Помощь студентам в учебе
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СПЛАВОВ РЬ-БЬ-В1 В СМЕСИ ХЛОРИДОВ КАЛИЯ И СВИНЦА
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:
Отходы, содержащие цветные металлы, представляют большой интерес в качестве вторичного сырья для получения чистых металлов. Аккумуляторный лом и отходы кабельной промышленности в основном состоят из свинца и сурьмы. Производственные отходы предприятий цветной металлургии - это черновой свинец, получаемый после восстановительной плавки промышленных пылей, кеков и шламов, в большинстве содержит свинец, висмут, сурьму и драгоценные металлы. Переработка производственных отходов, оборотных компонентов и шламовых продуктов решит проблему загрязнения окружающей среды. Традиционно реализуются два способа переработки - это пирометаллургическое рафинирование и электролиз в водных электролитах. Пирометаллургическое рафинирование основано на очистке свинца от каждой примеси в отдельном котле с применением химических реагентов. Это весьма энергозатратно и экологически небезопасно. Недостатки электролитического рафинирования в водных электролитах заключаются в возможности пассивации анода металлами-примесями и низкой производительностью процесса.
С увеличением образования отходов цветной металлургии и проблемой их утилизации актуальным является разработка комплексной переработки вторичного сырья, при которой попутные металлы извлекаются в товарные продукты. Все это предопределяет интерес к электрохимической технологии разделения сплавов Pb-Sb-Bi с использованием хлоридных расплавов.
Настоящая диссертационная работа посвящена изучению процессов, протекающих при электрохимическом разделении сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридных расплавах. Для этого были произведены измерения равновесных потенциалов тройной жидкометаллической системы Pb-Sb-Bi в хлоридном расплаве, рассчитаны термодинамические функции сплава Pb-Sb-Bi, определены условные стандартные потенциалы сурьмы и висмута в эквимольном расплаве хлоридов калия и свинца, изучены процессы электрорастворения тройных сплавов Pb-Sb-Bi, а также проведены лабораторные испытания способа разделения тройных сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридных расплавах с использованием пористой керамической диафрагмы.
Степень разработанности темы исследования
В ИВТЭ был предложен, научно обоснован и опробован способ электролитического получения свинца из свинцово-сурьмяных и свинцово-висмутовых сплавов. Проведены опытно-промышленные испытания в электролизерах оригинальной конструкции на силу тока до 1000 А. В результате испытаний были получены партии свинца марок С1 и С1С по ГОСТ 3778-98.
Для создания комплексной переработки вторичного свинецсодержащего сырья необходимо иметь данные по термодинамике и кинетике электродных процессов, протекающих в системах более сложного состава для этого необходимо провести цикл исследований, связанных с электрохимическим поведением в расплавленных солях сплавов Pb-Bi-Sb и определить их взаимное влияние на параметры процессов предлагаемого способа электрохимического разделения, и качество получаемого металла и сплавов.
Цель работы
Создание научных основ электрохимического способа разделения сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридном расплаве с использованием пористой керамической диафрагмы с целью получения марочного свинца и его сплавов с сурьмой и висмутом.
Задачи исследования:
- определить влияние состава сплава Pb-Sb-Bi и температуры на равновесные потенциалы тройной системы в смеси хлоридов свинца и калия;
- рассчитать интегральные и парциальные термодинамические характеристики системы Pb-Sb-Bi;
- измерить равновесные потенциалы сурьмы и висмута относительно хлорного электрода сравнения в эквимольном расплаве хлоридов калия и свинца;
- оценить коэффициенты разделения сплавов свинца с сурьмой и висмутом по термодинамическим данным;
- исследовать закономерность изменения анодной поляризации тройной металлической системы Pb-Sb-Bi в зависимости от состава сплава;
- установить оптимальные технологические параметры электрохимического процесса разделения тройного сплава с использованием пористой керамической диафрагмы.
Научная новизна и теоретическая значимость работы
1. Установлены закономерности изменения равновесных потенциалов сплавов Pb-Sb-Bi в эквимольном расплаве KCl-PbCh в интервале температур от 723 до 873 K в широком концентрационном интервале. Рассчитаны интегральные и парциальные термодинамические функции псевдодвойной металлической системы Pb-SbBi.
2. Впервые определены условные стандартные потенциалы сурьмы и висмута в эквимольном расплаве KCl-PbCh в интервале температур от 723 до 923 K, необходимые для расчета коэффициентов разделения двойных сплавов Pb-Sb и Pb-Bi в хлоридном расплаве.
3. Обнаружены особенности влияния концентраций висмута, сурьмы и свинца на анодное растворение сплавов Bi-Sb-Pb в эквимолярном расплаве KCl-PbCl2. Выявлено, что процесс анодного растворения сплавов Bi-Sb-Pb протекает в диффузионном режиме.
4. Показана принципиальная возможность эффективного разделения тройных сплавов Pb-Sb-Bi с использованием оригинальной конструкции электролизёра с пористой керамической диафрагмой.
5. Определены оптимальные технологические параметры электрохимического разделения сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридном расплаве с получением марочного свинца и его сплавов.
Практическая значимость работы
1. Полученные термодинамические и кинетические характеристики системы (Pb-Sb-Bi)-KCl-PbCl2 являются основой для создания электрохимического способа разделения сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридных расплавах.
2. Предложена оригинальная конструкция электролизёра с пористой плазмокорундовой диафрагмой для рафинирования цветных металлов с использованием расплавленных солей, не имеющая аналогов в мировой практике.
Методология и методы исследования
Для изучения термодинамики сплавов используется метод ЭДС, который заключается в измерении равновесных потенциалов концентрационного гальванического элемента в расплавленном хлоридном электролите. При расчетах термодинамических функций второго компонента (SbBi) жидкометаллической системы Pb-SbBi применяется метод интегрирования.
Методом отключения тока из стационарного состояния в гальваностатическом режиме исследовали кинетические параметры анодного растворения жидкометаллической системы Pb-Sb-Bi с помощью потенциостата IPC-Pro.
Электрохимическое рафинирование сплавов Pb-Sb-Bi проводили в электролизёре при вертикальном расположение жидкометаллических электродов с использованием пористой керамической диафрагмы, пропитанной хлоридным расплавом KCl-PbCl2 эвтектического состава.
Исходные материалы, промежуточные и конечные продукты анализировали методом эмиссионного спектрального анализа с индуктивно-связанной плазмой с использованием оптического эмиссионного спектрометра Optima 4300DV фирмы PerkinElmer (США). Размер пор керамической диафрагмы определили при помощи оптического микроскопа Альтами МЕТ 1М и сканирующего электронного микроскопа JSM-5900LV (JEOL).
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального определения равновесных потенциалов тройных сплавов РЬ-8Ь-В1 в зависимости от температуры и состава сплавов в эквимольном расплаве КС1-РЬС12.
2. Величины интегральных и парциальных термодинамических характеристик, рассчитанных по методу интегрирования на основании экспериментальных данных, псевдодвойной металлической системы РЬ-ЗЬВйу
3. Термодинамическая оценка возможности разделения сплавов свинца с сурьмой и висмутом в хлоридном расплаве.
4. Экспериментальные зависимости анодного растворения тройных жидкометаллических сплавов РЬ-8Ь-В1 в зависимости от температуры и состава сплава.
5. Способ электрохимического разделения тройного сплава РЬ-8Ь-В1 в лабораторном электролизере с фиксированным межэлектродным расстоянием в хлоридных расплавах.
С увеличением образования отходов цветной металлургии и проблемой их утилизации актуальным является разработка комплексной переработки вторичного сырья, при которой попутные металлы извлекаются в товарные продукты. Все это предопределяет интерес к электрохимической технологии разделения сплавов Pb-Sb-Bi с использованием хлоридных расплавов.
Настоящая диссертационная работа посвящена изучению процессов, протекающих при электрохимическом разделении сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридных расплавах. Для этого были произведены измерения равновесных потенциалов тройной жидкометаллической системы Pb-Sb-Bi в хлоридном расплаве, рассчитаны термодинамические функции сплава Pb-Sb-Bi, определены условные стандартные потенциалы сурьмы и висмута в эквимольном расплаве хлоридов калия и свинца, изучены процессы электрорастворения тройных сплавов Pb-Sb-Bi, а также проведены лабораторные испытания способа разделения тройных сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридных расплавах с использованием пористой керамической диафрагмы.
Степень разработанности темы исследования
В ИВТЭ был предложен, научно обоснован и опробован способ электролитического получения свинца из свинцово-сурьмяных и свинцово-висмутовых сплавов. Проведены опытно-промышленные испытания в электролизерах оригинальной конструкции на силу тока до 1000 А. В результате испытаний были получены партии свинца марок С1 и С1С по ГОСТ 3778-98.
Для создания комплексной переработки вторичного свинецсодержащего сырья необходимо иметь данные по термодинамике и кинетике электродных процессов, протекающих в системах более сложного состава для этого необходимо провести цикл исследований, связанных с электрохимическим поведением в расплавленных солях сплавов Pb-Bi-Sb и определить их взаимное влияние на параметры процессов предлагаемого способа электрохимического разделения, и качество получаемого металла и сплавов.
Цель работы
Создание научных основ электрохимического способа разделения сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридном расплаве с использованием пористой керамической диафрагмы с целью получения марочного свинца и его сплавов с сурьмой и висмутом.
Задачи исследования:
- определить влияние состава сплава Pb-Sb-Bi и температуры на равновесные потенциалы тройной системы в смеси хлоридов свинца и калия;
- рассчитать интегральные и парциальные термодинамические характеристики системы Pb-Sb-Bi;
- измерить равновесные потенциалы сурьмы и висмута относительно хлорного электрода сравнения в эквимольном расплаве хлоридов калия и свинца;
- оценить коэффициенты разделения сплавов свинца с сурьмой и висмутом по термодинамическим данным;
- исследовать закономерность изменения анодной поляризации тройной металлической системы Pb-Sb-Bi в зависимости от состава сплава;
- установить оптимальные технологические параметры электрохимического процесса разделения тройного сплава с использованием пористой керамической диафрагмы.
Научная новизна и теоретическая значимость работы
1. Установлены закономерности изменения равновесных потенциалов сплавов Pb-Sb-Bi в эквимольном расплаве KCl-PbCh в интервале температур от 723 до 873 K в широком концентрационном интервале. Рассчитаны интегральные и парциальные термодинамические функции псевдодвойной металлической системы Pb-SbBi.
2. Впервые определены условные стандартные потенциалы сурьмы и висмута в эквимольном расплаве KCl-PbCh в интервале температур от 723 до 923 K, необходимые для расчета коэффициентов разделения двойных сплавов Pb-Sb и Pb-Bi в хлоридном расплаве.
3. Обнаружены особенности влияния концентраций висмута, сурьмы и свинца на анодное растворение сплавов Bi-Sb-Pb в эквимолярном расплаве KCl-PbCl2. Выявлено, что процесс анодного растворения сплавов Bi-Sb-Pb протекает в диффузионном режиме.
4. Показана принципиальная возможность эффективного разделения тройных сплавов Pb-Sb-Bi с использованием оригинальной конструкции электролизёра с пористой керамической диафрагмой.
5. Определены оптимальные технологические параметры электрохимического разделения сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридном расплаве с получением марочного свинца и его сплавов.
Практическая значимость работы
1. Полученные термодинамические и кинетические характеристики системы (Pb-Sb-Bi)-KCl-PbCl2 являются основой для создания электрохимического способа разделения сплавов Pb-Sb-Bi в хлоридных расплавах.
2. Предложена оригинальная конструкция электролизёра с пористой плазмокорундовой диафрагмой для рафинирования цветных металлов с использованием расплавленных солей, не имеющая аналогов в мировой практике.
Методология и методы исследования
Для изучения термодинамики сплавов используется метод ЭДС, который заключается в измерении равновесных потенциалов концентрационного гальванического элемента в расплавленном хлоридном электролите. При расчетах термодинамических функций второго компонента (SbBi) жидкометаллической системы Pb-SbBi применяется метод интегрирования.
Методом отключения тока из стационарного состояния в гальваностатическом режиме исследовали кинетические параметры анодного растворения жидкометаллической системы Pb-Sb-Bi с помощью потенциостата IPC-Pro.
Электрохимическое рафинирование сплавов Pb-Sb-Bi проводили в электролизёре при вертикальном расположение жидкометаллических электродов с использованием пористой керамической диафрагмы, пропитанной хлоридным расплавом KCl-PbCl2 эвтектического состава.
Исходные материалы, промежуточные и конечные продукты анализировали методом эмиссионного спектрального анализа с индуктивно-связанной плазмой с использованием оптического эмиссионного спектрометра Optima 4300DV фирмы PerkinElmer (США). Размер пор керамической диафрагмы определили при помощи оптического микроскопа Альтами МЕТ 1М и сканирующего электронного микроскопа JSM-5900LV (JEOL).
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального определения равновесных потенциалов тройных сплавов РЬ-8Ь-В1 в зависимости от температуры и состава сплавов в эквимольном расплаве КС1-РЬС12.
2. Величины интегральных и парциальных термодинамических характеристик, рассчитанных по методу интегрирования на основании экспериментальных данных, псевдодвойной металлической системы РЬ-ЗЬВйу
3. Термодинамическая оценка возможности разделения сплавов свинца с сурьмой и висмутом в хлоридном расплаве.
4. Экспериментальные зависимости анодного растворения тройных жидкометаллических сплавов РЬ-8Ь-В1 в зависимости от температуры и состава сплава.
5. Способ электрохимического разделения тройного сплава РЬ-8Ь-В1 в лабораторном электролизере с фиксированным межэлектродным расстоянием в хлоридных расплавах.