Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Электролитическое рафинирование меди

31.01.2020

Медные аноды помещают в ванну с раствором сернокислой меди и серной кислоты. Параллельно анодам в ванне устанавливают тонкие листы из чистой меди, называемые катодными основами. Аноды соединяются с положительным, а катодные основы — с отрицательным полюсом источника постоянного электрического тока. При пропускании тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодных основах ионы меди разряжаются, образуя слой чистого металла.

Анод, показанный на рис. 100, имеет толщину 25—50 мм и вес 150—350 кг. Катодными основами служат тонкие листы из электролитной меди, получаемые электролизом на матрицах из холоднокатаной меди в специально предназначенных для этого ваннах. Поверхность матриц после тщательной зачистки смазывают жиром, чтобы осадок меди прочно не приставал к матрицам. Электролиз ведут непрерывно; матрицы после суточного пребывания в ванне вынимают и сдирают наращенный на них слой меди. Полученные таким образом листы имеют толщину 0,5—0,6 мм.
Электролитическое рафинирование меди

Размеры катодных основ на 30—50 мм больше соответствующих размеров анода. К узкому краю листа прикреплены медные ушки, через которые продевается медная штанга для подвешивания основы в ванне и подвода тока.

Электролитная ванна (рис. 101) представляет собой ящик из дерева или железобетона, установленный на кирпичных или бетонных столбах высотой 1,7—2,0 м (для свободного прохода под ваннами, их осмотра и ремонта), изолированных стеклянными или фарфоровыми прокладками. Внутренняя поверхность железобетонных ванн выложена кислотоупорной плиткой, а деревянных — листами винипласта, сваренными между собой. В ванне помещается 20—40 анодов и на единицу больше катодов. Аноды и катоды, чередуясь, располагаются параллельно друг другу.

Размеры ванны зависят от размеров и количества устанавливаемых в ней электродов. Длина ее обычно 3,5—5 м, ширина внутри на 120—130 мм больше ширины катодов, глубина 1—1,2 м. Для удобства питания током по 10—20 ванн соединяют в блоки; ванны каждого блока имеют общие продольные стенки. Электроды соседних ванн блока соединены последовательно, для этого концы катодных штанг наложены на плечики анодов соседней ванны. Для лучшего контакта в плечиках анодов иногда делают выемки. Схема электрической цепи блока ванн показана на рис. 102, а на рис. 103 приведен общий вид электролизного цеха.

Напряжение, необходимое для питания установки, определяется числом последовательно включенных ванн. Для компенсации падения напряжения в подводящей проводке расчетную величину напряжения увеличивают на 10—15%. Даже в больших цехах общее потребное напряжение редко превышает 500 в, поэтому электролизный цех обычно питают от машинных генераторов, имеющих больший коэффициент полезного действия, чем ртутные выпрямители.

Необходимое перемешивание электролита достигается непрерывной его циркуляцией. Из напорного бака электролит подводится к длинным сторонам блоков и подается в каждую ванну отдельно с одного из ее торцов. На торцевой стенке каждой ванны имеется карман, соединенный отверстием с внутренним ее пространством близ днища. С противоположного торца электролит, прошедший ванну, сливается через патрубок в общий для всего блока желоб. Скорость циркуляции выбирают в зависимости от условий электролиза, обычно раствор в ванне обновляется за 1— 5 час. По сливному желобу электролит стекает в сборный бак, а из последнего вновь перекачивается в напорный бак. По пути из напорного бака к ваннам электролит подогревают паром до 50—55°.
Основную часть стоимости передела составляют затраты на электроэнергию. Расход энергии — удельный показатель, исчисляемый в киловатт-часах на тонну катодной меди; величина его для цепи и одной ванны одинаковая.
Количество тока, необходимое для получения тонны катодной меди, можно вычислить по закону Фарадея. Если на выделение из раствора грамм-эквивалента, т.е. 63,57/2 = 31,78 г меди, требуется 26,8 а-ч, то на тонну ее будет израсходовано

где I — сила тока, a Tтеор — время в часах.

В действительности не весь ток используется на выделение меди, часть его теряется в результате коротких замыканий между электродами, возникновения побочных цепей и разряда ионов примесей. Коэффициент полезного использования тока (выход по току) равен отношению теоретически необходимого количества тока к фактическим его затратам:

Таким образом, фактические затраты тока на тонну катодной меди составят:

Для определения расхода энергии количество тока следует умножить на падение напряжения между электродами:

Полученный результат убеждает нас в том, что основные условия экономичного проведения электролиза — высокий выход по току и малое падение напряжения на ванне.

Напряжение на ванне слагается из напряжения, требуемого для преодоления омического сопротивления и поляризации. Разность потенциалов, необходимая для растворения меди на аноде и осаждения ее на катоде, ничтожно мала, ее можно исключить из расчета, так как оба электрода медные, и потенциалы их в одном и том же растворе практически одинаковы. Поэтому в основном напряжение на ванне расходуется на преодоление омического сопротивления электролита.

Сопротивление электролита понижается с увеличением концентрации сернокислой меди и серной кислоты, пределом этому является совместная растворимость указанных веществ в воде. С повышением температуры сопротивление электролита уменьшается.

Составы электролита, выбранные многолетней заводской практикой, лежат в пределах 30—40 г/л Cu и около 200 г/л H2SO4.

Поляризация — другая существенная по величине слагающая падения напряжения на ванне. Ионы меди переносят ток от анода к катоду диффузией. Скорость диффузии невелика и только в некоторых пределах может быть увеличена перемешиванием электролита. При большой силе тока скорости перехода ионов меди в раствор у анода и разряда их на катоде могут оказаться больше скорости диффузии. При этом в прианодном слое концентрация меди будет выше, а в прикатодном — ниже, чем в остальной массе раствора. Потенциал анода повысится, а потенциал катода понизится по сравнению с равновесным для исходного раствора, между электродами возникнет разность потенциалов, направленная противоположно прилагаемой извне, и вызовет дополнительное падение напряжения. При постоянной силе тока величина поляризации зависит от площади электродов, поэтому поляризацию нужно сопоставлять с силой тока, приходящейся на единицу площади электрода, обычно катода (т. е. с катодной плотностью тока): чем она выше, тем больше падение напряжения на ванне за счет поляризации. Перемешивание и подогрев электролита понижают поляризацию. С повышением плотности тока существенно увеличивается и падение напряжения в омическом сопротивлении электролита.

Пример баланса напряжения на ванне приведен в табл. 14.

При растворении анода медь переходит в раствор в виде двухвалентных и частично одновалентных ионов по схемам:

Cu — 2е = Cu2+ и Cu — е = Cu+,


однако ионы одновалентной меди в электролите неустойчивы и тотчас преобразуются в двухвалентные:

2Сu+ = Cu2+ + Cu,


при этом на дно ванны выпадает осадок элементарной меди.

В некоторой степени растворение анода возможно и химическим путем при участии кислорода воздуха:

Cu + 1/2O2 + H2SO4 = CuSO4 + H2O.


Примеси менее благородных, чем медь металлов: цинк, никель, свинец, мышьяк, олово, сурьма и висмут растворяются в электролите подобно меди.

Примеси благородных металлов — золото и серебро, а также примеси, присутствующие в анодах в виде химических соединений с серой, селеном и теллуром, выпадают на дно ванны в виде твердых частиц, образуя шлам. Закись меди растворяется в серной кислоте с выделением осадка меди:

Cu2O + H2SO4 = CuSO4 + Cu + H2O.


Образовавшиеся при растворении анода ионы свинца связываются в нерастворимый сульфат.

Ионы мышьяка, сурьмы, олова и висмута подвергаются гидролизу с образованием мышьяковистой, сурьмянистой и оловянной кислот, а также основных сернокислых солей олова и висмута. Все эти соединения трудно растворимы в электролите и в значительной части переходят в шлам.

Шлам осаждается на дне ванны, но часть его остается на поверхности анодов в виде корочки, повышающей омическое сопротивление цепи ванны (см. табл. 14). Мельчайшие легкие частицы шлама долго остаются во взвешенном состоянии в электролите и образуют так называемый пловучий или блуждающий шлам. Состав шлама зависит от состава анодов и других причин: примерный состав его приведен в табл. 15.

Медь осаждается на катоде в результате разряда ионов по схеме:

Cu2+ + 2e = Cu.


Металлы, перешедшие из анодов в раствор вместе с медью — цинк, никель, железо и другие — имеют значительно меньшие потенциалы разряда, чем медь. Они не могут поэтому осаждаться на катоде вместе с медью и накапливаются в растворе. Далее при значительном накоплении примесей в электролите их ионы не разряжаются на катоде.

Наблюдаемое на практике загрязнение катодного осадка примесями объясняется главным образом захватом электролита и частиц блуждающего шлама растущими на катоде кристаллами меди. Поэтому степень загрязнения осадка возрастает с накоплением примесей в электролите. Для предупреждения этого часть электролита периодически выводят из циркуляции и заменяют свежим раствором серной кислоты. Практикой выработаны примерно следующие предельные нормы содержания примесей, допускаемые в электролите (г/л):

Загрязнение осадка блуждающим шламом опасно при работе с высокой плотностью тока, выгодной с точки зрения повышения производительности электролиза. При высокой плотности тока возрастает поляризация, а следовательно, возрастает напряжение на ваннах и расход энергии, поэтому для снижения поляризации приходится усиливать циркуляцию электролита, что приводит к взмучиванию шлама и загрязнению им катодов.

Медь выделяется на катодах в виде прочного осадка; однако равномерность роста его с течением времени нарушается, на поверхности осадка появляются неровности, выступы, шишкообразные наросты; выступающие части растут быстрее, так как в местах их возникновения сопротивление между анодом и катодом уменьшается. Неровный и неплотный осадок захватывает большие количества электролита и блуждающего шлама; кроме того, неравномерность отложения меди часто вызывает короткие замыкания между анодом и катодом. Небольшие добавки в электролит некоторых поверхностно-активных веществ — столярного клея, желатины, таннина, машинного масла, отходов целлюлозного производства — способствуют получению более ровных и плотных катодов, а также повышению их чистоты. Расход этих веществ составляет от десятых долей грамма до десятков граммов на тонну меди.

Все аноды загружают в ванну одновременно мостовым краном, к которому подвешена рама с крючьями, называемая бороной, так же загружают и катодные основы.

Растворение анода обычно длится 20—30 дней и зависит от его толщины.

Анодные остатки, составляющие 8—15% первоначального веса, переплавляют в новые аноды.

Катоды выгружают через 7—15 дней. Ко времени выгрузки вес каждого из них достигает 60—140 кг; более длительное наращивание катодов невыгодно из-за частых коротких замыканий, вызываемых неравномерным ростом осадка. После тщательной промывки катоды поступают на плавку.

При загрузке и выгрузке очередные ванны замыкают накоротко, не нарушая таким образом работы последовательной цепи.

Обычная сила тока в цепи ванн 10 000—15 000 а, напряжение на ванне около 0,3 в. Плотность тока выбирают в зависимости от чистоты анодов (табл. 16).

Обслуживание ванны сводится к своевременному устранению коротких замыканий и наблюдению за чистотой контактов, температурой электролита и напряжением.

Выход по току на современных заводах достигает 98%. Расход энергии на тонну катодной меди 200—300 квт-ч.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: