9. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Утверждаю
_____________________
Руководитель ООП
по направлению 150400
зав. кафедрой металлургии
проф. В.М. Сизяков
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ
КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ
РАСТВОРОВ»
Направление: 150400 «Металлургия»
Программа: «Металлургия цветных металлов»
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: очная
Составитель: проф. В.Н. Бричкин
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины:
Современная технология металлургии цветных металлов выделяет в качестве одного из
приоритетов при переработке сырья природного и техногенного происхождения –
концентрирование и выделение металлов из растворов в виде химических соединений или в
элементарном состоянии. Особое значение этот подход приобретает в связи с усложнением
химико-минералогического
состава
сырья,
его
обеднением,
решением
вопросов
ресурсосбережения и повышения экологической безопасности производства, что в полной мере
отвечает приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской
Федерации, а также перечню критических технологий Российской Федерации. В связи с этим
физико-химические основы концентрирования и выделения металлов из растворов становятся
особенно актуальными для современной металлургии с позиций научного обоснования и
оптимизации значительного количества процессов, используемых в гидрометаллургии цветных,
редких и благородных металлов. Знакомство с фундаментальными основами этих процессов, их
анализом и приложением к конкретным технологическим системам составляют основные задачи
курса «Физико-химические основы методов концентрирования и извлечения металлов из
растворов».
Цель курса – ознакомить будущих магистров с физико-химическими основами методов
концентрирования и извлечения металлов из растворов применительно к технически значимым
системам для переработки сырья цветных, редких и благородных металлов.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина «Физико-химические основы методов концентрирования и извлечения
металлов из растворов» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла
учебного плана подготовки магистров по направлению 150400 «Металлургия».
Для освоения учебного материала данной дисциплины необходимы знания по математике и
физике; общей и физической химии; металлургии легких и тяжелых цветных металлов; теории
электрометаллургических и гидрометаллургических процессов; иметь навыки проведения
физико-химических расчётов и работы со справочной литературой, пользоваться компьютером и
работать с информацией из различных источников.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Изучение дисциплины «Физико-химические основы методов концентрирования и
извлечения металлов из растворов» направлено на формирование у студентов следующих
компетенций: ОК-1-8, 10-11, ПК-1-29.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать: ведущие физико-химические закономерности, составляющие основу
методов концентрирования и выделения металлов из растворов, включая особенности
термодинамики гетерогенных систем при участии растворов, механизма и кинетики,
протекающих в них процессов; примеры использования методов термодинамического и
кинетического анализа технически значимых систем для решения технологических задач
концентрирования и осаждения металлов в производстве цветных, редких и благородных
металлов;
уметь: выполнять термодинамические и кинетические расчёты в многофазных
гетерогенных системах при участии растворов и твёрдых продуктов; пользоваться
справочной физико-химической литературой и термодинамическими базами данных;
анализировать результаты физико-химических расчётов в приложении к конкретным
технологическим системам для концентрирования и выделения металлов из растворов;
владеть: методами термодинамического и кинетического анализа гетерогенных
физико-химических систем на основе водных и неводных растворов; навыками физикохимического анализа технологических систем в производстве цветных, редких и
благородных металлов с целью оптимизации условий осуществления процессов
химического и электрохимического осаждения, экстракции, адсорбции и ионного обмена,
массовой кристаллизации и вспомогательных процессов общего назначения, а также с
целью обеспечения требуемого качества технологических продуктов.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5,0 зачетных единиц.
Вид учебной работы
Всего часов
Аудиторные занятия (всего)
90
Семестр
1
90
В том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
36
36
18
90
30
20
40
36
36
18
90
30
20
40
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость:
час
зач. ед.
Зачет
180
5
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1.
Наименование раздела
дисциплины
Введение.
2.
Основы
ионообменных
процессов.
3.
Основы
экстракционных
процессов.
4.
Выделение
труднорастворимых
соединений.
5.
Основы процессов
кристаллизации из
растворов.
Содержание раздела
Классификация методов концентрирования и осаждения
металлов из растворов, их значение и место в технологии
производства цветных, редких и благородных металлов.
Значение
ионообменных
процессов
для
концентрирования металлов. Понятие о составе,
свойствах и синтезе ионообменных смол. Равновесие
ионного обмена. Кинетика ионного обмена. Ионный
обмен в пульпах и колоннах. Ионитовые мембраны и их
использование в электродиализе.
Общие понятия, терминология и основные типы
экстракционных процессов. Равновесие катионообменной
и анионообменной экстракции. Равновесие при
экстракции нейтральными экстрагентами. Диаграммы
распределения и разделения. Кинетика процессов
экстракции и их осуществление.
Произведение растворимости и факторы, влияющие на
растворимость солей. Условия осаждения гидроксидов
металлов и основных солей. Осаждения сульфидов
металлов.
Разделение
металлов
осаждением
труднорастворимых
соединений.
Закономерности
соосаждения примесей.
Пересыщенные
растворы,
термодинамика
кристаллизации из растворов. Механизм и кинетика
образования зародышей кристаллов. Рост кристаллов и
6.
7.
Осаждение металлов
и оксидов из
растворов
восстановлением
водородом и другими
газами
Выделение металлов
цементацией.
8.
Выделение металлов
из растворов
электролизом.
9.
Процессы
концентрирования
металлов на основе
растворения осадков
кинетика массовой кристаллизации. Использование
кристаллизации для очистки солей и разделения близких
по свойствам металлов.
Термодинамика восстановления металлов из растворов
водородом до элементарного состояния и низших
оксидов. Механизм и кинетика восстановления
водородом. Восстановление другими газами.
Термодинамика процессов цементации. Механизм и
кинетика цементации. Способы и аппаратура для
проведения цементации.
Термодинамика процесса электролиза. Механизм и
кинетика электродных процессов, и их влияние на
массовую кристаллизацию электрохимических осадков.
Основные типы электролиза и их роль в технологии
выделения и концентрирования металлов.
Термодинамика процессов выщелачивания химических
осадков. Механизм и кинетика процессов растворения.
Влияние процессов концентрирования и выделения
металлов из растворов на показатели отделения и
промывки твёрдой фазы.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
4.
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Методы постановки и
решения технологических
задач
Производство глинозёма
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
2
3
4
5
6
7
8
9
Металлургия лёгких и
редких металлов
Металлургия тяжёлых и
благородных металлов
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
-
-
-
х
х
х
х
х
-
-
-
х
х
х
х
х
х
х
х
х
Семин
СРС
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
Наименование раздела дисциплины
1.
Введение.
2.
Основы ионообменных
процессов.
Основы экстракционных
процессов.
3.
2
-
-
-
4
Всего
час.
6
4
-
4
-
8
16
4
4
-
-
8
16
Лекц.,
час.
Практ. Лаб.
зан.
зан.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Выделение труднорастворимых
соединений.
Основы процессов
кристаллизации из растворов.
Осаждение металлов и оксидов из
растворов восстановлением
водородом и другими газами
Выделение металлов
цементацией.
Выделение металлов из растворов
электролизом.
Процессы концентрирования
металлов на основе растворения
химических осадков
6
6
4
-
12
28
4
6
4
-
12
26
4
4
-
-
10
18
4
4
4
-
12
24
4
6
4
-
12
26
4
6
-
-
12
22
6. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ. Целью лабораторного практикума является
знакомство с закономерностями процессов концентрирования и выделения металлов из
растворов в металлургии цветных металлов.
6.1. Примерные темы лабораторных занятий:
- Определение полной обменной ёмкости катионитов;
- Зависимость показателей гидролитического выделения катионов тяжёлых
металлов от pH водного раствора;
- Исследование индукционного периода процесса кристаллизации гидроксида
алюминия из алюминатных растворов;
- Определение лимитирующей стадии процесса цементации меди из сульфатного
раствора;
- Исследование факторов деполяризации электродных процессов и
закономерностей катодного выделения металлов.
7. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Целью практических занятий является приобретение навыков термодинамического
и кинетического анализа процессов, обеспечивающих концентрирование и выделение
цветных, редких и благородных металлов в технически значимых физико-химических
системах.
7.1. Приметные темы практических занятий:
- Расчёт энергии кристаллической решётки химических соединений металлов на
основе цикла Борна-Габера;
- Расчёт энергии гидратации катионов в водных растворах;
- Расчёт коэффициентов активности электролитов;
- Построение диаграмм потенциал-pH и их использование для анализа
термодинамической возможности выделения цветных металлов из водных растворов;
- Использование термодинамических и математических моделей для определения
растворимости гидроксида алюминия в щелочных растворах;
- Определение числа ступеней экстракции и реэкстракции при концентрировании
тяжёлых цветных металлов;
- Расчёт термодинамических условий осаждения основных сульфатов и карбонатов
металлов;
- Расчёт электродвижущей силы процесса цементации тяжёлых цветных металлов
из водных растворов;
- Расчёт напряжения электролитического осаждения металлов из растворов;
- Расчёт ионного равновесия в многокомпонентных водных растворах.
8. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
Время, планируемое на самостоятельную работу, используется для выполнения
курсовой работы, подготовки рефератов и самостоятельной проработки содержания
разделов дисциплины.
8.1. Примерные темы курсовых работ:
- Термодинамическое обоснование очистки растворов, образующихся при
двухстадийном выщелачивании цинковых огарков от примесей;
- Термодинамическое обоснование очистки электролита от примесей в процессе
электролитического рафинирования черного никеля;
- Физико-химическое обоснование процесса осаждения гидроксида алюминия из
щелочных растворов глинозёмного производства;
- Физико-химическое обоснование технологии электролитического осаждения меди
(никеля, цинка и др. металлов) из водных растворов солей.
8.2. Примерные темы рефератов:
- Использование адсорбционного выщелачивания в процессе переработки сырья
цветных металлов природного и техногенного происхождения;
- Кинетические модели зародышеобразования и их значение для выделения
металлов из растворов;
- Использование метода гидролитического осаждения металлов для очистки
промышленных стоков от тяжёлых металлов;
- Применение метода соосаждения примесей для концентрирования редких
металлов;
- Физико-химические аспекты промывки химических осадков.
9. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
9.1. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. Чиркст Д.Э. Растворы электролитов. СПб.: СПГГИ. 2006.
2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. Изд. 4-е. М.: Высшая школа.
2001.
3. Набойченко С.С., Шнеерсон Я.М., Чугаев Л.В., Ни Л.П. Автоклавная
гидрометалллургия цветных металлов. Екатеринбург: УГТУ, 2002. 939 с.
4. Черемисина О.В. Теория и практика извлечения цветных металлов из
промышленных растворов, стоков, природных вод и грунтов. Санкт-Петербургский
государственный горный институт (технический университет). СПб, 2008. 148 с.
5. Воропанова Л.А. Методы извлечения компонентов из слабоконцентрированных
растворов. Владикавказ, Изд-во ВНЦ. 271 с.
6. Бричкин В.Н. Процессы массовой кристаллизации из растворов в производстве
глинозёма/ В.Н.Бричкин, В.М. Сизяков. СПГГИ (ТУ). СПб., 2005. 134 с.
7. Сизяков В.М. Металлургия лёгких металлов. Производство глинозёма:
Лабораторный практикум/ В.М.Сизяков, В.Н.Бричкин. СПГГИ (ТУ). СПб., 2003. 91с.
8. Теория гидрометаллургических процессов: Методические указания к
лабораторным работам/ Составители А.М.Беленький, А.Я.Бодуэн. СПГГИ (ТУ). СПб.,
2005. 107 с.
9. Краткий справочник фзиико-химических величин. Под ред. А.А Равдель,
А.М.Пономарева. Изд. 10-е. СПб.: Иван Федоров. 2003.
Дополнительная:
1. Борисоглебский Ю.В. и др. Теория и технология электрометаллургических
процессов. Лабораторный практикум. М.: Металлургия, 1994.
2. Зеликман А.Н., Вольдман Г.Н., Беляевская Л.В. Теория гидрометаллургических
процессов: Для студентов вузов. М.: Металлургия, 1975. 504 с.
3. Набойченко С.С., Юнь А.А. Расчеты гидрометаллургических процессов: Учебное
пособие для вузов. М.: МИСИС, 1995. 428 с.
4. Дибров И.А.. Неорганическая химия. СПб.: Лань. 2001.
5. Липин А.Б. Фазовые диаграммы. Сборник задач. СПб.: СПГГИ. 1999.
6. Дибров И.А., Чиркст Д.Э., Литвинова Т.Е., Дубровская Н.Я. Неорганическая
химия. Растворы. СПб.: СПГГИ. 2001.
9.2. СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Тематические плакаты, учебные пособия и методические указания для выполнения
лабораторных работ и практических заданий, библиотека дипломных проектов, выпускных
квалификационных работ, диссертаций и авторефератов, электронных презентаций.
10. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ:
Занятия по дисциплине проводятся в специализированных лабораториях кафедры
металлургии.
11. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ:
В качестве средств текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
разработаны проверочные вопросы и задания.
Разработчики:
Кафедра металлургии
(место работы)
профессор
(занимаемая должность)
В.Н. Бричкин
(инициалы, фамилия)
Эксперты:
Кафедра металлургии
(место работы)
профессор
(занимаемая должность)
Г.В. Петров
(инициалы, фамилия)
Кафедра металлургии
(место работы)
доцент
(занимаемая должность)
А.Я. Бодуэн
(инициалы, фамилия)