a Zn 2+ = -0,76+ RT/2F ln a Zn 2+            (8)

 

Ионы Н+ (H3О+) также могут разряжаться на катоде:

2Н+ + 2e– = H2                                                                                                                                                               (9)

E Н+ / Н2= 0,0 В.

 

При потенциалах, лежащих между точками 1 и 2, на катоде происходит только выделение водорода. После точки 2 начинает выделяться цинк, при потенциале точки 3, цинк и водород выделяются в равных количествах. Лишь при более отрицательных потенциалах происходит преимущественное выделение цинка. Выход цинка по току на производстве

составляет 88-94 %. На аноде происходит только выделение кислорода по реакции:

 

Н2О – 2е– = 1/ 2О2 + 2Н+                                                                                        (10)

E0 Н+ /О2 = 1,23 В.

EP Н+ /О2 = E0 Н+ /О2 +RT/zF ln (p О2 0,5·a2 H+ )· a H2O= 1,23+ RT/2F ln a H+ (11)

 

Суммарная реакция:

ZnSО4 + Н2О = Zn + 1/ 2О2 + H2SО4                                                                    (12)

 

Напряжение разложения сульфата цинка

 

E0разл = E0+ - E0- = E0 Н+ /О2    -Ep Zn/ Zn 2+ =1,23-(-0,76)=1,99В

Eразл =1,99+ RT/zF ln(a2H+ /a2zn2+)·a H2O                                                                                       (13)

 

Практическое напряжение электролиза достигает 3,0-3,2 В.

      Также примеси по своему поведению можно разделить на 3 группы:

 

1. Примеси, имеющие более  электроотрицательный потенциал,  чем у  цинка. Это щелочные и  щелочноземельные металлы. Они принимать  участия в катодном процессе  не будут.

2. Катионы металлов, имеющие  более положительный потенциал, чем у цинка. Таких катионов много и все они будут выделяться на катоде и в то же время загрязнять цинк. Кроме того, они имеют более низкое перенапряжение и для выделения водорода, то есть доля этого процесса при электролизе увеличится.

3. Примеси Mn, Fe, некоторые анионы.

Влияние металлов 2 группы можно оценить по величине критической плотности тока для выделения на них цинка. Критическая плотнось тока составляет от 70-80 А/м2 при осаждении цинка и аллюминия ( на Со- 80 А/м2 , на Fe и Cu -250 А/м2, на Ni -230 А/м2).

 

В начальный период электролиза наблюдается совместное выделение цинка и его примесей. Затем после возникновения новой фазы с более положительным потенциалом, чем у цинка, с меньшим перенапряжением выделения водорода при плотности тока меньше критической плотности тока начинается процесс коррозии цинка с водородной деполяризацией.

 

Zn+2H+→Zn2++H2                                                                                                  (14)

 

При этом количество выделившегося цинка оказывается меньше, чем количество растворяющегося цинка.

 

При плотности тока больше критической плотности тока доля примеси снижается, а для цинка возрастает, а выход по току водорода резко падает. При таких плотностях прекращается работа микрогальванопар, и идет совместный разряд цинка, примесей и водорода.

 

При выделении кобальта и аллюминия образуется пористый осадок цинка , что приводит к дырочной коррозии цинка.

 

Самой вредной примесью является германий. При содержании его около 0,1 мг/л осаждения цинка не происходит.

 

 

3. Организация процесса электролиза.

 

Наилучшим материалом анода в условиях серной кислоты является свинец с добавкой 1 % серебра. Катодом служит полированный алюминиевый сплав, с которым осаждаемый

цинк имеет слабое сцепление. Цинк наращивается до толщины 2-3 мм, а затем сдирается с катодной алюминиевой основы и после мойки, сушки поступает на переплавку.

На производстве применяют железобетонные монолитные ванны, футерованные изнутри полимерными материалами.

 

 

                 Рис. 3. Схема циркуляции электролита в электролизном цехе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подача  электролита производится с боку ванны. Необходимость циркуляции вызвана постоянной коррекцией состава ванны, а также для поддержания постоянного температурного режима электролиза. Это обеспечивается следующим образом: выводимый из ванны электролит (отработанный) разделяется на 2 потока и 9/10 объема вновь направляются на циркуляцию, а 1/10 объема идет на выщелачивание огарка.

Выводимый электролит на выщелачивании компенсируется равным объемом нейтрального электролита, не содержащего серную кислоту. Получается рабочий электролит, который вновь поступает в электролизную ванну. В процессе электролиза выделяется большое количество теплоты и электролит разогревается, поэтому после добавления нейтрального электролита рабочий раствор подвергают охлаждению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Список использованной литературы:

 

 

1. Ю.В.Баймаков, А.И.Журин: « Электролиз в гидроэлектрометаллургии ».

      2.   «Прикладная электрохимия»: под ред. Н.Т. Кудрявцева.     

      3.   Курс лекций по электрохимической технологии.