Rafinarea electrolitică a cuprului: compoziție, formule și reacții

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-02 14:01

Rafinarea cuprului este procesul de rafinare a metalului prin electroliză. Curățarea prin electroliză este cea mai simplă modalitate de a obține o puritate de 99,999% în cupru. Electroliza îmbunătățește calitatea cuprului ca conductor electric. Echipamentul electric conține adesea cupru electrolitic.

Ce este asta?

Rafinarea sau electroliza cuprului utilizează un anod care conține cupru impur. Ea provine din concentrarea minereului. Catodul este format din metal pur (titan sau oțel inoxidabil). Soluția de electrolit constă din sulfat. Prin urmare, se poate susține că rafinarea cuprului și electroliza sunt una și aceeași. Un curent electric face ca ionii de cupru din anozi să intre în soluție și să se depună pe catod. În acest caz, impuritățile fie pleacă, fie formează un precipitat, fie rămân în soluție. Catodul devine mai mare decât cuprul pur și anodul se micșorează.

Celulele electrolitice folosesc o sursă DC externă pentru a răspunde la reacții care altfel nu ar fi spontane. Reacții electroliticefolosit pentru curățarea plăcilor de metal pe multe tipuri de substraturi.

Utilizarea unui proces electrolitic pentru purificarea metalelor (rafinarea cuprului, electroliza metalelor):

1. Deoarece impuritățile pot reduce foarte mult conductivitatea firelor de cupru, este necesară curățarea cuprului contaminat. Una dintre metodele de curățare este electroliza.
2. Când o bandă de metal de cupru impur este utilizată ca anod în electroliza unui preparat apos de sulfat de cupru, cuprul este oxidat. Oxidarea lui are loc mai ușor decât oxidarea apei. Prin urmare, cuprul metalic se dizolvă în soluție sub formă de ioni de cupru, lăsând în urmă multe impurități (metale mai puțin active).
3. Ionii de cupru formați la anod migrează către catod unde sunt mai ușor de redus decât apa și „plăcile” metalice la catod.

Este necesar să treceți suficient curent între electrozi, altfel va avea loc o reacție nespontană. Prin reglarea atentă a potențialului electric, impurități metalice care sunt suficient de active pentru a oxida cuprul la anod, substanțele nu sunt reduse la catod, iar metalul este depus selectiv.

Important! Nu toate metalele sunt reduse sau oxidate mai ușor decât apa. Dacă da, reacția electrochimică care necesită cel mai mic potențial va avea loc mai întâi. De exemplu, dacă ar fi să folosim electrozi, atât anod, cât și catod, potențialul metalic ar fi oxidat la anod, dar apoi apa ar scădea la catod și ionii de aluminiu ar rămâne în soluție.

Pentru a crea electroliză, trebuie să utilizațiurmătoarea metodă de rafinare a cuprului:

1. Toarnă soluția de sulfat de cupru într-un pahar.
2. Puneți două tije de grafit în soluția de sulfat de cupru.
3. Conectați un electrod la borna negativă de alimentare CC și celăl alt la borna pozitivă.
4. Umpleți complet două tuburi mici cu soluție de sulfat de cupru și puneți un dop pe fiecare electrod.
5. Porniți sursa de alimentare și verificați ce se întâmplă la fiecare electrod.
6. Testați orice gaz produs cu o anvelopă în flăcări.
7. Înregistrați observațiile și rezultatele testelor dvs.

Rezultatele ar trebui să arate astfel:

• În soluție apar solide maro sau roz.
• Există bule.
• Bulele ar trebui să fie incolore.
• O substanță sub formă gazoasă.

Se înregistrează toate rezultatele, după care gazul este stins de anvelopă. Există, de asemenea, o altă modalitate de a curăța metalul de impurități și murdărie de la terți - aceasta este rafinarea la foc a cuprului. Cum se întâmplă acest lucru, vom spune mai târziu, dar acum vom prezenta și alte opțiuni pentru rafinarea metalului.

Metode de rafinare a cuprului - cum altfel poate avea loc decaparea chimică a metalelor dorite?

Deoarece electroliza este acțiunea sulfaților și a curentului, care este metoda electrolitică pentru obținerea produselor pure? Lucruri complet diferite, deși asemănătoare ca sună a numelor. Cu toate acestea, rafinarea electrică a cuprului se bazează pe utilizarea acizilor. Putem spune că aceasta este oxidarea metalului, dar nu chiar.

Producția curată este importantă pentru fabricarea firelor electrice, deoarece conductivitatea electrică a cuprului este redusă de impurități. Aceste impurități includ metale prețioase, cum ar fi:

• argint,
• aur;
• platină.

Când sunt îndepărtate prin electroliză și restaurate în același mod, electricitatea este cheltuită atât cât ar fi suficientă pentru a furniza energie electrică a zeci de case. Componenta purificată economisește energie, alimentând și mai multe case în mai puțin timp.

În rafinarea electrolitică, o compoziție impură este realizată dintr-un anod într-o baie electrolitică de sulfat de cupru - CuSO₄ și acid sulfuric H_{2 SO 4}. Catodul este o foaie de cupru foarte pur. Pe măsură ce curentul trece prin soluție, ionii de cupru pozitivi, Cu₂₊ sunt atrași de catod, unde preiau electroni și se depun ca atomi neutri, creând astfel tot mai mult metal pur la catod. Între timp, atomii din anod donează electroni și se dizolvă în soluția de electrolit sub formă de ioni. Dar impuritățile din anod nu intră în soluție deoarece atomii de argint, aur și platină nu se oxidează (devin ioni pozitivi) la fel de ușor ca cuprul. Astfel, argintul, aurul și platina cad pur și simplu din anod în fundul rezervorului, unde pot fi curățate.

Dar există și rafinarea electrolitică a cuprului atunci când se folosesc rezervoare:

1. Rezervele de tratare electrolitică suntatelier separat în producția industrială. Plăcile anodice sunt suspendate de „mânere” în rezervor pentru curățarea cuprului electrolitic. Foile catodice de cupru pur suspendate pe tije solide sunt introduse în același rezervor, câte o foaie între fiecare anod. Când un curent electric este trecut de la anozi prin electrolit la catozi, cuprul de la anozi se deplasează în soluție și se depune pe foaia de pornire. Impuritățile de la anozi se depun pe fundul rezervorului.
2. Mașină de turnat prin injecție cu anozi (plăci) de cupru. Se va transforma fără probleme în plăci anodice în matrițe. După pretratare, staniul, plumbul, fierul și aluminiul sunt îndepărtate. Apoi, materialul de cupru începe să fie încărcat în cuptor, urmat de procesul de topire.
3. Când impuritățile sunt îndepărtate, urmează faza de îndepărtare a zgurii și de reducere cu gaz natural. Reducerea are ca scop eliminarea oxigenului liber. După recuperare, procesul se termină cu turnare, unde produsul final este turnat sub formă de anozi de cupru. Aceeași mașină poate fi folosită pentru a turna acești anozi în timpul reciclării componentelor sau pentru a recicla anozi pentru fier vechi într-o topitorie de cupru cu electroliză.
4. Curățați foile catodice. Anozii modificatori extrași din cuptorul de rafinare sunt transformați în cupru electrolitic cu o puritate de 99,99% prin procesul de electroliză. În timpul electrolizei, ionii de cupru părăsesc un anod de cupru impur și, deoarece sunt pozitivi, migrează către catod.

Din când în când metalul pur este răzuit de pe catod. impurități ale anodului de cupru, cum ar fi aurul,argintul, platina și staniul se colectează în partea de jos a soluției de electrolit și precipită sub formă de slime anodic. Acest proces se numește producția electrolitică și rafinarea cuprului.

Obținerea unei fosile - ce feluri există și sunt toate necesare în practică?

Un mod ușor diferit de a curăța metalul. Există, de asemenea, focul și rafinarea electrolitică a cuprului, când un proces urmează imediat altul. O etapă importantă de „separare” devine concentrarea sau concentrarea. Odată ce concentrarea este completă, următorul pas în crearea produsului finit este rafinarea la foc a cuprului.

De obicei, acest lucru se întâmplă lângă o mină, la o fabrică de procesare sau la o topitorie. La rafinarea cuprului, materialul nedorit este îndepărtat treptat, iar cuprul este concentrat până la o puritate de până la 99,99% Grad A. Detaliile procesului de rafinare depind de tipul de minerale cu care este asociat metalul. Minereul de cupru bogat în sulfuri este prelucrat pirometalurgic.

Rafinare și pirometalurgie:

1. În pirometalurgie, concentratul de cupru este uscat înainte de a fi încălzit într-un cuptor. Reacțiile chimice care apar în timpul procesului de încălzire fac ca concentratul să se separe în două straturi de material: un strat mat și un strat de zgură. Stratul mat din partea de jos conține cupru, în timp ce stratul de zgură de deasupra conține impurități.
2. Zgura este aruncată, iar stratul mat este restaurat și mutat într-un vas cilindric numit traductor. La convertizor se adaugă diverse substanțe chimice care reacționează cu cuprul. Aceasta duce la formarea cuprului convertit, numit„blister”. Odată precipitat, este extras și apoi supus unui alt proces numit curățare la foc.
3. Într-un epurator cu foc, aerul și gazul natural sunt suflate pentru a îndepărta sulful și oxigenul rămas, determinând ca compoziția rafinată să fie procesată în catod. Metalul este turnat în anozi și plasat într-un electrolizor. După încărcare, cuprul pur este colectat la catod și îndepărtat ca produs 99% pur.

Rafinare și hidrometalurgie:

1. În hidrometalurgie, concentratul de cupru este prelucrat printr-unul din mai multe procese. Cea mai puțin obișnuită metodă este cementarea, în care metalul este depus pe fier vechi într-o reacție redox.
2. Metoda de purificare mai utilizată este extracția cu solvent și electroliza. Această nouă tehnologie s-a răspândit în anii 1980, iar aproximativ 20% din cuprul lumii este acum produs în acest fel.
3. Extracția cu solvent începe cu un solvent organic care separă metalul de impurități și materiale nedorite. Apoi se adaugă acid sulfuric pentru a separa cuprul de solventul organic pentru a forma o soluție electrolitică.
4. Această soluție este apoi supusă unui proces de electroliză care pur și simplu pune cuprul în soluție pe catod. Acest catod poate fi vândut ca atare, dar poate fi transformat și în tije sau foi de sursă pentru alte electrolizoare.

Companiile miniere pot vinde cupru sub formă de concentrat sau catod. CumDupă cum sa menționat mai sus, concentratul este cel mai adesea rafinat în altă parte decât la mine. Producătorii de concentrate vând pulbere concentrată care conține 24 până la 40% cupru către topitorii și rafinăriile de cupru. Condițiile de vânzare sunt unice pentru fiecare topitorie, dar, în general, topitoria plătește minerului aproximativ 96% din costul conținutului de cupru din concentrat, minus taxele de procesare și costurile de rafinare.

Topitoriile percep în general taxe, dar pot vinde și metal rafinat în numele minerilor. Astfel, întregul risc (și recompensă) din fluctuațiile prețurilor cuprului cade pe umerii revânzătorilor.

Rafinarea la foc - cât de periculos este?

Cea mai tare rafinare la foc poate fi periculoasă, dar metoda de procesare este utilizată în prezent de majoritatea fabricilor industriale. Separat, merită să descrieți tehnologia de rafinare a cuprului blister.

Cupru blister este deja aproape pur (mai mult de 99% cupru). Dar pentru piața de astăzi, aceasta nu este foarte „curată”. Metalul este în continuare purificat folosind electroliză. În producția industrială, se folosește o metodă numită rafinarea la foc a cuprului blister. Cuprul de cerneală este turnat în plăci mari pentru a fi folosit ca anozi în electrolizor. Post-rafinarea electrolitică produce metalul de în altă calitate și puritate ridicată cerut de industrie.

În industrie, acest lucru se face la scară masivă. Chiar și cea mai bună metodă chimică nu poate elimina toate impuritățile din cupru, dar rafinarea electrolitică poate produce cupru pur 99,99%.

1. Bisterele cu anod sunt scufundate într-un electrolit care conține sulfat de cupru și acid sulfuric.
2. Există catozi curați între ei și un curent de peste 200 A trece prin soluție.

În aceste condiții, atomii de cupru se dizolvă din anodul impur pentru a forma ioni de cupru. Ei migrează către catozi, unde sunt depozitați înapoi ca atomii de cupru pur.

• La anod: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• La catod: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Când întrerupătorul se închide, ionii de cupru de la anod vor începe să se deplaseze prin soluție spre catod. Atomii de cupru au cedat deja doi electroni pentru a deveni ioni, iar electronii lor sunt liberi să se miște în fire. Închiderea comutatorului împinge electronii în sensul acelor de ceasornic și provoacă depunerea unor ioni de cupru în soluție.

Placa respinge ionii de la anod la catod. În același timp, împinge electroni liberi în jurul firelor (acești electroni sunt deja distribuiți peste fire). Electronii din catod se recombină cu ionii de cupru din soluție, formând un nou strat de atomi de cupru. Treptat, anodul este distrus, iar catodul crește. Impuritățile insolubile din anod cad la fund pentru a precipita. Acest valoros produs bio este în curs de eliminare.

Aurul, argintul, platina și staniul sunt insolubile în acest electrolit și, prin urmare, nu se depun pe catod. Ele formează un „nămol” valoros care se acumulează sub anozi.

Impuritățile solubile de fier și nichel sunt dizolvate în electrolit, care trebuie curățat constant pentru a preveni depunerea excesivă pe catozi, ceea ce va reduce puritatea cuprului. Recent, catozii din oțel inoxidabil au fost înlocuiți cu catozi de cupru. Au loc aceleași reacții chimice. Periodic, catozii sunt îndepărtați și cuprul pur este purificat. Producția electrolitică și rafinarea cuprului în aceste condiții este destul de comună în fabricile de prelucrare a metalelor neferoase.

Versiune electrochimică a purificării metalelor

Curățarea la foc poate fi numită chimică, deoarece în acest proces are loc o reacție chimică cu alte substanțe și impurități. Cele de mai sus a fost un exemplu de reacție oxidativă. Toate tipurile și metodele de extracție a cuprului pur sunt similare, la fel ca și rafinarea electrochimică a cuprului, unde sunt folosite tactici identice, dar într-o secvență diferită.

Elementul chimic auxiliar devine însuși produsul secundar:

• Sodă caustică
• Clor.
• hidrogen.

Acesta este cel mai ieftin mod de a obține materii prime scumpe fără a cheltui bani pe un sistem de extracție cu componente alternative. În plus, sunt extrase metale valoroase, care sunt nobile ca compoziție și valoroase în invenția industrială a aparatelor electrice.

Cuptor de cupru – Industria gătitului metalic

Cuptorul de rafinare a cuprului ars este special conceput și capabil să prelucreze deșeurile de cupru în metal lichid cu impurități controlate. Este conceput pentru prelucrarea pirometalurgică a deșeurilortehnologie economică și ecologică. Tehnologia principală propusă pentru producerea cuprului topit este potrivită pentru producția de stick de cupru, benzi, țagle sau alte produse din cupru folosind resturi ca materie primă (Cu> 92%).

Capacitatea sistemelor de incinerare și curățare a fost calculată pentru un ciclu de curățare (de la încărcare până la recuperare) de 16-24 ore, în funcție de tipul deșeurilor. Cuptoarele de rafinare a cuprului au design și funcții speciale:

1. Corpul cuptorului este realizat din segmente de oțel și structuri rigide de tip secțiune.
2. Furnalul este căptușit cu material refractar din interior.
3. Este echipat cu o stație hidraulică care funcționează în modul cuptor basculant cu două viteze: viteză de fluaj la înclinare pentru turnare și viteză mare în timpul mișcării, care nu necesită multă precizie.
4. Operațiunile se efectuează prin intermediul a doi cilindri hidraulici instalați la fundul cuptorului. Un dispozitiv special readuce cuptorul în poziție orizontală în timpul întreruperilor de curent.
5. Trapa de încărcare a materialului se află pe partea laterală a cuptorului. Este închis de o ușă antrenată de un cilindru hidraulic.
6. Furnalul este echipat cu lănci răcite pentru operațiuni de oxidare și reducere a cuprului.

Există, de asemenea, un arzător universal care consumă atât combustibili lichizi, cât și gazoși.

Rafinarea oxidativă în industrie

Operarea de oxidare a cuprului se realizează după terminarea topirii materiei prime. Procesul se realizează prin injectarea de aer comprimat în topitură prin tuyere. Zgura rezultată este îndepărtată manual de pe suprafața topiturii folosind o greblă specială și aruncată într-un recipient. Zgura conține cupru, impurități, plumb, staniu etc. Procesul de reducere trebuie efectuat pentru a elimina oxigenul din topitură și a reduce oxizii de cupru. Operația se realizează prin injectarea de gaz natural în topitură.

Din cuptor, gazele de eșapament sunt introduse în sistemul de curățare a gazelor, trec prin colectorul de praf, care captează praful grosier. Colectorul este echipat cu o conductă de aerisire în caz de eliberare de gaz de urgență în atmosferă. Cuptorul de curățare a focului funcționează continuu. Ciclul de lucru al procesului tehnologic include:

• se încarcă materii prime;
• oxidare, zgură, reducere;
• se încarcă metal rafinat.

Întregul proces ulterior se numește rafinare oxidativă a cuprului. Nu poate fi separat de procesul general de rafinare, deoarece face parte din întreaga metodă de producere a metalului pur. După eliminarea parametrilor necesari, topitura de cupru este utilizată pentru următorul proces tehnologic.

Rafinarea cu iodură a metalelor neferoase

Ionii de cupru (II) oxidează ionii de iodură la iod molecular, iar în acest proces ei înșiși sunt reduși la iodură de cupru (I). Amestecul original mixt maro s-a separat într-un precipitat alb murdar de iodură de cupru (I) în soluția de iod. Utilizați această reacție pentru a determina concentrația ionilor de cupru (II) în soluție. Dacă adăugați volumul de soluție prescris în balon,care conține ioni de cupru (II), apoi adăugați un exces de soluție de iodură de potasiu, veți obține reacția descrisă mai sus.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2CuI + I 2 _{(soluție de apă)}

Puteți găsi cantitatea de iod eliberată prin titrare cu soluție de tiosulfat de sodiu.

2S₂O₂^-3 (soluție) + I ₂ (soluție) → S₄O₂^-6 (soluție de apă) + 2I^{- (soluție apoasă)}

Când soluția de tiosulfat de sodiu este rulată din biuretă, culoarea iodului dispare. Când aproape totul a dispărut, adăugați amidon. Întreaga reacție de rafinare cu iodură de cupru va fi reversibilă cu iod pentru a produce un complex amidon-iod de un albastru intens, care este mult mai ușor de observat.

Adăugați ultimele picături de soluție de tiosulfat de sodiu până când culoarea albastră dispare. Dacă urmăriți proporțiile prin cele două ecuații, veți descoperi că pentru fiecare 2 moli de ioni de cupru (II) cu care ar fi trebuit să începeți, aveți nevoie de 2 moli de soluție de tiosulfat de sodiu. Dacă cunoașteți concentrația soluției de tiosulfat de sodiu, este ușor să calculați concentrația ionilor de cupru (II). Rezultatul acestei încercări este obținerea unui compus simplu de cupru (I) în soluție.

Tratament cu fosfor

Rafinarea cuprului cu fosfor este un cupru dur dezoxidat cu fosfor, care este o rășină durabilă de uz general. Este dezoxidat de cupru fosfor, în care fosforul rezidual este menținut la un nivel scăzut (0,005-0,013%) pentru a obține o conductivitate electrică bună. Are o conductivitate termică bună și proprietăți excelente de sudare și lipire. Oxidul după rafinarea cuprului în acest fel, rămas în rășina solidă de cupru, este îndepărtat cu fosfor, care este cel mai frecvent utilizat dezoxidant.

Tabelul arată performanțe diferite de la starea recoaptă (moale) la cea dura a cuprului.

Rezistența la tracțiune	220-385 N/mm2
Rezistența la rupere	60-325 N/mm2
Lungime	55-4 %
Duritate (HV)	45-155
Conductivitate electrică	90-98 %
Conductivitate termică	350-365 W/cm

Drive Frames conectează cablurile la bornele electrice de pe suprafața semiconductoarelor și circuitele la scară mare de pe dispozitivele electrice și plăcile de circuite imprimate. Materialul este selectat pentru a satisface cerințele procesului și pentru a fi de încredere în instalare și exploatare.

Compoziția cuprului după electroliză

Compoziția cuprului după rafinarea la foc include 99,2% din metal. Mult mai puțin din el rămâne în anozi. Când impuritățile sunt complet îndepărtate, în compoziție rămân 130 g/l de baze catodice. Soluția apoasă de vitriol devine slabă, iar componenta acidă a catozilor de cupru ajunge la 140-180 g/l. Cuprul blister conține 99,5% din metal, fierul are 0,10%, zinc până la 0,05%, iar aurul și argintul au doar 1-200 g/t.