Получение металлов из сульфидов
Обновлено: 21.09.2024
Природные соединения металлов:
сильвинит КСl ∙ NaCl, каменная соль NaCl;
серный колчедан FeS2, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
мел, мрамор, известняк СаСО3, магнезит MgCO3,
доломит CaCO3 ∙ MgCO3;
глауберова соль Na2SO4 ∙ 10 H2O, гипс CaSO4 ∙ 2Н2О;
магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк Fe2O3 ∙ Н2О.
чилийская селитра NaNO3;
Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.
Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией.
Способы получения металлов из руд.
1. Электрометаллургический способ - это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза). Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.
При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:
NaCl (расплав) D Na+ + Cl-
катод Na+ + e à Na0 ¦ 2
анод 2Cl - - 2e à Cl20 ¦ 1
суммарное уравнение: 2NaCl (распл.) – (э. ток)à 2Na + Cl2
Современный способ получения алюминия был изобретен в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al2O3, как вода растворяет сахар.
Al2O3 (расплав) D Al3+ + AlO33–
катод Al3+ +3e à Al 0 ¦ 4
анод 4AlO33– –12 e à 2Al2O3 +3O2 ¦ 1
суммарное уравнение: 2Al2O3(распл.) – (э. ток)à 4Al + 3O2 .
2. Пирометаллургический способ - это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей: неметаллических : кокс, оксид углерода (II), водород; металлических: алюминий, магний, кальций.
Алюмотермия :
Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3
Получают железо, хром.
Восстановление оксидов металлов водородом (водородотермия ):
Cu +2O + H2 –(t)à Cu0 + H2O
Получают малоактивные металлы – медь, вольфрам.
Получение чугуна:
В вертикальной печи кокс окисляется до СО, затем происходит постепенное восстановление железа из руды:
3Fe2O3 + CO –(t)à 2Fe3O4 + CO2 ,
Fe3O4 + 4CO –(t)à 3FeО + 4CO2
FeO + CO –(t)à Fe+ CO2
Восстановление углём (коксом):
ZnO + C –(t)à Zn + CO
Получают цинк, никель.
3. Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте: CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O, затем проводят реакцию замещения:
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.
Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.
Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:
а) из сульфида – обжигом в кислороде: 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
б) из карбоната – разложением: СаСО3 –(t)à СаО + СО2
Чугун и сталь.
Производство железа основано на карботермическом восстановлении оксидных металлсодержащих руд.
1) Сульфидные и другие руды вначале подвергают окислительному обжигу : 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.
2)Восстановление оксидных руд осуществляется в доменных печах, при этом протекают следующие реакции:
3Fe2O3 + CO –(t)àCO2 + 2Fe3O4, Fe3O4 + CO–(t)àCO2 + 3FeO, FeO + CO–(t)àCO2 + Feили FeO + C –(t)àCO + Fe.
Полученное железо насыщено углеродом. 3)Затем происходит «выжигание» углерода в сталеплавильных или конверторных печах с образованием стали.
Понятие о металлургии: общие способы получения металлов
Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.
Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).
Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.
Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.
Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.
Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.
Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.
Основные стадии металлургических процессов:
- Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
- Получение металла или его сплава.
- Механическая обработка металла
1. Нахождение металлов в природе
Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.
2. Получение активных металлов
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.
Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.
Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
2NaCl = 2Na + Cl2
Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:
KCl + Na = K↑ + NaCl
Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
2LiCl = 2Li + Cl2
Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2
Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:
Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:
4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2
Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:
3. Получение малоактивных и неактивных металлов
Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.
3.1. Обжиг сульфидов
При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.
3.2. Восстановление металлов углем
Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо получают восстановлением из оксида углем:
2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO
ZnO + C → Zn + CO
Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:
CaO + 3C → CaC2 + CO
3.3. Восстановление металлов угарным газом
Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:
3.4. Восстановление металлов более активными металлами
Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:
Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.
Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.
Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:
3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu
Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.
CuO + Mg = Cu + MgO
Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:
При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.
Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag
Медь покроется белыми кристаллами серебра.
При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu
При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:
3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом
Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.
CuO + H2 = Cu + H2O
4. Производство чугуна
Чугун получают из железной руды в доменных печах.
Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.
1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор
Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.
В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.
Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.
Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.
Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.
Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:
Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):
CO2 + С = 2CO
Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):
Последовательность восстановления оксида железа (III):
FeO + CO → Fe + CO2
Суммарное уравнение протекающих процессов:
При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.
Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:
и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:
Сероводород
Сероводород H2S – это бинарное соединение водорода с серой, относится к летучим водородным соединениям. Следовательно, сероводород бесцветный ядовитый газ, с запахом тухлых яиц. Образуется при гниении. В твердом состоянии имеет молекулярную кристаллическую решетку.
Геометрическая форма молекулы сероводорода похожа на структуру воды — уголковая молекула. Но валентный угол H-S-H меньше, чем угол H-O-H в воде и составляет 92,1 о .
Способы получения сероводорода
1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.
Например , при действии соляной кислоты на сульфид железа (II):
FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S↑
Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:
Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.
Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.
2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.
Например: х лорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:
Химические свойства сероводорода
1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:
Например , сероводород реагирует с гидроксидом натрия:
H2S + 2NaOH → Na2S + 2H2O
H2S + NaOH → NaНS + H2O
2. Сероводород H2S – очень сильный восстановитель за счет серы в степени окисления -2. При недостатке кислорода и в растворе H2S окисляется до свободной серы (раствор мутнеет):
В избытке кислорода:
3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.
Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:
H2S + Br2 → 2HBr + S↓
H2S + Cl2 → 2HCl + S↓
Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:
Например , азотная кислота окисляет сероводород до молекулярной серы:
При кипячении сера окисляется до серной кислоты:
Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.
Например , оксид серы (IV) окисляет сероводород:
Соединения железа (III) также окисляют сероводород:
H2S + 2FeCl3 → 2FeCl2 + S + 2HCl
Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:
Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:
Либо до оксида серы (IV):
4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов : меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.
Например , сероводород реагирует в растворе с нитратом свинца (II). при этом образуется темно-коричневый (почти черный) осадок, нерастворимый ни в воде, ни в минеральных кислотах:
Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.
Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.
Способ получения металлов из их сульфидов
Способ может быть использован в металлургии, в частности при получении металлов путем восстановления их сульфидов. В способе получения металлов из их сульфидов слой восстанавливаемого сульфида размещают в реакционном объеме под слоем углеродистого восстановителя и ведут восстановление в атмосфере водорода, регенерируемого углеродистым восстановителем из паров воды, подаваемых в реакционный объем сверху реакционной зоны, повышается степень восстановления сульфидов и снижаются энергозатраты на восстановление. 1 ил.
Изобретение относится металлургии, в частности, получению металлов из их сульфидов.
Известен способ получения молибдена из его сульфида, включающий окислительный обжиг сульфида молибдена и последующее восстановление оксида молибдена до металла [1].
В известном способе дисульфид молибдена, содержащийся в молибденитовом концентрате, подвергают окислительному обжигу в многоподовых печах при 480-595 o C по реакции 2MoS2 + 7O2 ---> 2MoO3 + 4SO2 Полученный оксид молибдена восстанавливают до металла водородом в две стадии по реакциям MoO3 + H2 ---> MoO2 + H2O (600-700 o C) MoO2 + H2 ---> Mo + 2H2O (950-1100 o C) Недостатками способа являются его сложность, многооперационность, большие энергозатраты, загрязнение окружающей среды.
Известен способ получения молибдена из его сульфида, включающий прямое восстановление сульфида молибдена водородом [2].
В известном способе из молибденитового концентрата приготавливают гранулы с использованием бентонитовой глины. Полученные гранулы сушатся при 100-120 o C и просеиваются. Восстановление ведут в токе водорода в течение 10-11 ч. по реакции MoS2 + 2H2 ---> Mo + 2H2S Расход водорода на восстановление навески 500 г - 570 л/ч. Содержание серы в восстановленном продукте составляет 2-5%.
Недостатками способа являются большой расход водорода на восстановление (80-кратный избыток) и неполное восстановление (десульфуризация) дисульфида молибдена.
Известен способ, принятый за прототип, получения металлов, включающий укладку в реакционном объеме восстанавливаемого вещества и углеродистого восстановителя слоями, нагрев и восстановление за счет твердофазного взаимодействия восстанавливаемого вещества с углеродистым восстановителем, отличающийся тем, что слой восстанавливаемого вещества размещают сверху слоя углеродистого восстановителя в реакционном объеме с герметичным сводом, а восстановление осуществляют в атмосфере атомарного водорода, при этом образующиеся газообразные продукты отводятся снизу реакционной зоны [3].
В известном способе роль восстановителя выполняет атомарный водород, регенерируемый углеродистым восстановителем при температуре свыше 600 o C из паров воды, химически связанной или поглощенной восстанавливаемым веществом. Водород, стремясь занять предоставленный ему объем реакционной зоны с герметичным сводом, вытесняет сверху вниз газообразные продукты реакции - оксид углерода в случае восстановления оксидов металлов по реакциям H2O + C ---> H2+CO, MeO+H2 ---> Me+H2O,
---------------- ,
MeO+C ---> Me+CO,
или оксид углерода и сероводород в случае восстановления сульфидов металлов по реакциям
H2O + C ---> H2+CO,
MeS+H2 ---> Me + H2S,
---------------- ,
MeS+H2O+C ---> Me+H2S+CO,
Недостатком способа является то, что реакция восстановления сульфидов металлов протекает с дефицитом по водороду, следовательно степень восстановления сульфидов лимитируется количеством содержащейся в шихте влаги.
Задачей изобретения является повышение степени восстановления сульфидов и снижение энергозатрат на восстановление.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения металлов из их сульфидов, включающем укладку в реакционном объеме восстанавливаемого сульфида и углеродистого восстановителя слоями, нагрев, восстановление в атмосфере атомарного водорода и эвакуацию газообразных продуктов реакции снизу реакционной зоны, согласно изобретению, слой восстанавливаемого сульфида размещают под слоем углеродистого восстановителя, в реакционный объем подают пары воды сверху реакционной зоны, а сульфиды восстанавливают при 600-1000 o C.
Достижение указанного технического результате обеспечивается тем, что в устройстве для получения металлов из их сульфидов, включающем корпус, выполненный, например, в виде цилиндра с крышками на торцах, снабженный нагревательным элементом, корпус дополнительно снабжен патрубком ввода паров воды в реакционную зону и патрубком вывода газообразных продуктов реакции из реакционной зоны, причем патрубок ввода паров воды расположен выше реакционной зоны, а патрубок вывода газообразных продуктов реакции - ниже реакционной зоны.
Именно такое размещение в корпусе устройства патрубков ввода и вывода газов позволяет, согласно способу, осуществить в реакционной зоне восстановление сульфидов до металлов.
Способ был опробован в лабораторных условиях в устройстве, которое поясняется чертежом, где представлен общий вид устройства (продольный разрез). Цифрами на чертеже обозначены корпус 1 с цапфами 2, съемные крышки 3 с шинами для трансформатора 4 и графитовыми токоподводами 5, крепежные болты крышек 6, асбестовый обтюратор-электроизолятор 7, реакционный объем 8, карбидкремниевый нагревательный элемент 9, патрубок ввода газов (паров воды) в реакционную зону 10, патрубок вывода газообразных продуктов реакции из реакционной зоны 11.
В реакционный объем 8 помещали восстанавливаемый сульфид под твердый углеродистый материал (нефтяной кокс) согласно предлагаемому способу. После загрузки корпус 1 герметично закрывался крышками 3 и реакционный объем 8 нагревался посредством пропускания электрического тока через нагревательный элемент 9 до 600-1000 o C. Затем открывался вентиль патрубка 10, обеспечивая подачу паров воды в реакционный объем, который выдерживался при указанной температуре в течение 1,5 ч. При этом образующийся вы результате взаимодействия паров воды с твердым углеродистым восстановителем водород, обладающий высокой химической активностью, восстанавливал сульфиды до металлов, а образующиеся газообразные продукты реакции - оксид углерода и сероводород - вытеснялись сверху вниз из реакционной зоны и выводились через патрубок 11.
По окончанию химического взаимодействия между сульфидом металла и твердым углеродистым восстановителем, в реакционном объеме образовывался конгломерат из корольков восстановленного металла.
Пример 1 (по прототипу). В реакционный объем с герметичным сводом помещали медный концентрат разделительной флотации файнштейна, имеющий следующий химический состав, %: Cu - 67; Ni - 5,5; Co - 0,35; Fe - 4,5 S - 21,5 и твердый углеродистый восстановитель слоями, причем слой концентрата укладывали сверху слоя твердого углеродистого восстановителя. Реакционный объем нагревали до 900 o C и выдерживали при этой температуре два часа. После охлаждения реакционного объема извлекали продукт восстановления. Он представлял собой плотный спек сульфидов, покрытый в верхней части налетом меди в виде "усов". Содержание серы в продукте восстановления - 18,5%. Степень восстановления равна 14%.
Пример 2 (по предлагаемому способу). В реакционный объем 8 помещали навеску 50 г медного концентрата разделительной флотации файнштейна, имеющего следующий химический состав,%: Cu - 67; Ni - 5,5; Co - 0,35; Fe - 4,5 S - 21,5 и твердый углеродистый материал (нефтяной кокс) согласно предлагаемому способу. После загрузки 1 герметично закрывался крышками 3 и реакционный объем 8 нагревался посредством пропускания электрического тока через нагревательный элемент 9 до 800 o C. Затем открывался вентиль патрубка 10, обеспечивая подачу паров воды в реакционный объем 8, который выдерживался при указанной температуре в течение 1,5 ч. При этом образующийся в результате взаимодействия паров воды с твердым углеродистым восстановителем водород, обладающий высокой химической активностью, восстанавливал сульфиды до металлов, а образующиеся газообразные продукты реакции - оксид углерода и сероводорода - вытеснял сверху вниз из реакционной зоны через патрубок 11.
По окончанию химического взаимодействия между сульфидами металлов и твердым углеродистым восстановителем, в реакционном объеме образовывался пористый слиток восстановленного металла.
Химический анализ продукта восстановления из двух опытов дал следующие содержания серы,%: 0,15 и 0,12. Степень восстановления равна 99%.
Пример 3 (по предлагаемому способу). В реакционный объем помещали навеску массой 50 г никелевого концентрата разделительной флотации файнштейна, имеющего следующий химический состав%: Ni - 65; Cu - 5,0; Co - 1,0; Fe - 4,5; S - 23, и твердый углеродистый материал (нефтяной кокс). Восстановление вели в условиях, аналогичных условиям примера 2. После охлаждения из реакционного объема извлекли конгломерат из спеченных корольков металла.
Химический анализ продукта восстановления из двух опытов дал следующие содержания серы, %: 1,87 и 2,03. Степень восстановления равна 91%.
Пример 4 (по предлагаемому способу). В реакционный объем помещали навеску 50 г молибденитового концентрата с содержанием молидбенита MoS2 85% (то есть с содержанием серы 34%) и твердый углеродистый материал (нефтяной кокс).
Восстановление вели при 1000 o C в течение 2 ч. После охлаждения из реакционного объема извлекли навеску в виде порошка с включениями спеченного агрегата.
Химический анализ продукта восстановления показал содержание серы 0,53%. Степень восстановления равна 98%.
Приведенные примеры иллюстрируют возможность получения металлов непосредственно из их сульфидов, без предварительного окислительного обжига и расхода водорода из внешнего источника на их восстановление.
Способ получения металлов из их сульфидов, включающий укладку в реакционном объеме восстанавливаемого сульфида и углеродистого восстановителя слоями, нагрев, восстановление в атмосфере водорода и эвакуацию газообразных продуктов реакции снизу реакционной зоны, отличающийся тем, что слой восстанавливаемого сульфида размещают под слоем углеродистого восстановителя, в реакционный объем подают пары воды сверху реакционной зоны, а сульфиды восстанавливают при 600 - 1000 o С.
Изобретение относится к способу выплавки кремния и его сплавов, включающему загрузку шихты из кремнезема и восстановителей в ванну рудно-термической печи с погруженными в нее электродами, подведение переменного тока к первичным выводам источника питания, пропускания снимаемого с его вторичных выводов тока между электродами по шихте и подине, возбуждение под слоем шихты электрической дуги, проведение реакции и выпуск образовавшегося продукта из печи
Изобретение относится к способу производства технического кремния, включающему дозирование, смешение, загрузку и непрерывное проплавление шихты из кварцита, нефтяного кокса, древесного угля и древесной щепы
Способ получения металлов
Изобретение относится к области электрохимии, в частности к электролитическому получению металлов из их сульфидов. Электролиз ведут с использованием раствора электролита и положительного электрода, содержащего сульфид получаемого металла, порошок вещества, являющегося акцептором атомов серы, и порошок вещества, являющегося объемным токосъемником с электронной проводимостью. Способ является экологически безопасным и экономически эффективным.
Изобретение относится к области электрохимии, в частности к электролизному получению металлов, твердых растворов, химических соединений; изготовлению аккумуляторов и нормальных элементов.
Большая часть природных минералов меди, цинка, ртути, никеля и кобальта является сульфидными соединениями (Свойства элементов: Справ. изд./ Под ред. М.Е. Дрица, М: Металлургия, 1985, 672 с.). Получение металлов из водных растворов солей связано с осуществлением ряда технологических операций по получению этих солей из соответствующих сульфидов, которые экологически опасны. Поэтому целесообразно получать металлы непосредственно из их сульфидов, а не из их окислов и солей. Известен способ анодного разложения сульфидов металлов, например, для сульфидов никеля и меди (В.В.Стендер. Прикладная электрохимия. Харьков. Изд. Харьковского университета, 1961, стр.244). Недостатком этого процесса является то, что он оказался малопроизводительным с выходом некачественного металла.
Техническим результатом данного изобретения является разработка экологически безопасного и экономически эффективного способа получения металлов из их сульфидов электролизом нового типа.
Технический результат достигается тем, что предложен способ получения металлов, включающий электролиз с использованием нерасходуемого раствора электролита и положительного электрода, содержащего сульфид получаемого металла, при этом положительный электрод дополнительно содержит порошок вещества, являющегося акцептором атомов серы, и порошок вещества, являющегося объемным токосъемником с электронной проводимостью. В предлагаемом электролизном способе получения металлов из их сульфидов используется объемный насыпной положительный электрод, состоящий из смеси порошков и обладающий поэтому развитой внутренней поверхностью. Одним из компонентов этой смеси порошков является порошок с электронной проводимостью, который играет роль объемного токосъемника.
В качестве такого порошка используется, в частности, порошок кокса или угля. Эти два фактора интенсификации процесса разложения сульфидов используются при получении меди. Для увеличения эффективности процессов электролизного получения цинка, ртути, никеля и кобальта из их сульфидов используется дополнительный компонент смеси порошков - Cu2S, который играет роль акцептора атомов серы при их отрыве от сульфида восстанавливаемого металла.
Пример №1. Получение меди из Cu2S известным способом.
Электролиз происходил в насыщенном водном растворе CuSO4 (p) при комнатной температуре. Использовался объемный положительный электрод из смеси порошка Cu2S и дробленого кокса.
Осуществлялись следующие токообразующие реакции:
Термодинамический потенциал реакции ΔG (20°C) рассчитывался из термодинамических потенциалов сульфидов меди Cu2S и CuS [M.X.Карапетьянц, М.Л.Карапетьянц. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. М.: Химия, 1968, с.470].
Из этой величины термодинамического потенциала реакции следует, что минимальное напряжение электролиза равно 0.15 В.
Рассчитанное минимальное напряжение этой электролизной реакции равно 0,41 В.
При практической реализации рассмотренных реакций установлены следующие характеристики процесса электролиза:
Достигнутые плотности тока j свидетельствуют о высокой производительности предложенного процесса производства меди и его сульфидов, которая соизмерима с производительностью традиционных процессов электролиза.
При увеличении напряжения и межэлектродного расстояния происходило возрастание плотности восстанавливаемого металла.
Пример №2. Получение цинка из ZnS
При производстве цинка обычно используют технологически трудоемкий и экологически вредный процесс получения ZnO из ZnS с последующим восстановлением Zn углеродом или получения ZnSO4 из ZnO и H2SO4. Кроме того, получаемый таким образом цинк содержит заметное количество примесей и поэтому требуется дополнительная операция по его очистке.
В данной работе осуществлен процесс получения цинка из его сульфида в насыщенном водном растворе ZnCl2 (p) при комнатной температуре. Объемный положительный электрод изготавливался из смеси порошков сульфидов цинка ZnS и меди Cu2S в соотношении 1 моль ZnS - 1 моль Cu2S. В качестве объемного токосъемника добавлялся толченый кокс или уголь. Молекулы Cu2S являлись акцепторами атомов серы при их отрыве от ZnS.
Опыты осуществлялись при визуальном контроле над процессом электролизного осаждения цинка на отрицательном электроде и многократном взвешивании этого электрода до и после процесса.
Токообразующая реакция данного процесса:
Термодинамический потенциал этой реакции ΔG (20°С)=+158.38 кДж/моль.
Рассчитанное минимальное напряжение электролиза равно 1,0 В.
Приведем электрические параметры процесса, осуществленного в лабораторном опыте.
Достигнутые величины плотности тока (при соизмеримых напряжениях) значительно больше, чем при электролизе меди из Cu2S. Причина этого увеличения плотности тока - введение акцепторов атомов серы в положительный электрод в виде порошка Cu2S.
Удовлетворительное качество получаемого металла (его плотность и химическая чистота) достигались при межэлектродном расстоянии >1-2 см.
В данном процессе отсутствует возможность загрязнения медью получаемого цинка (даже при высоком напряжении электролиза). Действительно, при U>1,7 В термодинамически разрешенной является токообразующая реакция с образованием CuCl2
Однако, ZnS взаимодействует с CuCl2 по следующей самопроизвольной реакции:
Термодинамически такая реакция разрешена при комнатной температуре.
Поэтому медь не появляется на отрицательном электроде.
Пример 3. Возможность получения никеля и кобальта из их сульфидов.
Предлагается новый процесс получения никеля из сульфидов, например из природного соединения NiS. Для осуществления этого процесса положительный электрод изготавливается из смеси порошков NiS и Cu2S (в соотношении: 1 моль NiS - 1 моль Cu2S) и порошка дробленого кокса. Возможно использование двух электролитов: или NiCl2 (p), или NiSO4 (р). Выбор между этими электролитами может быть сделан только в ходе опытов, в которых будут установлены условия достижения максимальной плотности тока.
Токообразующая реакция предложенного процесса (на примере использования NiCl2 (р)):
Термодинамический потенциал этой реакции ΔG (20°C) равен:
ΔG (200°C)=-50,62 кДж/моль.
Исходя из этой величины ΔG (20°С) для величины ЭДС, образующейся в ходе осуществления предложенного процесса получения Ni из NiS, получаем: ЭДС=0,3 В.
Однако величина плотности тока этого процесса, по-видимому, является очень маленькой и, соответственно, ничтожной производительность такого процесса производства никеля.
Поэтому, чтобы процесс стал производительным, необходима внешняя ЭДС. Возможно, что заметная плотность тока может достигаться при малом напряжении, необходимом лишь для «перегонки» на отрицательный электрод мелкодисперсного никеля, возникающего в ходе самопроизвольной реакции (7) внутри положительного электрода.
Заметим, что медь не может возникнуть на отрицательном никелевом электроде, так как не может возникнуть в растворе соль меди из-за существования следующей самопроизвольной реакции:
Термодинамический потенциал этой реакции равен: ΔG (20°C)=-113,01 кДж/моль.
Анализ возможности получения никеля из NiS полностью относится к получению кобальта из CoS.
Способ получения металлов, включающий электролиз с использованием раствора электролита и положительного электрода, содержащего сульфид получаемого металла, отличающийся тем, что положительный электрод дополнительно содержит порошок вещества, являющегося акцептором атомов серы, и порошок вещества, являющегося объемным токосъемником с электронной проводимостью.
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения порошка серебра электролитическим способом из водного раствора электролита, содержащего азотно-кислое серебро.
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению катодного никеля из сульфидного медно-никелевого сырья. .
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для извлечения веществ электроэкстракцией, а также для очистки промышленных и бытовых стоков. .
Изобретение относится к способу извлечения цинка из цинковой руды с использованием выщелачивающего раствора на основе галогенида и способу удаления марганца из растворов галогенида цинка и другого металла.
Изобретение относится к металлургии свинца и может быть использовано при рафинировании чернового свинца от примесей. .
Изобретение относится к прикладной электрохимии, в частности к гидрометаллургии, и предназначено для совершенствования технологии регенерации и утилизации олова из отходов белой жести.
Изобретение относится к электрохимическому выделению металлов из материалов сложного состава, в частности к способу очистки продуктов синтеза алмазов (ПСА), включающему электрохимическую обработку продукта синтеза в кислом электролите с получением графит-алмазного продукта, содержащего до 0,5-2,0% металлических примесей, и выделением металлического никеля и марганца на катоде.
Изобретение относится к области переработки облученного ядерного топлива энергетических реакторов и может быть использовано в прикладной радиохимии для получения рутения из нерастворимых остатков от переработки облученного ядерного топлива.
Изобретение относится к области электрохимического растворения металлов и сплавов и может быть использовано для растворения порошков, листового металла, отходов катализаторов, стружки проволоки и т.п
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при электролизе цинка из сульфатных цинковых растворов на заводах, работающих с автоматизированной сдиркой катодного металла
Читайте также: