Elektrolytisk raffinering av kobber: sammensetning, formler og reaksjoner

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 14:00

Kobberraffinering er prosessen med å raffinere metall gjennom elektrolyse. Elektrolyserengjøring er den enkleste måten å oppnå 99,999 % renhet i kobber. Elektrolyse forbedrer kvaliteten på kobber som elektrisk leder. Elektrisk utstyr inneholder ofte elektrolytisk kobber.

Hva er dette?

Kobberraffinering eller elektrolyse bruker en anode som inneholder uren kobber. Det oppstår fra konsentrasjonen av malm. Katoden består av rent metall (titan eller rustfritt stål). Elektrolyttløsningen består av sulfat. Derfor kan det hevdes at kobberraffinering og elektrolyse er ett og det samme. En elektrisk strøm får kobberioner fra anodene til å komme inn i løsningen og avsettes på katoden. I dette tilfellet forlater urenheter, eller danner et bunnfall, eller forblir i løsning. Katoden blir større enn rent kobber og anoden krymper.

Elektrolytiske celler bruker en ekstern DC-kilde for å reagere på reaksjoner som ellers ikke ville vært spontane. Elektrolytiske reaksjonerbrukes til å rense platemetaller på mange typer underlag.

Bruke en elektrolytisk prosess for å rense metall (kobberraffinering, metallelektrolyse):

1. Fordi urenheter i stor grad kan redusere ledningsevnen til kobbertråder, er det nødvendig å rense det forurensede kobberet. En av rengjøringsmetodene er elektrolyse.
2. Når en stripe med urent kobbermetall brukes som anode i elektrolysen av et vandig preparat av kobbersulfat, oksideres kobberet. Oksydasjonen går lettere enn oksidasjonen av vann. Derfor oppløses metallisk kobber i løsning i form av kobberioner, og etterlater seg mange urenheter (mindre aktive metaller).
3. Kobberioner dannet ved anoden migrerer til katoden hvor de lettere reduseres enn vann og metallplater ved katoden.

Det er nødvendig å føre tilstrekkelig strøm mellom elektrodene, ellers vil det oppstå en ikke-spontan reaksjon. Ved å nøye justere det elektriske potensialet, metallurenheter som er aktive nok til å oksidere kobber ved anoden, reduseres ikke stoffene ved katoden, og metallet avsettes selektivt.

Viktig! Ikke alle metaller reduseres eller oksideres lettere enn vann. I så fall vil den elektrokjemiske reaksjonen som krever det laveste potensialet skje først. Hvis vi for eksempel skulle bruke elektroder, både anode og katode, ville metallpotensialet oksidert ved anoden, men da ville vannet avta ved katoden og aluminiumionene ville forbli i løsning.

For å lage elektrolyse må du brukefølgende kobberraffineringsmetode:

1. Hell kobbersulfatløsningen i et glass.
2. Plasser to grafittstaver i kobbersulfatløsningen.
3. Koble en elektrode til den negative DC-strømterminalen og den andre til den positive terminalen.
4. Fyll to små rør helt med kobbersulfatløsning og plasser en propp på hver elektrode.
5. Slå på strømforsyningen og sjekk hva som skjer ved hver elektrode.
6. Test all gass produsert med et brennende dekk.
7. Registrer observasjonene dine og resultatene av testene dine.

Resultatene skal se slik ut:

• Brune eller rosa faste stoffer vises i løsning.
• Det er bobler.
• Bobler skal være fargeløse.
• Et stoff i gassform.

Alle resultater registreres, hvoretter gassen slukkes av dekket. Det er også en annen måte å rense metallet fra urenheter og tredjepartssmuss - dette er brannraffinering av kobber. Hvordan dette skjer, vil vi fortelle senere, men nå vil vi presentere andre alternativer for å foredle metallet.

Metoder for raffinering av kobber – hvordan kan ellers kjemisk stripping av de ønskede metallene finne sted?

Siden elektrolyse er virkningen av sulfater og strøm, hva er den elektrolytiske metoden for å oppnå rene produkter? Helt forskjellige ting, men like i klingende navn. Den elektriske raffineringen av kobber er imidlertid basert på bruk av syrer. Vi kan si at dette er oksidasjonen av metallet, men ikke helt.

Ren produksjon er viktig for å lage elektrisk ledning, siden den elektriske ledningsevnen til kobber reduseres av urenheter. Disse urenhetene inkluderer edle metaller som:

• sølv,
• gull;
• platinum.

Når de fjernes ved elektrolyse og restaureres på samme måte, brukes strøm så mye som ville vært nok til å levere strøm til dusinvis av hjem. Den rensede komponenten sparer energi og gir strøm til enda flere hjem på kortere tid.

I elektrolytisk raffinering lages en uren sammensetning av en anode i et elektrolytisk bad av kobbersulfat - CuSO₄ og svovelsyre H_{2 SO 4}. Katoden er et ark av veldig rent kobber. Når strøm passerer gjennom løsningen, trekkes positive kobberioner, Cu₂₊ til katoden, hvor de tar på seg elektroner og avsettes som nøytrale atomer, og skaper dermed mer og mer rent metall ved katoden. I mellomtiden donerer atomene i anoden elektroner og løses opp i elektrolyttløsningen som ioner. Men urenhetene i anoden går ikke i løsning fordi sølv-, gull- og platinaatomene ikke oksiderer (blir positive ioner) like lett som kobber gjør. Dermed faller sølv, gull og platina ganske enkelt fra anoden til bunnen av tanken, hvor de kan rengjøres.

Men det er også elektrolytisk raffinering av kobber når tanker brukes:

1. Elektrolytiske behandlingstanker ereget verksted i industriell produksjon. Anodeplatene er opphengt i "håndtak" i tanken for rengjøring av elektrolytisk kobber. Rene kobberkatodeplater suspendert på solide stenger settes inn i samme tank, ett ark mellom hver anode. Når en elektrisk strøm føres fra anodene gjennom elektrolytten til katodene, beveger kobberet fra anodene seg til løsning og avsettes på startplaten. Urenheter fra anodene legger seg til bunnen av tanken.
2. Injeksjonsstøpemaskin med kobberanoder (plater). Det vil jevnt bli til anodeplater i former. Etter forbehandling fjernes tinn, bly, jern og aluminium. Deretter begynner kobbermaterialet å fylles inn i ovnen, etterfulgt av smelteprosessen.
3. Når urenheter fjernes, følger slaggfjerning og reduksjonsfase med naturgass. Reduksjonen er rettet mot å fjerne fritt oksygen. Etter utvinning avsluttes prosessen med støping, hvor sluttproduktet støpes som kobberanoder. Den samme maskinen kan brukes til å støpe disse anodene under komponentresirkulering eller til å resirkulere anoder for skrapmetall i et elektrolysekobbersmelteverk.
4. Rengjør katodeark. De modifiserende anodene ekstrahert fra raffineringsovnen omdannes til elektrolytisk kobber med en renhet på 99,99 % gjennom elektrolyseprosessen. Under elektrolyse etterlater kobberioner en uren kobberanode, og siden de er positive, migrerer de til katoden.

Fra tid til annen skrapes rent metall av katoden. kobberanode urenheter som gull,sølv, platina og tinn samles i bunnen av elektrolyttløsningen og feller ut som anodeslim. Denne prosessen kalles elektrolytisk produksjon og raffinering av kobber.

Få et fossil – hvilke typer finnes og er alle nødvendige i praksis?

En litt annerledes måte å rense metall på. Det er også brann og elektrolytisk raffinering av kobber, når en prosess umiddelbart følger etter en annen. Et viktig «separerende» stadium blir konsentrasjon eller konsentrasjon. Når konsentrasjonen er fullført, er neste trinn i å lage det ferdige produktet kobberbrannraffinering.

Vanligvis skjer dette i nærheten av en gruve, ved et prosessanlegg eller et smelteverk. Ved kobberraffinering fjernes uønsket materiale gradvis og kobberet konsentreres til en renhet på opptil 99,99 % Grade A. Detaljene i raffineringsprosessen avhenger av typen mineraler som metallet er knyttet til. Sulfidrik kobbermalm er pyrometallurgisk bearbeidet.

raffinering og pyrometallurgi:

1. I pyrometallurgi tørkes kobberkonsentrat før det varmes opp i en ovn. De kjemiske reaksjonene som oppstår under oppvarmingsprosessen gjør at konsentratet skilles i to lag med materiale: et matt lag og et slagglag. Det matte laget på bunnen inneholder kobber, mens slagglaget på toppen inneholder urenheter.
2. Slagget kastes og det matte laget gjenopprettes og flyttes inn i et sylindrisk kar som kalles en transduser. Ulike kjemikalier tilsettes omformeren som reagerer med kobberet. Dette fører til dannelsen av omdannet kobber, k alt"blemme". Når det er utfelt, blir det ekstrahert og deretter utsatt for en annen prosess k alt brannrensing.
3. I en brannskrubber blåses luft og naturgass gjennom for å fjerne gjenværende svovel og oksygen, noe som fører til at den raffinerte sammensetningen behandles til katoden. Metallet støpes til anoder og plasseres i en elektrolysator. Etter lading samles rent kobber ved katoden og fjernes som 99 % rent produkt.

raffinering og hydrometallurgi:

1. I hydrometallurgi behandles kobberkonsentrat gjennom en av flere prosesser. Den minst vanlige metoden er karburering, hvor metall avsettes på skrapmetall i en redoksreaksjon.
2. Den mest brukte rensemetoden er løsningsmiddelekstraksjon og elektrolyse. Denne nye teknologien ble utbredt på 1980-tallet, og omtrent 20 % av verdens kobber produseres nå på denne måten.
3. Løsemiddelekstraksjon starter med et organisk løsningsmiddel som skiller metallet fra urenheter og uønskede materialer. Svovelsyre tilsettes deretter for å skille kobberet fra det organiske løsningsmidlet for å danne en elektrolytisk løsning.
4. Denne løsningen blir deretter utsatt for en elektrolyseprosess som ganske enkelt setter kobberet i løsning på katoden. Denne katoden kan selges som den er, men kan også lages til stenger eller kildeark for andre elektrolysører.

Gruveselskaper kan selge kobber i konsentrat- eller katodeform. HvordanSom nevnt ovenfor foredles konsentratet oftest andre steder enn på gruvestedet. Konsentratprodusenter selger konsentratpulver som inneholder 24 til 40 % kobber til kobbersmelteverk og raffinerier. Salgsbetingelsene er unike for hvert smelteverk, men generelt betaler smelteverket gruvearbeideren omtrent 96 % av kostnadene for kobberinnholdet i konsentratet, minus behandlingsgebyrer og raffineringskostnader.

Smelteverk tar vanligvis bompenger, men de kan også selge raffinert metall på vegne av gruvearbeiderne. Dermed faller hele risikoen (og belønningen) fra svingninger i kobberprisene på forhandlernes skuldre.

Brannforedling – hvor farlig er det?

Den heteste brannraffineringen kan være farlig, men behandlingsmetoden brukes i dag av de fleste industrianlegg. Separat er det verdt å beskrive teknologien for raffinering av blisterkobber.

Blisterkobber er allerede nesten rent (mer enn 99 % kobber). Men for dagens marked er ikke dette veldig "rent". Metallet renses videre ved hjelp av elektrolyse. I industriell produksjon brukes en metode som kalles brannforedling av blisterkobber. Blekkkobberet støpes inn i store plater som skal brukes som anoder i elektrolysatoren. Elektrolytisk etterraffinering produserer høykvalitets, høyrent metall som kreves av industrien.

I industrien gjøres dette i massiv skala. Selv den beste kjemiske metoden kan ikke fjerne alle urenheter fra kobber, men elektrolytisk raffinering kan produsere 99,99 % rent kobber.

1. Anodeblemmer er nedsenket i en elektrolytt som inneholder kobbersulfat og svovelsyre.
2. Det er rene katoder mellom dem, og en strøm på mer enn 200 A går gjennom løsningen.

Under disse forholdene oppløses kobberatomer fra den urene anoden og danner kobberioner. De migrerer til katodene, hvor de avsettes tilbake som rene kobberatomer.

• Ved anoden: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• Ved katoden: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Når bryteren lukkes, vil kobberionene ved anoden begynne å bevege seg gjennom løsningen mot katoden. Kobberatomer har allerede gitt fra seg to elektroner for å bli ioner, og elektronene deres kan fritt bevege seg rundt i ledninger. Å lukke bryteren skyver elektronene med klokken og får noen kobberioner til å sette seg i løsning.

Platen frastøter ioner fra anoden til katoden. Samtidig skyver den frie elektroner rundt ledningene (disse elektronene er allerede fordelt over ledningene). Elektronene i katoden rekombinerer med kobberionene fra løsningen, og danner et nytt lag med kobberatomer. Gradvis blir anoden ødelagt, og katoden vokser. Uløselige urenheter i anoden faller til bunnen for å felle ut. Dette verdifulle bioproduktet blir fjernet.

Gull, sølv, platina og tinn er uløselige i denne elektrolytten og legger seg derfor ikke på katoden. De danner et verdifullt "silt" som samler seg under anodene.

Løselige urenheter av jern og nikkel løses opp i elektrolytten, som må rengjøres hele tiden for å forhindre overdreven avsetning på katodene, noe som vil redusere renheten til kobber. Nylig har rustfrie stålkatoder blitt erstattet av kobberkatoder. De samme kjemiske reaksjonene finner sted. Periodisk fjernes katodene og rent kobber renses. Elektrolytisk produksjon og raffinering av kobber under disse forholdene er ganske vanlig i prosessanlegg for ikke-jernholdige metaller.

Elektrokjemisk versjon av metallrensing

Brannrengjøring kan kalles kjemisk, fordi det i denne prosessen skjer en kjemisk reaksjon med andre stoffer og urenheter. Ovenstående var et eksempel på en oksidativ reaksjon. Alle typer og metoder for å utvinne rent kobber er like, det samme er den elektrokjemiske raffineringen av kobber, der identiske taktikker brukes, men i en annen rekkefølge.

Det kjemiske hjelpeelementet blir selve biproduktet:

• Kaustisk brus
• Klor.
• Hydrogen.

Dette er den billigste måten å få tak i dyre råvarer uten å bruke penger på et alternativt komponentgruvesystem. I tillegg utvinnes verdifulle metaller, som er edle i sammensetning og verdifulle i den industrielle oppfinnelsen av elektriske apparater.

Copper Furnace – Metal Cooking Industry

The Fired Copper Refining Furnace er spesialdesignet og i stand til å behandle skrapkobber til flytende metall med kontrollerte urenheter. Den er designet for pyrometallurgisk behandling av skrapøkonomisk og miljøvennlig teknologi. Hovedteknologien som er foreslått for produksjon av smeltet kobber er egnet for produksjon av kobberstav, strips, billett eller andre kobberprodukter ved bruk av skrap som råmateriale (Cu> 92%).

Kapasiteten til forbrennings- og rensesystemer ble beregnet for en rensesyklus (fra lading til gjenvinning) på 16-24 timer, avhengig av type skrap. Kobberraffineringsovner har spesiell design og funksjoner:

1. Ovnskroppen er laget av stålsegmenter og stive seksjonsstrukturer.
2. Ovnen er foret med ildfast materiale fra innsiden.
3. Den er utstyrt med en hydraulisk stasjon som opererer i vippeovnsmodus med to hastigheter: krypehastighet ved tilting for støping og høy hastighet under bevegelse, som ikke krever mye presisjon.
4. Operasjonene utføres ved hjelp av to hydrauliske sylindre installert i bunnen av ovnen. En spesiell enhet setter ovnen tilbake til horisontal posisjon under strømbrudd.
5. Materiallastingsluken er plassert på siden av ovnen. Den er lukket av en dør som drives av en hydraulisk sylinder.
6. Ovnen er utstyrt med avkjølte lanser for kobberoksidasjons- og reduksjonsoperasjoner.

Det finnes også én universalbrenner som bruker både flytende og gassformig brensel.

Oksidativ raffinering i industrien

Operasjon av kobberoksidasjon utføres etter fullført smelting av råstoffet. Prosessen utføres ved å injisere trykkluft inn i smelten gjennom dyser. Den resulterende slaggen fjernes manuelt fra overflaten av smelten ved hjelp av en spesiell rive og dumpes i en beholder. Slaggen inneholder kobber, urenheter, bly, tinn osv. Reduksjonsprosessen må utføres for å fjerne oksygen fra smelten og redusere kobberoksider. Operasjonen utføres ved å injisere naturgass i smelten.

Fra ovnen føres avgasser inn i gassrensesystemet, passerer gjennom støvsamleren, som fanger opp grovt støv. Samleren er utstyrt med et ventilasjonsrør i tilfelle nødgassutslipp til atmosfæren. Brannrenseovnen fungerer kontinuerlig. Arbeidssyklusen til den teknologiske prosessen inkluderer:

• lasting av råvarer;
• oksidasjon, slaggdannelse, reduksjon;
• lasting av raffinert metall.

Hele den påfølgende prosessen kalles kobberoksidativ raffinering. Det kan ikke skilles fra den totale raffineringsprosessen, da det er en del av hele metoden for å produsere rent metall. Etter at de nødvendige parameterne er eliminert, brukes kobbersmelten til neste teknologiske prosess.

Jodidraffinering av ikke-jernholdige metaller

Kobber(II)-ioner oksiderer jodidioner til molekylært jod, og i denne prosessen reduseres de selv til kobber(I)jodid. Den opprinnelige blandede brune blandingen ble separert til et off-white bunnfall av kobber(I)jodid i jodløsningen. Bruk denne reaksjonen til å bestemme konsentrasjonen av kobber(II)ioner i løsningen. Hvis du tilsetter det foreskrevne volumet av løsningen til kolben,som inneholder kobber(II)ioner, og tilsett deretter et overskudd av kaliumjodidløsning, vil du få reaksjonen beskrevet ovenfor.

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

Du kan finne mengden jod som frigjøres ved titrering med natriumtiosulfatløsning.

2S₂O₂^-3 (løsning) + I ₂ (løsning) → S₄O₂^-6 (vannløsning) + 2I^{- (vandig løsning)}

Når natriumtiosulfatløsningen kjøres fra byretten, forsvinner fargen på jodet. Når alt nesten er borte, tilsett stivelse. Hele kobberjodid-raffineringsreaksjonen vil være reversibel med jod for å produsere et dypblått stivelse-jodkompleks som er mye lettere å se.

Tilsett de siste dråpene med natriumtiosulfatløsning til den blå fargen forsvinner. Hvis du sporer proporsjonene gjennom de to ligningene, vil du finne at for hver 2 mol kobber(II)ioner du burde ha startet med, trenger du 2 mol natriumtiosulfatløsning. Hvis du vet konsentrasjonen av natriumtiosulfatløsning, er det enkelt å beregne konsentrasjonen av kobber(II)ioner. Resultatet av dette forsøket er å oppnå en enkel forbindelse av kobber (I) i løsning.

Fosforbehandling

Fosforkobberraffinering er et fosfordeoksidert hardt kobber, som er en slitesterk harpiks for generell bruk. Det deoksideres av kobberfosfor, hvor restfosfor holdes på et lavt nivå (0,005-0,013%) for å oppnå god elektrisk ledningsevne. Den har god varmeledningsevne og utmerkede sveise- og loddeegenskaper. Oksydet etter kobberraffinering på denne måten, som er igjen i den faste kobberharpiksen, fjernes med fosfor, som er den mest brukte deoksidanten.

Tabellen viser forskjellig ytelse fra glødet (myk) til hard tilstand av kobber.

Strekkstyrke	220-385 N/mm2
Tårestyrke	60-325 N/mm2
Length	55-4 %
Hardness (HV)	45-155
Elektrisk ledningsevne	90–98 %
Vermeledningsevne	350-365 W/cm

Drive Frames kobler ledninger til elektriske terminaler på halvlederoverflaten og storskala kretser på elektriske enheter og trykte kretskort. Materialet er valgt for å møte prosesskrav og være pålitelig i installasjon og drift.

Kobbersammensetning etter elektrolyse

Sammensetningen av kobber etter brannraffinering inkluderer 99,2 % av metallet. Mye mindre av det blir igjen i anodene. Når urenheter er fullstendig fjernet, gjenstår 130 g/l katodebaser i sammensetningen. Den vandige løsningen av vitriol blir svak, og den sure komponenten i kobberkatoder når 140-180 g/l. Blisterkobber inneholder 99,5 % av metallet, jern har 0,10 %, sink opptil 0,05 %, og gull og sølv er bare 1-200 g/t.