Elektrolytická rafinace mědi: složení, vzorce a reakce

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 13:51

Rafinace mědi je proces rafinace kovu elektrolýzou. Čištění elektrolýzou je nejjednodušší způsob, jak dosáhnout 99,999% čistoty mědi. Elektrolýza zlepšuje kvalitu mědi jako elektrického vodiče. Elektrická zařízení často obsahují elektrolytickou měď.

Co je to?

Rafinace mědi nebo elektrolýza využívá anodu, která obsahuje nečistou měď. Vzniká koncentrací rudy. Katoda se skládá z čistého kovu (titan nebo nerezová ocel). Roztok elektrolytu se skládá ze síranu. Proto lze tvrdit, že rafinace mědi a elektrolýza jsou jedno a totéž. Elektrický proud způsobí, že ionty mědi z anod vstoupí do roztoku a usadí se na katodě. V tomto případě nečistoty buď odcházejí, nebo tvoří sraženinu, nebo zůstávají v roztoku. Katoda je větší než čistá měď a anoda se smršťuje.

Elektrolytické články využívají externí stejnosměrný zdroj k reakci na reakce, které by jinak nebyly spontánní. Elektrolytické reakcepoužívá se k čištění plechů na mnoha typech substrátů.

Použití elektrolytického procesu k čištění kovu (rafinace mědi, elektrolýza kovu):

1. Vzhledem k tomu, že nečistoty mohou výrazně snížit vodivost měděných drátů, je nutné znečištěnou měď vyčistit. Jednou z metod čištění je elektrolýza.
2. Když se pásek nečisté kovové mědi použije jako anoda při elektrolýze vodného přípravku síranu měďnatého, měď se oxiduje. Jeho oxidace probíhá snadněji než oxidace vody. Proto se kovová měď rozpouští v roztoku ve formě iontů mědi a zanechává za sebou mnoho nečistot (méně aktivní kovy).
3. Ionty mědi vytvořené na anodě migrují ke katodě, kde se snáze redukují než voda a kovové „desky“na katodě.

Mezi elektrodami je nutné propouštět dostatečný proud, jinak dojde k nespontánní reakci. Pečlivým nastavením elektrického potenciálu, kovových nečistot, které jsou dostatečně aktivní, aby oxidovaly měď na anodě, se látky na katodě neredukují a kov se selektivně ukládá.

Důležité! Ne všechny kovy se redukují nebo oxidují snadněji než voda. Pokud ano, elektrochemická reakce vyžadující nejnižší potenciál proběhne jako první. Například, pokud bychom použili elektrody, jak anodu, tak katodu, kovový potenciál by se na anodě oxidoval, ale pak by se voda na katodě snížila a hliníkové ionty by zůstaly v roztoku.

K vytvoření elektrolýzy je třeba použítnásledující metoda rafinace mědi:

1. Nalijte roztok síranu měďnatého do sklenice.
2. Vložte dvě grafitové tyčinky do roztoku síranu měďnatého.
3. Připojte jednu elektrodu k záporné svorce stejnosměrného napájení a druhou ke kladné svorce.
4. Naplňte dvě malé zkumavky úplně roztokem síranu měďnatého a na každou elektrodu umístěte zátku.
5. Zapněte zdroj napájení a zkontrolujte, co se děje na každé elektrodě.
6. Otestujte jakýkoli plyn produkovaný hořící pneumatikou.
7. Zaznamenejte svá pozorování a výsledky testů.

Výsledky by měly vypadat takto:

• V roztoku se objevují hnědé nebo růžové pevné látky.
• Jsou tam bubliny.
• Bubliny by měly být bezbarvé.
• Látka v plynné formě.

Všechny výsledky jsou zaznamenávány, poté je plyn uhašen pneumatikou. Existuje také další způsob, jak vyčistit kov od nečistot a nečistot třetích stran - to je rafinace mědi ohněm. Jak se to stane, řekneme později, ale nyní představíme další možnosti rafinace kovu.

Metody rafinace mědi – jak jinak může probíhat chemické odstraňování požadovaných kovů?

Vzhledem k tomu, že elektrolýza je působením síranů a proudu, jaká je elektrolytická metoda pro získání čistých produktů? Úplně jiné věci, i když podobné ve znějících jménech. Elektrická rafinace mědi je však založena na použití kyselin. Můžeme říci, že se jedná o oxidaci kovu, ale ne tak docela.

Čistá výroba je důležitá pro výrobu elektrického drátu, protože elektrická vodivost mědi je snížena nečistotami. Mezi tyto nečistoty patří drahé kovy jako:

• stříbrná,
• zlato;
• platina.

Když jsou odstraněny elektrolýzou a stejným způsobem obnoveny, spotřebuje se elektřina tolik, kolik by stačilo na zásobování elektřinou desítek domácností. Vyčištěná součást šetří energii a napájí ještě více domácností za kratší dobu.

Při elektrolytické rafinaci se nečisté složení vyrábí z anody v elektrolytické lázni síranu měďnatého - CuSO₄ a kyseliny sírové H_{2 SO 4}. Katoda je plát z velmi čisté mědi. Jak proud prochází roztokem, kladné ionty mědi, Cu₂₊ jsou přitahovány ke katodě, kde přijímají elektrony a ukládají se jako neutrální atomy, čímž vzniká na katodě stále více čistého kovu. Mezitím atomy v anodě darují elektrony a rozpouštějí se v roztoku elektrolytu jako ionty. Nečistoty v anodě však nejdou do roztoku, protože atomy stříbra, zlata a platiny neoxidují (nestávají se kladnými ionty) tak snadno jako měď. Stříbro, zlato a platina tedy jednoduše spadnou z anody na dno nádrže, kde je lze vyčistit.

Při použití nádrží však dochází také k elektrolytické rafinaci mědi:

1. Nádrže na elektrolytickou úpravu jsousamostatná dílna v průmyslové výrobě. Anodové desky jsou zavěšeny za "držadla" v nádrži pro čištění elektrolytické mědi. Katodové plechy z čisté mědi zavěšené na pevných tyčích jsou vloženy do stejné nádrže, jeden plech mezi každou anodu. Když elektrický proud prochází z anod přes elektrolyt ke katodám, měď z anod se přesune do roztoku a uloží se na startovací list. Nečistoty z anod se usazují na dně nádrže.
2. Vstřikovací lis s měděnými anodami (deskami). Ve formách se plynule změní na anodové desky. Po předúpravě se odstraní cín, olovo, železo a hliník. Dále se měděný materiál začne plnit do pece a následuje proces tavení.
3. Po odstranění nečistot následuje fáze odstraňování strusky a redukce zemním plynem. Redukce je zaměřena na odstranění volného kyslíku. Po regeneraci proces končí odléváním, kdy se finální produkt odlévá jako měděné anody. Stejný stroj lze použít k odlévání těchto anod během recyklace součástí nebo k recyklaci anod pro kovový šrot v elektrolýzně měděné huti.
4. Vyčistěte katodové listy. Modifikační anody extrahované z rafinační pece jsou procesem elektrolýzy přeměněny na elektrolytickou měď s čistotou 99,99 %. Během elektrolýzy opouštějí ionty mědi nečistou měděnou anodu, a protože jsou kladné, migrují ke katodě.

Čas od času je z katody seškrábán čistý kov. nečistoty měděné anody, jako je zlato,stříbro, platina a cín se shromažďují na dně roztoku elektrolytu a vysrážejí se jako anodový sliz. Tento proces se nazývá elektrolytická výroba a rafinace mědi.

Získání fosílie – jaké druhy existují a jsou všechny nutné v praxi?

Trochu jiný způsob čištění kovu. Dochází také k ohni a elektrolytické rafinaci mědi, kdy jeden proces bezprostředně následuje za druhým. Důležitým „oddělovacím“stádiem se stává koncentrace nebo koncentrace. Jakmile je koncentrace dokončena, dalším krokem při vytváření hotového produktu je rafinace měděným ohněm.

Obvykle se to děje v blízkosti dolu, ve zpracovatelském závodě nebo v huti. Rafinací mědi se postupně odstraňuje nežádoucí materiál a měď se koncentruje na čistotu až 99,99 % stupně A. Podrobnosti procesu rafinace závisí na typu minerálů, se kterými je kov spojen. Měděná ruda bohatá na sulfidy se zpracovává pyrometalurgicky.

Rafinace a pyrometalurgie:

1. V pyrometalurgii se měděný koncentrát před ohřevem v peci suší. Chemické reakce, ke kterým dochází během procesu zahřívání, způsobují, že se koncentrát rozdělí na dvě vrstvy materiálu: matnou vrstvu a vrstvu strusky. Matná vrstva na spodní straně obsahuje měď, zatímco vrstva strusky nahoře obsahuje nečistoty.
2. struska se vyhodí a matná vrstva se obnoví a přesune do válcové nádoby zvané převodník. Do konvertoru se přidávají různé chemikálie, které reagují s mědí. To vede ke vzniku přeměněné mědi, tzv„puchýř“. Jakmile se vysráží, je extrahován a poté podroben dalšímu procesu zvanému čištění ohněm.
3. V pračce ohně se vzduch a zemní plyn profukují, aby se odstranila zbývající síra a kyslík, což způsobí, že se rafinovaná směs zpracuje na katodu. Kov je odlit do anod a umístěn do elektrolyzéru. Po nabití se čistá měď shromáždí na katodě a odstraní se jako 99% čistý produkt.

Rafinace a hydrometalurgie:

1. V hydrometalurgii se měděný koncentrát zpracovává jedním z několika procesů. Nejméně běžnou metodou je nauhličování, kdy se kov ukládá na kovový šrot redoxní reakcí.
2. Rozšířenější metodou čištění je extrakce rozpouštědlem a elektrolýza. Tato nová technologie se rozšířila v 80. letech 20. století a přibližně 20 % světové mědi se nyní vyrábí tímto způsobem.
3. Extrakce rozpouštědlem začíná organickým rozpouštědlem, které odděluje kov od nečistot a nežádoucích materiálů. Poté se přidá kyselina sírová, aby se oddělila měď od organického rozpouštědla a vytvořil se elektrolytický roztok.
4. Tento roztok je poté podroben procesu elektrolýzy, který jednoduše umístí měď do roztoku na katodu. Tuto katodu lze prodávat tak, jak je, ale lze z ní také vyrobit tyče nebo zdrojové listy pro jiné elektrolyzéry.

Těžební společnosti mohou prodávat měď ve formě koncentrátu nebo katody. JakJak již bylo uvedeno výše, koncentrát se nejčastěji rafinuje jinde než v místě dolu. Výrobci koncentrátů prodávají práškový koncentrát obsahující 24 až 40 % mědi do hutí a rafinérií mědi. Podmínky prodeje jsou jedinečné pro každou huť, ale obecně platí, že huť platí těžaři přibližně 96 % nákladů na obsah mědi v koncentrátu, mínus poplatky za zpracování a náklady na rafinaci.

Hutiny obecně účtují mýtné, ale mohou také prodávat rafinovaný kov jménem horníků. Celé riziko (a odměna) z kolísání cen mědi tak padá na bedra prodejců.

Ohňová rafinace – jak nebezpečná je?

Ta nejžhavější rafinace ohněm může být nebezpečná, ale metodu zpracování v současnosti používá většina průmyslových závodů. Samostatně stojí za to popsat technologii rafinace bublinkové mědi.

Blistrová měď je již téměř čistá (více než 99 % mědi). To ale pro dnešní trh není příliš „čisté“. Kov se dále čistí pomocí elektrolýzy. V průmyslové výrobě se používá metoda zvaná ohnivá rafinace puchýřkové mědi. Inkoustová měď se odlévá do velkých desek, které se použijí jako anody v elektrolyzéru. Elektrolytická dodatečná rafinace produkuje vysoce kvalitní, vysoce čistý kov požadovaný průmyslem.

V průmyslu se to děje v masivním měřítku. Ani ta nejlepší chemická metoda nedokáže z mědi odstranit všechny nečistoty, ale elektrolytickou rafinací lze získat 99,99% čistou měď.

1. Anodové puchýře jsou ponořeny do elektrolytu obsahujícího síran měďnatý a kyselinu sírovou.
2. Mezi nimi jsou čisté katody a roztokem prochází proud větší než 200 A.

Za těchto podmínek se atomy mědi rozpouštějí z nečisté anody a vytvářejí ionty mědi. Migrují ke katodám, kde se ukládají zpět jako čisté atomy mědi.

• Na anodě: Cu(y) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• Na katodě: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Když se spínač sepne, ionty mědi na anodě se začnou pohybovat roztokem směrem ke katodě. Atomy mědi se již vzdaly dvou elektronů, aby se staly ionty, a jejich elektrony se mohou volně pohybovat po drátech. Sepnutí spínače tlačí elektrony ve směru hodinových ručiček a způsobí, že se některé ionty mědi usadí v roztoku.

Deska odpuzuje ionty od anody ke katodě. Zároveň tlačí volné elektrony kolem vodičů (tyto elektrony jsou již rozmístěny po vodičích). Elektrony v katodě se rekombinují s ionty mědi z roztoku a vytvoří novou vrstvu atomů mědi. Postupně se anoda ničí a katoda roste. Nerozpustné nečistoty v anodě padají na dno, aby se vysrážely. Tento cenný bio produkt se odstraňuje.

Zlato, stříbro, platina a cín jsou v tomto elektrolytu nerozpustné, a proto se neusazují na katodě. Tvoří cenný „bahno“, které se hromadí pod anodami.

Rozpustné nečistoty železa a niklu se rozpouštějí v elektrolytu, který je nutné neustále čistit, aby se zabránilo nadměrnému usazování na katodách, které sníží čistotu mědi. Nedávno byly nerezové katody nahrazeny měděnými katodami. Probíhají stejné chemické reakce. Pravidelně se odstraňují katody a čistí se čistá měď. Elektrolytická výroba a rafinace mědi za těchto podmínek je v závodech na zpracování neželezných kovů zcela běžná.

Elektrochemická verze čištění kovů

Čištění ohněm lze nazvat chemickým, protože při tomto procesu dochází k chemické reakci s jinými látkami a nečistotami. Výše uvedené bylo příkladem oxidační reakce. Všechny typy a metody získávání čisté mědi jsou podobné, stejně jako elektrochemická rafinace mědi, kde se používají stejné taktiky, ale v jiném pořadí.

Chemický pomocný prvek se stává samotným vedlejším produktem:

• louh sodný
• Chlor.
• Vodík.

Toto je nejlevnější způsob, jak získat drahé suroviny, aniž byste museli utrácet peníze za alternativní systém těžby komponent. Kromě toho se těží cenné kovy, které jsou ušlechtilé složením a cenné v průmyslovém vynálezu elektrických spotřebičů.

Měděná pec – kovový kuchařský průmysl

Pec na rafinaci vypálené mědi je speciálně navržena a schopna zpracovávat šrot mědi na tekutý kov s kontrolovanými nečistotami. Je určen pro pyrometalurgické zpracování šrotuekonomická a ekologická technologie. Hlavní technologie navrhovaná pro výrobu roztavené mědi je vhodná pro výrobu měděných tyčinek, pásků, sochorů nebo jiných měděných výrobků za použití šrotu jako suroviny (Cu> 92 %).

Kapacita spalovacích a čisticích systémů byla vypočtena pro čisticí cyklus (od nabití po regeneraci) 16-24 hodin v závislosti na typu šrotu. Pece na rafinaci mědi mají speciální design a funkce:

1. Tělo pece je vyrobeno z ocelových segmentů a pevných profilových konstrukcí.
2. Pec je zevnitř vyložena žáruvzdorným materiálem.
3. Je vybaven hydraulickou stanicí pracující v režimu naklápěcí pece se dvěma rychlostmi: plíživou rychlostí při naklánění pro lití a vysokou rychlostí při pohybu, která nevyžaduje velkou přesnost.
4. Operace se provádějí pomocí dvou hydraulických válců instalovaných ve spodní části pece. Speciální zařízení vrátí troubu při výpadku proudu do vodorovné polohy.
5. Poklop pro vkládání materiálu se nachází na boku trouby. Uzavírá se dveřmi poháněnými hydraulickým válcem.
6. Pec je vybavena chlazenými přívodními trubkami pro operace oxidace a redukce mědi.

Existuje také jeden univerzální hořák, který spotřebovává kapalná i plynná paliva.

Oxidační rafinace v průmyslu

Provoz oxidace mědi se provádí po dokončení tavení suroviny. Proces se provádí vstřikováním stlačeného vzduchu do taveniny přes trysky. Vzniklá struska se ručně odstraňuje z povrchu taveniny pomocí speciálních hrábí a vysypává se do nádoby. Struska obsahuje měď, nečistoty, olovo, cín atd. Proces redukce musí být proveden k odstranění kyslíku z taveniny a redukci oxidů mědi. Operace se provádí vstřikováním zemního plynu do taveniny.

Z pece jsou výfukové plyny přiváděny do systému čištění plynu, procházejí sběračem prachu, který zachycuje hrubý prach. Kolektor je vybaven odvzdušňovacím potrubím pro případ nouzového úniku plynu do atmosféry. Požární čistící pec pracuje nepřetržitě. Pracovní cyklus technologického procesu zahrnuje:

• nakládání surovin;
• oxidace, struska, redukce;
• nakládání rafinovaného kovu.

Celý následný proces se nazývá oxidační rafinace mědi. Nelze jej oddělit od celkového procesu rafinace, protože je součástí celé metody výroby čistého kovu. Po odstranění požadovaných parametrů je tavenina mědi použita pro další technologický proces.

Rafinace neželezných kovů jodidem

Ionty mědi(II) oxidují jodidové ionty na molekulární jod a při tomto procesu se samy redukují na jodid měďný(I). Původní směsná hnědá směs se rozdělila na bělavou sraženinu jodidu měďného v roztoku jodu. Tuto reakci použijte ke stanovení koncentrace iontů mědi (II) v roztoku. Pokud do baňky přidáte předepsaný objem roztoku,obsahující ionty mědi (II) a poté přidejte přebytek roztoku jodidu draselného, dostanete reakci popsanou výše.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2CuI (s) + I 2 _{(vodní roztok)}

Množství jódu uvolněného můžete zjistit titrací roztokem thiosíranu sodného.

2S₂O₂^-3 (řešení) + I ₂ (roztok) → S₄O₂^-6 (vodní roztok) + 2I^{- (vodný roztok)}

Když roztok thiosíranu sodného vyteče z byrety, barva jódu zmizí. Když je téměř vše pryč, přidejte škrob. Celá rafinační reakce jodidu měďnatého bude reverzibilní pomocí jódu za vzniku tmavě modrého komplexu škrob-jód, který je mnohem lépe vidět.

Přidávejte posledních pár kapek roztoku thiosíranu sodného, dokud modrá barva nezmizí. Pokud budete sledovat proporce pomocí dvou rovnic, zjistíte, že na každé 2 moly měďnatých iontů, se kterými jste měli začít, potřebujete 2 moly roztoku thiosíranu sodného. Pokud znáte koncentraci roztoku thiosíranu sodného, je snadné vypočítat koncentraci iontů mědi (II). Výsledkem tohoto pokusu je získat jednoduchou sloučeninu mědi (I) v roztoku.

Úprava fosforem

Rafinace mědi na bázi fosforu je tvrdá měď deoxidovaná fosforem, což je odolná pryskyřice pro všeobecné použití. Je deoxidován fosforem mědi, ve kterém je zbytkový fosfor udržován na nízké úrovni (0,005-0,013%) pro dosažení dobré elektrické vodivosti. Má dobrou tepelnou vodivost a vynikající svařovací a pájecí vlastnosti. Oxid po rafinaci mědi tímto způsobem, který zůstává v pevné měděné pryskyřici, je odstraněn fosforem, který je nejběžněji používaným deoxidačním činidlem.

Tabulka ukazuje různé vlastnosti od žíhaného (měkkého) po tvrdý stav mědi.

Pevnost v tahu	220–385 N/mm2
Síla v slzách	60–325 N/mm2
Length	55-4 %
Tvrdost (HV)	45-155
Elektrická vodivost	90–98 %
Tepelná vodivost	350–365 W/cm

Montážní rámy připojují kabeláž k elektrickým svorkám na povrchu polovodiče a velkoplošné obvody na elektrických zařízeních a deskách plošných spojů. Materiál je vybrán tak, aby vyhovoval procesním požadavkům a byl spolehlivý při instalaci a provozu.

Složení mědi po elektrolýze

Složení mědi po rafinaci ohněm obsahuje 99,2 % kovu. Mnohem méně ho zůstává v anodě. Po úplném odstranění nečistot zůstává v kompozici 130 g/l katodových bází. Vodný roztok vitriolu zeslábne a kyselá složka měděných katod dosahuje 140-180 g/l. Blistrová měď obsahuje 99,5 % kovu, železo má 0,10 %, zinek až 0,05 % a zlato a stříbro jsou pouze 1-200 g/t.