Elektrolityczna rafinacja miedzi: skład, formuły i reakcje

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Rafinacja miedzi to proces rafinacji metalu poprzez elektrolizę. Czyszczenie elektrolityczne to najprostszy sposób na osiągnięcie 99,999% czystości miedzi. Elektroliza poprawia jakość miedzi jako przewodnika elektrycznego. Sprzęt elektryczny często zawiera miedź elektrolityczną.

Co to jest?

Rafinacja miedzi lub elektroliza wykorzystują anodę zawierającą zanieczyszczoną miedź. Powstaje z koncentracji rudy. Katoda składa się z czystego metalu (tytanu lub stali nierdzewnej). Roztwór elektrolitu składa się z siarczanu. Dlatego można argumentować, że rafinacja miedzi i elektroliza to jedno i to samo. Prąd elektryczny powoduje, że jony miedzi z anod wnikają do roztworu i osadzają się na katodzie. W takim przypadku zanieczyszczenia opuszczają się, tworzą osad lub pozostają w roztworze. Katoda staje się większa niż czysta miedź, a anoda kurczy się.

Ogniwa elektrolityczne wykorzystują zewnętrzne źródło prądu stałego, aby reagować na reakcje, które w innym przypadku nie byłyby spontaniczne. Reakcje elektrolitycznesłuży do czyszczenia blach na wielu rodzajach podłoży.

Używanie procesu elektrolitycznego do oczyszczania metalu (rafinacja miedzi, elektroliza metalu):

1. Ponieważ zanieczyszczenia mogą znacznie zmniejszyć przewodność przewodów miedzianych, konieczne jest oczyszczenie zanieczyszczonej miedzi. Jedną z metod czyszczenia jest elektroliza.
2. Gdy pasek z zanieczyszczonej miedzi metalicznej jest używany jako anoda w elektrolizie wodnego preparatu siarczanu miedzi, miedź ulega utlenieniu. Jego utlenianie przebiega łatwiej niż utlenianie wody. Dlatego metaliczna miedź rozpuszcza się w roztworze w postaci jonów miedzi, pozostawiając wiele zanieczyszczeń (mniej aktywnych metali).
3. Jony miedzi utworzone na anodzie migrują do katody, gdzie są łatwiej redukowane niż "płytki" wody i metalu na katodzie.

Konieczne jest przepuszczenie wystarczającego prądu między elektrodami, w przeciwnym razie wystąpi niespontaniczna reakcja. Dzięki starannej regulacji potencjału elektrycznego, zanieczyszczeń metalowych, które są wystarczająco aktywne, aby utleniać miedź na anodzie, substancje nie są redukowane na katodzie, a metal jest selektywnie osadzany.

Ważne! Nie wszystkie metale ulegają redukcji lub utlenianiu łatwiej niż woda. Jeśli tak, to najpierw nastąpi reakcja elektrochemiczna wymagająca najniższego potencjału. Na przykład, gdybyśmy użyli elektrod, zarówno anodowych, jak i katodowych, potencjał metalu zostałby utleniony na anodzie, ale wtedy woda zmniejszyłaby się na katodzie, a jony glinu pozostałyby w roztworze.

Aby wytworzyć elektrolizę, musisz użyćnastępująca metoda rafinacji miedzi:

1. Wlej roztwór siarczanu miedzi do szklanki.
2. Umieść dwa pręty grafitowe w roztworze siarczanu miedzi.
3. Podłącz jedną elektrodę do ujemnego zacisku zasilania DC, a drugą do dodatniego zacisku.
4. Napełnij dwie małe probówki całkowicie roztworem siarczanu miedzi i umieść korek na każdej elektrodzie.
5. Włącz zasilanie i sprawdź, co dzieje się na każdej elektrodzie.
6. Przetestuj każdy gaz wytwarzany przez płonącą oponę.
7. Zapisz swoje obserwacje i wyniki testów.

Wyniki powinny wyglądać tak:

• W roztworze pojawiają się brązowe lub różowe ciała stałe.
• Są bąbelki.
• Pęcherzyki powinny być bezbarwne.
• Substancja w postaci gazowej.

Wszystkie wyniki są rejestrowane, po czym gaz jest gaszony przez oponę. Istnieje również inny sposób na oczyszczenie metalu z zanieczyszczeń i brudu osób trzecich - jest to rafinacja ogniowa miedzi. Jak to się dzieje, powiemy później, ale teraz przedstawimy inne opcje uszlachetniania metalu.

Metody rafinacji miedzi - jak inaczej może odbywać się chemiczne usuwanie pożądanych metali?

Ponieważ elektroliza to działanie siarczanów i prądu, jaka jest elektrolityczna metoda otrzymywania czystych produktów? Zupełnie inne rzeczy, choć podobne w brzmieniu. Jednak rafinacja elektryczna miedzi opiera się na wykorzystaniu kwasów. Można powiedzieć, że jest to utlenianie metalu, ale nie do końca.

Czysta produkcja jest ważna przy wytwarzaniu przewodów elektrycznych, ponieważ przewodność elektryczna miedzi jest zmniejszona przez zanieczyszczenia. Zanieczyszczenia te obejmują metale szlachetne, takie jak:

• srebrny,
• złoty;
• platyna.

Gdy są usuwane przez elektrolizę i przywracane w ten sam sposób, zużywa się tyle energii, ile wystarczyłoby do zasilania dziesiątek domów. Oczyszczony składnik oszczędza energię, zasilając jeszcze więcej domów w krótszym czasie.

W rafinacji elektrolitycznej, zanieczyszczona kompozycja jest wytwarzana z anody w kąpieli elektrolitycznej siarczanu miedzi - CuSO₄ i kwasu siarkowego H_{2 SO 4}. Katoda to arkusz bardzo czystej miedzi. Gdy prąd przepływa przez roztwór, dodatnie jony miedzi, Cu₂₊ są przyciągane do katody, gdzie przyjmują elektrony i osadzają się jak neutralne atomy, tworząc w ten sposób coraz czystszy metal na katodzie. Tymczasem atomy w anodzie oddają elektrony i rozpuszczają się w roztworze elektrolitu jako jony. Ale zanieczyszczenia w anodzie nie przechodzą do roztworu, ponieważ atomy srebra, złota i platyny nie utleniają się (stają się jonami dodatnimi) tak łatwo jak miedź. W ten sposób srebro, złoto i platyna po prostu spadają z anody na dno zbiornika, gdzie można je wyczyścić.

Ale istnieje również elektrolityczna rafinacja miedzi, gdy używane są zbiorniki:

1. Zbiorniki elektrolityczne sąoddzielny warsztat w produkcji przemysłowej. Płyty anodowe są zawieszone na „uchwytach” w zbiorniku do czyszczenia miedzi elektrolitycznej. Arkusze katod z czystej miedzi zawieszone na litych prętach są umieszczane w tym samym zbiorniku, jeden arkusz pomiędzy każdą anodą. Gdy prąd elektryczny przepływa z anod przez elektrolit do katod, miedź z anod przechodzi do roztworu i osadza się na blasze startowej. Zanieczyszczenia z anod osadzają się na dnie zbiornika.
2. Wtryskarka z miedzianymi anodami (płytami). Płynnie zamieni się w płyty anodowe w formach. Po obróbce wstępnej usuwa się cynę, ołów, żelazo i aluminium. Następnie materiał miedziany zaczyna być ładowany do pieca, po czym następuje proces wytapiania.
3. Po usunięciu zanieczyszczeń następuje faza usuwania żużla i redukcji za pomocą gazu ziemnego. Redukcja ma na celu usunięcie wolnego tlenu. Po odzyskaniu proces kończy się odlewaniem, gdzie finalny produkt odlewany jest w postaci anod miedzianych. Ta sama maszyna może być używana do odlewania tych anod podczas recyklingu komponentów lub do recyklingu anod na złom w elektrolitycznym piecu do wytapiania miedzi.
4. Wyczyść arkusze katodowe. Anody modyfikujące wyekstrahowane z pieca rafineryjnego są przekształcane w elektrolityczną miedź o czystości 99,99% w procesie elektrolizy. Podczas elektrolizy jony miedzi pozostawiają nieczystą miedzianą anodę, a ponieważ są dodatnie, migrują do katody.

Od czasu do czasu czysty metal jest zeskrobany z katody. zanieczyszczenia anody miedziane takie jak złoto,srebro, platyna i cyna gromadzą się na dnie roztworu elektrolitu i wytrącają się jako szlam anodowy. Proces ten nazywa się elektrolityczną produkcją i rafinacją miedzi.

Pozyskiwanie skamieniałości – jakie rodzaje istnieją i czy wszystkie są niezbędne w praktyce?

Nieco inny sposób czyszczenia metalu. Istnieje również rafinacja ogniowa i elektrolityczna miedzi, gdy jeden proces następuje bezpośrednio po drugim. Ważnym etapem „oddzielenia” staje się koncentracja lub koncentracja. Po zakończeniu koncentracji następnym krokiem w tworzeniu gotowego produktu jest rafinacja miedzi w ogniu.

Zazwyczaj dzieje się to w pobliżu kopalni, w zakładzie przetwórczym lub w hucie. Podczas rafinacji miedzi niepożądany materiał jest stopniowo usuwany, a miedź jest zagęszczana do czystości do 99,99% klasy A. Szczegóły procesu rafinacji zależą od rodzaju minerałów, z którymi metal jest związany. Bogata w siarczki ruda miedzi jest przetwarzana pirometalurgicznie.

Rafinacja i pirometalurgia:

1. W pirometalurgii koncentrat miedzi jest suszony przed podgrzaniem w piecu. Reakcje chemiczne zachodzące podczas procesu nagrzewania powodują, że koncentrat rozdziela się na dwie warstwy materiału: warstwę matową i warstwę żużla. Warstwa matowa na spodzie zawiera miedź, natomiast warstwa żużlu na wierzchu zawiera zanieczyszczenia.
2. Żużel jest usuwany, a matowa warstwa zostaje przywrócona i przeniesiona do cylindrycznego naczynia zwanego przetwornikiem. Do konwertera dodawane są różne chemikalia, które reagują z miedzią. Prowadzi to do powstania przetworzonej miedzi, zwanej"pęcherz". Po wytrąceniu jest ekstrahowany, a następnie poddawany innemu procesowi zwanemu czyszczeniem przeciwpożarowym.
3. W płuczce przeciwpożarowej powietrze i gaz ziemny są przedmuchiwane w celu usunięcia pozostałej siarki i tlenu, powodując przetwarzanie rafinowanej kompozycji w katodę. Metal jest odlewany w anody i umieszczany w elektrolizerze. Po naładowaniu czysta miedź jest zbierana na katodzie i usuwana jako 99% czysty produkt.

Rafinacja i hydrometalurgia:

1. W hydrometalurgii koncentrat miedzi jest przetwarzany w jednym z kilku procesów. Najmniej powszechną metodą jest nawęglanie, w którym metal jest osadzany na złomie w reakcji redoks.
2. Szeroko stosowaną metodą oczyszczania jest ekstrakcja rozpuszczalnikiem i elektroliza. Ta nowa technologia stała się powszechna w latach 80. i obecnie w ten sposób wytwarza się około 20% miedzi na świecie.
3. Ekstrakcja rozpuszczalnikiem rozpoczyna się od rozpuszczalnika organicznego, który oddziela metal od zanieczyszczeń i niepożądanych materiałów. Następnie dodaje się kwas siarkowy w celu oddzielenia miedzi od rozpuszczalnika organicznego w celu wytworzenia roztworu elektrolitu.
4. Ten roztwór jest następnie poddawany procesowi elektrolizy, który po prostu umieszcza miedź w roztworze na katodzie. Ta katoda może być sprzedawana w takiej postaci, w jakiej jest, ale może być również przerabiana na pręty lub arkusze źródłowe dla innych elektrolizerów.

Firmy górnicze mogą sprzedawać miedź w postaci koncentratu lub katody. JakJak wspomniano powyżej, koncentrat jest najczęściej rafinowany gdzie indziej niż na terenie kopalni. Producenci koncentratów sprzedają koncentraty w proszku zawierające od 24 do 40% miedzi do hut miedzi i rafinerii. Warunki sprzedaży są unikalne dla każdej huty, ale ogólnie huta płaci górnikowi około 96% kosztów zawartości miedzi w koncentracie, pomniejszonych o opłaty za przetwarzanie i koszty rafinacji.

Spalacze generalnie pobierają opłaty drogowe, ale mogą również sprzedawać rafinowany metal w imieniu górników. W ten sposób całe ryzyko (i zysk) wynikające z wahań cen miedzi spada na barki resellerów.

Uszlachetnianie ogniowe - jakie to niebezpieczne?

Najgorętsza rafinacja ogniowa może być niebezpieczna, ale metoda przetwarzania jest obecnie stosowana przez większość zakładów przemysłowych. Osobno warto opisać technologię rafinacji miedzi blister.

Miedź typu Blister jest już prawie czysta (ponad 99% miedzi). Ale na dzisiejszym rynku nie jest to zbyt „czyste”. Metal jest dalej oczyszczany za pomocą elektrolizy. W produkcji przemysłowej stosuje się metodę zwaną rafinacją ogniową miedzi blister. Miedź atramentowa jest odlewana w duże płyty, które mają służyć jako anody w elektrolizerze. Elektrolityczna rafinacja końcowa wytwarza wysokiej jakości metal o wysokiej czystości wymagany przez przemysł.

W przemyśle odbywa się to na masową skalę. Nawet najlepsza metoda chemiczna nie może usunąć wszystkich zanieczyszczeń z miedzi, ale rafinacja elektrolityczna może wytworzyć 99,99% czystej miedzi.

1. Pęcherze anodowe są zanurzone w elektrolicie zawierającym siarczan miedzi i kwas siarkowy.
2. Pomiędzy nimi znajdują się czyste katody, a przez roztwór przepływa prąd o natężeniu ponad 200 A.

W tych warunkach atomy miedzi rozpuszczają się z zanieczyszczonej anody, tworząc jony miedzi. Migrują do katod, gdzie są osadzane z powrotem jak czyste atomy miedzi.

• Na anodzie: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• Na katodzie: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Gdy przełącznik się zamknie, jony miedzi na anodzie zaczną przemieszczać się przez roztwór w kierunku katody. Atomy miedzi oddały już dwa elektrony, aby stać się jonami, a ich elektrony mogą swobodnie poruszać się w przewodach. Zamknięcie przełącznika przesuwa elektrony zgodnie z ruchem wskazówek zegara i powoduje osadzanie się niektórych jonów miedzi w roztworze.

Płyta odpycha jony z anody do katody. Jednocześnie popycha wolne elektrony wokół przewodów (te elektrony są już rozprowadzone po przewodach). Elektrony w katodzie rekombinują z jonami miedzi z roztworu, tworząc nową warstwę atomów miedzi. Stopniowo anoda ulega zniszczeniu, a katoda rośnie. Nierozpuszczalne zanieczyszczenia w anodzie opadają na dno i wytrącają się. Ten cenny bioprodukt jest usuwany.

Złoto, srebro, platyna i cyna są nierozpuszczalne w tym elektrolicie i dlatego nie osadzają się na katodzie. Tworzą cenny „muł”, który gromadzi się pod anodami.

Rozpuszczalne zanieczyszczenia żelaza i niklu są rozpuszczane w elektrolicie, który musi być stale czyszczony, aby zapobiec nadmiernemu osadzaniu się na katodach, co obniży czystość miedzi. Ostatnio katody ze stali nierdzewnej zostały zastąpione katodami miedzianymi. Zachodzą te same reakcje chemiczne. Okresowo katody są usuwane i czysta miedź jest oczyszczana. Produkcja elektrolityczna i rafinacja miedzi w tych warunkach jest dość powszechna w zakładach obróbki metali nieżelaznych.

Elektrochemiczna wersja oczyszczania metali

Czyszczenie ogniowe można nazwać chemicznym, ponieważ w tym procesie zachodzi reakcja chemiczna z innymi substancjami i zanieczyszczeniami. Powyższe było przykładem reakcji utleniania. Wszystkie rodzaje i metody ekstrakcji czystej miedzi są podobne, podobnie jak elektrochemiczna rafinacja miedzi, w której stosuje się identyczną taktykę, ale w innej kolejności.

Chemiczny pierwiastek pomocniczy sam staje się produktem ubocznym:

• Soda kaustyczna
• Chlor.
• Wodór.

Jest to najtańszy sposób na zdobycie drogich surowców bez wydawania pieniędzy na alternatywny system wydobycia komponentów. Ponadto wydobywane są cenne metale, które są szlachetne w składzie i cenne w przemysłowym wynalazku urządzeń elektrycznych.

Piec do miedzi – Metalowy przemysł kulinarny

Opalany piec do rafinacji miedzi jest specjalnie zaprojektowany i zdolny do przetwarzania złomu miedzi na ciekły metal z kontrolowanymi zanieczyszczeniami. Przeznaczony jest do pirometalurgicznego przerobu złomuekonomiczna i przyjazna dla środowiska technologia. Główna technologia proponowana do produkcji roztopionej miedzi jest odpowiednia do produkcji miedzianych sztyftów, taśm, kęsów lub innych wyrobów miedzianych z wykorzystaniem złomu jako surowca (Cu> 92%).

Wydajność systemów spalania i czyszczenia została obliczona dla cyklu czyszczenia (od załadunku do odzysku) trwającego 16-24 godziny, w zależności od rodzaju złomu. Piece do rafinacji miedzi mają specjalną konstrukcję i funkcje:

1. Korpus pieca jest wykonany ze stalowych segmentów i sztywnych konstrukcji typu kształtownika.
2. Piec jest wyłożony od wewnątrz materiałem ogniotrwałym.
3. Jest wyposażony w stację hydrauliczną działającą w trybie przechylanego pieca z dwiema prędkościami: prędkością pełzania podczas przechylania w celu odlewania i dużą prędkością podczas ruchu, co nie wymaga dużej precyzji.
4. Operacje wykonywane są za pomocą dwóch cylindrów hydraulicznych zainstalowanych na dnie pieca. Specjalne urządzenie przywraca piekarnik do pozycji poziomej podczas przerw w dostawie prądu.
5. Właz ładowania materiału znajduje się z boku piekarnika. Jest zamykany drzwiami napędzanymi siłownikiem hydraulicznym.
6. Piec jest wyposażony w chłodzone lance do operacji utleniania i redukcji miedzi.

Istnieje również jeden uniwersalny palnik, który zużywa zarówno paliwa płynne, jak i gazowe.

Utlenianie w przemyśle

Operację utleniania miedzi przeprowadza się po zakończeniu wytopu surowca. Proces odbywa się poprzez wtryskiwanie sprężonego powietrza do wytopu przez dysze. Powstały żużel jest ręcznie usuwany z powierzchni wytopu za pomocą specjalnej grabi i zrzucany do pojemnika. Żużel zawiera miedź, zanieczyszczenia, ołów, cynę itp. Proces redukcji musi być przeprowadzony w celu usunięcia tlenu z wytopu i redukcji tlenków miedzi. Operacja jest wykonywana poprzez wstrzyknięcie gazu ziemnego do wytopu.

Z pieca spaliny są podawane do systemu oczyszczania gazów, przechodzą przez odpylacz, który wychwytuje gruby pył. Kolektor wyposażony jest w rurę odpowietrzającą na wypadek awaryjnego uwolnienia gazu do atmosfery. Piec do czyszczenia ognia pracuje w sposób ciągły. Cykl pracy procesu technologicznego obejmuje:

• ładowanie surowców;
• utlenianie, żużel, redukcja;
• ładowanie rafinowanego metalu.

Cały dalszy proces nazywa się utleniającą rafinacją miedzi. Nie można go oddzielić od całego procesu rafinacji, ponieważ stanowi część całej metody wytwarzania czystego metalu. Po wyeliminowaniu wymaganych parametrów wytop miedzi jest wykorzystywany do kolejnego procesu technologicznego.

Rafinacja jodkowa metali nieżelaznych

Jony miedzi(II) utleniają jony jodkowe do cząsteczkowego jodu, a w tym procesie same są redukowane do jodku miedzi(I). Wyjściowa zmieszana brązowa mieszanina rozdzieliła się na białawy osad jodku miedzi(I) w roztworze jodu. Użyj tej reakcji do określenia stężenia jonów miedzi (II) w roztworze. W przypadku dodania przepisanej objętości roztworu do kolby,zawierające jony miedzi (II), a następnie dodać w nadmiarze roztwór jodku potasu, uzyskasz reakcję opisaną powyżej.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2CuI (s) + I 2 _{(roztwór wodny)}

Możesz znaleźć ilość uwolnionego jodu przez miareczkowanie roztworem tiosiarczanu sodu.

2S₂O₂^-3 (rozwiązanie) + I ₂ (roztwór) → S₄O₂^-6 (roztwór wodny) + 2I^{- (roztwór wodny)}

Gdy z biurety wypływa roztwór tiosiarczanu sodu, kolor jodu znika. Kiedy prawie wszystko zniknie, dodaj skrobię. Cała reakcja rafinacji jodkiem miedzi będzie odwracalna za pomocą jodu, aby wytworzyć ciemnoniebieski kompleks skrobiowo-jodowy, który jest znacznie łatwiejszy do zauważenia.

Dodaj kilka ostatnich kropli roztworu tiosiarczanu sodu, aż zniknie niebieski kolor. Jeśli prześledzisz proporcje za pomocą tych dwóch równań, przekonasz się, że na każde 2 mole jonów miedzi(II), od których powinieneś zacząć, potrzebne są 2 mole roztworu tiosiarczanu sodu. Znając stężenie roztworu tiosiarczanu sodu, łatwo obliczyć stężenie jonów miedzi (II). Wynikiem tej próby jest otrzymanie prostego związku miedzi (I) w roztworze.

Fosforowanie

Rafinacja miedzi fosforowej to twarda miedź odtleniona fosforem, która jest trwałą żywicą ogólnego zastosowania. Jest odtleniany przez fosfor miedziowy, w którym fosfor resztkowy jest utrzymywany na niskim poziomie (0,005-0,013%) w celu uzyskania dobrej przewodności elektrycznej. Posiada dobrą przewodność cieplną oraz doskonałe właściwości spawalnicze i lutownicze. Tlenek po rafinacji miedzi w ten sposób pozostający w stałej żywicy miedziowej jest usuwany za pomocą fosforu, który jest najczęściej stosowanym odtleniaczem.

Tabela pokazuje różne właściwości miedzi od wyżarzonej (miękkiej) do twardej.

Wytrzymałość na rozciąganie	220-385 N/mm2
Wytrzymałość na rozdarcie	60-325 N/mm2
Długość	55-4 %
Twardość (HV)	45-155
Przewodność elektryczna	90-98 %
Przewodność cieplna	350-365 W/cm

Ramki przemienników łączą okablowanie z zaciskami elektrycznymi na powierzchni półprzewodników i obwodami o dużej skali na urządzeniach elektrycznych i płytkach obwodów drukowanych. Materiał jest wybierany tak, aby spełniał wymagania procesu i był niezawodny w instalacji i eksploatacji.

Skład miedzi po elektrolizie

Skład miedzi po rafinacji ogniowej zawiera 99,2% metalu. Znacznie mniej pozostaje w anodach. Po całkowitym usunięciu zanieczyszczeń w kompozycji pozostaje 130 g/l zasad katodowych. Wodny roztwór witriolu słabnie, a kwaśny składnik katod miedziowych osiąga 140-180 g/l. Miedź blister zawiera 99,5% metalu, żelazo 0,10%, cynk do 0,05%, a złoto i srebro to tylko 1-200 g/t.