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
Обжиг сульфидного концентрата необходим для перевода в легкорастворимую форму — ZnO по реакции:
ZnS + 3/2О2 = ZnO + SO2 (1)
Обжиг осуществляется в печах кипящего слоя при 800-900 °С. Одновременно часть сульфида каталитически окисляется до сульфата:
ZnS + 2О2 = ZnSО4
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
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
Организация кадастрового производства и нормирование труда кадастрового инженера
... организации единой системы государственного кадастрового учёта недвижимости, государственной регистрации прав на недвижимое имущество и ... недвижимости на электронных носителях является частью единой федеральной информационной системы, объединяющей Государственный ... жизнедеятельности человека и окружающей среды. Данное исследование покажет, насколько рентабельно проводить кадастровые работы на данном ...
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
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
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
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 |
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
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
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+
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
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
Практическое напряжение электролиза достигает 3,0-3,2 В.
Также примеси по своему поведению можно разделить на 3 группы:
1. Примеси, имеющие более электроотрицательный
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
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
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/elektroliz-tsinka-iz-sulfatnyih-rastvorov/
- Ю.В.Баймаков, А.И.Журин: « Электролиз в гидроэлектрометаллургии ».
2. «Прикладная электрохимия»: под ред. Н.Т. Кудрявцева.
3. Курс лекций по электрохимической технологии.
