ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИЗА ЦИНКА ИЗ ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРОВ

В лабораторных условиях исследовано влияние основных параметров электролиза цинка из щелочного цинкатного раствора на выход по току и расход электроэнергии. В качестве варьируемых параметров выбраны концентрации цинка (начальная и конечная), плотность тока и температура. Электролиты использовали как модельные (приготовленные из стандартных реактивов), так и реальные, полученные выщелачиванием прокаленного промпродукта переработки цинксодержащих пылей черной металлургии. Показано, что выход цинка по току может быть достаточно высоким (более 90 %) даже при начальной концентрации цинка в щелочном электролите 10 г/дм3. Однако для этого требуются низкие токовые нагрузки (100–400 А/м2), использование которых для промышленного электролиза с получением порошкообразного металла нецелесообразно, так как по мере развития поверхности катодного осадка фактическая плотность тока будет снижаться, в том числе ниже предельного тока диффузии комплексных ионов. При этом ожидается рост укрупненных дендритов с образованием «короткозамкнутых» участков в межэлектродном пространстве, что в целом будет снижать выход цинка по току. Укрупненные лабораторные исследования по электролизу цинка из реального цинкатного раствора позволили определить наиболее энергоэффективные (с наибольшим выходом цинка по току и наименьшим расходом электроэнергии) параметры процесса: плотность тока 1000–2000 А/м2; температура электролита 50–80 °С; исходная концентрация цинка 20–50 г/дм3; остаточная концентрация цинка не менее 15 г/дм3. В этих условиях будут обеспечиваться высокий выход по току (85–95 %) и приемлемый расход электроэнергии (2,28–3,20 кВт·ч/кгZn). Для «истощенного» цинкатного раствора с содержанием цинка 10 г/дм3 максимальный выход по току (более 90 %) реализуется при плотности тока j = 125 А/м2, близкой к плотности тока диффузии (около 95,7 А/м2). При j > 500 А/м2 выход по току значительно снижается, что обусловлено интенсивным выделением водорода. При исследованиях на укрупненной электролизной ячейке выполнена качественная оценка получаемого катодного осадка (по видимым размерам кристаллов).

щелочной электролит, электролиз, цинковые порошки, выход по току, расход электроэнергии

1. Orhan G. Leaching and cementation of heavy metals from electric arc furnace dust in alkaline medium. Hydro¬metallurgy. 2005. Vol. 78. P. 236—245.

2. Chairaksa-Fujimoto R., Maruyama K, Mikia T, Nagasa- ka T. The selective alkaline leaching of zinc oxide from Electric Arc Furnace dust pre-treated with calcium oxide. Hydrometallurgy. 2016. Vol. 159. P. 120—125.

3. Dutra A.J.B., Paiva P.R.P., Tavares L.M. Alkaline leaching of zinc from electric arc furnace steel dust. Miner. Eng.2006. Vol. 19. P. 478—485.

4. Youcai Z., Stanforth R. Integrated hydrometallurgical process for production of zinc from electric arc furnace dust in alkaline medium. J. Hazard. Mater. 2000. Vol. 80. P. 223—240.

5. Frenay J., Ferlay S., Hissel J. Zinc and lead recovery from EAF dusts by caustic soda process electric furnace pro¬ceedings, treatment options for carbon steel electric arc furnace dust. Iron Steel Soc. 1986. Vol. 43. P. 417—421.

6. Chen A.L., Zhao Z. W, Jia X.J., Long S., Huo G.S., Chen X.Y. Alkaline leaching Zn and its concomitant metals from refractory hemimorphite zinc oxide ore. Hydrometallurgy. 2009. Vol. 97. P. 228—232.

7. Feng L.Y, Yang X.W. Pelletizing and alkaline leaching of powdery low grade zinc oxide ores. Hydrometallurgy.2007. Vol. 89. P. 305—310.

8. Gurmen S., Emre M. A laboratory-scale investigation of alkaline zinc electrowinning. Miner. Eng. 2003. Vol. 16. P. 559—562.

9. Zhang Y., Deng J., Chen J., Yua R., Xing X. The electrow¬inning of zinc from sodium hydroxide solutions. Hydro¬metallurgy. 2014. Vol. 146. P. 59—63.

10. St-Pierre J., Piron D.L. Elecrowinning of zinc from alka¬line solutions. J. Appl. Electrochem. 1986. Vol. 16. P. 447— 456.

11. Qiang L., Youcai Z., Jiachao J., Chenglong Z. Optimized hydrometallurgical route to produce ultrafine zinc pow¬der from industrial wastes in alkaline medium. Proc. En¬viron. Sci. 2012. Vol. 16. P. 674—682.

12. Piron D.L., Sider M. Comparison of energy-consumption in improved sulfate process and alternative technologies for zinc electrowinning. CIM Bull. 1988. Vol. 81. Iss. 914. P. 131—132.

13. Eacott J.G., Robinson M.C. Busse E. Techno-econom¬ic feasibility of zinc and lead recovery from electric-arc furnace baghouse dust. CIM Bull. 1984. Vol. 77. Iss. 866. P. 41—41.

14. Muresan L., Maurin G., Oniciu L., Gaga D. Influence of metallic impurities on zinc electrowinning from sulphate electrolyte. Hydrometallurgy. 1996. Vol. 43. P. 345 —354.

15. Kahanda G., Tomkiewicz M. Morphological evolution in zinc electrodeposition. J. Electrochem. Soc. 1989. Vol. 136. No. 5. P. 1497—1502.

16. Chen C.P., Jorn J. Fractal analysis of zinc electrode¬position. J. Electrochem. Soc. 1990. Vol. 137. No. 7. P. 2047—2051.

17. Sharifi B., Mojtahedi M., Goodarzi M., Vahdati J.K. Effect of alkaline electrolysis conditions on current efficiency and morphology of zinc powder. Hydrometallurgy. 2009. Vol. 99. P. 72—76.

18. Diggle J.W. Crystallographic and morphological studies of electrolytic zinc dendrites grown from alkaline zincate solutions. J. Mater. Sci. 1973. Vol. 8 (1). Р. 79—87.

19. Chandrasekar M.S., Shanmugasigamani P. Synergetic effects of pulse constraints and additives in electrodep¬osition of nanocrystalline zinc: Corrosion, structural and textural characterization. Mater. Chem. Phys. 2010. Vol. 124. P. 516—528.

20. St-Pierre J., Piron D.L. Elecrowinning of zinc from alka¬line solutions at high current densities. J. Appl. Electro¬chem. 1990. Vol. 20. P. 163—165.

21. Arouete S., Blurton K.F., Oswin H.G. Controlled current deposition of zinc from alkaline solution. J. Electrochem. Soc. 1969. Vol. 116. P. 166—169.

22. Sharifi B., Mojtahedi M., Goodarzi M., Vahdati Khaki J. Effect of alkaline electrolysis conditions on current effi¬ciency and morphology of zinc powder. Hydrometallurgy. 2009. Vol. 99. P. 72—76.

23. Despic A.R., Popov K.I. The effect of pulsating potential on the morphology of metal deposits obtained by mass-trans¬port controlled electrodeposition. J. Appl. Electrochem. 1971. No. 1. P. 275—278.

24. Banik S.J., Rohan A. Suppressing dendritic growth during alkaline zinc electrodeposition using polyethylenimine additive. Electrochim. Acta. 2015. Vol. 179. P. 475—481.

25. Popov K.I., Maksimovic M.D., Trnjancev J.D. Dendritic electrocrystallization and the mechanism of powder for¬mation in the potentiostatic electrodeposition of metals. J. Appl. Electrochem. 1981. Vol. 11. P. 239—246.

26. Divyaraj Desai, Xia Wei, Daniel A. Steingart, Sanjoy Ba- nerjee. Electrodeposition of preferentially oriented zinc for flow-assisted alkaline batteries. J. Power Sources. 2014. Vol. 256. P. 145—152.