Исследование, моделирование и оптимизация процессов электроэкстракции цинка из растворов и расплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Алкацев, Владимир Михайлович

• Алкацев, Владимир Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алкацев, Владимир Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА ЦИНКА.

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Катодные процессы.

1.1.1. Электролиз растворов.

1.1.2. Электролиз расплавов.

1.2. Анодные процессы

1.3. Патентный обзор.;.

1.3.1. Патенты СССР и РФ.

1.3.2. Иностранные патенты.

1.4. Анализ публикаций.

1.5. Определение целей исследования

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ, ПЛОТНОСТИ ТОКА И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВЫХОД ПО ТОКУ ЦИНКА ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ СУЛЬФАТНЫХ РАСТВОРОВ

2.1 Влияние одиночных примесей

2.2 Совместное влияние примесей.

2.3 Оптимизация процессов.

2.4 Выводы к главе

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЫХОД ПО ТОКУ ЦИНКА И РАСХОД ЭНЕРГИИ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ ЭЛЕК ТРОЛИЗЕ ЧИСТЫХ РАСТВОРОВ

3.1. Влияние концентрации цинка на выход по току.

3.2. Влияние концентрации кислоты на выход по току.

3.3. Поиск оптимальных параметров электролиза

3.4. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

НА ВЫХОД ПО ТОКУ ЦИНКА И РАСХОД ЭНЕРГИИ.

4.1. Электролиз растворов с примесями

4.2. Электролиз растворов без примесей

4.3. Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА НА ВЫХОД ПО ТОКУ

И РАСХОД ЭНЕРГИИ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ РАСПЛАВОВ ХЛОРИДА ЦИНКА.

5.1. Удельная электропроводность расплавов, состоящих из хлоридов цинка, калия и натрия.

5.2. Зависимость выхода по току цинка и удельного расхода энергии от плотности тока

5.3. Выводы к главе

ГЛАВА 6. ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДА ПО ТОКА КИСЛОРОДА НА СВИНЦОВОМ АНОДЕ ОТ ПЛОТНОСТИ ТОКА И СОДЕРЖАНИЯ МАРГАНЦА В ЭЛЕКТРОЛИТЕ.

6.1. Процессы на свинцовом электроде

6.2. Экологические аспекты процессов электроэкстракции цинка и меди

6.3. Выводы к главе 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, моделирование и оптимизация процессов электроэкстракции цинка из растворов и расплавов»

Актуальность темы

Электролитическое извлечение (электроэкстракция) цинка из растворов является процессом энергоемким. Удельный расход энергии в процессе электролиза колеблется в пределах 2900 - 3400 кВт-ч/т катодного цинка. В связи с этим вопросы оптимизации процесса электролиза на основе экспериментальных данных и соответствующих математических моделей являются актуальными. Цель работы

Математическое моделирование процессов электроэкстракции цинка из растворов и расплавов на основе экспериментальных данных, полученных методом планирования эксперимента, оптимизация и прогнозирование процессов. Методы исследования

Математические методы планирования экспериментов. Электролиз растворов и расплавов. Кондуктометрия. Математическое моделирование процессов.

Наиболее существенные научные результаты работы

1. Исследовано системное влияние примесей (Со, Ni, Ge, Sb), температуры (t) и плотности тока (j) на выход по току цинка при электроэкстракции его из сульфатных растворов, в результате чего установлены следующие закономерности:

• зависимость выхода по току цинка от указанных независимых параметров является экстремальной с минимумом для Со, Ni, плотности тока и максимумом для Ge, Sb и температуры;

• плотность тока является наиболее мощным фактором, позволяющим существенно влиять на выход по току цинка, в связи с чем может быть рекомендована для эффективного управления процессом электролиза;

2. Выполнено исследование зависимости катодного выхода цинка по току и удельного расхода энергии от плотности тока, температуры и концентрации цинка и серной кислоты в электролите при электролизе особо чистых растворов, содержащих следы примесей металлов. Получены уравнения регрессии, на основе которых определены оптимальные параметры электролиза, при реализации которых выход по току цинка является максимальным, а удельный расход энергии - минимальным. В условиях принятых ограничений минимальный удельный расход энергии равный 2308 кВт-ч/т может быть получен при следующих значениях независимых переменных: j = 400 А/м2; Zn =120,0 г/л; H2S04 = 80,0 г/л; * = 25,0 °С.

3. Выполнено исследование по системному влиянию плотности тока и концентрации столярного клея на выход по току цинка при электролизе растворов с примесями (Со, Sb) и без них. Установлено, что клей в сочетании с плотностью тока существенно снижает вредное влияние примесей на выход по току. Экспериментально установлено, что выход по току цинка является максимальным при содержании клея в электролите 10 мг/л при электролизе чистых растворов и 40 мг/л - при электролизе растворов с примесями. Показано, что клей при электролизе чистых (беспримесных) растворов снижает выход по току цинка тем больше, чем выше плотность тока.

4. Изучена зависимость электропроводности расплавленной системы ZnCb -КС1- NaCl от состава и температуры, Изучена зависимость выхода по току цинка и расхода энергии при электролизе расплавов от плотности тока и расстояния между электродами. Получена математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс. В условиях принятых ограничений экспериментальные значения выхода по току составили 0,87-0,94 (в долях ед.), а удельного расхода энергии - 2950-3750 кВт ч/т. Показана возможность ведения электролиза в расплавах при плотностях тока на порядок больше, чем при электролизе водных растворов.

5. Исследована зависимость выхода по току кислорода на свинцовом аноде при электроэкстракции цинка от плотности тока и концентрации марганца в электролите. Показано, что гидрометаллургические электролитные заводы позволяют регенерировать кислород в процессе электролиза и поставлять его в атмосферу. Согласно расчетам завод, производящий в год 100 тыс.т. цинка или меди, по выделяемому в атмосферу кислорода эквивалентен 18-20 км2 лесных массивов.

Практическая ценность

1. Предложенные в работе математические модели позволяют найти оптимальные параметры электролиза цинка и на их основе получить высокие значения выхода по току цинка и минимальные - удельного расхода энергии.

2. Рекомендации по оптимальным концентрациям поверхностно-активных веществ в электролите на примере столярного клея (10 мг/л при электролизе чистых электролитов и 40 мг/л - электролитов с примесями) позволяют получить качественные осадки цинка при минимальном расходе энергии.

3. Материалы диссертации могут быть использованы в курсе «Металлургия тяжелых цветных металлов», а также отображены в учебниках и учебных пособиях.

Положения, выносимые на защиту

1. Математические модели процессов осаждения цинка электролизом:

• из сульфатных растворов, содержащих примеси;

• из чистых сульфатных растворов без примесей;

• из расплавов хлорида цинка на основе КС1 - NaCl - LiCl.

2. Математическую модель регенерации кислорода при электроэкстракции цинка и меди из сульфатных растворов.

Апробация работы

Положения диссертационной работы прошли апробацию на научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ), на 1-ой международной конференции «Экологические конференции горных территорий», а также в статьях, опубликованных в научных изданиях. Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях. Структура и объем работы

Диссертация на 79 стр. текста, состоит из введения, 6 глав, основных выводов, библиографического списка из 72 наименований и патентного поиска с ретроспективой в 40 лет, а также 24 рисунков и 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Алкацев, Владимир Михайлович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнена научно-квалификационная работа, в которой представлен комплекс исследований в области электроэкстракции цинка из водных растворов и расплавов.

2. Исследовано системное влияние примесей (Со, Ni, Ge, Sb), температуры и плотности тока на выход по току цинка при электроэкстракции его из сульфатных растворов, в результате чего установлены следующие закономерности:

• зависимость выхода по току от указанных независимых параметров является экстремальной с минимумом для Со, Ni,y и максимумом для Ge, Sb и температуры;

• по убыванию воздействия на выход по току цинка примеси могут быть ранжированы в следующий ряд: Ge, Sb,y, Со, t, Ni;

• плотность тока является наиболее мощным фактором, позволяющим существенно влиять на выход по току цинка, в связи с чем может быть рекомендована для эффективного управления процессом электролиза;

• предложены варианты условного оптимума для получения максимального выхода по току цинка. Экспериментально установлено, что при определенных концентрациях примеси способны увеличивать выход по току цинка. Вместе с тем следует учитывать, что при больших концентрациях примеси осаждаясь совместно с цинком могут снизить качество цинка, а в отдельных случаях проявить свое негативное воздействие через 10-12 часов.

3. Выполнено исследование зависимости выхода цинка по току и удельного расхода энергии от плотности тока, температуры и концентрации цинка и серной кислоты в электролите при электролизе особо чистых растворов, содержащих следы примесей металлов. Получены уравнения регрессии, на основе которых определены оптимальные параметры электролиза, при реализации которых выход по току цинка является максимальным, а удельный расход энергии - минимальным. В условиях принятых ограничений минимальный удельный расход энергии равный Wm;n= 2308 кВт-ч/т может быть получен при следующих значениях независимых переменных: j = 400 А/м2; Zn= 120,0 г/л); H2S04 = 80,0 г/л); / = 25,0°С.

4. Выполнено исследование по системному влиянию плотности тока и концентрации столярного клея на выход по току цинка при электролизе растворов с примесями (Со, Sb) и без них. Установлено, что клей в сочетании с плотностью тока существенно снижает вредное влияние примесей на выход по току. Экспериментально установлено, что выход по току цинка является максимальным при содержании клея в электролите 10 мг/л при электролизе чистых растворов и 40 мг/л - при электролизе растворов с примесями. Показано, что клей при электролизе чистых растворов снижает выход по току цинка тем больше, чем выше плотность тока.

5. Изучена зависимость электропроводности расплавленной системы ZnCb -КС1- NaCl от состава в области концентраций, оптимальных для электролитического получения цинка. Изучена зависимость выхода по току цинка и расхода энергии на получение цинка электролизом расплава хлорида цинка от плотности тока и расстояния между электродами. Получена математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс. В условиях принятых ограничений экспериментальные значения выхода по току составили 0,87-0,94 (в долях ед.), а удельного расхода энергии - 2950-3750 кВт-ч/т. Показана возможность ведения электролиза в расплавах при плотностях тока на порядок больше, чем при электролизе водных растворов.

6. Исследована зависимость выхода по току кислорода на свинцовом аноде при электроэкстракции цинка от плотности тока и концентрации марганца в электролите. Показано, что гидрометаллургические электролитные заводы позволяют регенерировать кислород в процессе электролиза и поставлять его в атмосферу. Согласно расчетам завод, производящий в год 100 тыс.т. цинка или меди, по выделяемому в атмосферу кислорода эквивалентен 18-20 км2 лесных массивов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алкацев, Владимир Михайлович, 2004 год

1. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Т.5. 1966.

2. Химический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Т.5. 1966.3. Пат. 36750 США, 1862.

3. Пат. 14256 (Германия), 1880.

4. Пат. 21775 (Германия), 1881.

5. Hansen С. A. Trans. Am. Inst. Mining Eng. 60, 206 (1918).

6. О. С. Ralston. Electrolytic deposition and hydrometallurgy of zinc. New York: McGraw-Hill book company, 1921.

7. ГаевА.И., Ecuh O.A. Электролиз цинка. Свердловск-Москва: ОНТИ, 1937. 190 с.

8. Лакерник М.М., Пахомова Г.Н. Металлургия цинка и кадмия. М.: Металлургия, 1969. 488 с.

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

10. Стендер В.В., Туромишна У.Ф.//ЖПХ. 1954. T.XXVII, с. 1084.

11. Агеенков В.Г., Каковский И.А. Электрометаллургия водных растворов. М.: Металлургиздат, 1947. 148 с.13 .Хан О.А. Фульман Н.И. Новое в электроосаждении цинка. -М.: Металлургия, 1979.-79 с.

12. Шиврин Г.Н. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1982. 352 с.

13. Тарарин С.В. Электролиз водных растворов в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1990. 176 с.

14. Mackinnon D.J., Fenri P.L. The effect of tin on zinc electrowinning from indus trial acid sulphate electrolyte // J. Appl. Electrochem. 1984. 14. 6. P.p. 701707.

15. Куликов С.С., Вишняков И.А., Михин Я.Я., Погорелый А.Д. Исследование процесса электролиза цинка в промышленных условиях // Изв. вузов. Цвет. Металлургия. 1981. № 2, с.41-43.

16. Куликов С.С. Исследование процесса электролитического получения цинка с целью оптимального управления: дис. Канд. техн. наук. Орджоникидзе. 1982.188 с.lA.Liebscher R. Neue Hutte. 1969. Bd 14. № 11. S. 651-652.

17. Якименко JI.M. Электродные материалы. M.: Химия, 1977.

18. Зайцев ВЯ., Маргулис Е.В. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1985. 263 с.

19. Пат. 597746 (СССР). Способ электролитического извлечения цинка электролизом / Н.И. Фулъман. 1978.

20. Пат. 605862 (СССР). Способ автоматической оптимизации технологического режима электроосаждения цинка / Р.С.Лытвак, JI.TI.Kilm, Г.Г.Раннев. 1978. .

21. Пат. 608853 (СССР). Способ автоматического контроля процесса электроосаждения цинка/Р.С.Литвак, М.М.Табачников. 1978.

22. Пат. 644873 (СССР). Способ непрерывного автоматического контроля ка чества катодного цинка в процессе его осаждения / М.М.Табачни-ков, Р.СЛитвак. 1978.

23. Пат. 596661 (СССР). Способ электроосаждения цинка I Н.И.Фулъман, О.А.Хан, Э.О.Пелъке и др. 1978.

24. Пат. 1055779 (СССР). Способ охлаждения электролитов цинкового производства/ Ф.И.Эрет, Н.В.Ходов. 1979.

25. Пат. 699036 (СССР). Электролит для электроэкстракции цинка / В.С.Колеватова. 1979.

26. Пат. 936644 (СССР). Электролит для получения цинка / М.К.Наурыз-баев, В.П.Гладышев, В.В.Могильный и др. 1980.

27. Пат. 978611 (СССР). Электролит для получения цинка / В.П. Гладышев, М.К. Наурызбаев, В.А. Могильный и др. 1980.

28. Пат. 865988 (СССР). Способ извлечения цинка из сернокислых растворов электролизом I Х.Ш.Габитов, О.Г.Шлемова. 1981.

29. Пат. 1014991 (СССР). Электролит для получения цинка / Ю.А.Ники-тин, Г.А.Комлев, Б.И.Лязгин, И.И.Трифонов. 1983.

30. Пат. 1016400 (СССР). Способ извлечения цинка из сернокислых растворов электролизом / Х.Ш.Габитов, Л.Ф.Трошина, А.Н.Воложанин. 1983.

31. Пат. 1073341 (СССР). Способ извлечения цинка из сернокислых растворов электролизом / О.С.Хаскова, Н.И.Фульман. 1984.

32. Пат. 1397542 (СССР). Способ электролитического рафинирования цинка /

33. A.Козыбаев, В.В.Могильный, Т.З. Ахметов. 1988.

34. Пат. 1587956 (СССР). Способ электролитического извлечения цинка / Н.А.Волкова, С.В.Крашенина, О.Г.Шлемова и др. 1988.

35. Пат. 1630328 (СССР). Способ электролитического получения цинка /

36. B.В.Могильный, М.К.Наурызбаев, М.М.Ибраев и др. 1989.

37. Пат. 1669219 (СССР). Способ получения цинка высокой чистоты / Л.Ф.Козин, Е.О.Бережной, В. И. Огородницу к и др. 1989.

38. Пат. 1709760 (СССР). Способ электролитического получения цинка / Н.А.Волкова, С.В.Крашенина, Ю.М.Усольцев. 1990.

39. Пат. 2075549 (РФ). Способ получения катодного цинка /Г.М.Яшина. 1997.

40. Пат. 0034391 (ЕР). Применение свинцового сплава для изготовления анодов, применяемых при электролитическом производстве цинка. 1981.

41. Пат. 508934 (FR). Способ выделения цинка при помощи водородных анодов / W. Juda. 1981.

42. Пат. OS 3225470 (DE). Электролитический способ экстракции цинка с помощью водородных анодов. 1983.

43. Пат. 4345980 (US). Электрохимический способ получения цинка. 1982.

44. Пат. 4379037 (US). Способ очистки водных кислых растворов сульфата цинка от марганца и хлорид ионов / Gerald L. Bolton. 1983.

45. Пат. 4412894 (US). Электрохимический способ получения цинка с во дородными анодами. 1983.

46. Пат. 4431496 (US). Электрохимический способ получения цинка. 1984.

47. Пат. 4437953 (US). Способ контроля раствора в установке контроля осаждения цинка. 1984.

48. Пат. 4465569 (US). Способ получения цинка из растворов хлорида, со держащих в основном железо, медь и цинк. 1984.

49. Пат. 58-27354 (JP). Способ и установка для охлаждения циркулирующего электролита для осаждения цинкового покрытия. 1983.

50. Пат. 60-15714 (JP). Электролитический способ выделения цинка с применением водородного анода. 1985.

51. Пат. 83/03627 (WO). Способ и установка для извлечения цинка из промышленных металлических содержащих цинк отходов. 1983.

52. Пат. 86/ 02107 (WO). Способ получения цинка из руд и концентратов1986.

53. Справочник по электрохимии / Под. Ред. А.М.Сухотина. JL: Химия, 1981. 488 с.

54. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика. 1981. 263 с.

55. Алкацев В.М., Еналдиев В.М., Алкацев М.И. Системный анализ влияния различных факторов на показатели электролиза сульфатных цинковых растворов // Изв. вузов. Цв. Металлургия. 1988. №5. С.46.

56. Лоскутов Ф.М. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургиздат, 1956. 478 с.

57. Добош Д. Электрохимические константы / Справочник для электрохимиков. Пер. с англ. И венг. М.: Мир, 1980. - 365 с.

58. Новик Ф.С., АрсовЯ.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.

59. Лесная энциклопедия. Т.2. М.: Советская энциклопедия. 1986.списокпубликаций по теме диссертации

60. Ходов Н.В., Алкацев В.М., Данилин JI.A. Влияние плотности тока на расход энергии при электролизе расплава хлорида цинка // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1987. №4. С.113 114.

61. Алкацев В.М., Еналдиев В.М., Алкацев М.И., Кабисов ИХ. Системный анализ влияния различных факторов на показатели электролиза сульфатных цинковых растворов // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1988. №5. С. 46 49.

62. Алкацев МИ., Алкацев В.М. Электролизные заводы цветной металлургии -источники поступления кислорода в атмосферу. Тез. Докл. Участников I-ой междунар. Конф. «Экологические проблемы горных территорий». Владикавказ, 1992. С.200 202.

63. Алкацев В.М., Кондратьев Ю.И. Зависимость выхода по току цинка от различных факторов // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2003. №1. С.60 66.

64. Алкацев В.М. Зависимость выхода по току цинка от различных факторов при электролизе сернокислых растворов // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. №2. С.24 28.