1.7. Очистка цинксодержащих растворов от примесей

Нейтральный цинксодержащий раствор, получаемый в результате полного завершения процесса выщелачивания цинкового огарка, содержит ряд примесей, мг/дм³: Cu 300-1800; Cd 250-700; Fe²⁺ 8-30; (Fe²⁺ + Fe³⁺) 15-30; Co 3-16; Ni 2-6; As 0,1-0,3; Sb 0,1-2,0; твердого 800-2000. Прежде чем этот раствор может быть направлен на электролиз, его необходимо очистить от примесей.

На практике используют три метода очистки цинксодержащих растворов от примесей: гидролитический, химический и цементационный.

Очистка гидролитическим методом основана на различии pH гидратообразования металлов, и ее обычно (см. раздел 1.6) совмещают с процессом выщелачивания огарка.

В основе очистки растворов от примесей методом цементации лежит различие электрохимических потенциалов металлов. Этот процесс может быть представлен реакцией

, (1.9)

где – заряды катионов металлов.

Термодинамически реакция (1.9) будет протекать вправо, если    , а ее равновесие наступит при  =  или при

, (1.10)

где и – стандартные электрохимические потенциалы металлов, В; и – активности ионов металлов в растворе, г-ион/л; R – газовая постоянная, R = 8,32 Дж/(мольК); F – число Фарадея, F = 96500 кл/г-экв; T – температура, К.

Выражение (1.10) можно записать в виде

,

откуда

. (1.11)

Если известны стандартные электрохимические потенциалы металлов, то по формуле (1.11) можно рассчитать равновесное отношение активностей для различных пар металлов. Приведем значения стандартных потенциалов некоторых металлов при 25 С:

Металл	Zn	Fe(II)	Cd	Co(II)	Ni(II)	Cu(II)
, В	–0,762	–0,44	–0,402	–0,277	–0,25	+0,337

Расчеты по формуле (1.11) дают очень небольшие отношения активностей a_МеZ+ /a_Zn2+ для примесей при цементации их цинком: 1  10^–33 для Cu; 5  10^–19 для Ni; 1,3  10^–17 для Со, 3,2  10^–13 для Cd и 8  10^–12 для Fe.

Эти данные показывают, что термодинамически есть возможность очистить раствор цементацией цинком весьма полно. На практике, однако, степень осаждения примесей из раствора при использовании в качестве цементатора цинка гораздо ниже из-за кинетических затруднений. Железо, например, при комнатной температуре практически не осаждается цинком совсем. Никель и кобальт при низких температурах цементируется цинком хуже, чем кадмий. Сочетание влияния термодинамических и кинетических факторов на процесс цементации примесей цинком в порядке убывания скорости их осаждения позволяет расположить их при температурах  70 С в следующий ряд: Cu  Cd  Ni  Co (Fe²⁺ не цементируется). Заметим, что при температурах более 80 С кадмий осаждается хуже, чем никель и кобальт.

На практике для очистки цинксодержащих растворов от примесей цементацией используют порошкообразный цинк (цинковую пыль), который чаще всего получают распылением жидкого цинка. Процесс ведут в агитаторах с механическим перемешиванием. Интенсификация процесса цементации достигается использованием более мелкой цинковой пыли, увеличением кратности ее расхода, повышением температуры до оптимальной и увеличением интенсивности перемешивания пульпы. В зависимости от состава раствора и других факторов процесс цементации проводят в две-четыре стадии. Общий расход цинковой пыли в 2-3 раза превышает теоретически необходимое ее количество. Для интенсификации процесса очистки раствора от кобальта и никеля вместе с цинковой пылью вводят в раствор соединения сурьмы или мышьяка. Процесс цементации ведут при pH = 35,4. Осадок (кек) отделяют от раствора фильтрацией.

Химический метод очистки раствора от примесей используют в металлургии цинка для вывода из раствора кобальта (в настоящее время уже изредка) и хлор-иона. Этот метод основан на образовании примесями труднорастворимых соединений с реагентами, добавляемыми в раствор. Для очистки растворов от кобальта используют в основном два вида реагентов: этиловый ксантогенат натрия или калия (С₂Н₅ОСS₂Na или C₂H₅OCS₂K) и -нитрозо--нафтол (C₁₀H₆NOOH). В первом случае кобальт осаждается в виде соединения (С₂Н₅ОСS₂)₃Со, во втором – (C₁₀H₆NOO)₂Со. Катализатором при окислении Со²⁺ до Со³⁺ служит Cu²⁺.

Для очистки растворов от хлор-иона в качестве реагентов можно использовать Ag₂SO₄ или (CuSO_4aq + Cu). В первом случае образуется труднорастворимое в воде соединение AgСl, а во втором Cu₂Cl₂. Контроль и поддержание в растворе на допустимом уровне содержания других примесей (Na, K, Mg) осуществляют путем вывода из общего процесса части раствора и отдельной его переработки (например, выпариванием раствора в печи кипящего слоя получают цинковый купорос).