Электролитическое рафинирование никеля

Электролитическое рафинирование применяется для получения металла высших марок, содержащего 99,7—99,99% никеля, и выделения из чернового никеля благородных металлов.

В табл. 22 приведен состав никеля, получаемого из окисленных и сульфидных руд, а в табл. 23 — состав товарных сортов никеля по ГОСТ. Сравнивая эти таблицы, нетрудно заметить, что никель из окисленных руд в основном удовлетворяет двум низшим маркам ГОСТ, а черновой металл, получаемый из сульфидных медноникелевых руд, не соответствует ни одной из этих марок главным образом по содержанию железа и меди. Кроме того, никель из окисленных руд обычно не содержит благородных металлов, а в никеле из сульфидных руд всегда присутствуют платиновые металлы, которые необходимо извлечь, поскольку они представляют значительную ценность. Приведенные соображения поясняют, п о-чему электролитическому рафинированию подвергают преимущественно черновой никель, выплавляемый из сульфидных медно-никелевых руд.

Электролиз никеля проводится в растворе сульфата никеля. Основная особенность этого процесса связана с неблагоприятным соотношением равновесных потенциалов меди и никеля: медь значительно благороднее никеля, поэтому на катоде в первую очередь будет отлагаться медь, и получить чистый металл из раствора, содержащего медь, невозможно.

Поскольку при анодном растворении чернового металла медь переходит в раствор вместе с никелем, а при катодном процессе она не должна присутствовать в растворе, анодное пространство отделяют от катодного пористой перегородкой — диафрагмой, не пропускающей ионы меди к катоду, но и не препятствующей протеканию через ванну электрического тока. Диафрагмы делают из брезента или другой плотной ткани и натягивают на каркас из деревянных реек. Каждый катод помещается внутри такой диафрагмы в форме плоской коробки.

Электролит внутри диафрагмы называют католитом, а вне ее — анолитом.

Анолит содержит медь и другие примеси, поскольку в него непрерывно поступают ионы из растворяющихся анодов. Католит не должен содержать медь и другие примеси, загрязняющие катодный осадок.

Анолит непрерывно выводится из ванны и поступает на очистку от примесей химическим путем. Очищенный раствор непрерывно заливают внутрь диафрагмы с такой скоростью, чтобы уровень католита в диафрагме был всегда на 50 мм выше уровня анолита. Благодаря этому католит может просачиваться через поры диафрагмы и поступать в анодное пространство, а анолит не может проходить через диафрагму и загрязнять католит.

Катодный процесс при электролизе никеля заключается в разряде ионов никеля с образованием на катодной основе плотного слоя металла. Ионы никеля имеют свойство разряжаться с перенапряжением, поэтому катодный потенциал всегда намного отрицательнее равновесного; он близок к потенциалу разряда водородных ионов на никеле, поэтому на катоде совместно с никелем всегда выделяется некоторое количество водорода. Для получения достаточно высоких выходов по току концентрация водородных ионов в католите должна быть достаточно низкой, но не настолько, чтобы вызвать гидролиз с образованием гидратов и основных солей никеля. Если продукты гидролиза попадают на поверхность растущего катодного осадка, то он растет неравномерно или расслаивается.

Для стабилизации кислотности в католит вводят буферное вещество — борную кислоту.

Для снижения расхода энергии католит должен быть возможно более концентрированным по никелю, поэтому в практике растворы близки к насыщению (они обычно содержат около 60 г/л Ni).

Для повышения электропроводности в раствор вводят 50—140 г/л сульфата натрия. Концентрация борной кислоты составляет 5—8 г/л. При получении никеля марки HI в католите не должно быть больше 2—3 мг/л Cu, 10—20 мг/л Fe и 20 мг/л Co.

He растворимые в электролите платиновые металлы, карбид никеля, закись никеля и частично металлическая медь выпадают при растворении анодов на дно ванны в виде твердых частиц — шлама. В раствор совместно с никелем переходит железо, кобальт и медь.

При растворении никелевых анодов наблюдается явление пассивирования, вызывающее постепенное снижение анодного выхода по току вследствие выделения на аноде кислорода.

Чтобы предупредить это явление, в раствор добавляют хлористый натрий и проводят электролиз при температуре 55—65°.

Шлам, выпадающий на дно ванны, в основной своей массе имеет размер частиц меньше 0,2 мм, но иногда в шлам выпадают и довольно крупные куски металла, оторвавшиеся от анодов из-за неравномерности их растворения.

Схема очистки анолита показана на рис. 111.

Медь из анолита удаляют цементацией свежевосстановленным порошком никеля по реакции:



Цементация проводится или способом перемешивания раствора с никелевым порошком мешалками, или просачиванием раствора через слой никелевого порошка. Скорость реакции по мере накопления меди на поверхности частиц порошка понижается. На весовую единицу осажденной меди затрачивается 1,5—3 части никелевого порошка; остаточное содержание меди в растворе может быть доведено до 0,5 мг/л, Температура раствора при очистке от меди 50—70°. Осадок цементной меди, содержащий никель, подвергают отдельной переработке.

Для удаления железа загружают углекислый никель при продувке раствора воздухом. Сначала получается карбонат закиси железа, который затем в результате окисления кислородом воздуха и гидролиза превращается в гидрат окиси железа или основные соли железа, например FeSO4OH:



Процесс очистки от железа ведут в пневматических мешалках, подробно описанных в металлургии цинка. Снижение содержания железа до 5—10 мг/л достигается после 4—5 час. перемешивания раствора с карбонатом никеля при 50—70°. Карбонат никеля готовится осаждением никеля из части раствора содой.

Кобальт удаляют действием гидроокиси никеля, получаемой при обработке части раствора хлором. Отфильтрованную гидроокись перемешивают с остальной частью раствора в пневматических мешалках при 60—70°, кобальт выпадает в осадок:



Осадок, содержащий 4—6% окиси кобальта, направляется в кобальтовое производство.

Ванны для электролиза никеля обычно делают из железобетона и покрывают их внутри кислотоупорными керамическими плитками. В ванне устанавливают 30—35 катодов и 31—36 анодов.

Расстояние между одноименными электродами в ванне 170—200 мм.

Аноды отливают в виде прямоугольных плит и подвешивают их на медных штангах круглого сечения. Вес анода около 200 кг, примерные размеры: 900х700х25 мм, продолжительность пребывания в ванне 15—30 суток.

Катодные основы делают из листового никеля толщиной 0,5—0,6 мм. Заготовки для них получают в специальных матричных ваннах, где никель осаждается на матрицах из нержавеющей стали, а затем сдирается.

После 4—11 дней электролиза при плотности тока 300— 125 а/м3 катоды извлекают из ванн, промывают горячей водой, сушат и, разрезав на куски установленного размера, отправляют потребителю.

Напряжение на ванне при электролизе никеля постоянно повышается с 2,0 до 2,6 в. Такое большое напряжение объясняется значительным расстоянием между электродами, сопротивлением диафрагмы, сравнительно малой электропроводностью электролита и значительной поляризацией.

Выход по току при электролизе никеля около 95% и зависит главным образом от качества очистки растворов и точности регулирования кислотности католита.

Расход энергии при электролизе никеля — около 3500 квт-ч/т.