Vario rafinavimas elektrolitiniu būdu: sudėtis, formulės ir reakcijos

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 13:59

Vario rafinavimas yra metalo rafinavimo elektrolizės būdu procesas. Elektrolizės valymas yra lengviausias būdas pasiekti 99,999% vario grynumą. Elektrolizė pagerina vario, kaip elektros laidininko, kokybę. Elektros įrangoje dažnai yra elektrolitinio vario.

Kas tai?

Vario rafinavimui arba elektrolizei naudojamas anodas, kuriame yra nešvaraus vario. Jis atsiranda dėl rūdos koncentracijos. Katodas sudarytas iš gryno metalo (titano arba nerūdijančio plieno). Elektrolito tirpalas susideda iš sulfato. Todėl galima teigti, kad vario rafinavimas ir elektrolizė yra vienas ir tas pats. Dėl elektros srovės vario jonai iš anodų patenka į tirpalą ir nusėda ant katodo. Tokiu atveju priemaišos arba pasišalina, arba susidaro nuosėdos, arba lieka tirpale. Katodas tampa didesnis nei grynas varis, o anodas susitraukia.

Elektrolitinės ląstelės naudoja išorinį nuolatinės srovės š altinį, kad reaguotų į reakcijas, kurios kitu atveju nebūtų spontaniškos. Elektrolitinės reakcijosnaudojamas metalo plokštelėms valyti ant daugelio tipų pagrindų.

Elektrolitinio proceso naudojimas metalui valyti (vario rafinavimas, metalo elektrolizė):

1. Kadangi priemaišos gali labai sumažinti varinių laidų laidumą, užterštą varį būtina išvalyti. Vienas iš valymo būdų yra elektrolizė.
2. Kai nešvaraus vario metalo juostelė naudojama kaip anodas elektrolizuojant vandeninį vario sulfato preparatą, varis oksiduojamas. Jo oksidacija vyksta lengviau nei vandens oksidacija. Todėl metalinis varis ištirpsta tirpale vario jonų pavidalu, palikdamas daug priemaišų (mažiau aktyvių metalų).
3. Ando susidarę vario jonai migruoja į katodą, kur yra lengviau redukuojami nei vandens ir metalo „plokštelės“prie katodo.

Būtina praleisti pakankamai srovės tarp elektrodų, kitaip įvyks nesavaiminė reakcija. Kruopščiai reguliuojant elektrinį potencialą, metalo priemaišos, kurios yra pakankamai aktyvios, kad oksiduotų varį prie anodo, medžiagos prie katodo nesumažėja, o metalas selektyviai nusėda.

Svarbu! Ne visi metalai redukuojami arba oksiduojami lengviau nei vanduo. Jei taip, pirmiausia įvyks elektrocheminė reakcija, kuriai reikia mažiausio potencialo. Pavyzdžiui, jei naudotume elektrodus – ir anodą, ir katodą, metalo potencialas būtų oksiduotas prie anodo, bet tada prie katodo sumažėtų vandens kiekis, o aliuminio jonai liktų tirpale.

Norėdami sukurti elektrolizę, turite naudotišiuo vario rafinavimo metodu:

1. Įpilkite vario sulfato tirpalo į stiklinę.
2. Į vario sulfato tirpalą įdėkite du grafito strypus.
3. Prijunkite vieną elektrodą prie neigiamo nuolatinės srovės maitinimo gnybto, o kitą - prie teigiamo gnybto.
4. Užpildykite du mažus mėgintuvėlius vario sulfato tirpalu ir uždėkite kamštį ant kiekvieno elektrodo.
5. Įjunkite maitinimą ir patikrinkite, kas vyksta su kiekvienu elektrodu.
6. Išbandykite visas dujas, susidarančias degant padangai.
7. Įrašykite savo pastebėjimus ir bandymų rezultatus.

Rezultatai turėtų atrodyti taip:

• Tirpale atsiranda rudų arba rausvų kietųjų dalelių.
• Yra burbuliukų.
• Burbulai turi būti bespalviai.
• Dujinės formos medžiaga.

Visi rezultatai registruojami, po to padanga užgesina dujas. Taip pat yra dar vienas būdas išvalyti metalą nuo nešvarumų ir trečiųjų šalių nešvarumų – tai vario rafinavimas ugnimi. Kaip tai atsitiks, papasakosime vėliau, bet dabar pateiksime kitas metalo rafinavimo galimybes.

Vario rafinavimo būdai – kaip dar gali vykti cheminis norimų metalų pašalinimas?

Kadangi elektrolizė yra sulfatų ir srovės veikimas, koks yra elektrolizės metodas gryniems produktams gauti? Visiškai skirtingi dalykai, nors skambiais pavadinimais panašūs. Tačiau elektrinis vario rafinavimas pagrįstas rūgščių naudojimu. Galime sakyti, kad tai yra metalo oksidacija, bet ne visai.

Švari gamyba yra svarbi gaminant elektros laidus, nes vario elektrinį laidumą mažina priemaišos. Šios priemaišos apima tauriuosius metalus, tokius kaip:

• sidabras,
• auksas;
• platina.

Jus pašalinus elektrolizės būdu ir atstačius tokiu pačiu būdu, elektros išleidžiama tiek, kiek užtektų tiekti elektrą dešimtims namų. Išvalytas komponentas taupo energiją ir per trumpesnį laiką aprūpina energiją dar daugiau namų.

Atliekant elektrolitinį rafinavimą, nešvari kompozicija gaminama iš anodo elektrolitinėje vario sulfato vonioje - CuSO₄ ir sieros rūgšties H_{2 SO 4}. Katodas yra labai gryno vario lakštas. Kai srovė teka per tirpalą, teigiami vario jonai Cu₂₊ pritraukiami prie katodo, kur jie paima elektronus ir nusėda kaip neutralių atomų, taip prie katodo sukuriant vis daugiau gryno metalo. Tuo tarpu anode esantys atomai dovanoja elektronus ir ištirpsta elektrolito tirpale jonų pavidalu. Tačiau anode esančios priemaišos netirpsta, nes sidabro, aukso ir platinos atomai nesioksiduoja (tampa teigiamais jonais) taip lengvai kaip varis. Taigi sidabras, auksas ir platina tiesiog nukrenta nuo anodo į bako apačią, kur juos galima išvalyti.

Tačiau naudojant rezervuarus taip pat atliekamas elektrolitinis vario rafinavimas:

1. Elektrolitinio valymo bakai yraatskiras cechas pramoninėje gamyboje. Anodo plokštės pakabinamos „rankenomis“rezervuare, skirtomis elektrolitiniam variui valyti. Gryno vario katodo lakštai, pakabinti ant kietų strypų, įdedami į tą patį baką, po vieną lakštą tarp kiekvieno anodo. Kai elektros srovė perduodama iš anodų per elektrolitą į katodus, varis iš anodų pereina į tirpalą ir nusėda ant starterio lakšto. Priemaišos iš anodų nusėda ant bako dugno.
2. Įpurškimo mašina su variniais anodais (plokštelėmis). Formose jis sklandžiai pavirs į anodo plokštes. Po pirminio apdorojimo pašalinama skarda, švinas, geležis ir aliuminis. Tada varinė medžiaga pradedama pilti į krosnį, o po to vyksta lydymo procesas.
3. Pašalinus priemaišas, seka šlako pašalinimo ir redukavimo gamtinėmis dujomis fazė. Sumažinimas skirtas laisvo deguonies pašalinimui. Po regeneravimo procesas baigiamas liejimu, kai galutinis produktas išliejamas kaip variniai anodai. Ta pati mašina gali būti naudojama šiems anodams lieti komponentų perdirbimo metu arba anodams perdirbti metalo laužą elektrolizės vario lydykloje.
4. Išvalykite katodo lakštus. Modifikaciniai anodai, išgauti iš rafinavimo krosnies, elektrolizės proceso metu paverčiami elektrolitiniu variu, kurio grynumas yra 99,99%. Elektrolizės metu vario jonai palieka nešvarų vario anodą ir, kadangi jie yra teigiami, migruoja į katodą.

Retkarčiais nuo katodo nubraukiamas grynas metalas. vario anodo priemaišos, tokios kaip auksas,sidabras, platina ir alavas kaupiasi elektrolito tirpalo apačioje ir nusėda kaip anodo dumblas. Šis procesas vadinamas elektrolitine vario gamyba ir rafinavimu.

Fossilijos gavimas – kokios rūšys egzistuoja ir ar jos visos reikalingos praktiškai?

Šiek tiek kitoks metalo valymo būdas. Taip pat yra ugnies ir elektrolitinis vario valymas, kai vienas procesas iškart seka kitą. Svarbiu „atskyrimo“etapu tampa susikaupimas arba susikaupimas. Kai koncentracija baigta, kitas žingsnis kuriant gatavą produktą yra vario rafinavimas ugnimi.

Paprastai tai atsitinka netoli kasyklos, perdirbimo įmonėje arba lydykloje. Valant varį, nepageidaujamos medžiagos palaipsniui pašalinamos, o varis sukoncentruojamas iki 99,99 % grynumo A klasės. Valymo proceso detalės priklauso nuo mineralų, su kuriais metalas yra susijęs, tipo. Sulfido turtinga vario rūda apdorojama pirometalurginiu būdu.

Rafinavimas ir pirometalurgija:

1. Pirometalurgijoje vario koncentratas džiovinamas prieš kaitinant krosnyje. Kaitinimo proceso metu vykstančios cheminės reakcijos lemia, kad koncentratas išsiskiria į du medžiagos sluoksnius: matinį ir šlako sluoksnį. Matiniame sluoksnyje apačioje yra vario, o šlako sluoksnyje viršuje yra priemaišų.
2. Šlakas išmetamas, o matinis sluoksnis atkuriamas ir perkeliamas į cilindrinį indą, vadinamą keitikliu. Į keitiklį dedama įvairių cheminių medžiagų, kurios reaguoja su variu. Dėl to susidaro paverstas varis, vadinamas"pūslelė". Kai nusodinamas, jis ekstrahuojamas, o tada atliekamas kitas procesas, vadinamas priešgaisriniu valymu.
3. Ugnies skruberyje prapučiamas oras ir gamtinės dujos, kad būtų pašalinta likusi siera ir deguonis, todėl rafinuota kompozicija paverčiama katodu. Metalas išliejamas į anodus ir dedamas į elektrolizatorių. Po įkrovimo grynas varis surenkamas prie katodo ir pašalinamas kaip 99 % grynas produktas.

Rafinavimas ir hidrometalurgija:

1. Hidrometalurgijoje vario koncentratas apdorojamas vienu iš kelių procesų. Rečiausiai paplitęs metodas yra karbiuravimas, kai vykstant redokso reakcijai metalas nusodinamas ant metalo laužo.
2. Plačiau naudojamas valymo metodas yra ekstrahavimas tirpikliu ir elektrolizė. Ši nauja technologija plačiai paplito devintajame dešimtmetyje, o šiuo metu maždaug 20 % pasaulyje pagaminamo vario pagaminama tokiu būdu.
3. Tirpiklių ekstrahavimas prasideda organiniu tirpikliu, kuris atskiria metalą nuo priemaišų ir nepageidaujamų medžiagų. Tada pridedama sieros rūgšties, kad būtų atskirtas varis nuo organinio tirpiklio ir susidarytų elektrolitinis tirpalas.
4. Po to šis tirpalas yra elektrolizės procesas, kurio metu varis tiesiog įdedamas į katodo tirpalą. Šis katodas gali būti parduodamas tokį, koks yra, bet iš jo taip pat galima pagaminti strypus arba š altinio lakštus kitiems elektrolizatoriams.

Kasybos įmonės gali parduoti varį koncentrato arba katodo pavidalu. KaipKaip minėta aukščiau, koncentratas dažniausiai rafinuojamas kitur, o ne kasykloje. Koncentratų gamintojai vario lydykloms ir perdirbimo gamykloms parduoda koncentrato miltelius, kuriuose yra 24–40 % vario. Kiekvienos lydyklos pardavimo sąlygos yra unikalios, tačiau paprastai lydykla kalnakasiui sumoka maždaug 96 % vario kiekio koncentrate, atėmus apdorojimo mokesčius ir rafinavimo išlaidas.

Lydymo įmonės paprastai ima rinkliavas, tačiau jie taip pat gali parduoti rafinuotą metalą kalnakasių vardu. Taigi visa rizika (ir atlygis) dėl vario kainų svyravimų tenka perpardavėjams.

Ugnies rafinavimas – ar tai pavojinga?

Karščiausias apdorojimas ugnimi gali būti pavojingas, tačiau šiuo metu šį apdorojimo metodą naudoja dauguma pramonės įmonių. Atskirai verta apibūdinti lizdinės plokštelės vario rafinavimo technologiją.

Blisterinis varis jau yra beveik grynas (daugiau nei 99 % vario). Tačiau šiandieninei rinkai tai nėra labai „švaru“. Metalas toliau valomas elektrolizės būdu. Pramoninėje gamyboje naudojamas metodas, vadinamas pūslinio vario rafinavimu ugnimi. Rašalo varis išliejamas į dideles plokštes, kurios bus naudojamos kaip anodai elektrolizatoriuje. Po elektrolitinio rafinavimo gaunamas aukštos kokybės, labai grynas metalas, kurio reikalauja pramonė.

Pramonėje tai daroma didžiuliu mastu. Net geriausias cheminis metodas negali pašalinti visų priemaišų iš vario, tačiau elektrolitinis valymas gali pagaminti 99,99 % gryno vario.

1. Anodo lizdinės plokštelės panardintos į elektrolitą, kuriame yra vario sulfato ir sieros rūgšties.
2. Tarp jų yra švarūs katodai, o per tirpalą teka didesnė nei 200 A srovė.

Tokiomis sąlygomis vario atomai ištirpsta iš nešvaraus anodo ir susidaro vario jonai. Jie migruoja į katodus, kur nusėda atgal kaip gryno vario atomai.

• Prie anodo: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• Prie katodo: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Kai jungiklis užsidaro, vario jonai prie anodo pradės judėti tirpalu link katodo. Vario atomai jau atsisakė dviejų elektronų, kad taptų jonais, o jų elektronai gali laisvai judėti laidais. Uždarius jungiklį, elektronai stumiami pagal laikrodžio rodyklę ir kai kurie vario jonai nusėda tirpale.

Plokštė atstumia jonus nuo anodo iki katodo. Tuo pačiu metu jis stumia laisvuosius elektronus aplink laidus (šie elektronai jau yra paskirstyti per laidus). Elektronai katode rekombinuojasi su vario jonais iš tirpalo, sudarydami naują vario atomų sluoksnį. Palaipsniui anodas sunaikinamas, o katodas auga. Netirpios priemaišos anode nukrenta į dugną ir nusėda. Šis vertingas biologinis produktas pašalinamas.

Auksas, sidabras, platina ir alavas netirpsta šiame elektrolite, todėl nenusėda ant katodo. Jie sudaro vertingą „dumblą“, kuri kaupiasi po anodais.

Tirpios geležies ir nikelio priemaišos yra ištirpusios elektrolite, kurį reikia nuolat valyti, kad ant katodų nesusidarytų per daug nusėdimų, dėl kurių sumažės vario grynumas. Pastaruoju metu nerūdijančio plieno katodus pakeitė variniai katodai. Vyksta tos pačios cheminės reakcijos. Periodiškai katodai pašalinami ir grynas varis išvalomas. Vario elektrolitinė gamyba ir rafinavimas tokiomis sąlygomis yra gana įprastas dalykas spalvotųjų metalų apdirbimo įmonėse.

Elektrocheminė metalo valymo versija

Priešgaisrinį valymą galima vadinti cheminiu, nes šio proceso metu vyksta cheminė reakcija su kitomis medžiagomis ir priemaišomis. Aukščiau pateiktas oksidacinės reakcijos pavyzdys. Visi gryno vario išgavimo tipai ir metodai yra panašūs, kaip ir elektrocheminis vario valymas, kai naudojama identiška taktika, bet skirtinga seka.

Cheminis pagalbinis elementas tampa pačiu šalutiniu produktu:

• Kaustinė soda
• Chloras.
• Vandilis.

Tai pigiausias būdas gauti brangių žaliavų neišleidžiant pinigų alternatyviai komponentų gavybos sistemai. Be to, kasami vertingi metalai, kurių sudėtis yra kilni ir vertinga išrandant pramoninius elektros prietaisus.

Varinė krosnis – metalo gaminimo pramonė

Kurto vario rafinavimo krosnis yra specialiai sukurta ir gali perdirbti vario laužą į skystą metalą su kontroliuojamomis priemaišomis. Jis skirtas laužo pirometalurginiam apdorojimuiekonomiška ir aplinką tausojanti technologija. Pagrindinė išlydyto vario gamybos technologija yra tinkama vario lazdelių, juostelių, ruošinių ar kitų vario gaminių gamybai, naudojant laužą kaip žaliavą (Cu> 92%).

Deginimo ir valymo sistemų pajėgumas buvo apskaičiuotas 16–24 valandų valymo ciklui (nuo įkrovimo iki regeneravimo), priklausomai nuo laužo rūšies. Vario rafinavimo krosnys turi ypatingą dizainą ir funkcijas:

1. Krosnies korpusas pagamintas iš plieninių segmentų ir standžių sekcijų tipo konstrukcijų.
2. Krosnis iš vidaus išklota ugniai atsparia medžiaga.
3. Joje sumontuota hidraulinė stotis, veikianti pakreipiamos krosnies režimu su dviem greičiais: valkšnumo greitis pakreipiant liejimą ir dideliu greičiu judant, o tai nereikalauja didelio tikslumo.
4. Operacijos atliekamos naudojant du hidraulinius cilindrus, sumontuotus krosnies apačioje. Specialus prietaisas grąžina orkaitę į horizontalią padėtį, kai nutrūksta maitinimas.
5. Medžiagų pakrovimo liukas yra orkaitės šone. Jis uždaromas durelėmis, varomomis hidrauliniu cilindru.
6. Krosnyje sumontuoti aušinami vario oksidacijos ir redukcijos įtaisai.

Taip pat yra vienas universalus degiklis, kuris naudoja ir skystąjį, ir dujinį kurą.

Oksidacinis rafinavimas pramonėje

Vario oksidacijos operacija atliekama užbaigus žaliavos lydymą. Procesas atliekamas suslėgto oro įpurškimu į lydalą per vamzdelius. Susidaręs šlakas rankiniu būdu pašalinamas nuo lydalo paviršiaus specialiu grėbliu ir supilamas į konteinerį. Šlake yra vario, priemaišų, švino, alavo ir tt Redukcijos procesas turi būti atliekamas siekiant pašalinti iš lydalo deguonį ir redukuoti vario oksidus. Operacija atliekama įpurškiant gamtines dujas į lydalą.

Iš krosnies išmetamosios dujos tiekiamos į dujų valymo sistemą, praeina pro dulkių surinktuvą, kuris sulaiko stambias dulkes. Kolektorius turi ventiliacijos vamzdį avariniam dujų patekimui į atmosferą. Priešgaisrinė valymo krosnis veikia nuolat. Į technologinio proceso darbo ciklą įeina:

• kraunamos žaliavos;
• oksidacija, šlakas, redukcija;
• rafinuoto metalo pakrovimas.

Visas tolesnis procesas vadinamas vario oksidaciniu rafinavimu. Jo negalima atskirti nuo bendro rafinavimo proceso, nes tai yra viso gryno metalo gamybos metodo dalis. Pašalinus reikiamus parametrus, vario lydalas naudojamas kitam technologiniam procesui.

Spalvotų metalų rafinavimas jodu

Vario(II) jonai oksiduoja jodido jonus iki molekulinio jodo, o šiame procese jie patys redukuojasi iki vario(I) jodido. Pradinis sumaišytas rudas mišinys jodo tirpale išsiskyrė į beveik b altas vario (I) jodido nuosėdas. Naudokite šią reakciją vario (II) jonų koncentracijai tirpale nustatyti. Jei į kolbą įpilate nurodytą tūrį tirpalo,kurių sudėtyje yra vario (II) jonų, tada įpilkite kalio jodido tirpalo perteklių, gausite aukščiau aprašytą reakciją.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2 CuI (s) + I 2 _{(vandens tirpalas)}

Galite sužinoti jodo kiekį, išsiskiriantį titruojant natrio tiosulfato tirpalu.

2S₂O₂^-3 (sprendimas) + I ₂ (tirpalas) → S₄O₂^-6 (vandens tirpalas)) + 2I^{- (vandeninis tirpalas)}

Kai iš biuretės išleidžiamas natrio tiosulfato tirpalas, jodo spalva išnyksta. Kai beveik viskas baigsis, įpilkite krakmolo. Visa vario jodido rafinavimo reakcija bus grįžtama naudojant jodą, kad susidarytų giliai mėlynas krakmolo-jodo kompleksas, kuris daug lengviau matomas.

Įlašinkite paskutinius kelis lašus natrio tiosulfato tirpalo, kol išnyks mėlyna spalva. Jei atseksite proporcijas per dvi lygtis, pamatysite, kad kiekvienam 2 moliams vario (II) jonų, nuo kurių turėjote pradėti, reikia 2 molių natrio tiosulfato tirpalo. Jei žinote natrio tiosulfato tirpalo koncentraciją, nesunku apskaičiuoti vario (II) jonų koncentraciją. Šio bandymo rezultatas yra paprastas vario (I) junginys tirpale.

Apdorojimas fosforu

Fosforinio vario rafinavimas yra fosforu deoksiduotas kietasis varis, kuris yra patvari bendrosios paskirties derva. Jį deoksiduoja vario fosforas, kuriame liekamasis fosforas palaikomas žemame lygyje (0,005-0,013%), kad būtų pasiektas geras elektros laidumas. Jis turi gerą šilumos laidumą ir puikias suvirinimo bei litavimo savybes. Tokiu būdu gryninant varį oksidas, likęs kietoje vario dervoje, pašalinamas fosforu, kuris yra dažniausiai naudojamas deoksidantas.

Lentelėje parodytas skirtingas našumas nuo atkaitinto (minkšto) iki kieto vario.

Tempimas	220-385 N/mm2
Plyšimo stiprumas	60-325 N/mm2
Ilgis	55-4 %
Kietumas (HV)	45-155
Elektros laidumas	90–98 %
Šiluminis laidumas	350–365 W/cm

Pavarų rėmai jungia laidus prie elektros gnybtų puslaidininkio paviršiuje ir didelio masto grandinių elektros prietaisuose ir spausdintinėse plokštėse. Medžiaga parenkama taip, kad atitiktų proceso reikalavimus ir būtų patikima montuojant bei eksploatuojant.

Vario sudėtis po elektrolizės

Vario sudėtis po rafinavimo ugnimi apima 99,2 % metalo. Anoduose jo lieka daug mažiau. Visiškai pašalinus priemaišas, kompozicijoje lieka 130 g/l katodo bazių. Vandeninis vitriolio tirpalas tampa silpnas, o rūgštinis vario katodų komponentas siekia 140-180 g/l. Lizdiniame varyje yra 99,5% metalo, geležyje - 0,10%, cinko - iki 0,05%, o aukso ir sidabro - tik 1-200 g / t.