Расчет процесса электролиза цинка из сульфатного раствора - Курсовая работа

4.1 Теоретические положения 4.2 Основные показатели процесса электролизаМеталлический цинк обладает характерным голубоватым блеском на свежей поверхности, который он быстро теряет во влажном воздухе. При комнатной температуре цинк хрупок, при 100-150° С становится пластичным и легко прокатывается в тонкие листы и проволоку, а при 200-250° С вновь становится очень хрупким и его можно быть истолочь в порошок. Кристаллизуется в гексагональной решетке с параметрами а = 2,6594A, с = 4,9370A. Температурный коэффициент линейного расширения 39,7·10-3 (20-250 °С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/(м ·К) 0,265 кал/см·сек·°С (20 °С), удельное электросопротивление 5,9·10-6 ом·см (20 °С), удельная теплоемкость Цинка 25,433 кдж/(кг·К.) [6,07 кал/(г·°С)].Цинк является довольно активным металлом. Он легко взаимодействует с кислородом, галогенами, серой и фосфором: 2 Zn О2 = 2 ZNO (оксид цинка); (1) При нагревании взаимодействует с аммиаком, в результате чего образуется нитрид цинка: 3 Zn 2 NH3 = Zn2N3 3 Н2, (5) а также с водой: Zn Н2О = ZNO Н2 (6) и сероводородом: Zn Н2S = ZNS Н2.Положение цинка в таблице электрохимических потенциалов металлических элементов указывает, что он способен защитить железо, сталь и медные сплавы от коррозии. Такие сплавы имеют хорошую коррозионную стойкость; цинк, расходуемый на их получение, потребляется примерно в том же количестве, что и цинк, идущий на цинкование. Цинк с небольшими добавками других металлов применяется как кровельный материал, для изготовления фрикционных накладок барабанных тормозов, сухих гальванических элементов и электрических конденсаторов. Благодаря способности давать сплавы с серебром и золотом, цинк используется в металлургии для извлечения благородных металлов. Цинковая пыль применяется для осаждения золота и серебра из растворов при их получении гидрометаллургическим путем, для очистки растворов от меди и кадмия перед электролизом растворов цинка.Для извлечения цинка из концентратов применяют два способа: пирометаллургический (дистилляционный), показанный на рисунке 1 и гидрометаллургический (электролитический), показанный на рисунке 2. Технология способа и его аппаратурное оформление связаны с особенностями восстановления цинка из оксида. Восстановление оксида цинка до металла углеродом и СО происходит при температуре свыше 1000-1100 °С (температура кипения цинка 906°С). Дистилляционный способ связан с большой затратой топлива и огнеупорных материалов и дает цинк только низших марок, а для получения высококачественной продукции требуется рафинирование. В основе гидрометаллургической схемы заложено выщелачивание оксида цинка из обожженного цинкового концентрата разбавленной серной кислотой: ZNO H2S04 = ZNS04 H20.Назначение операции выщелачивания огарка - растворить как можно полнее соединения цинка, содержащиеся в огарке, и получить чистые растворы для электролиза. Растворение происходит в сернокислых растворах. Выбор серной кислоты как растворителя обусловлен хорошей растворимостью в ней ZNO, условиями последующей операции электролитического восстановления цинка, а также наличием на любом цинковом заводе в достаточном количестве серной кислоты, получаемой при электролизе и производимой на месте из обжиговых газов. Оксид цинка хорошо растворим в слабых растворах серной кислоты, сульфат цинка - в воде: ZNO H2SO4 = ZNSO4 H2O.Примеси в растворе сульфата цинка в соответствии со способами выведения их из раствора можно разделить на группы. Первая группа объединяет примеси, которые можно удалить из раствора гидролизом, соосаждением, адсорбцией и коагуляцией: железо, медь, алюминий, мышьяк, сурьма, индий, германий, галлий, кремнезем.Следовательно, при реализации электролитического восстановления цинка из раствора необходимо, чтобы продукты анодного процесса не загрязняли электролит, а сам процесс шел с минимальным расходом энергии; кроме того, выделяющиеся на аноде вещества не должны быть токсичными, В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет процесс анодного разложения воды с образованием газообразного кислорода: E0= 1,229 В Катионы, более отрицательные, чем цинк - магний, натрий, калий, марганец - не очень влияют на электроосаждение цинка, так как эти примеси не разряжаются на катоде и не загрязняют цинк, но накопление таких катионов ведет к повышению вязкости и удельного сопротивления электролита, вследствие чего увеличивается напряжение на ванне и возрастает расход электроэнергии при электролитическом выделении цинка. Определяют выход по току как долю электрического тока, затраченного на осаждение цинка, от количества прошедшего через катод электричества: , где ? - выход по току, %; MZN - масса цинка, осажденного на ванне или серии ванн, кг; Q - количество электричества, затраченного на электролиз на ванне или серии ванн за тот же период времени, А·ч; g - электрохимический эквивалент цинка [g = l,22 г/(А·ч)]. Напряжение на ванне складывается из следующих величин: где Еа и Ек - электродный потенциал анода и катода, В; Dja и Djk - а

Содержание

Введение

1 Общие сведения

1.1 Физические свойства

1.2 Химические свойства

1.3 Применение цинка

2 Вещественный состав цинкосодержащих руд и концентратов

3 Способы переработки цинкового концентрата

3.1 Обжиг цинковых концентратов перед выщелачиванием

3.2 Выщелачивание обожженного концентрата

3.3 Очистка раствора сульфата цинка от примесей

4 Электроосаждение цинка

Введение

Переработка цинковых руд началась в глубокой древности при выплавки латуни (сплав цинка с медью). Еще в V в. до н. э. в Индии окисленную руду переплавляли в небольших горнах с углем и медью. Позднее латунь начали выплавлять в Китае и других странах Востока.

До середины XVII в. Цинк в Европе не производили, хотя еще в конце XIII в. Марко Поло описал, как получают цинк в Персии. Крупнейшие ученые XVI в. Парацельс и Агрикола в своих трудах уделяли место выплавке цинка. Однако заводское получение цинка организовать не удалось.

Цинк пытались получить точно так же, как и другие металлы: обжигали руду, превращая соединения цинка в оксид, и восстанавливали его углем, предполагая выплавить металл. Цинк при этом восстанавливался до металлического, но не выплавлялся, так как при температуре процесса он весь испарялся и, окисляясь в газовой фазе печи кислородом воздуха, снова превращался в оксид цинка. Наладить производство цинка в странах Европы удалось лишь после того, как руду стали восстанавливать в закрытых ретортах без доступа воздуха.

В 1743 г. в Бристоле (Англия) заработал первый в Европе цинковый завод. На американском континенте первый цинковый завод был построен в 1850 г.

В настоящее время производство цинка по масштабам уступает только производству железа, алюминия и меди

Отечественная цинковая промышленность была создана после Великой Октябрьской социалистической революции. До революции в России работал один цинковый завод в г. Орджоникидзе, который удовлетворял потребности страны в цинке не более чем на 5%. В 1929 г. был построен цинкдистилляционный завод в г. Константинове, в 1931 г. начал работать такой же завод в г. Белово, в 1933 г. пустили первый в стране завод “Электроцинк” (г. Орджоникидзе), а в 1935 г. Челябинский цинкэлектролитный завод.

Цинковая промышленность России не играет сколько-нибудь важной роли в мире, однако очень важна для отечественной экономики. Добыча цинка в России составляет лишь 1,7% от мировой, а производство рафинированного цинка - 2,7%. Низким остается уровень потребления цинка в стране - около 1 кг/чел., это намного ниже среднемирового.

В России цинк извлекается из медноколчеданных месторождений Урала, а также из полиметаллических месторождений в горах Южной Сибири и Приморья. На долю месторождений Уральского региона (Башкирия, Челябинская и Оренбургская обл.) приходится более 75% объема выпуска российских цинковых концентратов. Обеспеченность разведанными запасами эксплуатируемых месторождений в целом по стране хорошая и составляет 27 лет - на столько времени хватит известных ныне достоверных запасов, чтобы обеспечить нынешний уровень добычи.

Мировые цены на цинк в последние годы стремительно падают: среднегодовая цена 1 т цинка в 2000 г. на бирже равнялась 1128 долл., в 2001 г. - 885, а в 2002 г. - 778 долл. Все это стало следствием избыточного выпуска цинка, особенно в странах Азии, а также отражением того, что в мире имеется множество бездействующих мощностей по выплавке этого металла. При нынешней ситуации на рынке цинка около четверти всех цинковых рудников мира не покрывают свои эксплуатационные расходы. Прибыль некоторые цинковые предприятия получают только в результате извлечения попутно с цинком других металлов, например серебра, индия, кадмия, а также от реализации серной кислоты, получаемой как побочный продукт при выплавке. [1], [3]