Электролиз и экстракция

В металлургии цветных металлов и в ряде химических произ­водств широко используются электрохимические процессы, и в первую очередь электролиз, который применяется для рафини­рования меди, никеля, свинца, получения алюминия, цинка, маг­ния, водорода, хлора и ряда других химических веществ. Сущность электролиза заключается в выделении из элек­тролита при протекании через него постоянного тока частиц вещества и осаждении их на электродах (этот процесс на­зывается экстракцией) или в переносе веществ с одного электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование).

Электролиз применяется для получения легких металлов, например, алюминия; газов – кислорода, хлора и других веществ. Он используется для защитных и декоративных покрытий металлических и неметаллических изделий, лужения жести и т.д.

Электролиз сопровождается разложением вещества на ионы (положительные и отрицательные), которые под действием разности потенциалов перемещаются в направлении анода и катода. В сторону анода движутся отрицательные, а в сторону катода – положительные ионы. При этом у электродов образуются вещества, которые оседают на них или вступают с ними в химическую реакцию.

Электролиз ведется в электролизных ваннах (электролизерах). При получении, например, алюминия температура составляет 940…950^оС, поэтому футеровка электролизера осуществляется огнеупорными блоками, которые стойки в условиях высокой температуры и агрессивной среды. Угольные блоки играют роль катода, на котором выделяется расплавленный алюминий. Анод подается сверху. На нем выделяется кислород, способствующий быстрому обгоранию анода. Электролизеры обычно оборудуются механизмами, позволяющими осуществлять непрерывную подачу анода в расплав, поддерживая неизменным расстояние между анодом и катодом.

В процессе электролиза алюминия одновременно участвует несколько серий ванн. Серия – это ряд последовательно соединенных ванн. Количество ванн в серии может насчитывать до 150 шт. Напряжение на серии ванн 600…850 В, ток 60…150 кА.

Электролиз цветных металлов является весьма энергоемким производством.

Установленные мощности электролизных цехов достигает десятки и сотни мегаватт.

На промышленных предприятиях широко используются установки гальванического покрытия. Главное достоинство такого покрытия состоит в том, что оно позволяет значительно экономить цветные металлы и защищает изделие от коррозии. Основное электрооборудование, которое используется для нанесения гальванических покрытий, – это различного вида электролитические ванны, а также конвейерные линии. В качестве электролитов используются растворы кислот и щелочей, медный купорос. Напряжение ванн металлопокрытий колеблется в пределах 3,5…10 В, ток ванн лежит в интервале от 100 до 5000 А и выше. Для питания ванн используется постоянный ток.

В электролитах переносчиками зарядов служат ионы обоих зарядов. При протекании ионного тока (рис. 254) положительно заряженные ионы — катионы будут двигаться к катоду (это в основном металлы и водород), а отрицательно заряженные ионы — анионы (хлор, кислород, ОН~, SOr) — к аноду. У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные час­тицы, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны и превращаются в нейтральные частицы. Выделяю­щийся на электроде газ в виде пузырьков поднимается наверх. При этом раствор электролита обедняется и для поддержания непрерывности процесса электролиза его концентрацию необхо­димо сохранять на определенном уровне, пополняя электролит исходными соединениями.

При экстракции (электролитическом рафинировании) материал анода вступает в реакцию с электролитом, растворяется в нем по мере его обеднения, и частицы анода, приобретая положи­тельный заряд, направляются к катоду. На катоде выде­ляется материал, свободный от примесей, гораздо более чистый, чем тот, который растворяется на аноде (например, производство меди).