автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование, моделирование и оптимизация процессов электроэкстракции цинка из растворов и расплавов

На правах рукописи

АЛКАЦЕВ Виадимир Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОЭКСТРАКЦИИ ЦИНКА т РАСТВОРОВ И РАСПЛАВОВ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и

редких мегаллов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ - 2004

Работа выполнена на кафедре "Металлургия цветных металлов" СевероКавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кондратьев Юрий Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Рутковский Александр Леонидович

кандидат технических наук Жуковецкий Олег Валентинович.

ОАО "Электроцинк"

Защита диссертации состоится ■ 2004 г. в 14 ч. на заседании

диссертационного совета К 212.246.01 при Северо-Кавказском горнометаллургическом институте (государственном технологическом университете) по адресу" 362021, Республика Северная Осетия-Алания, г.Владикавказ, ул Николаева, 44. СКГМИ (ГТУ).

Факс (8672) 749945 Электронная почта skgtu@skgtu.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГМИ.

Автореферат разослан ЦО^Ц^, 2004 г

Учёный секретарь совета докт. техн. наук, профессор

Хетагуров В.Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электролитическое извлечение (электроэкстракция) цинка из растворов является процессом энергоемким. Удельный расход энергии в процессе электролиза колеблется в пределах 2900 - 3400 кВт ч/т катодного цинка. В связи с этим вопросы оптимизации процесса электролиза на основе экспериментальных данных и соответствующих математических моделей являются актуальными.

Цель работы. Математическое моделирование процессов электроэкстракции цинка из растворов и расплавов на основе экспериментальных данных, полученных методом планирования эксперимента, оптимизация и прогнозирование процессов

Меюды исслсдоплшш. Маюмагические меюды планирования экспериментов Электролиз растворов и расплавов Кондуктометрия. Математическое моделирование процессов.

Наиболее существенные научные результаты работы

1. Исследовано системное влияние примесей (Со, Ое, БЬ), температуры (0 и плотности тока (]) на выход по току цинка при электроэкстракции его из сульфатных растворов, в результате чего установлены следующие закономерности:

• зависимость выхода по току цинка от указанных независимых параметров является экстремальной с минимумом для Со, N1, плотности тока и максимумом для ве, БЬ и температуры;

• плотность тока является наиболее мощным фактором, позволяющим существенно влиять на выход по току цинка, в связи с чем может быть рекомендована для эффективного управления процессом электролиза;

2. Выполнено исследование зависимости катодного выхода цинка по току и удельного расхода жсрпш ог плотности тока, температуры и концетрации цинка и серной кпслош и элекфолию при элекфоли!е особо чистых растворов, содержащих следы примесей металлов. Получены уравнения регрессии, на основе которых определены оптимальные параметры электролиза, при реализации которых выход по току цинка является максимальным, а УДШ1ЬНЬШ ЦФ^РД энергии - ми-

п V I |

нимальным. В условиях принятых ограничений минимальный удельный расход энергии равный 2308 кВтч/т может быть получен при следующих значениях независимых переменных:

_/' = 400 А/м2; гп= 120,0 г/л; Н2804 = 80,0 г/л; ; = 25,0 °С.

3. Выполнено исследование по системному влиянию плотности тока и кошкмпрацпп сшлирною клея ил иычод по юку цинка при кмекфолм-зе растворов с примесями (Со, Sb) и без них. Установлено, что клей в сочетании с плотностью тока существенно снижает вредное влияние примесей на выход по току. Экспериментально установлено, что выход по току цинка является максимальным при содержании клея в электролите 10 м|/л при электролизе чиспих растворов и 40 мг/л -при электролизе растворов с примесями Показано, что клей при электролизе чистых (беспримесных) растворов снижает выход по току цинка тем больше, чем выше плотность тока.

4 Изучена зависимость электропроводности расплавленной системы 2пС\2 - КС1- ЫаС1 от состава и температуры, Изучена зависимость выхода по току цинка и расхода энергии при электролизе расплавов от плотности тока и расстояния между электродами. Получена математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс. В условиях принятых ограничений экспериментальные значения выхода по току составили 0,87-0,94 (в долях ед), а удельного расхода энергии - 29503750 кВт ч/т Показана возможность ведения электролит в расплавах при плотностях тока на порядок больше, чем при электролизе водных растворов.

5. Исследована зависимость выхода по току кислорода на свинцовом аноде при электроэкстракции цинка от плотности тока и концентрации марганца в электролите. Показано, что гидрометаллургические электролитные ¡аводы позволяют регенерировать кислород в процессе электролиза и поставлять его в атмосферу. Согласно расчетам завод, производящий в год 100 тыс.т. цинка или меди, по выделяемому в атмосферу кислорода эквивалентен 18 - 20 км2 лесных массивов.

Практическая ценность

1 Предложенные в работе математические модели позволяют найти оптимальные параметры электролиза цинка и на их основе получить высокие значения выхода по току цинка и минимальные - удельного расхода энергии.

2. Рекомендации по оптимальным концентрациям поверхностно-активных веществ в электролите на примере столярного клея (10 мг/л при электролизе чистых электролитов и 40 мг/л - электролитов с примесями) позволяют получить качественные осадки цинка при минимальном расходе энергии.

3. Материалы диссертации могут быть использованы в курсе «Металлургия )яжелы\ цвешых металлов», а также отображены в учебниках и учебных пособиях

Положения, выносимые на защиту 1 Математические модели процессов осаждения цинка электролизом:

• из сульфатных растворов, содержащих примеси;

• из чистых сульфатных растворов без примесей;

• из расплавов хлорида цинка на основе КС1 - ЫаС1 - 1лС1

2. Математическую модель регенерации кислорода при электроэкстракции цинка и меди из сульфатных растворов.

Апробация работы. Положения диссертационной работы прошли апробацию на научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ), на 1-ой международной конференции «Экологические конференции горных территорий», а ]акже в синьях, опубликованных в научных изданиях.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях.

Структура и объем работы. Диссертация на 79 стр. текста, состоит из введения, 6 глав, основных выводов, библиографического списка из 72 наименований и н.пешнот поиска с рефоспектпвой в 40 ле>, а также 24 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Информационно-аналитический обзор научных публикаций и патентов по электролизу цинка

Обзор сделан на основе 72 научных источников, в том числе 35 патентов мри ретроспективе патентного поиска н 40 лет Начиная с 1862 г, когда был выдан первый иакчп на осаждение цинка )лекфолиюм, по настоящее время главными темами исследований в области электролиза цинка являются энергетические показатели процесса: выход по току, удельный расход энергии и факторы, влияющие на них

Наиболее информативными и надежными исследованиями в области электролиза цинка являкмся работы, проделанные' С А.Хансеном, А.И.Гаевым, О.А Есиным, М.М.Лакерником, Г.Н.Пахомовой, Ю.В.Баймаковым, А.И.Журиным, В.В.Стендером, В Г.Агеенковым, И.А.Каковским, О.А.Ханом, Н.И.Фульманом и др.

Главным предметом научных исследований и патентов являлись: катодные процессы осаждения цинка и влияние на эти процессы различных «вредных» примесей в электролите; влияние концентрации цинка и серной кислоты, а также плотности тока и температуры на выход по току и расход энергии; влияние поверхностно-активных веществ на качество осадков и показатели электролиза; вопросы так называемой «трудной сдирки» осадков цинка с поверхности матриц и др В меньшей мере были исследованы процессы получения цинка электролизом расплавов, а ткже процессы, протекающие на нерастворимых анодах

При всей своей добротности указанные исследования в большинстве своем были однофакторными, а математические модели на их основе обладали сравнительно низкой прогностической способностью. В настоящей диссертации использованы методы планирования многофакторных экспериментов, позволяющие получать корректные математические модели, обладающие хорошей прогностической сиособносшо.

2. Влияние плотности тока, примесей в электролите и температуры на выход по току цинка при электролизе сульфатных растворов

Исследование совместного влияния на выход по току цинка примесей, плотности тока и температуры проводили методом планирования эксперимента Был использован квадратичный план Рехтшафнера для 6 независимых переменных Общее число опытов, на основе которых сформиро-

вана математическая модель, составило 29 (включая один опыт на основном уровне).

В качестве независимых переменных были использованы концентрации Со, N1, ве, БЬ, температура (/) и плотность тока (/'). По основным компонентам электролит имел состав, г/л: 100,0 Zr\ и 100,0 Н2504. Количество электричества - 1,0 А ч. Граничные условия независимых переменных приведены в табл.1.

Граничные условия независимых переменных

Независимые переменные и и\ Со. N1 Ое. БЬ. 1, J•

уровни мг/л ,мг/л мг/л мг/л °С А/м2

Основной уровень (Х0) 2,60 2.55 0.505 0.510 40,0 700

Ингсрнал варьирования (8) 2.40 2,45 0.495 0.490 20.0 300

Всрмши уроиеш. (И) 5.00 5,00 1.000 1.000 60.0 1000

Нижний уроиеш. (-1) 0,20 0,10 0,010 0,020 20,0 400

В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов получено следующее уравнение регрессии, связывающие выход по току цинка (г|) с концентрацией примесей в электролите, а также с температурой и плотностью тока: г] = 0.4896-0,03526Л", -0,1376Л', -0.1095Х4 +0.0109Л"5 +0,1044^ + + 0.2716:к} +0,1119Х\ -0,1082^1 -0,1196Х\ -0,0649X1 +

+ 0.1376х\ - 0.0091 Л',Хг -0 0293 X. Х~ - 0.0077 - 0,023+

(О

у. _ п пп77 v. v. _ п <т v. v. о.

+ 0,0139Л', \ - 0.0089Л , V, + 0.0115 \, \ 4 - 0.0106Л',Л'5 + 0.0243 Л', \'6 -- 0,0283 Л 3Л 4 + 0.0307 Л + 0.0599Л1Л6- 0,0344 Л'4Л', + 0,0301 Л'4Л'6 + + 0,0132Л'5Л'6.

где Г) - выход по току цинка, доли ед ; X,- независимые переменные в безразмерном масштабе:

(,, 21'№ >55, . ОЧ'-О^ОЧ;

\ I \ 1 м

1 > I > 1-, II.-т

_ Я,-0,31; ,-40: V 7-700

= 0~49 = 6" 300

Для оценки адекватности модели (1) были рассчитаны следующие

статистики- Я2^ 0,9993, Р = 54,17, 5ад= 0,032, где Я2 - коэффициент де-

терминации; Р - отношение дисперсий; 8а1 -среднеквадратическая ошибка аппроксимации.

В связи с тем, что Г= 54,17 > Р0,05,28 2 = 19,46 уравнение регрессии (1) адекватно отображает экспериментальные данные.

Методом параметрической чувствительности проведено ранжирование независимых переменных по силе влияния на выход по току пинка Получен следующий ряд (по убыванию влияния) С>с, /, Со, I, N1

Наиболее сильно влияют на выход по току цинка германий, сурьма и плотность тока

На рис. 1 и 2 приведены графики частного влияния независимых переменных в безразмерном масштабе на выход по току цинка, п

1'ис 1 Графики частной зависимости выхода по току цинка от независимых переменных в безразмерном масштабе (ооальные переменные приравнены н\лю Х| = 0) I - Со, 2 - N1 *

-Се

Ч

1'ис 2 Графики частной зависимости выхода по току цинка ог независимых переменных в борашерном маеипабс (остальные переменные приравнены нулю V, = 0 ) 4 - ЯЬ, 5 16-J

Максимум выхода по току цинка в условиях принятых ограничений согласно уравнению (1) может быть получен при следующих значениях независимых переменных:

.V, =-1 (Со = 0,2 мг/л); Аг2 = 1(№ = 5,0 мг/л); Х3=-1 (ве = 0,01 мг/л); Х4 =0,283 (БЬ = 0,65 мг/л); Х$ =-0,03 (/= 39,4 °С); Х6 = 1(/ = ЮООА/м2).

3. Влияние различных факюров ни выход по юку пинка н удельным расход энергнн при электролизе чистых сернокислых растворов

Одной из первых публикаций в области электролиза цинка является работа Хансена, в которой приведены материалы исследования по выяснению влияния на показатели процесса плотности тока, температуры и копнет рации цинка и серной кислот в электролите Материалы исследования широко использованы в ряде отечественных учебников и монографий Следует отметить высокое качество исследования, проделанного Хансеном, хотя оно и было выполнено по методу однофакторных экспериментов, а материалы исследования выражены лишь в табличной и графической форме и не подвергнуты математической обработке

В настоящей работе приведены результаты исследования зависимости выхода по току цинка и удельного расхода энергии от плотности тока, температуры и концентрации цинка и серной кислоты в электролите, проведенного с использованием метода планирования эксперимента. Для исследования был использован план эксперимента с числом опытов 29. Независимые переменные в бефазмерном масштабе' .V] - (у-600)/200. \Ч =(//1~80)/40. Л3 - (Л. - 110)/30. Л'4 = (/ - 40)/15 где } - плотность тока, А/м2; Zn - концентрация цинка в электролите, г/л; К -концентрация Н2$04 в электролите, г/л; / - температура, °С.

Условия электролиза: во всех опытах количество электричества составляло 0,50 А ч, площади поверхности катда и анода составляли по 10 см , обьем хпек фолим 0,5 л, шемроли) пел и бе! циркуляции хлекфоли-та, особо чистый сульфат цинка, из которою готовили электролит, имел марку ОСЧ 9 -2, а серная кислота - ХЧ. Использование указанных реагентов позволило адекватно моделировать процесс электролиза цинка в растворах, подвергну 1ых глубокой очистке от примесей, что, в конечном ито-

ге, является одной из главных целей цинкового электролитного производства.

В результате математической обработки экспериментальных данных получены следующие уравнения регрессии:

п - 0>1?1 I 0 01? IX V, I 0 066-17 \ Т 0 016П \ I О ОМ П \ I I 0 006') \ }

(2)

-0,03355 -0,01575 \^ -0,00315 -0,021 \, \ : + 00259Л , \ 3 » + 0,02646 Л'] Хц,

5^=3,5 10~4, 52(л) = 5,7 Ю-3, Я2 = 0,9837, Г = / 52 (п) = 16,34,

II' = 2670,4 + 7 22 Л , -161,5 \2 +12,66 \ 3 I 5 59 \ 4 15.93 \ (2 ч 131,48 \ ; ) (3) + 52,58 А'^ + 25,72 А'^ + 114,23 А'| Х2 -131,2А'|А'3 - 124,15 А',Л'4,

=6304,8; 5 2 (И7) = 50770,8; Я2 =0,9669; Р = /52(Ж) = 8,05,

где г| - катодный выход цинка по току, доли ед.; ¡V- удельный расход энергии, кВт ч/т.

Табличное значение критерия Фишера для обоих уравнений при уровне значимости 0,05 составило 5,85. В связи с тем, что для уравнений (2) и (3) значения Г- критериев оказались больше табличного критерия Фишера, оба уравнения признаны адекватными экспериментальным данным.

На рис.3 показаны частные зависимости выхода по току цинка от различных факторов при значениях остальных факторов на основном уровне (X, = 0) С использованием метода параметрической чувствительности зависимой переменной от независимых переменных последние можно ранжировать по убыванию силы влияния следующим образом: Х3 ^п), (/), Х4 (/), Х3 (Н2804). Иными словами самое сильное влияние на выход по току оказывают концентрация цинка в электролите и плотность тока и лишь затем следуют температура и концентрация кислоты в электролите.

п

Рис 3 Частное щпянис различных факторов на выход по току цинка V, - плотность тока \ - концентрация 7п в электро ште Х< - концентрация серной кислоты в .электролите -темперагура Пеыпнсимыс переменные приведены в безразмерном масштабе

Зависимость выхода по току цинка от концентрации металла в электролите, при фиксированных плотностях тока показана на рис.4. Концентрация кислоты и температура при этом были взяты на основном (нулевом) уровне.

Совместное влияние концентрации цинка и плотности тока на выход по току цинка показано на рис 5 и может быть выражено следующим уравнением регрессии, полученным из (2) при Х3 = 0 и Х4 = 0:

7 = 0,9421+0,03248^, +0,06647Х, +0,0069^ -0,03355*1 -0,02 ЦС,^ (4) п

Рис 4 Зависимосп» выхода но току цинка от его концентрации в электролите при различных плотнос1ях тока в бефазмерном масштабе, Л/м2 1- 800 2 - 600 3 -400

1 1

Рис 5 Зависимое-п, пы\одл ни току цинк.! 01 сю мшценфацин н »лек-фолше (/п) и шюшо-сти тока О) в безразмерном масштабе

Анализ уравнения (4), показал, что максимальный выход по току может быть достигнут при следующих значениях независимых переменных: X, = 1 (/ = 800 А/м2); Х2 = 0,678 {Ъп = 107 г/л).

Зависимость выхода по току цинка от концентрации кислоты в электролите при фиксированных плотностях тока показана на рис 6. Концентрация цинка и температура при этом были взяты на основном (нулевом) уровне.

п

Рис 6 Зависимость выхода по току цинка от концентрации кислоты в здекгролше при различных нлотностях тока в безразмерном масштабе, А/чг 1 - 800, 2 - 600, 3 - 400

Совместное влияние концентрации кислоты и млогносш тока на выход по току цинка показано на рис 7 и может быть выражено следующим уравнением регрессии: Концентрация цинка и температура были на основном (нулевом) уровне.

;/ = 0.9420,0424 XV, -0,016IV, ( 0,0069*'-0,01 575У2 + 0,02589У, V (5)

П

и -1

Рис 7 Зависимоси. выхода но тку цинка 01 кониенграции ссрнои кис юты в > 1скIро шк (/<") и плотности гока (/) в бсфазчерном масштабе

IV = 2670,4 +7,22 +12,66 Л^ -15,925ЛГ,2 +52,575 х\ (6)

Совмеипое влияние илоиюсш гока и копмешрации кислом.! иокаы-но на рис 8

•i i

Рис 8 Зависимое п. \ ле ibiioi о расхода ¡iiepi пи or mo гности тока (у) и копией ipaiiiin кие mn (К) в безразмерном часнмабс

Осушесшлен поиск оптимальных параметров процесса с целью мак-симимции выхода по гоку цинка и минимизации расхода энергии, для мого н качестве целевых функций были использованы уравнения регрессии (2) и (3) со следующими 5 ограничениями:

- I < Х| < 1; -1<Х2<1; -1<Х3<1; -1<Х4<1 (30 +1 10)/(40•А'2 +80) = 1,5

Чешерте 01раничемие по 1емпературе введено с целыо получения 1емпера1уры электролига ближой к среднему уровню (40"С) Пятое офаничение связано с необходимостью соблюдения стехиометрии реакции растворения оксида цинка в серной кислоте, согласно которой в отхо-1ятем и5 ванны растворе должно соблюдаться отношение Н2Б04 / Ъл = I 5 обстоятельство позволит предотвратить появление избытка или дефицит кислоIы в электролиге

Усыновлено, чю максимальный выход по юку (г| - 0,975) может бым, допишу! при следующих значениях независимых переменных: Х| = I (.1 = 800 А/м2), Х2 = -0,014 (гп = 79,4 г/л), Х3 = 0,306 (Н2504 = 119,2 г/л). Х4 = - 0,1 0 = 38,5 оС), а минимальный удельный расход энергии ГУ/гтп = 2583 кВт ч/т) при- X, = I О = 800 А/м2); Х2 = 0,313 (гп = 92,5 г /л). Х3 ~ 0,96 (Н2Б04 = 138,8 г/л), Х4=-0,1 (1 = 41,5°С).

Из полученных данных следует, что для поиска условного оптимума процесса следует решать компромиссную задачу.

4. Влияние поверхностно-активных веществ на выход по току цинка и удельный расход энергии

При )лекфолизе цинковых растворов в качестве поверхностно-ак-швных веществ наиболее широко используют так называемый столярный клей Целыо работы было исследование совместного влияния столярного клея и плотности тока на выход по току цинка при электролизе растворов, тлсрж.нпих примеси и чиомх рас шорок

Условия экспериментов во всех опьпах были иосюянными состав электролита, г/л■ 100 Н2Б04; 100 Тх\\ объем электролита в ванне 0,2 л, площадь поверхности анода и катода по 10 см2; расстояние между поверхностями анода и катода 5 см; температура электролита 22 °С; количество электричества 0,50 А ч

Независимыми переменными были: концентрация клея в электролите (10,0 - 70,0 мг/л) и плотность тока (400 - 1000 А/м2). Зависимые переменные' выход по току цинка (г|) и удельный расход энергии (\\0.

Электролиз растворов с примесями

В качестве примесей были исследованы кобальт и сурьма, существенно снижающие выход по току цинка, особенно при совместном их присутствии н электролите. Концентрация примесей во всех опытах была постоянной, м|/л 10,0 Со, 0,5 Кобальт в раствор добавляли в виде сульфата Со504-7Н20, а сурьму в виде калия сурьмяно-виннокислого К(8ЬО)С4Н406-0,5 Н20.

Предварительные опыты

В табл 2 приведены результаты сравнительных опытов по электролизу растворов, содержащих, мг/л 10 Со, 0,5 БЬ, без добавки клея и с клеем (10 мг/л)

Таблица 2

), А/м2 Л2

400 0,4000 0,8647

700 0,6795 0,9280

1000 0,7895 0,9439

В табл 2 г),- выход по току в растворах без клея; г|2-выход по току с добавкой клея.

Графики зависимости выхода по току цинка в соответствии с данными табл. 2 приведены на рис 9

ч

-

-

-1-

•1 0 -0 5 00 05 10 Рис 9 Зависимооь выхода по току цинка при электротше растворов с примесями от птот-иости тока (X, = (у - 700) / 400)) I - с добавкой клея (10 мг/л), 2 - бет добавки клея

Из табл 2 и рис 9 следует, что добавка клея позволяет существенно повысить выход по току цинка при электролизе растворов, содержащих примеси (на примере Со и Sb). Так при плотности тока 400 А/м2 добавка клея позволила увеличить выход по току от 40,00 до 86,47 %.

Другим фактором, влияющим на выход по току цинка, является плотность тока Так, изменение плотности тока от 400 до 1000 А/м2 при элек-I роли to Got добавки клеи увеличило выход но тку на 19 %, а мри >лек-гролизе с добавкой клея - на 8 %.

Более подробное исследование влияния клея на процессы электролиза было проведено с использованием методов планирования эксперимента. Связь между безразмерными и размерными величинами независимых переменных была следующей

X/ = (/ - 700) / 300, Л2 = (к'ч - 40) / 30,

где Xi и Х2 - плотность тока и концентрация клея в безразмерных единицах;^ - плотность тока, А/м2; Кл - концентрация клея, мг/л.

В результате обработки экспериментальных данных получены следующие адекватные уравнения регрессии:

Ч = 0,942Н 0,0356А] - 0.02373Л',2 - 0.01408Л'.? - 0,0039Л',Л 2 , (7) (±0,018) (±0,006) (±0,014) (±0,014) (±0,008)

И' = 3208,5+ 184,83 Л) + 26,333 Х2 + 82,75 X j2 + 44,25 х\ + 24,25 XjX2 (8)

(±46 2) (±16,9) (±16,9) (±35,8) (±35,8) (±20,6)

В скобках под коэффициентами регрессии приведены их доверительные интервалы

д = ±t0,05;f"VSaaCii '

2

где S^ - дисперсия адекватности, Си - диагональные элементы матрицы, обратной матрице нормальных уравнений; 10os с - табличное значение критерия Стьюдента

С помощью /- кршерия независимые переменные были ранжированы по силе влияния на выход по току и удельный расход энергии следующим образом: наибольшее влияние оказывает плотность тока (X/) и в меньшей мере - клей (Х2).

На рис 10 и 11 приведены графики частной зависимости выхода по току и удельного расхода энергии от плотности тока и концентрации клея в электролите.

Сие 10 Частые мншимосш выхода но тку при > (екфолте ргшнорои с примесями (( о и ЧЬ) 01 1 - плопюаи юка, 2 - конценфации клея в ыектро шге IЗависимые переменные (X,) приведены в безразмерном масштабе

-10 -0 5 00 05 10 Рис 11 Частые мвисимосш удельною расхода Л1ср(ии при м1екфоли!с расширив е примесями (Со и 5Ь) о[ 1 - плотности тока, 2 - конценфации клея в лектролите Ноависп-мые переменные (X) приведены в безразмерный масштаб

Совместное влияние плотности тока и концентрации клея приведено на рис.12.

1'ис 12 Совмсспюе в шяние п ютности тока (X,) и конценграиии клея в электролите (X;) на i'mvíu но iokv iiiiiiiui при ) 1ек*[ролиíc растворов с примесями (Со и Sb) Независимые переменные (\,) приведены в бс¡размерном масштабе

Липли) уравнения (8) потолил уыаповип., чю максимальный иыход по кжу цинка Ппмх 0,9556 доотаеюя при следующих значениях независимых переменных. X, = 0,758 (/ = 927,4 А/м2), Х2 = - 0,106 (Км = 36,8 mi/л) В соответствии с уравнением (9) минимальный удельный расход энергии И7 = 3106,4 кВт ч / т достигается при X¡ = -\ (j ~ 400 А/м2), Х2~ - 0,025 (Кл = 39,3 мг/л).

Э ¡ектра'пи растворов без примесей

По аналогии с электролизом растворов с примесями получено адекватное уравнения регрессии, связывающее выход по току цинка с плотностью тока и концентрацией клея в электролите:

П = 0 9095 - 0,01 51 X) + 0,01 Х^ + 0,0062 х\ + 0,0034*1*2 (9) (±0,014) (±0,005) (±0,011) (+0,011) (±0,006)

Анализ уравнения (10) позволил установить, что максимальный выход но току в условиях проведенных экспериментов (л™, = 0,9442 ) может П|>ш, лос1И1 nyi при следующих шачепиях не¡ависимых переменных'

X, = - 1 (j-~ 400 А/м2); Х2 = - 1 (Кл = 10 mi/л).

На рис.13 приведены частные зависимости выхода по току от плотности тока и концентрации клея в электролите, а на рис.14 - совместное их влияние

ч

0.94

0 93

0 9?

0.91

2

0 90

X

-1 0 -0.5 0 0 0.5 1 0

|'ис П Члсшыс шнисимони выхода по тку при шсюролию чииых расгиорои (Лсч ( о и ЧЬ) от 1 - концентрации клея в ¿лектролше, 2 - илошоои юка Немвисимые переменные (-V,) приведены в безразмерном масштабе

При электролизе растворов, не содержащих примесей, так же, как и в случае с растворами, содержащими примеси, плотность тока оказывает на выход по току более сильное влияние, чем клей.

1'ис 14 Совместное влияние нлогносги гока (XI) и концентрации к 1ея (Х2) на выход по юку цинка при >лск|ро |и «с раса ворон, не содержащих примесей (Со и ЧЬ) Иейвисимые переменные (-V,) приведены в бора)мерном масштабе

5. Влияние плотности тока на выход по току цинка при электролше расплава хлорида цинка

Одним из альтернативных способов получения цинка является элек-I ролиз расплавов Возможность ведения процесса при высоких плогно-

0 96-,

0 95-

-1 -1

ыяч тка (на порядок выше, чем при электролизе водных растворов) при сравнительно низком расходе энергии делают этот процесс привлекательным В литературе имеются сведения об электролизе в хлоридных расплавах, содержащих натрий, калий, литий и цинк.

В представленной диссертации предложен расплав, из которого с це-II,ю его удешевления исключен литий Электролиз вели в кварцевом элек-фоли!ере емкостью 1,0 л Графитовые электроды цилиндрической формы имени рабочую площадь поверхности но 5 см2 каждый и находились в ) юктролизере в вертикальном положении параллельно друг другу Расстояние между электродами изменяли в пределах 1-3 см Плотность тока варьировали в пределах 0,7-1,3 А/см2 (7000-13000 А/м2). Температуру 535 ( (оптимальную по литературным данным) поддерживали с точностью ± 5 | рад /(лшелыюсп. они юв - по 1,0 ч Расплав имел следующий состав, % (молит ) 18,0 /п( I), 31,0 КС1, 31,0 ЫаС'1, % (масс ) 55,68 /пС12, 24,81 КС1. I 9,48 №С1

Для исследования зависимости расхода энер! ии от плотности тока и расстояния между электродами был использован нелинейный план Бокса В; В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие уравнения регрессии, адекватные при уровне значимости 0,05

4 = 0,5591 + 0,42 7+ 0,172 /,-0,224 у2 - 0,0495 ¡} +0,0245 у ¿, (10)

II = 5062.3 - 4297.8 у -634.3 ¿ + 2780.6 у2 +207,3 I2 -45.8 ; I. (П)

|де 11 - каюдный выход по току цинка, доли ед.; № - удельный расход мюртии, кВI ч/|, ) плотность юка, А/см2; ¿ - расстояние между )лек1родами, см

В условиях принятых ограничений экспериментальные значения выхода по току были в пределах 0,87-0,94, а удельного расхода энергии -2950-3750 кВт ч/т

Исследование уравнений (1 I) и (12) на условный оптимум в условиях принятых отраничений позволило получить компромиссную область, ограниченную следующими кривыми (см. заштрихованную область на рис 15 ):

^(r\) = 3.7767 - 2,998 I + 0,7603 О, ,(\У) = 0,4643 -0,6701 I - 0,2049 I?.

(12) (13)

Рис 15 Зависимоси, выхода но тку (г|) и удельною расхода )нергии (ИО 01 плопюии нжа и межэлектродного расстояния п, доли ед 1- 0,94, 2-0,93, 3-0,92, - 0,90. И', кВ| ч/т /•-3000, 2'- 3100, 3 -3200

На рис.15 заштрихована область, ограниченная IV < 3000 и г| > 0,94; Б и Б' - центры поверхностей отклика IV и ц.

Изучена также зависимость удельной электропроводности расплава 2пС12 - КС1 - ЫаС1 от состава и получено уравнение регрессии

/ = 4,16 Л' + 0,1345 X2 + 3,5306/- 0,0021 1(2 -0,02468X/-1034,1 (14)

где X содержание /.пС12 в расплаве, % mojii.ii (30-40), при р.ншом содержании КС1 и ЫаС1, I - 1емпера1ура расплава, "С (500-600)

6. Процессы на анодах

Известен вред, наносимый окружающей природной среде заводами цветной металлургии. Прежде всего, это сбрасываемые в атмосферу и гидросферу сернистый газ и тяжелые металлы Вместе с тем ряд побочных эффектов, сопровождающих получение цветных металлов элекгроли¡ом, можно отнести к положительным в экологическом отношении К таким эффектам можно отнести выделение кислорода на нерастворимых (нерас-ходуемых) анодах в процессе электролиза растворов.

Примерами предприятий, поставляющих кислород в атмосферу, могу г служить цинковые и медные электролизные заводы. Около 80 % мирового производства цинка и кадмия и 25 % меди получают элекгроли мм с нс-

p,íc i коримыми анодами Вместе с гем следует отметить, что, вследствие мроюкаиия на аноде конкурирующих процессов, выход по току кислорода колеблется в пределах от 35 до 70 %.

Так в случае электролиза сульфатных цинковых растворов на свинцовых анодах могут протекать следующие процессы, включая выделение кислорода

Pb + S02~ -2е~ = PbS04, ф = - 0,356;

РЬ + Н20-2е~ = РЬО + 2Н+, Ф = 0,248;

РЬ + 2Н20-4е"~ = РЬ02+4Н+, ф= 1,449;

2П20-4С~ =02 +4Н+, Ф = 1,228;

Mn2) i 211?() 2с Мп()2 i 411', Ф 1,228,

Мп2' -5е~ = Mn04 +8II"1, q> = 1,507

В настоящей работе в лабораторных условиях методом планирования эксперимента исследованы процессы выделения кислорода на свинцовом .июле (Ag = 1 %) при электролизе сульфатных цинковых растворов, со-1сржащих МпП1)

Условия опытов- состав электролита, г/л: 100 Zn, 100 H2S04, Мп = 2 -14. плотность тока j = 0,4 - 0,8 кА/м2, объем электролита 0,5 л, площадь поверхности электродов по 5 см2 каждый, количество электричества - 0,25 А ч

Был использован план Бокса, в котором независимыми переменными были плошосгь юка на аноде и концешрация марганца Мп(П) в элекгро-лше В качссгве функции oí клика использовали выход по току кислорода па аноде, объем которого определяли методом газовой бюретки.

Экспериментальные значения выхода по току кислорода в долях единицы были в пределах 0,37-0,61 В результате математической обработки жишримсшальных данных было получено следующее уравнение peipec-

сии

Л = 0.045 + 2.2167 j - 1.7836 j2 -0,04198Мп + 0,002654(Мп)2 - (15)

-0.0183 ¡Мп. R2 = 0.986, F = 20,4, F0 05 7 2= 19,36,

|де г| - выход кислорода но току, доли ед ; J - плошость юка, Л/м , Мп - концентрация в электролите, г/л

В связи с тем, что р > Р005 7,2 уравнение регрессии (15) признано адекватным экспериментальным данным при уровне значимости 0,05.

Анализ уравнений (15) позволил установить, что максимальный выход по току кислорода на аноде составляет' п,п„х = 0,638 при ( - 0,611 кЛ/м2; Мп 2,0 I/л

В связи с тем, что при концентрации Мп ^ 5 г/л возникает опасное и, выделения свободного хлора на аноде, был найден максимальный выход кислорода на аноде при концентрации Мп = 5 г/л Он оказался равным 0,5345 при плотности тока ] = 0,6 кА/м2.

Экологические аспекты электролиза цинка

На основе полученных экспериментальных данных в условиях принятых ограничений можно считать, что масса кислорода, поступающего в атмосферу из электролизных гидрометаллургических заводов (на примере цинка и меди) связана с производительностью их по металлу следующим примерным соотношением С(02) »0,15 Ме,

где 6(0?) - масса кислорода, кг; Ме - масса металла (2п, Си), кг Если принять среднюю интенсивность фотосинтеза кислорода лиственными деревьями 8-10 т/(га год), то один цинковый или медный электролитный та вод укатанной производительности по проитнодству кислорода будем эквивалентпым 18-20 км2 лесных массивов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Выполнена научно-квалификационная работа, в которой представлен комплекс исследований в области электроэкстракции цинка из водных растворов и расплавов.

2. Исследовано системное влияние примесей (Со, N1, ве, ЬЬ), температуры и плотности тока на выход по току цинка при электроэкстракции его из сульфатных растворов, в результате чего установлены следующие закономерности:

• зависимость выхода по току цинка от указанных независимых параметров является экстремальной с минимумом для Со, N1, плотности тока и максимумом для Ое, и температуры,

• по убыванию воздействия на выход по току цинка примеси могут бы м, ранжированы и следующий ряд' Ge, Sb, j. Со, t, Ni;

• плотное/ь юка является наиболее мощным фактором, позволяющим существенно влиять на выход по току цинка, в связи с чем может быгь рекомендована для эффективного управления процессом электроли-¡а.

• предложен вариант условною оптимума для получения максимальною выхода по юку

1 Выполнено исследование зависимости катодного выхода цинка по юку и удельного расхода энергии от плотности тока, температуры и концентрации цинка и серной кислоты в электролите при электролизе особо чистых растворов, содержащих следы примесей металлов. Получены уравнения рефессии, на основе которых определены оптимальные пара-мечры ыекфоли!а, при реалимции коюрых выход по юку цинка является максимальным, а удельный расход »черти минимальным В условиях припяпих ()1рапичепий минимальный удельный расход >нер1ии равный 2108 kBj ч/i, можс! бьиь получен при следующих значениях независимых переменных

1= 400 А/м\ Zn = 120,0 г/л; H2S04 = 80,0 г/л; t = 25,0 °С.

4 Выполнено исследование по системному влиянию плотности тока и концентрации столярного клея на выход по току цинка при электролизе рас г воров с примесями (Со, Sb) и без них Установлено, что клей в соче-!ании с плотностью тока существенно снижает вредное влияние примесей на выход по току Экспериментально установлено, что выход по току цинка является максимальным при содержании клея в электролите 10 мг/л при электролизе чистых растворов и 40 мг/л - при электролизе растворов с примесями

lloKdidHo, чю клей при элекфолизе чис!ых (беспримесных) раствором снижае! выход по юку цинка тем больше, чем выше плотность тока

5 Изучена зависимость электропроводности расплавов системы ZnCb KCl- NaCl от состава в области концентраций, оптимальных для элек-

фолшического получения цинка Изучена зависимость выхода по току пинка и расхода )нер1ии на получение цинка элекфолизом расплава хлорида пинка ol плошосш юка и рассюяния между )jickiродами Получена математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс. В условиях принятых ограничений экспериментальные значения выхода по току составили 0,87-0.94 (в долях ед.), а удельного расхода энергии - 2950-"750 кВт ч'т Покаина воможность ведения электролиза в расплавах при

плотностях тока на порядок больше, чем при электролизе водных рас (воров.

6. Исследована зависимость выхода по току кислорода на свинцовом аноде при электроэкстракции цинка от плотности тока и концентрации марганца в электролите. Показано, что гидрометаллургические электролитные заводы позволяют регенерировать кислород в процессе электролиза п иосшнлнп. сю к атмосферу Согласно расчетам, гака/;, проишоляшии в юд 100 тыс I цинка или меди, но выделяемому в атмосферу кислороду эквивалентен 18 - 20 км2 лесных массивов

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

/ Ходов ПН, Алкацев ВМ, Дапиччч НА Влияние плотности тока на расход энергии при электролизе расплава хлорида цинка // Изв вузов 1|,в металлургия 1987 № 4, С. 113 - 114.

2 Алкацев В М, Еналдиев В М, Алкацев МИ, Кабисов ИХ Системный анализ влияния различных факторов на показатели электролиза сульфатных цинковых растворов // Изв. вузов. Цв. металлургия 1988 № 5 С 46 49.

3 Алкацев М И, Алкацев В М Электролизные заводы цветной металлургии - источники поступления кислорода в атмосферу // Экологические проблемы горных территорий. Тез докл. Участников 1-ой международной конф. Владикавказ, 1992. С.200 - 202.

4 Алкацев В М , Кондратьев Ю И Зависимосп, выхода по тку пинка <п различных факторов// 1руды молодых учетах Владикаикатскии научный центр РАН 2003 № I С 60 66

5 Ачкацев В М Зависимость выхода по току цинка от различных факторов при электролизе сернокислых растворов // Труды молодых учетах Владикавказский научный центр РАИ. 2004 №2 С 24 28

Подписано в печать 10.11.2004 Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз Заказ № 403. Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). 362021, г.Владикавказ, РСО-Алания, ул. Николаева, 44.

Подразделение оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ). 362021, г.Владикавказ, РСО-Алания, ул Николаева, 44

2 5 99 8

РНБ Русский фонд

2006-4 3717

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА ЦИНКА.

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Катодные процессы.

1.1.1. Электролиз растворов.

1.1.2. Электролиз расплавов.

1.2. Анодные процессы

1.3. Патентный обзор.;.

1.3.1. Патенты СССР и РФ.

1.3.2. Иностранные патенты.

1.4. Анализ публикаций.

1.5. Определение целей исследования

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ, ПЛОТНОСТИ ТОКА И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВЫХОД ПО ТОКУ ЦИНКА ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ СУЛЬФАТНЫХ РАСТВОРОВ

2.1 Влияние одиночных примесей

2.2 Совместное влияние примесей.

2.3 Оптимизация процессов.

2.4 Выводы к главе

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЫХОД ПО ТОКУ ЦИНКА И РАСХОД ЭНЕРГИИ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ ЭЛЕК ТРОЛИЗЕ ЧИСТЫХ РАСТВОРОВ

3.1. Влияние концентрации цинка на выход по току.

3.2. Влияние концентрации кислоты на выход по току.

3.3. Поиск оптимальных параметров электролиза

3.4. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

НА ВЫХОД ПО ТОКУ ЦИНКА И РАСХОД ЭНЕРГИИ.

4.1. Электролиз растворов с примесями

4.2. Электролиз растворов без примесей

4.3. Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА НА ВЫХОД ПО ТОКУ

И РАСХОД ЭНЕРГИИ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ РАСПЛАВОВ ХЛОРИДА ЦИНКА.

5.1. Удельная электропроводность расплавов, состоящих из хлоридов цинка, калия и натрия.

5.2. Зависимость выхода по току цинка и удельного расхода энергии от плотности тока

5.3. Выводы к главе

ГЛАВА 6. ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДА ПО ТОКА КИСЛОРОДА НА СВИНЦОВОМ АНОДЕ ОТ ПЛОТНОСТИ ТОКА И СОДЕРЖАНИЯ МАРГАНЦА В ЭЛЕКТРОЛИТЕ.

6.1. Процессы на свинцовом электроде

6.2. Экологические аспекты процессов электроэкстракции цинка и меди

6.3. Выводы к главе 6.

Актуальность темы

Электролитическое извлечение (электроэкстракция) цинка из растворов является процессом энергоемким. Удельный расход энергии в процессе электролиза колеблется в пределах 2900 - 3400 кВт-ч/т катодного цинка. В связи с этим вопросы оптимизации процесса электролиза на основе экспериментальных данных и соответствующих математических моделей являются актуальными. Цель работы

Математическое моделирование процессов электроэкстракции цинка из растворов и расплавов на основе экспериментальных данных, полученных методом планирования эксперимента, оптимизация и прогнозирование процессов. Методы исследования

Математические методы планирования экспериментов. Электролиз растворов и расплавов. Кондуктометрия. Математическое моделирование процессов.

Наиболее существенные научные результаты работы

1. Исследовано системное влияние примесей (Со, Ni, Ge, Sb), температуры (t) и плотности тока (j) на выход по току цинка при электроэкстракции его из сульфатных растворов, в результате чего установлены следующие закономерности:

• зависимость выхода по току цинка от указанных независимых параметров является экстремальной с минимумом для Со, Ni, плотности тока и максимумом для Ge, Sb и температуры;

• плотность тока является наиболее мощным фактором, позволяющим существенно влиять на выход по току цинка, в связи с чем может быть рекомендована для эффективного управления процессом электролиза;

2. Выполнено исследование зависимости катодного выхода цинка по току и удельного расхода энергии от плотности тока, температуры и концентрации цинка и серной кислоты в электролите при электролизе особо чистых растворов, содержащих следы примесей металлов. Получены уравнения регрессии, на основе которых определены оптимальные параметры электролиза, при реализации которых выход по току цинка является максимальным, а удельный расход энергии - минимальным. В условиях принятых ограничений минимальный удельный расход энергии равный 2308 кВт-ч/т может быть получен при следующих значениях независимых переменных: j = 400 А/м2; Zn =120,0 г/л; H2S04 = 80,0 г/л; * = 25,0 °С.

3. Выполнено исследование по системному влиянию плотности тока и концентрации столярного клея на выход по току цинка при электролизе растворов с примесями (Со, Sb) и без них. Установлено, что клей в сочетании с плотностью тока существенно снижает вредное влияние примесей на выход по току. Экспериментально установлено, что выход по току цинка является максимальным при содержании клея в электролите 10 мг/л при электролизе чистых растворов и 40 мг/л - при электролизе растворов с примесями. Показано, что клей при электролизе чистых (беспримесных) растворов снижает выход по току цинка тем больше, чем выше плотность тока.

4. Изучена зависимость электропроводности расплавленной системы ZnCb -КС1- NaCl от состава и температуры, Изучена зависимость выхода по току цинка и расхода энергии при электролизе расплавов от плотности тока и расстояния между электродами. Получена математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс. В условиях принятых ограничений экспериментальные значения выхода по току составили 0,87-0,94 (в долях ед.), а удельного расхода энергии - 2950-3750 кВт ч/т. Показана возможность ведения электролиза в расплавах при плотностях тока на порядок больше, чем при электролизе водных растворов.

5. Исследована зависимость выхода по току кислорода на свинцовом аноде при электроэкстракции цинка от плотности тока и концентрации марганца в электролите. Показано, что гидрометаллургические электролитные заводы позволяют регенерировать кислород в процессе электролиза и поставлять его в атмосферу. Согласно расчетам завод, производящий в год 100 тыс.т. цинка или меди, по выделяемому в атмосферу кислорода эквивалентен 18-20 км2 лесных массивов.

Практическая ценность

1. Предложенные в работе математические модели позволяют найти оптимальные параметры электролиза цинка и на их основе получить высокие значения выхода по току цинка и минимальные - удельного расхода энергии.

2. Рекомендации по оптимальным концентрациям поверхностно-активных веществ в электролите на примере столярного клея (10 мг/л при электролизе чистых электролитов и 40 мг/л - электролитов с примесями) позволяют получить качественные осадки цинка при минимальном расходе энергии.

3. Материалы диссертации могут быть использованы в курсе «Металлургия тяжелых цветных металлов», а также отображены в учебниках и учебных пособиях.

Положения, выносимые на защиту

1. Математические модели процессов осаждения цинка электролизом:

• из сульфатных растворов, содержащих примеси;

• из чистых сульфатных растворов без примесей;

• из расплавов хлорида цинка на основе КС1 - NaCl - LiCl.

2. Математическую модель регенерации кислорода при электроэкстракции цинка и меди из сульфатных растворов.

Апробация работы

Положения диссертационной работы прошли апробацию на научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ), на 1-ой международной конференции «Экологические конференции горных территорий», а также в статьях, опубликованных в научных изданиях. Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях. Структура и объем работы

Диссертация на 79 стр. текста, состоит из введения, 6 глав, основных выводов, библиографического списка из 72 наименований и патентного поиска с ретроспективой в 40 лет, а также 24 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнена научно-квалификационная работа, в которой представлен комплекс исследований в области электроэкстракции цинка из водных растворов и расплавов.

2. Исследовано системное влияние примесей (Со, Ni, Ge, Sb), температуры и плотности тока на выход по току цинка при электроэкстракции его из сульфатных растворов, в результате чего установлены следующие закономерности:

• зависимость выхода по току от указанных независимых параметров является экстремальной с минимумом для Со, Ni,y и максимумом для Ge, Sb и температуры;

• по убыванию воздействия на выход по току цинка примеси могут быть ранжированы в следующий ряд: Ge, Sb,y, Со, t, Ni;

• плотность тока является наиболее мощным фактором, позволяющим существенно влиять на выход по току цинка, в связи с чем может быть рекомендована для эффективного управления процессом электролиза;

• предложены варианты условного оптимума для получения максимального выхода по току цинка. Экспериментально установлено, что при определенных концентрациях примеси способны увеличивать выход по току цинка. Вместе с тем следует учитывать, что при больших концентрациях примеси осаждаясь совместно с цинком могут снизить качество цинка, а в отдельных случаях проявить свое негативное воздействие через 10-12 часов.

3. Выполнено исследование зависимости выхода цинка по току и удельного расхода энергии от плотности тока, температуры и концентрации цинка и серной кислоты в электролите при электролизе особо чистых растворов, содержащих следы примесей металлов. Получены уравнения регрессии, на основе которых определены оптимальные параметры электролиза, при реализации которых выход по току цинка является максимальным, а удельный расход энергии - минимальным. В условиях принятых ограничений минимальный удельный расход энергии равный Wm;n= 2308 кВт-ч/т может быть получен при следующих значениях независимых переменных: j = 400 А/м2; Zn= 120,0 г/л); H2S04 = 80,0 г/л); / = 25,0°С.

4. Выполнено исследование по системному влиянию плотности тока и концентрации столярного клея на выход по току цинка при электролизе растворов с примесями (Со, Sb) и без них. Установлено, что клей в сочетании с плотностью тока существенно снижает вредное влияние примесей на выход по току. Экспериментально установлено, что выход по току цинка является максимальным при содержании клея в электролите 10 мг/л при электролизе чистых растворов и 40 мг/л - при электролизе растворов с примесями. Показано, что клей при электролизе чистых растворов снижает выход по току цинка тем больше, чем выше плотность тока.

5. Изучена зависимость электропроводности расплавленной системы ZnCb -КС1- NaCl от состава в области концентраций, оптимальных для электролитического получения цинка. Изучена зависимость выхода по току цинка и расхода энергии на получение цинка электролизом расплава хлорида цинка от плотности тока и расстояния между электродами. Получена математическая модель, позволяющая оптимизировать процесс. В условиях принятых ограничений экспериментальные значения выхода по току составили 0,87-0,94 (в долях ед.), а удельного расхода энергии - 2950-3750 кВт-ч/т. Показана возможность ведения электролиза в расплавах при плотностях тока на порядок больше, чем при электролизе водных растворов.

6. Исследована зависимость выхода по току кислорода на свинцовом аноде при электроэкстракции цинка от плотности тока и концентрации марганца в электролите. Показано, что гидрометаллургические электролитные заводы позволяют регенерировать кислород в процессе электролиза и поставлять его в атмосферу. Согласно расчетам завод, производящий в год 100 тыс.т. цинка или меди, по выделяемому в атмосферу кислорода эквивалентен 18-20 км2 лесных массивов.

1. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Т.5. 1966.

2. Химический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Т.5. 1966.3. Пат. 36750 США, 1862.

3. Пат. 14256 (Германия), 1880.

4. Пат. 21775 (Германия), 1881.

5. Hansen С. A. Trans. Am. Inst. Mining Eng. 60, 206 (1918).

6. О. С. Ralston. Electrolytic deposition and hydrometallurgy of zinc. New York: McGraw-Hill book company, 1921.

7. ГаевА.И., Ecuh O.A. Электролиз цинка. Свердловск-Москва: ОНТИ, 1937. 190 с.

8. Лакерник М.М., Пахомова Г.Н. Металлургия цинка и кадмия. М.: Металлургия, 1969. 488 с.

9. Ю.Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. М.: Металлургия, 1977. 336 с.

10. Стендер В.В., Туромишна У.Ф.//ЖПХ. 1954. T.XXVII, с. 1084.

11. Агеенков В.Г., Каковский И.А. Электрометаллургия водных растворов. М.: Металлургиздат, 1947. 148 с.13 .Хан О.А. Фульман Н.И. Новое в электроосаждении цинка. -М.: Металлургия, 1979.-79 с.

12. Шиврин Г.Н. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1982. 352 с.

13. Тарарин С.В. Электролиз водных растворов в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1990. 176 с.

14. Mackinnon D.J., Fenri P.L. The effect of tin on zinc electrowinning from indus trial acid sulphate electrolyte // J. Appl. Electrochem. 1984. 14. 6. P.p. 701707.

15. Куликов С.С., Вишняков И.А., Михин Я.Я., Погорелый А.Д. Исследование процесса электролиза цинка в промышленных условиях // Изв. вузов. Цвет. Металлургия. 1981. № 2, с.41-43.

16. Куликов С.С. Исследование процесса электролитического получения цинка с целью оптимального управления: дис. Канд. техн. наук. Орджоникидзе. 1982.188 с.lA.Liebscher R. Neue Hutte. 1969. Bd 14. № 11. S. 651-652.

17. Якименко JI.M. Электродные материалы. M.: Химия, 1977.

18. Зайцев ВЯ., Маргулис Е.В. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1985. 263 с.

19. Пат. 597746 (СССР). Способ электролитического извлечения цинка электролизом / Н.И. Фулъман. 1978.

20. Пат. 605862 (СССР). Способ автоматической оптимизации технологического режима электроосаждения цинка / Р.С.Лытвак, JI.TI.Kilm, Г.Г.Раннев. 1978. .

21. Пат. 608853 (СССР). Способ автоматического контроля процесса электроосаждения цинка/Р.С.Литвак, М.М.Табачников. 1978.

22. Пат. 644873 (СССР). Способ непрерывного автоматического контроля ка чества катодного цинка в процессе его осаждения / М.М.Табачни-ков, Р.СЛитвак. 1978.

23. Пат. 596661 (СССР). Способ электроосаждения цинка I Н.И.Фулъман, О.А.Хан, Э.О.Пелъке и др. 1978.

24. Пат. 1055779 (СССР). Способ охлаждения электролитов цинкового производства/ Ф.И.Эрет, Н.В.Ходов. 1979.

25. Пат. 699036 (СССР). Электролит для электроэкстракции цинка / В.С.Колеватова. 1979.

26. Пат. 936644 (СССР). Электролит для получения цинка / М.К.Наурыз-баев, В.П.Гладышев, В.В.Могильный и др. 1980.

27. Пат. 978611 (СССР). Электролит для получения цинка / В.П. Гладышев, М.К. Наурызбаев, В.А. Могильный и др. 1980.

28. Пат. 865988 (СССР). Способ извлечения цинка из сернокислых растворов электролизом I Х.Ш.Габитов, О.Г.Шлемова. 1981.

29. Пат. 1014991 (СССР). Электролит для получения цинка / Ю.А.Ники-тин, Г.А.Комлев, Б.И.Лязгин, И.И.Трифонов. 1983.

30. Пат. 1016400 (СССР). Способ извлечения цинка из сернокислых растворов электролизом / Х.Ш.Габитов, Л.Ф.Трошина, А.Н.Воложанин. 1983.

31. Пат. 1073341 (СССР). Способ извлечения цинка из сернокислых растворов электролизом / О.С.Хаскова, Н.И.Фульман. 1984.

32. Пат. 1397542 (СССР). Способ электролитического рафинирования цинка /

33. A.Козыбаев, В.В.Могильный, Т.З. Ахметов. 1988.

34. Пат. 1587956 (СССР). Способ электролитического извлечения цинка / Н.А.Волкова, С.В.Крашенина, О.Г.Шлемова и др. 1988.

35. Пат. 1630328 (СССР). Способ электролитического получения цинка /

36. B.В.Могильный, М.К.Наурызбаев, М.М.Ибраев и др. 1989.

37. Пат. 1669219 (СССР). Способ получения цинка высокой чистоты / Л.Ф.Козин, Е.О.Бережной, В. И. Огородницу к и др. 1989.

38. Пат. 1709760 (СССР). Способ электролитического получения цинка / Н.А.Волкова, С.В.Крашенина, Ю.М.Усольцев. 1990.

39. Пат. 2075549 (РФ). Способ получения катодного цинка /Г.М.Яшина. 1997.

40. Пат. 0034391 (ЕР). Применение свинцового сплава для изготовления анодов, применяемых при электролитическом производстве цинка. 1981.

41. Пат. 508934 (FR). Способ выделения цинка при помощи водородных анодов / W. Juda. 1981.

42. Пат. OS 3225470 (DE). Электролитический способ экстракции цинка с помощью водородных анодов. 1983.

43. Пат. 4345980 (US). Электрохимический способ получения цинка. 1982.

44. Пат. 4379037 (US). Способ очистки водных кислых растворов сульфата цинка от марганца и хлорид ионов / Gerald L. Bolton. 1983.

45. Пат. 4412894 (US). Электрохимический способ получения цинка с во дородными анодами. 1983.

46. Пат. 4431496 (US). Электрохимический способ получения цинка. 1984.

47. Пат. 4437953 (US). Способ контроля раствора в установке контроля осаждения цинка. 1984.

48. Пат. 4465569 (US). Способ получения цинка из растворов хлорида, со держащих в основном железо, медь и цинк. 1984.

49. Пат. 58-27354 (JP). Способ и установка для охлаждения циркулирующего электролита для осаждения цинкового покрытия. 1983.

50. Пат. 60-15714 (JP). Электролитический способ выделения цинка с применением водородного анода. 1985.

51. Пат. 83/03627 (WO). Способ и установка для извлечения цинка из промышленных металлических содержащих цинк отходов. 1983.

52. Пат. 86/ 02107 (WO). Способ получения цинка из руд и концентратов1986.

53. Справочник по электрохимии / Под. Ред. А.М.Сухотина. JL: Химия, 1981. 488 с.

54. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика. 1981. 263 с.

55. Алкацев В.М., Еналдиев В.М., Алкацев М.И. Системный анализ влияния различных факторов на показатели электролиза сульфатных цинковых растворов // Изв. вузов. Цв. Металлургия. 1988. №5. С.46.

56. Лоскутов Ф.М. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургиздат, 1956. 478 с.

57. Добош Д. Электрохимические константы / Справочник для электрохимиков. Пер. с англ. И венг. М.: Мир, 1980. - 365 с.

58. Новик Ф.С., АрсовЯ.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.

59. Лесная энциклопедия. Т.2. М.: Советская энциклопедия. 1986.списокпубликаций по теме диссертации

60. Ходов Н.В., Алкацев В.М., Данилин JI.A. Влияние плотности тока на расход энергии при электролизе расплава хлорида цинка // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1987. №4. С.113 114.

61. Алкацев В.М., Еналдиев В.М., Алкацев М.И., Кабисов ИХ. Системный анализ влияния различных факторов на показатели электролиза сульфатных цинковых растворов // Изв. вузов. Цв. металлургия. 1988. №5. С. 46 49.

62. Алкацев МИ., Алкацев В.М. Электролизные заводы цветной металлургии -источники поступления кислорода в атмосферу. Тез. Докл. Участников I-ой междунар. Конф. «Экологические проблемы горных территорий». Владикавказ, 1992. С.200 202.

63. Алкацев В.М., Кондратьев Ю.И. Зависимость выхода по току цинка от различных факторов // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2003. №1. С.60 66.

64. Алкацев В.М. Зависимость выхода по току цинка от различных факторов при электролизе сернокислых растворов // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. №2. С.24 28.