خلية تجريبية متعددة الكاثودات للاستخلاص الكهربائي

الخلية التجريبية للاستخلاص الكهربائي لا تُستخدم لإنتاج المعدن بل لقياس ثلاثة أشياء لا تعيدها خلية مخبرية أحادية الكاثود. كفاءة التيار، لأن الفقد في التلامس والتيارات الشاردة على كاثود واحد مهمل وفي خلية حقيقية ليس كذلك. وجودة الترسب، لأن توزيع التيار بين ستة كاثودات هو ما يقرر إن كان المعدن سيخرج أملس أو عقدياً أو شجرياً. والطاقة النوعية، لأن جهد الخلية يعتمد على المسافة بين الأقطاب وعلى موصلية الإلكتروليت، وليس في كأس زجاجية شيء من ذلك.

ابدأ من التيار لا من الخلية

الحساب الذي يُحجَّم عليه كل شيء هو قانون فاراداي: 0,9 إلى 1,0 kAh لكل كيلوغرام نحاس. ومهمة 10 kg/يوم تتطلب نحو 400–450 A بكفاءة تيار 85–95 %، وبالضرب في جهد الخلية — 1,8 إلى 2,2 V بأنودات Pb-Sn-Ca — نحصل على نحو 1 kW قدرة مستمرة. والحساب نفسه ينطبق على الزنك والنيكل والكوبالت بمكافئها الكهروكيميائي.

ومن هنا قرارات الشراء: يُختار المقوّم بأعلى تيار متوقع مع هامش 20 %، وتُختار مساحة الكاثود بحيث تقع كثافة تيار العمل في 200–400 A/m². فإن كانت المساحة أكبر من قدرة المقوّم فلن تبلغ الخلية النظام الحقيقي أبداً؛ وإن كانت أصغر نما الترسب أسرع مما تنتجه الصالة ولم يمثّل الاختبار شيئاً.

ما يمكن للخلية أن تقوله وما لا يمكن

يمكنها أن تعطي كفاءة التيار الفعلية، والطاقة النوعية بالـkWh/t، وعلاقة كثافة التيار بمورفولوجيا الترسب، وأثر الحرارة بين 35 و50 °C، وحمل الشوائب إلى الكاثود. وهذا كافٍ لتقرير صلاحية محلول وتقدير التكلفة الكهربائية لصالة.

ولا يمكنها أن تعطي تكلفة العمل، ولا تآكل الأنودات على سنوات، ولا سلوك صالة بمئات الخلايا المتسلسلة حيث التيارات الشاردة في القضبان حكاية أخرى. لذلك يلزم خلية بمقطع كامل وحملة طويلة، لا خلية تجريبية بستة كاثودات.

الشوائب التي تقرر الترسب

ثلاث مجموعات، ولا واحدة منها تظهر في شهادة إلكتروليت نظيف. الكلوريد فوق 30 mg/L يهاجم كاثود الفولاذ المقاوم ويُحدث تنقّراً ينتقل إلى الترسب. والحديد والمنغنيز ولو بجزء في المليون يغيّران المورفولوجيا ويشجّعان العقد. والعضوي المحتجز من الاستخلاص بالمذيب — وهو نفسه ما يجب أن يزيله المُجمِّع — يُنتج ترسبات محترقة وهبوطاً في الكفاءة دون أي عرض ظاهر في التحليل غير العضوي.

لذلك يجب أن تعمل الخلية التجريبية على الإلكتروليت الذي ستنتجه المحطة، لا على محلول صناعي محضّر في المخبر. والفرق بينهما هو بالضبط ما يقرر إن كان المشروع يُغلق.

الحصاد والغرض من العيّنة

يُحصد الترسب في التشغيل التجريبي بنزعه عن الكاثود الفولاذي: تُسحب الصفيحة وتُغسل وتُجفَّف وتُنزع الرقاقة. والمهم حفظ تتبّع الظروف — كثافة التيار والحرارة والزمن وتركيز النحاس والشوائب — لأن عيّنة معدن بلا هذه الظروف لا تُقارَن بشيء.

وللعيّنة ثلاثة استخدامات: تحليل التركيب للمشتري، والتحقق من مطابقة الترسب للمواصفة التجارية، وإثبات أن محلول العميل ينتج معدناً قابلاً للبيع. وهذا الأخير هو غالباً سبب شراء الوحدة التجريبية.