Электролитическое рафинирование меди. Регенерация электролита. Переработка шлама

28 вопрос (Электролитическое рафинирование меди. Регенерация электролита. переработка шлама)

6.11. Электролитическое рафинирование

Медные аноды помещают в ванну с раствором сернокислой меди и серной кислоты. Параллельно анодам подвешивают тонкие листы из чистой меди — катодные основы. Аноды соединяют с положительным, а катодные основы — с отрицательным полюсом источника постоянного электрического тока.

Анодная медь растворяется по реакции:

Cu + 2e → Cu²⁺.

В результате этого потенциал анода приобретает величину, близкую к (+0,34 в), при которой возможны следующие электрохимические реакции растворения примесей:

Zn – 2е  Zn²⁺;                                       E° = – 0,76 в;

Fe –  Fe²⁺;                                              E° = – 0,44 в;

Pb + SO+ 2е  PbSO₄;                          E°= – 0,36 в;

Ni – 2е  Ni²⁺;                                         E° = – 0,24 в;

Sn + 2e  Sn²⁺;                                         E° = – 0,14 в;

2Sb + ЗН₂О – 6е  Sb₂O₃ + 6H⁺                   E° =0,15 в;

As + 2Н₂О – 3е  HAsO₂ + 3Н⁺;               E° = + 0,25 в.

Золото и серебро не растворяются на аноде, так как

Ag – е  Ag⁺;                                                  E° = 0,80 в;

Au – 3е  Аu³⁺;                                            E°  1,50 в.

Нерастворившиеся частицы благородных металлов выпадают в осадок, образуя на дне ванны шлам, в который переходят также примеси серы, селена, теллура, присутствующие в меди в виде Cu₂S, Cu₂Se, Cu₂Te и других нерастворимых соединений. Сурьма и мышьяк в результате гидролиза и окисления кислородом воздуха образуют труднорастворимые соединения, часть которых выпадает в шлам, а часть остается в электролите в виде взвеси – плавучий шлам.

Из электролита ионы меди восстанавливаются на катоде по реакции:

Cu²⁺ + 2e → Cu;                                        Е° = + 0,34 в.

Возникающие при этом нейтральные атомы образуют кристаллы меди, прочно пристающие к катодной основе. Из данных о потенциалах образования ионов примесей следует, что они не могут осаждаться на катоде вместе с медью. Примеси цинка, железа, висмута, мышьяка, никеля, сурьмы и олова более электроотрицательны, они остаются и накапливаются в электролите.

Загрязнение катодного осадка примесями происходит главным образом в результате захвата электролита и плавучего шлама. Для предупреждения этого часть электролита периодически удаляют из ванн и очищают (регенерируют), а затем снова возвращают в ванны. Иногда выведенный электролит перерабатывают отдельно, а в ванны заливают разбавленную серную кислоту.

Затраты на электроэнергию составляют значительную долю себестоимости электролитического рафинирования. Они выражаются произведением количества тока и напряжения на ванне, отнесенным к одной тонне меди:

W = I t V кВт • ч/т.

Количество тока, необходимое для получения одной тонны катодной меди, легко вычислить по закону Фарадея. Если на выделение из раствора одного грамм-эквивалента меди, т. е.  = 31,77 г, требуется 26,8 а•ч, то на тонну будет израсходовано:

(I t)_т = = 0,84•10⁶ а•ч,

где I – сила тока, а;

t – время, ч;

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

K_т = .

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

(I t)_ПР = а•ч/т.

Для определения расхода энергии количество тока следует умножить на напряжение ванны:

W= (I t)_ПР V = 0,84•10³  кВт•ч/т.

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 – это главным образом работа переноса ионов Сu²⁺ через электролит от анода до катода. Она равна произведению силы тока в амперах на сопротивление слоя электролита в Омах:

V = IR.

Величина R включает в себя также сопротивление самих электродов и мест контакта их с внешней цепью.

Удельное сопротивление растворов сернокислой меди несколько возрастает с увеличением концентрации CuSO₄, но резко снижается при подкислении их серной кислотой и повышении температуры.

Стремясь к снижению напряжения на ванне, электролиз ведут