Подготовка растворов и электролиз цинка

Федеральное агентство  по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет  – УПИ»

 

 

Кафедра: Металлургия тяжелых цветных металлов

Оценка работы _________________________________

Члены комиссии  _______________________________

 

 

 

 

ПОДГОТОВКА РАСТВОРОВ

И ЭЛЕКТРОЛИЗ ЦИНКА

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

 

 

Руководитель

к.т.н. доц.____________________________________________Неустроев В.И.

Студент

гр. ЭУП-Мет (П)________________________________________К.С. Злобина

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2009

Содержание

Введение          3 стр.

1.Очистка раствора сульфата цинка от примесей   5-11 стр.

2. Электроосаждение цинка       12-25 стр.

Заключение         26 стр.

Список литературы        27 стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Цинк – двухвалентный металл синевато-белого цвета. По существующей классификации его относят к тяжелым цветным металлам.

Цинк получают гидрометаллургическим  способом. Процесс получения цинка можно рассмотреть на схеме представленной ниже. После всех процессов  водный раствор сернокислого цинка, очищают от примесей и направляют на электролиз в ванны со свинцовыми анодами и алюминиевыми катодами. Цинк осаждается на катоде, а у анода регенерируется серная кислота, используемая для выщелачивания новых порций обожженного концентрата. Катодный осадок цинка переплавляют и разливают по изложницам.

Цель  курсовой работы рассмотреть процесс очистки  и электроосажения цинка.

Задачами  курсовой работы являются:

1. Рассмотреть процесс очистки раствора сульфата цинка и получения методом электролиза цинка.
2. Раскрыть теоретическую основу процесса очистки и электроосаждения.
3. Определить факторы, влияющие на ход процесса.
4. Изучить основное оборудование, использование в данном процессе.
5. Показать новое в процессе очистки и перспективы данного способа очистки цинка.

Информационной базой  моего исследования послужила методическая и научная литература.

Объектом исследования является процесс очистки и электроосажения цинка .

     Электролиз  является завершающей стадией  технологической схемы гидрометаллургического  получения цинка, обеспечивает  особую чистоту компактного осадка. В данной работе будет рассмотрен процесс очистки и электроосаждения цинка.

 

 

Цинковый концентрат

Обжиг

 

    Газы и пыль  Обожженный концентрат

   Пыль   Газы

      Производство

H₂SO₄

 

 

 

      Выщелачивание

    

Цинковый кек      Раствор ZnSO₄

  На дополнительную     Очистка от

 переработку        Fe,Cu,Cd,As,Sb,Co,Cl

 

Электролиз

 

Катодный цинк   Отработанный электролит

 

 

        Переплавка

 

 

Цинк

 

 

 

 

 

 

 

1. Очистка раствора сульфата цинка от примесей.

Раствор сернокислого цинка, направляемый в цех электролиза, должен быть очищен от примесей.

Присутствующие в растворе примеси в зависимости от способа  выведения можно разделить на группы:

1. Железо, алюминий, медь, мышьяк, сурьма, германий, индий, галлий, кремнезем.
2. Медь, кадмий, никель, таллий.
3. Кобальт, хлор, фтор.
4. Калий, натрий, магний, марганец.

Примеси первой группы удаляются  из раствора гидролизом, соосаждением, адсорбцией и коагуляцией. Гидролитическая очистка происходит при нейтральном выщелачивании обожженного концентрата и сгущении нейтральной пульпы.

Очистка от примесей второй группы – цементационная, основана на электрохимическом вытеснении электроположительных металлов-примесей более электроотрицательным металлическим цинком. Примеси третьей группы удаляются с помощью некоторых реагентов, образующих с этими примесями труднорастворимые соединения.

Примеси четвертой группы накапливаются  в растворе цинкэлектролитного производства. Для освобождения раствора от этих примесей часть раствора выводят  из производственного цикла, используя  содержащийся в нем цинк.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гидролитическая очистка.

При осаждении из раствора труднорастворимых соединений очередность  их выделения в осадок определяется величиной изобарного потенциала процесса. В первую очередь в осадок будут  переходить те металлы, образование  труднорастворимых соединений которых сопровождается максимальным уменьшением изобарного потенциала. Чем больше абсолютная величина стандартного изобарного потенциала реакции образования труднорастворимого соединения, тем (в степенной зависимости) меньше величина произведения растворимости, т.е. тем меньше растворимость образующихся соединений.

При осаждении из раствора сульфата цинка гидроокисей, прежде всего начнут осаждаться те металлы, рН гидратообразования и, следовательно, растворимость которых меньше. рН гидратообразования зависит также от концентрации катиона в растворе и температуры.

Окисление железа проводят в окислительном баке, в который  направляют растворы из кислого сгустителя (ВСКС). При нейтральном выщелачивании  ионы двухвалентной меди также окисляют железо. Алюминий в процессе нейтрального выщелачивания гидролизует с большой полнотой. Мышьяк и сурьма при нейтрализации раствора в присутствии железа гидролизируют и выпадают в осадок. Мышьяк выделяется успешно, если он и железо находятся в высшей валентности. Так же как и мышьяк, сурьма удаляется наиболее полно, если она содержится в растворе в пятивалентной форме.

При гидролитической  очистке раствора в осадок удаляются  германий, индий, галлий, теллур. Осаждение  происходит наиболее полно в присутствии  железа.

 При высоком содержании в исходном растворе мышьяка, сурьмы, германия иногда не удается достигнуть при очистке в одну стадию полноты освобождения раствора от этих примесей. Это бывает, например, при переработке различных пылей и возгонов с высоким содержанием примесей. В этом случае приходится проводить вторично гидролитическую очистку раствора, вводя дополнительное количество трехвалентного железа.

 

 

Очистка раствора методом  цементации.

Цементация – это  процесс, протекающий в короткозамкнутом элементе с анодом – цинком и катодом осаждаемым металлом.

В основе процесса цементации примесей из раствора сульфата цинка металлическим цинком лежит электрохимическая реакция

Ме²⁺ + Zn Ме + Zn²⁺

При этом металл-примесь  переходит из ионного состояния в металлическое, а цинк – из металлического в ионное.

Реакция цементации протекает  в том случае, когда она сопровождается убылью термодинамического изобарного потенциала. Это происходит, если вытесняемый  металл обладает более положительным  электрохимическим потенциалом, чем цинк. При избытке цинка процесс цементации будет идти до тех пор, пока не наступит равновесие, определяемое равенством изобарных потенциалов или, что то же самое, равенством электрохимических обратимых потенциалов обоих металлов.

Термодинамическое равновесие не всегда достигается. Медь и кадмий выделяются из раствора легко, никель осаждается труднее, а железо практически не выделяется цинком из раствора.

Скорость цементации меди и кадмия возрастает с увеличением концентрации их в растворе и повышением дисперсности цинковой пыли. Повышение температуры ускоряет осаждение меди, но ухудшает осаждение кадмия.

На большинстве заводов  очистку проводят только от меди и  кадмия цинковой пылью.

Раствор очищают в  одну или в две стадии в периодически  или непрерывно действующих баках с механическим перемешиванием. При периодической очистке операция состоит из заливки раствора в бак с мешалкой, добавления расчетного количества цинковой пыли, перемешивания в течение 40-60 минут и фильтрации пульпы. Общая продолжительность операции составляет 1,5-2 часа. Процесс ведут при температуре 50-60 °С. При непрерывной двустадийной очистке раствора первую стадию проводят последовательно в 3 баках с механическим перемешиванием с подачей цинковой пыли в головной бак. При этом медь высаживают теоретическим количеством пыли до остаточной концентрации 50-200мг/л. Пульпу после первой стадии очистки направляют в сгуститель, верхний слив которого подают на вторую стадию очистки. На некоторых заводах пульпу после первой стадии очистки фильтруют на фильтр-прессах. 

Вторую стадию очистки  проводят также последовательно  в 3 баках с механическим перемешиванием с подачей цинковой пыли в головной бак. Из последнего бака второй стадии очистки пульпу насосом передают в коллекторы  и далее на фильтр-прессы. Крупную фракцию – пески гидроциклона, представляющую собой неиспользованную  цинковую пыль, возвращают в прцесс очистки. Очищенный раствор содержит 3-5 мг/л Cd, 0,2-0,3 мг/л Cu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химические методы очистки раствора.

Раствор очищают от кобальта осаждением его альфа-нитрозо-бета-нафтолом С₁₀Н₆ NO(ОH) или ксантогенатом С₁₀Н₅OSC₂К. Реагентами служат бета-нафтол и нитрит натрия. Эти реагенты образуют в растворе альфа-нитрозо-бета-нафтанол, дающий нерастворимые соединения не только с кобальтом, но также с железом, медью и кадмием. Поэтому для уменьшения расхода реагентов операцию очистки проводят после удаления из его других примесей.

Раствор очищают следующим  способом: в заполненный раствором  бак с мешалкой вводят серную кислоту и реагенты. Раствор перемешивают 2-4 часа при температуре 40 °С. При этом осаждается малорастворимое соединение альфа-нитрозо-бата-нафтол кобальта.

Процесс очистки раствора от кобальта ксантогенатом проводят следующим образом. В бак с мешалкой, наполненный раствором, вводят медный купорос. После этого в раствор вводят этиловый ксантогенат калия, растворенный в воде, и перемешивают 1-2 часа при температуре 40-50 °С. Преимущество у первого способа. Он более дешевый, обеспечивает необходимую глубину очистки раствора, в результате чего получается кек, который может быть легко переработан с извлечением из него кобальта. А переработка ксантогенатового кека вызывает большие трудности.

Очистка от хлора. Содержание хлора в цинковых концентратах невелико, но подчас накапливается до 800 мг/л, при допустимой норме 150мг/л. Наиболее эффективный способ очистки раствора от хлора – осаждение его с помощью сернокислого серебра.

Ag₂SO₄ + 2NaCl = 2 AgCl + Na₂SO₄

Хлор осаждают в слабокислой  среде. Так как очистка проходит до остаточного содержания хлора 1-2 мг/л, то представляется возможным очищать  только небольшую часть раствора и смешивать его с неочищенным  раствором. Полученный осадок хлористого серебра затем обрабатывают при перемешивании раствором серной кислоты и цинковой пылью. В результате реакции серебро восстанавливается до металлического, его отфильтровывают, а раствор хлорида цинка сбрасывают в отвал.

Осадок серебра промывают  и нагревают с концентрированной серной кислотой для регенерации сульфата серебра. Эту операцию проводят в чугунных чашах. Безвозвратные потери серебра составляют 60-90 г на один килограмм удаляемого хлора.

На некоторых заводах  с целью предотвращения накопления хлора в растворе вельц-окислы перед выщелачиванием промывают водой с добавлением соды. Пульпу фильтруют, промывные воды сбрасывают в отвал. Таким образом из окислов удаляют до 70% хлора.

Очистка от фтора. Раствор  загрязняется фтором при введении в  цинкэлектролитное производство растворов от выщелачивания пылей свинцово-цинковых руд. В настоящее время нет удовлетворительных методов очистки раствора от фтора. Его выводят из раствора сульфата цинка нейтрализацией окисью кальция по реакции

2HА + CaO = CaF₂ + H₂O

Концентрация фтора в насыщенном водном растворе составляет 8 мг/л.

Но присутствие в  растворах цинкэлектролитного производства ионов марганца, увеличивает растворимость CaF₂. Содержание фтора в промышленных растворах достигает 50-100 мг/л.

Наиболее эффективно попадание фтора в цинковый электролит предотвращает окислительный обжиг или сульфатизация пылей и возгонов, содержащих фтор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Освобождение электролита от накапливаемых  примесей.

Калий, натрий, магний, марганец накапливаются  в растворе цинкэлектролитного производства. Суммарная концентрация их составляет 15-30 г/л. Накопление этих примесей увеличивает плотность и вязкость раствора, повышает его омическое сопротивление, что неблагоприятно для процессов отстаивания и фильтрации пульпы, а также для осаждения цинка.

Способов, позволяющих вывести эти примеси из раствора сульфата цинка, нет. Поэтому для поддержания их концентрации на определенном уровне необходимо часть раствора систематически выводить из производственного цикла. Выведенный из оборота нейтральный цинковый раствор используют для получения цинкового купороса. Вследствие высокого содержания в этом растворе примесей получают низкосортный цинковый купорос, который используют на обогатительных фабриках при флотации руд. Для предупреждения накапливания примесей часть отработанного электролита из секции переработки окислов подвергают электролитическому обесцинкованию в специальных ваннах. В этих ваннах, работающих с низким выходом по току, концентрацию цинка снижают до 10-15 г/л, после чего раствор передают в химическую секцию. Здесь в этот раствор вводят аммиак, связывая кислоту в сульфат аммония, а цинк – в цинкаммонийно-сульфатный комплекс. Сульфат аммония используют как удобрения, а цинковую соль обжигают, после чего возвращают в цех выщелачивания. Некотрые заводы перерабатывают концентрат с высоким содержанием магния, разработан способ использования выведенного из цикла раствора, который состоит в том что, что раствор после электролитического обесцинкования, содержащий 12 г/л Zn; 25 г/л Mg и 185 г/л H₂SO₄, упаривают в вакуум-испарителях до содержания  в нем 900 г/л H₂SO₄.