Использование метода внутреннего электролиза для разложения различных продуктов переработки металлургического производства
, 11 класс, школа №56, г. Магнитогорск.
Научный руководитель доцент, к. т.н. .
Введение
Электрохимические методы получили особенно широкое распространение в технологии извлечения, разделения и рафинирования цветных металлов.
Для получения электрического тока можно использовать электрическое напряжение гальванического элемента, составленного из металлов разной активности, помещенных в реакционную среду, и замкнутых между собой. В гальваническом элементе катодом является менее активный металл, а анодом – более активный.
Взаимный переход различных видов энергии делает принципиально возможным такое протекание электрохимического процесса, при котором осуществляется обратимое превращение химической энергии в электрическую энергию, либо наоборот, обратимые превращения электрической энергии в химическую энергию.
В общем случае протекание тока через электрохимическую систему сопровождается глубокими качественными изменениями, которые претерпевают частицы вещества (ионы, атомы, молекулы) на границе раздела электрод – электролит. Окислительное действие электрического тока во много раз сильнее действия химических окислителей.
Если помимо ионов металла в переносе зарядов участвует и другой компонент (окислитель), то при полном балансе зарядов баланс вещества, а значит, и равновесие могут оказаться нарушенными. Вследствие поглощения электронов металла окислителем будет происходить непрерывный и необратимый переход ионов металла в раствор, а на отрицательно заряженной поверхности электрода будет происходить процесс восстановления катионов, имеющих положительный потенциал.
На этом принципе построена ячейка для проведения внутреннего электролиза. В этой ячейке соединены два металла разной активности, активный металл растворяется, ионы его переходят в раствор, а электроны переходят на менее активный металл. Если на пути электронов будут находиться частицы твердого вещества, то электроны начнут восстанавливать эти частицы, разрушая их кристаллическую решетку.
Целью настоящего исследования является изучение возможности разложения различных отходов металлургического производства путем обработки их растворами различных кислот с использованием метода внутреннего электролиза.
Исследовательская часть
Обработке подвергались следующие продукты: мартеновский шлак Магнитогорского металлургического комбината (ММК), шлак Карабашского медеплавильного комбината (КМК), промпродукт Учалинского горнометаллургического комбината (Уч. ГОК).
Результаты эксперимента представлены в таблице 1.
Результаты обработки различных продуктов металлургического производства методом внутреннего электролиза.
Таблица 1.
№ 1 1 2 3 4 5 | Исходный продукт | Масса, г | Режим обработки | Гальвано/ Пара | Масса остатка, г | % разложения |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
Мартеновский шлак ММК | 10 | 50 мл 10% H2SO4 + 10 мл 20% Н2О2 | Нет | 9,59 | 4,8 | |
- | - | 10 | 50 мл HCI 1:1 + 10 мл 20% Н2О2 | - | - | 0,1593 | 98,5 | |
- | - | 10,1 | 50 мл HNO3 1:1 | - | - | 4,51 | 55,8 | |
- | - | 10 | 50 мл HCI 1:2 | AI/Cu | 1,49 | 85,65 | |
Шлак КМК | 20 | 100 мл 5% H2SO4 + 5 мл 20% Н2О2 + 0,6 г NaCI + 0,6 г CO(NH2)2 | Нет | 14,21 | 29 | |
- | - | 20 | 100 мл 5% H2SO4 + 0,6 гNaCI + 0,6 г CO(NH2)2 | AI/Fe | 16,28 | 18,6 | |
1 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 | - | - | 20 | 70мл 7,5%H2SO4 + 1г NaCI | - | - | 17,1 | 14,5 |
- | - | 17,1 | 100мл 10%H2SO4 + 1г CO(NH2)2 + 1г NaCI | AI/Cu | 13,1 | 23,5 | |
Промпродукт Уч. ГОКа | 20 | 50мл 5%H2SO4 | 18,41 | 8 | ||
- | - | 20 | 50мл 5%H2SO4+ 1г Na2O2 | 18,2 | 9 | ||
- | - | 20 | 50мл 5%H2SO4+ 1г Na2O2 + 1г NaCI | 17,8 | 11 | ||
- | - | 20 | 50мл 5%H2SO4+ 1г Na2O2 + 1г CO(NH2)2 | 18,3 | 8,5 | ||
- | - | 20 | 50мл 5%H2SO4+ 1г Na2O2 + 1г NaCI+1г CO(NH2)2 | 17,8 | 11 | ||
- | - | 20 | 50мл 5%H2SO4+ 15мл 20%Н2O2 | 16,55 | 17,25 | ||
- | - | 20 | 50мл 5%H2SO4+ 5 мл 20%Н2O2 + 1 г NaCI | 14,5 | 27,5 | ||
- | - | 20 | 50мл 5%H2SO4 + 5мл 20%Н2O2 + 1г CO(NH2)2 | 17,5 | 12,5 | ||
- | - | 20 | 50мл 10%H2SO4 | 19,3 | 3,5 | ||
- | - | 20 | 50мл 10%H2SO4+ 1г Na2O2 | 19,2 | 4 | ||
- | - | 20 | 50мл 10%H2SO4 + 1г Na2O2 + 1г NaCI | 19,23 | 3,85 | ||
- | - | 20 | 50мл 10%H2SO4 | AI/Cu | 19,87 | 0,6 | |
- | - | 20 | 50мл 10%H2SO4 + 1 г NaCI | AI/Cu | 19,66 | 1,7 | |
- | - | 20 | 50мл 10%H2SO4 + 1 г CO(NH2)2 | AI/Cu | 17,22 | 13,9 | |
- | - | 20 | 50мл 10%H2SO4 + 1 г CO(NH2)2 +1 гNaCI | AI/Cu | 11,56 | 42,2 |
Как следует из результатов эксперимента, разложение мартеновского шлака ММК 10% раствором серной кислоты в присутствии пероксида водорода незначительно (4,8%); замена серной кислоты на 17% соляную кислоту в присутствии пероксида водорода увеличивает разложение шлака до 98,5 %, что свидетельствует о наличии в составе шлака элементов, способных окисляться пероксидом водорода и образовывать комплексные соединения с хлорид-ионом, способствуя смещению равновесия растворения шлака резко в правую сторону. Использование же азотной кислоты в качестве окислителя разлагает шлак на 55,8%; использование гальванопары, состоящей из алюминиевой и медной пластин в 8,5% растворе соляной кислоты, дает возможность разложить шлак на 85%.
Это обстоятельство свидетельствует о том, что действие окислителя можно заменить, используя метод внутреннего электролиза, при этом степень разложения шлака зависит от концентрации соляной кислоты; при увеличении концентрации соляной кислоты степень разложения шлака увеличивается.
Разложение шлака Карабашского медеплавильного комбината возможно растворами серной кислоты, содержащими различные комплексообразующие добавки в виде хлористого натрия, карбамида и окислителя пероксида водорода, при этом степень его разложения достигает 29%; замена действия окислителя различными гальванопарами, такими как алюминий-железо, алюминий-медь снижает степень разложения шлака. Наибольшее снижение разложения шлака наблюдается в паре алюминий-железо.
Разложения промпродукта Учалинского ГОКа зависит от концентрации серной кислоты, концентрации комплексообразующих компонентов в виде хлористого натрия, карбамида и наличия окислителей – пероксида водорода или пероксида натрия, причем действие пероксида водорода более эффективно (достигается 27% разложения пробы).
Замена окислителей на внутренний электролиз с использованием гальванопары алюминий – медь позволяет повысить степень разложения пробы до 42,2%.
Заключение
Таким образом, в результате проведенного исследования показано, что используя метод внутреннего электролиза, можно переработать различные отходы производства без затраты энергетических ресурсов, так как процесс разложения исследуемых продуктов идет самопроизвольно с выделением большого количества тепла (в наших опытах температура раствора поднималась до 1000С). Это тепло можно использовать для различных нужд.
Список литературы
1. Квартальный отчет. www. mmk. ru/2002/
2. правочник биохимика. М.: Мир, 1991, -570 с.
3. Гордон без отходов //Московский рабочий, №2, 1986, -5с.
