Факторы, определяющие процесс электролиза
Чистота электролита определяет показатели процесса электроосаждения цинка и качество катодного цинка. Чем чище электролит, тем выше выход цинка по току и качество цинка.
Состав электролита в ванне, где проходит процесс электролиза цинка, определяется в основном составом нейтрального раствора, поступающего в электролизные ванны, и кислотным режимом. Приближенно можно считать, что отработанный кислый электролит, выходящий из ванны, по своему составу соответствует электролиту, находящемуся в межэлектродном пространстве. Предел допустимых содержаний примесей в нейтральном растворе: 3-15 г/дм3Mn;не более 2мг/дм3Cd; не более 0,1мг/дм3As; не более 0,15 мг/дм3Sb; не более 2 мг/дм3Co; не более 1,0 мг/дм3N; не более 0,01мг/дм3Ge; не более 2 г/дм3Ca;не более 20 г/дм3Na; не более 20 г/дм3K; не более 15 г/дм3Mg; не более 200 мг/дм3Cl; не более 50 мг/дм3F.
От концентрации цинка в нейтральном электролите зависит как выход по току, так и удельный расход электроэнергии на электролиз.В нейтральном растворе, поступающего на электролиз, по заводским данным содержится 135 г/дм3 цинка. При такой концентрации электролиз может осуществляться при кислотности 123 г/дм3. При этом в отработанном электролите будет оставаться 53 г/дм3 цинка.
Повышать беспредельно концентрацию цинка нельзя из-за возможного ухудшения отстаивания и фильтрации пульпы и растворов в цехе выщелачивания. Оставлять в отработанном электролите цинка свыше 55 г/дм3 невыгодно экономически, ввиду снижения производительности цеха выщелачивания по металлу, так как в этом случае с каждого 1 м3 нейтрального электролита будет извлекаться меньше металла. Поэтому при выборе оптимальной концентрации цинка в нейтральном электролите руководствуются техническими и экономическими подсчетами.
Таким образом, чем чище электролит, тем выше может быть задана кислотность и тем больше может быть снижено напряжение на ванне и снижен расход электроэнергии.
Все примеси, содержащиеся в цинковом электролите, можно разделить на три группы: катионы (примеси более положительные по своему стандартному потенциалу и примеси более отрицательные, чем цинк), анионы и органические примеси. Поведение этих примесей весьма различно и в значительной мере определяется перенапряжением на них водорода. Рассмотрим поведение примесей при электролизе.
Кадмий и свинец, как металлы более электроположительные, чем цинк, осаждаются вместе с ним на катоде, загрязняя осадок. Содержание кадмия в катодном цинке регулируется глубиной очистки раствора при цементации, в нейтральном электролите 1-2 мг/дм3, это дает возможность получить металл высокой марки.
Содержание свинца в поступающем на электролиз нейтральном растворе незначительно (обычно следы) из-за низкой растворимости PbSO4в сульфатном растворе. Рост содержания свинца в катодном цинке связан с растворением свинца при анодном процессе с образованием Pb2+и разрядом его на катоде. Двухвалентные ионы свинца присутствуют в электролите иногда в значительных количествах за счет растворения свинцовых анодов. Свинец при этом полностью переходит в катодный цинк, ухудшая его качества. Снижение содержания свинца в катодном цинке для получения высоких марок (например, ЦВ) достигается снижением плотности тока, температуры электролита, добавкой в электролит реагентов (SrCO3, BaCO3). Серебро может переходить в раствор вместе со свинцом при растворении свинцовых анодов, легированных 1% серебра.
В отличие от кадмия, свинца и серебра медь не только ухудшает качество катодного цинка, но и вызывает резкое снижение выхода по току, когда содержание ее в электролите превышает допустимое.
Медь, осаждаясь вместе с цинком на катоде, вызывает образование черного губчатого осадка и резко снижает выход по току, вследствие коррозии катодного цинка из-за образования короткозамкнутых пар. Очистку растворов от меди ведут при содержании ее в электролите 0,1 мг/дм3. При такой концентрации получают катодный цинк высших марок.
В отличие от кадмия, свинца и меди сурьма и мышьяк не вызывают в условиях электролиза значительного ухудшения химического состава цинка. Являясь металлами с большим электродным потенциалом, чем цинк, они осаждаются на катоде и вновь переходят в раствор, снижая выход по току. Причиной этого является понижение по сравнению с цинком перенапряжения водорода на этих металлах. Допустимым пределом содержания мышьяка и сурьмы в нейтральном электролите считается 0,1 мг/дм3, но лучше, если содержание их будет еще ниже. Незначительное увеличение содержания сурьмы в электролите обнаруживается в виде полос, желобков и царапин.
Вредное действие кобальта аналогично действию мышьяка и сурьмы, то есть он не ухудшает качества цинка, но резко вызывает коррозию катодного осадка и приводит к разъеданию цинкового листа со стороны, обращенной к алюминиевому катоду и образованию на нем черных сквозных дыр различной формы. Никель проявляет себя подобно кобальту с той только разницей, что отверстия, образующиеся в результате коррозии осадка, получаются сквозные и гораздо большего диаметра. Содержание кобальта в нейтральном электролите должно быть не более 2 мг/дм3, никеля не более 1 мг/дм3. Превышение допустимых концентраций этих металлов влечет за собой значительное снижение выхода цинка по току, а также увеличение расхода электроэнергии в связи с уменьшением кислотности электролита и ростом напряжения на ванне.
В результате увеличения переработки окисленного сырья в большей степени стал проявлять себя при электролизе германий. Германий является самой вредной примесью. При содержании в электролите 1 мг/дм3 германия осаждение цинка не происходит. Расчеты показали, что 50 % германия осаждается вместе с цинком, а 50 % улетает в форме GeH4. Концентрация германия в нейтральном электролите не должна превышать 0,01мг/дм3.
Железо, обладая различной степенью кислотности, может под действием электрического тока попеременно окисляться на аноде и восстанавливаться на катоде, переходя из одной формы в другую. Такое поведение железа при электролизе вызывает дополнительный расход электроэнергии и снижает выход цинка по току. Поэтому содержание железа в нейтральном электролите находится в пределах 30-50 мг/дм3.
Марганец, магний, кальций, натрий, калий как более электроотрицательные примеси, чем цинк, на катоде не осаждаются. Они накапливаются в растворе. Марганец, магний и другие примеси определенным образом влияют на ход процесса электролиза. В небольших количествах марганец (3-8 г/дм3) необходим для образования на свинцовом аноде защитной пленки MnO2, препятствующей переходу свинца в раствор. Снижение содержания марганца в электролите (менее 3 г/дм3) вызывает разряд ионов хлора на аноде и выделение хлор-газа в атмосферу цеха. При значительных концентрациях марганца в электролите выход по току немного снижается, так как марганец усиливает коррозию катодного осадка. При больших количествах марганца в растворе ускоряется накопление шлама в ваннах и на анодах. Магний, натрий и калий увеличивают сопротивление электролита. Практика показывает, что для предупреждения кристаллизации сернокислых солей при охлаждении электролита, содержащего 160 г/дм3 цинка, сумма щелочных, щелочноземельных металлов и марганца не должна превышать 30 г/дм3.
Вредное действие хлора и фтора проявляется в разъедании алюминиевых катодов и свинцовых анодов. Агрессивное действие хлора и фтора возрастает с увеличением кислотности и температуры электролита. Фтор, кроме того, способствует прилипанию цинкового осадка к алюминиевому катоду, вызывая явление «трудной сдирки». Условия труда рабочих ухудшаются при содержании хлора в растворе 400-500 мг/дм3. Хлор-газ является сильным окислителем. Поэтому выделение его в атмосферу может быть уменьшено в результате взаимодействия его с металлом переменной валентности и превращением его в хлор-ион. Эту роль восстановителя хлора выполняют ионы двухвалентного марганца. В целях предупреждения нежелательного действия хлора, содержание его ограничивают в пределах 50-70 мг/дм3. Концентрация фтора в нейтральном электролите 30-50 мг/дм3.
Влияние органических соединений. Различают две группы органических соединений:
- примеси, загрязняющие электролит на предыдущих переделах (остатки реагентов в концентратах, органические соединения в возгонах, продукты разложения фильтрационных тканей, смазочные масла и другие);
- поверхностно-активные вещества и коллоидные добавки, которые вводят в электролит в процессе электролиза для улучшения структуры катодного осадка и повышения выхода цинка по току.
Исследования Гинцветмета показали, что органические соединения, попадающие в раствор при выщелачивании возгонов, снижают выход по току, а осадки ксантогената в концентратах способствуют разрушению пены на поверхности электролита в ваннах. Необходимо по возможности предупреждать попадание таких соединений в цинковый электролит. Специальную очистку нейтрального раствора от органических примесей можно осуществить путем перемешивания его с активированным углем. Таким образом удается удалить часть примесей и за счет этого повысить выход по току на 1-2 %.
Органические соединения второй группы – столярный клей, желатина, гуммиарабик и другие – улучшают показатели электролиза, если их добавляют в ванны в строго определенных количествах. На Усть-Каменогорском и Риддерском цинковых заводах в качестве коллоидной добавки применяют столярный клей. Практикой установлено, что он улучшает качество катодного осадка и ослабляет в некоторой степени вредное действие кобальта. В то же время добавки коллоидов увеличивают общее сопротивление на ванне, а избыток столярного клея делает осадок хрупким, трудно отделяемым от алюминиевого катода.