Реферат: Гидроэлектрометаллургические процессы, электрорафинирование,электроэкстракция

Гидроэлектрометаллургия - это способ получения металлов путем электролиза водных растворов соединений этих металлов, включающий специальные этапы подготовки электролита. Поскольку электролизу подвергаются только очищенные от вредных примесей водные растворы электролитов, то схема готовки электролитчает следующие этапы:
» подготовка руды или концентрата к растворению содержащегося в них металла;
• растворение, или выщелачивание, руды;
• определение вредных для электролиза примесей и очистка от них раствора;
• моделирование состава электролита для более эффективного протекания электролиза.
Если все перечисленные этапы входят в схему .получения металла, то данный процесс можно без колебаний отнести к гидрометаллургическим, в отличиеот пирометаллургических процессов, которые для извлечения металлов или концентратов используют высокотемпературные операции. Гидрометаллургия отличается тем, что извлечение металлов происходит методами растворения.

[sms]

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Подготовка руды или концентрата к растворению содержащегося в них металла обусловлена их составом. Наиболее часто используется обжиг - метод переработки руды, в результате которого нерастворимые соединения металла переходят в растворимые. В зависимости от того, какие соединения образуются, различают несколько видов обжига:

• окислительный - подвергаются сульфиные руды; при этом металлы переходят в оксиды (растворимые в кислотах), а сера удаляется в виде S0₂;
• сульфатезирующий - применяется довольно редко; целью является получение хорошо растворимого в воде сульфата металла;
• восстановительный - подвергаются оксидные руды; при этом происходит восстановление до свободного металла;
" хлорирующий - применяется с целью пеолучения растворимых хлоридов;в ходе электролиза на катоде выделяется металл , а на аноде - свободный хлор.

Очистка раствора от вредных примесей протекает следующим образом. Сначала примеси переводят в нерастворимую форму, а затем механически удаляют образовавшийся осадок. Чаще всего примеси удаляют в виде труднорастворимых гидроксидов или сульфидов.
Иногда осаждением пользуются как методом двойной очистки: примеси переводят в труднорастворимые гидроксиды, способные сорбировать на своей поверхности примеси ряда элементов (As, Sb, Р), которые сложно отделить каким-либо другим способом.
В ходе электролиза состав электролита изменяется. Это может происходить не всегда, однако когда этот процесс протекает, то ход электролиза серьезно нарушается. Как правило, процессы, при которых изменяется состав электролита, хорошо изучены. Также изучены и способы корректировки состава электролита для максимально эффективного протекания процесса.

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОРАФИНИРОВАНИЯ

Электролитическим рафнированием называют один из способов получения металлов методом электролиза. Рассмотрим важнейшие случаи использования электрорафинирования.
Электрорафинирование - способ получения почти всей меди в мире. Электролитическим путем получают очень чистую (99,92-99,96 % Cu) медь для нужд ее основного потребителя - электротехнической промышленности.
Исходным сырьем для получения меди являются сульфиды и окисленные руды. Для электролиза готовят черновую медь, содержащую 98-99 % меди. Остальное составляют примеси, среди которых значительное количество - это золото и серебро. Подсчитано, что содержание серебра в 1 т черновой меди достигает 7 кг, а золота - до 0,3 кг. Их извлечение при рафинировании практически полностью окупает стоимость этого довольно дорогого процесса.
Процесс электрорафинирования проводят следующим образом. Черновую медь отливают в аноды и завешивают в электролизер. Катоды, представляющие собой тонкие медные листы, помещаются между анодами. В качестве электролита выступает сульфат меди с добавлением серной кислоты, увеличивающейэлектропроводность раствора. Медь и более лектроотрицательные примеси в процессе электрорафинирования переходят из анода в электролит. При этом чистая медь осаждается на катоде.

Примеси с высоким значением электроотрицательности накапливаются в электролите и загрязняют его, а примеси с низкой электроотрицательностью в виде шлама выпадают на дно электролитической ванны. В число последних выходят золото и серебро.
По мере использования электролит накапливает избыточное количест и примесей электроотрицательных металлов. В связи с этим периодически возникает необходимость в корректировке состава электролита, поэтому часть его отводят, на регенерацию. Рассмотрим подробней причины этого явления.

Если в систему попадает кислород, то в прианодном пространстве возможно протекание ряда побочных реакций. Среди них наиболее вероятно окисление сульфата меди(1) до сульфата меди(2):
2Cu₂S0₄+2H₂S0₄ + 0₂=4CuSO₄ + 2Н₂0

или растворение оксида меди(1), выделяющегося на аноде:

2Cu₂0 + 4H₂S0₄ + 0₂= CuS0₄ + 4Н₂0
Также возможно растворение меди в электролите согласно уравнению

2Cu + 2H₂S0₄ + 0₂=2CuS0₄+ 2H₂0

Регенерации электролита можно избежать, если не допускать попадания в реакционную систему кислорода и других окислителей, способных спровоцировать протекание приведенных реакций. Поскольку в результате процессов окисления электролит становится беднее H₂S0₄, то хорошие результаты дает периодическое увеличение концентрации H₂S0₄ в электролите.
Шламы после рафинирования меди содержат серебро и золото. Так металлы содержатся в отходах, образующихся при получении цинка и свинца из полиметаллических руд. Чистое серебро и золото получают из этих отходов методом электрорафинирования.
Отходы, содержащие серебро и золото, в первую очередь рафинируют,получая металл Дорэ, состоящий из серебра (80-95 %) и золота (5-20%).Затем металл Дорэ отливают в аноды толщиной 5-10 мм. Эти аноды, а также катоды, представляющие собой листы нержавеющей стали или алюминия, впоследствии используются для электролитического получения серебра и золота.
Серебро получают, используя в качестве электролита смесь нитрата серебра и азотной кислоты. Добавление последней приводит к увеличению электропроводности смеси. В ходе процесса электролиза серебро осаждается на катоде в виде игл. Его счищают с катода скребками, после чего серебро оседает на дно ванны.
Чтобы осевшее на дно серебро не загрязнялось анодным шламом ( золота, серебра и металлов платиновой группы), аноды помещают в диафрагменные мешки для сбора анодного шлама. Собранный таким образом анодный шлам поступает в дальнейшую переработку.
Описанным методом получают серебро, чистота которого составляет 99,99%.

Методом электрорафинирования можно получать достаточно чистое золото . В качестве исходного золотосодержащего сырья используют смесь золотого лома, рудного золота и чернового золота, полученного после переработки анодного
шлама от рафинирования серебра. В качестве электролита используют солянокислые растворы наиболее устойчивых и хорошо растворимых соединений золота - хлоридов.Оптимальный состав электролита содержит 50 % золота и 50 % соляной кислоты.
В процессе6 электролиза на аноде возможно образование плохо проводящих плёнок хлорида серебра. Чтобы избежать этого ,через раствор электролита прапускают асимметричный ток.Для этого на постоянный ток накладывают переменный.

Электрорафинированием получают ряд металлов такой высокой чистоты ,котороы нельзя добится никаким другим методом .Среди них наиболее важными являются процессы получения олова, свинца и никеля.Рассмотрим их подробней.

Олово, полученное электрорафинированием, имеет чистоту 99,99 %. Этот метод позволяет очистить его от висмута - наиболее трудноудаляемой примеси. С этой целью в качестве электролита используются соединения кислотного характера, например фенолсульфоновые электролиты:

Раньше широко использовались кремнефтористоводородные электролиты, однако сейчас от них отказались. Дело в том, что при разложении этих соединений выделяется крайне токсичный фтористый водород. Использовать электролиты щелочной природы также нецелесообразно, поскольку они не дают полной очистки от примесей.
Как и для олова, для свинца наиболее трудноудаляемой примесью является висмут. Освободить от него свинец удается только методом электрорафинированния. В качестве электролита используются сложные соли свинца: борфториды, сульфамины и др. Такой выбор обусловлен тем, что электролит должен иметь хорошую растворимость, а более простые соединения свинца растворяются очень трудно.
Электрорафинирование свинца - очень дорогой метод. Наибольших затрат требует не электроэнергия, как может показаться на первый взгляд, а электролит. Предпочтение отдается бесфторидным электролитам (фторидные токсичны)- они более устойчивы, не ядовиты, но очень дорого стоят.
Наиболее чистый свинец (99,95 %) получают, используя в качестве электрода 45 % сульфаминовой кислоты HS0₃NH₂ и 55 % соли свинца Pb(NH₂S0₃)₂. Такое соотношение компонентов позволяет получать очень чистый свинец за счёт того, что в таком электролите примеси не растворяются.
Поступающий на электрорафинирование никель содержит значительное количесгво меди, железа, кобальта и серы. Количество примесей зависит главным образом от того, из какой руды был получен черновой никель.

Если никель получали из сульфидных руд, то примесей в нем будет содержаться намного больше, чем в никеле, полученном из оксидных руд. Однако и тот и другой никель нуждается в дополнительной очистке электрорафинированием.
Получение никеля требует строгого контроля за кислотностью электролита .Если рН электролита превысит 5,5, то будет выпадать гидроксид никеля , а если рН станет ниже 4,5то никель выпадать не будет. Поэтому рН среды поддерживают в интервале 4,5-5,5 с помощью буферных растворов.
Протеканию электролиза способствует повышение концентрации соли никеля в электролите, увеличение температуры процесса.
Серьезной помехой для протекания электролиза могут стать примеси меди .Чтобы избежать этого, медь удаляют цементацией с никелевым порошком.Примеси железа и кобальта намного меньше вредят электролизу, да и избавлятся от них гораздо проще - железо и кобальт переводят в труднорастворимые гидроксиды, а после осаждения удаляют из электролитической ванны. Очистку от цинка проводят с помощью ионообменных смол, избирательно поглощающих из электролита ионы цинка.
Следует отметить, что шлам, полученный в ходе электрорафинирог никеля, содержит до 2 % платиновых металлов. Его направляют на дальнейшую переработку с целью их извлечения.

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЭКСТРАКЦИИ
Электроэкстракцией получают немногие металлы. Среди них наиболее важными являются цинк, марганец, железо, кобальт, медь и др. Рассмотрим их получение подробнее.
Одним из важнейших этапов получения цинка является превращение его сульфида (соединения, в виде которого цинк встречается в составе руды) в сульфат (соединение, образующее электролит). Для этого цинковый концентрат в первую очередь обжигают, переводя сульфид цинка в оксид:

2ZnS + 30₂= 2ZnO + 2S0₂T

Полученный огарок выщелачивают серной кислотой. В результате цинк в виде растворимого в воде сульфата переходит в раствор:

ZnO + H₂S0₄ = ZnSO₄ + Н₂О

Вместе с цинком в раствор переходит ряд примесей:

FeO + H₂S0₄ = FeS0₄ + H₂0

NiO + H₂S0₄= NiS0₄ + H₂0

Al₂0₃+3H₂S0₄ = Al₂(SO₄)₃+3H₂0

CdO+H₂S0₄=CdSO₄+ H₂0

CuO + H₂S0₄= CuS0₄ + H₂0

Некоторые из этих примесей осаждаю в виде гидроксидов :

2FeS0₄+ МпО₂+ 2H₂SO₄ = Fe₂(S0₄)₃+ MnS0₄+ 2H₂0

Fe₂(S0₄)₃+ 6NaOH = 2Fe(OH)₃l + 3Na₂S0₄

A1₂(S0₄)₃+ 6NaOH = 2Al(OH)+3Na₂ SO₄

Выпавшие осадки Al(OH)_{3 и Fe(OH)3} способны адсорбировать соединения мышьяка и сурьмы . Примеси остальных металлов не удаляют ,поскольку они не препятствуют электролизу.

Электролиз ZnS0₄ протекает согласно уравнению

ZnSO+Н₂0+2е -> Zn + H₂S0₄+ 1/2 О₂

Наиболее оптимальным соотношением компонентов электролита является Zn: H₂SO₄ =1:2. Увеличение количества серной кислоты смещает равновесие в сторону исходных веществ и уменьшает выход продукта. Большим недостатком этого способа является повышенная коррозия аппаратуры.
Электроэкстракцией получают железо, не содержащее примесей углерода. Часто этим методом пользуются для получения готовых изделий из ижелеза ли для восстановления изношенных частей железных изделий.
Электролиз проводят при рН = 2-4, высоких концентрациях ионов железа в электролите и высокой температуре.
Получение кобальта методом электроэкстракции возможно только при использовании очень чистых растворов электролитов. Чаще всего раствор очищают от примесей методами экстракции, т. е. извлечения.
Если кобальтовый электролит очищен и от электроположительных примесей, то возможно получить кобальт чистотой 99,99%.
Электроэкстракцию меди проводят из электролита, содержащего очень чистый раствор CuS0₄и H₂S0₄. Процесс проводят на свинцово-серебряных анодах, катодами служат медные пластины. Этот метод довольно дорогой, поэтому им пользуются редко.[/sms]