Исследование и развитие технологии электролитического рафинирования никеля с использованием нестационарных токов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Амбалова, Фатима Валерьевна

• Амбалова, Фатима Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Амбалова, Фатима Валерьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

ПУБЛИКАЦИЙ ПО НЕСТАЦИОНАРНОМУ ЭЛЕКТРОЛИЗУ

1.1. Электролиз на реверсируемом токе

1.2. Электролиз на прерывистом постоянном токе.

1.3. Электролиз на импульсном токе .-.

1.4. Патентный поиск.

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА И ТЕМПЕРАТУРЫ

НА КАТОДНЫЙ ВЫХОД НИКЕЛЯ ПО ТОКУ.

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОЛИЗ НИКЕЛЯ В НЕСТАЦИОНАРНОМ

РЕЖИМЕ

3.1. Методика исследования

3.2. Электрорафинирование на реверсивном токе.

3.3. Электрорафинирование никеля на прерывистом токе

3.4. Электрохимическое растворение анодного металла с помощью реверсивного тока с целью устранения дефицита никеля в электролите.

ГЛАВА 4. НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОСАЖДЕНИЯ ЦИНКА НА КАТОДЕ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО

РАФИНИРОВАНИЯ НИКЕЛЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и развитие технологии электролитического рафинирования никеля с использованием нестационарных токов»

Актуальность темы

Электролитическое рафинирование никелевых анодов является процессом энергоемким. Удельный расход энергии в процессе электролиза колеблется в пределах 2400 - 3400 кВт ч/т катодного никеля. Традиционные методы снижения расхода энергии в процессе электролитического рафинирования никеля (выбор состава электролита и увеличение его электропроводности, снижение плотности тока и др.) фактически себя исчерпали.

В связи с этим, с учетом тенденции увеличения стоимости энергии, вопрос поиска новых нетрадиционных методов по снижению удельного расхода энергии, при одновременном увеличении плотности тока, становится актуальным в электрохимических технологиях.

К таким методам в первую очередь следует отнести группу способов электролиза под общим названием - "Электролиз с использованием нестационарных токов" или "Нестационарный электролиз", к которым относят: электролиз на реверсивном токе; электролиз на прерывистом токе; электролиз на импульсном токе и др.

Цель работы

Исследование и разработка технологически и экономически обоснованных интенсивных способов электролитического рафинирования никеля с использованием нестационарных токов и их математическое моделирование. Поиск оптимальных параметров электролиза на основе экспериментальных данных и математических моделей.

Методы исследования

Математические методы планирования экспериментов. Электролиз на нестационарных токах. Метод поляризационных кривых.

Наиболее существенные научные результаты работы

1. На основе экспериментальных и теоретических исследований, проведенных с использованием математических методов планирования эксперимента, разработаны следующие математические модели: совместного разряда на катоде ионов никеля и цинка (как примеси) в сульфат-хлоридных и хлоридных электролитах как функции плотности тока, концентрации цинка в растворе и температуры; выхода по току и удельного расхода энергии в процессе электрорафинирования никеля на реверсируемом токе; скорости растворения никелевых анодов на реверсируемом токе как функции плотности тока, отношения плотностей обратного и прямого тока и отношения длительностей протекания прямого и обратного тока; выхода по току никеля и числа питтингов на катоде как функции плотности тока и температуры.

2. Установлено, что содержание цинка в катодном никеле при совместном осаждении его с никелем в хлоридных электролитах при температурах > 80 °С тем больше, чем больше плотность тока. Такое поведение цинка можно объяснить энергетическими затруднениями при разряде на катоде комплексных анионов цинка [ZnCl4] концентрация которых в электролите является функцией содержания хлор-ионов и температуры. Вместе с тем при температурах электролита < 60 °С скорость разряда ионов цинка на катоде лимитируется в основном скоростью диффузии, что выражается в снижении содержания цинка в катодном никеле с ростом плотности тока.

Практическая ценность

1. Предложен способ устранения дефицита никеля при его электролитическом рафинировании путем растворения анодов в режиме реверсирования тока. Показано, что процесс энергетически выгоден даже без принудительного нагрева электролита.

2. Установлено, что реверсирование тока при электролизе никеля позволяет: снизить удельный расход энергии в среднем на 6 %; увеличить плотность катодного металла и существенно выровнять поверхность катодов.

Положения, выносимые на защиту

1. Математические модели процессов на электродах при электролитическом рафинировании никеля с использованием реверсируесого тока.

2. Закономерности совместного осаждения цинка с никелем в процессе электролитического рвфинирования никеля как функции плотности тока, температуры и концентрации хлор-ионов в электролите.

3. Способ компенсации дефицита никеля в электролите путем электрохимического растворения анодного никеля с использованием реверсируемого тока.

Апробация работы

Положения диссертационной работы прошли апробацию на научно-технических конференциях СКГТУ (г. Владикавказ) в 2000 - 2003 г.г., а также в статьях, опубликованных в научных изданиях.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 4 статьях.

Структура и объем работы

Диссертация на 65 стр текста состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, библиографического списка из 61 наименований и патентного поиска с ретроспективой в 40 лет, а также 7 рисунков и 11 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Амбалова, Фатима Валерьевна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнена научно-квалификационная работа, в которой содержится решение задачи по снижению расхода энергии в процессе электролитического рафинирования никеля путем использования реверсируемого тока.

2. Выполнен комплекс исследований по электролитическому рафинированию никеля с применением реверсируемого и прерывистого постоянного тока. Получены математические модели в виде уравнений регрессии, связывающие катодный выход по току никеля и удельный расход энергии с плотностью тока, отношением длительности воздействия тока прямого направления к току обратного направления и температурой электролита. Использование реверсируемого тока позволяет снизить удельный расход энергии на 61 кВтч/т по сравнению с постоянным (не-реверсируемым) током, что составляет 6 % экономии энергии. Плотность катодных осадков при использовании реверсивного тока оказалась на 80 кг/м3 больше, чем при постоянном токе. Поверхность катодных осадков при реверсировании тока является гладкой, в то время как на поверхности катодов при использовании постоянного тока обнаружено множество мелких "шишек", которые при многосуточном электролизе могут стать источником крупных наростов и ухудшения качества катодов.

3. Исследована зависимость катодного выхода по току никеля от плотности тока и температуры при электрорафинировании никеля с использованием производственного электролита. Получено адекватное уравнение регрессии. Проведена оценка числа питтингов на катоде как функции плотности тока.

4. Предложен электролитический способ растворения анодного никеля с использованием реверсируемого тока, заключающийся в том, что катоды и аноды, состоящие из анодного никеля, подвергаются воздействию реверсируемого тока, позволяющему устранять пассивацию электродов. Экспериментально показано, что производительность электролизной

О 1 ванны по растворению анодов при плотности тока 1,5 кА/м составляет на постоянном токе 1,01 кг/(м ч), а на реверсируемом токе - 1,48 Л кг/(м ч) при удельном расходе энергии в 2 раза меньшем.

5. Экспериментально, с использованием методов планирования эксперимента, установлено, что в хлоридных электролитах ионы цинка разряжаются на катоде в режиме смешанной диффузионно-химической кинетики, что свидетельствует о наличии в растворе как простых катионов цинка Zn2+, разряжающихся в диффузионном режиме, так и комплексных анионов [ZnCU] \ разряжающихся в режиме химической поляризации при более отрицательных потенциалах, чем Zn2+ ([ZnCl4]2-+ 2е~ = Zn + 4CP. ф0 «-1,2 В).

6. Подана заявка на патент по способу компенсации дефицита никеля, возникающего в процессе электролитического рафинирования никеля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Амбалова, Фатима Валерьевна, 2003 год

1. Хейфец В.Л., ГраньТ.В. Электролиз никеля. М., Металлургия, 1975. 334с.

2. Гарное В.К., Вишневецкий Л.М., Левин Л .Г. Оптимизация работы мощных электрометаллургических установок. М.: Металлургия, 1981. 312 с.

3. Заузолков И.В., Орехов М.А., Пузаков В.В. Нестационарные токи в гидроэлектрометаллургии тяжелых цветных металлов. М.: ЦНИИ-цветмет экономики и информ., 1991, вып. 1. 52 с.

4. Попков А.П., Ваграмян А.Т. Изв. АН СССР, отд. хим. наук, 1954, № 6, с. 966.

5. Бибиков НИ. Гальванические покрытия на токе переменной полярности. М.: Машгиз, 1958.

6. Бибиков Н.Н. Осаждение металлов на токе переменной полярности. М.: Машгиз, 1961.

7. Енчев И.Д. Рудодобив металургия, 1971,т. 26, № 1, с. 52-56.

8. Журин А.И. Электролитическое рафинирование меди и никеля с применением реверсивного тока // Тр. Ленингр. политех, ин-т. 1980. Т.373. С. 57-62.

9. Семенова А.И., Пискунов И В. Влияние тока переменной полярности на содержание водорода и кислорода в катодном никеле // Изв. вуз. Цветная металлургия. 1980. № 2. С. 141-143.

10. Encevl. Hutnicke listy. 1971, № 7, s. 820-823.

11. Научно-техническая терминология. Сборник стандартизованных и рекомендуемых терминов. М.: Изд-во стандартов, 1970, т. 5, с. 198214.

12. Электроосаждение никеля импульсным током. Nickel plating by pulse current. Xu Wei-Yuan "AES 11th Plating Electron. Int. Symp., Orlando F1 a., Febr., 1-2, 1984". Winter Pare, Fla, 1983, 1-8.

13. Влияние импульсов токов высокой частоты на электроосаждение никеля. Костин Н.А., Заблудовский В.А., Абдулин B.C., "Вопросы химии и химических технологий". (Харьков), 1980. № 60. С. 74 77.

14. Семенова А.И., Пискунов И.Н. Влияние тока переменной полярности на содержание водорода и кислорода в катодном никеле // 1980. № 2. С.141-143.

15. Dotta М., Landolt D. Быстрое растворение никеля в области перепассивации в условиях наложения импульсов тока (High rate transpassive dissolution of nickel with pulsating current). Electrochem. Acta, 1982. V.27. № 3. P. 358-390.

16. Худяков И.Ф., Кляйн Н.Г., Агеев Н.Г. Металлургия меди, никеля, сопутствующих элементов и проектирование цехов: Учебник для вузов. -М.: Металлургия, 1993. 432 с.

17. Бугулов Д Р., Алкацев М.И. Влияние различных факторов на выход по току никеля // Труды СКГТУ. Выпуск 4. 1998.

18. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. - 239 с.

19. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. М.: 1977,336 с.

20. Хейфец В.Л., Ротинян АЛ. // ДАН СССР. 1952. Т.32. №3. С.423-426.

21. Ротинян А.Л., Хейфец В.Л., Козич Е.С. и др. // ДАН СССР. 1953. Т.38. №2. С.301-304.

22. Ротинян А.Л., Хейфец ВЛ. // Цветные металлы. 1954. №2. С. 24-32.

23. Хейфец В.Л., Козич Е.С., Данилович О.П. II ДАН СССР. 1957. Т.113. №1. С.138-142.

24. Хейфец B.JJ., Ротинян A.JI. II Труды института "ГИПРОНИКЕЛЬ". Вып. 1. 1958. С. 3-18.

25. Хейфец В.Л., Ротинян А.Л., Калганова О.П. и др. // ЖПХ. 1961. С. 15-19,34.

26. Ротинян А.Л., Шошина И.А. II Изв. Вузов. Цветная металлургия. 1961. №3. С. 50-56.

27. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. М.: Химия, 1980. 280 с.

28. Амбстова Ф.В., Бугулов Д.Р. Влияние плотности тока и температуры на катодный выход по току никеля // Сборник научных трудов аспирантов. СКГТУ. 2000. С. 47-50.

29. Амбалова Ф.В., Алкацев М.И. Некоторые закономерности соосажде-ния цинка с никелем на катоде в процессе электролитического рафинирования никеля // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2002. № 2. С.44-55.

30. Амбалова Ф.В., Алкацев М.И., Рогачев Л.В. Электрорафинирование никеля с использованием нестационарных токов // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2002. № 3. С.35-39.

31. Амбалова Ф.В., Алкацев М.И. Электрохимическое растворение никелевых анодов с помощью реверсивного тока с целью устранения дефицита никеля в электролите // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2003. № 1. С. 52-55.

32. А.с. 156684 (СССР). Способ получения металлов, например никеля, электролитическим осаждением из водных растворов / Ж.Р.Абрамович, В.М.Цейнер, Е.М.Вигдорчик II 1963.

33. А.с. 189154 (СССР). Способ электролитического рафинирования никеля с получением металла высокой чистоты / Т.В.Грань, Н.П.Колонина, Е.С.Козич II 1966.

34. А.с. 1397541 (СССР). Способ электролитического рафинирования никеля / Е.А.Субботина, В.Н.Лавренев, И.Г.Юшков и др.И 1988.

35. А.с. 1514831 (СССР). Способ электролитического рафинирования никеля / Е.А.Орлова, С.Е.Вайсбурд, А.И.Семенова и др. / 1989.

36. А.с. 1656011 (СССР). Способ электролитического рафинирования никеля / В.Н.Андрущенко, Л.В.Дегтярева, О.Б.Волкова и др.// 1991.

37. Пат. 1779297 (РФ). Способ электролитического получения никеля / В.Л.Кубасов, Г.А.Воробьев, Т.В.Галанцева, К.А.Бацунов и др // 1992.

38. Пат. 1453953 (РФ). Способ электролитического рафинирования никеля / В.Н.Андрущенко, Е.А.Орлова, К.Н.Сермягина //1992.

39. Пат. 1568576 (РФ). Способ электролитического рафинирования никеля / С.Л.Цапах, Л.В.Волков, Н.А.Шваб и др. // 1992.

40. Пат. 2002856 (РФ). Способ электролитического получения никеля / Н.П.Абрамов, Ж.И.Розенберг, С.Ф.Ершов и др. // 1993.

41. Пат. 2066713 (РФ). Способ получения никеля / В.Л.Кубасов,

42. A.В.Тарасов, И.ИЛанцева // 1996.

43. Пат. 2141010 (РФ). Способ получения катодного никеля / Д.Т.Хагажеев, Г.П.Мироевский, И.О.Попов, Б.П.Онищин и др.// 1999.

44. Пат. 1681585 (РФ). Способ получения никеля или кобальта /

45. B.Л.Кубасов, Г.А.Воробьев, Т.В.Галанцева, Л.А.Тыртычная и др. //1999.

46. Пат. 2144098 (РФ). Способ электролитического рафинирования никеля / Г.П.Мироевский, А.Н.Голов, И.Г.Ермаков, В.Ф.Козырев и др. //2000.

47. Пат. 2173736 (РФ). Способ оптимизации электролитического рафинирования никеля / М.И.Алкацев, Д.Р.Бугу лов // 2001.

48. Пат. 407879 (США). Электролитический способ получения никеля / Aubreg S. Gendron, Walden and Victor A. Ettel // 1979.

49. Пат. 4073709 (США). Электролитический способ извлечения никеля и цинка / Willem Hubertn Pittie, Roderpoort // 1979.

50. Пат. 1503480 (Великобритания). Способ электролитического выделения никеля / INCO LTD // 1979.

51. Пат. 53 41615 (Япония). Способ электролитического выделения никеля из отработанного электролита процесса электрохимического никелирования / Тоёта дзидося когё К.К. II 1979.

52. Пат. 55 9955 (Япония). Электролитический способ выделения никеля или цинка из раствора / Англотрансваль Коисолитейтид Инве-стмент Компани Лтд. II 1980.

53. Пат. 2940741 (ФРГ). Электролитический способ получения никеля / Peters, Werner Н 1981.

54. Пат. 4310395 (США). Электрохимический способ извлечения никеля из раствора / Rainer Huss, Kirchheim, and Werner Peters II 1982.

55. Пат. 57 14757 (Япония). Способ электролитического рафинирования никеля / Сумитомо киндзоку кодзан К.К // 1982.

56. Пат. 57 14433 (Япония). Способ электролитического извлечения металлов / Ниппон когё К.К. II 1982.

57. Пат. 4279711 (США). Электрохимический способ получения металлов /Jacka Scott, Paul F. Duby, Paul H. Viningll 1982.

58. Пат. 4330380 (США). Способ электроосаждения никеля, содержащего серу, из тиоцинатного электролита в электролизере с диафрагмированными анодами / Ronald Parkinson, and Robert W. Howard II 1983.

59. Пат. 57 40914 (Япония). Способ электролиза / Дарт Индастриз, Инк. И 1983.

60. Пат. 58 7715 (Япония). Способ получения электролитического никеля, содержащего серу / Сумитомо киндзоку кодзан К.К. II 1983.

61. Пат. 58 56757 (Япония). Способ извлечения никеля, меди, кобальта и/или цинка /Англоно С.А. II 1984.

62. Пат. 60 53116 (Япония). Способ электролитического получения никеля / Инко Лтд. II 1986.