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/лH2S04 = 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 ZnCbКС1- 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.

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 ZnCbКС1- 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.