AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA

im. Stanisława Staszica w Krakowie

WYDZIAŁ METALI NIEŻELAZNYCH

Zarządzanie i inżynieria produkcji

Metalurgia metali nieżelaznych

Laboratorium nr 2

Temat: Elektrorafinacja miedzi

Wykonał:

Witowski Marcin

• Wstęp teoretyczny

Miedź surowa zawiera od 0,8÷2% domieszek pogarszających własności mechaniczne i przewodność elektryczną. W związku z tym miedzi surowej nie stosuje się na ogół do celów technicznych. Poza tym zawiera ona zazwyczaj metale szlachetne. Zasadniczym celem rafinacji jest usunięcie z niej domieszek i wydzielenie metali szlachetnych. Istnieją dwie metody rafinacji: ogniowa i elektrolityczna.

Rafinacja ogniowa pozwala usunąć większą część domieszek i otrzymać miedź zadowalających własnościach mechanicznych. W miedzi rafinowanej tą metodą pozostają jednak metale szlachetnie i część domieszek, które pogarszają jej przewodność właściwą i ograniczają przez to możliwość jej zastosowania w przemyśle elektrotechnicznym i dlatego ostateczną rafinacje miedzi przeprowadza się metodą elektrolityczną.

Rafinacja ogniowa zazwyczaj poprzedza rafinację elektrolityczną, ponieważ elektroliza miedzi oczyszczonej już uprzednio z części domieszek metodą ogniową zapewnia pod względem ekonomicznym i technologicznym lepsze wyniki niż rafinacja elektrolityczna miedzi surowej.

Miedź otrzymywana w procesach pirometalurgicznych charakteryzuje się stosunkowo małą klasą czystością. Miedź taka zawiera sporo zanieczyszczeń i domieszek innych metali np. Au, Ag czy Pt.

Celem rafinacji elektrolitycznej jest otrzymanie jak najczystszej miedzi o zawartości 99,9% Cu, tudzież wydzielenie złota i srebra oraz selenu i telluru.

Proces rafinacji elektrolitycznej przebiega następująco:

• płyty anodowe odlane z miedzi rafinowanej metodą ogniową podwiesza się w wannach elektrolitycznych napełnionych roztworem siarczanu miedziowego i kwasu siarkowego.

• zazwyczaj do elektrolitu dodaje się jeszcze w małej ilości inne substancje jak żelatyna, oleje, kleje stolarskie itd., dzięki czemu otrzymuje się ściślejszy i gładszy osad miedzi katodowej;

• między anodami rozmieszcza się w wannach cienkie blach z czystej miedzi jako katody:

• anody łączy się z przewodnikami przyłączonymi do dodatniego bieguna prądnicy, katody z przewodnikami idącymi do bieguna ujemnego;

• po włączeniu wanny w obwód elektryczny odbywa się przechodzenie miedzi z anody do roztworu i osadzenie się czystej miedzi na katodach;

• metale szlachetne i niektóre domieszki osiadają na dnie wanny w postaci szlamu, inne domieszki przechodzą do roztworu.

Ogólnie omawiając proces rafinacji elektrolitycznej można powiedzieć, że polega on w pierwszej kolejności na rozpuszczeniu miedzi anodowej do postaci jonów miedzi Cu²⁺, a następnie selektywnym osadzeniu się tych jonów na katodzie.

Proces sprowadza się więc do przeniesienia miedzi z anody do katody przy czym teoretycznie mógłby on przebiegać przy zerowym potencjale.

Cu⁰_anoda→Cu⁰_katoda

Proces w elektrorafinacji wymaga przyłożenia pomiędzy katodą a anodą stałego prądu o napięciu ok. 0,3 [V] w celu pokonania oporu elektrolitu, połączeń i źródła prądu.

Przyłożenie stałego napięcia pomiędzy katodą i anodą w elektrolicie CuSO₄-H₂SO₄-H₂O wywołuje następujące reakcje elektrodowe:

• przechodzenie miedzi z anody do elektrolitu w formie kationu Cu²⁺ z uwolnieniem dwóch elektronów,

Cu⁰_anoda=Cu²⁺+2e^- E⁰=-0.34V

• elektrony są przewodzone do katody przez źródło prądu i elektrolit,

• kationy miedzi zawarte w elektrolicie migrują do katody w wyniku przyłożonego pola elektrycznego między anodą a katodą, na drodze dyfuzji oraz konwekcji,

• kationy miedzi rozładowują się na katodzie wg reakcji

Cu²⁺+2e=Cu⁰_katoda E⁰=0.34V

Wymienione wcześniej zanieczyszczenia można ogólnie podzielić na: nie rozpuszczające się w elektrolicie i przechodzące do szlamów, oraz rozpuszczające się w elektrolicie.

Na katodzie nie mogą wydzielić się domieszki mniej szlachetne niż miedź, oraz te których stężenia w elektrolicie są małe. Domieszki te zachowują się wówczas tak, jakby były mniej szlachetne niż miedź, co wynika ze wzoru Nernsta:

E_Me=E⁰_Me+
ln

gdzie: E⁰_Me - jest potencjałem standardowym,

a_Me - jest aktywnością metalu-domieszki w katodzie.

W wyniku procesu elektrorafinacji otrzymujemy więc miedź (99,99%) i odizolowane cenne domieszki (Ag, Au, Pt) w postaci szlamów .

Wydajność prądowa

Wydajnością prądu ­η_i (zwaną często „wydajnością prądową”) nazywamy wyrażony
w procentach stosunek masy substancji wydzielonej rzeczywiście na elektrodzie (b) do masy teoretycznej, która powinna się wydzielić zgodnie z prawem Faradaya

Prawa Faradaya:

I prawo Faradaya. Masa substancji wydzielonej podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ilości ładunku elektrycznego, jaka przepłynęła przez roztwór elektrolitu.

Prawo to wyraża się wzorem:

m = kQ

gdzie: m - masa wydzielonej substancji [mg];

Q - ładunek elektryczny [C]

Q = it

m = kit

gdzie i - natężenie prądu, A,
t - czas przepływu prądu, s.

Wielkość k nazywa się równoważnikiem elektrochemicznym. Jest on równy masie substancji (w mg), która wydzieli się na jednej elektrodzie, gdy przez roztwór elektrolitu przepływa 1 C (1 amperosekunda) ładunku elektrycznego. Wyraża się go w g/A*h.

II prawo Faradaya. Masy różnych pierwiastków wydzielanych na elektrodzie wskutek przepływu tej samej ilości elektryczności są proporcjonalne do równoważników chemicznych tych pierwiastków.

R - równoważnik gramowy

k - równoważnik elektrochemiczny (dla miedzi dwuwartościowej wynosi 1,1858g/A*h)

F - stały ich stosunek zwany stałą Faradaya = 96 500 C (1 Faraday)

• Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z procesem elektrorafinacji miedzi.

• Przebieg ćwiczenia

• Katody miedziane oczyszczono papierem ściernym, przemyto alkoholem a następnie wysuszono.

• Po wysuszeniu katody zważono.

• Umieszczono je w elektrolizerze i podłączono źródło prądu na okres 20 min przy gęstościach prądu kolejno 120, 160, 200 A/m²

• Co 5 minut odczytywano napięcie na elektrolizerze

• Po upływie 20 minut katody wyjęto, przemyto w alkoholu, wysuszono i zważono.

• Zmierzono powierzchnię katody zanurzoną w elektrolicie.

Czynności te powtarzano dla trzech gęstości prądu: 120, 160, 200 A/m². Powyższe operacje wykonano dla 3 różnych stężeń elektrolitu:

1. 40 [g/l] Cu; 100 [g/l] H₂SO₄;

2. 40 [g/l] Cu; 150 [g/l] H₂SO₄;

3. 40 [g/l] Cu; 200 [g/l] H₂SO₄.

Schemat aparatury:

• Opracowanie wyników

1. Obliczamy naprężenia oraz gęstość prądową dla różnych napięć napięcia.

	Napięcie U [V]	Pole powierzchni S[m^2]	Natężenie prądu I [A]	Opór Rw [Ω]	Gęstość prądowa i [A/m^2]
1	0,8		0,0078		0,851	0,94	109,103
2	1,0				1,064		136,410
3	1,2				1,277		163,718

Przykładowe obliczenia:

1. Natężenie prądu:

2. Gęstość prądu:

2. Pomiar spadku napięcia na wannach elektrolitycznych.
   

Pomiar 1

nr wanny elektroli.	stężenie H2SO4 w elektrolicie [g/l]	napięcie [V]					uśrednione wartości napięcia Uśr [V]
				początkowe	po 5 min	po 10 min		po 15 min	po 20 min
1	100	0,391	0,383	0,378	0,375	0,372	0,3798
2	150	0,263	0,256	0,254	0,252	0250	0,255
3	200	0,206	0,206	0,205	0,204	0,203	0,2048

Pomiar 2

nr wanny elektroli.	stężenie H2SO4 w elektrolicie [g/l]	napięcie [V]					uśrednione wartości napięcia Uśr [V]
				początkowe	po 5 min	po 10 min		po 15 min	po 20 min
1	100	0,457	0,455	0,451	0,448	0,442	0,4506
2	150	0,295	0,297	0,295	0,293	0290	0,294
3	200	0,230	0,234	0,232	0,231	0,229	0,2312

Pomiar 3

nr wanny elektroli.	stężenie H2SO4 w elektrolicie [g/l]	napięcie [V]					uśrednione wartości napięcia Uśr [V]
				początkowe	po 5 min	po 10 min		po 15 min	po 20 min
1	100	0,528	0,520	0,517	0,514	0,514	0,5186
2	150	0,341	0,337	0,336	0,334	0,335	0,3366
3	200	0,260	0,258	0,258	0,257	0,257	0,258

3. Wyniki elektrorafinacji miedzi.

Pomiar 1

nr wanny elektroli	stężenie H2SO4 w elektrolicie [g/l]	początkowa masa katody [g]	końcowa masa katody [g]	przyrost masy [g]
1	100	90,710	91,039	0,329
2	150	90,903	91,228	0,325
3	200	90,138	90,458	0,320

Pomiar 2

nr wanny elektroli.	stężenie H2SO4 w elektrolicie [g/l]	początkowa masa katody [g]	końcowa masa katody [g]	przyrost masy [g]
1	100	91,039	91,466	0,427
2	150	91,228	91,664	0,436
3	200	90,458	90,884	0,426

Pomiar 3

nr wanny elektroli.	stężenie H2SO4 w elektrolicie [g/l]	początkowa masa katody [g]	końcowa masa katody [g]	przyrost masy [g]
1	100	91,466	91,970	0,504
2	150	91,664	92,167	0,503
3	200	90,884	91,388	0,504

4. Teoretyczna ilość wydzielonej katodowo miedzi - obliczenia.

t₁=1200[s]

Aby uzyskać roztwór o zadanym stężeniu należy odważyć wyżej podane masy odczynników i przenieść je do naczynia miarowego (np. kolba miarowa), a następnie uzupełnić wodą do objętości 1 litra.

nr wanny elektroli.	Przyrost masy
		Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar 3
1	0,329	0,427	0,504
2	0,325	0,436	0,503
3	0,320	0,426	0,504
Teoretyczna masa Cu	0,334	0,420	0,504

5. Wydajność procesu η w zależności od różnych gęstości prądu.

nr wanny elektroli	Wydajność procesu η[%]
		Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar 3
1	98,5	101,6	100
2	97,3	103,8	99,8
3	95,8	101,4	100

Przykładowe obliczeni

6. Obliczanie zużycia mocy na otrzymanie 1 tony miedzi w zależności od stężenia H₂SO₄ przy różnych gęstościach prądu.

nr wanny elektroli	Zużycie energii na otrzymanie 1t miedzi [KWh/t]
		Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar 3
1	328,48	390,02	445,3
2	220,54	254,47	289,02
3	177,13	200,12	221,53

Przykładowe obliczenia

• Wnioski

---