KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
LABORATUVAR FÖYÜ
ELEKTROLİZ YÖNTEMİ İLE METAL SAFLAŞTIRMA VE GERİ KAZANIMI
Prof. Dr. Ümit ALVER
Prof. Dr. Ahmet SARI
Arş. Gör. Onur GÜLER
ŞUBAT 2016
TRABZON
2
1. DENEYİN AMACI
Elektroliz olayının öğrenilmesi
Bakırın rafinasyon (saflaştırma) ve redüksiyon (geri kazanım) işlemlerinin öğrenilmesi
2. TEORİK BİLGİLER
2.1. Elektroliz
Elektroliz, elektrotlar aracılığı ile dışardan elektrik akımı uygulayarak, bir sıvı içinde çözünmüş
kimyasal bileşiklerin ayrıştırılması işlemidir. Elektroliz işlemi, elektroliz kabı ya da tankı denen
bir hücre içinde uygulanır. Bu hücre, çözünerek artı ve eksi yüklü iyonlara ayrılmış bir bileşiğin
içine daldırılmış iki elektrottan oluşur ve bu elektrotlar birbirine değmeyecek biçimde
(genellikle iki elektrot arası 5-20 cm) ayarlanır. Elektroliz işleminin gerçekleştirilmesi için bu
elektrotlar bir doğru akım kaynağına bağlanır ve elektrotlar arasında meydana gelen gerilim
(elektrik alan), iyonları karşıt yüklü elektroda (kutup) doğru hareket ettirir. Dolayısıyla, (+)
yüklü iyonlar katoda giderken, (-) yüklü iyonlar anoda doğru akarlar. Karşıt kutupta yükünü
dengeleyen atom veya moleküller elektrotta çökelir veya elektrolit içindeki moleküllerle yeni
reaksiyonlara girer.
Elektroliz İle İlgili Bazı Terimler :
Elektrolit : İçinde (+) ve (-) yüklü serbest iyonları bulunduran ortamlardır.
Elektrot : Elektrolit içine batırılan metallerdir.
Anot : Bir elektroliz kabında üreticinin pozitif kutbuna bağlı olan ve yükseltgenme
reaksiyonunun meydana geldiği elektrottur.
Katot : Bir elektroliz kabında üreticinin negatif kutbuna bağlı olan ve indirgenme
reaksiyonunun elektrottur.
3
Şekil 1. Elektroliz hücresi (şematik)
Endüstride bakırın (Cu) elektroliz işlemi iki amaçla kullanılır. Bunlardan biri, saf olmayan bakır
metalini içindeki safsızlık oluşturan yabancı maddelerden arıtarak katot üzerinde toplamak
amacıyla yapılan bakırın saflaştırılması işlemi; diğeri ise bakır metalini sulu çözeltilerden
kazanmak için yapılan bakırın geri kazanımı işlemidir. Bu deneyde bakırın saflaştırılması ve
geri kazanımı deneyleri yapılacaktır.
2.2. Elektrolizin Uygulama Alanları
Elektroliz işlemleri daha önce de bahsedildiği gibi, elektrolizle metalürji alanında, metallerin
hazırlanmasında (çözünmez anot kullanılan yöntem-geri kazanım elektrolizi) ya da
arıtılmasında (çözünür anot kullanılan yöntem-saflaştırma elektrolizi) kullanılır. Ayrıca, bir
elektrolitik metal birikimiyle aşınmaya karşı korumada ve bir metal çökeltisiyle metallerin
kaplanmasında (sözgelimi; nikel kaplama, çinko kaplama, kadmiyum kaplama, krom kaplama,
gümüş ya da altın kaplama) kullanılan bir yöntemdir. Saf hidrojen de, özellikle, suyun
elektroliziyle elde edilir. Uygulama alanları arasında, gaz üretimi (klor), metal üstünde
koruyucu oksitli anot tabakalarının elde edilmesi (alüminyumun, alümina aracılığıyla
anotlaştırılması işlemi) elektrolizle parlatma, metallerin katot ya da anot olarak yağlardan
arındırılması sayılabilir. Elektroliz, akım şiddetlerinin, özellikle voltmetrelerdeki akım
miktarlarının ölçülmesine de olanak verir. Sürekli akım yardımıyla, organik dokuların
ayrıştırılmasına dayanan tedavi elektrolizi, cerrahide sinir uçlarının (nöronların), sertleşen
urların, burun deliklerindeki poliplerin yok edilmesinde, üretra yada yemek borusu
daralmalarının tedavisi gibi tıp uygulamalarında da kullanılmaktadır.
4
2.3. Bakırın Saflaştırma Elektrolizi
Bakırın rafinasyon elektrolizi yeterli saflıkta rafine bakır elde edilmesini sağlayan bir elektroliz
işlemi olup, bu işlem çözünebilir bakır anotlarla yapılmaktadır. Elektrolit olarak bakır sülfat
(CuSO
4
) ve H
2
SO
4
çözeltisi kullanılmaktadır. Çözelti içine daldırılan bakır elektrotlardan biri
saf bakırken diğeri saf olmayan bakırdır. (+) yüklü anot olarak, yüksek sıcaklıklarda saflaştırma
işlemiyle elde edilen (%98-99 saflıkta) bakır (blister bakır) elektrotlar kullanılmaktadır. Bu
elektrotlar bileşimlerinde safsızlık olarak, O, S, Au, Ag, Pt ve çeşitli miktarlarda As, Sb, Bi, Sn,
Se, Te, Pb, Zn, Fe bulundurmaktadır. (-) yüklü katot olarak ise, üzerine elektrolitik bakır
kaplanmış titan levhalar veya yapışmayı önlemek için üzeri yağ ile sıvanmış bakır levhalar
(%99,5 saflıkta) kullanılır. Elektronlar, elektrolit dışında anottan katoda doğru akarken;
elektrolit içinde katottan anoda doğru akarlar. Uygun şartlarda anot oksitlenerek çözeltiye geçer
ve katotta indirgenir. Anottaki diğer safsızlıkların bir kısmı çözünmeyerek, anottan kopup
hücrenin alt kısmında toplanırlar. Bu artık malzemeye “anot çamuru” denir. Bazı safsızlıklar
ise çözünerek elektrolite geçer. Anot ve katot aynı bileşimde olduğu için ayrışma voltajı teorik
olarak sıfırdır ve hücre voltajı elektrolit direncinin biraz üzerinde bir değerdedir. Klasik bakır
saflaştırma elektrolizinin çalışma koşulları 0.2-0.35 V hücre voltajı şeklindedir. Elektroliz
şartları aşağıda verildiği gibidir:
- Elektrolitte 35-50 g/l Cu ve 140-220 g/l H
2
SO
4
- Sıcaklık 50-65
0
C
- Katot akım yoğunluğu 150-250 A/m
2
(15-25 mA/cm
2
)
Bakırın saflaştırılması elektrolizinde meydana gelen reaksiyonlar;
Anot reaksiyonu: Cu
0
Cu
2
+ 2e
(Burada bakır, anodik oksidasyon sonucu Cu
2
iyonları
halinde çözünür.)
Çözünmüş olan (+) yüklü bakır iyonları (Cu
2
) katot yüzeyine ulaşır.
Katot reaksiyonu: Cu
2
+ 2e
Cu
0
(Burada Cu
2
bakır iyonları, anottan iletilmiş olan
elektronlarla tekrar birleşerek metal durumuna indirgenirler.)
5
Şekil 2. Bakırın saflaştırma elektrolizi (şematik)
2.4. Bakırın İndirgenme Yolu ile Geri Kazanımı
Bakırın geri kazanım elektrolizi, çözeltilerden bakır elde edilmesini sağlayan bir elektroliz
işlemi olup, bu işlem sırasında çözünmeyen anot ve katot elektrotlar kullanılmaktadır. Anot
olarak genellikle %4-6 Sb içeren sert kurşun alaşımı kullanılırken, katot olarak paslanmaz çelik
ve son zamanlarda titan levhalar kullanılmaktadır. İndirgenme işlemi için, 40-60
o
C sıcaklık ve
70-150 A/m
2
akım yoğunluk değeri seçilir. Elektroliz sırasında çözeltide bulunan (-) yüklü
iyonlar anoda, (+) yüklü iyonlar katoda gider. Anyonlar anot yüzeyinde oksitlenirken, katyonlar
katot yüzeyinde indirgenirler. Termodinamik olarak bakır indirgenme elektrolizi 0,89 V’ta
gerçekleşir.
Bakırın redüksiyon elektrolizi sırasında gerçekleşen reaksiyonlar;
Anot reaksiyonu: SO
4
+ H
+
+ 2e
-
H
2
SO
4
+ ½O
2
Katot reaksiyonu: Cu
+ 2e Cu
2
0
Güç Kaynağı
Bakır anot plaka
(%98 saflıkta)
Empüriteler
(Safsızlıklar)
Bakır katot plaka
(%99.5 saflıkta
elektrolitik bakır)
Elektrolit
(bakır-sülfat
çözeltisi)
Zn
+2
(aq)
Ni
+2
(aq)
Fe
+2
(aq)
Cu
+2
(aq)
-2
6
Şekil 3. Bakırın geri kazanım elektrolizi (şematik)
Bakırın saflaştırma ve geri kazanım elektrolizleri arasındaki farklardan biri, ‘katot’
reaksiyonlarının aynı olmasına rağmen ‘anot’ reaksiyonlarının farklı olmasıdır. Ayrıca bakırın
saflaştırılması elektrolizinde, anottan çözünen metal iyonları katotta indirgenirken; bakırın geri
kazanım elektrolizinde, (çözünmeyen %4-6 Sb içeren kurşun alaşımı kullanıldığı için) anot
reaksiyonu elektrolit içerisinde bulunan bir anyon veya molekülün oksidasyonu ile gerçekleşir.
2.5. Hesaplamalar
Bir elektroliz devresinde, ‘t’ zaman boyunca ‘I’ akımının geçmesiyle işlem sonunda teorik
olarak elde edilmesi gereken ürün miktarı Faraday eşitliği ile hesaplanır:
I . t . M
a
M
T
= ;
Z . F
Bu eşitlikte, M
T
= Elde edilen (katotta biriken) ürün miktarı’nı,
I = Devreden geçirilen akım şiddeti (A)’ ni,
t = Zaman (sn)’ ı,
M
a
= Katotta biriken maddenin atom ağırlığı (Cu için : 63 g/mol)’ nı,
Z = Katotta biriken maddenin bileşikteki değerliği (Cu için : 2)’ ni,
F = Faraday sabiti (96500 Coulomb)’ ni ifade etmektedir.
Güç Kaynağı
Paslanmaz çelik
katot plaka
Kurşun anot plaka
Elektrolit
(bakır-sülfat
çözeltisi)
7
Elektroliz işlemlerinde akım yoğunluğu, devreden geçen akımın elektrolit içine daldırılan katot
elektrodunun elektrot içine batan alanına oranı ile hesaplanmaktadır:
Devreden geçen akım (A)
Akım yoğunluğu =
Katodun elektrolite dalan kısmının alanı (m
2
)
Deneyler sırasında devreden geçen akımın bir kısmı dirençleri yenmek için kullanıldığından,
elektrolizle elde edilen ürün teorik üründen daha az olmaktadır. Elde edilen ürünün (M
G
) teorik
ürüne (M
T
) oranının 100 ile çarpılması sonucunda ise [(M
G
/ M
T
)×100], % akım randımanı
(verimi) elde edilmektedir. Katotta toplanan veya anottan ayrılan madde miktarı Faraday
eşitliği ile hesaplanan teorik değere eşit ise akım verimi %100, eşit değil ise %100’ün altında
olduğu anlaşılmaktadır. Ayrıca, [(M
T
–M
G
)/M
T
)×100] işleminin sonucunda çıkan değer ise
deneysel % hata payını vermektedir.
3. DENEYDE KULLANILAN CİHAZ VE MALZEMELER
Elektroliz hücresi,
Doğru akım güç kaynağı (voltmetre, ampermetre ve bağlantı kabloları),
Bakır-sülfat ve sülfürik asit çözeltisi (Elektrolitte 35-50 g/L Cu içeren çözelti, 140-220
g/L H
2
SO
4
), alkol (temizleme işlemi için), katkı malzemeleri olarak, jelatin tozu ve
tiyoüre (0,001 gr)
Hassas terazi,
Beherler,
Katot elektrolitik bakır ve anot blister bakır (yüksek sıcaklıklarda saflaştırılmış)
plakaları (saflaştırma elektrolizi için),
Katot paslanmaz çelik ve anot kurşun plakalar (geri kazanım elektrolizi için),
Isıtıcı, manyetik karıştırıcı, kumpas.
Katkı malzemelerinin görevleri:
Jelatin: Katot üzerine biriken bakırın, yüzeye düzgün ve homojen olarak bağlanmasını
sağlayarak ince kristalli sert bir bakır yapısı oluşturur.
8
Tiyoüre: Jelatinin yan etkilerini ortadan kaldırır ve katot malzemesi yüzeyindeki sivri
uçlarla çukurlukları izole eder.
4. DENEYİN YAPILIŞI
Belirtilen miktarlarda bakır-sülfat (CuSO
4
) ve H
2
SO
4
tartılarak elektrolit çözeltisi hazırlanır ve
beher içine konulur. Belirtilen miktarlarda jelatin tozu ve tiyoüre çözeltiye eklenerek karıştırılır.
Metalin toplanacağı malzeme (katot levha) alkolle temizlenip kurutulduktan sonra hassas
terazide tartılarak sonuç kaydedilir. Anot ve katot elektrotlar elektrolit çözeltisi içine
yerleştirilir. Doğru akım güç kaynağının (+) kutbuna anot levhanın bağlantı kablosu; (-)
kutbuna ise katot levhanın bağlantı kablosu takılır. Akım yoğunluğu olarak bakırın
saflaştırılması ve geri kazanım elektroliz deneylerinin her ikisinde de 150 A/m
2
göz önüne
alınarak, katot levhanın elektrolit içine batan kısmının alanı hesaplanır ve buna göre devreden
geçirilecek akım miktarı belirlendikten sonra doğru akım güç kaynağı çalıştırılarak devreye
akım verilir. 15 dakika elektroliz işlemine devam edilir ve tam zamanına göre güç kaynağı
kapatılarak devreye verilen akım kesilir. Katot levha, başlangıçtaki gibi alkolle temizlenerek
kurutulur ve son ağırlığı tekrar tartılır. Katotta toplanan madde miktarı belirlenir ve teorik
olarak birikmesi gereken miktarla karşılaştırılarak yukarda verilen bağıntılar yardımı ile akım
verimi ve deneysel hata payı hesaplanır. Her iki deneyin de yapılışı aynı şekilde yürütülür.
Değerlendirme:
Tablo 1.
Uygulanan
Akım (A)
Süre (sn)
Katotta
Toplanan Cu
Miktarı (gr)
Hesaplanan Cu
Miktarı (gr)
Bakırın
Saflaştırılması
Deneyi
Bakırın Geri
Kazanım Deneyi
9
Tablo 2.
Tablo 3.
Deney Raporunda İstenilen Bilgiler:
1.
Teorik bilgilerle kısaca giriş yapılarak deneyin yapılışı ve kullanılan yöntemler
hakkında bilgi verilecektir.
2.
Verilen formülle ile her iki deneyde elde edilen elektroliz ürününün miktarı
hesaplanacak ve deneysel sonuçlar ile karşılaştırılacaktır. (Sonuç yorumlanacaktır.)
Ayrıca tüm deneylerde akım randımanı (verimi) hesaplanacaktır.
3.
Her iki deney için de, potansiyel (V) – zaman (dk) grafiği çizilerek eğriler
yorumlanacaktır.
4.
EMF (elektromotif) kuvvet serisinin tanımı yapılarak hangi amaçla kullanıldığı
hakkında bilgi verilecektir. (EMF kuvvet serisi tablosunun çıktısı alınarak sayfa üzerine
yapıştırılabilir.)
ZAMAN(DK)
0
3
6
9
12
15
POTANSİYEL(V)
(SAFLAŞTIRMA)
ZAMAN(DK)
0
3
6
9
12
15
POTANSİYEL(V)
(GERİ KAZANIM)
10
5. KAYNAKLAR
[1].
http://www.drkcn.yzi.me/copper.doc
[2].
YTÜ, Metalurji Müh., “Demir Dışı Metal Üretimi Laboratuar Kitapçığı”, 1997.
[3].
BOR, F. Y., ‘Ekstraktif Metalurji Prensipleri Kısım II, Birinci Baskı, 1989.
[4].
YTÜ, Metalurji Müh., Metalürji Proses Laboratuarı Deney Föyü
[5].
Kocaeli Üni., Kimya Müh., Genel Kimya Laboratuar Föyü
[6].
Tholego P., Aubrey R., Katlego R., Nhlanhla O., Stephen S., Thapelo S., ‘Production of
Copper Concentrate and 99.99 % Copper Cathode from Low-grade Copper Ore in Frank’,
Enviromental and Materials Engineering, University of Leeds, 2012.
[7].
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper_Raffination.svg
Dostları ilə paylaş: |