זיקוק אלקטרוליטי של נחושת: הרכב, נוסחאות ותגובות

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 13:54

זיקוק נחושת הוא תהליך של זיקוק מתכת באמצעות אלקטרוליזה. ניקוי אלקטרוליזה הוא הדרך הקלה ביותר להשיג 99.999% טוהר בנחושת. אלקטרוליזה משפרת את איכות הנחושת כמוליך חשמלי. ציוד חשמלי מכיל לרוב נחושת אלקטרוליטית.

מה זה?

זיקוק נחושת או אלקטרוליזה משתמש באנודה המכילה נחושת לא טהורה. זה נובע מריכוז העפר. הקתודה מורכבת ממתכת טהורה (טיטניום או נירוסטה). תמיסת האלקטרוליט מורכבת מסולפט. לכן, ניתן לטעון כי זיקוק נחושת ואלקטרוליזה הם אותו דבר. זרם חשמלי גורם ליוני נחושת מהאנודות להיכנס לתמיסה ולהתבסס על הקתודה. במקרה זה, זיהומים עוזבים, או יוצרים משקעים, או נשארים בתמיסה. הקתודה נעשית גדולה יותר מנחושת טהורה והאנודה מתכווצת.

תאים אלקטרוליטים משתמשים במקור DC חיצוני כדי להגיב לתגובות שאחרת לא היו ספונטניות. תגובות אלקטרוליטיותמשמש לניקוי מתכות לוחות על סוגים רבים של מצעים.

שימוש בתהליך אלקטרוליטי לטיהור מתכת (זיקוק נחושת, אלקטרוליזה של מתכת):

1. מכיוון שזיהומים יכולים להפחית מאוד את המוליכות של חוטי נחושת, יש צורך לנקות את הנחושת המזוהמת. אחת משיטות הניקוי היא אלקטרוליזה.
2. כאשר רצועה של מתכת נחושת לא טהורה משמשת כאנודה באלקטרוליזה של תכשיר מימי של נחושת גופרתית, הנחושת מתחמצנת. החמצון שלו ממשיך בקלות רבה יותר מחמצון המים. לכן, נחושת מתכתית מתמוססת בתמיסה בצורה של יוני נחושת, ומשאירה אחריה זיהומים רבים (מתכות פחות פעילות).
3. יוני נחושת הנוצרים באנודה נודדים אל הקתודה, שם הם מצטמצמים בקלות רבה יותר מאשר "צלחות" מים ומתכת בקתודה.

יש צורך להעביר מספיק זרם בין האלקטרודות, אחרת תתרחש תגובה לא ספונטנית. על ידי התאמה קפדנית של הפוטנציאל החשמלי, זיהומי מתכת הפעילים מספיק כדי לחמצן נחושת באנודה, החומרים אינם מופחתים בקתודה, והמתכת מושקעת באופן סלקטיבי.

חשוב! לא כל המתכות מצטמצמות או מתחמצנות בקלות רבה יותר ממים. אם כן, התגובה האלקטרוכימית הדורשת את הפוטנציאל הנמוך ביותר תתרחש קודם. לדוגמה, אם היינו משתמשים באלקטרודות, הן באנודה והן בקתודה, פוטנציאל המתכת יתחמצן באנודה, אבל אז המים יצטמצמו בקתודה ויוני האלומיניום יישארו בתמיסה.

כדי ליצור אלקטרוליזה, עליך להשתמששיטת זיקוק הנחושת הבאה:

1. שפוך את תמיסת הנחושת סולפט לכוס.
2. הנח שני מוטות גרפיט בתמיסת נחושת גופרתית.
3. חבר אלקטרודה אחת למסוף מתח DC השלילי ואת השנייה למסוף החיובי.
4. מלא שני צינורות קטנים לחלוטין בתמיסת נחושת סולפט והנח פקק על כל אלקטרודה.
5. הפעל את ספק הכוח ובדוק מה קורה בכל אלקטרודה.
6. בדוק כל גז שהופק עם צמיג בוער.
7. תעד את התצפיות שלך ואת תוצאות הבדיקות שלך.

התוצאות צריכות להיראות כך:

• מוצקים חומים או ורודים מופיעים בתמיסה.
• יש בועות.
• בועות צריכות להיות חסרות צבע.
• חומר בצורת גז.

כל התוצאות נרשמות, ולאחר מכן הגז נכבה על ידי הצמיג. ישנה גם דרך נוספת לנקות את המתכת מזיהומים ולכלוך של צד שלישי - זוהי זיקוק אש של נחושת. איך זה קורה, נספר בהמשך, אבל כעת נציג אפשרויות נוספות לחידוד המתכת.

שיטות זיקוק נחושת - איך עוד יכולה להתבצע הפשטה כימית של המתכות הרצויות?

מאחר שאלקטרוליזה היא פעולה של סולפטים וזרם, מהי השיטה האלקטרוליטית להשגת מוצרים טהורים? דברים שונים לגמרי, אם כי דומים בשמות שנשמעים. עם זאת, הזיקוק החשמלי של נחושת מבוסס על שימוש בחומצות. אנחנו יכולים לומר שזהו החמצון של המתכת, אבל לא לגמרי.

ייצור נקי חשוב לייצור חוט חשמלי, שכן המוליכות החשמלית של נחושת מופחתת על ידי זיהומים. זיהומים אלה כוללים מתכות יקרות כגון:

• סילבר,
• gold;
• platinum.

כאשר הם מוסרים על ידי אלקטרוליזה ומשחזרים אותם באותו אופן, חשמל מושקע ככל שיספיק כדי לספק חשמל לעשרות בתים. הרכיב המטוהר חוסך באנרגיה, ומפעיל עוד יותר בתים בפחות זמן.

בזיקוק אלקטרוליטי, הרכב לא טהור עשוי מאנודה באמבט אלקטרוליטי של נחושת סולפט - CuSO₄ וחומצה גופרתית H_{2 SO 4}. הקתודה היא יריעת נחושת טהורה מאוד. כאשר הזרם עובר דרך התמיסה, יוני נחושת חיוביים, Cu₂₊ נמשכים אל הקתודה, שם הם מקבלים אלקטרונים ומושקעים כמו אטומים ניטרליים, ובכך יוצרים יותר ויותר מתכת טהורה בקתודה. בינתיים, האטומים באנודה תורמים אלקטרונים ומתמוססים בתמיסת האלקטרוליט כיונים. אבל הזיהומים באנודה לא נכנסים לתמיסה כי אטומי הכסף, הזהב והפלטינה אינם מתחמצנים (הופכים ליונים חיוביים) באותה קלות כמו הנחושת. כך, כסף, זהב ופלטינה פשוט נופלים מהאנודה לתחתית המיכל, שם ניתן לנקות אותם.

אבל יש גם זיקוק אלקטרוליטי של נחושת כאשר משתמשים במיכלים:

1. מיכלי טיפול אלקטרוליטי הםבית מלאכה נפרד בייצור תעשייתי. לוחות האנודה תלויים על ידי "ידיות" במיכל לניקוי נחושת אלקטרוליטית. יריעות קתודה נחושת טהורה התלויות על מוטות מוצקים מוכנסות לאותו מיכל, יריעה אחת בין כל אנודה. כאשר מועבר זרם חשמלי מהאנודות דרך האלקטרוליט אל הקתודות, הנחושת מהאנודות עוברת לתמיסה ומונחת על יריעת המתנע. זיהומים מהאנודות מתיישבים לתחתית המיכל.
2. מכונת הזרקה עם אנודות נחושת (צלחות). זה יהפוך בצורה חלקה לצלחות אנודה בתבניות. לאחר טיפול מקדים, מסירים פח, עופרת, ברזל ואלומיניום. לאחר מכן, חומר הנחושת מתחיל להיטען לתוך הכבשן, ולאחר מכן תהליך ההתכה.
3. כאשר זיהומים מוסרים, שלב הסרת הסיגים וההפחתה עם גז טבעי. ההפחתה מכוונת להסרת חמצן חופשי. לאחר ההתאוששות, התהליך מסתיים ביציקה, כאשר המוצר הסופי יצוק כאנודות נחושת. ניתן להשתמש באותה מכונה ליציקת האנודות הללו במהלך מיחזור רכיבים או למיחזור אנודות לגרוטאות מתכת במתכת נחושת אלקטרוליזה.
4. ניקוי יריעות קתודה. האנודות המשתנות המופקות מתנור הזיקוק מומרות לנחושת אלקטרוליטית בטוהר של 99.99% בתהליך האלקטרוליזה. במהלך האלקטרוליזה, יוני נחושת משאירים אנודת נחושת לא טהורה, ומכיוון שהם חיוביים, נודדים אל הקתודה.

מדי פעם מתכת טהורה נגרדת מהקתודה. זיהומים באנודת נחושת כגון זהב,כסף, פלטינה ופח נאספים בתחתית תמיסת האלקטרוליטים ומשקעים כמו רפש אנודה. תהליך זה נקרא ייצור וזיקוק אלקטרוליטי של נחושת.

השגת מאובן - אילו סוגים קיימים והאם כולם נחוצים בפועל?

דרך קצת שונה לניקוי מתכת. יש גם אש וזיקוק אלקטרוליטי של נחושת, כאשר תהליך אחד עוקב מיד אחריו. שלב "הפרדה" חשוב הופך לריכוז או ריכוז. לאחר השלמת הריכוז, השלב הבא ביצירת המוצר המוגמר הוא זיקוק אש נחושת.

בדרך כלל זה קורה ליד מכרה, במפעל עיבוד או בבית יתוך. עם זיקוק נחושת, חומר לא רצוי מוסר בהדרגה והנחושת מרוכזת לטוהר של עד 99.99% דרגה A. הפרטים של תהליך הזיקוק תלויים בסוג המינרלים אליהם קשורה המתכת. עפרות נחושת עשירות בסולפיד עוברות עיבוד פירומטלורגי.

זיקוק ופירומטלורגיה:

1. בפירומטלורגיה, תרכיז נחושת מיובש לפני חימום בכבשן. התגובות הכימיות המתרחשות בתהליך החימום גורמות לרכז להיפרד לשתי שכבות של חומר: שכבת מט ושכבת סיגים. שכבת המט בחלק התחתון מכילה נחושת, בעוד ששכבת הסיגים למעלה מכילה זיהומים.
2. הסיגים מושלכים ושכבת המט משוחזרת ומועברת לכלי גלילי הנקרא מתמר. לממיר מוסיפים כימיקלים שונים המגיבים עם הנחושת. זה מוביל להיווצרות של נחושת שהומרה, הנקראת"שַׁלפּוּחִית". לאחר המשקעים, הוא מופק ולאחר מכן עובר תהליך נוסף הנקרא ניקוי אש.
3. בשפשפת אש, אוויר וגז טבעי מועפים כדי להסיר את הגופרית והחמצן הנותרים, מה שגורם לעיבוד ההרכב המעודן לתוך הקתודה. המתכת מיוצקת לאנודות ומכניסה לאלקטרוליזר. לאחר הטעינה, נאספת נחושת טהורה בקתודה ומוסרת כמוצר 99% טהור.

זיקוק והידרומטלורגיה:

1. בהידרופטלורגיה, תרכיז נחושת מעובד באחד מכמה תהליכים. השיטה הפחות נפוצה היא קרבוריזציה, שבה מתכת מופקדת על גרוטאות מתכת בתגובת חיזור.
2. שיטת הטיהור הנפוצה יותר היא מיצוי ממס ואלקטרוליזה. הטכנולוגיה החדשה הזו הפכה לנפוצה בשנות ה-80, וכ-20% מהנחושת בעולם מיוצרת כעת בדרך זו.
3. מיצוי ממס מתחיל עם ממס אורגני המפריד בין המתכת לזיהומים וחומרים לא רצויים. לאחר מכן מוסיפים חומצה גופרתית כדי להפריד את הנחושת מהממס האורגני ליצירת תמיסה אלקטרוליטית.
4. תמיסה זו נתונה לאחר מכן לתהליך אלקטרוליזה שפשוט מכניס את הנחושת לתמיסה על הקתודה. ניתן למכור קתודה זו כפי שהיא, אך ניתן גם להפוך אותה למוטות או גיליונות מקור עבור אלקטרוליזרים אחרים.

חברות כרייה יכולות למכור נחושת בצורת תרכיז או קתודה. אֵיךכפי שצוין לעיל, הריכוז לרוב מזוקק במקום אחר מאשר באתר המכרה. יצרני תרכיזים מוכרים אבקת תרכיז המכילה 24 עד 40% נחושת למפעלי נחושת ובתי זיקוק. תנאי המכירה הם ייחודיים לכל בית יתוך, אך באופן כללי המיתך משלמת לכורה כ-96% מעלות תכולת הנחושת בתרכיז, בניכוי עמלות עיבוד ועלויות זיקוק.

מתכות בדרך כלל גובות אגרה, אבל הן יכולות גם למכור מתכת מזוקקת בשם הכורים. לפיכך, כל הסיכון (והתגמול) מתנודות במחירי הנחושת נופל על כתפי המשווקים.

זיקוק אש - כמה זה מסוכן?

זיקוק האש החם ביותר יכול להיות מסוכן, אבל שיטת העיבוד משמשת כיום ברוב מפעלי התעשייה. בנפרד, כדאי לתאר את הטכנולוגיה של זיקוק נחושת שלפוחית.

נחושת שלפוחית כבר כמעט טהורה (יותר מ-99% נחושת). אבל עבור השוק של היום, זה לא מאוד "נקי". המתכת מטוהרת נוספת באמצעות אלקטרוליזה. בייצור תעשייתי משתמשים בשיטה הנקראת זיקוק אש של נחושת שלפוחית. נחושת הדיו יצוקה לתוך לוחות גדולים כדי לשמש כאנודות באלקטרוליזר. זיקוק לאחר זיקוק אלקטרוליטי מייצר את המתכת האיכותית והטוהרית הנדרשת על ידי התעשייה.

בתעשייה, זה נעשה בקנה מידה עצום.אפילו השיטה הכימית הטובה ביותר לא יכולה להסיר את כל הזיהומים מנחושת, אבל זיקוק אלקטרוליטי יכול לייצר 99.99% נחושת טהורה.

1. שלפוחיות האנודה טבולות באלקטרוליט המכיל נחושת גופרתית וחומצה גופרתית.
2. יש ביניהם קתודות נקיות, וזרם של יותר מ-200 A עובר בתמיסה.

בתנאים אלה, אטומי נחושת מתמוססים מהאנודה הלא טהורה ויוצרים יוני נחושת. הם נודדים אל הקתודות, שם הם מופקדים בחזרה כמו אטומי נחושת טהורים.

• באנודה: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• בקתודה: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

כשהמתג נסגר, יוני הנחושת באנודה יתחילו לנוע דרך התמיסה לכיוון הקתודה. אטומי הנחושת כבר ויתרו על שני אלקטרונים כדי להפוך ליונים, והאלקטרונים שלהם חופשיים להסתובב בחוטים. סגירת המתג דוחפת את האלקטרונים בכיוון השעון וגורמת לכמה יוני נחושת לשקוע בתמיסה.

הצלחת דוחה יונים מהאנודה לקתודה. במקביל, הוא דוחף אלקטרונים חופשיים סביב החוטים (אלקטרונים אלה כבר מפוזרים על החוטים). האלקטרונים בקתודה מתחברים מחדש עם יוני הנחושת מהתמיסה, ויוצרים שכבה חדשה של אטומי נחושת. בהדרגה, האנודה נהרסת, והקתודה גדלה. זיהומים בלתי מסיסים באנודה נופלים לתחתית כדי לזרז. מוצר ביולוגי יקר ערך זה מוסר.

זהב, כסף, פלטינה ופח אינם מסיסים באלקטרוליט זה ולכן אינם מושקעים על הקתודה. הם יוצרים "סחופת" יקרת ערך שמצטברת מתחת לאנודות.

זיהומים מסיסים של ברזל וניקל מומסים באלקטרוליט, אותו יש לנקות כל הזמן כדי למנוע שקיעה מוגזמת על הקתודות, שתפחית את טוהר הנחושת. לאחרונה, קתודות נירוסטה הוחלפו בקתודות נחושת. אותן תגובות כימיות מתרחשות. מעת לעת, הקתודות מוסרות ומטהרת נחושת טהורה. ייצור וזיקוק אלקטרוליטי של נחושת בתנאים אלה נפוץ למדי במפעלי עיבוד מתכות אל-ברזליות.

גרסה אלקטרוכימית של טיהור מתכת

ניקוי אש יכול להיקרא כימי, כי בתהליך זה מתרחשת תגובה כימית עם חומרים וזיהומים אחרים. האמור לעיל היה דוגמה לתגובה חמצונית. כל הסוגים והשיטות של הפקת נחושת טהורה דומים, וכך גם הזיקוק האלקטרוכימי של נחושת, שבו משתמשים בטקטיקות זהות, אך ברצף שונה.

אלמנט העזר הכימי הופך לתוצר הלוואי עצמו:

• סודה קאוסטית
• כלור.
• מימן.

זו הדרך הזולה ביותר להשיג חומרי גלם יקרים מבלי לבזבז כסף על מערכת כרייה חלופית של רכיבים. בנוסף, כורים מתכות יקרות ערך, שהן אצילות בהרכבן ובעלות ערך בהמצאה תעשייתית של מכשירי חשמל.

תנור נחושת – תעשיית בישול מתכת

תנור זיקוק הנחושת השריפה תוכנן במיוחד ומסוגל לעבד גרוטאות נחושת למתכת נוזלית עם זיהומים מבוקרים. הוא מיועד לעיבוד פירומטלורגי של גרוטאותטכנולוגיה חסכונית וידידותית לסביבה. הטכנולוגיה העיקרית המוצעת לייצור נחושת מותכת מתאימה לייצור של מקל נחושת, רצועה, בילט או מוצרי נחושת אחרים באמצעות גרוטאות כחומר גלם (Cu> 92%).

קיבולת של מערכות שריפה וניקוי חושבה למחזור ניקוי (מטעינה ועד התאוששות) של 16-24 שעות, תלוי בסוג הגרוטאות. לתנורי זיקוק נחושת יש עיצוב ופונקציות מיוחדות:

1. גוף התנור עשוי מקטעי פלדה ומבנים קשיחים מסוג חתך.
2. הכבשן מרופד בחומר עקשן מבפנים.
3. הוא מצויד בתחנה הידראולית הפועלת במצב תנור הטיה בשתי מהירויות: מהירות זחילה בעת הטיה לצורך יציקה ומהירות גבוהה בזמן תנועה, שאינה דורשת דיוק רב.
4. הפעולות מתבצעות באמצעות שני צילינדרים הידראוליים המותקנים בתחתית הכבשן. מכשיר מיוחד מחזיר את התנור למצב אופקי בזמן הפסקות חשמל.
5. פתח טעינת החומר ממוקם בצד התנור. הוא סגור על ידי דלת המונעת על ידי צילינדר הידראולי.
6. הכבשן מצויד ברנסים מקוררים לפעולות חמצון והפחתה של נחושת.

יש גם מבער אוניברסלי אחד שצורך גם דלק נוזלי וגם גז.

זיקוק חמצוני בתעשייה

פעולת חמצון הנחושת מתבצעת לאחר השלמת ההיתוך של חומר ההזנה.התהליך מתבצע על ידי הזרקת אוויר דחוס לתוך ההמסה דרך צינורות. הסיגים המתקבלים מוסרים ידנית מפני השטח של ההיתוך באמצעות מגרפה מיוחדת ומושלכים לתוך מיכל. הסיגים מכילים נחושת, זיהומים, עופרת, פח ועוד. תהליך ההפחתה חייב להתבצע על מנת להוציא חמצן מההמסה ולהפחית תחמוצות נחושת. הפעולה מתבצעת על ידי הזרקת גז טבעי להמסה.

מהתנור, גזי פליטה מוזנים למערכת ניקוי הגז, עוברים דרך קולט האבק, הלוכד אבק גס. הקולט מצויד בצינור אוורור למקרה של שחרור גז חירום לאטמוספירה. תנור ניקוי האש פועל ברציפות. מחזור העבודה של התהליך הטכנולוגי כולל:

• טעינת חומרי גלם;
• חמצון, סילוג, הפחתה;
• טעינת מתכת מעודנת.

כל התהליך שלאחר מכן נקרא זיקוק חמצוני של נחושת. לא ניתן להפריד אותו מתהליך הזיקוק הכולל, שכן הוא חלק מכל השיטה לייצור מתכת טהורה. לאחר ביטול הפרמטרים הנדרשים, נעשה שימוש בהמסת הנחושת לתהליך הטכנולוגי הבא.

זיקוק יודיד של מתכות לא ברזליות

יוני נחושת(II) מחמצנים יוני יוד ליוד מולקולרי, ובתהליך זה הם עצמם מופחתים ליוד נחושת(I). התערובת החומה המעורבת המקורית נפרדה למשקע אוף-וייט של יודיד נחושת(I) בתמיסת היוד. השתמש בתגובה זו כדי לקבוע את ריכוז יוני הנחושת (II) בתמיסה. אם אתה מוסיף את נפח הפתרון שנקבע לבקבוק,המכיל יוני נחושת (II), ולאחר מכן הוסף עודף של תמיסת יודיד אשלגן, תקבל את התגובה המתוארת לעיל.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2CuI (s) + I 2 _{(תמיסת מים)}

תוכל למצוא את כמות היוד המשתחררת על ידי טיטרציה עם תמיסת נתרן תיוסולפט.

2S₂O₂^-3 (פתרון) + I ₂ (פתרון) → S₄O₂^-6 (תמיסת מים) + 2I^{- (תמיסה מימית)}

כאשר תמיסת הנתרן תיוסולפט מופעלת מהבורטה, צבע היוד נעלם. כשכמעט הכל נעלם, מוסיפים עמילן. כל תגובת הזיקוק של יוד הנחושת תהיה הפיכה עם יוד כדי לייצר קומפלקס עמילן-יוד כחול עמוק שהרבה יותר קל לראות.

הוסף את הטיפות האחרונות של תמיסת נתרן תיוסולפט עד שהצבע הכחול ייעלם. אם תעקבו אחר הפרופורציות דרך שתי המשוואות, תגלו שעל כל 2 מולים של יוני נחושת(II) שהייתם צריכים להתחיל איתם, אתם צריכים 2 מולים של תמיסת נתרן תיוסולפט. אם אתה יודע את הריכוז של תמיסת נתרן תיוסולפט, קל לחשב את ריכוז יוני הנחושת (II). התוצאה של ניסיון זה היא להשיג תרכובת פשוטה של נחושת (I) בתמיסה.

טיפול בזרחן

זיקוק נחושת זרחנית הוא נחושת קשה משחררת מזרחן, שהיא שרף לשימוש כללי עמיד. הוא מחומצן על ידי זרחן נחושת, שבו זרחן שיורי נשמר ברמה נמוכה (0,005-0.013%) להשגת מוליכות חשמלית טובה. יש לו מוליכות תרמית טובה ותכונות ריתוך והלחמה מצוינות. התחמוצת לאחר זיקוק הנחושת בדרך זו, שנותרה בשרף הנחושת המוצק, מוסרת באמצעות זרחן, שהוא חומר משחרר החמצון הנפוץ ביותר.

הטבלה מציגה ביצועים שונים ממצב חישול (רך) למצב קשה של נחושת.

חוזק מתיחה	220-385 N/mm2
חוזק דמעות	60-325 N/mm2
Length	55-4 %
Hardness (HV)	45-155
מוליכות חשמלית	90-98 %
מוליכות תרמית	350-365 W/cm

מסגרות כונן מחברות חיווט למסופים חשמליים על משטח המוליכים למחצה ומעגלים בקנה מידה גדול על מכשירים חשמליים ומעגלים מודפסים. החומר נבחר כדי לעמוד בדרישות התהליך ולהיות אמין בהתקנה ובהפעלה.

הרכב נחושת לאחר אלקטרוליזה

הרכב הנחושת לאחר זיקוק אש כולל 99.2% מהמתכת. הרבה פחות ממנו נשאר באנודות. כאשר זיהומים מוסרים לחלוטין, 130 גרם/ליטר של בסיסים קתודה נשארים בהרכב. התמיסה המימית של ויטריול הופכת חלשה, והמרכיב החומצי של קתודות נחושת מגיע ל-140-180 גרם/ליטר. נחושת שלפוחית מכילה 99.5% מהמתכת, לברזל יש 0.10%, אבץ עד 0.05%, וזהב וכסף הם רק 1-200 גרם/ת.