laborka, Studia


Akademia Górniczo-Hutnicza 09.01.07 Wydział Metali Nieżelaznych

Metalurgia rok. III gr. 1

LABORATORIUM Z METALURGII EKSTRAKCYJNEJ

Temat: Otrzymywanie cynku przez elektrolizę.

Michał Jaworski

Szczepan Haber

………………..

1. Wstęp:

Surowce do produkcji Cynku elektrolitycznego:

Przeciętna zawartość cynku w rudach waha się w granicach 4-8%Zn. Związki cynku występują w rudach zawsze z domieszkami związków innych metali zawierających żelazo, ołów, miedź srebro, kadm, arsen, antymon, german, ind itp. Rudy cynkowe dzielą się na siarczkowe i węglanowe zwane utlenionymi. W rudach siarczkowych najbardziej rozpowszechnionych występuje siarczek cynku ZnS, zwany sfalerytem lub blenda cynkowa. W rudach utlenionych występuje węglan cynkowy ZnCO3, zwany smitsonitem. Rudy utlenione określa się często górnicza nazwą galman lub ruda galmanowa.

Z uwagi na niska zawartość metalu rudy cynku poddawane SA wzbogacaniu.

Rudy siarczkowe:

Wzbogacane są w operacjach flotacyjnych. Tak otrzymany koncentrat poddawany jest prażeniu utleniającemu, ponieważ siarczek cynku jest trudno rozpuszczalny w roztworach kwasu siarkowego. W procesie powstają rozpuszczalne w kwasie tlenki i siarczany oraz dwutlenek siarki który poddawany jest dalszemu przerobowi w celu otrzymania kwasu siarkowego.

Koncentraty siarczkowe do produkcji kwasu siarkowego praży się w niższych temperaturach ok. 750-850C z dużym nadmiarem powietrza gdyż wówczas w prażonce występuje więcej siarczanu cynkowego ZnSO4 co jest korzystne dla procesu elektrolizy. Prażonka wychodząca z pieców prażalniczych powinna zawierać możliwie mało siarki siarczkowej 0,2-0,3% oraz również mało żelazianu i krzemianu cynkowego. Udział cynku w prażonce powinien wynosić około 60%.

Rudy utlenione:

Przerabiane są w obrotowych piecach przewałowych. Do pieców kieruje się również szlamy odpadowe, które stanowią pozostałość po ługowaniu. W procesie reduktorem jest koksik który redukuje PbO,CdO i ZnO. Wykorzystując lotność tych metali oraz ich związków oddziela się w ten sposób cynk, kadm i ołów od innych składników rudy. Produktem pieca jest tzw. Surowy tlenek cynkowy zawierający 50%Zn. Cynk w takiej podstacji zawiera duża ilość niekorzystnych domieszek w podstacji ołowiu, kadmu siarki i chloru które przeszkadzają w dalszych procesach hydrometalurgicznych i z tego względu poddaje się go spiekaniu które ma na calu usuniecie duże części tych domieszek. Spieczony tlenek cynku po zmieleniu podaje się procesowi ługowania. (duża ilość ołowiu w spieku powoduje wzrost szlamów po ługowaniu a obecność domieszek As,Sb,Co,Ni dodatkowo podraża koszty oczyszczenia elektrolitu)

Ługowanie prażonek i tlenku spiekanego:

Proces ten polega na rozpuszczeniu surowców w roztworze wodnym H2SO4 celem przeprowadzenia cynku do roztworu. W procesie tym chodzi o jak najmniejsze zanieczyszczenie roztworów ZnSO4 innymi metalami oraz o zapewnienie możliwie maksymalnego uzysku cynku z surowców. W praktyce hutniczej poszczególne zakłady ustalają różne warianty schematów technologicznych w zależności od składu surowców i rodzaju urządzeń.

Najczęściej metoda ta dzieli się na dwa etapy:

  1. ługowanie obojętne, przy którym ma miejsce częściowe oczyszczanie roztworów

  2. ługowanie kwaśne czyli wykańczające.

Efekty ługowania obojętnego można przedstawić następująco:

  1. cała prażonka wprowadzana jest do procesu i około ¾ ilości cynku rozpuszczonego przechodzi do roztworu

  2. związki żelaza zostają utlenione do trójwartościowego i strącone

  3. oprócz wodorotlenku żelazowego i glinowego z roztworu po zobojętnieniu wypada również krzemionka w pistacji żelu, ulegając koagulacji.

  4. Wytraca się część wodorotlenku miedziowego

  5. Razem z wodorotlenkami strącają się prawie całkowicie arsen antymon, których związki adsorbują się prawie całkowicie na rozwiniętej powierzchni wodorotlenków.

  6. Roztwór klarowny idzie do oczyszczania.

Efekt ługowania kwaśnego(osad z ługowania obojętnego):

  1. rozpuszczanie reszty cynku i miedzi z osadu

  2. rozpuszczenie żelaza w ilości potrzebnej do usunięcia As i Sb

  3. wstępne usunięcie miedzi i chloru.

Wydajność procesu ługowania cynku waha się w granicach od 90% cynku.

Oczyszczanie roztworów:

Przesącz z ługowania obojętnego zawiera 110-130 g Zn/l jak również rozpuszczone domieszki Cu, Cd, Mg, Ni, As, Sb, Ge, Cl.

Chlorku jest w koncentracie niewiele i głównie pochodzi on z tlenku surowego. Część domieszek zostaje stracona z roztworów już w czasie ługowania obojętnego. Dalsze oczyszczanie przeprowadza się na drodze cementacji w zbiornikach stalowych z mieszadłami i dlatego roztwory z filtrów po ługowaniu obojętnym przechodzą do układu oczyszczania. Zbiorniki do cementacji uszeregowane są zwykle w dwóch rzędach osad z ostatniego cementatora idzie na prasy filtracyjne i zawraca z powrotem do pierwszego a osad z pierwszego zbiornika idzie do wykwaszania gąbki kadmowej. Przesącza Ida do elektrolizy.

Domieszki Cu, Cd, Ni , Co które są bardziej szlachetne od cynku łatwo SA wytrącane z roztworu podczas cementacji pyłem cynkowy,(doprowadzanym w pistacji gęstwy z woda)

Elektroliza wodnych roztworów siarczanu cynkowego:

Elektrolizę prowadzi się w wannach w których zawieszone są elektrody: katoda wykonana z blachy aluminiowej a anoda z ołowiu z małym dodatkiem srebra. W elektrolicie znajdują się następujące jony: Zn2+, H+, SO42- oraz kationy domieszek.

W czasie procesu z roztworu zawierającego 100-120g Zn/l wydziela się około 2,3 cynku w nim zawartego. Pozostała część cynku zawracana jest w zakwaszonym elektrolicie zwrotnym do ługowania.

W elektrolicie oprócz jonów Zn występują takie domieszki jak Fe, Ni, As, Sb, Ge, Cu, Pb, Cd, które osadzają się w raz z cynkiem na katodzie. Domieszki te są przyczyna korozji cynku katodowego gdyż w utworzonych wówczas ogniwach lokalnych rozpuszczalna anoda jest powierzchnia cynku. Szczególnie silna korozje cynku powodują Sb, Cd, Pb, Cu co przyczynia się bezpośrednio do zmniejszenia wydajności procesu. Domieszki bardziej elektroujemne wywierają już niewielki wpływ na przebieg elektrolizy, chlor w podstacji anionu chlorowego powoduje korozje anod i chłodnic oraz zmniejszenie wyraźne wydajności prądowej. Zanieczyszczenia elektrolitu wywołują zatem korozje cynku katodowego, są przyczyną powstawania narostów , zwarć obniżają wydajność prądową procesu, utrudniają osadzanie się cynku oraz zwiększają przyczepność cynku do katod.

2. Opis ćwiczenia:

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. Schemat aparatury:

0x01 graphic


4. Wyniki:

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

2,82

30,689

30,903

0,214

2,6

2,85

2,85

2,8

1,5

600

3

2,89

30,903

31,127

0,224

2,9

2,9

2,85

2,8

2

800

3,7

3,07

31,127

31,525

0,398

3

2,85

2,9

2,9

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

3,2

3,04

30,457

30,693

0,236

3,1

3

2,95

2,95

1,5

600

3

2,9

30,693

31

0,307

2,9

2,9

2,85

2,85

2

800

3,6

3,03

31

31,312

0,312

2,9

2,85

2,9

2,9

wanna 3

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

2,9

2,8

31,329

31,585

0,256

2,6

2,9

2,8

2,8

1,5

600

2,85

2,81

31,585

31,857

0,272

2,8

2,8

2,8

2,8

2

800

3,3

2,91

31,857

32,193

0,336

2,85

2,8

2,8

2,8

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

2,82

3384

0,000940

4498

0,408

0,214

52,45

1,5

2,89

5202

0,001445

6914

0,612

0,224

36,60

2

3,07

7368

0,002047

6793

0,816

0,398

48,77

60

2

1

3,04

3648

0,001013

4848

0,408

0,236

57,84

1,5

2,9

5220

0,001450

6938

0,612

0,307

50,16

2

3,03

7272

0,002020

9665

0,816

0,312

38,24

120

3

1

2,8

3360

0,000933

4466

0,408

0,256

62,75

1,5

2,81

5058

0,001405

6722

0,612

0,272

44,44

2

2,91

6984

0,001940

9282

0,816

0,336

41,18

5. Przykładowe obliczenia:

Napięcie średnie:

Uśr= (U0+U5+U10+U15+U20)/5 = (3+2,6+2,85+2,85+2,8)/5 = 2,82 [V]

Energia elektryczna [J]:

W= i*t* Uśr= 1*1200*2,82 = 3384 [J]

i= l/S =1/0,0025 = 400 [A/m2]

Energia elektryczna [kWh]:

1 kWh= 3,6*106 [J]

W/1 kWh = 3384/3,6*106 = 0,000940 [kWh]

Zużycie mocy:

W/mzn= 0,000940/0,209 *10-6= 4498 [kWh/tonę]

MZn= mo - mk = 30,903 - 30,689 = 0,214 *10-6[g]

Uzysk teoretyczny:

Ut= (KZn*I*t)/96500= (32,69*1*1200)/96500 = 0,408 [g]

KZn= MZn/2 = 65,38/2 = 32,69

Wydajność prądowa:

Uzysk praktyczny/uzysk teoretyczny = (0,214/0,408)*100 =52 %

6. Wykresy:

Zależność wydajności elektrolizy w funkcji stężenia H2SO4

0x01 graphic

Zależność napięcia średniego w funkcji stężenia H2SO4

0x01 graphic

Zależność zużycia mocy w funkcji stężenia H2SO4

0x01 graphic

7. Wnioski:

Podczas ćwiczenia badaliśmy trzy zależności:

Zależność wydajności elektrolizy w funkcji stężenia kwasu siarkowego -zależność ta jest spadkowa wraz ze wzrostem stężenia kwasu H2SO4 (punkt dla stężenia kwasu 30 g/dm3 i wydajności 48% jest błędem pomiarowym ). Z wykresu można odczytać takie stężenie kwasu H2SO4 w którym wydajność prądowa jest optymalna czyli największa np: dla gęstości prądowej 600 A/m2 jest to ok. 60 [g/dm3]. Największa wydajność występuje dla najmniejszej gęstości prądowej 400 A/m2.

Zależności napięcia średniego w funkcji stężenia kwasu siarkowego -

Zależność zużycia mocy w funkcji stężenia kwasu siarkowego - zużycie mocy spada wraz ze wzrostem stężenia kwasu H2SO4. Dla największej wartości gęstości prądu 800 A/m2 występuje największe zużycie mocy.

8


Wyszukiwarka