title-icon
Яндекс.Метрика
» » Электроосаждение цинка из раствора

Электроосаждение цинка из раствора

Электролиз очищенных цинковых растворов осуществляется в ваннах, аналогичных по конструкции ваннам, используемым для электролиза меди.
Современные заводы чаще всего применяют ванны из сборного железобетона (иногда стальные) с защитой из кислотоупорных материалов типа асфальта или рубракса с обклейкой рубероидом на битуме в два слоя и вкладышем из 8-мм винипласта. Из винипласта делается и обортовка ванн и сливные коробки. Снаружи ванны окрашивают кислотоупорной краской или битумом. В дне ванн имеется отверстие для выпуска шлама. Известны случаи сооружения ванн из армированных пластмасс. Как правило, на старых заводах ванны длинными бортами устанавливают рядом и, таким образом, объединяют в блоки (каскады) по 20—30 ванн В случае выхода из строя ванна может быть заменена новой. Каскады располагают перпендикулярно продольной оси цеха (поперек пролета) с проходами между ними.
На новых заводах принята более удобная расстановка: ванны устанавливают длинными сторонами поперек пролета попарно. В проходы между рядами ванн в обоих случаях может заезжать электрокар.
Циркуляция электролита индивидуальная. Ток от ванны к ванне передают последовательно путем контакта разноименных электродов. Для лучшего распределения тока электроды соединяют на уравнительной трехгранной промежуточной медной шине. Размеры ванн находятся в следующих пределах: длина 2,5—4 м, ширина 0.85 м, глубина 1,3—1,4 м. Для отечественных заводов типичны ванны длиной 2,0—2,3 м с 28—33 парами электродов
Кроме винипластовой, целесообразно изготовление обкладки ванн из полипропилена и других, менее хрупких, чем винипласт, пластмасс.
Аноды изготовляют из свинца с добавкой 1% серебра, что снижает их коррозию. Этому же способствует обработка анодов горячим раствором (80° С) KMnO4 + H2SO4. Толщина анода 6—8 мм. Лучше всего служат 8 мм катаные аноды с почти гладкой поверхностью. Срок службы анодов до 4 лет- Катоды применяют из листового алюминия толщиной 4 мм.
Края катодов защищают резиновыми рейками, предупреждающими срастание цинка и образование дендритов. От края катода до борта ванны оставляют 70—75 мм.
Типичные размеры катода следующие полная высота 1100 мм, рабочая высота 900 мм, ширина 660 мм, рабочая поверхность 1,2—1,25 м2. Полная высота анода соответственно 1100 мм, ширина 640 мм. Катоды очищают 1 раз в 10 дней на катодоочистительной машине, аноды — 1 раз в 20—25 дней. Износ катодов равен 1,5 кг, а анодов 0,8—1,5 кг на 1 т цинка.
Во время электролиза на катоде осаждается металлический цинк, на аноде выделяется газообразный кислород, а в растворе образуется H2SO4 При этом происходят следующие процессы: на катоде Zn2+ + 2е = Zn; на аноде H2O — 2е = 2Н+ + 1/2О2; в ванне ZnSO4 + H2O = Zn + H2SO4 + 1/2O2
Процесс происходит с затратой, по теоретическому расчету, около 420 кДж. Вследствие выделения кислорода электролит в ванне хорошо перемешивается, но несколько разбрызгивается. Чтобы оздоровить атмосферу в цехе, в электролит вводят образующие пену экстракты мыльного корня или лакрицы (около 150 г/т цинка). Брызги тогда задерживаются в слое пены. В общепринятых условиях электролиз ведут в кислой среде (120—200 г/л H2SO4). Теоретическое напряжение разложения ZnSO4 составляет 2,45 В (—0,76 В на катоде и 1,69 В на аноде). При неравновесном процессе электроосаждения потенциалы электродов в зависимости от плотности тока возрастают на катоде до —0,85 В, а на аноде до +2,04 В. Выделение цинка на катоде возможно только потому, что на алюминиевом листе, а потом на цинке выделение водорода происходит с большим перенапряжением, достигающим в рабочих условиях — 1,1/-1,15 В.
Для расчета рабочего напряжения на ванне необходимо еще знать сопротивление электролита и расстояние анод — катод. Сопротивление электролита понижается с увеличением температуры и повышается с ростом концентрации цинка. В рабочих пределах кислотности 120—200 г/л при содержании цинка 40 г/л и температуре 35°С сопротивление растет почти линейно от 20 м*см при 200 г л до 2,9 Ом*см при кислотности 120 г/л. Для расчетов электропроводности А.Ф. Никифоровым предложено уравнение

где К — кислотность, г/л;
Ц — содержание цинка, г/л;
T — температура, °C.
Межэлектродное расстояние обычно измеряют от центра до центра между одноименными электродами. В настоящее время расстояние анод — анод на отечественных заводах можно считать равным 60 мм. При сближении электродов до 60 мм на анод устанавливают винипластовые упоры-ограничители, предупреждающие короткие замыкания анода с катодом. При катаных анодах для этого достаточно установить на нижнем крае анодов два кольца. Иногда можно ограничиться катодными рейками.
Потеря напряжения в электролите равна
Электроосаждение цинка из раствора

l — расстояние анод — катод, см;
а — толщина анода, см;
k — толщина катода, см;
D — плотность тока, A/м2;
P — удельное сопротивление электролита, Ом*см.
Если электролит содержит примеси натрия, магния и алюминия, то сопротивление его возрастает ориентировочно на 2% на каждый 1 г примеси в литре. Эти примеси, креме того, несколько снижают выход по току. Потери в контактах в сумме составляют 0,03—0,04 В.
Общее напряжение на ванне Ев, В, определяется уравнением Eв = Eа — Eк + Eкон + Ешл, где Ea и Eк — потенциалы анода и катода; Еэл — потеря напряжения в электролите; Екон — потеря напряжения в контактах; Ешл — потеря напряжения в слое шлама. На практике Eв = 3,3 + 3,4 В, что указывает на необходимость своевременной чистки анодов от шлама, так как сумма всех прочих величин, кроме Ешл, равна ~ 3,2 В. Следует отметить небольшой рост потенциалов анода к катода с повышением D от 400 до 1000 А/м2. Прочие потери напряжения растут быстро, почти прямо пропорционально D.
Удовлетворительные результаты при электроосаждении цинка можно получить начиная с D = 250 A/м2 при содержании цинка в электролите 40—45 г л, температуре 35—45° С и кислотности около 100 г л. Обычно отечественные заводы работают на плотностях тока 550—650 A/м2. При этом, чтобы получить гладкие осадки, в электролит добавляют столярный клей. Выход по току в производстве цинка обычно равен 88—92%, а расход электроэнергии постоянного тока составляет 3,4*1000:1,22*0,92 = 3030 кВт*ч/т цинка. Охлаждение электролита может быть индивидуальным в каждой ванне с помощью алюминиевых или углеродистых змеевиков или централизованное вакуум-испарительное при 10—12-кратной циркуляции раствора. Перепад температур циркулирующего электролита 7—10°С.
Для расчета скорости подачи нейтрального раствора в ванну, в литрах в час (v), следует пользоваться следующей формулой:
v = 1,22In: (Цн — Цо),

где I — сила тока в цепи, А;
n — выход по току, доли единицы,
Цy — содержание цинка в нейтральном растворе, г/л;
Цо — содержание цинка в отработанном электролите г/л.
Цинк с алюминиевых катодов, как правило, сдирают раз в сутки, иногда раз в двое суток. Для облегчения сдирки в период установки катодов в ванну подают раствор «рвотного» камня из расчета 0,2 мг л сурьмы. Эту добавку частично вводят непрерывно с клеем и частично единовременно во время сдирки.
Чистота катодного осадка зависит от чистоты нейтрального раствора и состояния анодов, которые не только окисляются, и несколько растворяются. Содержание свинца в электролите может достигать 4—7 мг/л, оно повышается с увеличением концентрации в электролите хлора. Примеси более электроположительные, чем цинк, разряжаются на предельном токе одновременно с цинком и, следовательно, выделяются из раствора не полностью. В катодный осадок переходит 5—20% примесей (Cu, Cd, Co) от их содержания в подаваемом растворе. В отработанном электролите содержится, г/л: 45—50 цинка, 150—200 серной кислоты. Катодный цинк содержит тысячные доли процента, свинца, меди, кадмия, железа.
Основные показатели процесса электролиза цинка на отечественных заводах следующие:


title-icon Подобные новости