Данько Е.В., Даукежанова Г.Т., Утешева О.А., Хорошева Н.А.

Восточно-Казахстанский государственный технический

университет им. Д.Серикбаева

Совершенствование медно-кадмиевой очистки цинковых растворов

Технический прогресс в гидрометаллургическом производстве цинка тесно связан с совершенствованием методов очистки растворов сульфата цинка от примесей. От чистоты цинковых растворов, направляемых на электролиз, зависит качество выпускаемого металла, расход электроэнергии, экономика гидрометаллургического производства в целом, а также при наличии цинковых растворов высокой степени чистоты, обеспечиваются условия применения на практике механизированной сдирки катодного цинка.

Исходя из наличия и свойств примесей в цинковых растворах на практике применяют химические и электрохимические методы очистки. Из них основным и завершающим способом очистки является способ очистки растворов цинковой пылью, называемый цементацией, т.е. метод контактного вытеснения металлов с более положительным электродным потенциалом, чем у цинка. Эта возможность определяется положением металлов в ряду электронных потенциалов. Металлы с меньшим электродным потенциалом, вытесняют из раствора металлы с большим электродным потенциалом.

Процесс цементации примесей цинковой пылью представлен в общем виде химической реакцией

Zn + Me²⁺ ® Me + Zn²⁺

Следовательно, очистка раствора от меди, кадмия, кобальта, никеля, сурьмы и мышьяка будет протекать по следующим реакциям:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu Zn + Cd²⁺ = Zn²⁺ + Cd

Zn + Co²⁺ = Zn²⁺ + Co Zn + Ni²⁺ = Zn²⁺ + Ni

3Zn + 2As³⁺ = 3Zn²⁺ + 2As 3Zn +2Sb³⁺ = 3Zn²⁺ + 2Sb

Из раствора, содержащего все перечисленные примеси, в первую очередь цементируется медь.

В мировой практике гидрометаллургии цинка применяют различные способы и схемы очистки цинковых растворов цинковой пылью. Наблюдается тенденция применения непрерывных схем очистки в одну стадию и более, а в качестве активирующего вещества солей мышьяка и сурьмы.

Недостатки периодического способа очистки:

1) удовлетворительные результаты получаются при расходе цинковой пыли, достигающей иногда трехкратного избытка;

2) большое число операций, высокая трудоемкость, непостоянство технологического режима;

3) затруднение автоматизации процесса.

Непрерывный способ позволяет значительно интенсифицировать процесс очистки, сократить расход цинковой пыли, улучшить качество раствора и кадмиевого продукта, снизить трудоемкость за счет автоматизации контроля и управления технологическим режимом. Высокая производительность и эффективность непрерывного способа очистки явились причиной полного перехода на этот процесс всех отечественных и зарубежных цинковых заводов.

Одностадийную очистку растворов производят за одну операцию. При этом получают коллективный цементный осадок, содержащий медь, кадмий, кобальт, никель и другие.

Расход цинковой пыли высокий, так как необходим ее избыток, чтобы удалить весь кадмий. Такая схема применима лишь в тех случаях, когда поступающий на очистку нейтральный раствор содержит небольшое количество меди, а очистку от кобальта производят химическим способом.

В настоящее время в одну стадию очищают растворы только лишь отдельные зарубежные заводы. Многие заводы стран СНГ отказались от одностадийной схемы.

При двухстадийной схеме на первой стадии в результате цементации осаждается почти вся медь и некоторое количество кадмия. Поэтому получается не медный, а медно-кадмиевый кек, который нуждается в дополнительной обработке для извлечения из него кадмия.

Задача первой стадии – очистка растворов от меди, которая, согласно ряду электродных потенциалов цементируется цинковой пылью в первую очередь. Для ее осаждения на этой стадии очистки можно использовать оборотный кек, получаемый на последних стадиях очистки и содержащий избыток цинка. Тем самым можно снизить или полностью исключить добавку свежей цинковой пыли на первой стадии очистки.

При двухстадийной схеме на второй стадии завершается процесс очистки и должно достигаться заданное по технологии содержание примесей в очищенном растворе. В связи с этим расходуют небольшую часть или все расчетное количество цинковой пыли.

Таким образом, на этой стадии совмещаются две не совсем совместимые задачи – очистка раствора от остаточного количества меди, а также кадмия, кобальта, никеля и глубокая очистка раствора от кадмия. Для проведения глубокой очистки приходится расходовать двух и более кратный расход цинковой пыли, а цинковый осадок направлять в оборот на первую стадию, где кадмий переводится в медно-кадмиевый кек.

Возврат оборотного кека от первой стадии очистки, содержащего кадмий, кобальт, никель германий на первую стадию имеет еще одну отрицательную сторону. При контакте цементного осадка (оборотный кек) с раствором сульфата цинка, содержащего ионы меди, имеет место частичное обратное растворение примесей.

Объясняя это, нужно сопоставить электродные потенциалы примесей и меди, согласно которым должны протекать реакции:

Cd + Cu²⁺ ® Cd²⁺ + Cu

Co + Cu²⁺ ® Co²⁺ + Cu

Ni + Cu²⁺ ® Ni²⁺ + Cu

2Sb + 3Cu²⁺ ® 2Sb²⁺ + 3Cu

В трех- и четырехстадийных схемах медь на первой стадии осаждается не нацело, в растворе обычно остается 300 – 500 мг/дм³, что дает возможность получать практически чистый медный кек, который можно направить непосредственно в медеплавильное производство.

Трех– и четырехстадийные схемы имеют преимущество перед двухстадийной схемой очистки. Оно заключается в следующем: в них возврат оборотных цементных осадков (оборотный кек), содержащих непрореагировавшую цинковую пыль, осуществляется не в первую, а во вторую стадию, где содержание меди в растворе сульфата цинка значительно меньше.

В трех- и четырехстадийных схемах первая и вторая стадии очистки предназначены для осаждения меди и коллективного цементного осадка, содержащего в основном кадмий, также кобальт, никель, сурьма и другие примеси. Оба эти продукты не являются оборотными и выводятся из процесса. Третью и четвертую стадии проводят с целью обеспечения глубокой очистки растворов от кадмия и германия. При этом расходуется значительно больший против расчетного избыток цинковой пыли, но абсолютный расход пыли не велик. Оба цементных осадка являются оборотными и направляются во вторую стадию очистки. Большой избыток цинковой пыли позволяет осуществить глубокую очистку растворов от кадмия и германия до долей мг/дм³.

Преимущество трех- и четырехстадийных схем по сравнению с одно- и двухстадийными схемами заключается в следующем:

- получение растворов сульфата цинка высокой чистоты;

- сокращение расхода цинковой пыли;

- осаждение меди в товарный продукт – медный кек;

- получение более богатого по кадмию медно-кадмиевого кека в кадмиевое отделение.