Rafinimi elektrolitik i bakrit: përbërja, formula dhe reaksione

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-02 14:02

Rafinimi i bakrit është procesi i rafinimit të metalit nëpërmjet elektrolizës. Pastrimi me elektrolizë është mënyra më e lehtë për të arritur pastërtinë 99,999% në bakër. Elektroliza përmirëson cilësinë e bakrit si përçues elektrik. Pajisjet elektrike shpesh përmbajnë bakër elektrolitik.

Çfarë është kjo?

Përpunimi ose elektroliza e bakrit përdor një anodë që përmban bakër të papastër. Ajo lind nga përqendrimi i xehes. Katoda përbëhet nga metal i pastër (titan ose çelik inox). Tretësira e elektrolitit përbëhet nga sulfat. Prandaj, mund të argumentohet se rafinimi dhe elektroliza e bakrit janë një dhe e njëjta gjë. Një rrymë elektrike bën që jonet e bakrit nga anoda të hyjnë në tretësirë dhe të depozitohen në katodë. Në këtë rast, papastërtitë ose largohen, ose formojnë një precipitat, ose mbeten në tretësirë. Katoda bëhet më e madhe se bakri i pastër dhe anoda tkurret.

Qelizat elektrolitike përdorin një burim të jashtëm DC për t'iu përgjigjur reaksioneve që përndryshe nuk do të ishin spontane. Reaksionet elektrolitikepërdoret për të pastruar metalet e pllakave në shumë lloje nënshtresash.

Përdorimi i një procesi elektrolitik për të pastruar metalin (rafinimi i bakrit, elektroliza e metaleve):

1. Për shkak se papastërtitë mund të zvogëlojnë shumë përçueshmërinë e telave të bakrit, është e nevojshme të pastrohet bakri i kontaminuar. Një nga metodat e pastrimit është elektroliza.
2. Kur një rrip metali bakri të papastër përdoret si anodë në elektrolizën e një preparati ujor të sulfatit të bakrit, bakri oksidohet. Oksidimi i tij vazhdon më lehtë se oksidimi i ujit. Prandaj, bakri metalik tretet në tretësirë në formën e joneve të bakrit, duke lënë pas shumë papastërti (metale më pak aktive).
3. Jonet e bakrit të formuar në anodë migrojnë në katodë ku ato reduktohen më lehtë se uji dhe "pllakat" metalike në katodë.

Është e nevojshme të kalohet rrymë e mjaftueshme ndërmjet elektrodave, përndryshe do të ndodhë një reaksion jo spontan. Duke rregulluar me kujdes potencialin elektrik, papastërtitë metalike që janë mjaftueshëm aktive për të oksiduar bakrin në anodë, substancat nuk reduktohen në katodë dhe metali depozitohet në mënyrë selektive.

E rëndësishme! Jo të gjitha metalet reduktohen ose oksidohen më lehtë se uji. Nëse po, së pari do të ndodhë reaksioni elektrokimik që kërkon potencialin më të ulët. Për shembull, nëse do të përdornim elektroda, si anodë ashtu edhe katodë, potenciali metalik do të oksidohej në anodë, por më pas uji do të zvogëlohej në katodë dhe jonet e aluminit do të mbeteshin në tretësirë.

Për të krijuar elektrolizë, duhet të përdornimetoda e mëposhtme e rafinimit të bakrit:

1. Hidhni tretësirën e sulfatit të bakrit në një gotë.
2. Vendosni dy shufra grafiti në tretësirën e sulfatit të bakrit.
3. Lidhni njërën elektrodë me terminalin negativ të rrymës DC dhe tjetrën me terminalin pozitiv.
4. Mbusheni plotësisht dy tuba të vegjël me tretësirë të sulfatit të bakrit dhe vendosni një tapë në secilën elektrodë.
5. Ndizni furnizimin me energji elektrike dhe kontrolloni se çfarë ndodh në secilën elektrodë.
6. Testoni çdo gaz të prodhuar me një gomë të ndezur.
7. Regjistroni vëzhgimet tuaja dhe rezultatet e testeve tuaja.

Rezultatet duhet të duken kështu:

• Nën tretësirë shfaqen lëndë të ngurta kafe ose rozë.
• Ka flluska.
• Flluskat duhet të jenë pa ngjyrë.
• Një substancë në formë të gaztë.

Të gjitha rezultatet regjistrohen, pas së cilës gazi shuhet nga goma. Ekziston edhe një mënyrë tjetër për të pastruar metalin nga papastërtitë dhe papastërtitë e palëve të treta - ky është rafinimi me zjarr i bakrit. Se si ndodh kjo, do ta tregojmë më vonë, por tani do të paraqesim opsione të tjera për rafinimin e metalit.

Metodat e rafinimit të bakrit - si tjetër mund të bëhet zhveshja kimike e metaleve të dëshiruar?

Meqenëse elektroliza është veprimi i sulfateve dhe rrymës, cila është metoda elektrolitike për marrjen e produkteve të pastra? Gjëra krejtësisht të ndryshme, edhe pse të ngjashme në emra që tingëllojnë. Megjithatë, rafinimi elektrik i bakrit bazohet në përdorimin e acideve. Mund të themi se ky është oksidimi i metalit, por jo plotësisht.

Prodhimi i pastër është i rëndësishëm për prodhimin e telit elektrik, pasi përçueshmëria elektrike e bakrit reduktohet nga papastërtitë. Këto papastërti përfshijnë metale të çmuara si:

• argjend,
• ari;
• platin.

Kur hiqen me elektrolizë dhe restaurohen në të njëjtën mënyrë, energjia elektrike harxhohet aq sa do të mjaftonte për të furnizuar me energji elektrike dhjetëra shtëpi. Komponenti i pastruar kursen energji, duke fuqizuar edhe më shumë shtëpi në më pak kohë.

Në rafinimin elektrolitik, një përbërje e papastër bëhet nga një anodë në një banjë elektrolitike me sulfat bakri - CuSO₄ dhe acid sulfurik H_{2 SO 4}. Katoda është një fletë prej bakri shumë të pastër. Ndërsa rryma kalon nëpër tretësirë, jonet pozitive të bakrit, Cu₂₊ tërhiqen në katodë, ku marrin elektrone dhe depozitohen si atome neutrale, duke krijuar kështu gjithnjë e më shumë metal të pastër në katodë. Ndërkohë, atomet në anodë dhurojnë elektrone dhe treten në tretësirën e elektrolitit si jone. Por papastërtitë në anodë nuk kalojnë në tretësirë sepse atomet e argjendit, arit dhe platinit nuk oksidohen (bëhen jone pozitivë) aq lehtë sa bakri. Kështu, argjendi, ari dhe platini thjesht bien nga anoda në fund të rezervuarit, ku mund të pastrohen.

Por ka edhe rafinim elektrolitik të bakrit kur përdoren rezervuarët:

1. Depozitat e trajtimit elektrolitik janëpunishte e veçantë në prodhimin industrial. Pllakat e anodës janë të varura nga "doreza" në rezervuar për pastrimin e bakrit elektrolitik. Fletët e pastër të katodës së bakrit të varura në shufra të ngurta futen në të njëjtin rezervuar, një fletë midis secilës anodë. Kur një rrymë elektrike kalon nga anoda përmes elektrolitit në katodë, bakri nga anoda lëviz në tretësirë dhe depozitohet në fletën fillestare. Papastërtitë nga anoda vendosen në fund të rezervuarit.
2. Makin e derdhjes me injeksion me anode (pllaka) bakri. Do të kthehet pa probleme në pllaka anode në kallëpe. Pas trajtimit paraprak, kallaji, plumbi, hekuri dhe alumini hiqen. Më pas, materiali i bakrit fillon të ngarkohet në furrë, i ndjekur nga procesi i shkrirjes.
3. Kur hiqen papastërtitë, vijon faza e heqjes dhe reduktimit të skorjeve me gaz natyror. Reduktimi ka për qëllim heqjen e oksigjenit të lirë. Pas rikuperimit, procesi përfundon me derdhje, ku produkti përfundimtar derdhet si anoda bakri. E njëjta makinë mund të përdoret për të derdhur këto anoda gjatë riciklimit të komponentëve ose për të ricikluar anodat për skrap në një shkritore bakri me elektrolizë.
4. Pastroni fletët e katodës. Anodat modifikuese të nxjerra nga furra e rafinimit shndërrohen në bakër elektrolitik me një pastërti prej 99,99% përmes procesit të elektrolizës. Gjatë elektrolizës, jonet e bakrit lënë një anodë të papastër bakri dhe, meqenëse janë pozitive, migrojnë në katodë.

Kohë pas kohe metali i pastër gërvishtet nga katoda. papastërtitë e anodës së bakrit si ari,argjendi, platini dhe kallaji mblidhen në fund të tretësirës së elektrolitit dhe precipitojnë si zhul anodë. Ky proces quhet prodhimi elektrolitik dhe rafinimi i bakrit.

Marrja e një fosili - çfarë lloje ekzistojnë dhe a janë të gjitha të nevojshme në praktikë?

Një mënyrë paksa e ndryshme për pastrimin e metaleve. Ekziston edhe zjarri dhe rafinimi elektrolitik i bakrit, kur një proces pason menjëherë një tjetër. Një fazë e rëndësishme "ndarëse" bëhet përqendrimi ose përqendrimi. Pasi të përfundojë përqendrimi, hapi tjetër në krijimin e produktit të përfunduar është rafinimi i bakrit me zjarr.

Zakonisht kjo ndodh pranë një miniere, në një fabrikë përpunimi ose një shkritore. Me rafinimin e bakrit, materiali i padëshiruar hiqet gradualisht dhe bakri përqendrohet në një pastërti deri në 99,99% të klasës A. Detajet e procesit të rafinimit varen nga lloji i mineraleve me të cilët lidhet metali. Xeherori i bakrit i pasur me sulfide është i përpunuar pirometalurgjik.

Rafinimi dhe pirometalurgjia:

1. Në pirometalurgji, koncentrati i bakrit thahet përpara se të nxehet në furrë. Reaksionet kimike që ndodhin gjatë procesit të ngrohjes bëjnë që koncentrati të ndahet në dy shtresa materiali: një shtresë mat dhe një shtresë skorje. Shtresa mat në pjesën e poshtme përmban bakër, ndërsa shtresa e skorjes sipër përmban papastërti.
2. Skorja hidhet dhe shtresa mat restaurohet dhe zhvendoset në një enë cilindrike të quajtur dhënës. Në konvertues i shtohen kimikate të ndryshme që reagojnë me bakrin. Kjo çon në formimin e bakrit të konvertuar, të quajtur"flluska". Pasi precipitohet, ai nxirret dhe më pas i nënshtrohet një procesi tjetër të quajtur pastrimi nga zjarri.
3. Në një pastrues zjarri, ajri dhe gazi natyror fryhen për të hequr squfurin dhe oksigjenin e mbetur, duke bërë që përbërja e rafinuar të përpunohet në katodë. Metali derdhet në anoda dhe vendoset në një elektrolizer. Pas karikimit, bakri i pastër mblidhet në katodë dhe hiqet si produkt 99% i pastër.

Rafinim dhe Hidrometalurgji:

1. Në hidrometalurgji, koncentrati i bakrit përpunohet nëpërmjet një prej disa proceseve. Metoda më pak e zakonshme është karburizimi, ku metali depozitohet në skrap në një reaksion redoks.
2. Metoda më e përdorur e pastrimit është nxjerrja me tretës dhe elektroliza. Kjo teknologji e re u përhap gjerësisht në vitet 1980 dhe afërsisht 20% e bakrit në botë tani prodhohet në këtë mënyrë.
3. Nxjerrja me tretës fillon me një tretës organik që ndan metalin nga papastërtitë dhe materialet e padëshiruara. Acidi sulfurik shtohet më pas për të ndarë bakrin nga tretësi organik për të formuar një tretësirë elektrolitike.
4. Kjo tretësirë më pas i nënshtrohet një procesi elektrolize që thjesht vendos bakrin në tretësirë në katodë. Kjo katodë mund të shitet ashtu siç është, por mund të bëhet edhe në shufra ose fletë burimi për elektrolizues të tjerë.

Kompanitë minerare mund të shesin bakër në formë koncentrati ose katodë. SiSiç u përmend më lart, koncentrati më së shpeshti rafinohet diku tjetër sesa në vendin e minierës. Prodhuesit e koncentrateve shesin pluhur koncentrat që përmban 24 deri në 40% bakër në shkritoret dhe rafineritë e bakrit. Kushtet e shitjes janë unike për çdo shkritore, por në përgjithësi shkritorja i paguan minatorit afërsisht 96% të kostos së përmbajtjes së bakrit në koncentrat, minus tarifat e përpunimit dhe kostot e rafinimit.

Shkritësit në përgjithësi paguajnë tarifa, por ato mund të shesin edhe metal të rafinuar në emër të minatorëve. Kështu, i gjithë rreziku (dhe shpërblimi) nga luhatjet e çmimeve të bakrit bie mbi supet e rishitësve.

Rafinimi i zjarrit - sa i rrezikshëm është?

Rafinimi më i nxehtë i zjarrit mund të jetë i rrezikshëm, por metoda e përpunimit përdoret aktualisht nga shumica e impianteve industriale. Më vete, vlen të përshkruhet teknologjia e rafinimit të bakrit me blister.

Blister bakri është tashmë pothuajse i pastër (më shumë se 99% bakër). Por për tregun e sotëm, kjo nuk është shumë e “pastër”. Metali pastrohet më tej duke përdorur elektrolizë. Në prodhimin industrial, përdoret një metodë e quajtur rafinimi me zjarr i bakrit me blister. Bakri i bojës derdhet në pllaka të mëdha për t'u përdorur si anodë në elektrolizer. Pas rafinimit elektrolitik prodhon metalin me cilësi të lartë dhe pastërti të lartë të kërkuar nga industria.

Në industri, kjo bëhet në një shkallë masive. Edhe metoda më e mirë kimike nuk mund të heqë të gjitha papastërtitë nga bakri, por rafinimi elektrolitik mund të prodhojë 99,99% bakër të pastër.

1. Flluskat e anodës zhyten në një elektrolit që përmban sulfat bakri dhe acid sulfurik.
2. Ka katoda të pastra midis tyre dhe një rrymë prej më shumë se 200 A kalon përmes tretësirës.

Në këto kushte, atomet e bakrit shpërndahen nga anoda e papastër për të formuar jone bakri. Ata migrojnë në katodë, ku depozitohen si atome të pastër bakri.

• Në anodë: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• Në katodë: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Kur çelësi mbyllet, jonet e bakrit në anodë do të fillojnë të lëvizin përmes tretësirës drejt katodës. Atomet e bakrit tashmë kanë hequr dorë nga dy elektrone për t'u bërë jone, dhe elektronet e tyre janë të lirë të lëvizin nëpër tela. Mbyllja e çelësit i shtyn elektronet në drejtim të akrepave të orës dhe bën që disa jone bakri të vendosen në tretësirë.

Pllaka largon jonet nga anoda në katodë. Në të njëjtën kohë, ai shtyn elektronet e lira rreth telave (këto elektrone tashmë janë shpërndarë mbi tela). Elektronet në katodë rikombinohen me jonet e bakrit nga tretësira, duke formuar një shtresë të re atomesh bakri. Gradualisht, anoda shkatërrohet dhe katoda rritet. Papastërtitë e patretshme në anodë bien në fund për të precipituar. Ky produkt i vlefshëm bio po hiqet.

Ari, argjendi, platini dhe kallaji janë të pazgjidhshëm në këtë elektrolit dhe për këtë arsye nuk depozitohen në katodë. Ata formojnë një "llum" të vlefshëm që grumbullohet nën anoda.

Papastërtitë e tretshme të hekurit dhe nikelit treten në elektrolit, i cili duhet të pastrohet vazhdimisht për të parandaluar depozitimin e tepërt në katodë, gjë që do të zvogëlojë pastërtinë e bakrit. Kohët e fundit, katoda prej çeliku inox janë zëvendësuar nga katoda bakri. Të njëjtat reaksione kimike ndodhin. Periodikisht, katodat hiqen dhe bakri i pastër pastrohet. Prodhimi elektrolitik dhe rafinimi i bakrit në këto kushte është mjaft i zakonshëm në fabrikat e përpunimit të metaleve me ngjyra.

Version elektrokimik i pastrimit të metaleve

Pastrimi nga zjarri mund të quhet kimik, sepse në këtë proces ndodh një reaksion kimik me substanca dhe papastërti të tjera. Më sipër ishte një shembull i një reaksioni oksidativ. Të gjitha llojet dhe metodat e nxjerrjes së bakrit të pastër janë të ngjashme, siç është rafinimi elektrokimik i bakrit, ku përdoren taktika të njëjta, por në një sekuencë të ndryshme.

Elementi ndihmës kimik bëhet vetë nënprodukt:

• Sode kaustike
• Klor.
• Hidrogjen.

Kjo është mënyra më e lirë për të marrë lëndë të para të shtrenjta pa shpenzuar para për një sistem minierash alternative të komponentëve. Përveç kësaj, minohen metale të vlefshme, të cilat janë fisnike në përbërje dhe të vlefshme në shpikjen industriale të pajisjeve elektrike.

Furra bakri – Industria e gatimit metalik

Furra e përpunimit të bakrit të djegur është projektuar posaçërisht dhe e aftë për të përpunuar skrap bakri në metal të lëngshëm me papastërti të kontrolluara. Është projektuar për përpunimin pirometalurgjik të skrapitteknologji ekonomike dhe miqësore me mjedisin. Teknologjia kryesore e propozuar për prodhimin e bakrit të shkrirë është e përshtatshme për prodhimin e shkopinjve, shiritave, biletave ose produkteve të tjera të bakrit duke përdorur skrap si lëndë të parë (Cu> 92%).

Kapaciteti i sistemeve të djegies dhe pastrimit u llogarit për një cikël pastrimi (nga ngarkimi deri në rikuperim) prej 16-24 orësh, në varësi të llojit të skrapit. Furrat e rafinimit të bakrit kanë dizajn dhe funksione të veçanta:

1. Trupi i furrës është bërë nga segmente çeliku dhe struktura të ngurta të tipit seksion.
2. Furra është e veshur me material zjarrdurues nga brenda.
3. Është i pajisur me një stacion hidraulik që funksionon në modalitetin e furrës së pjerrët me dy shpejtësi: shpejtësia e zvarritjes kur anohet për derdhje dhe shpejtësia e lartë gjatë lëvizjes, e cila nuk kërkon shumë saktësi.
4. Operacionet kryhen me anë të dy cilindrave hidraulikë të instaluar në fund të furrës. Një pajisje speciale e kthen furrën në një pozicion horizontal gjatë ndërprerjeve të energjisë elektrike.
5. Çapja e ngarkimit të materialit ndodhet në anë të furrës. Ajo mbyllet nga një derë e drejtuar nga një cilindër hidraulik.
6. Furra është e pajisur me shtiza të ftohta për operacionet e oksidimit dhe reduktimit të bakrit.

Ekziston gjithashtu një djegës universal që konsumon lëndë djegëse të lëngshme dhe të gazta.

Rafinimi oksidativ në industri

Operacioni i oksidimit të bakrit kryhet pas përfundimit të shkrirjes së lëndës së parë. Procesi kryhet duke injektuar ajër të kompresuar në shkrirje përmes tuyereve. Skorja që rezulton hiqet manualisht nga sipërfaqja e shkrirjes duke përdorur një grabujë të veçantë dhe hidhet në një enë. Skorja përmban bakër, papastërti, plumb, kallaj, etj. Procesi i reduktimit duhet të kryhet për të hequr oksigjenin nga shkrirja dhe për të reduktuar oksidet e bakrit. Operacioni kryhet duke injektuar gaz natyror në shkrirje.

Nga furra, gazrat e shkarkimit futen në sistemin e pastrimit të gazit, kalojnë nëpër kolektorin e pluhurit, i cili kap pluhurin e trashë. Kolektori është i pajisur me një tub ventilimi në rast të lëshimit emergjent të gazit në atmosferë. Furra e pastrimit nga zjarri funksionon vazhdimisht. Cikli i punës së procesit teknologjik përfshin:

• ngarkimi i lëndëve të para;
• oksidim, skorje, reduktim;
• duke ngarkuar metal të rafinuar.

I gjithë procesi i mëpasshëm quhet rafinim oksidativ i bakrit. Nuk mund të ndahet nga procesi i përgjithshëm i rafinimit, pasi është pjesë e të gjithë metodës për prodhimin e metalit të pastër. Pasi të eliminohen parametrat e kërkuar, shkrirja e bakrit përdoret për procesin e ardhshëm teknologjik.

Rafinimi jodidi i metaleve me ngjyra

Ionet e bakrit (II) oksidojnë jonet e jodurit në jod molekular, dhe në këtë proces ata vetë reduktohen në jodur bakri (I). Përzierja origjinale e përzier kafe e ndarë në një precipitat të bardhë jodidi bakri(I) në tretësirën e jodit. Përdoreni këtë reaksion për të përcaktuar përqendrimin e joneve të bakrit (II) në tretësirë. Nëse shtoni vëllimin e përshkruar të tretësirës në balonë,që përmban jone bakri (II), dhe më pas shtoni një tepricë të tretësirës së jodidit të kaliumit, do të merrni reagimin e përshkruar më sipër.

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

Mund të gjeni sasinë e jodit të çliruar nga titrimi me tretësirë tiosulfat natriumi.

2S₂O₂^-3 (zgjidhje) + I ₂ (tretësirë) → S₄O₂^-6 (tretësirë uji) + 2I^{- (tretësirë ujore)}

Kur tretësira e tiosulfatit të natriumit nxirret nga bureta, ngjyra e jodit zhduket. Kur të ketë mbaruar pothuajse gjithçka, shtoni niseshte. I gjithë reaksioni i rafinimit të jodit të bakrit do të jetë i kthyeshëm me jod për të prodhuar një kompleks niseshte-jod blu të thellë që është shumë më i lehtë për t'u parë.

Shtoni pikat e fundit të solucionit të tiosulfatit të natriumit derisa ngjyra blu të zhduket. Nëse gjurmoni proporcionet përmes dy ekuacioneve, do të zbuloni se për çdo 2 mol jone bakri (II) me të cilat duhet të kishit filluar, ju nevojiten 2 mol tretësirë tiosulfat natriumi. Nëse e dini përqendrimin e tretësirës së tiosulfatit të natriumit, është e lehtë të llogaritni përqendrimin e joneve të bakrit (II). Rezultati i kësaj përpjekjeje është të përftohet një përbërje e thjeshtë e bakrit (I) në tretësirë.

Trajtim me fosfor

Përpunimi i bakrit me fosfor është një bakër i fortë i deoksiduar me fosfor, i cili është një rrëshirë e qëndrueshme për qëllime të përgjithshme. Deoksidohet nga fosfori i bakrit, në të cilin fosfori i mbetur mbahet në një nivel të ulët (0,005-0,013%) për të arritur përçueshmëri të mirë elektrike. Ka përçueshmëri të mirë termike dhe veti të shkëlqyera saldimi dhe saldimi. Oksidi pas rafinimit të bakrit në këtë mënyrë, duke mbetur në rrëshirën e ngurtë të bakrit, hiqet me fosfor, i cili është deoksidanti më i përdorur.

Tabela tregon performancë të ndryshme nga gjendja e pjekjes (e butë) në atë të fortë të bakrit.

Forca në tërheqje	220-385 N/mm2
Forca e lotit	60-325 N/mm2
Gjatësia	55-4 %
Ngurtësi (HV)	45-155
Përçueshmëri elektrike	90-98 %
Përçueshmëri termike	350-365 W/cm

Drive Frames lidh instalimet elektrike me terminalet elektrike në sipërfaqen e gjysmëpërçuesit dhe qarqet në shkallë të gjerë në pajisjet elektrike dhe bordet e qarkut të printuar. Materiali është zgjedhur për të përmbushur kërkesat e procesit dhe për të qenë i besueshëm në instalim dhe funksionim.

Përbërja e bakrit pas elektrolizës

Përbërja e bakrit pas rafinimit me zjarr përfshin 99.2% të metalit. Shumë më pak prej tij mbetet në anoda. Kur papastërtitë hiqen plotësisht, në përbërje mbeten 130 g/l baza katodike. Tretësira ujore e vitriolit bëhet e dobët, dhe përbërësi acid i katodës së bakrit arrin 140-180 g/l. Bakri blister përmban 99,5% të metalit, hekuri ka 0,10%, zink deri në 0,05%, dhe ari dhe argjendi janë vetëm 1-200 g / t.