Что такое чистое железо это чистота выхода при технологической переработке соединений железа , в результате которого получается металл чистотой 99,95% и выше, может быть получено только электролитическим способом.
Поэтому всегда рассматриваются два варианта его получения:
В качестве электролита используют железный купорос FeSО4, либо хлорид железа FeCl2.
Для получения чистого железа (высокочистого катодного) электролит не должен содержать металлов, более электроположительных, чем железо (медь, никель и др.)
Железо, получаемое пирометаллургическим путем, всегда содержит более или менее значительное количество углерода.
Чистое железо (99,95% и выше) удается получить только электролитическим способом.
Металл, столь необычный для железа степени чистоты, обладает рядом весьма ценных качеств, такими, как высокая пластичность, высокая магнитная проницаемость и пр.
Эти свойства делают его весьма ценным для таких отраслей промышленности, как электротехника и телефония, порошковая металлургия и т. д.
Стандартный потенциал φ°Fe/Fe2+ = — 0,44 в, т. е. он близок к равновесному потенциалу водородного электрода в нейтральном растворе.
Ток обмена железа невелик и железо выделяется со значительной химической поляризацией.
Перенапряжение же выделения водорода на железе не очень велико.
Поэтому на катоде железо всегда выделяется совместно с водородом.
Чтобы уменьшить величину поляризации железа (увеличить ток обмена) и одновременно сделать возможно более положительным равновесный потенциал железа, следует повысить его концентрацию в растворе.
Большое влияние на совместное выделение железа и водорода оказывает температура. При низких температурах (20—25° С) скорость разряда ионов железа превышает скорость разряда ионов водорода только при низких плотностях тока (до 100 а/м2).
Чтобы получить приемлемый выход по току при высоких плотностях тока, температуру электролита необходимо держать возможно более высокой -85-100°С (рис. 2).
При этих температурах увеличение плотности тока, напротив, ведет к возрастанию выхода по току.
Поэтому электролиз ведут при плотностях тока порядка 500—1000 а/м2.
Резкое понижение выхода по току с увеличением концентрации кислоты в растворе заставляет поддерживать последнюю возможно более низкой.
Однако чрезмерно снижать концентрацию кислоты недопустимо, так как в нейтральных или близких к нейтральным растворам происходит выпадение гидроокиси и основных солей железа.
Чтобы избежать этого, рН электролита поддерживают в пределах 2—3. При этом частичное выделение водорода на катоде неизбежно.
Помимо выделения водорода, на катодный выход по току заметное влияние оказывает реакция восстановления Fe3+до Fe2+.
В качестве основного компонента электролита могут служить либо железный купорос FeSО4, либо хлорид железа FeCl2.
Катодное железо, полученное из сульфатных электролитов, обычно обладает повышенной хрупкостью, в то время как железо, осажденное из хлорида, имеет высокую прочность.
Кроме того, FeCl2 лучше растворим в воде, чем FeSO4. Поэтому обычно применяют хлоридный электролит.
Помимо FeCl2 или FeSO4, электролит содержит солевые добавки для повышения его электропроводности и немного кислоты или кислой соли для поддержания постоянной величины рН.
Для получения чистого железа (высокочистого катодного) электролит не должен содержать металлов, более электроположительных, чем железо (медь, никель и др.).
Кроме того, большая поляризация железа создает возможность для соосаждения и некоторых электроотрицательных примесей.
Большая анодная поляризация при электролизе с растворимыми анодами создает условия для растворения таких электроположительных металлов, как медь и никель, поэтому их не должно содержаться в анодах.
В этом отношении электролиз железа подобен электролитическому рафинированию никеля.
1 — 0,01 н. раствор HCl; 2 — 0,05 н. раствор НСl; 5 — 0,1 н. раствор НСl.
Получение электролитного железа можно вести в ваннах с растворимыми (рафинирование) и нерастворимыми (экстракция), анодами.
Преимущественное распространение получил электролиз первого типа. Анодом при этом служит мягкая мартеновская сталь.
Проведение электролиза с нерастворимыми анодами (свинцовыми— для электролита, содержащего FeSО4 и магнетитовыми или графитовыми, — для электролита, содержащего FeCl2) приводит к образованию свободной кислоты и быстрому падению катодного выхода по току.
Поэтому электролиз приходится вести в ваннах с диафрагмами, причем электролит необходимо часто корректировать.
Основной недостаток получения электролитного железа экстракцией — очень высокий расход электроэнергии, в 8—10 раз выше, чем при электролитическом рафинировании.
Несмотря на то, что в ваннах с растворимыми анодами образования кислоты не происходит, электролиз и в этом случае обычно ведут с применением диафрагм.
Это объясняется тем, что в отсутствие диафрагм остающийся на растворимом аноде мелкодисперсный углеродистый шлам взмучивается конвективными потоками электролита (особенно в горячих растворах) и переносится к катоду, загрязняя катодный осадок.
При рафинировании в горячих растворах даже при относительно высоких рН происходит значительное химическое растворение железа на аноде.
Поэтому анодный выход по току заметно превышает катодный, а кислота электролита нейтрализуется. Для поддержания постоянного рН в электролит поэтому приходится непрерывно подавать кислоту.
Конструкция ванн для получения электролитического железа может быть различной. Она зависит в основном от формы катодного осадка.
Последний может получаться в виде листов или изделий определенного профиля (труб, лент и пр.).
Ванна для получения обычного катодного листового осадка представляет собой прямоугольный сосуд, выполненный из железобетона с кафельной или гранитной футеровкой, или из эмалированного чугуна.
На дно ванны при электролизе в горячих растворах укладывают змеевик, изготовленный из ферросилиция, по которому пропускают пар для подогрева раствора. Аноды помещают в диафрагменные ячейки.
Процесс электролиза идет с выходом по току в пределах от 75 до 97—99%, обычно он составляет 90—95%.
Напряжение:
Расход соляной кислоты при электролитическом рафинировании в растворе FeCl3 составляет примерно 150 кг на 1 т катодного железа.
Статья на тему Чистое железо