Как сделать электролиз меди
Целью данной работы, является изучение процесса электролитического рафинирования меди и его технико-экономических параметров.
Основные характерные свойства меди обусловли¬вают многочисленные области ее применения.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Технологическая схема 7
1.1 Описание технологической схемы 8
1.2 Плавка на штейн 8
1.3 Конвертирование медного штейна 12
1.4Рафинирование меди 15
1.4.1. Огневое рафинирование меди 15
1.4.2 Электролитическое рафинирование меди 18
2 Расчеты 25
2.1 Расчет материального баланса 25
2.2 Расчет объема электролита, выводимого на регенерацию 30
2.3 Расчет состава отработанного электролита 31
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 33
Файлы: 1 файл
Курсовая металлургия.docx
Циркуляцию электролита можно проводить путем его подачи с одного торца ванны и вывода с противоположного торца (перпендикулярно электродам) или прямоточно через все ванны блока параллелъно электродам. В последнем случае становится возможным значительно повысить плотность тока без нарушения качества катодной меди.
Во время циркуляции электролит по пути из напорного бака к ваннам подогревают паром до 50 . 55 ·С, что способствует снижению его электрического сопротивления.
Регенерацию электролита с целью его обезмеживания можно проводить несколькими способами. В настоящее время распространено выделение меди электролизом с нерастворимыми (свинцовыми) анодами.
При электролитическом способе медь осаждается из раствора на катоде, а на свинцовых анодах выделяется кислород:
Сu 2+ + 2е = Сu; (12)
В результате этих двух реакций раствор обедняется медью и обогащается свободной серной кислотой. После частичного обеднения медью такой электролит можно возвратить в основной электролиз. Осаждение меди электролизом с нерастворимыми анодами характеризуется повышенным расходом электроэнергии на 1 т меди (до 3000 . 3500 кВт· ч) вследствие высокого напряжения на ванне, которое составляет 2 . 2,5 В и слагается из потенциалов образования меди и кислорода из ионов. Этот способ прост, но дорог.[5]
На многих заводах регенерацию электролита совмещают с получением медного купороса. По этому способу отобранный раствор нейтрализуют в присутствии воздуха анодным скрапом или специально приготовленными гранулами меди. В результате протекания реакции:
раствор обогащается медью и обедняется серной кислотой.
Медь подвергают электролитическому рафинированию при использовании ее в электротехнической промышленности или в случае, если она после огневого рафинирования содержит большое количество примесей.
В ходе огневого рафинирования жидкая медь насыщается кислородом. При этом примеси железа, цинка и кобальта окисляются, переходят в шлак и удаляются. А медь разливают в формы. Получающиеся отливки служат анодами при электролитическом рафинировании.
Основным компонентом раствора при электролитическом рафинировании служит сульфат меди - наиболее распространенная и дешевая соль меди. Для увеличения низкой электропроводности сульфата меди в электролит добавляют серную кислоту. А для получения компактного осадка меди в раствор вводят небольшое количество добавок. Металлические примеси, содержащиеся в неочищенной ("черновой") меди, можно разделить на две группы.
1) Fe, Zn, Ni, Co. Эти металлы имеют значительно более отрицательные электродные потенциалы, чем медь. Поэтому они анодно растворяются вместе с медью, но не осаждаются на катоде, а накапливаются в электролите в виде сульфатов. Поэтому электролит необходимо периодически заменять.
2) Au, Ag, Pb, Sn. Благородные металлы (Au, Ag) не претерпевают анодного растворения, а в ходе процесса оседают у анода, образуя вместе с другими примесями анодный шлам, который периодически извлекается. Олово же и свинец растворяются вместе с медью, но в электролите образуют малорастворимые соединения, выпадающие в осадок и также удаляемые.[4, c168]
Накапливающиеся примеси в осадке, называемые шламом, спускают через отверстие в дне ванны. Ванны устанавливают на стеклянные изоляторы. Шины, подводящие ток, располагают по бокам ванны на просмоленных досках и изолируют резиновыми прокладками. В ванну наливают водный раствор 10—16-процентного CuSО4 (медного купороса) и добавляют 10—16-процентной серной кислоты; этот раствор служит электролитом. В электролизную ванну опускают 20—40 анодов из черновой меди, содержащей примеси, и катоды — чистые тонкие листы электролитной меди толщиной 0,5—0,7 мм; первые соединяют с положительным полюсом, вторые — с отрицательным. Через 20—30 дней остаток анодов извлекают из ванны и передают на переплавку.
Катоды вынимают через 10—12 дней. За это время вес каждого из них достигает 60—90 кг. При пропускании тока через ванну в ней происходят электрохимические процессы и медь осаждается на катоде в виде металла. На аноде медь растворяется и переходит в раствор. Электролизом получают медь с содержанием 99,95 % Сu. Примеси, находящиеся в аноде, частью растворяются, частью переходят в шлам.
Расход электроэнергии на 1 т катодной меди составляет 250—300 квтч. Шлам используют для дальнейшей обработки, при которой его разделяют на составные части. Листы электролитной катодной меди используют для приготовления медных сплавов или переплавляют в слитки, которые прокатывают.
Металлургические заводы выпускают согласно ГОСТу пять марок меди с содержанием от 99,00 до 99,95% Сu.[4, c 178]
Использование: электрохимическое выделение меди из сернокислых водных растворов. Сущность изобретения: способ включает катодное осаждение меди из раствора, содержащего медь с концентрацией не более 40 г/л при катодной плотности тока 86-258 А/м 2 . Процесс проводят при концентрации серной кислоты в электролите 160-200 г/л и температуре 50-65°С. Это позволяет повысить степень извлечения меди и улучшить качество катодного осадка.
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано на предприятиях цветной металлургии при переработке медьсодержащих водных растворов для глубокого извлечения из них меди.
Недостатком указанного способа является невысокая степень извлечения меди, загрязнение катодного осадка примесями (0,5-0,8 мас.) и необходимость утилизации сернокислых растворов, содержащих до 30 г/л меди.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ электрохимического извлечения меди из сернокислых водных растворов, заключающийся в электрохимическом осаждении меди из сернокислого раствора, содержащего, г/л: медь 25-30 и серная кислота 50-150, при температуре 25-45 о С и катодной плотности тока 86-258 А/м 2 . При этом происходит осаждение меди на катоде, а концентрация меди в электролите снижается до 10-15 г/л, т.е. достигается степень извлечения меди 50-60% Содержание меди в катодном осадке составляет 99,3-99,6 мас. остальное составляет примесные металлы железо (0,1-0,05% ), никель (0,2-0,1%), свинец (0,2-0,1%), сурьма (0,2-0,1% ) и др. то-есть не удается получить катодную медь высокого качества.
Недостатком указанного способа является невысокая степень извлечения меди, невысокое качество катодного осадка, а также необходимость утилизации сернокислых растворов, содержащих до 10-15 г/л меди.
Утилизация меди из сернокислых растворов такого состава производится либо путем нейтрализации серной кислоты и последующим полным осаждением гидроксикарбонатов меди и примесных металлов, либо путем нейтрализации серной кислоты до рН 1-2 с последующей цементацией меди на железном или алюминиевом скрапе с дальнейшим осаждением оставшихся в растворе металлов известняком. Таким образом, процессы утилизации меди из отработанных электролитов, связанные с нейтрализацией свободной серной кислоты, приводит к повышению расхода реагентов и загрязнению осаждаемой меди осадителем и примесными металлами (до 10-15 мас.) или цементатором (до 20 мас.).
Целью изобретения является повышение степени извлечения меди из сернокислых водных растворов и улучшение качества катодного осадка.
Поставленная цель достигается тем, что в способе электрохимического извлечения меди из сернокислых водных растворов, включающем катодное осаждение меди из раствора, содержащего медь с концентрацией не более 40 г/л, при катодной плотности тока 86-258 А/м 2 , процесс проводят при концентрации серной кислоты в электролите 160-200 г/л и температуре 50-65 о С.
Снижение концентрации серной кислоты менее 160 г/л приводит к нарушению процесса катодного осаждения меди при ее низких концентрациях в электролите, что не позволяет снизить ее содержание менее 5-7 г/л. Это связано с тем, что при невысоком содержании меди и серной кислоты в растворе происходит значительная поляризация катода и процесс катодного выделения водорода начинает превалировать над процессом осаждения меди. Кроме того, при этих условиях осаждение меди происходит в условиях предельной плотности тока, что приводит к ухудшению качества катодного осадка за счет катодного соосаждения примесных металлов, содержащихся в электролите.
Повышение концентрации серной кислоты более 200 г/л приводит к началу процесса обратного химического растворения катодной меди, что снижает катодный выход по току и приводит к дополнительным затратам электроэнергии на осуществление процесса катодного осаждения меди.
Снижение температуры процесса ниже 50 о С приводит к уменьшению скорости диффузии меди к катоду, уменьшению скорости ее осаждения и, в конечном итоге, к снижению степени извлечения меди на катоде. Кроме того, при температуре процесса менее 50 о С при невысоких концентрациях меди (5-7 г/л) за счет катодного осаждения происходит загрязнение осадка меди металлическими примесями (железо, никель и т.п.), что вызывает ухудшение качества катодной меди.
Повышение температуры процесса свыше 65 о С вызывает усиленное испарение воды и тумана серной кислоты с зеркала электролита (более 4-5 кг/м 2 ч), что приводит к необходимости частой корректировки состава электролита во избежание высаливания сульфата меди, необходимости организации сложной системы газоулавливания и существенному ухудшению условий труда.
К понятию качества катодной меди относятся также и такие, не имеющие строгого количественного выражения, параметры, как дендритообразование, величина кристаллов меди и плотность ее посадки на катодную матрицу. Высокое содержание серной кислоты в электролите и повышенная температура приводят к увеличению рассеивающей способности электролита и улучшению его выравнивающих свойств. Это приводит к снижению дендритообразования при катодном осаждении меди, что позволяет получать более толстые осадки катодной меди и увеличить время наращивания меди на катодную матрицу. Кроме того, проведение процесса при указанных в предлагаемом способе параметрах приводит к снижению размера кристаллов меди, что увеличивает плотность осадки. Это вызывает снижение окклюзии электролита и частиц шлема в объемы между кристаллами катодного осадка, что соответственно уменьшает загрязнение катодной меди примесными металлами.
Кроме того, при низком конечном содержании меди в электролите возможна очистка концентрированных сернокислотных растворов от металлов известными методами, например диализом, получая при этом чистые растворы серной кислоты с последующим использованием их для приготовления новых медьсодержащих растворов, направляемых на электрохимическое извлечение меди, то-есть осуществляется полная регенерация серной кислоты. Получаемые после отделения серной кислоты (диализом) растворы, содержащие незначительное количество меди и примесные металлы, обладают низкой кислотностью, что облегчает извлечение из них меди известными способами.
П р и м е р 1. В электролизер, выполненный из винипласта и снабженный титановыми электродами, было залито 1,3 л раствора, содержащего 31,2 г/л меди и 160,7 г/л серной кислоты. Процесс электрохимического извлечения меди осуществляли при температуре 52 о С и катодной плотности тока 168 А/м 2 в течение 4,5 ч. При этом на катоде было получено 36,9 г металлической меди, а концентрация меди в электролите была снижена до 2,8 г/л, то-есть достигнута степень извлечения меди 91% Содержание меди в катодном осадке составило 99,91 мас. что существенно выше по сравнению с прототипом.
П р и м е р 2. В электролизер было залито 1,6 л раствора, содержащего 35,8 г/л меди и 198,9 г/л серной кислоты. Процесс извлечения меди осуществляется при температуре 59 о С и катодной плотности тока 195 А/м 2 в течение 4,8 ч. При этом на катоде было получено 54,2 г меди, а концентрация меди в растворе снижена до 1,9 г/л, то-есть достигнута степень извлечения меди 94,7% Содержание меди в катодном осадке составило 99,93 мас.
П р и м е р 3. В электролизер было залито 1,5 л раствора, содержащего 34,3 г/л меди и 181,3 г/л серной кислоты. Процесс электрохимического извлечения меди проводили при температуре 64 о С и катодной плотности тока 218 А/м 2 в течение 4,2 ч. При этом на катоде получено 47,8 г металлической меди, а концентрация меди в электролите снижена до 2,4 г/л, то-есть достигнута степень извлечения меди 93% Содержание меди в катодном осадке составило 99,92 мас.
П р и м е р 4 по прототипу. В электролизер было залито 1,8 л раствора, содержащего 31,6 г/л меди и 132,3 г/л серной кислоты. Процесс извлечения меди осуществляли при температуре 41 о С и катодной плотности тока 140 А/м 2 в течение 5,6 ч. При этом на катоде получено 38,3 г меди, а концентрация меди в электролите снижена до 10,3 г/л, то-есть достигнута степень извлечения меди 67% Содержание меди в катодном осадке составило 99,43 мас.
Из приведенных примеров видно, что проведение процесса при концентрации серной кислоты в растворе 160-200 г/л и температуре 50-65 о С позволяет значительно с 60-70 до 90-95% увеличить степень извлечения меди в катодный осадок и существенно улучшить качество катодного осадка по сравнению с прототипом.
СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕДИ ИЗ СЕРНОКИСЛЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ, включающий катодное осаждение меди из раствора, содержащего медь с концентрацией не более 40 г/л, при катодной плотности тока 86 258 А/м 2 , отличающийся тем, что процесс проводят при концентрации серной кислоты в электролите 160 200 г/л и температуре 50 65 o С.
Среди всех способов получения медного купороса, можно отдельно выделить технологию получения этого химического соединения методом электролиза. Суть его заключается в способности постоянного тока в растворе электролита делать все нужные людям химические реакции с целью получения того или иного элемента. В данной статье я расскажу вам как используя эту особенность можно получить электролитическим способом, напрямую соединение меди и серной кислоты минуя все промежуточные операции.
Как известно, ток подразделяется в зависимости от ее вида на экране осцилографа на переменный и постоянный. Переменный ток выглядит в виде волн и применяется в обычной домашней электросети, а постоянный выглядит как прямая линия и источником его является обычная батарейка, аккумулятор или выпрямитель. Это идеальный вариант, ведь есть еще модификации, нечто среднее между токами, а сегодня мой рассказ будет построен на идеальных условиях при применении постоянного тока.
Для получения медного купороса электролитическим способом нам потребуется небольшая продольная емкость (это может быть обыкновенная пластиковая разрезанная банка), источник постоянного тока - лучше применить мощный аккумулятор или хорошее зарядное устройство, сернокислотный электролит и два толстых куска медной проволоки. В пластиковую емкость, которая в дальнейшем у нас будет именоваться ванной наливаем 10-15% водный раствор H2SO4, по сторонам закрепляем любым удобным методом куски медной проволоки опущенные почти до дна, которые будут играть роль электродов и источник тока, один конец которого, подключим к одному электроду , а второй к другому. После этого начинаем пропускать ток и через некоторое время станет заметно, что на одном электроде будут выделяться пузырьки газа, которыйназывается водород и появляться наросты ввиду губки, которые легко отрываются от металла. По этим признакам можно легко определить полярность-на минусе будет выделяться медь, которая соответственно на плюсе будет растворяться и будет выделяться тепло. При этом сернокислотный раствор тоже будет насыщаться медным купоросом и станет голубого цвета и пойдет процесс простого переноса металлической меди с одного электрода на другой и медый купорос в виде кристаллов получаться не будет.
Чтобы этого не происходило, в эту систему нужно добавить полупроницаемую перегородку или мембрану. Подойдет цветочный не глазурованный горшок, в котором нужно закрыть отверстие для стека воды, кожанный мешок очищенный от краски и лака или полипропленовый кулек. Эту перегородку нужно разместить между электродами, неважно в каком месте, главное исключить перетекания электролита из одной части ванны в другой. Признаками правильной работы будет отстствие выделения меди на проволоке которое было видно раньше и уменьшение выделения пузырьков газа. Конечно, полностью это не прекратся, но уменьшится в десятки раз.
Что же происходит в ванне с добавлением полупроницаемой мембраны? В общем ничего не изменилось-медь продолжает растворяться в серной кислоте и превращаться в медный купорос, а дойти до другого электрода дойти из-за перегородки не может. Молекула сульфата меди больше чем поры перегородки и она не дает ему проскочить в другую половинку ванны. А вот вода практически беспрепятственно проскакивает и поэтому пузырьки водорода продолжают выделяться.
По этой причине концентрация медного купороса перед перегородкой будет увеличиваться и со временем может достигнуть уровня, что при остывании он будет выделяться в виде кристаллов разных величин и его можно будет собрать и применить по своим потребностям, которые ввиду наличия свободной серной кислоты, будут весьма ограничены. Ее нужно нейтрализовать и сделать это можно по способу написанному в этой статье и не дожидаться полного насыщения растворам купороса, а взять его в виде электролита, добавить туда оксида меди, нагреть и получить методом электролиза медный купорос высокого качества.
Рассказ мой обзорный, но понятный людям с определенным багажом знаний по этой теме. Если кому будут интересны тонкости - регистрируйтесь на сайте и пишите вопросы в комментариях.
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Вот краткий обзор того, что будет необходимо на всех этапах:
— источник питания (постоянный ток) и электроды
— электролит (проводящая жидкость): медный купорос
— медь в качестве основного материала и для анода
— немного пластика или стеклянные контейнеры.
— бумага для струйной печати
— шлифовальная бумага
Шаг 1: Метод травления меди
Весь процесс, который я опишу, основан на электролитической ванне с использованием разбавления сульфата меди .
Электролиз сам по себе довольно легкая вещь: это процесс, который вызывает химическую реакцию из-за электричества . Какая реакция происходит, зависит от используемых ингредиентов.
Подробное описание электролиза можно найти здесь.
Что мне нужно для настройки?
— источник питания ( постоянный ток, постоянный ток ) и электроды
— электролит (проводящая жидкость)
— медь в качестве основного материала и для анода)
— некоторые пластиковые или стеклянные контейнеры.
Источник питания
Это хорошая идея, чтобы иметь переключаемый источник питания. Он может регулировать как ток, так и напряжение, поэтому я могу немного варьироваться в зависимости от того, какие материалы я использую.
Я хотел бы иметь как минимум 12В и 15-20А выход.
Электролит
Традиционным веществом для электрического травления меди и цинка является сульфат меди.
Он легко растворяется в воде до приятной синей жидкости. Я использовал концентрацию 4 части воды на 1 часть сульфата меди (при условии, что 1 кг составляет один литр;)). Медный купорос определен как раздражитель, но может быть куплен онлайн. Потенциальная опасность заключается в том, что он уничтожает организмы в течение более длительного периода контакта. Не наносите его на кожу и не сливайте его в раковине.
Медь
Так как вы хотите травить медь, вам нужно медный объект, который вы хотите травить. Он будет прикреплен к аноду источника питания, чтобы ток проходил через него. На катоде нужен еще один кусок меди, на котором могут осесть молекулы Cu2 +. Я на самом деле использовал латунь, также отлично работает, как и все другие материалы, которые могут соединяться с медью.
С химической точки зрения это происходит:
на аноде: Cu => Cu2 + + 2e-,
на катоде: Cu2 + + 2e- => Cu
. Анод медленно растворяется, образуя катионы, которые преобразуют медь на катоде за счет восстановления меди.
Шаг 2: Рисунок на меди
Существует два полезных метода переноса нужного изображения на медную пластину: фотоэкспозиция или прямая передача тонера, который рассматривается как более простой (но, возможно, более неточный) метод, который я сейчас опишу.
Прежде чем продолжить, мы должны тщательно очистить поверхность меди, используя спирт или другой хороший очиститель. Ни одного места, что может быть оставлено до передачи.
Теперь нам нужен негатив изображения, которое мы хотим вытравить. Вы должны напечатать это на как можно более глянцевом листе бумаги. Вы должны немного поэкспериментировать. Я выбрал фотобумагу для струйных принтеров, но прочитал, что страницы из каталогов продукции тоже хороши. Вам нужна бумага с очень плоской поверхностью, чтобы тонер не прилипал к ней слишком хорошо.
Используйте свой утюг при высокой температуре, чтобы сначала нагреть медь. Затем положите лист с отпечатком в сторону меди на пластину и нанесите его под высоким давлением утюга. Будьте осторожны, чтобы не сдвинуть лист, иначе изображение будет испорчено. Как долго вы должны их сжать, зависит от используемых материалов. Снова. немного экспериментировать необходимо.
Когда лист застрянет на тарелке, положите его в горячую воду на несколько минут, пока бумага не оторвется. После небольшой протирки бумага должна полностью вытереться, и остается только тонер.
Это была сложная часть …
Шаг 3: Травление меди
На этом шаге вы выполните травление (и ожидаете …).
Выполните настройку, описанную в шаге 1. Медная пластина, которую вы хотите травить, должна быть прикреплена к аноду с помощью некоторого проводящего соединителя. Я использовал зажимы из кожи аллигатора, но вы также можете просто построить небольшую проводящую рамку, которая удерживает материал. Снова нужны эксперименты … То же самое для катода.
Медная пластина должна быть покрыта как можно более полным разбавлением. части, которые не покрыты, не будут запечатлены.
Когда все настроено правильно, включите источник питания. Я использовал 15 В и 20 А в качестве начального значения. Если вы измеряете сопротивление или ток, он будет меняться со временем, и будет течь больше энергии.
Берегите себя, раствор не нагревается. Некоторое количество пара прекрасно, если оно бесцветное и не пахнет. Кипящая вода очень сильно разрушит тарелку.
Время от времени немного поворачивали анодную пластину, чтобы слой, который появится через некоторое время, исчезал. Старайтесь не удалять тонер.
Длительность процесса зависит от того, насколько глубоко вы хотите вытравить и сколько тока ваш источник питания способен выдавать.
Часть, которую я взял для демонстрации, заняла у меня почти час.
Шаг 4: Завершение
Позвольте раствору хорошо капать после травления. Дайте как можно больше стечь обратно в контейнер, так как вы не хотите помещать его в раковину. Затем очистите его чистой водой. Низкая концентрация медного купороса не нанесет вреда окружающей среде, но сохранит его как можно ниже.
Используйте очень тонкую шлифовальную бумагу или шлифовальный станок для очистки пластины от остатков тонера и для получения красивой и чистой поверхности.
Как вы можете видеть на ручке пистолета, я не сделал передачу должным образом. На этой линии не было достаточно тонера, или он не был хорошо перенесен, так как он, казалось, отвалился во время травления.
Ну, вот и все… травление сделано …
Шаг 5: Приложение
Что произошло с растворенной медью? Это исчезает?
Нет .. это не … это прикреплено к катоду …
Источник
Читайте также: