Теоретические основы электролитического получения цинка
5 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЦИНКА
5.1 Электролитическое осаждение цинка
На электролиз поступает очищенный от примесей электролит, представляющий собой раствор сульфата цинка в серной кислоте.
В качестве катода в процессе электролиза цинка используется сплав алюминия с 1% Ag. Как только поверхность алюминия покроется слоем цинка, катод будет представлять собой цинковый электрод.
В процессе электролиза на катоде возможен разряд ионов водорода и цинка:
Zn2+ + 2e = Zn (5.1)
2H+ +2e = H2 (5.2)
Потенциал разряда ионов водорода (
= 0) намного положительнее потенциала разряда ионов цинка (
= - 0.76 В). Поэтому на катоде должен в первую очередь выделяться водород. В действительности этого не происходит, поскольку выделение водорода на цинке происходит с большим перенапряжением. Это приводит к тому, что потенциал выделения водорода становится отрицательнее потенциала выделения цинка. Поэтому в процессе электролитического получения цинка доля водорода, выделяющегося на катоде, не превышает 5 %. Поэтому в процессе электролиза цинка необходимо создавать условия для высокого перенапряжения разряда ионов водорода. Чем больше разность потенциалов разряда ионов цинка и водорода, тем менее вероятно выделение водорода на катоде вместе с цинком, тем выше выход по току для цинка.
Рекомендуемые материалы
Выделение цинка на катоде происходит с малым перенапряжением. Его потенциал практически определяется уравнением Нернста:
= + 
lnCZn
(5.3)
Из уравнения видно, что выше концентрация ионов цинка, тем положительнее потенциал разряда ионов цинка.
Потенциал разряда ионов водорода определяется уравнением
= 0 + 
lnCН+ + 
(5.4)
где - перенапряжение, В.
Увеличение концентрации ионов водорода в электролите будет сдвигать потенциал разряда ионов водорода в положительную сторону, а возникающее перенапряжение в отрицательную сторону. Величина перенапряжения разряда ионов водорода зависит от плотности тока и температуры. С увеличением плотности тока и понижением температуры перенапряжение выделения водорода на катоде возрастает. Поэтому для получения высокого выхода по току для цинка процесс электролиза необходимо вести при высоких плотностях тока и пониженных температурах.
В качестве анода используется сплав свинца с 1% Ag. Анод является нерастворимым. В процессе электролиза цинка на нём последовательно протекают следующие процессы. Сначала при потенциале анода - 0,34В происходит растворение свинца, который в сернокислом растворе образует малорастворимую соль PbSO4.
Pb2+ + 2e + SO42+ = PbSO4 (5.5)
Сульфат свинца кристаллизуется на поверхности анода, образуя на нём пористую плёнку, плохо проводящую ток. Из-за уменьшения площади металлического сплава анодная плотность тока возрастает, потенциал анода сдвигается в электроположительную сторону. По достижении потенциала анода порядка + 0,65 В в порах плёнки будет окисляться свинец по реакции:
Ph – 4e + 2H2O = PbO2 + 4H+ (5.6)
Как только поры пленки закроются оксидом свинца, который проводит ток ещё хуже, чем PbSO4, снова будет происходить поляризация анода. При достижении потенциала анода порядка +0,95 В начнётся процесс окисления PbSO4:
PbSO4 – 2e + 2H2O = PbO2 + H2SO4 + 2H+ (5.7)
В результате протекания этого процесса вся поверхность анода покроется плёнкой PbO2, и на нём при достижении потенциала анода +1,229 В начнётся процесс выделения кислорода по реакции:
2Н2О – 4е = 4Н+ + О2 (5.8)
Реакция (4.37) представляет собой основной анодный процесс.
В качестве электролита в процессе электролиза цинка используется очищенный от примесей нейтральный раствор, содержащий 100- 150 г/л цинка. Напряжение на ванне в процессе электролиза составляет 3,3-3,8 В. Электролиз ведут до содержания цинка в растворе 40-60 г/л. Отработанный электролит содержит порядка 90-120 г/л. Для поддержания в электролитической ванне постоянной концентрации цинка осуществляют циркуляцию электролита, которая составляет 3-5 л/мин. Плотность тока в процессе электролитического получения цинка на большинстве заводов составляет порядка 300 – 500 А/м2. Время наращивания катодов обычно составляет 24 часа. Температура электролита поддерживается в пределах 30- 40 оС. Для предотвращения нагревания электролита вследствие пропускания через него электрического тока применяют охлаждение электролита. На разных заводах применяют различные способы охлаждения: централизованное вакуум-испарительное охлаждение, градирни и местное охлаждение с использованием змеевиков. Выход по току для цинка составляет 90 – 95 %. Расход электроэнергии оставляет 3100-3800 квт-ч на 1т цинка.
Содержащиеся в электролите примеси ведут себя по – разному.
Такие примеси как Cu, Ni, Co, которые обладают более электроположительными потенциалами, чем цинк, способны осаждаться на катоде вместе с цинком. Их осаждение помимо загрязнения осадка приводит к снижению выхода по току, вызванное образованием на катоде зон, на которых водород выделяется с малым перенапряжением.
Железо не загрязняет катодный осадок, однако в
Ещё посмотрите лекцию "Системы совместного сбора и транспорта нефти и газа" по этой теме.
следствие восстановления на катоде и окисления на аноде, снижает выход по току.
Свинец и кадмий не оказывают существенного влияния на выход по току, но способны загрязнять катодный осадок за счёт механического попадания в катодный осадок.
Ионы щелочных и щелочно-земельных металлов обладаю более электроотрицательными потенциалами, чем цинк. Они не осаждаются на катоде, а накапливаются в электролите.
К катодным осадкам предъявляются следующие требования: они должны быть гладкими и плотными. Получению таких осадков способствует применение поверхностно- активных веществ. В качестве таки добавок обычно используется столярный клей.
Содранные с катодов цинковые листы промывают и переплавляют в индукционных печах при температуре 500 оС. Переплавленный цинк разливают в изложницы. В результате получают чушковый цинк, который идет потребителю.
