Elektrolitičko rafiniranje bakra: sastav, formule i reakcije

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

Rafiniranje bakra je proces rafiniranja metala putem elektrolize. Čišćenje elektrolizom najlakši je način za postizanje čistoće bakra od 99,999%. Elektroliza poboljšava kvalitetu bakra kao električnog vodiča. Električna oprema često sadrži elektrolitski bakar.

Što je ovo?

Rafiniranje bakra ili elektroliza koristi anodu koja sadrži nečisti bakar. Nastaje zbog koncentracije rude. Katoda se sastoji od čistog metala (titan ili nehrđajući čelik). Otopina elektrolita se sastoji od sulfata. Stoga se može tvrditi da su rafiniranje bakra i elektroliza jedno te isto. Električna struja uzrokuje da ioni bakra iz anoda uđu u otopinu i talože se na katodi. U tom slučaju nečistoće ili napuštaju, ili stvaraju talog, ili ostaju u otopini. Katoda postaje veća od čistog bakra, a anoda se skuplja.

Elektrolitičke stanice koriste vanjski izvor istosmjerne struje kako bi odgovorile na reakcije koje inače ne bi bile spontane. Elektrolitičke reakcijekoristi se za čišćenje pločastih metala na mnogim vrstama podloga.

Upotreba elektrolitičkog procesa za pročišćavanje metala (rafiniranje bakra, elektroliza metala):

1. Budući da nečistoće mogu uvelike smanjiti vodljivost bakrenih žica, potrebno je očistiti kontaminirani bakar. Jedna od metoda čišćenja je elektroliza.
2. Kada se traka od metala nečistog bakra koristi kao anoda u elektrolizi vodenog pripravka bakrenog sulfata, bakar se oksidira. Njegova oksidacija teče lakše od oksidacije vode. Stoga se metalni bakar otapa u otopini u obliku bakrenih iona, ostavljajući za sobom mnoge nečistoće (manje aktivni metali).
3. Ioni bakra nastali na anodi migriraju na katodu gdje se lakše reduciraju od vode i metalnih "ploča" na katodi.

Potrebno je proći dovoljnu struju između elektroda, inače će doći do nespontane reakcije. Pažljivim podešavanjem električnog potencijala, metalne nečistoće koje su dovoljno aktivne da oksidiraju bakar na anodi, tvari se ne reduciraju na katodi, a metal se selektivno taloži.

Važno! Ne reduciraju se ili oksidiraju svi metali lakše od vode. Ako je tako, prva će se dogoditi elektrokemijska reakcija koja zahtijeva najmanji potencijal. Na primjer, ako bismo koristili elektrode, i anodu i katodu, metalni potencijal bi se oksidirao na anodi, ali tada bi se voda smanjila na katodi, a ioni aluminija bi ostali u otopini.

Da biste stvorili elektrolizu, trebate koristitisljedeća metoda rafiniranja bakra:

1. Ulijte otopinu bakrenog sulfata u čašu.
2. Postavite dvije grafitne šipke u otopinu bakrenog sulfata.
3. Spojite jednu elektrodu na negativni terminal istosmjerne struje, a drugu na pozitivni terminal.
4. Dvije male epruvete potpuno napunite otopinom bakrenog sulfata i stavite čep na svaku elektrodu.
5. Uključite napajanje i provjerite što se događa na svakoj elektrodi.
6. Testirajte bilo koji plin proizveden s gorućom gumom.
7. Zabilježite svoja zapažanja i rezultate svojih testova.

Rezultati bi trebali izgledati ovako:

• U otopini se pojavljuju smeđe ili ružičaste krutine.
• Postoje mjehurići.
• Mjehurići bi trebali biti bezbojni.
• Tvar u plinovitom obliku.

Svi rezultati se bilježe, nakon čega se guma gasi gas. Postoji i drugi način čišćenja metala od nečistoća i prljavštine trećih strana - ovo je rafiniranje bakra u vatri. Kako se to događa, reći ćemo kasnije, ali sada ćemo predstaviti druge opcije za rafiniranje metala.

Metode rafiniranja bakra - kako drugačije može doći do kemijskog uklanjanja željenih metala?

Budući da je elektroliza djelovanje sulfata i struje, koja je elektrolitička metoda za dobivanje čistih proizvoda? Sasvim različite stvari, iako slične po zvučnim nazivima. Međutim, električno rafiniranje bakra temelji se na upotrebi kiselina. Možemo reći da je to oksidacija metala, ali ne baš.

Čista proizvodnja važna je za izradu električne žice, jer je električna vodljivost bakra smanjena nečistoćama. Ove nečistoće uključuju plemenite metale kao što su:

• srebro,
• zlato;
• platina.

Kada se uklone elektrolizom i restauriraju na isti način, električna energija se troši onoliko koliko bi bilo dovoljno za opskrbu električnom energijom desetaka domova. Pročišćena komponenta štedi energiju, napajajući još više domova za manje vremena.

U elektrolitičkoj rafinaciji, nečisti sastav se pravi od anode u elektrolitičkoj kupelji od bakrenog sulfata - CuSO₄ i sumporne kiseline H_{2 SO 4}. Katoda je lim od vrlo čistog bakra. Kako struja prolazi kroz otopinu, pozitivni ioni bakra, Cu₂₊ privlače se na katodu, gdje preuzimaju elektrone i talože se kao neutralnih atoma, stvarajući tako sve više i više čistog metala na katodi. U međuvremenu, atomi u anodi doniraju elektrone i otapaju se u otopini elektrolita kao ioni. Ali nečistoće u anodi ne ulaze u otopinu jer atomi srebra, zlata i platine ne oksidiraju (postaju pozitivni ioni) tako lako kao bakar. Dakle, srebro, zlato i platina jednostavno padaju s anode na dno spremnika, gdje se mogu očistiti.

Ali postoji i elektrolitička rafinacija bakra kada se koriste spremnici:

1. Spremnici za elektrolitičku obradu suzasebna radionica u industrijskoj proizvodnji. Anodne ploče obješene su "ručicama" u spremnik za čišćenje elektrolitičkog bakra. Katodni listovi od čistog bakra obješeni na čvrste šipke umetnuti su u isti spremnik, po jedan list između svake anode. Kada se električna struja prođe od anoda kroz elektrolit do katoda, bakar iz anoda prelazi u otopinu i taloži se na starterski list. Nečistoće s anoda talože se na dno spremnika.
2. Stroj za brizganje s bakrenim anodama (pločama). Glatko će se pretvoriti u anodne ploče u kalupima. Nakon prethodne obrade uklanjaju se kositar, olovo, željezo i aluminij. Zatim, bakreni materijal počinje se puniti u peć, nakon čega slijedi proces taljenja.
3. Kada se nečistoće uklone, slijedi faza uklanjanja troske i redukcije prirodnim plinom. Redukcija je usmjerena na uklanjanje slobodnog kisika. Nakon oporavka, proces završava lijevanjem, gdje se konačni proizvod lijeva kao bakrene anode. Isti stroj se može koristiti za lijevanje ovih anoda tijekom recikliranja komponenti ili za recikliranje anoda za otpadni metal u talionici bakra za elektrolizu.
4. Očistite katodne listove. Modificirajuće anode ekstrahirane iz peći za rafiniranje pretvaraju se u elektrolitski bakar čistoće od 99,99% kroz proces elektrolize. Tijekom elektrolize, bakreni ioni napuštaju nečistu bakrenu anodu i, budući da su pozitivni, migriraju na katodu.

S vremena na vrijeme čisti metal se struže s katode. nečistoće bakrene anode kao što je zlato,srebro, platina i kositar skupljaju se na dnu otopine elektrolita i talože kao anodna sluz. Taj se proces naziva elektrolitička proizvodnja i rafiniranje bakra.

Dobivanje fosila - koje vrste postoje i jesu li sve potrebne u praksi?

Malo drugačiji način čišćenja metala. Tu je i vatreno i elektrolitičko rafiniranje bakra, kada jedan proces odmah slijedi drugi. Važna faza "razdvajanja" postaje koncentracija ili koncentracija. Nakon što je koncentracija završena, sljedeći korak u stvaranju gotovog proizvoda je rafiniranje bakra.

Obično se to događa u blizini rudnika, u tvornici za preradu ili u topionici. S rafiniranjem bakra, neželjeni materijal se postupno uklanja i bakar se koncentrira do čistoće do 99,99% stupnja A. Detalji procesa rafiniranja ovise o vrsti minerala s kojima je metal povezan. Ruda bakra bogata sulfidima pirometalurški se obrađuje.

Rafiniranje i pirometalurgija:

1. U pirometalurgiji, bakreni koncentrat se suši prije zagrijavanja u peći. Kemijske reakcije koje se događaju tijekom procesa zagrijavanja uzrokuju razdvajanje koncentrata u dva sloja materijala: mat sloj i sloj troske. Mat sloj na dnu sadrži bakar, dok sloj troske na vrhu sadrži nečistoće.
2. Trska se odbacuje, a mat sloj se obnavlja i premješta u cilindričnu posudu zvanu pretvornik. U pretvarač se dodaju razne kemikalije koje reagiraju s bakrom. To dovodi do stvaranja pretvorenog bakra, tzv"blister". Nakon što se istaloži, ekstrahira se i zatim podvrgava drugom procesu koji se zove čišćenje od požara.
3. U aparatu za čišćenje požara, zrak i prirodni plin se upuhuju kako bi se uklonio preostali sumpor i kisik, zbog čega se rafinirani sastav prerađuje u katodu. Metal se lijeva u anode i stavlja u elektrolizer. Nakon punjenja, čisti bakar se skuplja na katodi i uklanja kao 99% čisti proizvod.

Rafinacija i hidrometalurgija:

1. U hidrometalurgiji, bakreni koncentrat se prerađuje jednim od nekoliko procesa. Najrjeđa metoda je naugljičenje, gdje se metal odlaže na otpadni metal u redoks reakciji.
2. Naširoko korištena metoda pročišćavanja je ekstrakcija otapalom i elektroliza. Ova nova tehnologija postala je široko rasprostranjena 1980-ih, a otprilike 20% svjetskog bakra se sada proizvodi na ovaj način.
3. Ekstrakcija otapalom počinje s organskim otapalom koje odvaja metal od nečistoća i neželjenih materijala. Zatim se dodaje sumporna kiselina da se bakar odvoji od organskog otapala kako bi se dobila elektrolitička otopina.
4. Ova otopina se zatim podvrgava procesu elektrolize koji jednostavno stavlja bakar u otopinu na katodu. Ova katoda se može prodati kakva jest, ali se također može napraviti u šipke ili izvorne ploče za druge elektrolizere.

Rudarske tvrtke mogu prodavati bakar u obliku koncentrata ili katode. KakoKao što je gore spomenuto, koncentrat se najčešće rafinira negdje drugdje osim na lokaciji rudnika. Proizvođači koncentrata prodaju koncentrat u prahu koji sadrži 24 do 40% bakra talionicama i rafinerijama bakra. Uvjeti prodaje jedinstveni su za svaku topionicu, ali općenito talionica plaća rudaru otprilike 96% cijene sadržaja bakra u koncentratu, minus naknade za obradu i troškove rafiniranja.

Topionice općenito naplaćuju cestarinu, ali također mogu prodavati rafinirani metal u ime rudara. Dakle, cijeli rizik (i nagrada) od fluktuacija cijena bakra pada na pleća preprodavača.

Pročišćavanje vatre - koliko je opasno?

Najtoplije rafiniranje vatrom može biti opasno, ali metodu obrade trenutno koristi većina industrijskih postrojenja. Zasebno, vrijedi opisati tehnologiju rafiniranja blister bakra.

Blister bakar je već gotovo čist (više od 99% bakra). Ali za današnje tržište to nije baš “čisto”. Metal se dalje pročišćava elektrolizom. U industrijskoj proizvodnji koristi se metoda koja se naziva vatrostalno rafiniranje blister bakra. Tinta bakra se lijeva u velike ploče koje se koriste kao anode u elektrolizeru. Elektrolitička naknadna rafinacija proizvodi visokokvalitetan metal visoke čistoće koji je potreban u industriji.

U industriji se to radi u velikim razmjerima. Čak i najbolja kemijska metoda ne može ukloniti sve nečistoće iz bakra, ali elektrolitička rafinacija može proizvesti 99,99% čistog bakra.

1. Anodni mjehurići su uronjeni u elektrolit koji sadrži bakrov sulfat i sumpornu kiselinu.
2. Između njih su čiste katode, a kroz otopinu prolazi struja veća od 200 A.

U ovim uvjetima, atomi bakra se otapaju iz nečiste anode i tvore bakrene ione. Migriraju na katode, gdje se talože natrag poput čistih atoma bakra.

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

Kada se sklopka zatvori, ioni bakra na anodi će se početi kretati kroz otopinu prema katodi. Atomi bakra su već predali dva elektrona da postanu ioni, a njihovi se elektroni slobodno kreću u žicama. Zatvaranje prekidača gura elektrone u smjeru kazaljke na satu i uzrokuje da se neki ioni bakra talože u otopini.

Ploča odbija ione s anode na katodu. Istodobno, gura slobodne elektrone oko žica (ti su elektroni već raspoređeni po žicama). Elektroni na katodi rekombiniraju se s ionima bakra iz otopine, tvoreći novi sloj atoma bakra. Postupno, anoda se uništava, a katoda raste. Netopljive nečistoće u anodi padaju na dno da se talože. Ovaj vrijedni bio proizvod se uklanja.

Zlato, srebro, platina i kositar su netopivi u ovom elektrolitu i stoga se ne talože na katodi. Oni tvore vrijedan "mulj" koji se nakuplja ispod anoda.

Topljive nečistoće željeza i nikla otopljene su u elektrolitu, koji se mora stalno čistiti kako bi se spriječilo prekomjerno taloženje na katodama, što će smanjiti čistoću bakra. Nedavno su katode od nehrđajućeg čelika zamijenjene bakrenim katodama. Događaju se iste kemijske reakcije. Povremeno se katode uklanjaju i čisti bakar. Elektrolitička proizvodnja i rafiniranje bakra u ovim uvjetima prilično je uobičajena u postrojenjima za preradu obojenih metala.

Elektrokemijska verzija pročišćavanja metala

Čišćenje vatre može se nazvati kemijskim, jer u tom procesu dolazi do kemijske reakcije s drugim tvarima i nečistoćama. Gore navedeno je bio primjer oksidativne reakcije. Sve vrste i metode vađenja čistog bakra su slične, kao i elektrokemijsko rafiniranje bakra, gdje se koriste identične taktike, ali u drugom slijedu.

Kemijski pomoćni element postaje sam nusproizvod:

• Kaustična soda
• Klor.
• Vodik.

Ovo je najjeftiniji način da dobijete skupe sirovine bez trošenja novca na alternativni sustav rudarenja komponenti. Osim toga, kopaju se vrijedni metali koji su plemeniti po sastavu i vrijedni u industrijskom izumu električnih uređaja.

Bakrena peć – metalna industrija kuhanja

Peć za rafiniranje bakra posebno je dizajnirana i sposobna prerađivati otpadni bakar u tekući metal s kontroliranim nečistoćama. Namijenjen je za pirometaluršku obradu otpadaekonomična i ekološki prihvatljiva tehnologija. Glavna tehnologija predložena za proizvodnju rastaljenog bakra prikladna je za proizvodnju bakrenih štapića, traka, gredica ili drugih bakrenih proizvoda koristeći otpad kao sirovinu (Cu> 92%).

Kapacitet sustava za spaljivanje i čišćenje izračunat je za ciklus čišćenja (od punjenja do oporavka) od 16-24 sata, ovisno o vrsti otpada. Peći za rafiniranje bakra imaju poseban dizajn i funkcije:

1. Tijelo peći izrađeno je od čeličnih segmenata i krutih struktura profila.
2. Peć je iznutra obložena vatrostalnim materijalom.
3. Opremljena je hidrauličkom stanicom koja radi u načinu nagibne peći s dvije brzine: puzajuća brzina pri nagibu za zabacivanje i velika brzina tijekom kretanja, što ne zahtijeva veliku preciznost.
4. Operacije se izvode pomoću dva hidraulična cilindra postavljena na dnu peći. Poseban uređaj vraća pećnicu u vodoravni položaj tijekom nestanka struje.
5. Otvor za utovar materijala nalazi se sa strane pećnice. Zatvaraju ga vrata koja pokreću hidraulični cilindar.
6. Peć je opremljena hlađenim kopljima za operacije oksidacije i redukcije bakra.

Postoji i jedan univerzalni plamenik koji troši i tekuća i plinovita goriva.

Oksidativna rafinacija u industriji

Operacija oksidacije bakra provodi se nakon završetka taljenja sirovine. Proces se provodi ubrizgavanjem komprimiranog zraka u taljevinu kroz čahure. Rezultirajuća troska se ručno uklanja s površine taline pomoću posebne grablje i baca u posudu. Troska sadrži bakar, nečistoće, olovo, kositar itd. Proces redukcije se mora provesti kako bi se uklonio kisik iz taline i reducirali bakreni oksidi. Operacija se izvodi ubrizgavanjem prirodnog plina u talinu.

Iz peći se ispušni plinovi dovode u sustav za čišćenje plina, prolaze kroz sakupljač prašine, koji hvata grubu prašinu. Kolektor je opremljen odzračnom cijevi u slučaju hitnog ispuštanja plina u atmosferu. Peć za čišćenje požara radi neprekidno. Radni ciklus tehnološkog procesa uključuje:

• utovar sirovina;
• oksidacija, trošenje, redukcija;
• utovar rafiniranog metala.

Cijeli naknadni proces naziva se oksidativno rafiniranje bakra. Ne može se odvojiti od cjelokupnog procesa rafiniranja, jer je dio cjelokupne metode za proizvodnju čistog metala. Nakon što se eliminiraju traženi parametri, talina bakra se koristi za sljedeći tehnološki proces.

Rafiniranje jodida obojenih metala

Ioni bakra(II) oksidiraju jodidne ione u molekularni jod, te se u tom procesu sami reduciraju u bakrov(I) jodid. Izvorna miješana smeđa smjesa se odvojila u sivobijeli talog bakrovog(I) jodida u otopini joda. Pomoću ove reakcije odredite koncentraciju iona bakra (II) u otopini. Ako u tikvicu dodate propisani volumen otopine,koji sadrže ione bakra (II), a zatim dodajte višak otopine kalijevog jodida, dobit ćete gore opisanu reakciju.

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

Možete pronaći količinu joda koji se oslobađa titracijom s otopinom natrijevog tiosulfata.

2S₂O₂^-3 (rješenje) + I ₂ (otopina) → S₄O₂^-6 (vodena otopina) + 2I^{- (vodena otopina)}

Kada se otopina natrijevog tiosulfata pusti iz birete, boja joda nestaje. Kad gotovo sve nestane, dodajte škrob. Cijela reakcija rafiniranja bakrenog jodida bit će reverzibilna s jodom kako bi se dobio tamnoplavi kompleks škrob-jod koji je mnogo lakše vidjeti.

Dodajte zadnjih nekoliko kapi otopine natrijevog tiosulfata dok plava boja ne nestane. Ako pratite proporcije kroz dvije jednadžbe, otkrit ćete da za svaka 2 mola iona bakra(II) s kojima ste trebali započeti, trebate 2 mola otopine natrijevog tiosulfata. Ako znate koncentraciju otopine natrijevog tiosulfata, lako je izračunati koncentraciju bakrenih (II) iona. Rezultat ovog pokušaja je dobivanje jednostavnog spoja bakra (I) u otopini.

Liječenje fosforom

Rafiniranje fosfornog bakra je tvrdi bakar deoksidirani fosforom, koji je izdržljiva smola opće namjene. Deoksidira se bakrenim fosforom, u kojem se preostali fosfor održava na niskoj razini (0,005-0,013%) za postizanje dobre električne vodljivosti. Ima dobru toplinsku vodljivost i izvrsna svojstva zavarivanja i lemljenja. Oksid nakon rafiniranja bakra na ovaj način, koji ostaje u čvrstoj bakrenoj smoli, uklanja se fosforom, koji je najčešće korišteni deoksidans.

Tablica pokazuje različite performanse od žarenog (mekog) do tvrdog bakra.

Vlačna čvrstoća	220-385 N/mm2
Snaga kidanja	60-325 N/mm2
Dužina	55-4 %
Tvrdoća (HV)	45-155
Električna vodljivost	90-98 %
Toplinska vodljivost	350-365 W/cm

Okviri pogona povezuju ožičenje s električnim terminalima na površini poluvodiča i velikim krugovima na električnim uređajima i tiskanim pločama. Materijal je odabran da zadovolji zahtjeve procesa i bude pouzdan u instalaciji i radu.

Sastav bakra nakon elektrolize

Sastav bakra nakon rafiniranja vatrom uključuje 99,2% metala. Mnogo manje ostaje u anodama. Kada se nečistoće potpuno uklone, u sastavu ostaje 130 g/l katodnih baza. Vodena otopina vitriola postaje slaba, a kisela komponenta bakrenih katoda doseže 140-180 g/l. Blister bakar sadrži 99,5% metala, željezo ima 0,10%, cink do 0,05%, a zlato i srebro su samo 1-200 g/t.