Refinação eletrolítica do cobre: composição, fórmulas e reações

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-02 14:01

Refinação de cobre é o processo de refino de metal por meio de eletrólise. A limpeza por eletrólise é a maneira mais fácil de obter 99,999% de pureza no cobre. A eletrólise melhora a qualidade do cobre como condutor elétrico. Os equipamentos elétricos geralmente contêm cobre eletrolítico.

O que é isso?

Refinação de cobre ou eletrólise usa um ânodo que contém cobre impuro. Surge da concentração de minério. O cátodo consiste em metal puro (titânio ou aço inoxidável). A solução eletrolítica consiste em sulfato. Portanto, pode-se argumentar que o refino de cobre e a eletrólise são a mesma coisa. Uma corrente elétrica faz com que os íons de cobre dos ânodos entrem na solução e se depositem no cátodo. Neste caso, as impurezas saem, ou formam um precipitado, ou permanecem em solução. O cátodo torna-se maior que o cobre puro e o ânodo encolhe.

As células eletrolíticas usam uma fonte externa DC para responder a reações que de outra forma não seriam espontâneas. Reações eletrolíticasusado para limpar chapas metálicas em muitos tipos de substratos.

Usando um processo eletrolítico para purificar metal (refinação de cobre, eletrólise de metal):

1. Como as impurezas podem reduzir bastante a condutividade dos fios de cobre, é necessário limpar o cobre contaminado. Um dos métodos de limpeza é a eletrólise.
2. Quando uma tira de cobre metálico impuro é usada como ânodo na eletrólise de uma preparação aquosa de sulfato de cobre, o cobre é oxidado. Sua oxidação ocorre mais facilmente do que a oxidação da água. Portanto, o cobre metálico se dissolve em solução na forma de íons de cobre, deixando para trás muitas impurezas (metais menos ativos).
3. Íons de cobre formados no ânodo migram para o cátodo onde são mais facilmente reduzidos do que água e "placas" de metal no cátodo.

É necessário passar corrente suficiente entre os eletrodos, caso contrário ocorrerá uma reação não espontânea. Ao ajustar cuidadosamente o potencial elétrico, as impurezas metálicas que são ativas o suficiente para oxidar o cobre no ânodo, as substâncias não são reduzidas no cátodo, e o metal é depositado seletivamente.

Importante! Nem todos os metais são reduzidos ou oxidados mais facilmente do que a água. Nesse caso, a reação eletroquímica que requer o menor potencial ocorrerá primeiro. Por exemplo, se usássemos eletrodos, tanto ânodo quanto cátodo, o potencial do metal seria oxidado no ânodo, mas a água diminuiria no cátodo e os íons de alumínio permaneceriam em solução.

Para criar eletrólise, você precisa usaro seguinte método de refino de cobre:

1. Despeje a solução de sulfato de cobre em um copo.
2. Coloque duas hastes de grafite na solução de sulfato de cobre.
3. Conecte um eletrodo ao terminal de alimentação DC negativo e o outro ao terminal positivo.
4. Encha dois tubos pequenos completamente com solução de sulfato de cobre e coloque uma rolha em cada eletrodo.
5. Ligue a fonte de alimentação e verifique o que acontece em cada eletrodo.
6. Teste qualquer gás produzido com um pneu em chamas.
7. Registre suas observações e os resultados de seus testes.

Os resultados devem ficar assim:

• Sólidos marrons ou rosa aparecem na solução.
• Há bolhas.
• As bolhas devem ser incolores.
• Uma substância na forma gasosa.

Todos os resultados são registrados, após o que o gás é extinto pelo pneu. Há também outra maneira de limpar o metal de impurezas e sujeira de terceiros - é o refino de cobre por fogo. Como isso acontece, contaremos mais adiante, mas agora apresentaremos outras opções para refinar o metal.

Métodos de refino de cobre - de que outra forma pode ocorrer a decapagem química dos metais desejados?

Como a eletrólise é a ação dos sulfatos e da corrente, qual é o método eletrolítico para obtenção de produtos puros? Coisas completamente diferentes, embora semelhantes na sonoridade dos nomes. No entanto, o refino elétrico do cobre é baseado no uso de ácidos. Podemos dizer que esta é a oxidação do metal, mas não exatamente.

A produção limpa é importante para a fabricação de fios elétricos, pois a condutividade elétrica do cobre é reduzida por impurezas. Essas impurezas incluem metais preciosos como:

• prata,
• ouro;
• platina.

Quando eles são removidos por eletrólise e restaurados da mesma forma, a eletricidade é gasta tanto quanto seria suficiente para fornecer eletricidade a dezenas de residências. O componente purificado economiza energia, abastecendo ainda mais casas em menos tempo.

No refino eletrolítico, uma composição impura é feita de um ânodo em um banho eletrolítico de sulfato de cobre - CuSO₄ e ácido sulfúrico H_{2 SO 4}. O cátodo é uma folha de cobre muito puro. À medida que a corrente passa pela solução, os íons positivos de cobre, Cu₂₊ são atraídos para o cátodo, onde recebem elétrons e são depositados como átomos neutros, criando assim cada vez mais metal puro no cátodo. Enquanto isso, os átomos no ânodo doam elétrons e se dissolvem na solução eletrolítica como íons. Mas as impurezas no ânodo não se dissolvem porque os átomos de prata, ouro e platina não oxidam (tornam-se íons positivos) tão facilmente quanto o cobre. Assim, prata, ouro e platina simplesmente caem do ânodo para o fundo do tanque, onde podem ser limpos.

Mas também há refino eletrolítico do cobre quando são usados tanques:

1. Os tanques de tratamento eletrolítico sãooficina separada na produção industrial. As placas anódicas são suspensas por "alças" no tanque para limpeza de cobre eletrolítico. Folhas de cátodo de cobre puro suspensas em hastes sólidas são inseridas no mesmo tanque, uma folha entre cada ânodo. Quando uma corrente elétrica é passada dos ânodos através do eletrólito para os cátodos, o cobre dos ânodos se move para a solução e é depositado na folha inicial. As impurezas dos ânodos se depositam no fundo do tanque.
2. Injetora com ânodos de cobre (placas). Ele se transformará suavemente em placas de anodo em moldes. Após o pré-tratamento, o estanho, chumbo, ferro e alumínio são removidos. Em seguida, o material de cobre começa a ser carregado no forno, seguido pelo processo de fundição.
3. Quando as impurezas são removidas, segue-se a fase de remoção de escória e redução com gás natural. A redução visa remover o oxigênio livre. Após a recuperação, o processo termina com a fundição, onde o produto final é vazado como ânodos de cobre. A mesma máquina pode ser usada para fundir esses ânodos durante a reciclagem de componentes ou para reciclar ânodos para sucata em uma fundição de cobre por eletrólise.
4. Limpe as folhas do cátodo. Os anodos modificadores extraídos do forno de refino são convertidos em cobre eletrolítico com pureza de 99,99% através do processo de eletrólise. Durante a eletrólise, os íons de cobre deixam um ânodo de cobre impuro e, como são positivos, migram para o cátodo.

De vez em quando o metal puro é raspado do cátodo. impurezas do ânodo de cobre, como ouro,prata, platina e estanho se acumulam no fundo da solução eletrolítica e precipitam como lodo anódico. Este processo é chamado de produção eletrolítica e refino do cobre.

Obtenção de um fóssil - que tipos existem e são todos necessários na prática?

Uma maneira ligeiramente diferente de limpar metal. Há também fogo e refino eletrolítico de cobre, quando um processo segue imediatamente outro. Um importante estágio de "separação" torna-se concentração ou concentração. Uma vez que a concentração esteja completa, o próximo passo na criação do produto final é o refino de cobre por fogo.

Geralmente isso acontece perto de uma mina, em uma usina de processamento ou em uma fundição. Com o refino de cobre, o material indesejado é gradualmente removido e o cobre é concentrado a uma pureza de até 99,99% Grau A. Os detalhes do processo de refino dependem do tipo de mineral ao qual o metal está associado. O minério de cobre rico em sulfeto é processado pirometalúrgico.

Refinação e Pirometalurgia:

1. Na pirometalurgia, o concentrado de cobre é seco antes de ser aquecido em um forno. As reações químicas que ocorrem durante o processo de aquecimento fazem com que o concentrado se separe em duas camadas de material: uma camada fosca e uma camada de escória. A camada fosca na parte inferior contém cobre, enquanto a camada de escória na parte superior contém impurezas.
2. A escória é descartada e a camada fosca é restaurada e movida para um recipiente cilíndrico chamado transdutor. Vários produtos químicos são adicionados ao conversor que reagem com o cobre. Isso leva à formação de cobre convertido, chamado"bolha". Uma vez precipitado, é extraído e submetido a outro processo chamado limpeza a fogo.
3. Em um purificador de incêndio, ar e gás natural são soprados para remover o enxofre e o oxigênio restantes, fazendo com que a composição refinada seja processada no cátodo. O metal é fundido em ânodos e colocado em um eletrolisador. Após o carregamento, o cobre puro é coletado no cátodo e removido como produto 99% puro.

Refinação e Hidrometalurgia:

1. Na hidrometalurgia, o concentrado de cobre é processado através de um de vários processos. O método menos comum é a cementação, onde o metal é depositado sobre a sucata em uma reação redox.
2. O método de purificação mais amplamente utilizado é a extração com solvente e eletrólise. Essa nova tecnologia tornou-se difundida na década de 1980, e aproximadamente 20% do cobre do mundo agora é produzido dessa maneira.
3. A extração por solvente começa com um solvente orgânico que separa o metal de impurezas e materiais indesejados. O ácido sulfúrico é então adicionado para separar o cobre do solvente orgânico para formar uma solução eletrolítica.
4. Esta solução é então submetida a um processo de eletrólise que simplesmente coloca o cobre em solução no cátodo. Este cátodo pode ser vendido como está, mas também pode ser transformado em varetas ou folhas de fonte para outros eletrolisadores.

As empresas de mineração podem vender cobre na forma concentrada ou catódica. QuãoComo mencionado acima, o concentrado é mais frequentemente refinado em outro lugar que não no local da mina. Os fabricantes de concentrado vendem pó concentrado contendo 24 a 40% de cobre para fundições e refinarias de cobre. Os termos de venda são exclusivos para cada fundição, mas em geral a fundição paga ao minerador aproximadamente 96% do custo do conteúdo de cobre no concentrado, menos taxas de processamento e custos de refino.

As fundições geralmente cobram pedágios, mas também podem vender metal refinado em nome dos mineradores. Assim, todo o risco (e recompensa) das flutuações nos preços do cobre recai nos ombros dos revendedores.

Refinação de fogo - quão perigoso é?

O refino de fogo mais quente pode ser perigoso, mas o método de processamento é atualmente usado pela maioria das plantas industriais. Separadamente, vale a pena descrever a tecnologia de refino de cobre blister.

Blister cobre já é quase puro (mais de 99% de cobre). Mas para o mercado de hoje, isso não é muito "limpo". O metal é ainda purificado por eletrólise. Na produção industrial, é usado um método chamado refino por fogo de cobre blister. O cobre de tinta é fundido em grandes placas para serem usadas como ânodos no eletrolisador. O pós-refinamento eletrolítico produz o metal de alta qualidade e pureza exigido pela indústria.

Na indústria, isso é feito em grande escala. Mesmo o melhor método químico não pode remover todas as impurezas do cobre, mas o refino eletrolítico pode produzir 99,99% de cobre puro.

1. As bolhas de anodo são imersas em um eletrólito contendo sulfato de cobre e ácido sulfúrico.
2. Existem cátodos limpos entre eles, e uma corrente de mais de 200 A passa pela solução.

Sob essas condições, os átomos de cobre se dissolvem do ânodo impuro para formar íons de cobre. Eles migram para os cátodos, onde são depositados de volta como átomos de cobre puro.

• No ânodo: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• No cátodo: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Quando a chave fecha, os íons de cobre no ânodo começam a se mover pela solução em direção ao cátodo. Os átomos de cobre já desistiram de dois elétrons para se tornarem íons, e seus elétrons estão livres para se movimentar nos fios. Fechar a chave empurra os elétrons no sentido horário e faz com que alguns íons de cobre se assentem na solução.

A placa repele íons do ânodo para o cátodo. Ao mesmo tempo, empurra elétrons livres ao redor dos fios (esses elétrons já estão distribuídos pelos fios). Os elétrons no cátodo se recombinam com os íons de cobre da solução, formando uma nova camada de átomos de cobre. Gradualmente, o ânodo é destruído e o cátodo cresce. Impurezas insolúveis no ânodo caem para o fundo para precipitar. Este valioso produto bio está sendo removido.

Ouro, prata, platina e estanho são insolúveis neste eletrólito e, portanto, não se depositam no cátodo. Eles formam um valioso "lodo" que se acumula sob os ânodos.

As impurezas solúveis de ferro e níquel são dissolvidas no eletrólito, que deve ser constantemente limpo para evitar deposição excessiva nos cátodos, o que reduzirá a pureza do cobre. Recentemente, os cátodos de aço inoxidável foram substituídos por cátodos de cobre. As mesmas reações químicas ocorrem. Periodicamente, os cátodos são removidos e o cobre puro é purificado. A produção eletrolítica e refino de cobre nestas condições é bastante comum em plantas de processamento de metais não ferrosos.

Versão eletroquímica da purificação de metais

A limpeza a fogo pode ser chamada de química, pois neste processo ocorre uma reação química com outras substâncias e impurezas. O acima foi um exemplo de uma reação oxidativa. Todos os tipos e métodos de extração de cobre puro são semelhantes, assim como o refino eletroquímico do cobre, onde são usadas táticas idênticas, mas em uma sequência diferente.

O elemento auxiliar químico torna-se o próprio subproduto:

• Soda Cáustica
• Cloro.
• Hidrogênio.

Esta é a maneira mais barata de obter matérias-primas caras sem gastar dinheiro em um sistema alternativo de mineração de componentes. Além disso, são extraídos metais valiosos, nobres em composição e valiosos na invenção industrial de aparelhos elétricos.

Forno de Cobre – Indústria de Cozimento em Metal

O Forno de Refinação de Cobre Queimado é especialmente projetado e capaz de processar sucata de cobre em metal líquido com impurezas controladas. Ele é projetado para o processamento pirometalúrgico de sucatatecnologia económica e amiga do ambiente. A principal tecnologia proposta para a produção de cobre fundido é adequada para a produção de bastão de cobre, tira, tarugo ou outros produtos de cobre utilizando sucata como matéria-prima (Cu> 92%).

A capacidade dos sistemas de incineração e limpeza foi calculada para um ciclo de limpeza (do carregamento à recuperação) de 16-24 horas, dependendo do tipo de sucata. Os fornos de refino de cobre têm design e funções especiais:

1. O corpo do forno é feito de segmentos de aço e estruturas do tipo seção rígida.
2. O forno é forrado com material refratário por dentro.
3. Está equipado com uma estação hidráulica operando no modo forno basculante com duas velocidades: velocidade de fluência ao inclinar para lingotamento e alta velocidade durante o movimento, que não requer muita precisão.
4. As operações são realizadas por meio de dois cilindros hidráulicos instalados na parte inferior do forno. Um dispositivo especial retorna o forno para a posição horizontal durante a f alta de energia.
5. A escotilha de carregamento de material está localizada na lateral do forno. É fechado por uma porta acionada por um cilindro hidráulico.
6. O forno está equipado com lanças refrigeradas para operações de oxidação e redução do cobre.

Há também um queimador universal que consome combustíveis líquidos e gasosos.

Refinação oxidativa na indústria

Operação de oxidação do cobre é realizada após a conclusão da fundição da matéria-prima. O processo é realizado através da injeção de ar comprimido no fundido através de ventaneiras. A escória resultante é removida manualmente da superfície do fundido usando um ancinho especial e despejada em um recipiente. A escória contém cobre, impurezas, chumbo, estanho, etc. O processo de redução deve ser realizado para remover o oxigênio do fundido e reduzir os óxidos de cobre. A operação é realizada através da injeção de gás natural no fundido.

Do forno, os gases de exaustão são alimentados no sistema de limpeza de gás, passando pelo coletor de pó, que capta o pó grosso. O colector está equipado com um tubo de ventilação em caso de libertação de gás de emergência para a atmosfera. O forno de limpeza a fogo opera continuamente. O ciclo de trabalho do processo tecnológico inclui:

• carregando matéria prima;
• oxidação, escória, redução;
• carregando metal refinado.

Todo o processo subsequente é chamado de refino oxidativo de cobre. Ele não pode ser separado do processo geral de refino, pois faz parte de todo o método de produção de metal puro. Após a eliminação dos parâmetros necessários, o cobre fundido é utilizado para o próximo processo tecnológico.

Refinação de iodeto de metais não ferrosos

Íons de cobre(II) oxidam íons de iodeto a iodo molecular, e neste processo eles próprios são reduzidos a iodeto de cobre(I). A mistura marrom misturada original separou-se em um precipitado esbranquiçado de iodeto de cobre(I) na solução de iodo. Use esta reação para determinar a concentração de íons de cobre (II) em solução. Se você adicionar o volume prescrito de solução ao frasco,contendo íons de cobre (II) e, em seguida, adicionar um excesso de solução de iodeto de potássio, você obterá a reação descrita acima.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2CuI(s) + I 2 _{(solução aquosa)}

Você pode encontrar a quantidade de iodo liberada pela titulação com solução de tiossulfato de sódio.

2S₂O₂^-3 (solução) + I ₂ (solução) → S₄O₂^-6 (solução aquosa) + 2I^{- (solução aquosa)}

Quando a solução de tiossulfato de sódio é retirada da bureta, a cor do iodo desaparece. Quando estiver quase tudo acabado, adicione amido. Toda a reação de refino de iodeto de cobre será reversível com iodo para produzir um complexo de amido-iodo azul profundo que é muito mais fácil de ver.

Adicione as últimas gotas de solução de tiossulfato de sódio até que a cor azul desapareça. Se você traçar as proporções através das duas equações, você descobrirá que para cada 2 mols de íons de cobre(II) com os quais você deveria ter começado, você precisa de 2 mols de solução de tiossulfato de sódio. Se você conhece a concentração da solução de tiossulfato de sódio, é fácil calcular a concentração de íons de cobre (II). O resultado desta tentativa é obter um composto simples de cobre (I) em solução.

Tratamento com fósforo

O refino de cobre fosforoso é um cobre duro desoxidado com fósforo, que é uma resina durável de uso geral. É desoxidado pelo fósforo de cobre, no qual o fósforo residual é mantido em um nível baixo (0,005-0,013%) para obter uma boa condutividade elétrica. Tem boa condutividade térmica e excelentes propriedades de soldagem e soldagem. O óxido após o refino do cobre desta forma, permanecendo na resina sólida de cobre, é removido com fósforo, que é o desoxidante mais utilizado.

A tabela mostra diferentes desempenhos do cobre recozido (soft) ao duro.

Resistência à tração	220-385 N/mm2
Força do rasgo	60-325 N/mm2
Comprimento	55-4 %
Dureza (HV)	45-155
Condutividade elétrica	90-98 %
Condutividade térmica	350-365 W/cm

Os quadros de acionamento conectam a fiação aos terminais elétricos na superfície do semicondutor e circuitos de grande escala em dispositivos elétricos e placas de circuito impresso. O material é selecionado para atender aos requisitos do processo e ser confiável na instalação e operação.

Composição do cobre após eletrólise

A composição do cobre após refino por fogo inclui 99,2% do metal. Muito menos permanece nos ânodos. Quando as impurezas são completamente removidas, 130 g/l de bases catódicas permanecem na composição. A solução aquosa de vitríolo torna-se fraca e o componente ácido dos cátodos de cobre atinge 140-180 g/l. Blister cobre contém 99,5% do metal, ferro tem 0,10%, zinco até 0,05% e ouro e prata são apenas 1-200 g / t.