К вопросу о повышении выхода металла по току при электролизе с использованием тока сложной формы Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УД К 621.36+621.327

|| К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ВЫХОДА И МЕТАЛЛА ПО ТОКУ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ С И ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОКА СЛОЖНОЙ ¡1 ФОРИЛЫ

Е.В. Птицына

§§§ Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

В промышленных условиях электролиз водных растворов солей тяже-шык цветных металлов реализуется по одной из технологических схем: ЩЦщой, никелевой, цинковой. Закон Фарадея позволяет определить вы-||§ металла по току при стационарном электролизе. Совершенствова-¡¡¡¡I конструкций электролизеров, применение новых материалов, использование поверхностно-активных веществ для улучшения физико-химических условий электролиза, автоматическое управление "технологическим процессом позволяют получать тяжелые цветные металлы высокой степени чистоты (до 99,99 %) с выходом металла по току до 98-99 %.

В условиях нестационарного ведения электролиза увеличение выхода металла по току обусловлено возрастанием подвижности заряженных частиц. Увеличение подвижности заряженных частиц, с одной стороны, способствует снижению приэлектродных падений напряжения, градиентов напряжения в электролите, и уменьшению удельного расхода электроэнергии, а с другой - влияет на скорость протекание окислительно-восстановительных реакций на электродах. Интенсивность процессов на электродах при этом оценивают по количеству осажденного на катоде металла [1-5].

Известно [1], что тяжелые цветные металлы (медь, никель, хром и др.) обладают переменной валентностью. Например, хром в химических соединениях может иметь валентность равную двум, четырем или шести.

Так, при электролизе по медной схеме в электролите образуются одновалентные и двухвалентные ионы меди. При этом наряду с ионами двухвалентной меди одновалентные ионы могут участвовать в переносе

тока и образовании металлической меди на катоде. Однако одновалентные ионы меди неустойчивы. Согласно [2], при растворении черновых медных анодов возможны реакции вида:

Си-е->Си+

См-2е—>См2+ (!)

Си-е->Си2+

Соответственно напряжения поляризации меди равны 0,51; 0,34 и 0,17 В. При рабочих плотностях тока образование одновалентных ионов меди идет с меньшей поляризацией, чем двухвалентных ионов. В электролите при этом преобладают ионы одновалентной меди [1-3].

При катодном восстановлении меди также возможно протекание нескольких реакций:

То есть при совместном разряде ионов разной валентности на катоде возможно выделение большего количества вещества.

Ниже представлены три схемы окислительно-восстановительных процессов в электролизере на примере реализации медной схемы (для СмС/2).

Си2+ +2е —>Си Си+ +е^Си

(2)

<- Си+ <г- Си+ -2е

На аноде

СиС12 -*СГ,-*СГ

2 схема

На катоде

На аноде

<-Си2+ -2е

СиС12 -+СГ,-*СГ

3 схема

На катоде

На аноде

<- Си+ Си+

<- Си+ <г-Си+ -2е

Таким образом, за равные промежутки времени на катоде может выделиться (восстановиться) различное количество металлической меди. Это возможно, если в восстановительных процессах на отрицательном электроде наряду с двухвалентными ионами меди буцут участвовать и одновалентные ионы меди. В практике электрорафинирования для повышения устойчивости ионов низшей валентности в раствор электролита вводят соответствующие добавки. Например, в водный раствор соли меди добавляют ионы хлора. Характерной особенностью, указывающей на присутствие ионов низшей валентности, является изменение электродного потенциала. Значение электродного потенциала становится более электроотрицательным. При этом изменяется (улучшается) и структура осадка.

Экспериментальными исследованиями установлено, что электрический режим электролизера также оказывает влияние на выход металла по току. Доказано, что увеличение выхода металла по току при нестационарном электролизе происходит за счет возрастания подвижности заряженных частиц, что обусловливает повышение устойчивости ионов низшей и высшей валентности в электролите. При этом увеличивается и скорость осаждения металла на катоде. В таблице 1 и таблице 2 представлены результаты лабораторных исследований для медной и никелевой схем, выполненных, в ПО «Павлодарский тракторный завод». Опыты проведены в сравнении двух режимов: обычного - при питании электролизера постоянным током, и нового - при питании током сложной формы с постоянной составляющей. В опытах форму тока регулировали изменением угла открытия тиристоров.

Так, при электролизе водных растворов соли меди при температуре электролита 45° и токе ванны 1 А скорость отложения меди на катоде при обычном режиме составила 7,7 мкм/'ч, а при угле открытия тиристоров равном 90° -15,5 мкм/ч. По никелевым покрытиям получены следующие результаты (таблица 2): для контрольного электрического режима скорость осаждения составила 50,4 мкм/ч, при угле открытия тиристоров равном 15° - 76,8 мкм/ч, при угле 45° - 28,2 мкм/ч, при угле 90° - 37,2 мкм/ч. Температуру электролита поддерживали 55°С. При значении тока ванны, равном 2 А, напряжение на ванне достигло минимального значения 0,50 В при угле открытия тиристоров 15° (против 0,55 В для обычного контрольного режима) [4,5]. Спектральный анализ катодной меди соответствовал требованиям ГОСТ.

Таблица 1- Скорость осаждения меди на катоде от угла открытия тиристоров

Ток электролизера, А Скорость осаждения меди, мкм/ч

а = 0° а = 90°

1 7,7 15,5

Таблица 2 - Скорость осаждения никеля на катоде от угла открытия тиристоров

Ток электролизера, А Скорость осаждения никеля, мкм/ч

а= 15° а = 45° а = 90°

2 76,8 28,2 37,2

Одновременно в экспериментах исследовали содержание ионов низшей и высшей валентности. В таблице 3 в качестве примера представлено изменение содержания двухвалентных ионов меди в сравнении обычного и нового электрических режимов. Экспериментальными исследованиями установлено повышение содержания ионов при нестационарном электролизе.

Таким образом, использование тока сложной формы позволяет получать позитивные электрические и технологические эффекты: способствует повышению качества рафинируемого металла и увеличению выхода металла по току.

Таблица 3 - Содержание двухвалентной меди в электролите

Режим работы Содержание, г/л

0,Ш раствора сульфата натрия Двухвалентной меди

До начала опыта 72,4 18,4

Обычный 74,9 19,05

Новый 77,4 "г 19,68

ЛИТЕРАТУРА

1. СкэрчелеттиВ.В. Теоретическая электрохимия/В.В. Скорчеллетти. -Л. : Химия, 1974.-567 с.

2. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии / А.И. Левин. -М. : Металлургия, 1977. - 544 с.

3. Kuvaldin A Untersuchung und Anwendung von dem nichtsinusformigen Strom in den Elektrolysenanlaqen / A. Kuvaldin, F. Bojko, E. Ptitzyna/7 40. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium. 18-21.09.1995. Band 3. Ilmenau, Germany. -Ilmenau. 1995. - S.183-188.

4. Кувалдин А.Б. Тепловые эффекты при использовании тока сложной формы в электролизе /' А.Б. Кувалдин, Е.В. Птицына//Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках: материалы междунар. науч.-техн. конф. - Тверь: Изд-во ТГТХ 2004. - С.5 3-57.

5. Кувалдин А.Б. Действие токов сложной формы на электролит / А.Б. Кувалдин, Е.В. Птицына// Электротехнические материалы и компоненты : тез. V Международной конференции. - Алушта, Крым. - Алушта, 2004. - С.360-362.

Туйшдеме

Мацалада курдел1 формалы токты пайдаланганда гидрометаллургияльщ процестердегi ток бойынша металдыц шыгуын улгайту мумктшшктерЬ царастырылган.

Resume

The article considers possibilities of increasing metal outlet by current in hydrometallugcal processes with using current of complicated form.