Elektrolitička rafinacija bakra: sastav, formule i reakcije

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

Rafinacija bakra je proces rafiniranja metala putem elektrolize. Čišćenje elektrolizom je najlakši način da se postigne čistoća bakra od 99,999%. Elektroliza poboljšava kvalitet bakra kao električnog provodnika. Električna oprema često sadrži elektrolitski bakar.

Šta je ovo?

Rafinacija ili elektroliza bakra koristi anodu koja sadrži nečisti bakar. Nastaje zbog koncentracije rude. Katoda se sastoji od čistog metala (titanijum ili nerđajući čelik). Otopina elektrolita se sastoji od sulfata. Stoga se može tvrditi da su rafinacija 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 ćelije koriste eksterni DC izvor da odgovore 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 značajno smanjiti provodljivost bakarnih žica, potrebno je očistiti kontaminirani bakar. Jedna od metoda čišćenja je elektroliza.
2. Kada se traka od nečistog metala bakra koristi kao anoda u elektrolizi vodenog preparata bakar sulfata, bakar se oksidira. Njegova oksidacija teče lakše nego oksidacija vode. Zbog toga se metalni bakar rastvara u rastvoru u obliku jona bakra, ostavljajući za sobom mnoge nečistoće (manje aktivni metali).
3. Ioni bakra formirani na anodi migriraju na katodu gdje se lakše redukuju od vode i metalnih "ploča" na katodi.

Neophodno 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, supstance se ne redukuju na katodi, a metal se selektivno taloži.

Važno! Ne reduciraju se ili oksidiraju svi metali lakše od vode. Ako je tako, prvo će se dogoditi elektrohemijska 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 i ioni aluminija bi ostali u otopini.

Da biste napravili elektrolizu, morate koristitisljedeća metoda rafiniranja bakra:

1. Ulijte rastvor bakar sulfata u čašu.
2. Postavite dvije grafitne šipke u otopinu bakar sulfata.
3. Spojite jednu elektrodu na negativni terminal DC napajanja, a drugu na pozitivni terminal.
4. U potpunosti napunite dvije male epruvete otopinom bakar sulfata i stavite čep na svaku elektrodu.
5. Uključite napajanje i provjerite šta se dešava na svakoj elektrodi.
6. Testirajte bilo koji plin proizveden sa gorućom gumom.
7. Zabilježite svoja zapažanja i rezultate vaših testova.

Rezultati bi trebali izgledati ovako:

• Smeđe ili ružičaste čvrste supstance se pojavljuju u rastvoru.
• Postoje mjehurići.
• Mjehurići bi trebali biti bezbojni.
• Supstanca u gasovitom obliku.

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

Metode rafinacije bakra - kako drugačije može doći do hemijskog uklanjanja željenih metala?

Pošto je elektroliza djelovanje sulfata i struje, koja je elektrolitička metoda za dobivanje čistih proizvoda? Potpuno 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 je važna za izradu električne žice, jer je električna provodljivost bakra smanjena nečistoćama. Ove nečistoće uključuju plemenite metale kao što su:

• srebro,
• gold;
• platina.

Kada se uklone elektrolizom i restauriraju na isti način, električna energija se troši onoliko koliko bi bilo dovoljno da strujom opskrbi desetine 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 bakar sulfata - CuSO₄ i sumporne kiseline H_{2 SO 4}. Katoda je lim od vrlo čistog bakra. Kako struja prolazi kroz rastvor, pozitivni ioni bakra, Cu₂₊ privlače se na katodu, gde 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 rastvaraju se u otopini elektrolita kao ioni. Ali nečistoće u anodi ne prelaze u rastvor jer atomi srebra, zlata i platine ne oksidiraju (postaju pozitivni ioni) tako lako kao bakar. Dakle, srebro, zlato i platina jednostavno padaju sa anode na dno rezervoara, gde se mogu očistiti.

Ali postoji i elektrolitička rafinacija bakra kada se koriste rezervoari:

1. Rezervoari za elektrolitičku obradu suzasebna radionica u industrijskoj proizvodnji. Anodne ploče su okačene za "ručke" u rezervoaru za čišćenje elektrolitskog bakra. Katodni listovi od čistog bakra obješeni na čvrste šipke se ubacuju u isti rezervoar, 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 starter. Nečistoće sa anoda talože se na dno rezervoara.
2. Mašina za brizganje sa bakarnim anodama (pločama). Glatko će se pretvoriti u anodne ploče u kalupima. Nakon prethodne obrade uklanjaju se kalaj, olovo, gvožđe i aluminijum. Zatim, bakarni materijal počinje da se puni u peć, nakon čega slijedi proces topljenja.
3. Kada se nečistoće uklone, slijedi faza uklanjanja šljake i redukcije prirodnim plinom. Smanjenje ima za cilj uklanjanje slobodnog kiseonika. Nakon oporavka, proces se završava lijevanjem, gdje se finalni proizvod lijeva kao bakarne anode. Ista mašina se može koristiti za livenje ovih anoda tokom reciklaže komponenti ili za recikliranje anoda za otpadni metal u topionici bakra za elektrolizu.
4. Očistite katodne listove. Anode za modifikaciju ekstrahovane iz peći za rafinaciju pretvaraju se u elektrolitički bakar sa čistoćom od 99,99% kroz proces elektrolize. Tokom elektrolize, joni bakra napuštaju nečistu bakarnu anodu i, pošto su pozitivni, migriraju na katodu.

S vremena na vrijeme čisti metal se sastruže sa katode. nečistoće bakarne anode kao što je zlato,srebro, platina i kositar se skupljaju na dnu rastvora elektrolita i talože kao anodna sluz. Ovaj proces se naziva elektrolitička proizvodnja i rafinacija bakra.

Dobijanje fosila - koje vrste postoje i da li su sve potrebne u praksi?

Malo drugačiji način čišćenja metala. Postoji i vatrena i elektrolitička rafinacija bakra, kada jedan proces odmah slijedi drugi. Važna faza "razdvajanja" postaje koncentracija ili koncentracija. Kada je koncentracija završena, sljedeći korak u stvaranju gotovog proizvoda je rafiniranje bakra.

Obično se to dešava u blizini rudnika, u fabrici za preradu ili topionici. Sa rafiniranjem bakra, neželjeni materijal se postepeno uklanja i bakar se koncentriše do čistoće do 99,99% stepena A. Detalji procesa rafinacije zavise od vrste minerala sa kojima je metal povezan. Ruda bakra bogata sulfidima se pirometalurški prerađuje.

Rafinacija i pirometalurgija:

1. U pirometalurgiji, koncentrat bakra se suši pre nego što se zagreje u peći. Hemijske reakcije koje se javljaju tokom procesa zagrijavanja uzrokuju da se koncentrat odvoji na dva sloja materijala: mat sloj i sloj šljake. Mat sloj na dnu sadrži bakar, dok sloj šljake na vrhu sadrži nečistoće.
2. Šljaka se odbacuje, a mat sloj se obnavlja i premešta u cilindričnu posudu koja se zove transduktor. Konvertoru se dodaju razne hemikalije koje reaguju sa bakrom. To dovodi do stvaranja pretvorenog bakra, tzv"blister". Kada se istaloži, ekstrahuje se i zatim podvrgava drugom procesu koji se zove čišćenje od požara.
3. U aparatu za čišćenje požara, vazduh i prirodni gas se propuštaju da bi se uklonio preostali sumpor i kiseonik, uzrokujući da se rafinisani sastav preradi u katodu. Metal se lijeva u anode i stavlja u elektrolizer. Nakon punjenja, čisti bakar se sakuplja na katodi i uklanja kao 99% čist proizvod.

Rafinacija i hidrometalurgija:

1. U hidrometalurgiji, koncentrat bakra se prerađuje kroz jedan od nekoliko procesa. Najrjeđa metoda je karburizacija, gdje se metal odlaže na otpadni metal u redoks reakciji.
2. Naširoko korišćena metoda prečišćavanja je ekstrakcija rastvaračem i elektroliza. Ova nova tehnologija postala je široko rasprostranjena 1980-ih, a otprilike 20% svjetskog bakra se sada proizvodi na ovaj način.
3. Ekstrakcija rastvaračem počinje organskim rastvaračem koji odvaja metal od nečistoća i neželjenih materijala. Zatim se dodaje sumporna kiselina da se bakar odvoji od organskog rastvarača da se formira elektrolitička otopina.
4. Ovo rješenje se zatim podvrgava procesu elektrolize koji jednostavno stavlja bakar u otopinu na katodu. Ova katoda se može prodati takva kakva jeste, ali se također može napraviti u štapićima ili izvornim listovima za druge elektrolizere.

Rudarske kompanije mogu prodavati bakar u obliku koncentrata ili katode. KakoKao što je već spomenuto, koncentrat se najčešće rafinira negdje drugdje osim na lokaciji rudnika. Proizvođači koncentrata prodaju koncentrat u prahu koji sadrži 24 do 40% bakra topionicama i rafinerijama bakra. Uslovi prodaje su jedinstveni za svaku topionicu, ali generalno topionica plaća rudaru otprilike 96% cijene sadržaja bakra u koncentratu, minus naknade za preradu i troškove prerade.

Topionice uglavnom naplaćuju putarinu, ali mogu i prodati rafinirani metal u ime rudara. Dakle, cijeli rizik (i nagrada) od fluktuacija cijena bakra pada na pleća preprodavaca.

Rafiniranje vatre - koliko je opasno?

Najtoplije rafiniranje vatre može biti opasno, ali ovaj metod obrade trenutno koristi većina industrijskih postrojenja. Odvojeno, vrijedi opisati tehnologiju rafiniranja blister bakra.

Blister bakar je već skoro 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 zove vatrostalna rafinacija blister bakra. Bakar sa mastilom se lijeva u velike ploče koje se koriste kao anode u elektrolizeru. Elektrolitička naknadna rafinacija proizvodi visokokvalitetni metal visoke čistoće koji je potreban u industriji.

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

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

Pod ovim uslovima, atomi bakra se rastvaraju iz nečiste anode i formiraju bakrene jone. Oni migriraju na katode, gdje se vraćaju kao čisti atomi bakra.

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

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

Ploča odbija ione od anode do katode. Istovremeno, gura slobodne elektrone oko žica (ovi elektroni su već raspoređeni po žicama). Elektroni na katodi se rekombinuju sa ionima bakra iz rastvora, formirajući novi sloj atoma bakra. Postepeno, anoda se uništava, a katoda raste. Nerastvorljive nečistoće u anodi padaju na dno da se talože. Ovaj vrijedni bio proizvod se uklanja.

Zlato, srebro, platina i kalaj su nerastvorljivi u ovom elektrolitu i stoga se ne talože na katodi. Oni formiraju vrijedan "mulj" koji se akumulira ispod anoda.

Rastvorljive nečistoće gvožđa i nikla su rastvorene u elektrolitu, koji se mora stalno čistiti kako bi se sprečilo prekomerno taloženje na katodama, što će smanjiti čistoću bakra. Nedavno su katode od nehrđajućeg čelika zamijenjene bakarnim katodama. Događaju se iste hemijske reakcije. Povremeno se uklanjaju katode i čisti bakar. Elektrolitička proizvodnja i rafinacija bakra u ovim uslovima prilično je uobičajena u postrojenjima za preradu obojenih metala.

Elektrohemijska verzija prečišćavanja metala

Čišćenje vatre može se nazvati hemijskim, jer u ovom procesu dolazi do hemijske reakcije sa drugim supstancama i nečistoćama. Gore navedeno je bio primjer oksidativne reakcije. Sve vrste i metode vađenja čistog bakra su slične, kao i elektrohemijsko rafiniranje bakra, gde se koriste identične taktike, ali u drugačijem redosledu.

Hemijski pomoćni element postaje sam nusproizvod:

• Kaustična soda
• hlor.
• Vodik.

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

Bakarna peć – Metalna kulinarska industrija

Peć za rafinaciju bakra je posebno dizajnirana i sposobna za preradu otpadnog bakra u tečni metal sa kontrolisanim nečistoćama. Namijenjen je za pirometaluršku preradu otpadaekonomična i ekološki prihvatljiva tehnologija. Glavna tehnologija predložena za proizvodnju rastaljenog bakra je pogodna za proizvodnju bakarnih štapića, traka, gredica ili drugih bakarnih proizvoda koristeći otpad kao sirovinu (Cu> 92%).

Kapacitet sistema za spaljivanje i čišćenje izračunat je za ciklus čišćenja (od punjenja do oporavka) od 16-24 sata, u zavisnosti od vrste otpada. Peći za rafinaciju bakra imaju poseban dizajn i funkcije:

1. Telo peći je napravljeno od čeličnih segmenata i krutih profilnih konstrukcija.
2. Peć je iznutra obložena vatrostalnim materijalom.
3. Opremljena je sa hidrauličkom stanicom koja radi u režimu nagibne peći sa dve brzine: puzajuća brzina prilikom naginjanja za zabacivanje i velika brzina tokom kretanja, što ne zahteva veliku preciznost.
4. Operacije se izvode pomoću dva hidraulična cilindra postavljena na dnu peći. Specijalni uređaj vraća pećnicu u horizontalni položaj tokom nestanka struje.
5. Otvor za punjenje 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 gorionik koji troši i tečna i gasovita goriva.

Oksidativna rafinacija u industriji

Operacija oksidacije bakra se izvodi nakon završetka topljenja sirovine. Proces se izvodi ubrizgavanjem komprimovanog zraka u talinu kroz tujere. Dobivena šljaka se ručno uklanja s površine taline pomoću posebne grabulje i baca u kontejner. Zgura sadrži bakar, nečistoće, olovo, kalaj, itd. Proces redukcije se mora provesti kako bi se uklonio kisik iz taline i reducirali oksidi bakra. Operacija se izvodi ubrizgavanjem prirodnog gasa u talinu.

Iz peći se izduvni gasovi dovode u sistem za čišćenje gasa, 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 obuhvata:

• utovar sirovina;
• oksidacija, šljaka, 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 eliminišu traženi parametri, talina bakra se koristi za sledeći tehnološki proces.

Rafinacija jodida obojenih metala

Ioni bakra(II) oksidiraju jodidne jone u molekularni jod, a u tom procesu se i sami redukuju u bakar(I) jodid. Originalna pomešana smeđa smeša se odvojila u prljavo beli talog bakar(I) jodida u rastvoru joda. Koristite ovu reakciju da odredite koncentraciju iona bakra (II) u otopini. Ako u tikvicu dodate propisanu zapreminu rastvora,koji sadrže ione bakra (II), a zatim dodajte višak rastvora kalijum jodida, dobićete gore opisanu reakciju.

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

Možete pronaći količinu joda oslobođenog titracijom sa rastvorom natrijum tiosulfata.

2S₂O₂^-3 (rješenje) + I ₂ (rešenje) → S₄O₂^-6 (vodeni rastvor) + 2I^{- (vodeni rastvor)}

Kada se rastvor natrijum tiosulfata pusti iz birete, boja joda nestaje. Kada gotovo sve nestane, dodajte skrob. Cijela reakcija rafiniranja bakar-jodida će biti reverzibilna s jodom kako bi se dobio tamnoplavi kompleks škrob-jod koji je mnogo lakše vidjeti.

Dodajte poslednjih nekoliko kapi rastvora natrijum tiosulfata dok plava boja ne nestane. Ako pratite proporcije kroz dvije jednačine, otkrit ćete da su vam za svaka 2 mola jona bakra(II) s kojima ste trebali započeti, potrebna 2 mola otopine natrijum tiosulfata. Ako znate koncentraciju otopine natrijevog tiosulfata, lako je izračunati koncentraciju iona bakra (II). Rezultat ovog pokušaja je da se dobije jednostavno jedinjenje bakra (I) u rastvoru.

Liječenje fosforom

Rafinacija fosfornog bakra je tvrdi bakar deoksidisan fosforom, koji je izdržljiva smola opšte namene. Deoksidira se fosforom bakra, u kojem se zaostali fosfor održava na niskom nivou (0,005-0,013%) za postizanje dobre električne provodljivosti. Ima dobru toplotnu provodljivost i odlična 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.

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

Zatezna čvrstoća	220-385 N/mm2
Tear Strength	60-325 N/mm2
Dužina	55-4 %
Tvrdoća (HV)	45-155
Električna provodljivost	90-98 %
Toplotna provodljivost	350-365 W/cm

Okviri pogona povezuju ožičenje sa električnim terminalima na površini poluprovodnika i velikim kolima na električnim uređajima i štampanim pločama. Materijal je odabran da zadovolji zahtjeve procesa i bude pouzdan u instalaciji i radu.

Sastav bakra nakon elektrolize

Sastav bakra nakon vatrene rafinacije uključuje 99,2% metala. Mnogo manje ostaje u anodama. Kada se nečistoće potpuno uklone, u sastavu ostaje 130 g/l katodnih baza. Vodeni rastvor vitriola postaje slab, a kisela komponenta bakrenih katoda dostiže 140-180 g/l. Blister bakar sadrži 99,5% metala, gvožđe ima 0,10%, cink do 0,05%, a zlato i srebro su samo 1-200 g/t.