Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków

im. Stanisława Staszica wykonano: 24.10.2006r.

Wydział Metali Nieżelaznych oddano: 14.11.2006r.

Metalurgia rok. III gr. 1 (zespół 4)

LABORATORIUM Z METALURGII EKSTRAKCYJNEJ

Temat: Otrzymywanie cynku przez elektrolizę.

Anna Baran

Małgorzata Góra

Michał Lis

1. WSTĘP TEORETYCZNY:

Właściwości fizykochemiczne Zn:

- barwa cynku jest niebiesko-biaława, jego gęstość przy 20⁰C wynosi 7,13g/cm³, T_t =419,5⁰C, T_w= 907⁰C. Przy tem. Wyżej niż 500⁰C cynk spala się w powietrzu płomieniem koloru seledynowego. Cynk łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach i roztworach zasad, amoniaku, chlorku amonowym. Im mniej czysty jest cynk, tym łatwiej ulega oddziaływaniu wymienionych czynników.

Zastosowanie Zn:

W Polsce ok. 50% Zn przeznacza się na eksport, z pozostałej ilości w kraju zużywa się na :

• ocynkowanie stali i dla przemysłu chemicznego (31%)

• stopy z miedzią (14%)

• inne stopy oraz wyroby z cynku czystego (25%)

• wytwarzanie bieli cynkowej (24%)

• inne cele (6%)

Spośród związków cynku duże zastosowanie przemysłowe znajdują: ZnO, ZnSO₄.7H₂O, ZnCl₂ oraz ZnS.

Metody otrzymywania cynku:

1. metoda ogniowa (pirometalurgiczna) polega na redukcji ZnO za pomocą reduktora węglowego w muflach stojących lub poziomych ogrzanych ok. 1200⁰C.

2. metoda ogniowa redukcji i destylacji Zn w piecach szybowych.

3. metoda hydroeletrometalurgiczna(elektrolityczna) obejmuje następujące podstawowe operacje:

• przygotowanie koncentratów do ługowania

• ługowanie roztworem kwasu siarkowego

• oczyszczenie roztworów

• elektrolizę oczyszczonego roztworu

• przetapianie i odlewanie cynku katodowego.

Materiałami wyjściowymi do procesu otrzymywania cynku elektrolitycznego są wyprażone koncentraty blendowe oraz spiekany tlenek cynku po uprzednim zmieleniu. Polega na ługowaniu wyprażonego koncentratu siarczkowego lub tlenku cynku słabym roztworem kwasu siarkowego wg reakcji:

W procesie ługowania prażonych koncentratów cynkowych do roztworu przechodzi ok. 90% całej ilości Zn zawartego w prażonce. Roztwór siarczanu cynkowego wlewa się bez przerwy do wanny elektrolitycznej. Po włączeniu wanny do prądu elektrycznego następuje w niej proces elektrolizy roztworu. Proces zachodzący podczas przepływu prądu można przedstawić następująco wg reakcji:

- na katodzie

- na anodzie

Po procesie katody wyjmuje się, utworzoną na nich warstwę osadu cynku zdziera się z blachy aluminiowej i przetapia. Cynk zdarty z katod nie jest jeszcze produktem końcowym, zawiera, bowiem w swych porach wtrącenia elektrolitu, a ponadto ma dużą skłonność do utleniania się. Chcąc usunąć te wady cynku katodowego, przetapia się go w piecach płomiennych lub elektrycznych (indukcyjnych), a następnie odlewa płyty stanowiące produkt końcowy wysokiej jakości.

4. metoda elektrotermiczna polega na otrzymywaniu cynku w piecach elektrycznych z wyprażonego koncentratu w wyniku redukcji tlenku cynkowego i destylacji cynku.

Równanie Nersta:

Ogólna postać równania Nersta:

lub dla temperatury 298 K i rozcieńczonych roztworów, przy założeniu, że współczynnik aktywności jonów jest równy 1:

gdzie: R - stała gazowa równa 8.314570 J K-1 mol-1

T - temperatura wyrażona w [K]

z - liczba elektronów wymienianych w reakcji połówkowej

a - aktywność molowa indywiduów chemicznych biorących udział w reakcji

F - stała Faradaya równa 96485 [C/mol]

[red] - stężenie molowe formy zredukowanej

[ox] - stężenie molowe formy utlenionej

Szereg napięciowy metali:

półogniwo	K / K+	Na / Na+	Mg / Mg2+	Al / Al3+	Zn / Zn2+	Fe / Fe2+	Pb / Pb2+	H2 / H+	Cu / Cu2+	Ag / Ag+	Au / Au3+
E0 [V]	-2,9	-2,7	-2,4	-1,7	-0,8	-0,4	-0,1	0,0	0,3	0,8	1,5

Prawa Faradaya:

I prawo Faradaya:

Masa substancji wydzielonej podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ilości elektryczności (ładunku elektrycznego), jaka przepłynęła przez roztwór elektrolitu. Prawo to wyraża wzór:

M = kQ

gdzie: m - masa wydzielonej substancji [mg]

Q - ładunek elektryczny [C]

Ponieważ Q = It, więc:

M = k I t

gdzie: I - natężenie prądu [A]

t - czas przepływu prądu [s]

k - równoważnik elektrochemiczny [g/Ah]

II prawo Faradaya:

Masy różnych pierwiastków wydzielanych na elektrodzie wskutek przepływu tej samej ilości elektryczności są proporcjonalne do równoważników chemicznych tych pierwiastków.

Zjawisko nadnapięcia wodoru:

Nadnapięciem wodoru nazywamy różnicę między potencjałem elektrody wodorowej w stanie równowagi a potencjałem metalowej katody, na której podczas elektrolizy wydziela się wodór. Wielkością nadnapiecia wodoru (przy stałej temperaturze) można obliczyć wg wzoru Tafla:

η= a+b lg D_k

gdzie: a i b - współczynniki mające różną wartość dla różnych metali

D_k - gęstość prądu [A/cm³]

Czynniki wpływające na nadnapięcie wodoru:

• temperatura

• gęstość prądowa

• stężenie kwasu siarkowego

• ilość domieszek, rodzaj domieszek

• stan powierzchni katod

Budowa elektrolizera: złożony jest ze zbiornika z elektrolitem, zanurzonych w nim elektrod podłączonych do źródła stałego prądu zewnętrznego.

Reakcje elektrodowe:

Kationy (jony dodatnie) ulegają na katodzie redukcji

2H⁺ + 2e H₂

Aniony (jony ujemne) na anodzie ulegają utlenieniu:

2Cl^- - 2e Cl₂

2. OPIS WYKONANEGO ĆWICZENIA + SCHEMAT APARATURY:

Do trzech wanienek elektrolitycznych wlaliśmy elektrolit zawierający 100g/dm³ cynku oraz 30, 60 i 120 g/dm³ kwasu siarkowego. Przed podłączeniem układu pomiarowego zważyliśmy katody aluminiowe. Elektrolizę przeprowadzaliśmy przy natężeniu prądu 1A przez okres 20 minut, kontrolując co 5 minut napięcie na każdej wanience. Po 20 minutach przerwaliśmy elektrolizę, wyjęliśmy katody, przemyliśmy ostrożnie wodą, potem alkoholem i po osuszeniu w suszarce zważyliśmy. Następnie katody ponownie umieściliśmy w wanienkach i powtórzyliśmy pomiar dla natężenia prądu 1,5A oraz 2A. Po zakończeniu ostatniego pomiaru zmierzyliśmy powierzchnię czynną katod i zważyliśmy katody.

3. OBLICZENIA Z PRZYKŁADAMI I WYKRESY:

WANNA 1
Natężenie prądu	Gęstość prądu	Napięcie	Napięcie średnie	Masa czystej katody	Masa katody z osadzonym Zn	Masa wydzielonego Zn
I [A]	i [A/m2]	U [V]	Uśr [V]	m0 [g]	mk [g]	mZn [g]
		1					400	3,55	3,53	30,778	31,116	0,338
								3,4
								3,7
								3,5
								3,5
		1,5					600	3,4	3,31	31,116	31,557	0,441
								3,4
								3,45
								3,2
								3,1
		2					800	3,5	3,19	31,557	31,998	0,441
								3,15
								3,1
								3,1
								3,1

WANNA 2
Natężenie prądu	Gęstość prądu	Napięcie	Napięcie średnie	Masa czystej katody	Masa katody z osadzonym Zn	Masa wydzielonego Zn
I [A]	i [A/m2]	U [V]	Uśr [V]	m0 [g]	mk [g]	mZn [g]
		1					400	3,35	3,31	30,532	30,874	0,342
								3,3
								3,3
								3,3
								3,3
		1,5					600	3,4	3,26	30,874	31,346	0,472
								3,4
								3,3
								3,2
								3
		2					800	3,65	3,26	31,346	31,782	0,436
								3,15
								3,1
								3,2
								3,2

WANNA 3
Natężenie prądu	Gęstość prądu	Napięcie	Napięcie średnie	Masa czystej katody	Masa katody z osadzonym Zn	Masa wydzielonego Zn
I [A]	i [A/m^2]	U [V]	Uśr [V]	m0 [g]	mk [g]	mZn [g]
		1					400	3	3,1	31,368	31,703	0,335
								3
								3,15
								3,1
								3,25
		1,5					600	3,1	3,06	31,703	32,138	0,435
								3,1
								3,1
								3,05
								2,95
		2					800	3,45	3,14	32,138	32,521	0,383
								3,1
								3
								3,1
								3,05

Stężenie w wannie	Numer wanny	Natężenie prądu	Napięcie średnie	energia elektryczna	energia elektryczna	Zużycie mocy	Uzysk teoretyczny	Uzysk praktyczny	Wydajność prądowa
[g/dm3]	lp.	I [A]	Uśr [V]	W [J]	W [kWh]	[kWh/tonę]	[g]	[g]	[%]
		30	1	1	3,53	4236	0,00118	5630	0,408	0,338	82,84
				1,5	3,31	5958	0,00166	7919	0,612	0,441	72,06
				2	3,19	7656	0,00213	10175	0,816	0,441	54,04
		60	2	1	3,31	7944	0,00221	10558	0,408	0,342	83,82
				1,5	3,26	11736	0,00326	15598	0,612	0,472	77,12
				2	3,26	15648	0,00435	20797	0,816	0,436	53,43
		120	3	1	3,1	11160	0,00310	14833	0,408	0,335	82,11
				1,5	3,06	16524	0,00459	21962	0,612	0,435	71,08
				2	3,14	22608	0,00628	30048	0,816	0,383	46,94

Przykłady obliczeń:

[J]

1 kWh =
[J]

[kWh]

zużycie mocy
[
]

uzysk teoretyczny =
[g]

wydajność prądowa =

WYKRESY:

4. WNIOSKI:

Wykres zależności wydajności elektrolizy w funkcji stężenia kwasu siarkowego wykazuje tendencje spadkową, tzn mówi nam, że wraz ze wzrostem stężenia kwasu siarkowego, maleją nam wartości wydajności elektrolizy (w przypadku dwóch krzywych najpierw zauważamy wzrost wydajności po czym następuje spadek). Natomiast najwyższe wartości wydajności elektrolizy osiąga się przy najmniejszej gęstości prądu.

Wykres zależności napięcia średniego w funkcji stężenia kwasu siarkowego maleje również wraz ze wzrostem stężenia kwasu siarkowego, przy czym największe wartości napięcia osiąga się przy najmniejszej gęstości prądu. (wyjątek występuje przy gęstości prądu 800A/m² gdzie zauważamy najpierw wzrost napięcia, a potem spadek)

Wykres zależności zużycia mocy w funkcji stężenia kwasu siarkowego w przeciwności do dwóch pozostałych wykresów, wykazuje tendencję wzrostową, czyli wraz ze wzrostem stężenia kwasu siarkowego rosną wartości zużycia mocy, przy czym największe wartości zużycia mocy osiągane są przy największej gęstości prądu.

12

---