Nazwa wydziału: Wydział Metale Nieżelazne	Tytuł ćwiczenia: Otrzymywanie cynku poprzez elektrolize ZnSO	Nr ćwiczenia: 2
Rok studiów: III Specjalność: Przeróbka Plastyczna	Imię i nazwisko: 1. Marek Ćmiel 2. Marcin Dereń	Nr Grupy: 5
Data oddania: 19.11.2003	Ocena:

1.Wstęp teoretyczny

Związek pomiędzy masą produktów elektrolizy , oraz prądem elektrolizy opisuje prawo Faradaya, można je przedstawić w postaci równania:

m = k*I*t

Do wydzielenia 1 gramorównoważnika produktu elektrolizy potrzeba 95000 C , można wyliczyć występujący w powyższym równaniu współczynnik proporcjonalności k (zwany równoważnikiem elektrochemicznym) :

k = M / F

M oznacza ciężar równoważnikowy rozpatrywanego produktu elektrolizy . Równania powyższe wskazują , że mając natężenie prądu oraz czas elektrolizy można wyliczyć masę produktów elektrolizy.

W praktyce masa wydzielonego produktu może być mniejsza niż wyliczona . Przyczynami tego mogą być : nieuwzględnienie w wyliczeniach reakcji ubocznych (równoczesne wydzielanie się na elektrodzie 2 lub więcej produktów elektrolizy; reakcje wtórne pomiędzy produktami elektrolizy a otoczeniem) ; tak zwane zwarcia i ucieczki prądowe.

Stosunek masy wydzielonej do masy wyliczonej z prawa Faradaya , nazywa się wydajnością prądową elektrolizy η . Wielkość tę mnoży się często przez 100 i wyraża w procentach. Można ją również obliczyć jako stosunek ilości ładunków , teoretycznie potrzebnych do wydzielania otrzymanej ilości produktu: m^'/ M F , do ilości ładunków , która rzeczywiście przepływa przez układ I t:

Tak więc stosując prawo Faradaya dla celów praktycznych zapisujemy je często w postaci:

W przypadku tego równania wydajność nie może być wyrażona w procentach. W procesie elektrolizy wyróżnia się wydajność anodową i katodową.

Otrzymywanie cynku metodą elektrohydrometalurgiczną (elektrolityczną) 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.

Proces ługowania cynku polega na jego rozpuszczeniu w kwasie siarkowym wg reakcji:

W procesie ługowania prażonych koncentratów cynkowych do roztworu przechodzi około 90% całej ilości cynku 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:

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.

2. Opis wykonania ćwiczenia.

Elektrolity zawierające 100 [g/dm³] Zn oraz 30, 60 i 120 [g/dm³] H₂SO₄ wlaliśmy do wanienek elektrolitycznych. Zważone i wysuszone katody aluminiowe umieściliśmy w elektrolizerze. Elektroliza została przeprowadzone przy prądzie o natężeniu 1[A] przez okres 20 minut, kontrolując pomiar co 5 minut napięcie w każdej wanience. Po 20 minutach ,elektroliza została przerwana. Katody ostrożnie przemyliśmy wodą, potem alkoholem i po osuszeniu zważyliśmy. Katody zostały ponownie umieszczone w wanienkach i pomiar został powtórzony pomiar dla natężeń prądu 1,5[A] oraz 2[A]. Po zakończeniu ostatniego pomiaru została zmierzona powierzchnia czynna a osad cynku rozpuszczony w kwasie azotowym.

Schemat aparatury przedstawia rysunek:

3.Obliczenia:

I Naczynie nr.1 - 30 [g/dm
] H

I	t	U	Uśr	waga katod	ilość Zn	i
[A]	[min]	[V]	[V]	[g]	[g]	[A/m^2]
1	5	3	2,925	mo	0,325	196,08
		10		2,9				31,245
		15		2,8				m1
		20		3				31,57
	1,5	5		2,90			2,938	mo	0,500	294,12
		10		3,05				31,57
		15		3,05				m1
		20		2,75				32,07
	2,5	5		2,9			2,963	mo	0,325	490,20
		10		2,95				32,07
		15		2,95				m1
		20		3,05				32,395

gdzie: I - natężenie prądu podczas procesu elektrolizy [A]

t - czas trwania procesu elektrolizy [min]

U- napięcie prądu podczas procesu elektrolizy [V]

U
- średnie napięcie podczas procesu przy danym natężeniu [V]

m
- waga początkowa katody przed rozpoczęciem kolejnego etapu procesu [g]

m
- waga końcowa katody po zakończeniu kolejnego etapu procesu [g]

ilość Zn = m
- m
[g]

II Naczynie nr.2 - 60 [g/dm
] H

I	t	U	Uśr	waga katod	ilość Zn	i
[A]	[min]	[V]	[V]	[g]	[g]	[A/m^2]
1	5	3,05	3,048	mo	0,294	196,08
		10		3,05				31,043
		15		3,04				m1
		20		3,05				31,337
	1,5	5		3,30			3,163	mo	0,523	294,12
		10		3,25				31,337
		15		3,20				m1
		20		2,90				31,86
	2,5	5		3,2			3,075	mo	0,329	490,20
		10		3,1				32,228
		15		3,1				m1
		20		3,1				32,885

III Naczynie nr.3 - 120 [g/dm
] H

I	t	U	Uśr	waga katod	ilość Zn	i
[A]	[min]	[V]	[V]	[g]	[g]	[A/m^2]
1	5	3,15	3,1	mo	0,321	196,08
		10		3,1				31,953
		15		3,1				m1
		20		3,05				32,274
	1,5	5		3,20			3,075	mo	0,403	294,12
		10		3,15				32,274
		15		3,10				m1
		20		2,85				32,677
	2,5	5		3,1			3,050	mo	0,488	490,20
		10		3,1				32,228
		15		3,1				m1
		20		3,1				32,885

I	Nr	zużycie mocy	Uzysk teoretyczny	Uzysk praktyczny	Wydajność
[A]	naczynia	[kWh/ton]	[g]	[g]	[%]
1	1	3000,0	0,407	0,325	79,95
1,5			2937,0	0,610	0,5	82,00
2			6071,8	0,813	0,325	39,97
1		2	3454,6	0,407	0,294	72,32
1,5			3022,9	0,610	0,523	85,77
2			6231,0	0,813	0,329	40,47
1		3	3219,1	0,407	0,321	78,97
1,5			3815,1	0,610	0,403	66,09
2			4166,7	0,813	0,488	60,02

Przykładowe obliczenia.

Przykład obliczeń dla naczynia pierwszego natężenie prądu 1 [A ]:

wydajność=

4. Wnioski:

Uzysk praktyczny cynku różni się znacznie od teoretycznego wyliczonego z prawa Faraday`a gdyż elektrolit użyty do procesu nie jest zupełnie czysty. Domieszki w nim zawarte negatywnie wpływają nie tylko na uzysk cynku, ale również powodują straty energii.

Wydzielenie się cynku na anodzie jest silnie związane z nadnapięciem wodoru. Z przeprowadzonego doświadczenia zauważyć można ,że im gęstość prądu jest większa tym proces jest bardziej wydajny. Związane jest to z tzw. Nadnapieciem wodoru przy większej gęstości prądu wodór osiąga większe nadnapiecie i w ten, że sposób umożliwia intensywne wydzielanie cynku.

Z wykresów można zaobserwować że wydajność rośnie wraz ze wzrostem gęstości kwasu lecz po przekroczeniu pewnej wartości stężenia kwasu wydajność malej. Związane jest to z rozpuszczaniem wydzielonego na katodzie cynku przez pozostający w elektrolicie kwas.

Napięcie wzrasta wraz ze wzrostem stężenia kwasu oraz ze wzrostem gęstości prądowej. Gęstość prądu ma znaczny wpływ na wartość zużytej energii , im większa jest gęstość tym zużycie energii wzrasta.

6

---