Способ получения цинкового порошка
METHOD FOR PRODUCING ZINC POWDER

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к получению металлических порошков, и может быть использовано при получении цинкового порошка из цинксодержащего сырья, например,  из товарного оксида цинка или  промпродукта, получаемого при переработке   цинксодержащего сырья.
Известен способ получения цинкового порошка, получаемого дистилляционным способом или распылением расплава цинка сжатым воздухом (1. С.Э. Кляйн, П.А. Козлов, С.С. Набойченко. Извлечение цинка из рудного сырья. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009, 492 с.). Такой порошок на практике применяют для очистки растворов цинкового производства от примесей (Со, Ni, Sb, As) с использованием цинкового порошка.  Основным недостатком указанного способа являются высокая стоимость   цинка, используемого для  получения  порошка.
Известны способы электролитического получения порошков,   заключающиеся в растворении   анодов и выделении на катоде порошка металла  (2. СССР №1025757,   01.02.1982;  3. № СССР №1104193,     08.04.1983).     В других  способах  получают порошки металла при переработке металлсодержащих материалов и отходов. Исходное сырье       обрабатывают  в различных растворителях; из полученных растворов   порошкообразные осадки  металлов   получают  методом электроэкстракции  (4. РФ   №2469111,  04.05.2011;  5. РФ  №2157417,   18.06.1996).
Известны способы получения цинкового порошка электролитическим осаждением из щелочных  растворов. В частности (6. СССР №1468976, приоритет от 21.08.1987 г.),   цинк  выщелачивают из отходов производства ронгалита, полученный раствор направляется на электрохимическое осаждение цинка.  Катодный губчатый осадок подвергают диспергированию.
Известен способ   получения цинкового порошка из цинксодержащих отходов (7. RU 2663918, от 13.08.2018),  выбранный в качестве прототипа, включающий  выщелачивание цинка из  цинксодержащего сырья,   электролитическое  восстановление цинка из полученного  раствора  с получением  дисперсного порошка.
Проведение электролитического осаждения цинка  в щелочных растворах позволяет упростить  технологический процесс. В отличие от  кислых электролитов,  в которых образуется преимущественно компактный цинк,  в  случае   щелочного электролита в широком диапазоне  свойств  на катоде удается получить порошкообразный осадок.  Щелочной характер электролита   создает условия для эффективного отделения  цинка от основной примеси в сырье – железа.
Основным недостатком  способа прототипа является  ограниченная скорость процесса, обусловленная  невысокой  растворимостью  цинка в щелочных растворах.   При повышении плотности тока  резко  снижается выход по току. Более того, по мере  осаждения цинка на катоде концентрация его в электролите снижается и   скорость целевого процесса также уменьшается.  В качестве другого относительного недостатка   аналогичных методов   следует отметить  крупнодисперсный характер  порошков.
Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый способ, является    невозможность получения тонкодисперсных  цинковых  порошков, получаемых  электроэкстракцией  из щелочных электролитов,  и низкая скорость  процесса.
Технический результат при   электролизе в щелочных растворах достигается  изменением  условий электролиза, в частности,   изменением агрегатного состояния  восстанавливаемого   металла.
2
Решение проблемы достигается тем, что в известном способе получения цинкового порошка        в качестве цинксодержащего соединения  используют оксид цинка,  электрохимическое восстановление    проводят  при  непосредственном контактировании  твердой фазы оксида  цинка с  катодом, при этом   катодная плотность тока   составляет 4000-5000 А/м,   а   содержание  щелочи в электролите  по ходу электролиза поддерживают в диапазоне  30-70 г/л.
Для повышения скорости процесса    перед электролизом в оксид цинка добавляют   5-10%  цинкового порошка  от массы оксида цинка.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 (таблица), где приведены результаты опытов, проведенных в сопоставимых условиях.
Доказательствами определяющего влияния отличительных признаков   предлагаемого способа на  достижение технического результата  служит совокупность  теоретических основ и результатов   специальных  исследований.
Традиционные способы  электрохимического получения  компактных и дисперсных осадков  металлов основаны на использовании  электролитов, содержащих растворенные соли  металлов.  При стремлении получить  порошки высокой чистоты  необходимо  обеспечивать  отсутствие примесей  в электролите.  С этой целью  либо используют    растворение  анодов из чистого цинка, либо, подобно прототипу,  предварительно   из электролита   удаляют примеси, способные восстанавливаться на катоде совместно с цинком.
2
2
Как отмечено выше, важнейшим недостатком прототипа является ограниченная скорость процесса, оцениваемая по величине  катодной плотности тока.    В силу  невысокой  растворимости   оксида цинка в щелочных электролитах (40-50 г/л) приемлемая   плотность тока в расчете  на   геометрическую площадь  токоподвода  (приведенная плотность)   составляет    2500-3000 А/м.  В отличие от прототипа, в предлагаемом способе  восстановление  цинка  проводят непосредственно из твердой фазы  труднорастворимого  соединения, контактирующего с катодом. Концентрация   цинка  в прикатодной области,  по сути – в  фазе  объемного катода,  на порядок выше. Как показали  результаты исследований,   становится возможным повышение приведенной  плотности тока   до        4-5 тыс. А/м. При этом  побочный процесс выделения водорода не получает развития,  а   катодный выход по току  восстановления цинка не снижается.
Труднорастворимые соединения, в том числе оксиды  металлов,  характеризуются  низкой электропроводностью. На первом этапе   восстановление     цинка протекает только в месте  непосредственного  контакта  оксида и токоподвода.  Доля   частиц оксида, контактирующего с токоподводом, невелика  и  скорость  целевого процесса  при этом   низкая. Лишь по мере  появления  частиц металлического цинка  восстанавливаемый  слой металлизируется, фронт целевого процесса расширяется, ток восстановления увеличивается.  Для  обеспечения  требуемой скорости процесса   обрабатываемый оксид цинка перед электролизом смешивают с  ранее полученным цинковым порошком. Рациональная   доля  цинка  в смеси составляет    5-10%. Большее количество   цинка  эффекта не приносит.
В соответствии с теорией  катодное восстановление металлов из  труднорастворимых соединений   может протекать различными путями, но     получаемый   на катоде  продукт  отличается   тонкодисперсным характером.  С использованием известных методик  в полученном порошке  выявлено преобладание   частиц  менее  5 мкм, при этом  велика  доля частиц  менее 1 мкм.
Примером реализации предложенного способа служат результаты следующих экспериментов.
3
2
Проводили сравнительные   опыты по катодному восстановлению    цинка  из  оксида в соответствии с предлагаемым способом  и  по способу прототипа непосредственно из раствора  электролита.   Лабораторный электролизер имел  объем  0,5  дм, электроды  выполнены  из нержавеющей стали.  В первом случае  катод площадью   0,2 дм расположен на дне ванны, анод располагался параллельно катоду на расстоянии 5 см.  На катоде  располагали навеску  оксида цинка массой 100 г, при этом толщина слоя на катоде составляла в среднем 15 мм.  В   большинстве опытов данной серии  оксид цинка предварительно  смешивали  с цинковым порошком в указанной пропорции.
В опытах по способу прототипа   электроды располагались вертикально.
В качестве электролита  использовали раствор  натриевой щелочи разной концентрации. В опытах по способу прототипа   электролит содержал цинк в форме цинката.  Длительность каждого опыта  -   1 час.
При проведении опытов  варьировали силой тока и   концентрацией щелочи, при этом фиксировали  видимые особенности и   плотность тока в расчете на  геометрический размер катода. По окончании опытов  отделяли металлический дисперсный цинк от  оксида, оценивали   массу  катодного осадка, рассчитывали выход по току  и скорость процесса.  С  использованием известной методики в полученном порошке оценивали  выход класса    - 5 мкм.    Результаты приведены в таблице   (фиг.1).
Сравнительный анализ технических решений, в том числе способа,  представленного в качестве прототипа и предлагаемого изобретения, позволяет сделать вывод,  что именно совокупность заявленных признаков обеспечивает достижение необходимого технического результата. Реализация предложенного способа дает возможность       повысить удельную  скорость восстановления  цинка    и   получить тонкодисперсный порошок.