Wydział: WMN	Imię i nazwisko: Bartosz Jakimko Justyna Juszkiewicz 3.Karol Krukowski 4. Damian Krupiński	Rok: III	Grupa: III
Laboratorium Procesów Metalurgii Ekstrakcyjnej II	Otrzymywanie cynku poprzez elektrolizę ZnSO4	Nr ćwiczenia: 2
Data wykonania: 28.10.2015r	Data oddania: 18.11.2015r	Zwrot do poprawy:	Data oddania: 02.12.15

1. Wstęp teoretyczny:

Elektroliza: ogólna nazwa na wszystkie zmiany chemiczne substancji, które zachodzą pod wpływem zewnętrznego napięcia elektrycznego.

Katoda: elektroda, przez którą z urządzenia wypływa prąd elektryczny. W odbiornikach prądu elektrycznego katoda jest ujemna, natomiast w źródłach prądu dodatnia. Występuje zawsze w parze z anodą, przez którą wpływa prąd do układu.

I prawo Faradaya: masa substancji wydzielonej na katodzie jest wprost proporcjonalna do czasu trwania elektrolizy i natężenia prądu:

m = k * I * t, gdzie:

m- masa produktu wydzielonego na katodzie,

k – współczynnik proporcjonalności,

I – natężenie prądu

t- czas

II prawo Faradaya: masy substancji wydzielonych w elektrolizerze na elektrodach podczas przepływu tego samego ładunku są wprost proporcjonalne do ich mas równoważnikowych.

$\frac{m_{1}}{m_{2}} = \frac{M_{R1}}{M_{R2}}$ , gdzie:

m₁, m₂ – masy substancji wydzielonych na elektrodach,

M_R1, M_R2 – masy równoważnikowe substancji

2. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z procesem otrzymywanie cynku w procesie elektrolizy ZnSO₄.

3. Część eksperymentalna:

Metodyka pomiarowa:

I) Katody zostały przez nas zważone, a ich masy zostały zapisane w karcie z wynikami.

II) Do elektrolizerów zawierających odpowiednio

100 g/dm³ Zn; 30 g/ dm³ H₂SO₄

100 g/dm³ Zn; 60 g/ dm³ H₂SO₄

100 g/dm³ Zn; 120 g/ dm³ H₂SO₄

zanurzono katody

III) Pomiar czasu został rozpoczęty w momencie załączenia zasilania

IV) Napięcie na poszczególnych katodach było mierzone podczas procesu w odstępach czasu, co 5 minut

V) Po 20 minutach delikatnie wyciągaliśmy katody z elektrolizerów, umieszczaliśmy w zlewce z wodą destylowaną, po czym pod dygestorium opłukiwaliśmy alkoholem

VI) Po przepłukaniu dokładnie suszyliśmy katody suszarką

VII) Elektrolizę przeprowadzaliśmy przy natężeniach prądu 1 ; 1,503; 1,898 A

4. Obserwacje własne:

W elektrolizerach nie było jednakowych poziomów roztworów, oraz katody nie były dokładnie wyczyszczone po poprzednich zajęciach, co mogło wpłynąć na wyniki naszych badań.

5. Przykładowe obliczenia:

Dla:

I = 1,5 A

m_w = 0,603 g

t = 1200 s

Pole przekroju:

Szerokość: 13 mm

Długość: 45 mm

A=12x45=539 mm²- powierzchnia z jednej strony płytki

A musimy pomnożyć razy 2 wtedy otrzymamy rzeczywista powierzchnię elektrody.

A_c=539 mm x 2=1078 mm²- powierzchnia całkowita

Równoważnik elektrochemiczny:

k = $\frac{M}{z*F} = \ \frac{65,4}{2*96500} = 0,00034\ \frac{g}{C}$

k – równoważnik elektrochemiczny

M – masa molowa substancji

Z – elektronowość

F – stała Faradaya

Masa obliczona z prawa Faradaya:

m = k * I * t = 0, 00034 * 1, 5 * 1200 = 0, 612 g

I – natężenie prądu

t – czas

Gęstość prądowa:

i = $\frac{I}{A} = \ \frac{1,5}{0,001078} = 1391,47\ A/m^{2}\ $

A – pole przekroju

Wydajność prądowa:

η$= \ \frac{m_{W}}{m}*100\% = \ \frac{0,603}{0,612}*100\% = 98,53\%$

Zużycie energii elektrycznej:

$$E = \ \frac{U_{sr} I t}{m} \div 1000 = \frac{3,466 1,5 \frac{1}{3}}{0,000000591} \div 1000 = 2902,99\left\lbrack kWh/t \right\rbrack$$

U_Śr – uśrednione napięcie prądu

I – natężenie prądu

t - czas

m – masa wydzielona na katodzie

6. Tabele z wynikami:

Dla I = 1A

Stężenia kwasu siarkowego	Masa wynikająca z prawa Faradaya [g]	Wydajność prądowa elektrolizy [%]	Średnie napięcie [V]	Masa wydzielonego cynku [g]	Zużycie energii [kWh/t]
30 g/ dm^3 H2SO4	0,444	104,95	3,224	0,466	2306,15
60 g/ dm^3 H2SO4	0,444	97,07	3,218	0,431	2488,79
120 g/ dm^3 H2SO4	0,444	56,53	3,244	0,251	4308,1

Dla I = 1,503A

Stężenia kwasu siarkowego	Masa wynikająca z prawa Faradaya [g]	Wydajność prądowa elektrolizy [%]	Średnie napięcie [V]	Masa wydzielonego cynku [g]	Zużycie energii [kWh/t]
30 g/ dm^3 H2SO4	0,614	96	3,466	0,591	2902,99
60 g/ dm^3 H2SO4	0,614	97	3,26	0,603	2676,12
120 g/ dm^3 H2SO4	0,614	61	3,525	0,376	4640,63

Dla I = 1,898A

Stężenia kwasu siarkowego	Masa wynikająca z prawa Faradaya [g]	Wydajność prądowa elektrolizy [%]	Średnie napięcie [V]	Masa wydzielonego cynku [g]	Zużycie energii [kWh/t]
30 g/ dm^3 H2SO4	0,774	98	3,577	0,761	2944,04
60 g/ dm^3 H2SO4	0,774	101	3,382	0,780	2715,75
120 g/ dm^3 H2SO4	0,774	95	3,717	0,735	3167,49

7. Wykresy:

b) Wykres zużycia mocy w funkcji stężenia H₂SO₄ dla różnych gęstości prądowych:

c) Wykres średniego napięcia od stężenia H₂SO₄ przy różnych gęstościach prądu:

9.Wnioski:

Podczas wykonywania ćwiczenia ilości roztworów elektrolitu różniły się w poszczególnych pojemnikach, co spowodowało różne powierzchnie styku katody z elektrolitem. Na nasze wyniki wpłynęło także to, że elektrolizery nie były w zupełnie oczyszczone, można było zauważyć warstewki osadzających się tlenków, co przeszkadzało w dokładnym pomiarze napięć przy pomocy multimetru. W niektórych przypadkach wydajność prądowa wyniosła powyżej 100% co mogło być spowodowane nierównoległym położeniem katody względem anod podczas procesu lub niedokładnym osuszeniem katody. Masa wydzielonego cynku wzrastała wraz ze wzrostem napięcia w przeprowadzanej elektrolizie. Można zaobserwować spadek wydajności w funkcji stężenia, jak również spadek wydajności w gęstości prądowej. Dobranie odpowiednich parametrów elektrolizy, takich jak stężenie kwasu siarkowego czy gęstość prądowa decyduje o opłacalności procesu. Optymalnych dopasowanie warunków prowadzenia procesu sprawia, że koszty znacząco spadną. Ważna jest duża czystość roztworu elektrolitu, dzieki temu możemy osiągnąć dużą wydajność prądową procesu. Parametry zdecydowanie wpływające na proces to temperatura i gęstość prądowa. Optymalna temperatura to 30-40 stopni Celsiusa. Jeśli jest ona wyższa następuje obniżenie wydajności prądowej, co za tym idzie zwiększa się zużycia energii.

10. Literatura:

1. S.Chodkowski: Metalurgia metali nieżelaznych

2. A. Staronka, Chemia fizyczna.

3. Z. Szczygieł: Metalurgia ogólna metali nieżelaznych

4. Wykład Prof. M. Kucharski „ Procesy Metalurgii ekstrakcyjnej ”