Affinage électrolytique du cuivre : composition, formules et réactions

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-02 13:54

Le raffinage du cuivre est le processus de raffinage du métal par électrolyse. Le nettoyage par électrolyse est le moyen le plus simple d'atteindre une pureté de 99,999 % du cuivre. L'électrolyse améliore la qualité du cuivre en tant que conducteur électrique. Les équipements électriques contiennent souvent du cuivre électrolytique.

Qu'est-ce que c'est ?

Le raffinage du cuivre ou l'électrolyse utilise une anode qui contient du cuivre impur. Il résulte de la concentration du minerai. La cathode est constituée de métal pur (titane ou acier inoxydable). La solution d'électrolyte est constituée de sulfate. Par conséquent, on peut affirmer que l'affinage du cuivre et l'électrolyse sont une seule et même chose. Un courant électrique fait entrer les ions de cuivre des anodes dans la solution et se dépose sur la cathode. Dans ce cas, les impuretés partent, ou forment un précipité, ou restent en solution. La cathode devient plus grosse que le cuivre pur et l'anode rétrécit.

Les cellules électrolytiques utilisent une source de courant continu externe pour répondre à des réactions qui ne seraient pas autrement spontanées. Réactions électrolytiquesutilisé pour nettoyer les tôles sur de nombreux types de substrats.

Utilisation d'un procédé électrolytique pour purifier le métal (raffinage du cuivre, électrolyse des métaux):

1. Parce que les impuretés peuvent réduire considérablement la conductivité des fils de cuivre, il est nécessaire de nettoyer le cuivre contaminé. L'électrolyse est l'une des méthodes de nettoyage.
2. Lorsqu'une bande de cuivre métallique impur est utilisée comme anode dans l'électrolyse d'une préparation aqueuse de sulfate de cuivre, le cuivre est oxydé. Son oxydation se déroule plus facilement que l'oxydation de l'eau. Par conséquent, le cuivre métallique se dissout en solution sous forme d'ions cuivre, laissant derrière lui de nombreuses impuretés (métaux moins actifs).
3. Les ions de cuivre formés à l'anode migrent vers la cathode où ils sont plus facilement réduits que l'eau et les "plaques" métalliques à la cathode.

Il est nécessaire de faire passer suffisamment de courant entre les électrodes, sinon une réaction non spontanée se produira. En ajustant soigneusement le potentiel électrique, les impuretés métalliques sont suffisamment actives pour oxyder le cuivre à l'anode, les substances ne sont pas réduites à la cathode et le métal est déposé de manière sélective.

Important ! Tous les métaux ne sont pas réduits ou oxydés plus facilement que l'eau. Si tel est le cas, la réaction électrochimique nécessitant le potentiel le plus bas se produira en premier. Par exemple, si nous devions utiliser des électrodes, à la fois anode et cathode, le potentiel du métal serait oxydé à l'anode, mais l'eau diminuerait à la cathode et les ions aluminium resteraient en solution.

Pour créer une électrolyse, vous devez utiliserla méthode d'affinage du cuivre suivante:

1. Verser la solution de sulfate de cuivre dans un verre.
2. Placer deux tiges de graphite dans la solution de sulfate de cuivre.
3. Connectez une électrode à la borne d'alimentation CC négative et l'autre à la borne positive.
4. Remplissez complètement deux petits tubes avec une solution de sulfate de cuivre et placez un bouchon sur chaque électrode.
5. Allumez l'alimentation électrique et vérifiez ce qui se passe à chaque électrode.
6. Testez tout gaz produit avec un pneu enflammé.
7. Enregistrez vos observations et les résultats de vos tests.

Les résultats devraient ressembler à ceci:

• Des solides bruns ou roses apparaissent dans la solution.
• Il y a des bulles.
• Les bulles doivent être incolores.
• Une substance sous forme gazeuse.

Tous les résultats sont enregistrés, après quoi le gaz est éteint par le pneu. Il existe également un autre moyen de nettoyer le métal des impuretés et de la saleté de tiers - c'est le raffinage au feu du cuivre. Comment cela se produit, nous le dirons plus tard, mais nous présenterons maintenant d'autres options pour affiner le métal.

Méthodes d'affinage du cuivre - autrement, comment le décapage chimique des métaux souhaités peut-il avoir lieu ?

L'électrolyse étant l'action des sulfates et du courant, quelle est la méthode électrolytique pour obtenir des produits purs ? Des choses complètement différentes, bien que similaires dans les noms. Cependant, l'affinage électrique du cuivre est basé sur l'utilisation d'acides. On peut dire que c'est l'oxydation du métal, mais pas tout à fait.

Une production propre est importante pour la fabrication de fils électriques, car la conductivité électrique du cuivre est réduite par les impuretés. Ces impuretés comprennent des métaux précieux tels que:

• argent,
• or;
• platine.

Lorsqu'ils sont retirés par électrolyse et restaurés de la même manière, l'électricité est dépensée autant qu'il suffirait pour alimenter en électricité des dizaines de foyers. Le composant purifié permet d'économiser de l'énergie, alimentant encore plus de foyers en moins de temps.

Dans l'affinage électrolytique, une composition impure est fabriquée à partir d'une anode dans un bain électrolytique de sulfate de cuivre - CuSO₄ et d'acide sulfurique H_{2 SO 4}. La cathode est une feuille de cuivre très pur. Lorsque le courant traverse la solution, les ions de cuivre positifs, Cu₂₊ sont attirés vers la cathode, où ils prennent des électrons et se déposent comme atomes neutres, créant ainsi de plus en plus de métal pur à la cathode. Pendant ce temps, les atomes de l'anode donnent des électrons et se dissolvent dans la solution d'électrolyte sous forme d'ions. Mais les impuretés de l'anode ne se dissolvent pas car les atomes d'argent, d'or et de platine ne s'oxydent pas (deviennent des ions positifs) aussi facilement que le cuivre. Ainsi, l'argent, l'or et le platine tombent simplement de l'anode au fond du réservoir, où ils peuvent être nettoyés.

Mais il y a aussi l'affinage électrolytique du cuivre lorsque des réservoirs sont utilisés:

1. Les cuves de traitement électrolytique sontatelier séparé dans la production industrielle. Les plaques anodiques sont suspendues par des "poignées" dans la cuve de nettoyage du cuivre électrolytique. Des feuilles de cathode en cuivre pur suspendues sur des tiges pleines sont insérées dans le même réservoir, une feuille entre chaque anode. Lorsqu'un courant électrique passe des anodes à travers l'électrolyte jusqu'aux cathodes, le cuivre des anodes passe en solution et se dépose sur la feuille de départ. Les impuretés des anodes se déposent au fond du réservoir.
2. Machine de moulage par injection avec anodes en cuivre (plaques). Il se transformera en douceur en plaques d'anode dans des moules. Après le prétraitement, l'étain, le plomb, le fer et l'aluminium sont éliminés. Ensuite, le matériau en cuivre commence à être chargé dans le four, suivi du processus de fusion.
3. Lorsque les impuretés sont éliminées, la phase d'élimination des scories et de réduction au gaz naturel suit. La réduction vise à éliminer l'oxygène libre. Après récupération, le processus se termine par la coulée, où le produit final est coulé sous forme d'anodes en cuivre. La même machine peut être utilisée pour couler ces anodes lors du recyclage de composants ou pour recycler des anodes pour la ferraille dans une fonderie de cuivre par électrolyse.
4. Nettoyez les feuilles cathodiques. Les anodes de modification extraites du four d'affinage sont converties en cuivre électrolytique d'une pureté de 99,99 % par le procédé d'électrolyse. Lors de l'électrolyse, les ions de cuivre quittent une anode de cuivre impure et, puisqu'ils sont positifs, migrent vers la cathode.

De temps en temps, du métal pur est gratté de la cathode. impuretés d'anode de cuivre telles que l'or,l'argent, le platine et l'étain s'accumulent au fond de la solution d'électrolyte et précipitent sous forme de boue d'anode. Ce processus s'appelle la production électrolytique et l'affinage du cuivre.

Obtenir un fossile - quels types existent et sont-ils tous nécessaires dans la pratique ?

Une façon légèrement différente de nettoyer le métal. Il y a aussi le feu et l'affinage électrolytique du cuivre, lorsqu'un processus en suit immédiatement un autre. Une étape importante de "séparation" devient la concentration ou la concentration. Une fois la concentration terminée, l'étape suivante dans la création du produit fini est l'affinage au feu du cuivre.

Généralement, cela se produit près d'une mine, dans une usine de traitement ou une fonderie. Avec le raffinage du cuivre, les matériaux indésirables sont progressivement éliminés et le cuivre est concentré jusqu'à une pureté allant jusqu'à 99,99 % de grade A. Les détails du processus de raffinage dépendent du type de minéraux auxquels le métal est associé. Le minerai de cuivre riche en sulfures est traité par pyrométallurgie.

Affinage & Pyrométallurgie:

1. En pyrométallurgie, le concentré de cuivre est séché avant d'être chauffé dans un four. Les réactions chimiques qui se produisent pendant le processus de chauffage provoquent la séparation du concentré en deux couches de matériau: une couche mate et une couche de laitier. La couche mate sur le fond contient du cuivre, tandis que la couche de laitier sur le dessus contient des impuretés.
2. Le laitier est jeté et la couche de matte est restaurée et déplacée dans un récipient cylindrique appelé transducteur. Divers produits chimiques sont ajoutés au convertisseur qui réagissent avec le cuivre. Cela conduit à la formation de cuivre converti, appelé"cloque". Une fois précipité, il est extrait puis soumis à un autre processus appelé nettoyage au feu.
3. Dans un épurateur d'incendie, de l'air et du gaz naturel sont soufflés pour éliminer le soufre et l'oxygène restants, ce qui entraîne le traitement de la composition raffinée dans la cathode. Le métal est coulé dans des anodes et placé dans un électrolyseur. Après la charge, le cuivre pur est collecté à la cathode et éliminé sous forme de produit pur à 99 %.

Affinage & Hydrométallurgie:

1. En hydrométallurgie, le concentré de cuivre est traité par l'un des nombreux procédés. La méthode la moins courante est la carburation, où le métal est déposé sur de la ferraille dans une réaction redox.
2. La méthode de purification la plus largement utilisée est l'extraction par solvant et l'électrolyse. Cette nouvelle technologie s'est généralisée dans les années 1980 et environ 20 % du cuivre mondial est aujourd'hui produit de cette manière.
3. L'extraction par solvant commence avec un solvant organique qui sépare le métal des impuretés et des matériaux indésirables. De l'acide sulfurique est ensuite ajouté pour séparer le cuivre du solvant organique afin de former une solution électrolytique.
4. Cette solution est ensuite soumise à un processus d'électrolyse qui met simplement le cuivre en solution sur la cathode. Cette cathode peut être vendue telle quelle, mais peut également être transformée en tiges ou en feuilles sources pour d'autres électrolyseurs.

Les sociétés minières peuvent vendre du cuivre sous forme de concentré ou de cathode. CommentComme mentionné ci-dessus, le concentré est le plus souvent raffiné ailleurs qu'au site minier. Les fabricants de concentré vendent de la poudre de concentré contenant 24 à 40 % de cuivre aux fonderies et raffineries de cuivre. Les conditions de vente sont propres à chaque fonderie, mais en général, la fonderie paie au mineur environ 96 % du coût de la teneur en cuivre du concentré, moins les frais de traitement et les coûts de raffinage.

Les fonderies facturent généralement des péages, mais elles peuvent également vendre du métal affiné pour le compte des mineurs. Ainsi, tout le risque (et la récompense) des fluctuations des prix du cuivre incombe aux revendeurs.

Le raffinage au feu - à quel point est-ce dangereux ?

Le raffinage au feu le plus chaud peut être dangereux, mais la méthode de traitement est actuellement utilisée par la plupart des usines industrielles. Séparément, il convient de décrire la technologie d'affinage du cuivre blister.

Le cuivre du blister est déjà presque pur (plus de 99 % de cuivre). Mais pour le marché d'aujourd'hui, ce n'est pas très "propre". Le métal est ensuite purifié par électrolyse. Dans la production industrielle, une méthode appelée affinage au feu du cuivre blister est utilisée. Le cuivre de l'encre est coulé en grandes plaques pour servir d'anodes dans l'électrolyseur. Le post-raffinage électrolytique produit le métal de haute qualité et de haute pureté requis par l'industrie.

Dans l'industrie, cela se fait à grande échelle. Même la meilleure méthode chimique ne peut pas éliminer toutes les impuretés du cuivre, mais l'affinage électrolytique peut produire du cuivre pur à 99,99 %.

1. Les blisters d'anode sont immergés dans un électrolyte contenant du sulfate de cuivre et de l'acide sulfurique.
2. Il y a des cathodes propres entre elles, et un courant de plus de 200 A traverse la solution.

Dans ces conditions, les atomes de cuivre se dissolvent de l'anode impure pour former des ions de cuivre. Ils migrent vers les cathodes, où ils se déposent comme des atomes de cuivre pur.

• A l'anode: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• À la cathode: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Lorsque l'interrupteur se ferme, les ions de cuivre à l'anode commencent à se déplacer à travers la solution vers la cathode. Les atomes de cuivre ont déjà cédé deux électrons pour devenir des ions, et leurs électrons sont libres de se déplacer dans les fils. La fermeture de l'interrupteur pousse les électrons dans le sens des aiguilles d'une montre et provoque la sédimentation de certains ions de cuivre dans la solution.

La plaque repousse les ions de l'anode vers la cathode. En même temps, il pousse des électrons libres autour des fils (ces électrons sont déjà répartis sur les fils). Les électrons de la cathode se recombinent avec les ions de cuivre de la solution, formant une nouvelle couche d'atomes de cuivre. Progressivement, l'anode est détruite et la cathode grossit. Les impuretés insolubles dans l'anode tombent au fond pour précipiter. Ce précieux produit bio est en cours de suppression.

L'or, l'argent, le platine et l'étain sont insolubles dans cet électrolyte et ne se déposent donc pas sur la cathode. Ils forment un « limon » précieux qui s'accumule sous les anodes.

Les impuretés solubles de fer et de nickel sont dissoutes dans l'électrolyte, qui doit être constamment nettoyé pour éviter un dépôt excessif sur les cathodes, ce qui réduira la pureté du cuivre. Récemment, les cathodes en acier inoxydable ont été remplacées par des cathodes en cuivre. Les mêmes réactions chimiques se produisent. Périodiquement, les cathodes sont retirées et le cuivre pur est purifié. La production électrolytique et le raffinage du cuivre dans ces conditions sont assez courants dans les usines de traitement des métaux non ferreux.

Version électrochimique de la purification des métaux

Le nettoyage au feu peut être appelé chimique, car dans ce processus, une réaction chimique se produit avec d'autres substances et impuretés. Ce qui précède était un exemple d'une réaction oxydante. Tous les types et méthodes d'extraction du cuivre pur sont similaires, tout comme l'affinage électrochimique du cuivre, où des tactiques identiques sont utilisées, mais dans un ordre différent.

L'élément chimique auxiliaire devient le sous-produit lui-même:

• Soude caustique
• Chlore.
• Hydrogène.

C'est le moyen le moins cher d'obtenir des matières premières coûteuses sans dépenser d'argent pour un système d'extraction de composants alternatif. En outre, des métaux précieux sont extraits, dont la composition est noble et précieux dans l'invention industrielle des appareils électriques.

Four à cuivre – Industrie de la cuisson des métaux

Le four de raffinage du cuivre est spécialement conçu et capable de transformer les déchets de cuivre en métal liquide avec des impuretés contrôlées. Il est conçu pour le traitement pyrométallurgique de la ferrailletechnologie économique et respectueuse de l'environnement. La principale technologie proposée pour la production de cuivre fondu convient à la production de baguettes, de bandes, de billettes ou d'autres produits en cuivre utilisant des déchets comme matière première (Cu> 92 %).

La capacité des systèmes d'incinération et de nettoyage a été calculée pour un cycle de nettoyage (du chargement à la récupération) de 16 à 24 heures, selon le type de ferraille. Les fours d'affinage du cuivre ont une conception et des fonctions spéciales:

1. Le corps du four est constitué de segments en acier et de structures rigides de type profilé.
2. Le four est recouvert de matériau réfractaire de l'intérieur.
3. Il est équipé d'une centrale hydraulique fonctionnant en mode four basculant à deux vitesses: vitesse de fluage lors du basculement pour la coulée et grande vitesse lors du mouvement, qui ne demande pas beaucoup de précision.
4. Les opérations sont effectuées au moyen de deux vérins hydrauliques installés au bas du four. Un dispositif spécial remet le four en position horizontale lors des coupures de courant.
5. La trappe de chargement du matériel est située sur le côté du four. Il est fermé par une porte actionnée par un vérin hydraulique.
6. Le four est équipé de lances refroidies pour les opérations d'oxydation et de réduction du cuivre.

Il existe également un brûleur universel qui consomme à la fois des combustibles liquides et gazeux.

Le raffinage oxydatif dans l'industrie

L'opération d'oxydation du cuivre est effectuée après l'achèvement de la fusion de la matière première. Le processus est réalisé en injectant de l'air comprimé dans le bain à travers des tuyères. Le laitier résultant est retiré manuellement de la surface de la fonte à l'aide d'un râteau spécial et déversé dans un conteneur. Le laitier contient du cuivre, des impuretés, du plomb, de l'étain, etc. Le processus de réduction doit être effectué pour éliminer l'oxygène de la masse fondue et réduire les oxydes de cuivre. L'opération est réalisée en injectant du gaz naturel dans le bain.

Depuis le four, les gaz d'échappement sont introduits dans le système d'épuration des gaz, passent à travers le dépoussiéreur, qui capture les grosses poussières. Le collecteur est équipé d'un tuyau d'évent en cas de rejet de gaz d'urgence dans l'atmosphère. Le four de nettoyage au feu fonctionne en continu. Le cycle de travail du processus technologique comprend:

• chargement des matières premières;
• oxydation, scorification, réduction;
• chargement de métal affiné.

L'ensemble du processus ultérieur est appelé raffinage oxydatif du cuivre. Il ne peut être séparé du processus global de raffinage, car il fait partie de l'ensemble de la méthode de production de métal pur. Une fois les paramètres requis éliminés, le bain de cuivre est utilisé pour le processus technologique suivant.

Affinage de l'iodure des métaux non ferreux

Les ions cuivre(II) oxydent les ions iodure en iode moléculaire, et dans ce processus ils sont eux-mêmes réduits en iodure de cuivre(I). Le mélange brun mixte d'origine s'est séparé en un précipité blanc cassé d'iodure de cuivre (I) dans la solution d'iode. Utilisez cette réaction pour déterminer la concentration d'ions cuivre (II) en solution. Si vous ajoutez le volume de solution prescrit dans le flacon,contenant des ions cuivre (II), puis ajoutez un excès de solution d'iodure de potassium, vous obtiendrez la réaction décrite ci-dessus.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2CuI (s) + I 2 _{(solution aqueuse)}

Vous pouvez trouver la quantité d'iode libérée par titrage avec une solution de thiosulfate de sodium.

2S₂O₂^-3 (solution) + I ₂ (solution) → S₄O₂^-6 (solution aqueuse) + 2I^{- (solution aqueuse)}

Lorsque la solution de thiosulfate de sodium est coulée de la burette, la couleur de l'iode disparaît. Lorsqu'il n'y a presque plus rien, ajoutez de l'amidon. L'ensemble de la réaction de raffinage de l'iodure de cuivre sera réversible avec de l'iode pour produire un complexe amidon-iode bleu foncé beaucoup plus facile à voir.

Ajoutez les dernières gouttes de solution de thiosulfate de sodium jusqu'à ce que la couleur bleue disparaisse. Si vous tracez les proportions à travers les deux équations, vous constaterez que pour 2 moles d'ions cuivre (II) avec lesquels vous auriez dû commencer, vous avez besoin de 2 moles de solution de thiosulfate de sodium. Si vous connaissez la concentration de la solution de thiosulfate de sodium, il est facile de calculer la concentration des ions cuivre (II). Le résultat de cette tentative est d'obtenir un simple composé de cuivre (I) en solution.

Traitement au phosphore

Le raffinage du cuivre phosphoreux est un cuivre dur désoxydé au phosphore, qui est une résine à usage général durable. Il est désoxydé par le phosphore de cuivre, dans lequel le phosphore résiduel est maintenu à un niveau bas (0,005-0,013 %) pour obtenir une bonne conductivité électrique. Il a une bonne conductivité thermique et d'excellentes propriétés de soudage et de brasage. L'oxyde après le raffinage du cuivre de cette manière, restant dans la résine de cuivre solide, est éliminé avec du phosphore, qui est le désoxydant le plus couramment utilisé.

Le tableau montre différentes performances du recuit (doux) à l'état dur du cuivre.

Résistance à la traction	220-385 N/mm2
Résistance à la déchirure	60-325 N/mm2
Longueur	55-4 %
Dureté (HV)	45-155
Conduction électrique	90-98 %
Conduction thermique	350-365 W/cm

Drive Frames connecte le câblage aux bornes électriques sur la surface du semi-conducteur et aux circuits à grande échelle sur les appareils électriques et les cartes de circuits imprimés. Le matériau est sélectionné pour répondre aux exigences du processus et être fiable dans l'installation et le fonctionnement.

Composition du cuivre après électrolyse

La composition du cuivre après affinage au feu comprend 99,2 % du métal. Il en reste beaucoup moins dans les anodes. Lorsque les impuretés sont complètement éliminées, il reste 130 g/l de bases cathodiques dans la composition. La solution aqueuse de vitriol devient faible et le composant acide des cathodes de cuivre atteint 140-180 g/l. Le cuivre blister contient 99,5 % du métal, le fer 0,10 %, le zinc jusqu'à 0,05 % et l'or et l'argent ne représentent que 1 à 200 g/t.