Elektrolytická rafinácia medi: zloženie, vzorce a reakcie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Rafinácia medi je proces rafinácie kovu elektrolýzou. Čistenie elektrolýzou je najjednoduchší spôsob, ako dosiahnuť 99,999% čistotu medi. Elektrolýza zlepšuje kvalitu medi ako elektrického vodiča. Elektrické zariadenia často obsahujú elektrolytickú meď.

Čo je toto?

Rafinácia medi alebo elektrolýza využíva anódu, ktorá obsahuje nečistú meď. Vzniká koncentráciou rudy. Katóda pozostáva z čistého kovu (titán alebo nehrdzavejúca oceľ). Roztok elektrolytu pozostáva zo síranu. Preto možno tvrdiť, že rafinácia medi a elektrolýza sú jedno a to isté. Elektrický prúd spôsobuje, že ióny medi z anód vstupujú do roztoku a ukladajú sa na katóde. V tomto prípade nečistoty buď odchádzajú, alebo tvoria zrazeninu, alebo zostávajú v roztoku. Katóda je väčšia ako čistá meď a anóda sa zmršťuje.

Elektrolytické články využívajú externý zdroj jednosmerného prúdu na reakcie na reakcie, ktoré by inak neboli spontánne. Elektrolytické reakciepoužíva sa na čistenie doskových kovov na mnohých typoch substrátov.

Používanie elektrolytického procesu na čistenie kovu (rafinácia medi, elektrolýza kovu):

1. Pretože nečistoty môžu výrazne znížiť vodivosť medených drôtov, je potrebné vyčistiť kontaminovanú meď. Jednou z metód čistenia je elektrolýza.
2. Keď sa pásik nečistej kovovej medi použije ako anóda pri elektrolýze vodného prípravku síranu meďnatého, meď sa oxiduje. Jeho oxidácia prebieha ľahšie ako oxidácia vody. Preto sa kovová meď rozpúšťa v roztoku vo forme iónov medi a zanecháva za sebou veľa nečistôt (menej aktívne kovy).
3. Ióny medi vytvorené na anóde migrujú ku katóde, kde sa ľahšie redukujú ako voda a kovové „platničky“na katóde.

Je potrebné, aby medzi elektródami prešiel dostatočný prúd, inak dôjde k nespontánnej reakcii. Starostlivým nastavením elektrického potenciálu, kovových nečistôt, ktoré sú dostatočne aktívne na to, aby oxidovali meď na anóde, sa látky neredukujú na katóde a kov sa selektívne ukladá.

Dôležité! Nie všetky kovy sa redukujú alebo oxidujú ľahšie ako voda. Ak áno, najskôr prebehne elektrochemická reakcia vyžadujúca najnižší potenciál. Napríklad, ak by sme použili elektródy, anódu aj katódu, potenciál kovu by sa na anóde oxidoval, ale potom by sa voda na katóde znížila a ióny hliníka by zostali v roztoku.

Ak chcete vytvoriť elektrolýzu, musíte použiťnasledujúca metóda rafinácie medi:

1. Nalejte roztok síranu meďnatého do pohára.
2. Vložte dve grafitové tyčinky do roztoku síranu meďnatého.
3. Pripojte jednu elektródu k zápornej napájacej svorke jednosmerného prúdu a druhú ku kladnej svorke.
4. Naplňte dve malé skúmavky úplne roztokom síranu meďnatého a na každú elektródu umiestnite zátku.
5. Zapnite napájanie a skontrolujte, čo sa deje na každej elektróde.
6. Otestujte akýkoľvek plyn vyprodukovaný horiacou pneumatikou.
7. Zaznamenajte svoje pozorovania a výsledky testov.

Výsledky by mali vyzerať takto:

• V roztoku sa objavujú hnedé alebo ružové pevné látky.
• Sú tu bubliny.
• Bubliny by mali byť bezfarebné.
• Látka v plynnej forme.

Všetky výsledky sa zaznamenajú, po ktorých je plyn uhasený pneumatikou. Existuje aj iný spôsob, ako vyčistiť kov od nečistôt a nečistôt tretích strán - to je požiarna rafinácia medi. Ako sa to stane, povieme neskôr, ale teraz predstavíme ďalšie možnosti rafinácie kovu.

Metódy rafinácie medi – ako inak môže prebiehať chemické odstraňovanie požadovaných kovov?

Keďže elektrolýza je pôsobenie síranov a prúdu, aká je elektrolytická metóda na získanie čistých produktov? Úplne iné veci, aj keď podobné vo znejúcich menách. Elektrická rafinácia medi je však založená na použití kyselín. Môžeme povedať, že ide o oxidáciu kovu, ale nie tak celkom.

Čistá výroba je dôležitá pre výrobu elektrického drôtu, pretože elektrickú vodivosť medi znižujú nečistoty. Tieto nečistoty zahŕňajú drahé kovy, ako napríklad:

• strieborná,
• zlato;
• platinum.

Keď sa odstránia elektrolýzou a obnovia rovnakým spôsobom, spotrebuje sa toľko elektriny, koľko by stačilo na zásobovanie desiatkami domácností. Vyčistený komponent šetrí energiu a napája ešte viac domácností za kratší čas.

Pri elektrolytickej rafinácii sa nečisté zloženie vyrába z anódy v elektrolytickom kúpeli síranu meďnatého - CuSO₄ a kyseliny sírovej H_{2 SO 4}. Katóda je plech z veľmi čistej medi. Ako prúd prechádza roztokom, kladné ióny medi, Cu₂₊ sú priťahované ku katóde, kde prijímajú elektróny a ukladajú sa ako neutrálne atómy, čím vzniká na katóde stále viac čistého kovu. Medzitým atómy v anóde darujú elektróny a rozpúšťajú sa v roztoku elektrolytu ako ióny. Nečistoty v anóde však neprechádzajú do roztoku, pretože atómy striebra, zlata a platiny neoxidujú (nestávajú sa kladnými iónmi) tak ľahko ako meď. Striebro, zlato a platina teda jednoducho padajú z anódy na dno nádrže, kde sa dajú vyčistiť.

Pri použití nádrží však existuje aj elektrolytická rafinácia medi:

1. Nádrže na elektrolytickú úpravu súsamostatná dielňa v priemyselnej výrobe. Anódové platne sú zavesené za "rúčky" v nádrži na čistenie elektrolytickej medi. Katódové plechy z čistej medi zavesené na pevných tyčiach sú vložené do tej istej nádrže, jeden plech medzi každú anódu. Keď elektrický prúd prechádza z anód cez elektrolyt na katódy, meď z anód prechádza do roztoku a ukladá sa na štartovaciu dosku. Nečistoty z anód sa usadzujú na dne nádrže.
2. Vstrekovací lis s medenými anódami (doskami). Vo formách sa plynule zmení na anódové platne. Po predbežnej úprave sa odstráni cín, olovo, železo a hliník. Potom sa medený materiál začne vkladať do pece a nasleduje proces tavenia.
3. Po odstránení nečistôt nasleduje fáza odstraňovania trosky a redukcia zemným plynom. Zníženie je zamerané na odstránenie voľného kyslíka. Po regenerácii sa proces končí odlievaním, kde sa finálny produkt odlieva ako medené anódy. Ten istý stroj možno použiť na odlievanie týchto anód počas recyklácie komponentov alebo na recykláciu anód pre kovový šrot v elektrolýznej huti medi.
4. Vyčistite katódové listy. Modifikačné anódy extrahované z rafinačnej pece sa procesom elektrolýzy premenia na elektrolytickú meď s čistotou 99,99 %. Počas elektrolýzy opúšťajú medené ióny nečistú medenú anódu a keďže sú kladné, migrujú ku katóde.

Z času na čas sa z katódy zoškrabuje čistý kov. nečistoty medenej anódy, ako je zlato,striebro, platina a cín sa zhromažďujú na dne roztoku elektrolytu a vyzrážajú sa ako anódový sliz. Tento proces sa nazýva elektrolytická výroba a rafinácia medi.

Získanie fosílie – aké druhy existujú a sú všetky potrebné v praxi?

Trochu iný spôsob čistenia kovu. Existuje aj ohňová a elektrolytická rafinácia medi, kedy jeden proces bezprostredne nasleduje za druhým. Dôležitým „oddeľovacím“štádiom sa stáva koncentrácia alebo koncentrácia. Po dokončení koncentrácie je ďalším krokom pri vytváraní hotového produktu rafinácia medeným ohňom.

Zvyčajne sa to deje v blízkosti bane, v spracovateľskom závode alebo v taviarni. Pri rafinácii medi sa postupne odstraňuje nežiaduci materiál a meď sa koncentruje na čistotu až 99,99 % triedy A. Podrobnosti procesu rafinácie závisia od typu minerálov, s ktorými je kov spojený. Medená ruda bohatá na sulfidy sa spracováva pyrometalurgicky.

Rafinácia a pyrometalurgia:

1. V pyrometalurgii sa medený koncentrát pred zahrievaním v peci suší. Chemické reakcie, ktoré sa vyskytujú počas procesu zahrievania, spôsobujú, že sa koncentrát rozdelí na dve vrstvy materiálu: matnú vrstvu a vrstvu trosky. Matná vrstva na spodnej strane obsahuje meď, zatiaľ čo vrstva trosky na vrchu obsahuje nečistoty.
2. troska sa vyhodí a matná vrstva sa obnoví a presunie sa do valcovej nádoby nazývanej prevodník. Do konvertora sa pridávajú rôzne chemikálie, ktoré reagujú s meďou. To vedie k vzniku premenenej medi, tzv„blistra“. Po vyzrážaní sa extrahuje a potom sa podrobí ďalšiemu procesu nazývanému čistenie ohňom.
3. V práčke ohňa sa prefukuje vzduch a zemný plyn, aby sa odstránila zvyšná síra a kyslík, čím sa rafinovaná kompozícia spracuje na katódu. Kov sa odleje do anód a umiestni do elektrolyzéra. Po nabití sa čistá meď zhromažďuje na katóde a odstraňuje sa ako produkt s čistotou 99 %.

Rafinácia a hydrometalurgia:

1. V hydrometalurgii sa medený koncentrát spracováva jedným z niekoľkých procesov. Najmenej rozšíreným spôsobom je nauhličovanie, pri ktorom sa kov ukladá na kovový šrot redoxnou reakciou.
2. Širšie používanou metódou čistenia je extrakcia rozpúšťadlom a elektrolýza. Táto nová technológia sa rozšírila v 80. rokoch 20. storočia av súčasnosti sa týmto spôsobom vyrába približne 20 % svetovej medi.
3. Extrakcia rozpúšťadlom začína organickým rozpúšťadlom, ktoré oddeľuje kov od nečistôt a nežiaducich materiálov. Potom sa pridá kyselina sírová, aby sa meď oddelila od organického rozpúšťadla a vytvoril sa elektrolytický roztok.
4. Tento roztok sa potom podrobí procesu elektrolýzy, ktorý jednoducho umiestni meď do roztoku na katóde. Táto katóda sa môže predávať tak, ako je, ale možno z nej vyrobiť aj tyčinky alebo zdrojové listy pre iné elektrolyzéry.

Ťažobné spoločnosti môžu predávať meď vo forme koncentrátu alebo katódy. AkoAko už bolo spomenuté vyššie, koncentrát sa najčastejšie rafinuje inde ako na mieste bane. Výrobcovia koncentrátov predávajú práškový koncentrát obsahujúci 24 až 40 % medi do medených hút a rafinérií. Podmienky predaja sú jedinečné pre každú hutu, ale vo všeobecnosti huta platí baníkovi približne 96 % nákladov na obsah medi v koncentráte, mínus poplatky za spracovanie a náklady na rafináciu.

Huchy vo všeobecnosti účtujú mýto, ale môžu predávať aj rafinovaný kov v mene baníkov. Celé riziko (a odmena) z kolísania cien medi tak padá na plecia predajcov.

Čistenie ohňom – aké nebezpečné je to?

Najhorúcejšie zušľachťovanie ohňom môže byť nebezpečné, ale spôsob spracovania v súčasnosti používa väčšina priemyselných závodov. Samostatne stojí za to opísať technológiu rafinácie blistrovej medi.

Blistrová meď je už takmer čistá (viac ako 99 % medi). Ale pre dnešný trh to nie je veľmi „čisté“. Kov sa ďalej čistí pomocou elektrolýzy. V priemyselnej výrobe sa používa metóda nazývaná ohňová rafinácia bublinkovej medi. Atramentová meď sa odlieva do veľkých dosiek, ktoré sa majú použiť ako anódy v elektrolyzéri. Elektrolytická dodatočná rafinácia produkuje vysokokvalitný a vysoko čistý kov požadovaný v tomto odvetví.

V priemysle sa to robí vo veľkom. Ani tá najlepšia chemická metóda nedokáže odstrániť všetky nečistoty z medi, ale elektrolytickou rafináciou je možné získať meď s čistotou 99,99 %.

1. Anódové blistre sú ponorené do elektrolytu obsahujúceho síran meďnatý a kyselinu sírovú.
2. Medzi nimi sú čisté katódy a cez roztok prechádza prúd viac ako 200 A.

Za týchto podmienok sa atómy medi rozpúšťajú z nečistej anódy a vytvárajú ióny medi. Migrujú ku katódam, kde sa ukladajú späť ako čisté atómy medi.

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

Keď sa spínač zatvorí, ióny medi na anóde sa začnú pohybovať cez roztok smerom ku katóde. Atómy medi sa už vzdali dvoch elektrónov, aby sa stali iónmi, a ich elektróny sa môžu voľne pohybovať po drôtoch. Zatvorenie spínača stlačí elektróny v smere hodinových ručičiek a spôsobí, že sa niektoré medené ióny usadia v roztoku.

Platnička odpudzuje ióny z anódy na katódu. Zároveň tlačí voľné elektróny okolo vodičov (tieto elektróny sú už rozmiestnené po vodičoch). Elektróny v katóde sa rekombinujú s iónmi medi z roztoku, čím sa vytvorí nová vrstva atómov medi. Postupne sa anóda ničí a katóda rastie. Nerozpustné nečistoty v anóde padajú na dno, aby sa vyzrážali. Tento cenný bioprodukt sa odstraňuje.

Zlato, striebro, platina a cín sú v tomto elektrolyte nerozpustné, a preto sa neusadzujú na katóde. Tvoria cenný „bahno“, ktoré sa hromadí pod anódami.

Rozpustné nečistoty železa a niklu sa rozpúšťajú v elektrolyte, ktorý je potrebné neustále čistiť, aby sa zabránilo nadmernému usadzovaniu na katódach, čo zníži čistotu medi. Nedávno boli katódy z nehrdzavejúcej ocele nahradené medenými katódami. Prebiehajú rovnaké chemické reakcie. Pravidelne sa odstraňujú katódy a čistí sa čistá meď. Elektrolytická výroba a rafinácia medi za týchto podmienok je celkom bežná v závodoch na spracovanie neželezných kovov.

Elektrochemická verzia čistenia kovov

Čistenie ohňom možno nazvať chemickým, pretože pri tomto procese dochádza k chemickej reakcii s inými látkami a nečistotami. Vyššie uvedené bolo príkladom oxidačnej reakcie. Všetky typy a metódy získavania čistej medi sú podobné, rovnako ako elektrochemická rafinácia medi, pri ktorej sa používajú rovnaké taktiky, ale v inom poradí.

Chemický pomocný prvok sa stáva samotným vedľajším produktom:

• lúh sodný
• Chlór.
• Vodík.

Toto je najlacnejší spôsob, ako získať drahé suroviny bez míňania peňazí na alternatívny systém ťažby komponentov. Okrem toho sa ťažia cenné kovy, ktoré sú ušľachtilé zložením a cenné pri priemyselnom vynáleze elektrických spotrebičov.

Medená pec – kovový kuchársky priemysel

Pec na rafináciu vypálenej medi je špeciálne navrhnutá a schopná spracovať medený šrot na tekutý kov s kontrolovanými nečistotami. Je určený na pyrometalurgické spracovanie šrotuekonomická a ekologická technológia. Hlavná technológia navrhovaná na výrobu roztavenej medi je vhodná na výrobu medených tyčiniek, pásikov, predvalkov alebo iných medených výrobkov s použitím šrotu ako suroviny (Cu> 92%).

Kapacita spaľovacích a čistiacich systémov bola vypočítaná pre čistiaci cyklus (od nabitia po regeneráciu) 16-24 hodín v závislosti od typu šrotu. Pece na rafináciu medi majú špeciálny dizajn a funkcie:

1. Telo pece je vyrobené z oceľových segmentov a pevných profilových konštrukcií.
2. Pec je zvnútra vyložená žiaruvzdorným materiálom.
3. Je vybavený hydraulickou stanicou pracujúcou v režime naklápacej pece s dvoma rýchlosťami: plazivá rýchlosť pri nakláňaní na odlievanie a vysoká rýchlosť pri pohybe, ktorá nevyžaduje veľkú presnosť.
4. Operácie sa vykonávajú pomocou dvoch hydraulických valcov inštalovaných na dne pece. Špeciálne zariadenie vráti rúru do vodorovnej polohy počas výpadku prúdu.
5. Poklop na vkladanie materiálu sa nachádza na boku rúry. Zatvárajú ho dvere poháňané hydraulickým valcom.
6. Pec je vybavená chladenými dýzami na operácie oxidácie a redukcie medi.

Existuje aj jeden univerzálny horák, ktorý spotrebúva kvapalné aj plynné palivá.

Oxidačná rafinácia v priemysle

Operácia oxidácie medi sa vykonáva po dokončení tavenia suroviny. Proces sa uskutočňuje vstrekovaním stlačeného vzduchu do taveniny cez dúchacie trubice. Vzniknutá troska sa ručne odstraňuje z povrchu taveniny pomocou špeciálnych hrablí a vysypáva sa do nádoby. Troska obsahuje meď, nečistoty, olovo, cín atď. Redukčný proces sa musí vykonať na odstránenie kyslíka z taveniny a redukciu oxidov medi. Operácia sa vykonáva vstrekovaním zemného plynu do taveniny.

Z pece sa výfukové plyny privádzajú do systému čistenia plynu, prechádzajú cez zberač prachu, ktorý zachytáva hrubý prach. Kolektor je vybavený odvzdušňovacím potrubím pre prípad núdzového úniku plynu do atmosféry. Ohnivá čistiaca pec pracuje nepretržite. Pracovný cyklus technologického procesu zahŕňa:

• nakladanie surovín;
• oxidácia, struska, redukcia;
• nakladanie rafinovaného kovu.

Celý následný proces sa nazýva oxidačná rafinácia medi. Nemožno ho oddeliť od celkového procesu rafinácie, pretože je súčasťou celej metódy výroby čistého kovu. Po odstránení požadovaných parametrov sa medená tavenina použije na ďalší technologický proces.

Rafinácia neželezných kovov jodidom

Meďnaté ióny oxidujú jodidové ióny na molekulárny jód a v tomto procese sa samy redukujú na jodid meďný. Pôvodná zmiešaná hnedá zmes sa rozdelila na sivobielu zrazeninu jodidu meďného v roztoku jódu. Túto reakciu použite na určenie koncentrácie iónov medi (II) v roztoku. Ak do banky pridáte predpísaný objem roztoku,obsahujúce ióny medi (II) a potom pridajte nadbytok roztoku jodidu draselného, dostanete reakciu opísanú vyššie.

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

Množstvo uvoľneného jódu môžete zistiť titráciou roztokom tiosíranu sodného.

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

Keď roztok tiosíranu sodného vytečie z byrety, farba jódu zmizne. Keď je takmer všetko preč, pridajte škrob. Celá rafinačná reakcia jodidu meďnatého bude reverzibilná s jódom za vzniku tmavomodrého komplexu škrob-jód, ktorý je oveľa ľahšie vidieť.

Pridávajte posledných pár kvapiek roztoku tiosíranu sodného, kým nezmizne modrá farba. Ak budete sledovať proporcie cez dve rovnice, zistíte, že na každé 2 móly iónov medi (II), s ktorými ste mali začať, potrebujete 2 móly roztoku tiosíranu sodného. Ak poznáte koncentráciu roztoku tiosíranu sodného, je ľahké vypočítať koncentráciu iónov medi (II). Výsledkom tohto pokusu je získanie jednoduchej zlúčeniny medi (I) v roztoku.

Úprava fosforom

Rafinácia medi na báze fosforu je tvrdá meď deoxidovaná fosforom, čo je odolná živica na všeobecné použitie. Deoxiduje sa fosforom medi, v ktorom sa zvyškový fosfor udržiava na nízkej úrovni (0,005-0,013%) na dosiahnutie dobrej elektrickej vodivosti. Má dobrú tepelnú vodivosť a vynikajúce zváracie a spájkovacie vlastnosti. Oxid po rafinácii medi týmto spôsobom, ktorý zostáva v pevnej medenej živici, sa odstráni fosforom, ktorý je najbežnejšie používaným deoxidačným činidlom.

Tabuľka ukazuje rôzny výkon od žíhaného (mäkkého) po tvrdý stav medi.

Pevnosť v ťahu	220-385 N/mm2
Sila v slzách	60-325 N/mm2
Dĺžka	55-4 %
Tvrdosť (HV)	45-155
Elektrická vodivosť	90 – 98 %
Tepelná vodivosť	350-365 W/cm

Pohonné rámy pripájajú vodiče k elektrickým svorkám na povrchu polovodičov a k veľkým obvodom na elektrických zariadeniach a doskách plošných spojov. Materiál je vybraný tak, aby spĺňal procesné požiadavky a bol spoľahlivý pri inštalácii a prevádzke.

Zloženie medi po elektrolýze

Zloženie medi po rafinácii ohňom obsahuje 99,2 % kovu. Oveľa menej ho zostáva v anódach. Po úplnom odstránení nečistôt zostáva v kompozícii 130 g/l katódových báz. Vodný roztok vitriolu slabne a kyslá zložka medených katód dosahuje 140-180 g/l. Blistrová meď obsahuje 99,5% kovu, železo má 0,10%, zinok až 0,05% a zlato a striebro sú len 1-200 g/t.