УДК669.334
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОЭКСТРАКЦИИ МЕДИ ИЗ НИТРАТСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРОВ
© Рогожников Денис Александрович, канд. техн. наук, e-mail: darogozhnikov@yandex.ru;
Мамяченков Сергей Владимирович, д-р техн. наук, проф., e-mail: svmamyachenkov@yandex.ru;
Анисимова Ольга Сергеевна, канд. техн. наук, e-mail: osanis@mail.ru ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина». Россия, г. Екатеринбург
Статья поступила 17.06.2015 г.
Приведены результаты потенциодинамических исследований электроэкстракции меди из нитратных растворов, позволившие получить новые данные о влиянии состава электролита, плотности тока и температуры процесса на катодную поляризацию меди. Определены оптимальные параметры и показатели процесса электроэкстракции меди из сульфатно-нитратных растворов, полученных при азотнокислотном выщелачивании полиметаллического сульфидного сырья. Показано, что увеличение концентрации азотной кислоты в электролите не оказывает значительного влияния на показатели процесса. Ведение процесса электролиза в несколько стадий позволило добиться суммарного извлечения меди на уровне 99,76%, тем самым практически полностью выделить ее из раствора.
Ключевые слова: электроэкстракция меди; сульфатно-нитратные растворы; потен-циодинамические исследования.
В мировой практике гидрометаллургии процесс электроэкстракции меди из сернокислых растворов [1, 2] уже давно не считается малоизученной технологией - это широко освещенный процесс, а предприятий, работающих по этой технологической схеме, с каждым годом становится все больше.
В наших исследованиях [3-6] в результате выщелачивания образуются смешанные сульфатно-нитратные растворы, поэтому было необходимо изучить влияние на показатели процесса нитрат-ионов, присутствующих в электролите. Из работы [7] известно, что в мировой практике проводились опыты по электроосаждению меди из нитратных растворов.
На кафедре МТЦМ проведены исследования по электроэкстракции меди из нитратных электролитов с целью выявления принципиальной возможности осуществления данного процесса и его оптимизации.
Изучение катодного восстановления меди из нитратного электролита проводили методом снятия поляризационных потенциодинамических кривых на потенциостате 1РС-Рго М. Рабочий раствор помещали в стандартную электрохимическую термостатированную трехэлектродную ячейку (рис. 1). Рабочим электродом (РЭ) - катодом служила шлифованная поверхность цилиндрического торцевого электрода из стали 12Х18Н10Т, которая традиционно используется в качестве электродного и конструкционного материала, в том числе и в электролизерах с азотнокислыми электролитами. Вспомогатель-
Уральский
федеральный
университет
нмеш первого Президента ЙЩнк E.H.El4l»*U Инпитут
■ мтш^гл
ный электрод (ВЭ) - платиновый, электрод сравнения (ЭС) - хлорсеребряный. Площадь рабочей поверхности 0,5024 см2. Пространства РЭ и ВЭ разделяли с помощью электролитических ключей, что дало возможность устранить загрязнение рабочего раствора продуктами электродных процессов ВЭ.
В электрохимическую ячейку заливали 100 см3 электролита, включали магнитную мешалку. Затем задавали установленные параметры скорости развертки потенциала, диапазоны потенциалов и токов. При запуске происходила регистрация вольтам-перной кривой. По полученным данным строили потенциодина-мические кривые. Перед каждым опытом рабочий электрод тщательно зачищали и полировали.
Определение оптимальной скорости развертки потенциала
Рис. 1. Схема лабораторной установки для снятия поляризационных кривых:
1 - термостатированная трехэлектродная электрохимическая ячейка; 2 - рабочий электрод; 3 - электрод сравнения; 4 - вспомогательный электрод; 5 - потенциостат 1РС-Рго М; 6 - ПК; 7 -термостат
-500
-1000 -1500 и, мВ
-2000
Рис. 2. Усредненные потенциодинамические кривые при различных скоростях развертки потенциала: 1 - 5 мВ/с; 2 - 3 мВ/с; 3 - 1 мВ/с
-400 -600 и, мВ
-800 -1000
250 200
2 150
и <
® 100 50
0
-200 -400 -600 и, мВ
-800
120 100-
-200
-400 -600 и, мВ
-800
-1000
Рис. 3. Усредненные потенциодинамические кривые при С = 80 г/дм3 (а), при ССи = 50 г/дм3 (б) и при ССи = 20 г/дм3 (в) и различных концентрациях азотной кислоты: 1 - 5 г/дм3; 2 - 15 г/дм3; 3 - 30 г/дм3
проводили снятием потенциодинамических кривых разряда ионов Си2+ с использованием раствора, содержащего 25 г/дм3 меди и 10 г/дм3 свободной азотной кислоты, при различных скоростях развертки потенциала (1, 3, 5 мВ/с)1 в интервале Ц-2 от 0 до -2000 мВ.
На рис. 2 представлены катодные потенциодинамические кривые зависимости плотности тока от потенциала при различных скоростях развертки. Для уменьшения влияния погрешности на точность эксперимента каждый опыт проводили 6-8 раз, полученные результаты усредняли. При скорости развертки 1 мВ/с (кривая 3) процесс восстановления меди протекал очень медленно. На поверхности катода образовывался плотный осадок, вызывающий торможение катодного тока до достижения потенциалов выделения водорода.
При скоростях развертки 3 и 5 мВ/с пассивации катода не наблюдалось, никаких промежуточных эффектов не выявлено, поэтому для ускорения исследований выбрали максимальную скорость развертки 5 мВ/с.
Далее изучали влияние концентрации меди на протекание процесса электроэкстракции при различной концентрации свободной азотной кислоты. Для этого были приготовлены растворы с концентрациями меди 20, 50 и 80 г/дм3 и различной кислотностью.
На рис. 3, а представлены усредненные потенциоди-намические кривые, полученные при проведении исследований электролита с постоянной концентрацией меди 80 г/дм3 и различной концентрацией свободной азотной кислоты (5, 15 и 30 г/дм3)2. График показывает, что при высоких концентрациях меди механизм процесса не зависит от концентрации азотной кислоты, поскольку тангенс угла наклона кривых не меняется. Увеличение плотности тока в зависимости от концентрации азотной кислоты может быть обусловлено более высокой электропроводностью электролита. Таким же образом были получены потенциодинамические кривые для раствора, содержащего 50 г/дм3 меди (рис. 3, б).
С повышением начальной кислотности электролита происходит пассивация катода вследствие образования на нем пленок оксидов меди, что затрудняет и впоследствии останавливает процесс электроэкстракции. Затем изучали влияние концентрации свободной азотной кислоты при ССи = 20 г/дм3 (рис. 3, в). При такой невысокой концентрации меди в электролите влияние азотной кислоты очень заметно. При малой скорости восстановления меди азотная кислота окисляет катодный осадок, на поверхности катода образуются оксиды СиО и Си20, которые препятствуют осаждению меди.
1 Результаты ранее проведенных исследований показали, что слишком высокая скорость развертки потенциала не позволяет четко отслеживать потенциал начала выделения водорода применительно к изучаемым модельным растворам, поэтому был выбран данный диапазон варьирования.
2 Такой диапазон концентраций свободной азотной кислоты выбран, исходя из результатов исследований по азотнокислотному выщелачиванию многокомпонентного сульфидного сырья [3-6], показавших, что при определенных условиях удается снизить концентрацию нитрат-ионов в растворе выщелачивания до 5-10 г/дм3 и тем самым минимизировать ее влияние на последующих стадиях переработки растворов.
3
2
1
0
а
0
При изучении влияния температуры процесса электроэкстракции меди (рис. 4) электрохимическую ячейку подключали к термостату для поддержания постоянной температуры. Результаты показывают, что потенциал начала восстановления меди находится на уровне 100 мВ во всем исследованном диапазоне температур.
Ведение процесса при минимальной исследованной температуре позволяет четко определить область потенциала начала восстановления водорода на уровне -1200 мВ. При этом с увеличением температуры процесса повышается и плотность тока, что затрудняет определение потенциала начала восстановления водорода.
Вычисленная энергия активации разряда ионов меди порядка 20 кДж/моль практически не зависит от потенциала электрода, что характерно для концентрационной поляризации. Это свидетельствует о концентрационном (диффузионном) характере поляризации восстановления меди, т.е. при увеличении температуры электролита на рабочем электроде преобладают процессы восстановления ионов водорода.
Электроэкстракцию меди из смешанных электролитов изучали, варьируя концентрацию азотной кислоты, плотность тока, продолжительность процесса. Первоначально были приготовлены модельные растворы с концентрациями меди 50 г/дм3 и серной кислоты 100 г/дм3, концентрацию азотной кислоты варьировали в пределах 5-50 г/дм3, плотность тока - в диапазоне 50200 мА/см2, время проведения процесса - 2-8 ч. Объем электролита составлял 200 см3.
Процесс электроэкстракции проводили в электролизере ящичного типа, катодом служила пластина из нержавеющей стали, анодом - платинированная титановая пластина. Катодное и анодное пространства не разделяли. Перемешивание электролита осуществляли с помощью магнитной мешалки, вращающейся с частотой 500 мин-1. Результаты первой серии опытов (табл. 1) показали,
что увеличение концентрации азотной кислоты практически не оказывает влияния на степень извлечения меди, однако увеличение плотности тока существенно повышает этот показатель.
Поскольку при концентрации азотной кислоты 50 г/дм3 удалось достичь максимальных показателей ведения процесса, дальнейшие опыты проводили в этих условиях. Результаты опыта № 5 (плотность тока 200 мА/см2, время 8 ч) показали, что увеличение плотности тока позволяет существенно повысить извлечение меди.
Следующую серию опытов выполняли при оптимальных (по результатам предыдущих исследований) сочетаниях концентраций кислот (табл. 2).
При проведении опыта 1 в модельном растворе с концентрацией меди 50 г/дм3 удалось достичь извлечения 57%. После 5 ч процесс останавливали, катодный осадок тщательно промывали и взвешивали. Далее чистый катод вновь погружали в электролизер и опыт продолжался с этим же электролитом, при этом снижали плотность тока до 100
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.