بازیافت نقره به روش الکترولیز

بازیافت نقره به روش الکترولیز یکی از روش‌های متداول برای استخراج و بازیافت نقره از مواد حاوی این فلز، مانند ضایعات الکترونیکی، جواهرات، یا محلول‌های شیمیایی است. این روش بر اساس فرآیند الکترولیز انجام می‌شود که در آن از جریان الکتریکی برای جداسازی نقره از سایر مواد استفاده می‌شود. در ادامه مراحل کلی این روش توضیح داده می‌شود:

تهیه محلول الکترولیت

- ابتدا یک محلول الکترولیت تهیه می‌شود که معمولاً حاوی یون‌های نقره (Ag⁺) است. این محلول می‌تواند از اسید نیتریک (HNO₃) یا سایر ترکیبات حاوی نقره به‌دست آید.
- اگر نقره به صورت جامد (مثلاً در ضایعات الکترونیکی  قطعاتی مانند خازن نصب سطحی) وجود دارد، ابتدا باید در اسید نیتریک حل شود تا یون‌های نقره وارد محلول شوند.

تهیه سلول الکترولیز

- یک سلول الکترولیز شامل دو الکترود است: آند (الکترود مثبت) و کاتد (الکترود منفی).

آند (الکترود مثبت):

• آند گرافیتی:
  • گرافیت به دلیل مقاومت شیمیایی بالا و هدایت الکتریکی خوب، به‌عنوان آند استفاده می‌شود. این ماده در برابر خوردگی مقاوم است و در حضور اسیدها و بازها پایدار می‌ماند.
  • در برخی موارد، آندهای گرافیتی با روکش پلاتین یا تیتانیوم استفاده می‌شوند تا مقاومت بیشتری در برابر خوردگی داشته باشند.
• آند نقره (Ag):
  • اگر هدف بازیافت نقره از ضایعات حاوی نقره باشد، از آند نقره استفاده می‌شود. در این حالت، نقره از آند وارد محلول الکترولیت می‌شود و سپس روی کاتد رسوب می‌کند.
• آند تیتانیوم با روکش اکسید فلزات نجیب (MMO):
  • این نوع آندها مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند و برای بازیافت نقره در محیط‌های اسیدی یا قلیایی مناسب هست

کاتد (الکترود منفی):

• کاتد فولاد ضدزنگ (استینلس استیل):
  • فولاد ضدزنگ به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و هدایت الکتریکی مناسب، به‌عنوان کاتد استفاده می‌شود. نقره روی سطح این کاتد رسوب می‌کند.
• کاتد تیتانیوم:
  • تیتانیوم نیز به دلیل مقاومت شیمیایی بالا و سبکی، به‌عنوان کاتد استفاده می‌شود. این ماده در محیط‌های اسیدی و قلیایی پایدار است.
• کاتد نقره (Ag):
  • در برخی موارد، از کاتد نقره برای افزایش خلوص نقره بازیافتی استفاده می‌شود.

 الکترولیت‌های رایج

الکترولیت‌های مورد استفاده در بازیافت نقره به روش الکترولیز باید حاوی یون‌های نقره (Ag⁺) باشند. برخی از الکترولیت‌های رایج عبارتند از:

۱. نیترات نقره (AgNO₃):

• این الکترولیت یکی از رایج‌ترین محلول‌ها برای بازیافت نقره است. یون‌های نقره (Ag⁺) در محلول وجود دارند و در کاتد به صورت نقره خالص رسوب می‌کنند.
• واکنش کلی:       Ag⁺ + e⁻→ Ag

۲. سیانید سدیم (NaCN) یا سیانید پتاسیم (KCN):

• واکنش کلی:    ^-Ag+2CN⁻→[Ag(CN)₂]
• در کاتد، کمپلکس سیانیدی تجزیه شده و نقره رسوب می‌کند.

۳. اسید سولفوریک (H_₂SO_₄) با نیترات نقره (AgNO_₃):

• این الکترولیت برای بازیافت نقره از محلول‌های اسیدی استفاده می‌شود. یون‌های نقره در حضور اسید سولفوریک پایدار می‌مانند.

۴. الکترولیت‌های قلیایی (مانند هیدروکسید سدیم NaOH):

• در برخی موارد، از الکترولیت‌های قلیایی برای بازیافت نقره استفاده می‌شود، به‌ویژه زمانی که نقره به صورت اکسید یا کمپلکس‌های قلیایی وجود دارد.

اعمال جریان الکتریکی

- جریان الکتریکی به سلول الکترولیز اعمال می‌شود. یون‌های نقره (Ag⁺) موجود در محلول به سمت کاتد (الکترود منفی) حرکت می‌کنند.

- در کاتد، یون‌های نقره الکترون می‌گیرند و به صورت اتم‌های نقره (Ag) روی سطح کاتد رسوب می‌کنند.

در فرآیند الکترولیز نقره، جریان و ولتاژ اعمال‌شده به سلول الکترولیز نقش کلیدی در کنترل سرعت و کارایی فرآیند دارند. انتخاب مناسب جریان و ولتاژ به عواملی مانند غلظت یون‌های نقره (Ag⁺) در الکترولیت، مساحت الکترودها، فاصله بین الکترودها و دمای محیط بستگی دارد. در ادامه، جزئیات مربوط به جریان و ولتاژ در الکترولیز نقره توضیح داده می‌شود:

ولتاژ اعمالی

ولتاژ مورد نیاز برای الکترولیز نقره معمولاً بین ۱ تا ۵ ولت است. این مقدار به دلیل پتانسیل استاندارد کاهش نقره (E° = +۰٫۸۰ ولت نسبت به الکترود استاندارد هیدروژن) نسبتاً پایین است. ولتاژ اعمالی باید به اندازه‌ای باشد که واکنش کاهش نقره در کاتد رخ دهد، اما از ایجاد واکنش‌های جانبی ناخواسته (مانند تولید گاز هیدروژن در کاتد) جلوگیری کند.

- ولتاژ پایین (زیر ۱ ولت): ممکن است برای شروع فرآیند الکترولیز کافی نباشد.
- ولتاژ بهینه (۱ تا ۳ ولت): این محدوده برای بازیافت نقره از محلول‌های حاوی یون‌های نقره (Ag⁺) مناسب است.
- ولتاژ بالا (بالای ۵ ولت): ممکن است باعث ایجاد واکنش‌های جانبی مانند تجزیه آب و تولید گاز هیدروژن (H₂) در کاتد و اکسیژن (O₂) در آند شود.

جریان الکتریکی

جریان الکتریکی اعمال‌شده به سلول الکترولیز بر اساس چگالی جریان (جریان بر واحد سطح الکترود) تعیین می‌شود. چگالی جریان بهینه برای الکترولیز نقره معمولاً بین ۰٫۱ تا ۱ آمپر بر دسی متر مربع (A/dm²)است.

- جریان پایین: اگر جریان خیلی کم باشد، سرعت رسوب نقره روی کاتد کاهش می‌یابد و فرآیند زمان‌بر می‌شود.
- جریان بهینه: در این محدوده، نقره به‌صورت یکنواخت و با خلوص بالا روی کاتد رسوب می‌کند.
- جریان بالا: اگر جریان خیلی زیاد باشد، ممکن است رسوب نقره به‌صورت ناخالص یا اسفنجی باشد. همچنین، افزایش جریان می‌تواند باعث گرم‌شدن محلول و کاهش بازده فرآیند شود.

 محاسبه جریان و زمان مورد نیاز

برای محاسبه جریان و زمان لازم برای بازیافت مقدار مشخصی از نقره، از قانون فارادی استفاده می‌شود. طبق این قانون، مقدار ماده رسوب‌کرده روی الکترود با جریان و زمان رابطه مستقیم دارد.

فرمول قانون فارادی:
 (m): جرم نقره رسوب‌کرده (گرم)
(M): جرم مولی نقره (۱۰۷٫۸۷ گرم بر مول)
 (I): جریان الکتریکی (آمپر)
(t): زمان (ثانیه)
(n): تعداد الکترون‌های مبادله‌شده در واکنش (برای نقره،= 1n)
(F): ثابت فارادی (۹۶۴۸۵ کولن بر مول)

مثال محاسبه:
اگر بخواهیم ۱۰ گرم نقره را در مدت ۲ ساعت (۷۲۰۰ ثانیه) بازیافت کنیم، جریان مورد نیاز چقدر است؟
تأثیر غلظت یون‌های نقره
غلظت یون‌های نقره (⁺Ag) در الکترولیت نیز بر جریان و ولتاژ تأثیر می‌گذارد:
- اگر غلظت یون‌های نقره کم باشد، ممکن است نیاز به افزایش ولتاژ یا کاهش جریان باشد تا از رسوب یکنواخت نقره اطمینان حاصل شود.
- اگر غلظت یون‌های نقره زیاد باشد، می‌توان جریان را افزایش داد تا سرعت فرآیند بیشتر شود.

نکات مهم در تنظیم جریان و ولتاژ
- کنترل دما: افزایش جریان می‌تواند باعث گرم‌شدن محلول شود. بنابراین، بهتر است دما در محدوده ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد نگه داشته شود.
- فاصله الکترودها: کاهش فاصله بین آند و کاتد باعث کاهش مقاومت الکترولیت و نیاز به ولتاژ کمتر می‌شود.
- مساحت الکترودها: افزایش مساحت الکترودها باعث کاهش چگالی جریان و بهبود کیفیت رسوب نقره می‌شود.

جمع‌بندی
- ولتاژ بهینه: ۱ تا ۳ ولت
- چگالی جریان بهینه: ۰٫۱ تا ۱ A/dm²
- جریان و زمان: با استفاده از قانون فارادی محاسبه می‌شود.
- غلظت یون‌های نقره: باید به اندازه‌ای باشد که از رسوب یکنواخت و باکیفیت نقره اطمینان حاصل شود.
با تنظیم دقیق این پارامترها، می‌توان نقره را با بازده بالا و خلوص مناسب بازیافت کرد.

جمع‌آوری نقره

- پس از مدتی، نقره به صورت لایه‌ای روی کاتد جمع می‌شود. این لایه را می‌توان از کاتد جدا کرد و به صورت خالص جمع‌آوری نمود.
- در برخی موارد، نقره به صورت پودر یا بلورهای ریز نیز رسوب می‌کند که می‌توان آن‌ها را فیلتر و خشک کرد.

تصفیه نهایی

- نقره بازیافتی ممکن است حاوی ناخالصی‌هایی باشد که باید در مراحل بعدی تصفیه شود. این کار معمولاً با ذوب کردن نقره و استفاده از مواد شارژ کننده (Flux) برای جداسازی ناخالصی‌ها انجام می‌شود.

مزایای روش الکترولیز:

- بازیافت نقره با خلوص بالا (تا ۹۹٫۹٪).
- امکان بازیافت نقره از محلول‌های رقیق.
- سازگاری با محیط زیست نسبت به برخی روش‌های شیمیایی.

 معایب روش الکترولیز:
- نیاز به تجهیزات تخصصی و انرژی الکتریکی.
- زمان‌بر بودن فرآیند در مقایسه با برخی روش‌های دیگر.
این روش به‌طور گسترده در صنایع بازیافت فلزات گران‌بها و تصفیه پساب‌های صنعتی استفاده می‌شود.

نسخه کامل و عملی این روش برای کاراموزهای مجموعه اراِئه می‌شود . لطفا بدون آموزش امتحان نکنید چون جز خسارت مالی و جانی چیزی حاصل نخواهد شد.