научная статья по теме КИНЕТИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ РАСПЛАВЛЕННОЙ МЕДИ ВОДОРОДОМ И МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА. СООБЩЕНИЕ 2 Физика

Текст научной статьи на тему «КИНЕТИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ РАСПЛАВЛЕННОЙ МЕДИ ВОДОРОДОМ И МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА. СООБЩЕНИЕ 2»

РАСПЛАВЫ

6 • 2013

УДК 669.3.412

© 2013 г. С. А. Лямкин1, И. Н. Танутров, М. Н. Свиридова

КИНЕТИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ РАСПЛАВЛЕННОЙ МЕДИ ВОДОРОДОМ И МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА Сообщение 2

Восстановление кислорода из жидкой меди продуктами конверсии природного газа — водородом и монооксидом углерода — рассмотрено с позиций электрохимической теории взаимодействий на границе металлический расплав — восстановительный газ. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными. Установлен режим процесса взаимодействия присоединения первого электрона к атому кислорода, находящемуся на поверхности расплавленной меди.

Ключевые слова', расплав меди, водород, монооксид углерода, электрохимическое взаимодействие.

После окислительной стадии рафинирования черновой меди она содержит значительное количество кислорода (1.0—1.5 мас. %). В связи с этим проводят последующее раскисление жидкой меди различными восстановителями: древесиной, угольной пылью, мазутом, генераторным газом, аммиаком, природным газом. Наиболее предпочтительным из них является конверсированный природный газ, содержащий водород и монооксид углерода. К сожалению, его применение к процессам цветной металлургии изучено недостаточно не только в прикладном, но и в теоретическом отношении. Представляет интерес разработка новых технологий и усовершенствования существующих способов раскисления меди в процессе огневого рафинирования.

Окислительно-восстановительные реакции на границе раздела жидкой окисленной меди с газовой фазой. Известная в теории физическая модель взаимодействия жидкого металла и оксидного расплава опирается на протекание окислительно-восстановительных реакций на границе их раздела, которые осуществляются по механизму электролитических коррозионных процессов [1], аналогичных процессам коррозии в водной электрохимии [2]. Для анализа таких реакций применяют аналитический [1] и графический [3] методы.

Протекание той или иной окислительно-восстановительной реакции описывается в теории через осуществление двух сопряженных электрохимических процессов. В первом из них, например, в анодном процессе, происходит окисление реагента от восстановленного состояния до окисленного. Появившиеся в электрохимическом процессе электроны участвуют в сопряженном процессе — катодном.

При качественном и количественном описании таких коррозионных процессов в водных растворах электролитов широкое распространение получила теория микрогальванических элементов [4]. В рамках этой теории поверхность металла, на которой происходит коррозионный процесс, рассматривается как микронеоднородная, состоящая из микрогальванических анодов и катодов, т.е. в системе существует какое-то количество микроскопических короткозамкнутых гальванических элементов. Можно полагать, что положение этих микроучастков (анодов и катодов) никак не зафиксировано и их места, в которых происходят полуреакции, переменны [5].

1Ьуашк1п SA@gmail.com.

Переходя к рассмотрению процесса взаимодействия газовой фазы с окисленной жидкой медью, необходимо остановиться на следующем. При высоких температурах, свойственных металлургическим агрегатам, в результате термической разупорядочен-ности и возможного наличия оксида металла, склонного к образованию ионов переменной валентности (Си20), происходит изменение взаимного расположения частиц в поверхностном слое окисленной меди. При малой концентрации таких группировок в расплаве содержание их в поверхностном слое невелико. Молекулы газа, адсорбиру-ясь в основном в области разупорядочений, образуют микрогальванопары, подобные рассмотренным выше.

Дальнейший анализ, по-видимому, следует начинать с того, что, как правильно заметил автор [6], основная причина действия рассматриваемых микрогальванических элементов — это общее изменение изобарно-изотермического потенциала (О,) соответствующей окислительно-восстановительной реакции, а не наличие разности электрических потенциалов между местными катодами и анодами, т.е. величины 01 реакции восстановления кислорода.

Аналитическое описание кинетики восстановления кислорода из жидкой меди водородом. Рассмотрим качественные зависимости для скорости реакции восстановления окисленной жидкой меди водородом:

[0] + {Ы2} = {Ы20}.

(1)

Как отмечено выше, молекулы водорода, адсорбируясь в основном в области разупо-рядочений, диссоциируют на атомы: Н2 о- 2Н. Эта стадия проходит быстро [2, 5] и не тормозит последующее окисление атомов водорода (анодный этап):

2Н о 2Н+ + 2е.

(2)

Появившиеся на стадии (2) электроны участвуют в сопряженном процессе (катодный этап):

О + 2е о О2-. (3)

Скорость анодного окисления водорода опишем уравнением [7], когда замедленной стадии ионизации предшествует более быстрая стадия диссоциации молекул газа:

и>а = иы2 {ехр

а2Р, ЯТ

Па

- ехр

(1 -а)2Б" . ЯТ .

Па

(4)

где иЫ2, а, Б, ца — скорость обмена, коэффициент переноса, постоянная Фарадея и поляризация.

Катодное восстановление атомов кислорода будем также считать процессом, протекающем в режиме замедленного разряда:

ик = ио {ехр

(1 -а)2Б . ЯТ

Пк

"а2Б "

- ехр .ЯТ Пк _

(5)

Алгебраическая сумма поляризаций (па > 0, цк< 0) определяет общее отклонение от равновесия системы восстановительный газ — окисленная медь [1]:

О ЯТ, кР1 па -пк = —1 =-1п ——.

2Б 2Б Па

(6)

Совместным решением уравнений (4)—(6) можно найти скорость восстановления окисленной меди водородом в кинетическом режиме. Наиболее простое выражение для скорости процесса можно получить при небольших отклонениях системы газ—ме-

талл от равновесия (п, < 0.1 В), если правую часть уравнений (4) и (5) разложить в ряд и ограничиться двумя членами разложения [6]:

иа = иН2 — Па, (7)

о 2Б /с,ч

ик =ио — Пк- (8)

К!

Выражение для скорости восстановительного процесса получаем из выражений (6)—(8):

(9)

и = 1п

П а

С \

+ ±

о о ин2 ио

Если скорость обмена по водороду иН2 значительно выше скорости обмена по кисло-

0

роду ио, то

пг ^ 4 (10)

иН2 и0

и уравнение для скорости восстановления кислорода запишем следующим образом: о &о Рн2

и = ин21п кр1-(11)

рН20

где аО — активность кислорода в меди, рщ и рНо0 — парциальные давления водорода и паров воды в газовой фазе.

Для дальнейшего кинетического анализа уравнения (11) необходимо знать зависи-

0 Т7

мость и0 от концентрации кислорода в меди. Ее найдем в предположении, что полуреакция (3) протекает в две стадии

О + е = О-дс, (12)

Оадс + е = О2-. (13)

Лимитирующим является, вероятно, этап (12), а присоединение второго электрона (13) протекает в стационарных условиях квазиобратимо. В этом случае выражение для скорости обмена запишется в виде [7]

иО (14)

1 + (кр Со )1/2

где кр — константа равновесия реакции О + О2 = 20-дс, СО — концентрация кислорода в меди. Характер зависимости иО от сО определяется тем, насколько велико произведение кр СО по сравнению с единицей. Если кр СО > 1, то

иО « С!^2, (15)

если кр СО ^ 1, то

и0 « с02-а^2- (16)

Выделяя из выражения (11) концентрационную зависимость скорости восстановления кислорода с учетом (15) и (16), получаем

и0 « с03-а)/2, (17)

и0 - с04-а)/2. (18)

Строго [4], коэффициент переноса а меняется от 0 до 1, но обычно он находится в пределах 0.3—0.7. Тогда зависимости скорости раскисления меди для первого случая имеют вид

0 ^1.35-1.15 /1ПЧ

Ц>0 ~ С0 , (19)

а для второго

0 --,1.85-1.65 /оач

и0 ~ С0 . (20)

Полученные зависимости показывают, что в сравнении с экспериментальными данными [8] первый вариант реализуется при а = 0.7, когда скорость раскисления меди пропорциональна содержанию кислорода в расплаве в степени 1.15. Обработка опытных результатов [8] приводит к величине порядка реакции по кислороду, близкой к единице.

Качественная картина взаимодействия окисленной жидкой меди с монооксидом углерода выглядит такой же, как и при раскислении меди водородом. Поэтому, не приводя подробный вывод для скорости раскисления меди по реакции

[0] + {С0} = {С02}, (21)

запишем выражение для скорости восстановления кислорода:

и = и00 1П кР21, (22)

РС02

где кр — константа равновесия реакции (21), рСО и рС02 — парциальные давления монооксида углерода и оксида углерода (II) в газовой фазе.

Как следует из выражения (22), скорость процесса раскисления меди и в этом случае пропорциональна первой степени по кислороду, что также совпадает с экспериментальными данными [8].

Скорость взаимодействия расплавленной окисленной меди с водородом и монооксидом углерода. Для расчета скорости восстановления кислорода из жидкой меди водородом

по уравнению (11) принимали следующие данные (1573 К): кр12 = 18.2 [9], а[0] = 0.08 [10], иЫ2 = 1.2 • 10—10 моль/(м2 • с) [11]. Оказалось, что иЫасч = 1.7 • 10—10 моль/(м2 • с) неплохо согласуется с экспериментальной величиной иЫг = 1.2 • 10—10 моль/(м2 • с) [8].

Для оценки скорости взаимодействия монооксида углерода с растворенным в расплавленной меди кислородом по уравнению (22) пользовались следующими значениями (1573 К): крС0 = 6.5 [9], а[0] = 0.08 [10], иС0 = 5.4 • 10—11 моль/(м2 • с) [11]. Сравнение опытного значения иС0 = 3.1 • 10—11 моль/(м2 • с) [8] с рассчитанной по предлагаемому

уравнению (иСсч = 4.7 • 10—11 моль/(м2 • с)) показывает их хорошее соответствие.

ВЫВОДЫ

1. Предложено уравнение, позволяющее рассчитывать скорость раскисления жидкой меди водородом и монооксидом углерода.

2. Расчеты по уравнению показывают удовлетворительное согласие с экспериментальными данными.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. Ч. 2. — М.: Металлургия, 1966. — 704 с.

2. Фрумкин А.Н. Избранные труды. Электродные процессы. — М.: Наука, 1987. — 336 с.

3. Бороненков В.Н., Есин О.А., Шурыгин П.В. Электрохимическое изучение кинетики восстановления железа из оксидов графитом. — Докл. АН СССР, 1965, 160, № 1, с. 151 — 153.

4. Фрумкин А.Н., Багоцкий А.С., Иофа З.А., Кабанов Б.Н. Кинетика электродных процессов — М.: Изд-во МГУ, 1952. — 319 с.

5. Чуркин А.С., Есин О.А., Топорищев Г.А. Кинетические особенности де-сульфурации кремнистого чугуна шлаком системы Ca0—Al203—Si02. — Изв. АН СССР. Металлы, 1971, с. 3

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком