Пилотный многокатодный электролизёр для электроэкстракции

Пилотный электролизёр нужен не для получения металла, а для измерения трёх величин, которые однокатодная лабораторная ячейка не воспроизводит. Выход по току — потому что на одном катоде потери в контактах и паразитные токи пренебрежимо малы, а в реальной ванне нет. Качество осадка — потому что распределение тока между шестью катодами и решает, выйдет металл гладким, шишковатым или дендритным. И удельную энергию — потому что напряжение ванны зависит от межэлектродного расстояния и проводимости электролита, которых в стакане нет.

Начинайте с тока, а не с ванны

Расчёт, от которого зависит всё остальное, — закон Фарадея: 0,9–1,0 кА·ч на килограмм меди. Задача 10 кг/сут требует примерно 400–450 А при выходе по току 85–95 %, а умножение на напряжение ванны — 1,8–2,2 В с анодами Pb-Sn-Ca — даёт около 1 кВт постоянной мощности. Та же арифметика работает для цинка, никеля и кобальта с их электрохимическим эквивалентом.

Отсюда решения по закупке: выпрямитель выбирают по максимальному ожидаемому току с запасом 20 %, а площадь катода — так, чтобы рабочая плотность тока попадала в 200–400 А/м². Если площадь слишком велика для выпрямителя, ванна никогда не выйдет на реальный режим; если слишком мала, осадок нарастёт быстрее, чем цех производит, и опыт ничего не будет представлять.

Что пилот может и чего не может сказать

Может дать фактический выход по току, удельную энергию в кВт·ч/т, связь плотности тока с морфологией осадка, влияние температуры 35–50 °C и унос примесей в катод. Этого достаточно, чтобы решить, пригоден ли раствор, и оценить электрическую составляющую себестоимости цеха.

Не может дать стоимость труда, износ анодов за годы и поведение цеха с сотнями последовательных ванн, где паразитные токи по сборным шинам — совсем другая история. Для этого нужна ванна полного сечения и длинная кампания, а не пилот на шесть катодов.

Примеси, которые решают осадок

Три группы, и ни одна не видна в паспорте чистого электролита. Хлорид выше 30 мг/л атакует нержавеющий катод и даёт питтинг, который переходит в осадок. Железо и марганец даже в ppm меняют морфологию и способствуют шишкам. А органика, увлечённая из экстракции, — та самая, которую должен снимать коалесцер, — даёт подгоревшие осадки и падение выхода без видимых симптомов в неорганическом анализе.

Поэтому пилот должен работать на электролите, который даст установка, а не на синтетическом растворе из лаборатории. Разница между ними и есть то, от чего зависит, сходится проект или нет.

Съём катода и зачем нужна проба

На пилоте осадок снимают с нержавеющего катода: пластину вынимают, промывают, сушат и лист отделяют. Сохранять нужно прослеживаемость условий — плотность тока, температуру, время, концентрацию меди и примесей, — потому что проба металла без этих условий ни с чем не сравнима.

У пробы три назначения: анализ состава для покупателя, проверка соответствия осадка коммерческой спецификации и доказательство того, что раствор заказчика даёт продаваемый металл. Последнее почти всегда и является причиной покупки пилота.