Vase elektrolüütiline rafineerimine: koostis, valemid ja reaktsioonid

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-02 13:53

Vase rafineerimine on metalli rafineerimise protsess elektrolüüsi teel. Elektrolüüsipuhastus on lihtsaim viis vase 99,999% puhtuse saavutamiseks. Elektrolüüs parandab vase kui elektrijuhi kvaliteeti. Elektriseadmed sisaldavad sageli elektrolüütilist vaske.

Mis see on?

Vase rafineerimisel või elektrolüüsil kasutatakse anoodi, mis sisaldab ebapuhast vaske. See tekib maagi kontsentratsioonist. Katood koosneb puhtast metallist (titaanist või roostevabast terasest). Elektrolüüdi lahus koosneb sulfaadist. Seetõttu võib väita, et vase rafineerimine ja elektrolüüs on üks ja seesama. Elektrivool põhjustab anoodidelt pärit vase ioonide sisenemist lahusesse ja sadestuvad katoodile. Sel juhul lisandid kas lahkuvad või moodustavad sademe või jäävad lahusesse. Katood muutub suuremaks kui puhas vask ja anood kahaneb.

Elektrolüütilised rakud kasutavad välist alalisvooluallikat, et reageerida reaktsioonidele, mis muidu ei oleks spontaansed. Elektrolüütilised reaktsioonidkasutatakse plaatmetallide puhastamiseks mitut tüüpi aluspindadel.

Elektrolüütilise protsessi kasutamine metalli puhastamiseks (vase rafineerimine, metalli elektrolüüs):

1. Kuna lisandid võivad vaskjuhtmete juhtivust oluliselt vähendada, on vaja saastunud vaske puhastada. Üks puhastusmeetodeid on elektrolüüs.
2. Kui vasksulfaadi vesipreparaadi elektrolüüsil kasutatakse anoodina ebapuhta vaskmetalli riba, siis vask oksüdeerub. Selle oksüdeerumine toimub kergemini kui vee oksüdeerumine. Seetõttu lahustub metalliline vask lahuses vaseoonide kujul, jättes maha palju lisandeid (vähem aktiivseid metalle).
3. Anoodil moodustunud vase ioonid migreeruvad katoodile, kus need redutseeritakse kergemini kui vesi ja katoodi metallplaadid.

Elektroodide vahel on vaja läbida piisav vool, vastasel juhul tekib mittespontaanne reaktsioon. Reguleerides hoolik alt elektripotentsiaali, metalli lisandid, mis on piisav alt aktiivsed, et oksüdeerida anoodil vaske, ei redutseerita aineid katoodil ja metall sadestub valikuliselt.

Tähtis! Kõik metallid ei redutseerita ega oksüdeeru kergemini kui vesi. Kui jah, siis esimesena toimub elektrokeemiline reaktsioon, mis nõuab kõige väiksemat potentsiaali. Näiteks kui kasutaksime elektroode, nii anoodi kui katoodi, oksüdeeruks metalli potentsiaal anoodil, kuid siis väheneks katoodil vesi ja alumiiniumioonid jääksid lahusesse.

Elektrolüüsi loomiseks peate kasutamajärgmine vase rafineerimismeetod:

1. Valage vasksulfaadi lahus klaasi.
2. Paigutage kaks grafiitvarda vasksulfaadi lahusesse.
3. Ühendage üks elektrood negatiivse alalisvoolu klemmiga ja teine positiivse klemmiga.
4. Täitke kaks väikest toru täielikult vasksulfaadi lahusega ja asetage igale elektroodile kork.
5. Lülita toiteplokk sisse ja kontrolli, mis toimub iga elektroodi juures.
6. Katsetage leegitseva rehviga tekkivat gaasi.
7. Salvestage oma tähelepanekud ja testide tulemused.

Tulemused peaksid välja nägema järgmised:

• Lahus ilmuvad pruunid või roosad tahked ained.
• Seal on mullid.
• Mullid peaksid olema värvitud.
• Aine gaasilisel kujul.

Kõik tulemused salvestatakse, misjärel gaas kustutab rehv. Samuti on veel üks viis metalli puhastamiseks lisanditest ja kolmanda osapoole mustusest - see on vase tulega rafineerimine. Kuidas see juhtub, räägime hiljem, kuid nüüd tutvustame muid võimalusi metalli rafineerimiseks.

Vase rafineerimise meetodid – kuidas muidu saab soovitud metallide keemiliselt eemaldada?

Kuna elektrolüüs on sulfaatide ja voolu toime, siis milline on elektrolüütiline meetod puhaste toodete saamiseks? Täiesti erinevad asjad, kuigi kõlavate nimede poolest sarnased. Vase elektriline rafineerimine põhineb aga hapete kasutamisel. Võime öelda, et see on metalli oksüdatsioon, kuid mitte päris.

Puhas tootmine on elektrijuhtme valmistamisel oluline, kuna lisandid vähendavad vase elektrijuhtivust. Need lisandid hõlmavad väärismetalle, näiteks:

• hõbe,
• kuld;
• plaatina.

Kui need elektrolüüsi teel eemaldada ja samal viisil taastada, kulub elektrit nii palju, kui piisaks kümnete kodude elektriga varustamiseks. Puhastatud komponent säästab energiat, andes voolu veelgi rohkematele kodudele lühema ajaga.

Elektrolüütilisel rafineerimisel valmistatakse anoodist ebapuhas koostis vasksulfaadi - CuSO₄ ja väävelhappe H_{2 elektrolüütilises vannis. SO 4}. Katood on väga puhtast vasest valmistatud leht. Kui vool juhitakse läbi lahuse, tõmbuvad positiivsed vase ioonid Cu₂₊ katoodile, kus nad võtavad elektrone ja sadestuvad sarnaselt neutraalsed aatomid, luues seeläbi katoodil üha rohkem puhast metalli. Samal ajal loovutavad anoodi aatomid elektrone ja lahustuvad elektrolüüdi lahuses ioonidena. Kuid anoodis olevad lisandid ei lahustu, sest hõbeda, kulla ja plaatina aatomid ei oksüdeeru (muutu positiivseteks ioonideks) nii kergesti kui vask. Seega kukub hõbe, kuld ja plaatina anoodilt lihts alt paagi põhja, kus neid saab puhastada.

Kuid paakide kasutamisel toimub ka vase elektrolüütiline rafineerimine:

1. Elektrolüütilised puhastuspaagid oneraldi töökoda tööstuslikus tootmises. Anoodplaadid riputatakse elektrolüütilise vase puhastamiseks paagis olevate "käepidemete" abil. Tahkete varraste külge riputatud puhta vase katoodlehed sisestatakse samasse paaki, üks leht iga anoodi vahele. Kui elektrivool suunatakse anoodidelt läbi elektrolüüdi katoodidele, liigub anoodidelt tulev vask lahusesse ja sadestub käivituslehele. Anoodidelt pärit lisandid ladestuvad paagi põhjale.
2. Vakseanoodidega (plaatidega) survevalumasin. See muutub vormides sujuv alt anoodplaatideks. Pärast eeltöötlust eemaldatakse tina, plii, raud ja alumiinium. Järgmisena hakatakse vaskmaterjali ahju laadima, millele järgneb sulatusprotsess.
3. Kui lisandid on eemaldatud, järgneb räbu eemaldamise ja maagaasiga redutseerimise faas. Redutseerimise eesmärk on vaba hapniku eemaldamine. Pärast taastamist lõppeb protsess valamisega, kus lõpptoode valatakse vaskanoodidena. Sama masinat saab kasutada nende anoodide valamiseks komponentide ringlussevõtu ajal või vanametalli anoodide ringlussevõtuks elektrolüüsi vasesulatuses.
4. Puhastage katoodlehti. Rafineerimisahjust ekstraheeritud modifitseerivad anoodid muudetakse elektrolüüsi käigus elektrolüütiliseks vaseks, mille puhtus on 99,99%. Elektrolüüsi ajal jätavad vase ioonid ebapuhta vase anoodi ja kuna need on positiivsed, migreeruvad need katoodile.

Aeg-aj alt kraabitakse katoodilt maha puhast metalli. vaskanoodi lisandid nagu kuld,hõbe, plaatina ja tina kogunevad elektrolüüdi lahuse põhja ja sadestuvad anoodilimana. Seda protsessi nimetatakse vase elektrolüütiliseks tootmiseks ja rafineerimiseks.

Fossiilide hankimine – missuguseid on olemas ja kas need kõik on praktikas vajalikud?

Veidi erinev viis metalli puhastamiseks. Samuti on vase tule ja elektrolüütiline rafineerimine, kui üks protsess järgneb kohe teisele. Oluliseks "eraldumise" etapiks saab keskendumine või keskendumine. Kui kontsentreerimine on lõppenud, on valmistoote loomise järgmine samm vase tulega rafineerimine.

Tavaliselt juhtub see kaevanduse lähedal, töötlemistehases või sulatustehases. Vase rafineerimisel eemaldatakse soovimatud materjal järk-järgult ja vask kontsentreeritakse kuni 99,99% puhtusega klass A. Rafineerimisprotsessi üksikasjad sõltuvad mineraalide tüübist, millega metall on seotud. Sulfiidirikast vasemaak töödeldakse pürometallurgiliselt.

Rafineerimine ja püometallurgia:

1. Pürometallurgias kuivatatakse vase kontsentraat enne ahjus kuumutamist. Kuumutamise käigus toimuvad keemilised reaktsioonid põhjustavad kontsentraadi eraldumise kaheks materjalikihiks: matiks ja räbukihiks. Alumine mattkiht sisaldab vaske, pealmine räbukiht aga lisandeid.
2. Räbu visatakse ära ja mattkiht taastatakse ning viiakse silindrilisse anumasse, mida nimetatakse muunduriks. Konverterisse lisatakse erinevaid kemikaale, mis reageerivad vasega. See viib muundatud vase moodustumiseni, nn"vill". Pärast sadestamist see ekstraheeritakse ja seejärel viiakse läbi teine protsess, mida nimetatakse tulepuhastuseks.
3. Tulepuhastusseadmes puhutakse õhk ja maagaas läbi, et eemaldada ülejäänud väävel ja hapnik, mille tulemusena töödeldakse rafineeritud koostist katoodiks. Metall valatakse anoodidesse ja asetatakse elektrolüsaatorisse. Pärast laadimist kogutakse puhas vask katoodile ja eemaldatakse 99% puhta tootena.

Rafineerimine ja hüdrometallurgia:

1. Hüdrometallurgias töödeldakse vase kontsentraati ühe mitmest protsessist. Kõige vähem levinud meetod on karburiseerimine, mille käigus metall sadestatakse redoksreaktsiooni käigus vanametallile.
2. Lai alt kasutatav puhastusmeetod on lahustiga ekstraheerimine ja elektrolüüs. See uus tehnoloogia sai lai alt levinud 1980. aastatel ja umbes 20% maailma vasest toodetakse praegu sel viisil.
3. Lahusti ekstraheerimine algab orgaanilise lahustiga, mis eraldab metalli lisanditest ja soovimatutest materjalidest. Seejärel lisatakse väävelhapet, et eraldada vask orgaanilisest lahustist, moodustades elektrolüütilise lahuse.
4. See lahus allutatakse seejärel elektrolüüsiprotsessile, mille käigus asetatakse vask lihts alt katoodile lahusesse. Seda katoodi saab müüa nii nagu see on, kuid sellest saab valmistada ka vardaid või lähtelehti muude elektrolüüsiseadmete jaoks.

Kaevandusettevõtted võivad müüa vaske kontsentraadi või katoodi kujul. KuidasNagu eespool mainitud, rafineeritakse kontsentraati enamasti mujal kui kaevanduskohas. Kontsentraaditootjad müüvad 24–40% vaske sisaldavat kontsentraadipulbrit vasesulatus- ja rafineerimistehastele. Müügitingimused on igal sulatustehasel unikaalsed, kuid üldiselt maksab sulatus kaevandajale ligikaudu 96% kontsentraadis sisalduva vase sisalduse maksumusest, millest on maha arvatud töötlemistasud ja rafineerimiskulud.

Sulatajad nõuavad üldjuhul teemaksu, kuid nad võivad kaevurite nimel müüa ka rafineeritud metalli. Seega langeb kogu vase hinna kõikumisest tulenev risk (ja tasu) edasimüüjate õlgadele.

Tulepuhastus – kui ohtlik see on?

Kõige kuumem tulega rafineerimine võib olla ohtlik, kuid töötlemismeetodit kasutavad praegu enamik tööstusettevõtteid. Eraldi tasub kirjeldada blistervase rafineerimise tehnoloogiat.

Blistervask on juba peaaegu puhas (rohkem kui 99% vaske). Kuid tänapäeva turu jaoks pole see väga "puhas". Metalli täiendav alt puhastatakse elektrolüüsi abil. Tööstuslikus tootmises kasutatakse meetodit, mida nimetatakse blistervase tulega rafineerimiseks. Tindi vask valatakse suurteks plaatideks, mida kasutatakse elektrolüsaatoris anoodidena. Elektrolüütiline järelrafineerimine annab kvaliteetse ja kõrge puhtusastmega metalli, mida tööstus vajab.

Tööstuses tehakse seda massiliselt. Isegi parim keemiline meetod ei suuda eemaldada vasest kõiki lisandeid, kuid elektrolüütilise rafineerimisega saab toota 99,99% puhast vaske.

1. Anoodi villid on sukeldatud vasksulfaati ja väävelhapet sisaldavasse elektrolüüti.
2. Nende vahel on puhtad katoodid ja lahust läbib rohkem kui 200 A vool.

Nendel tingimustel lahustuvad vase aatomid ebapuht alt anoodilt, moodustades vaseioone. Nad rändavad katoodidele, kus nad ladestuvad tagasi nagu puhtad vaseaatomid.

• Anoodil: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• Katoodil: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Kui lüliti sulgub, hakkavad anoodil olevad vaseoonid läbi lahuse katoodi suunas liikuma. Vase aatomid on juba loobunud kahest elektronist, et saada ioonideks ja nende elektronid võivad vab alt juhtmetes ringi liikuda. Lüliti sulgemine surub elektronid päripäeva ja mõned vaseoonid settivad lahusesse.

Plaat tõrjub ioone anoodilt katoodile. Samal ajal surub see juhtmete ümber vabu elektrone (need elektronid on juba juhtmete vahel jaotatud). Katoodis olevad elektronid rekombineeruvad lahusest pärinevate vaseoonidega, moodustades uue vaseaatomite kihi. Järk-järgult anood hävib ja katood kasvab. Anoodis olevad lahustumatud lisandid langevad põhja sadestuma. See väärtuslik biotoode eemaldatakse.

Kuld, hõbe, plaatina ja tina ei lahustu selles elektrolüüdis ega sadestu seetõttu katoodile. Need moodustavad väärtusliku "muda", mis koguneb anoodide alla.

Raua ja nikli lahustuvad lisandid on lahustunud elektrolüüdis, mida tuleb pidev alt puhastada, et vältida ülemäärast sadestumist katoodidele, mis vähendab vase puhtust. Hiljuti on roostevabast terasest katoodid asendatud vaskkatoodidega. Toimuvad samad keemilised reaktsioonid. Katoodid eemaldatakse perioodiliselt ja puhas vask puhastatakse. Vase elektrolüütiline tootmine ja rafineerimine sellistes tingimustes on värviliste metallide töötlemise tehastes üsna tavaline.

Metalli puhastamise elektrokeemiline versioon

Tulepuhastust võib nimetada keemiliseks, kuna selles protsessis toimub keemiline reaktsioon teiste ainete ja lisanditega. Ül altoodu oli näide oksüdatiivsest reaktsioonist. Kõik puhta vase ekstraheerimise tüübid ja meetodid on sarnased, nagu ka vase elektrokeemiline rafineerimine, mille puhul kasutatakse identset taktikat, kuid erinevas järjestuses.

Keemiline abielement muutub ise kõrvalsaaduseks:

• Kaustiline sooda
• Kloor.
• Vesinik.

See on odavaim viis saada kallist toorainet ilma alternatiivse komponentide kaevandamise süsteemile raha kulutamata. Lisaks kaevandatakse väärtuslikke metalle, mis on koostiselt õilsad ja väärtuslikud elektriseadmete tööstuslikul leiutamisel.

Vakseahi – metallist toiduvalmistamise tööstus

Küttega vase rafineerimisahi on spetsiaalselt konstrueeritud ja võimeline töötlema vasejäägid kontrollitud lisanditega vedelaks metalliks. See on mõeldud jääkide pürometallurgiliseks töötlemiseksökonoomne ja keskkonnasõbralik tehnoloogia. Sula vase tootmiseks pakutav põhitehnoloogia sobib vasest pulgade, ribade, toorikute või muude vasktoodete tootmiseks, kasutades toorainena vanametalli (Cu> 92%).

Põletus- ja puhastussüsteemide võimsus arvutati 16–24-tunnise puhastustsükli jaoks (laadimisest taaskasutamiseni), olenev alt vanaraua tüübist. Vase rafineerimisahjudel on eriline disain ja funktsioonid:

1. Ahju korpus on valmistatud terassegmentidest ja jäikadest sektsioontüüpi konstruktsioonidest.
2. Ahi on seestpoolt vooderdatud tulekindla materjaliga.
3. See on varustatud hüdrojaamaga, mis töötab kallutatava ahju režiimis kahe kiirusega: roomekiirus kallutamisel heitmiseks ja suur kiirus liikumise ajal, mis ei nõua erilist täpsust.
4. Toimingud tehakse kahe ahju põhja paigaldatud hüdrosilindri abil. Spetsiaalne seade viib ahju voolukatkestuse ajal tagasi horisontaalasendisse.
5. Materjali laadimisluuk asub ahju küljel. See suletakse hüdrosilindriga käitatava uksega.
6. Ahi on varustatud jahutatud torudega vase oksüdeerimiseks ja redutseerimiseks.

Samuti on üks universaalne põleti, mis tarbib nii vedelat kui gaaskütust.

Oksüdatiivne rafineerimine tööstuses

Vase oksüdeerimine viiakse läbi pärast lähteaine sulatamise lõpetamist. Protsess viiakse läbi suruõhu süstimisega sulatisse torude kaudu. Saadud räbu eemaldatakse käsitsi sulatise pinn alt spetsiaalse reha abil ja visatakse konteinerisse. Räbu sisaldab vaske, lisandeid, pliid, tina jne. Redutseerimisprotsess tuleb läbi viia hapniku eemaldamiseks sulatisest ja vaskoksiidide redutseerimiseks. Toiming sooritatakse maagaasi süstimisega sulatisse.

Ahjust juhitakse heitgaasid gaasipuhastussüsteemi, läbides tolmukollektori, mis püüab kinni jämeda tolmu. Kollektor on varustatud õhutustoruga gaasi avariijuhtimiseks atmosfääri. Tulepuhastusahi töötab pidev alt. Tehnoloogilise protsessi töötsükkel sisaldab:

• tooraine laadimine;
• oksüdatsioon, räbu, redutseerimine;
• rafineeritud metalli laadimine.

Kogu järgnevat protsessi nimetatakse vase oksüdatiivseks rafineerimiseks. Seda ei saa eraldada üldisest rafineerimisprotsessist, kuna see on osa kogu puhta metalli tootmismeetodist. Pärast vajalike parameetrite kõrvaldamist kasutatakse vase sulamist järgmises tehnoloogilises protsessis.

Värviliste metallide jodiidiga rafineerimine

Vase(II)ioonid oksüdeerivad jodiidioonid molekulaarseks joodiks ja selle käigus redutseeritakse need ise vask(I)jodiidiks. Algne segatud pruun segu eraldus joodilahuses valkjaks vask(I)jodiidi sademeks. Kasutage seda reaktsiooni vase (II) ioonide kontsentratsiooni määramiseks lahuses. Kui lisate kolbi ettenähtud koguse lahust,mis sisaldavad vase (II) ioone, ja lisage seejärel liig kaaliumjodiidi lahust, saate ülalkirjeldatud reaktsiooni.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2 CuI (s) + I 2 _(vesilahus)

Leiate naatriumtiosulfaadi lahusega tiitrimisel vabanenud joodi koguse.

2S₂O₂^-3 (lahendus) + I ₂ (lahus) → S₄O₂^-6 (vesilahus) + 2I^{- (vesilahus)}

Kui naatriumtiosulfaadi lahust büretist välja lasta, kaob joodi värvus. Kui see on peaaegu kõik otsas, lisa tärklis. Kogu vaskjodiidi rafineerimisreaktsioon on joodiga pöörduv, et tekiks sügavsinine tärklise-joodi kompleks, mida on palju lihtsam näha.

Lisage paar viimast tilka naatriumtiosulfaadi lahust, kuni sinine värvus kaob. Kui jälgite proportsioone kahe võrrandi kaudu, leiate, et iga 2 mooli vase(II) ioonide kohta, millest oleksite pidanud alustama, vajate 2 mooli naatriumtiosulfaadi lahust. Kui teate naatriumtiosulfaadi lahuse kontsentratsiooni, on vase (II) ioonide kontsentratsiooni lihtne arvutada. Selle katse tulemuseks on saada vase (I) lihtne ühend lahuses.

Fosforitöötlus

Fosforvase rafineerimine on fosforiga deoksüdeeritud kõva vask, mis on vastupidav üldotstarbeline vaik. Seda desoksüdeerib vaskfosfor, mille jääkfosfor hoitakse madalal tasemel (0,005-0,013%), et saavutada hea elektrijuhtivus. Sellel on hea soojusjuhtivus ning suurepärased keevitus- ja jootmisomadused. Pärast sel viisil vase rafineerimist tahkesse vaskvaiku jääv oksiid eemaldatakse fosforiga, mis on kõige sagedamini kasutatav deoksüdant.

Tabel näitab erinevat jõudlust lõõmutatud (pehmest) vasest kõvani.

Tõmbetugevus	220-385 N/mm2
Rebimistugevus	60-325 N/mm2
Pikkus	55-4 %
Kõvadus (HV)	45-155
Elektrijuhtivus	90-98 %
Soojusjuhtivus	350–365 W/cm

Ajamiraamid ühendavad juhtmestiku pooljuhtpinna elektriklemmidega ning elektriseadmete ja trükkplaatide suuremahuliste vooluringidega. Materjal valitakse nii, et see vastaks protsessi nõuetele ning oleks paigaldamisel ja töötamisel usaldusväärne.

Vase koostis pärast elektrolüüsi

Vase koostis sisaldab pärast tulega rafineerimist 99,2% metallist. Anoodidesse jääb seda palju vähem. Kui lisandid on täielikult eemaldatud, jääb kompositsiooni 130 g/l katoodaluseid. Vitriooli vesilahus muutub nõrgaks ja vaskkatoodide happeline komponent ulatub 140-180 g/l. Blistervask sisaldab 99,5% metallist, raud on 0,10%, tsink kuni 0,05% ning kulda ja hõbedat on ainult 1-200 g / t.