Réz elektrolitikus finomítása: összetétel, képletek és reakciók

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 13:56

A rézfinomítás a fémek elektrolízissel történő finomításának folyamata. Az elektrolízises tisztítás a legegyszerűbb módja a réz 99,999%-os tisztaságának elérésének. Az elektrolízis javítja a réz, mint elektromos vezető minőségét. Az elektromos berendezések gyakran tartalmaznak elektrolitikus rezet.

Mi ez?

A rézfinomítás vagy elektrolízis olyan anódot használ, amely szennyezett rezet tartalmaz. Az érc koncentrációjából adódik. A katód tiszta fémből (titánból vagy rozsdamentes acélból) áll. Az elektrolit oldat szulfátból áll. Ezért vitatható, hogy a rézfinomítás és az elektrolízis egy és ugyanaz. Az elektromos áram hatására az anódokról rézionok jutnak az oldatba, és lerakódnak a katódon. Ebben az esetben a szennyeződések vagy távoznak, vagy csapadékot képeznek, vagy oldatban maradnak. A katód nagyobb lesz, mint a tiszta réz, és az anód összezsugorodik.

Az elektrolitikus cellák külső egyenáramú forrást használnak azokra a reakciókra, amelyek egyébként nem lennének spontánok. Elektrolitikus reakciókfémlemezek tisztítására használják sokféle hordozón.

Elektrolitikus eljárás alkalmazása fémtisztításra (rézfinomítás, fémelektrolízis):

1. Mivel a szennyeződések nagymértékben csökkenthetik a rézhuzalok vezetőképességét, meg kell tisztítani a szennyezett rezet. Az egyik tisztítási módszer az elektrolízis.
2. Ha egy szennyezett rézcsíkot használnak anódként egy vizes réz-szulfát-készítmény elektrolízisénél, a réz oxidálódik. Oxidációja könnyebben megy végbe, mint a víz oxidációja. Ezért a fémes réz oldatban rézionok formájában oldódik, sok szennyeződést (kevésbé aktív fémeket) hagyva maga után.
3. Az anódon képződött rézionok a katódra vándorolnak, ahol könnyebben redukálódnak, mint a víz és a katódon lévő fém "lemezek".

Elegendő áramot kell átvezetni az elektródák között, különben nem spontán reakció lép fel. Az elektromos potenciál gondos beállításával a fémszennyeződések, amelyek elég aktívak a rezet oxidálásához az anódon, az anyagok nem redukálódnak a katódon, és a fém szelektíven lerakódik.

Fontos! Nem minden fém redukálódik vagy oxidálódik könnyebben, mint a víz. Ha igen, akkor először a legalacsonyabb potenciált igénylő elektrokémiai reakció megy végbe. Például, ha elektródákat használunk, anódot és katódot is, akkor a fémpotenciál az anódnál oxidálódik, de ekkor a víz a katódon csökkenne, és az alumíniumionok oldatban maradnának.

Az elektrolízis létrehozásához használnia kella következő rézfinomítási módszer:

1. Töltsön réz-szulfát oldatot egy pohárba.
2. Helyezzen két grafitrudat a réz-szulfát oldatba.
3. Csatlakoztassa az egyik elektródát a negatív egyenáramú tápcsatlakozóhoz, a másikat a pozitív csatlakozóhoz.
4. Töltsön meg két kis csövet teljesen réz-szulfát oldattal, és helyezzen dugót mindegyik elektródára.
5. Kapcsolja be a tápegységet, és ellenőrizze, mi történik az egyes elektródáknál.
6. Tesztelje meg a lángoló gumiabroncs által termelt gázokat.
7. Rögzítse megfigyeléseit és tesztjei eredményeit.

Az eredményeknek így kell kinézniük:

• Barna vagy rózsaszín szilárd anyagok jelennek meg az oldatban.
• Buborékok vannak.
• A buborékoknak színtelenek kell lenniük.
• Gáz halmazállapotú anyag.

Minden eredmény rögzítésre kerül, majd a gázt a gumiabroncs eloltja. Van egy másik módszer is a fém szennyeződésektől és harmadik féltől származó szennyeződésektől való megtisztítására - ez a réz tűzzel történő finomítása. Hogy ez hogyan történik, azt később elmondjuk, de most más lehetőségeket is bemutatunk a fém finomítására.

Réz finomítási módszerei – hogyan másként valósulhat meg a kívánt fémek kémiai eltávolítása?

Mivel az elektrolízis szulfátok és áram hatása, milyen elektrolitikus módszerrel lehet tiszta termékeket nyerni? Teljesen más dolgok, bár hangzásukban hasonlóak. A réz elektromos finomítása azonban savak felhasználásán alapul. Mondhatjuk, hogy ez a fém oxidációja, de nem egészen.

A tiszta gyártás fontos az elektromos vezetékek készítéséhez, mivel a réz elektromos vezetőképességét a szennyeződések csökkentik. Ezek a szennyeződések nemesfémeket tartalmaznak, például:

• ezüst,
• arany;
• platina.

Amikor elektrolízissel eltávolítják és ugyanúgy helyreállítják, annyi áramot költenek el, amennyi több tucat otthon áramellátásához elegendő lenne. A tisztított komponens energiát takarít meg, és még több otthont lát el kevesebb idő alatt.

Az elektrolitikus finomítás során a réz-szulfát - CuSO₄ és kénsav H_{2 elektrolitikus fürdőjében szennyezett készítményt készítenek egy anódból. SO 4}. A katód nagyon tiszta rézlemez. Ahogy az áram áthalad az oldaton, a pozitív rézionok, Cu₂₊ vonzódnak a katódhoz, ahol elektronokat vesznek fel és lerakódnak. semleges atomok, ezáltal egyre több tiszta fém keletkezik a katódon. Eközben az anódban lévő atomok elektronokat adnak, és az elektrolit oldatban ionként oldódnak fel. De az anódban lévő szennyeződések nem oldódnak fel, mert az ezüst-, arany- és platinaatomok nem oxidálódnak (pozitív ionokká) nem olyan könnyen, mint a réz. Így az ezüst, az arany és a platina egyszerűen leesik az anódról a tartály aljára, ahol megtisztíthatók.

De van a réz elektrolitikus finomítása is tartályok használatakor:

1. Az elektrolitikus kezelőtartályokkülön műhely az ipari termelésben. Az anódlemezeket a tartályban lévő "fogantyúk" felfüggesztik az elektrolitikus réz tisztítására. A tömör rúdra felfüggesztett tiszta réz katódlemezeket ugyanabba a tartályba helyezik, mindegyik anód közé egy-egy lapot. Amikor az anódoktól az elektroliton keresztül elektromos áramot vezetnek a katódok felé, az anódokról származó réz oldatba kerül, és lerakódik az indítólemezre. Az anódokról származó szennyeződések leülepednek a tartály aljára.
2. Fröccsöntő gép réz anódokkal (lemezekkel). A formákban simán anódlemezekké válik. Az előkezelés után eltávolítják az ónt, ólmot, vasat és alumíniumot. Ezután megkezdődik a rézanyag betöltése a kemencébe, majd az olvasztási folyamat következik.
3. A szennyeződések eltávolításakor salakeltávolítás és földgázzal történő redukció következik. A redukció célja a szabad oxigén eltávolítása. A visszanyerés után a folyamat öntéssel zárul, ahol a végterméket réz anódként öntik. Ugyanez a gép használható ezen anódok öntésére az alkatrész-újrahasznosítás során, vagy fémhulladék anódjainak újrahasznosítására egy elektrolízises rézkohóban.
4. Tiszta katódlapok. A finomító kemencéből kivont módosító anódok az elektrolízis során 99,99%-os tisztaságú elektrolitikus rézré alakulnak. Az elektrolízis során a rézionok egy szennyezett réz anódot hagynak el, és mivel pozitívak, a katódra vándorolnak.

Időről időre tiszta fémet kaparnak le a katódról. réz anód szennyeződések, például arany,ezüst, platina és ón összegyűlik az elektrolitoldat alján, és anódiszap formájában kicsapódik. Ezt a folyamatot a réz elektrolitikus előállításának és finomításának nevezik.

Kövületek beszerzése – milyen fajták léteznek, és mind szükségesek a gyakorlatban?

A fémtisztítás kissé eltérő módja. Létezik a réz tüzelés és elektrolitikus finomítása is, amikor az egyik folyamat azonnal követi a másikat. Egy fontos „elválasztó” szakasz a koncentráció vagy a koncentráció lesz. A koncentrálás befejezése után a késztermék létrehozásának következő lépése a réz tűzzel történő finomítása.

Ez általában egy bánya közelében, egy feldolgozó üzemben vagy egy kohóban történik. A rézfinomítás során a nemkívánatos anyagok fokozatosan eltávolíthatók, és a rezet 99,99%-os tisztaságig koncentrálják, A fokozat. A finomítási folyamat részletei a fémhez kapcsolódó ásványok típusától függenek. A szulfidban gazdag rézércet pirometallurgiai feldolgozzák.

Finomítás és pirometalurgia:

1. A pirometallurgiában a rézkoncentrátumot szárítják, mielőtt kemencében hevítenék. A hevítési folyamat során fellépő kémiai reakciók hatására a koncentrátum két anyagrétegre válik szét: egy matt rétegre és egy salakrétegre. Az alsó matt réteg rezet, míg a tetején lévő salakréteg szennyeződéseket tartalmaz.
2. A salakot eldobják, a matt réteget helyreállítják, és áthelyezik egy hengeres edénybe, amelyet transzducernek neveznek. Különféle vegyszereket adnak a konverterhez, amelyek reakcióba lépnek a rézzel. Ez átalakult réz, ún"hólyag". Miután kicsapódott, kivonják, majd egy másik eljárásnak, az úgynevezett tűztisztításnak vetik alá.
3. A tűztisztítóban levegőt és földgázt fújnak át a maradék kén és oxigén eltávolítására, aminek következtében a finomított készítmény a katódba kerül. A fémet anódokba öntik és elektrolizálóba helyezik. A töltés után a tiszta rezet összegyűjtik a katódon, és 99%-os tisztaságú termékként eltávolítják.

Finomítás és hidrometallurgia:

1. A hidrometallurgiában a rézkoncentrátumot számos eljárás egyikén dolgozzák fel. A legkevésbé elterjedt módszer a karburálás, amikor a fémet redox reakció során a fémhulladékra rakják le.
2. A legszélesebb körben alkalmazott tisztítási módszer az oldószeres extrakció és az elektrolízis. Ez az új technológia az 1980-as években terjedt el, és a világ réztermelésének körülbelül 20%-át jelenleg így állítják elő.
3. Az oldószeres extrakció egy szerves oldószerrel kezdődik, amely elválasztja a fémet a szennyeződésektől és a nem kívánt anyagoktól. Ezután kénsavat adnak hozzá, hogy a réz elválik a szerves oldószertől, így elektrolitikus oldatot képezzen.
4. Ezt az oldatot ezután elektrolízisnek vetik alá, amely egyszerűen oldatba helyezi a rezet a katódon. Ez a katód önmagában is értékesíthető, de rudakká vagy forráslapokká is készíthető más elektrolizátorokhoz.

A bányászati cégek koncentrátum vagy katód formában is értékesíthetnek rezet. HogyanMint fentebb említettük, a koncentrátumot leggyakrabban máshol, mint a bányában finomítják. A koncentrátumgyártók 24-40% rezet tartalmazó koncentrátumport értékesítenek a rézkohók és -finomítók számára. Az értékesítési feltételek minden kohónál egyediek, de általában a kohó fizeti a bányásznak a koncentrátumban lévő réztartalom költségének körülbelül 96%-át, levonva a feldolgozási díjakat és a finomítási költségeket.

A kohók általában útdíjat szednek, de finomított fémet is értékesíthetnek a bányászok nevében. Így a réz árának ingadozásából eredő teljes kockázat (és jutalom) a viszonteladók vállára esik.

Tűzfinomítás – mennyire veszélyes?

A legforróbb tűzzel történő finomítás veszélyes lehet, de a feldolgozási módszert jelenleg a legtöbb ipari üzem alkalmazza. Külön érdemes ismertetni a bliszterréz finomítási technológiáját.

A buborékfóliás réz már szinte tiszta (több mint 99% réz). De a mai piac számára ez nem túl "tiszta". A fémet elektrolízissel tovább tisztítják. Az ipari termelésben a hólyagos réz tűzzel történő finomításának nevezett módszert alkalmazzák. A tinta rezet nagy lapokba öntik, hogy anódként használják az elektrolizátorban. Az elektrolitikus utófinomítás az ipar által megkövetelt kiváló minőségű, nagy tisztaságú fémet állítja elő.

Az iparban ezt hatalmas léptékben teszik. Még a legjobb kémiai módszer sem képes eltávolítani az összes szennyeződést a rézből, de az elektrolitikus finomítással 99,99%-os tisztaságú rezet lehet előállítani.

1. Az anódhólyagokat réz-szulfátot és kénsavat tartalmazó elektrolitba merítik.
2. Tiszta katódok vannak köztük, és 200 A-nél nagyobb áram halad át az oldaton.

Ilyen körülmények között a rézatomok kioldódnak a szennyezett anódból, és rézionokat képeznek. A katódokra vándorolnak, ahol tiszta rézatomként rakódnak le vissza.

• Az anódnál: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• A katódon: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(k).}

Amikor a kapcsoló zár, az anódon lévő rézionok elkezdenek mozogni az oldaton keresztül a katód felé. A rézatomok már feladtak két elektront, hogy ionokká váljanak, és elektronjaik szabadon mozoghatnak a vezetékekben. A kapcsoló bezárása az óramutató járásával megegyező irányba tolja az elektronokat, és néhány rézion leülepszik az oldatban.

A lemez taszítja az ionokat az anódról a katódra. Ugyanakkor szabad elektronokat lök a vezetékek köré (ezek az elektronok már el vannak osztva a vezetékeken). A katódban lévő elektronok rekombinálódnak az oldatból származó rézionokkal, és új rézatomréteget képeznek. Fokozatosan az anód megsemmisül, és a katód növekszik. Az anódban lévő oldhatatlan szennyeződések lehullanak az aljára, és kicsapódnak. Ezt az értékes bioterméket eltávolítjuk.

Az arany, ezüst, platina és ón nem oldódik ebben az elektrolitban, ezért nem rakódik le a katódon. Értékes "iszapot" képeznek, amely felhalmozódik az anódok alatt.

A vas és a nikkel oldható szennyeződései feloldódnak az elektrolitban, amelyet folyamatosan tisztítani kell, hogy megakadályozzák a túlzott lerakódást a katódon, ami csökkenti a réz tisztaságát. A közelmúltban a rozsdamentes acél katódokat rézkatódokra cserélték. Ugyanazok a kémiai reakciók mennek végbe. Időnként a katódokat eltávolítják, és a tiszta rezet megtisztítják. A réz elektrolitikus előállítása és finomítása ilyen körülmények között meglehetősen gyakori a színesfém-feldolgozó üzemekben.

A fémtisztítás elektrokémiai változata

A tűztisztítást vegyszernek nevezhetjük, mert ebben a folyamatban kémiai reakció megy végbe más anyagokkal és szennyeződésekkel. A fenti példa egy oxidatív reakcióra volt példa. A tiszta réz kinyerésének minden típusa és módszere hasonló, akárcsak a réz elektrokémiai finomítása, ahol azonos taktikát alkalmaznak, de eltérő sorrendben.

A kémiai segédelem maga lesz a melléktermék:

• Nátriumlúg
• Klór.
• Hidrogén.

Ez a legolcsóbb módja annak, hogy drága nyersanyagokhoz jusson anélkül, hogy pénzt költene alternatív alkatrészbányászati rendszerre. Ezenkívül értékes fémeket bányásznak, amelyek nemes összetételűek és értékesek az elektromos készülékek ipari feltalálásában.

Réz kemence – Fémfőzőipar

Az égetett rézfinomító kemence speciálisan tervezett, és képes a rézhulladék folyékony fémmé történő feldolgozására, szabályozott szennyeződésekkel. Hulladék pirometallurgiai feldolgozására terveztékgazdaságos és környezetbarát technológia. Az olvadt réz előállítására javasolt fő technológia alkalmas rézrúd, -szalag, -tuskó vagy más réztermékek előállítására, nyersanyagként törmelék felhasználásával (Cu> 92%).

Az égető- és tisztítórendszerek kapacitását a hulladék típusától függően 16-24 órás tisztítási ciklusra (a töltéstől a visszanyerésig) számították ki. A rézfinomító kemencék speciális kialakítással és funkciókkal rendelkeznek:

1. A kemence teste acél szegmensekből és merev szakaszos szerkezetekből készül.
2. A kemence belülről tűzálló anyaggal van bélelve.
3. Egy hidraulikus állomással van felszerelve, amely dönthető kemence üzemmódban működik, két sebességgel: kúszósebesség döntésekor öntéshez és nagy sebesség mozgás közben, ami nem igényel nagy pontosságot.
4. A műveleteket a kemence aljára szerelt két hidraulikus henger végzi. Áramkimaradás esetén egy speciális eszköz visszaállítja a sütőt vízszintes helyzetbe.
5. Az anyagbetöltő nyílás a sütő oldalán található. Hidraulikus hengerrel meghajtott ajtó zárja.
6. A kemence hűtött lándzsákkal van felszerelve a réz oxidációs és redukciós műveleteihez.

Van egy univerzális égő is, amely folyékony és gáznemű tüzelőanyagot is fogyaszt.

Oxidatív finomítás az iparban

A réz oxidációját az alapanyag olvasztásának befejezése után hajtjuk végre. Az eljárást úgy hajtják végre, hogy fúvókákon keresztül sűrített levegőt fecskendeznek az olvadékba. A keletkező salakot kézzel eltávolítják az olvadék felületéről egy speciális gereblye segítségével, és egy tartályba öntik. A salak rezet, szennyeződéseket, ólmot, ónt stb. tartalmaz. A redukciós eljárást úgy kell végrehajtani, hogy az olvadékból eltávolítsák az oxigént és redukálják a réz-oxidokat. A művelet úgy történik, hogy földgázt fecskendeznek az olvadékba.

A kemencéből a kipufogógázok a gáztisztító rendszerbe kerülnek, áthaladnak a porgyűjtőn, amely felfogja a durva port. A kollektor légtelenítő csővel van felszerelve arra az esetre, ha vészhelyzetben gáz kerülne a légkörbe. A tűztisztító kemence folyamatosan működik. A technológiai folyamat munkaciklusa a következőket tartalmazza:

• nyersanyagok berakodása;
• oxidáció, salakképződés, redukció;
• finomított fém betöltése.

Az egész következő folyamatot rézoxidatív finomításnak nevezik. Nem választható el a teljes finomítási folyamattól, mivel része a tiszta fém előállításának teljes módszerének. A szükséges paraméterek kiküszöbölése után a réz olvadékot felhasználják a következő technológiai folyamathoz.

Színesfémek jodidos finomítása

A réz(II)-ionok a jodidionokat molekuláris jóddá oxidálják, és ebben a folyamatban maguk is réz(I)-jodiddá redukálódnak. Az eredeti kevert barna keverék a jódoldatban piszkosfehér réz(I)-jodid csapadékot képez. Ezzel a reakcióval határozzuk meg a réz(II)-ionok koncentrációját az oldatban. Ha az előírt mennyiségű oldatot hozzáadja a lombikhoz,réz(II)-ionokat tartalmaz, majd feleslegben adjunk hozzá kálium-jodid-oldatot, a fent leírt reakciót kapjuk.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2 CuI (s) + I 2 _{(vizes oldat)}

Megtekintheti a nátrium-tioszulfát oldattal történő titrálással felszabaduló jód mennyiségét.

2S₂O₂^-3 (megoldás) + I ₂ (oldat) → S₄O₂^-6 (vizes oldat) + 2I^{- (vizes oldat)}

Amikor a nátrium-tioszulfát oldatot kiengedik a bürettából, a jód színe eltűnik. Amikor már majdnem minden elfogy, adjunk hozzá keményítőt. A teljes réz-jodid-finomítási reakció visszafordítható jóddal, hogy mélykék keményítő-jód komplexet hozzunk létre, amely sokkal könnyebben látható.

Adja hozzá az utolsó néhány csepp nátrium-tioszulfát oldatot, amíg a kék szín el nem tűnik. Ha végigköveti az arányokat a két egyenleten, azt találja, hogy minden 2 mól réz(II)-ionhoz, amivel kezdeni kellett volna, 2 mól nátrium-tioszulfát-oldat szükséges. Ha ismeri a nátrium-tioszulfát oldat koncentrációját, könnyen kiszámíthatja a réz(II) ionok koncentrációját. Ennek a kísérletnek az eredménye egy egyszerű réz (I) vegyület előállítása oldatban.

Foszforos kezelés

A foszforréz finomítása egy foszforral deoxidált keményréz, amely egy tartós általános célú gyanta. A rézfoszfor dezoxidálja, amiben a maradékfoszfor alacsony szinten marad (0,005-0,013%) a jó elektromos vezetőképesség elérése érdekében. Jó hővezető képességgel és kiváló hegesztési és forrasztási tulajdonságokkal rendelkezik. Az ily módon történő rézfinomítás után a szilárd rézgyantában visszamaradt oxidot foszforral távolítják el, amely a leggyakrabban használt dezoxidáns.

A táblázat különböző teljesítményt mutat a lágyított (lágy) és a kemény réz állapottól.

Szakítószilárdság	220-385 N/mm2
Tépőerő	60-325 N/mm2
hosszúság	55-4 %
Keménység (HV)	45-155
Elektromos vezetőképesség	90-98 %
Hővezetőképesség	350-365 W/cm

A meghajtókeretek a vezetékeket a félvezető felületén lévő elektromos kivezetésekhez, valamint az elektromos eszközökön és nyomtatott áramkörökön lévő nagyméretű áramkörökhöz csatlakoztatják. Az anyagot úgy választották ki, hogy megfeleljen a folyamat követelményeinek, és megbízható legyen a telepítés és a működés során.

Réz összetétele elektrolízis után

A tűzzel végzett finomítás után a réz összetétele a fém 99,2%-át tartalmazza. Sokkal kevesebb marad belőle az anódokon. A szennyeződések teljes eltávolítása után 130 g/l katódbázis marad a készítményben. A vitriol vizes oldata meggyengül, a rézkatódok savas komponense eléri a 140-180 g/l-t. A buborékfóliás réz a fém 99,5%-át, a vas 0,10%-ot, a cink legfeljebb 0,05%-ot, az arany és az ezüst pedig csak 1-200 g/t.