Факторы, влияющие на процесс цементации.

 

Величина катодной поверхности (поверхность цинка). Чем больше поверхность цинка, тем интенсивнее реакция. Для увеличения катодной поверх­ности:

1. Цинк предварительного освинцовьшания металлического цинка. Для этого металлический цинк обрабатывают раствором какой-либо растворимой соли свинца (уксусно- или азотнокислой). На поверхности цинка образуется рыхлый губчатый осадок метал­лического свинца, имеющий очень большую удельную поверх­ность. Однако это загрязняет золото

2. Цинк используют в виде мелкого порошка. Это ускоряет реакцию и золото не загрязняется цинком. Однако это связано с трудностями при хранении, т.к. порошок цинка быстро окисляется на воздухе

Перемешивание пульпы. С одной стороны, перемешивание приводит к увеличению предельного тока восстановления золота и, следовательно, ускорению его оса­ждения. С другой стороны, одновременно возрастает предельный ток восстановления кислорода, вследствие чего увеличивается бесполезный расход цинка. Кроме того, при интенсивном пере­мешивании существует опасность отрыва пленок вытесненного золота от частиц металлического цинка. При отсутствии контакта золота с цинком стационарный потенциал поверхности золота сдвинется в положительную сторону (в результате поляризации растворенным кислородом), и начнется обратное растворение вы­тесненного металла.

Концентрация кислорода в воде. Цианистые растворы перед осаждением из них благородных металлов часто подвергют операции деаэрации (обескислороживания) для снижения расхода цинка по реакции 4, 6. При этом само осаждение про­изводят просачиванием обескислороженного раствора через слой дисперсного цинка.

Концентрация цианидов и защитной щелочи в пульпе.

При низкой концентрации щелочи и цианидов золота начинают протекать побочные реакции, которые способствуют перерасходу цинка, и загрязнению золота белым шламом (смесь гидрооксида и цианида цинка).

 

2Zn + 4 OH^-  + O₂ = 2ZnO₂^-2 + 2H₂O                                             (7)

Zn + 2OH^- = ZnO₂^-2 + H₂                                                                 (8)

ZnO₂^-2 + 2H₂O = Zn (OH)₂ + 2OH^-                                               (9)

Zn(CN)₄^-2 + Zn (OH)₂ = 2Zn(CN)₂ + 2OH^-                                    (10)

 

Присутствие щелочи не дает осаждаться белому шламу за счет протекания реакций:

 

ZnO₂^-2 + 4CN^- + 2H₂O = Zn(CN)₄^-2 + 4OH^-                                         (11)

2Zn(CN)₂ + 2CN^- = Zn(CN)₄^-2                                                         (12)

 

Нельзя снижать концентрацию цианида ниже определенного уровня иначе выпадет белый шлам. Так, при осаждении золота из необескислороженных растворов условием, препятствующим обра­зованию белого осадка, является концентрация цианида 0,05— 0,08% и столько же щелочи. Если же растворы предварительно деаэрированы, концентрацию каждого из этих реагентов можно снизить до 0,02—0,03%. В каждом конкретном случае концентрация цианида подбирается опытным путем. Однако чрезмерное повышение концентрации реагентов также нежелательно, т.к. ускорятся побочные реакции и сильно возрастает расход цинка

Наличие примесей в растворе. Действие примесей сводится в основном к образованию на поверхности цинка плотных пленок, замедляющих, а иногда и сов­сем прекращающих процесс осаждения. К таким примесям относятся щелочные сульфиды, мышьяк, коллоидная кремнекислота, свинец, если он присутствует в растворе в форме плюмбит - иона, медь (при значительной концентрации меди осаждение золота может полностью прекратиться), ртуть. Иногда раствор после цементации регенерируют от примесных ионов.

Способы цементации цинком

Осаждение цинковой стружкой. Осаждение цинковой стружкой про­изводят в железных или деревянных аппаратах, называемых экстракто­рами. Экстрактор рисунок 19 предста­вляет собой длинный невысокий ящик прямоугольного сечения. Внутреннее пространство экстрактора разделено па несколько отделений (5—10) таким образом, что раствор входит в каждое отделение только снизу. Это достигается системой поперечных парных перегородок, из которых часть опущена до дна экстрак­тора, но не доходит до его верхнего края, а часть начинается у верхнего края, но не доходит до дна. Для медленного протека­ния раствора экстрактор установлен с небольшим уклоном. В каждом отделении экстрактора на некотором расстоянии от дна расположены вынимающиеся четырехугольные рамы, на которые натянуты железные сетки с отверстиями 1,4— 3,5 мм. На эти сетки рыхлым слоем укладывается цинковая стружка. Раствор в экстракторе движется зигзаообразно медленной не­прерывной струей через всю массу стружки, расположенную в от­делениях экстрактора. При этом благородные металлы осаждаются на поверхности стружки. Благодаря тому, что раствор в каждое отделение экстрактора подается снизу, исключается возможность забивания стружки зо­лотым осадком и мелким разъеденным цинком. Образуясь преиму­щественно в нижнем слое стружки, мелкие частицы золота и цинка падают на дно экстрактора и оставляют свободный путь для движения раствора. Для удобства выгрузки золотого осадка, просыпавшегося через сетку, в каждом отделении у дна экстрактора имеется отверстие, закрываемое пробкой, и дно экстрактора имеет уклон в сторону выгрузного отверстия. 

 

Осаждение цинковой пылью. В настоящее время этот способ основной цементации. Осветленный золотосодержащий раствор подвер­гают деаэрации, смешивают с цинковой пылью и затем фильтруют для отделения золото-цинкового осадка от обеззолоченного рас­твора при одновременном осаждении золота. Фильтрацию можно производить па фильтрах различной конструкции: вакуум-рамах, фильтрпрессах, мешочных или проволочных фильтрах. Схема цепи аппаратов такой установки пока­зана на рисунке 20. Осветленные золотосодержащие растворы по трубе 1 посту­пают в чан 2. По трубе 4 раствор поступает в вакуум-ресивер (деаэратор) 5, где с помощью вакуум-насоса 6 создается разрежение 700—725 мм рт. ст. Вакуум-ресивер рисунок 20 представляет собой полый стальной цилиндр, имеющий в верхней своей части решетку из деревянных

 

 

Рисунок 19. Схема цепи аппаратов для осаждения золота цинковой пылью с применением вакуум-рам

 

Рисунок 20. Вакуум-ресивер для деаэрации цианистых растворов: 1 — решетка из деревянных брусков; 2 — поплавок; 3 — клапан; 4 — указатель уровня раствора; 5 — указатель разрежения; 6 — труба к ва­куум-насосу; 7 — люк

 

брусков. Падая сверху на эту решетку, раствор разбивается на мелкие капли. Это способствует быстрому выделению растворен­ных газов под действием разрежения, создаваемого вакуум-на­сосом. В нижней части ресивера имеется поплавок, связанный рычагом 7 (см. рис. 19) с клапаном 8 в питающей трубе 4. С по­мощью этого устройства в ресивере автоматически поддержи­вается примерно постоянный уровень раствора (600 мм над дном).

Концентрация кислорода в растворе, выходящем из вакуум-ресивера, составляет 0,5—1,0 мг/л. Деаэрация растворов позво­ляет значительно снизить расход цинка, увеличить полноту и скорость осаждения золота, улучшить качество золотых осадков.

Из ресивера обескислороженный раствор центробежным насо­сом 9 подается в смеситель 10. Во избежание подсоса воздуха через сальники и обратного насыщения раствора кислородом насос уста­навливают в чане 2 осветленного раствора. Подача раствора в сме­ситель регулируется поплавковым устройством, связанным с кла­паном 11. В смесителе раствор смешивается с цинковой пылью, загружаемой питателем 12, и направляется в осадительный чан 13 с вакуум-рамами 14. В центре осадительного чана установлена широкая труба, по оси которой расположен вал, несущий в ниж­ней своей части пропеллер, а в средней - чугунное лопастное колесо. Вал вращается со скоростью 330 об/мин. В результате работы мешалок цинковая пыль равномерно распределяется по всему объему чана. Радиально расположенные вакуум-рамы по конструкции ана­логичны вакуум-рамам осветлителей. С помощью гибких шлангов они присоединены к кольцевому трубопроводу 15, который в свою очередь соединен с центробежным насосом 16. Под действием раз­режения обеззолоченный раствор просасывается через рамы, а зо­лотой шлам остается на поверхности фильтровальной ткани в виде кека. Уровень раствора в осадительном чане должен быть выше верх­него края вакуум-рам. С этой целью в осадительном чане устанав­ливают специальный поплавковый регулятор, выключающий на­сос 16 при опускании уровня раствора ниже допустимого. Во избежание обратного накислороживания раствора его по­верхность в смесителе и осадительном чане должна находиться в спокойном состоянии. С этой целью конец трубы, питающей сме­ситель, погружен ниже уровня раствора, а сам смеситель распо­ложен на том же уровне, что и осадительный чан. Для этой же цели над верхним краем центральной трубы осадительного чана устанавливают дефлектор 17.

Цинковую пыль освинцовывают путем подачи раствора уксусно-или азотнокислого свинца в смеситель или в осветлительный чан.

 

По сравнению с осаждением цинковой стружкой процесс оса­ждения цинковой пылью (в сочетании с деаэрацией растворов) имеет следующие большие преимущества:

1) цинковая пыль дешевле стружки;

2) расход цинковой пыли ниже, чем стружки;

3) более полное осаждение золота;

4) сокращение расхода цианида;

5) отсутствие оборотного золота и цинка;

6) значительно более высокое качество осадков, что упрощает их дальнейшую переработку;

7) компактность аппаратуры;

8) полная механизация и возможность автоматизации процесса.

 

Экспериментальная часть.

 

Описание экспериментальной установки

 

Установка для цементации растворов, содержащих благородные металлы, представлена на рисунке 21. Через трансформатор 1, проводится регулирование напряжение, подаваемого на нагревательную плитку 2. На плитку устанавливается колба 3, в которую помещается раствор благородного металла и гранулы цинка (алюминия). В раствор погружен термометр 4 для контроля за температурой выщелачивания. Раствор перемешивается с помощью мешалки 5. Мешалка приводится в движение двигателем 6. Частота оборотов мешалки изменяется при помощи лабораторного автотрансформатора 7.

 

 

Рисунок 21 Экспериментальная установка для исследования процесса цементации благородных металлов

 

Порядок выполнения работы.

 

1. Получить в установленном порядке точную навеску серебра. Рассчитать расход реагентов и приготовить раствор нитрата серебра растворением металла в азотной кислоте. Проводить в вытяжном шкафу. Измерить мерным цилиндром объем раствора - V_k. Разбавить раствор до заданной концентрации дистиллированной водой.

2. Приготовить цинковую стружку методом грануляции жидкого цинка, как описано в предыдущих работах или наточить стружку цинка напильником (на станке).

3. Произвести рассев цинковых гранул на фракции с диаметром частиц - 0-0,25; 0,25-0,5; 0,5-1,0; 1,0-2,0; 2,0-3,5; 3,5-4,5; 4,5-5,5.

4. Рассчитать теоретический расход цинка с учетом коэффициента избытка по заданию преподавателя и поместить раствор нитрата серебра и цинк в колбу 3.

5. Установить по заданию преподавателя температуру и число оборотов мешалки

6. Периодически (каждые 5-10 минут) при помощи пипетки и груши отбирать пробу пульпы из колбы. Пробу отфильтровать (осадки сохранять до конца опыта). К отфильтрованной пробе прибавить избыток 20% - го раствора хлорида натрия. Выдержать 10-15 мин до созревания осадка хлорида серебра и отфильтровать через взвешенный фильтр.

7. Осадок с фильтром, высушить и взвесить. Найти массу осадка. Опыт проводить до стабильного содержания серебра в растворе – время цементации t_цем.

8. По окончании опыта пульпу отфильтровать, серебро-цинковый осадок высушить, взвесить и аффинировать в серной кислоте. Аффинированное серебро высушить, переплавить и взвесить. Слиток серебра сдать в установленном порядке. Все результаты записывать в таблицу 9.

9. Остаточное серебро в фильтрате осадить хлоридом натрия. Хлорид после фильтрации и сушки нагреть в муфельной печи до 1000⁰С. Выделившееся серебро взвесить и сдать в установленном порядке.

10.  Повторить опыт с различными фракциями цинка d_Zn, различным избытком цинка с разной концентрацией серебра в растворе, при разных температурах и при различном числе оборотов мешалки.

 

Обработка экспериментальных данных

 

1. Рассчитать расход азотной кислоты согласно стехиометрии реакции 13, с учетом коэффициента избытка по заданию преподавателя:

 

2Ag + 4HNO₃ = 3 AgNO₃ + NO + 2H₂O                                    (13)

 

M _HNO3 = (M_Ag * 4 * Mr _HNO3 / 2 * Ar _Ag) * K_изб                             (14)

 

где: M_Ag – масса навески серебра, грамм

Mr _HNO3 – молекулярная масса азотной кислоты = 63 г/моль

Ar _Ag – атомная масса серебра = 107 г/моль

K_изб – коэффициент избытка кислоты

 

2. Рассчитать объем воды, необходимой для приготовления раствора заданной концентрации по формуле:

 

V_в = (M_Ag - С_Ag * V_k) / С_Ag                                                              (15)

 

где: С_Ag – заданная концентрация воды, г/мл

V_k – объем концентрированного раствора, мл

 

Таблица 9

Результаты исследования процесса цементации серебра цинком с различным диаметром гранул

 

Условия опыта					t, мин	СAgтек, г/мл	Результаты опыта
СAg, г/мл	Kизб,	Reц	dZn, мм	Т, 0С			tцем, мин	wцем, мин	РZn, г/г	ХAg, %	CAgосадок, %

 

3. Рассчитать расход цинка исходя из стехиометрии уравнения 2 с учетом коэффициента избытка по заданию преподавателя:

 

М_Zn = (M_Ag * Ar_Zn / 2 * Ar_Ag) * K_изб^,                                                (16)

 

где: Ar_Zn – атомная масса цинка = 65,3 г/моль

K_изб^, - коэффициент избытка цинка

 

4. Рассчитать концентрацию серебра в растворе по формуле:

 

С_Ag^тек = ((М_ф+ос – М_ф) * Ar_Ag / Мr_AgCl) / V_п                                     (17)

 

где: М_ф+ос М_ф – масса фильтра с осадком и фильтра соответственно, грамм

Мr_AgCl – молекулярная масса хлорида серебра = 134 г/моль

V_п – объем пробы, мл

 

5. Построить график зависимости концентрации серебра от времени. По графику определить время цементации t_цем. Провести к графику несколько касательных и рассчитать скорость цементации как тангенс угла наклона касательной w_цем. Построить график зависимости скорости цементации от времени

6. Рассчитать расход Р_Zn цинка на цементацию как отношение массы израсходованного цинка к массе полученного аффинированного серебра

7. Рассчитать концентрацию C_Ag^осадок серебра в серебро-цинковый осадке как отношение массы серебра к массе серебро-цинкового осадока

8. Рассчитать степень извлечения Х_Ag серебра как отношение массы полученного аффинированного серебра к исходной массе серебра

9. Рассчитать центробежный критерий Рейнольдса по формуле:

 

Re_ц = (r * n * d²) / m,                                                                     (18)

 

где: r - плотность перемешиваемой жидкости, кг/м³

n – частота оборотов мешалки, об/сек

d – диаметр мешалки, м

m - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па*с

10.  На основе полученных экспериментальных данных при помощи математического пакета статистической обработки данных вывести многофакторную зависимость типа: степень извлечения серебра = f (С_Ag, K_изб^, , Re_ц, d_Zn, Т), время цементации = f (С_Ag, K_изб^, , Re_ц, d_Zn, Т), C_Ag^осадок = f (С_Ag, K_изб^, , Re_ц, d_Zn, Т).

 

Вопросы допуска

 

1. Какова цель работы?

2. Ход выполнения работы?

3. Какие закономерности исследуются в данной работе?

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое цементация? Какие химические реакции протекают при цементации? Какие реакции основные какие побочные?

2. Охарактеризуйте цементацию как электрохимический процесс?

3. Как на цементацию влияет величина катодной поверхности?

4. Как на цементацию влияет перемешивание пульпы и концентрация кислорода в воде?

5. Как на цементацию влияет концентрация цианидов и щелочи? Что такое белый шлам? Как он образуется?

6. Какие примеси и как влияют на процесс цементации?

7. Опишите цементацию цинковой стружкой?

8. Опишите цементацию цинковой пылью?

9. Какой способ цементации лучше и почему?

10.  Какие были установлены закономерности и сделаны выводы?

 

Лабораторная работа № 5