Исследование и моделирование влияние примесей на показатели электролиза цинка

Актуальность работы

Извлечение цинка электролизом из сульфатных растворов относится к

разряду энергоёмких процессов (3000 - 3500 кВтч/т). В соответствии с законами электрохимии удельный расход энергии при электролизе является функцией многих переменных таких, как: плотность тока, электрохимический эквивалент превращаемого на катоде вещества, температура, наличие "посторонних" ионов в растворе (например, Na2S04), поверхностно-активные вещества, а также процессы, протекающие на аноде. Ниже приведена обобщённая (на основе законов Фарадея и Ома) формула, связывающая удельный расход энергии при электролизе с напряжением на ванне, выходом по току и электрохимическим эквивалентом.

W=U*1000/qn

где U- напряжение на ванне, В; q- электрохимический эквивалент, г/(А-ч); п - выход по току, доли ед.

Для случая: U=3,5B, q = 1,22 г/А-ч и n= 0,92 удельный расход энергии составляет 3118,3 кВт-ч/т, а для n = 0,91 - 3152,6 кВт-ч/т. Отсюда следует, что для цинкового завода производящего 100 тыс. т/год катодного цинка экономия электроэнергии составит 3,43.106 кВт • ч.

В связи с этим, тема диссертационной работы, в которой приведен анализ многомерной технологической электролиза цинка, является актуальной задачей.

Цель работы

1. Исследование и оптимизация процессов катодного осаждения цинка в

присутствии олова, германия и сурьмы в электролите с целью получения катодного цинка высокого качества.

2. Создание, на основе экспериментальных данных, математических моде

лей, обладающих высокой точностью и прогностическими свойствами.

Методы исследования

Математические методы планирования многофакторных экспериментов; стабилизированный регулируемый источник питания постоянного тока серии HY3005; амперметр Э537, с классом точности ± 0,5; вольтметр МТС 3250; весы аналитические марки XS1003; химические реагенты марки "Хч".

Главные компоненты электролита, г/л: 60 Zn, 60 H2SO4.

Концентрация примесей fGe, Sn, Sbj мг/л: 0,001 - 0,200.

Плотность тока, A/mz: 400-800.

Температура, °С: 25-55

Количество электричества, Ач: 1,0

Использование постоянного количества электричества позволяет более корректно сравнивать результаты различных экспериментальных работ. Так, например, сравнение результатов электролиза, проделанных в течение 1 часа при плотностях тока 400 и 800 А/м весьма затруднительно и некорректно.

В процессе исследования были использованы симметричные композиционные планы типа В^, обладающие D - оптимальностью. D - критерий является одним из наиболее мощных критериев оптимальности обладающих максимальным значением определителя матрицы независимых переменных

Моделирование проводили с применением программного продукта

Mathcad, существенно превосходящего другие программы в образовательном процессе, особенно в дисциплине «Планирование и организация эксперимента».

Наиболее существенные научные результаты работы

1. Впервые получены научно обоснованные закономерности влияния олова

на выход по току цинка, позволившие включить олово в один кластер с германием и сурьмой .

2. Полезные математические модели многомерных процессов, полученные с

использованием математических методов планирования эксперимента и

обладающие высоким качеством и прогностическими свойствами:

2.1. Зависимость выхода по току цинка и удельного расхода энергии от концентрации олова в электролите, катодной плотности тока и концентрации животного (костного) клея при постоянной температуре.

Зависимость выхода по току цинка и удельного расхода энергии от концентрации германия в электролите, катодной плотности тока и концентрации животного (костного) клея при постоянной температуре.

Зависимость выхода по току цинка и удельного расхода энергии от концентрации сурьмы в электролите, катодной плотности тока и концентрации животного (костного) клея при постоянной температуре.

Зависимость выхода по току цинка от концентрации Sn, Ge и Sb при совместном их присутствии в электролите.

Закономерности влияния поверхностно-активных веществ на выход по току цинка в многомерном пространстве независимых переменных.

Практическая ценность работы

Разработанные математические модели позволяют производить оперативный поиск оптимальных параметров процесса электролиза с целью получения качественных катодных осадков при минимальном расходе электроэнергии.

Материалы диссертации могут быть использованы в образовательной дисциплине «Теория электрометаллургических процессов».