Электрохимическое рафинирование и электроэкстракция меди

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

кафедра МЦМ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

По дисциплине:        металлургия тяжелых металлов

Тема:            

  ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ РАФИНИРОВАНИЕ  И ЭЛЕКТРОЭКСТРАКЦИЯ МЕДИ

Выполнили: студент гр.   АПМ-03       ____________________ /Крупачёв Д.А./

                                                                           ^{(подпись)                            (Ф.И.О.)}

 

                        студент гр.   АПМ-03      ____________________ /НадёжкинД.И./

                                                                           ^{(подпись)                               (Ф.И.О.)}

 

                        студент гр.   АПМ-03       ____________________ /СмирновИ.С./

                                                                           ^{(подпись)                            (Ф.И.О.)}

 

Проверил:          ________________                                               /Смирнов Ю.М./

                                     ^{(подпись)                                                                                                    (Ф.И.О.)}

ОЦЕНКА:     _____________

Дата: ___________________

Санкт-Петербург

2006 год

Цель работы - определить влияние плотности тока на ос­новные показатели процесса: удельный расход электроэнергии и выход по току.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электрохимическое рафинирование меди проводят в медно-сернокислых растворах, содержащих небольшое количество хлори­стых солей. Так как эти растворы представляют собой сильные элек­тролиты, то содержащиеся в них соли и кислоты практически пол­ностью диссоциированы:

Сu₂SО₄ = 2Сu⁺ + SО₄^2-                      Н₂SО₄ = 2Н⁺ + SО₄^2-

СuSО₄ = Сu²⁺ + SО₄^2-                       СuС1₂ = Сu²⁺ + 2Сl^-

Обычный состав рабочих растворов, г/дм³: Сu²⁺ 40-50; Н₂SО₄ 150-200;. Сl 0,01-0,04.

Большое содержание Н⁺ (в виде серной кислоты) обеспечи­вает высокую электропроводность электролита; добавки хлор-иона необходимы для связывания серебра в нерастворимый осадок (хло­ристое серебро).

В простых солевых растворах металлическая медь имеет электроположительный потенциал

где - стандартный потенциал меди, = 0,337 В; Т - абсо­лютная температура, К; F- число Фарадея, F = 96500 Кл; п - количе­ство атомов, принимающих участие в реакции; - активность катионов меди, моль/л;  - перенапряжение выделения меди при электролизе, В; т - молярная концентрация меди, моль СuSО₄/1000г Н₂О; - коэффициент активности сульфата меди.

Значения двух последних составляющих сравнительно неве­лики и динамический потенциал выделения меди имеет большое по­ложительное значение: около +0,35 В. Это обеспечивает выделение на катоде сравнительно чистого металла с высоким выходом по току. Основная катодная реакция

Си²⁺ + 2е = Си

Разряд 1 г-экв любого вещества происходит при прохожде­нии 96500 Кл электричества или в технических единицах 26,8 А-ч. Следовательно, теоретически на 1 А-ч будет выделяться 63,54/(2-26,8) = 1,185 г меди, 2-1,008/(2-26,8) = 0,0374 г водорода или регенерироваться 98,06/(2-26,8) = 1,832 г серной кислоты.

Анодный процесс более сложен. В сернокислых средах медь и металлы-примеси окисляются с образованием простых ионов. На­пример, Си - 2е <=> Си²⁺.

В хлористых средах медные ионы образуют комплексные соединения одно- и двухвалентной меди типа и . По­тенциал меди в растворах однохлористой меди электроотрицатель­нее, чем в растворах двухвалентной меди. Поэтому в хлористых средах растворение анодов протекает с образованием одновалентной меди по реакции

Сu – е = Сu⁺

и на 1 А-ч растворяется 63,54/26,8 = 2,370 г металлической меди. Если растворы не содержат достаточных количеств кислоты (ионов H⁺), то образующиеся медные ионы подвергаются гидролизу:

Сu⁺ + ОН^- = СuОН

        Сu²⁺ + 2ОН^-=Сu(ОН)₂

В щелочных средах и при очень большой плотности тока при электролизе в нейтральных и кислых средах на медном аноде могут разряжаться также ионы гидроксила

4ОН^- - 4е = О₂ + 2Н₂О,

что легко обнаруживается по выделению пузырьков кислорода.

Та же реакция протекает и на свинцовых анодах. Ее потен­циал выше, чем потенциал простого растворения меди. Поэтому ванны электролитического обезмеживания работают при напряже­нии, значительно более высоком, чем ванны электрохимического рафинирования.

В простых сернокислых растворах динамический потенциал медного анода

где - перенапряжение растворения меди, В.

Поэтому общее напряжение на ванне электрохимического рафинирования

где 1R - омические потери в электролите, В.

ДАНО В ЗАДАНИИ

m₁= 616.06 г, масса растворимого анода до опыта,

m₂=306 г, масса нерастворимого анода до опыта,

I=2.5 A

D₁=200 A/м², для ванны с растворимым анодом (электрорафинирования),

D₂=140 A/м², для ванны с нерастворимым анодом,

b₁=0,057 м

b₂=0,081 м

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

, где H – глубина погружения электрода,

                                D – средняя плотность тока, А/м²,

                                I – сила тока, А,

                                b – ширина электрода, м,

, где выход по току, %,

                                              m₀ – масса меди, осажденная в рабочей ванне, г,

                                               продолжительность электролиза, ч.

, где W – удельный расход энергии на электролиз, кВт-ч,

                                         U – среднее напряжение на ванне, В.

ТАБЛИЦА ИЗМЕРЕНИЙ

	I, A       Раств.        Нераств		U, B       Раств.        Нераств.		Раств.        Нераств
0	3	3	0,7	9,6	38	36
15	3	3	0,8	9,8	38	34
30	3	3	0,8	9,8	36	32
45	3	3	0,8	9,7	35	32
60	3	3	0,9	9,7	34	31
75	3	3	0,95	9,8	33	30,5
90	3	3	0,9	9,8	32	30

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

, гдемасса растворимого анода после опыта,

,

где  масса нерастворимого анода после опыта.

ВЫВОДЫ

В результате того, что электролиз проводился в лабораторных условиях, не удалось реализовать тех оптимальных условий (циркуляция электролита, поддержание его постоянной оптимальной температуры и т.п.), которые осуществляются при проведении данных процессов в промышленных масштабах, что, безусловно, отрицательно сказалось на результатах. Выходе по току меди получился несколько ниже, чем на предприятиях. Постепенное изменение напряжения в сторону постепенного увеличения негативно отразилось на расходе электроэнергии. 

Выход по току растворимого анода составил 85,27%, при 799 кВт-ч затраченной энергии, а у нерастворимого анода выход по току составил 75,65%, при затраченной энергии в 21 раз больше, чем у растворимого анода- 8594,1 кВт-ч.