Deneyin Adı: Elektroliz

T.C.
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
KİMYA-METALURJİ FAKÜLTESİ
METALURJİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
METALURJİK ÜRETİM
PROSESLERİ VE LABORATUARI
Adı Soyadı:
Numara :
Sınıf: Metalurji Müh.4 (1.Öğretim)
Konu: Elektroliz Deneyi
Yönetici: Y. Doç. Dr. Nilgün KUŞKONMAZ
HAZİRAN 2001
GİRİŞ
Bu deney daha evvel yapılan liç deneyinin devamı niteliği taşımaktadır. O deneyde kavurma ve liç işlemleri yapılmış ve sonra da bakır içeren bir çözelti elde edilmişti. Bu deneyde o çözelti kullanılarak elektrolitik bakır elde edilmeye çalışılmıştır. Bunun için solvent ekstraksiyonu ve elektroliz yapılmıştır. Böylece katotta toplanan bakır miktarı tartılıp ne kadar bakır elde edildiği hesaplanacaktır.
Deneyin Adı: Elektroliz
Deneyin Amacı: Bakır sülfat ve sülfürik asit karışımından oluşan bir çözeltiden elektroliz yoluyla bakırın kazanılması.
TEORİK BİLGİLER
Elektroliz
Bir elektroliz hücresinden doğru akım geçirilmesi halinde çözeltide ayrışma reaksiyonları oluşur. Ayrışma ürünleri iyonlar halinde çözeltide bulunur. Bu iyonlar değerliklerine bağlı olarak anot veya katotta toplanır veya elektrolitte kalır. Gerek çözünmeyen tipte anot kullanılarak çözeltilerden bakır elde edilmesini sağlayan redüksiyon elektrolizi ve gerekse de yeterli saflıkta rafine bakır elde edilmesini sağlayan rafinasyon elektrolizi metalurjide geniş ve yaygın uygulamaları olan yöntemlerdir.
Bakır redüksiyon elektrolizinde çözünmeyen anotlar ve elektrolit olarak bakır sülfat ve sülfürik asit karışımından oluşan çözelti kullanılır. Çözünmeyen anot olarak sert kurşun (%4-8Sb) ve katot olarak da paslanmaz çelik veya son zamanlarda titan levhalar kullanılmaktadır. 40-60C sıcaklıklarda, 70-150 A/m2 akım yoğunluklarında çalışılır.
Redüksiyon elektrolizinde toplam redüksiyon:
CuSO4 + H2O = Cu + H2SO4 + ½O2
Katodik Reaksiyon: Cu+2 + 2e- = Cu0
Anodik Reaksiyon: SO4-2 + H+ + 2e- = H2SO4 + ½O2
Bakır rafinasyon elektrolizi, çözünebilir anotlarla yapılan elektroliz işlemine en güzel örnektir. Anot olarak rafine edilmiş bakır kullanılır. Rafine bakır %98-99 saflıktadır. Katot olarak üzerine elektrolitik bakır kaplanmış titan levhalar veya yapışmayı önlemek için üzeri yağ ile sıvanmış bakır katot levhalar kullanılır. Uygun şartlarda anot oksitlenerek çözeltiye geçer ve katotta redüklenir. Anottaki diğer empüritelerin bir bölümü çözünmezler. Anottan koparak hücrenin alt kısmında toplanırlar ki bu artık malzemeye “anot çamuru” denir. Diğer bazı empüriteler ise çözünerek elektrolite geçerler.
Anot Reaksiyonu: Cu0 + 2e- = Cu+2 veya Cu0 – e- = Cu+1 (çözünen bakır)
Katot Reaksiyonu: Cu+2 + 2e- = Cu0 (metalik duruma redüklenme)
Elektrolitte; 3.5-5 gr/lt Cu, 140-220 gr/lt H2SO4 bulunur.
Akım yoğunluğu; 150-250 A/m2 dir.
Devreden geçen akım (A)
Akım yoğunluğu =
Katodun elektrolite dalan kısmının alanı (cm2)
Bir elektroliz devresinden I akımının t zamanında geçmesi ile elde edilebilecek elektroliz ürününün miktarı Q alınırsa;
Q = (I.t.A) / (n.F)
I = Akım şiddeti (A)
t = Zaman (sn)
n = Ekivalent başına elektron sayısı (nCu = 2)
A = Atomik ağırlık
F = Faraday sabiti (96500)
Kullanılan akımın bir bölümü dirençleri yenmek için harcandığından fiilen elde edilen ürün teorik üründen azdır. Elde edilen ürün ile teorik ürün arasındaki oran “Akım Randımanı”nı verir.
Solvent Ekstraksiyonu Solvent ekstraksiyonu sulu bir çözeltideki bir metalin veya bileşiğinin bir organik sıvı ile karıştırılmasıyla sulu çözelti ve organik sıvı arasında metalin dağılımı sağlanarak, bu dağılımı inorganik faz yönünde olduğu şartlarda ve iki sıvı fazın birbiri içinde çözünmemeleri dolayısıyla fiziksel bir ayırımın yapıldığı işlemdir. Genellikle solvent ekstraksiyon bir teşekkül reaksiyonudur ve iyon değişimi reaksiyonlarından (iyon değişimi yer değişimi reaksiyonlarına dahildir) farklıdır. En uygun çözücüler eter, alkol ve nötr fosfat asit eserleri gibi oksijen içeren organiklerdir.
Oluşan reaksiyonlar arasında örneğin HCl asitli çözeltilerden demirin dietileter vasıtasıyla ayrılarak asitli çözeltinin demirden temizlenmesi gösterilebilir.
En yaygın uygulamaya ise uranyum metalurjisinde rastlanır:
Nitrik asitli çözeltilerde çok düşük konsantrasyonlarda bulunan uranyumun bir organik fazda toplanarak konsantrasyonu en iyisi Tributil fosfat ile iyon çifti transferine göre oluşur.
Kullanılan Cihaz ve Malzemeler:
-
100 ml’lik Cu içeren çözelti,
-
50 ml H2SO4,
-
Paslanmaz çelik katot ve kurşun anot plakaları,
-
Elektrot taşıyıcıları,
-
100 ml lix 64N,
-
Ayrıma hunisi.
Deneyin Yapılışı:
Lix 64N ile 100 ml Cu çözeltisi bir ayırma hunisine konulup 10 dak boyunca karıştırılır. Karışım ayırma hunisinde bekletilir. İki karışımın ayrılması belirgin olunca musluk açılır ve rafinat alınır.
180 g/lt H2SO4’ten 50 ml H2SO4 alınır. Ayırma hunisinde üstte kalan kısıma H2SO4 ilave edilir. Bu karışım 10 dak boyunca çalkalanır. Sonra da karışımın ayrılması beklenir.
Bu iki basamak iki kez tekrarlanır.
Katot temizlenir, etil alkole daldırılıp kurutulur, tartılır. Katot ve anot tutucularına asılıp elektroliz hücresine yerleştirilir. 0.4 Amperde yarım saatlik elektroliz işleminden sonra katot tekrar etil alkolde yıkanıp kurutulur, tartılır.
Deneyin Sonuçları:
Katotun elektroliz öncesi ağırlığı: 29.12 gr Katotun elektroliz sonrası ağırlığı: 29.36 gr Katotta teorik olarak toplanması gereken Cu miktarı:
Q = (I.t.A) / (n.F) 0.4x30x60x63 Q =
2x96500
Q = 0.235 gr Cu
-
Katotta toplanan Cu miktarı:
29.36 – 29.12 = 0.240 gr Cu
-
Akım randımanı:
(240/235)x100 = %102.12
4. Akım yoğunluğu:
Katodun ebatları:
a = 4.4 cm, b = 4.7 cm, h = 4.0 cm
Alan = (4.4x4.0+4x0.3/2)x2 = 36.4 cm2
Akım yoğ. = I/A
Akım yoğ. = 0.4 / 36.4 = 0.010 A/cm2
Yorum:
Pratikte katotta toplanan Cu miktarı teorik olarak toplanması gereken miktardan yüksek bulunmuştur. Bunun nedenleri: Elektroliz süresinin teorik olarak hesaplandığı gibi 30 dak olmaması (daha uzun süre yapılması) ve ağırlığın iyi ölçülememesinden kaynaklanıyor olabilir. Kullanılan terazi, virgülden sonra sadece 2 basamak (0.24 gr) gösterebiliyorken teorik hesapta virgülden sonra 3 basamak içeren bir sonuç (0.235 gr) bulunmuştur. Bulunan 0.24 gr, aslında 0.235-0.240 gr arasında herhangi bir değer olabilir. Bu yüzden bulunan sonuç beklendiği gibi çıkmamıştır ve akım randımanı %100’ün üzerinde çıkmıştır.
Kaynaklar:
-
YTÜ Metalurji Müh., “Demir Dışı Metal Üretimi Laboratuar Kitapçığı”, 1997, s.17,18
-
BOR,F.Y., “Ekstraktif Metalurji Prensipleri Kısım II”, Birinci Baskı, 1989, s.264
Ödev :1
McCabe-Thiele diyagramı nedir? Solvent Ekstraksiyonunda nasıl kullanılır?
Solvent Ekstraksiyonunda Kütle Dengeleri ve Operasyon Kademeleri
Uygulamada solvent ekstraksiyon kademeli bir işlemdir. Verilen bir çözeltide seçilen metal iyonu umumiyetle birden fazla kademede çözeltide arzu edilen bileşime düşürülebilir. Böye “n” kademe ve her bir kademe için giren ve çıkan kütle, dengesi kurulabilir.
S: Çözelti miktarı
L: Organik miktarı
X: Çözeltide “A” bileşkenin konsantrasyonu veya kütle kesri
Y: Organikte “A” bileşkenin konsantrasyonu veya kütle kesri
“n” kademe için toplam kütle dengesi
SO + Ln+1 = Sn + L1 (1)
(SOYO + Ln+1)X1 = SnYn + L1X1 (2)
1 ve 2 denklemlerini birleştirirsek
Yn = (Ln+1.Xn+1)/Sn + (SoYo – L1X1)/Sn (3)
buluruz. “3” nolu denklemlerle sisteme giren organik ve çözelti miktarları ile orijinal başlangıç konsantrasyonlarına göre herhangi bir kademedeki organik fazla “A” bileşeninin konsantrasyonunu hesaplamak mümkün olabilmektedir.
L ve S sabit olduğuna göre
Yn = (L/S).Xn+1 + (S.YO – L1X1)/S yazılabilir. (4)
Kademe sayısı McCabe Thiele diyagramından yararlanarak türü bulunabilir. Şekil 1’den görüleceği gibi bu diyagramlardan kademe sayısı denge eğrisi ve operasyon doğrusundan faydalanılarak aşağıda açıklandığı gibi bulunabilir.
Şekil 1- Ekstraksiyon kademelerinin hesaplanmasında kullanılan McCabe-Thiele Diyagramı. Denge Eğrisinin Saptanması
Bu eğri verilen bir sulu çözeltinin sıvı organik faz ile değişik hacimsel karışım oranlarında (S/L) karıştırılması ile saptanmaktadır. İki faz dengeye ulaşıncaya kadar verilen oranda çalkalanmaktadır. Çalkalamadan sonra fazlar dinlendirilmekte ve fazların birbirlerinden ayrılması temin edilmektedir. Her bir fazda, metal analizi yapılmaktadır. Organik fazda bulunan konsantrasyon değerleri ordinat çözeltide bulunan konsantrasyon değerler akım ekseni üzerine taşınmaktadır (şekil 2).
Operasyon Doğrusunun Saptanması
Her bir kademede verilen bir bileşiğin organik fazda bileşimi verilen oranına göre Xn bağlıdır. 4 nolu denkleme göre her bir kademede organik fazda bileşim Y-X diyagram üzerinde bir doğru olmalıdır. Bu doğrunun başlangıç noktası başlangıç çözelti bileşimi ve yüklü organiğin bileşimi (Xo,Y1) ile belirlidir. Demek ki çalışma doğrusu bu noktadan geçen ve eğimi (S/L) olan bir doğru olmalıdır. Operasyon eğrisi ve denge eğrisi arasında kademe sayısı hesabı grafik olarak şöyle yapılır. (Xo,Y1) başlangıç noktasından apsis eksenine bir paralel çizilir, denge eğrisi kesim noktasından bu sefer ordinat eksenine düşey bir çizgi çizilir, operasyon eğrisi kestirilen kesim noktası birinci kademe için X1 ve Y2 yi belirler. Benzer işlemlere çözeltide arzu edilen son konsantrasyon değerlerine ulaşıncaya kadar devam edilir. Elde edilen merdiven basamağının sayısı anlaşılacağı üzere kademe sayısının artması ile sulu çözeltide ve organik fazda konsantrasyonlar azalmaktadır.
Benzer hesaplanmalar sıyırma kademesi için de geliştirilebilir.
Ödev :2
Solvent Ekstraksiyonunu etkileyen faktörleri irdeleyiniz.
Yükleme 2 RH(O) + Cu+2(Ç) = R2Cu(O) + 2H+(Ç)
Sıyırma R2Cu(O) + 2H+(Ç) = 2 RH(O) + Cu+2(Ç)
Bu reaksiyonlardan anlaşılacağı gibi LIX Reaktifleri PH’a karşı çok hassastırlar: Bu sebeple solvent ekstraksiyonunda çözeltideki asit miktarı göz önünde tutulması gereken önemli bir büyüklüktür. Yüksek PH değerleri yükleme reaksiyonlarının, düşük PH değerleri sıyırma reaksiyonlarının oluşmasına yardım etmektedir.
Kaynak:
-
BOR,F.Y., “Üretim Metalurjisi Laboratuarı El Kitabı”, 1988, s.140-144
|