Исследование, моделирование и оптимизация процессов извлечения меди из разбавленных растворов электрохимическими методами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Келехсаев, Алим Васильевич

• Келехсаев, Алим Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Келехсаев, Алим Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

ТЕХНОЛОГИЙ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕДИ ИЗ РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ.

1.1. Извлечение меди электролизом с нерастворимыми анодами.

1.2. Осаждение меди на псевдоожиженном катоде.

1.3. Осаждение меди на насыпном фильтрующем катоде.

1.4. Осаждение меди во вращающемся электролизере.

1.5. Извлечение меди цементацией.

1.6. Извлечение меди методом внутреннего электролиза.

1.7. Процесс «Экстракция - реэкстракция - электролиз»

1.8. Анализ публикаций в области извлечения меди из разбавленных растворов.

1.9. Определение целей исследования

ГЛАВА 2. НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ КОМПАКТНЫХ ОСАДКОВ МЕДИ ЦЕМЕНТАЦИЕЙ ЖЕЛЕЗОМ И ЦИНКОМ.

2.1. Электролиз без перемешивания электролита

2.2. .Электролиз с вращающимся катодом

ГЛАВА 3. ЗАВИСИМОСТЬ ВЕЛИЧИНЫ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ТОКА РАЗРЯДА ИОНОВ МЕДИ (II) ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАЛЛА И КИСЛОТЫ В РАСТВОРЕ

ГЛАВА 4. КИНЕТИКА ЦЕМЕНТАЦИИ МЕДИ ЖЕЛЕЗОМ ИЗ

КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ

ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОЭКСТРАКЦИЯ МЕДИ ИЗ РАЗБАВЛЕННЫХ СЕРНОКИСЛЫХ РАСТВОРОВ НА ВРАЩАЮЩЕМСЯ ДИСКОВОМ КАТОДЕ.

МЕТОДИКИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, моделирование и оптимизация процессов извлечения меди из разбавленных растворов электрохимическими методами»

Актуальность темы

Извлечение меди из растворов, получаемых выщелачиванием медного сырья, связано со значительным расходом энергии (до 3000 кВт-ч/т). В связи с этим вопросы разработки новых технологий и, оптимизации используемых в настоящее время, являются актуальными. Цель работы

Разработка энергетически выгодных электрохимических способов (электролиз и цементация) извлечения меди из сульфатных растворов с низкой концентрацией металла (Си <10 г/л). Математическое моделирование процессов и их оптимизация. Методы исследования

Электролиз водных растворов. Измерение катодной поляризации. Математические методы планирования эксперимента. Математическое моделирование и оптимизация.

Наиболее существенные научные результаты работы

1. Исследованы процессы получения кондиционных осадков меди методом внутреннего электролиза, в результате чего получены следующие математические модели:

• зависимость выхода кондиционных осадков от концентрации меди и серной кислоты в растворе (без перемешивания раствора и вращающимся дисковым катодом) при использовании в качестве источников тока гальванических пар: Fe-Cu и Zn-Cu;

• зависимость предельной плотности тока разряда ионов меди на неподвижном катоде от концентрации меди в растворе (Си < 10,0 г/л);

• кинетическое уравнение цементации меди железным порошком в растворах с концентрацией Си = 10- 20 г/л.

2. Исследованы процессы электроэкстракции меди из разбавленных растворов (Си =1-5 г/л) с использованием свинцовых анодов и вращающегося катода, в результате чего получены следующие математические модели:

• зависимость выхода по току меди и удельного расхода энергии при электроэкстракции меди с использованием нерастворимого свинцового анода от концентрации меди, плотности тока и скорости вращения дискового катода.

3. На основе полученных математических моделей найдены оптимальные параметры цементации и электролиза.

Практическая значимость

1. Показана возможность осаждения меди с высокой скоростью цементацией из растворов с концентрацией 10-15 г/л путем предварительного осаждения на поверхности частиц металла-цементатора меди в режиме предельного тока.

2. Экспериментально показана возможность получения качественных медных осадков на вращающемся дисковом катоде методом внутреннего электролиза со скоростями сопоставимыми с электролизом при использовании внешнего источника тока. Установлено, что зависимость выхода плотных осадков меди от отношения поверхностей катода и анода является экстремальной, а от концентрации меди в растворе - экспоненциальной.

4. Материалы исследования рекомендуется использовать в гидрометаллур гии меди и никеля, а также в учебном процессе.

Положения, выносимые на защиту

Математические модели процессов осаждения меди из разбавленных растворов цементацией, внутренним электролизом и электролизом с нерастворимыми анодами. Апробация работы

Положения диссертационной работы прошли апробацию на научно- технических конференциях и научных семинарах СКГМИ (ГТУ), а также в 6 статьях, опубликованных в научных изданиях. Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях. Структура и объем работы

Диссертация объемом 54 стр. состоит из введения, 5 глав, основных выводов!, библиографического списка из 39 наименований и патентного поиска с ретроспективой в 40 лет, а также 7 рисунков и 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Келехсаев, Алим Васильевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен информационно-аналитический обзор состояния технологий извлечения меди из разбавленных сульфатных растворов (Си <10 г/л) в результате которого предпочтение отдано электрохимическим способам (электролиз, цементация).

2. Выполнена научно-квалификационная работа по извлечению меди из растворов цементацией железом и цинком, электролизом с нерастворимыми анодами и внутренним электролизом.

3. Исследованы процессы получения компактных кондиционных катодных осадков меди методом внутреннего электролиза с вращающимся в вертикальной плоскости дисковым катодом и неподвижным анодом, состоящим из железа или цинка. Получены следующие закономерности:

• математическая модель зависимости доли меди, осаждаемой на дисковом макрокатоде, от суммарной массы меди, осевшей на катоде и металле-цементаторе (Бе или Ъъ) от состава раствора и скорости вращения катода;

• показано, что при электролизе без перемешивания раствора максимальный выход меди на дисковом катоде достигается при минимальной концентрации меди и кислоты в растворе;

4. Методом поляризационных кривых определены предельные плотности тока при разряде ионов меди на катоде в растворах, содержащих медь и серную кислоту в пределах 0,6 - 10,0 г/л. 2. Установлено, что по силе влияния на величину предельной плотности тока медь существенно превосходит влияние кислоты. Получены адекватные уравнения регрессии в безразмерном и размерном масштабах независимых переменных.

5. Исследована кинетика процессов цементации меди железным порошком из сульфатных растворов с концентрацией меди в пределах 10 — 20 г/л. Показана возможность количественного осаждения меди из растворов цементацией в две стадии без предварительного разбавления их. Получены кинетические уравнения осаждения меди.

6. Найдены условия электроэкстракции меди из растворов, при которых можно получать на вращающемся катоде (либо при перемешивании электролита) качественные катодные осадки меди при концентрациях меди в растворе менее 5 г/л. Установлены оптимальные параметры электролиза, при которых удельный расход энергии является минимальным. Установлено, что деполяризующее влияние ионов Бе (II) на анодные процессы при концентрациях ниже 5 г/л несущественно. На основе полученных математических моделей предложены оптимальные параметры электролиза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Келехсаев, Алим Васильевич, 2005 год

1. Пат. 2182120 (RU). Аппарат для электрохимической очистки сточных вод / Элъкинд K.M., Смирнова В.М., Кондратов П.Ю., Трунова И.Г., Никитин В.И., Тишков КН. 2002.

2. Пат. 2189947 (RU). Установка для очистки сточных вод / 2002.

3. Тафель В. Металлургия меди. М., Л.: Цветметиздат, 1932. С. 256-257.

4. Пат. 2145983 (RU). Способ электролиза водных растворов сульфатов металлов /Алиев З.М., Курсаков С.В. 2000.

5. Пат. 2054387 (RU). Способ очистки сточных вод от ионов тяжёлых цветных металлов /Акимов Л.И., Вознесенский С.Д., Ганичев A.B. 1996.

6. Пат. 2014285 (RU). Способ извлечения металлов из растворов, преимущественно из сточных вод /Курдюмов Г.М., Чернова О П., Куликова A.B., Самсонова А.К., Ватеркина Т.А., Похвиснева В.Б. 1994.

7. Пат. 1678905 (RU). Способ извлечения меди из раствора / Воропаев Л.В., Даубарас Р.Ю., Мартинович В.Л., СмолягИ.Л. 1994.

8. Пат. 1548230 (RU). Способ переработки раствора электролитического рафинирования меди / Кудряшов Ю.Е., Куэюелев А.Е., Лебедев А.Е. , 1990.

9. Пат. 908956 (RU). Способ очистки отработанных травильных растворов от меди путём электролиза / Акалович В.В., Матвейко H.H., Булатова A.A., Кирковская Е.В. 1982.

10. Ю.Пат. 514916 (RU). Способ электролитического получения меди / Лоды-ceea М.С., Корсунский В.И., Орехов М.А., Жильцов К.К., Кривоусов Б.А., Титаренко А.Г. 1976.

11. Пат. 4911804 (USA). Электрохимический реактор для извлечения меди из обеднённых растворов. 1998.

12. Пат. 62-4470 (JP). Способ электролитического извлечения. 1988.

13. Пат. 25 139 (DDR). Проточный способ для непрерывного электролитического обезмеживания сернокислых растворов. 1988.

14. Пат. 61 -60148 (JP). Способ извлечения металлической меди из кислых отработанных растворов. 1987.

15. Сучков А.Б. Проблемы интенсификации электролиза в металлургии. 1976. С. 248.

16. Kreysa G., Gundelach V., Linzbach G. Erstellung und Erprobung eines Prozesessmodells fur die wirbeilbett Elektrolyse mit Mikrorechner Unterstutzug // Vhemie - Ingenieur - Technic. 1983, Bd 55, H.12. S. 952958.

17. Смирнов Н.И., Зуева Г.А. Электроосаждение меди на псевдоожиженном катоде. Усть-Каменогорск. 1985. С. 43-47.

18. Tison R. P., Howie В. I. Copper recovery from dilute solutions using a barrel plater // Plating and Surface Finishing. 1984. Vol. 71.№ 9. P. 54-56.

19. Селицкий Г.А. Электрокоагуляционный метод очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов. Москва: 1978.

20. Алкацев М.И. Процессы цементации в цветной металлургии. 1981. С. 46.

21. Алкацгв М.И. Получение кондиционных осадков металлов методом цементации // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1978. № 6. С. 21-26.

22. Пат. 2144962 (RU). Способ извлечения меди из растворов / Лолейт С.И., Калмыков Ю.М., Давыдовая В.Я., Агафонов О.В., Ильченко Г.А. 2000.

23. Набойченко С. С., Смирнов В.И. Гидрометаллургия меди. М.: Металлургия, 1974.31 .Алексеевский Е.В., ГолъцР.К, Мусакин А.П. Количественный анализ.Л.: ГНТИ химической литературы, 1957.

24. Ъ2.Келехсаев A.B. Некоторые закономерности образования компактных осадков меди цементацией железом и цинком // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 2. С. 62.

25. ЪЪ.Келехсаев A.B., Алкацев М.И. Закономерности образования компактных осадков меди цементацией железом и цинком на вращающемся диске // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 3. С. 24.

26. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. М.: Металлургиздат, 1963.

27. Алкацев М.И. Теоретические основы процессов цементации. Владикавказ: «Терек», 1993. 70 с.

28. Ерофеев Б.Д. ДАН СССР, 1946, т. 52, с. 515-518.

29. Ъ1.Сакович Г.В. Научные труды / Томский государственный Университет. Томск, 1955, т.26, с. 103-110.

30. Тенденции развития и достижения в области гидрометаллургии меди / Производство тяжелых цветных металлов: обзорная информация, 1986, вып.З. С.41.

31. Новик Ф.С., АрсовЯ.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, София: Техника, 1980. 304 с.списокпубликаций по теме диссертации

32. Келехсаев A.B. Обзор способов выделения меди из водных растворов с низкой концентрацией металла // Труды молодых ученых Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 1. С. 17 22.

33. Келехсаев A.B. Некоторые закономерности образования компактных осадков меди цементацией железом и цинком // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 2. С.62 66.

34. Келехсаев A.B., Алкацев М.И. Закономерности образования компактных осадков меди цементацией железом и цинком на вращающемся диске // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 3. С.24-26.

35. Келехсаев A.B., Алкацев М.И. Зависимость величины предельной плотности тока разряда ионов меди (II) от концентрации металла и кислоты в растворе // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2005. № 1. С.37-41.

36. Келехсаев A.B., Алкацев М.И. Кинетика цементации меди железом из концентрированных растворов // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2005. № 2. С. .

37. Келехсаев A.B., Алкацев М.И. Электроэкстракция меди из разбавленных сернокислых растворов на вращающемся дисковом катоде // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2005. № 3. С. .