Refinado electrolítico del cobre: composición, fórmulas y reacciones

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 13:53

El refinado de cobre es el proceso de refinado del metal a través de la electrólisis. La limpieza por electrólisis es la forma más fácil de lograr una pureza del 99,999 % en el cobre. La electrólisis mejora la calidad del cobre como conductor eléctrico. Los equipos eléctricos a menudo contienen cobre electrolítico.

¿Qué es esto?

El refinado de cobre o electrólisis utiliza un ánodo que contiene cobre impuro. Surge de la concentración del mineral. El cátodo consiste en metal puro (titanio o acero inoxidable). La solución de electrolito consiste en sulfato. Por lo tanto, se puede argumentar que la refinación de cobre y la electrólisis son lo mismo. Una corriente eléctrica hace que los iones de cobre de los ánodos entren en la solución y se depositen en el cátodo. En este caso, las impurezas se van, forman un precipitado o permanecen en solución. El cátodo se vuelve más grande que el cobre puro y el ánodo se encoge.

Las celdas electrolíticas utilizan una fuente de CC externa para responder a reacciones que de otro modo no serían espontáneas. Reacciones electrolíticasse utiliza para limpiar placas de metal en muchos tipos de sustratos.

Uso de un proceso electrolítico para purificar metales (refinación de cobre, electrólisis de metales):

1. Debido a que las impurezas pueden reducir en gran medida la conductividad de los cables de cobre, es necesario limpiar el cobre contaminado. Uno de los métodos de limpieza es la electrólisis.
2. Cuando se utiliza una tira de metal de cobre impuro como ánodo en la electrólisis de una preparación acuosa de sulfato de cobre, el cobre se oxida. Su oxidación procede más fácilmente que la oxidación del agua. Por lo tanto, el cobre metálico se disuelve en solución en forma de iones de cobre, dejando atrás muchas impurezas (metales menos activos).
3. Los iones de cobre formados en el ánodo migran al cátodo donde se reducen más fácilmente que el agua y las "placas" de metal en el cátodo.

Es necesario que pase suficiente corriente entre los electrodos, de lo contrario se producirá una reacción no espontánea. Al ajustar cuidadosamente el potencial eléctrico, las impurezas metálicas que son lo suficientemente activas para oxidar el cobre en el ánodo, las sustancias no se reducen en el cátodo y el metal se deposita selectivamente.

¡Importante! No todos los metales se reducen u oxidan más fácilmente que el agua. Si es así, la reacción electroquímica que requiera el potencial más bajo ocurrirá primero. Por ejemplo, si usáramos electrodos, tanto anódicos como catódicos, el potencial del metal se oxidaría en el ánodo, pero luego el agua disminuiría en el cátodo y los iones de aluminio quedarían en solución.

Para crear electrólisis, necesitas usarel siguiente método de refinación de cobre:

1. Vierta la solución de sulfato de cobre en un vaso.
2. Coloque dos varillas de grafito en la solución de sulfato de cobre.
3. Conecte un electrodo al terminal negativo de alimentación de CC y el otro al terminal positivo.
4. Llene completamente dos tubos pequeños con solución de sulfato de cobre y coloque un tapón en cada electrodo.
5. Encienda la fuente de alimentación y verifique lo que sucede en cada electrodo.
6. Pruebe cualquier gas producido con un neumático en llamas.
7. Registra tus observaciones y los resultados de tus pruebas.

Los resultados deberían verse así:

• Aparecen sólidos marrones o rosados en la solución.
• Hay burbujas.
• Las burbujas deben ser incoloras.
• Una sustancia en forma gaseosa.

Se registran todos los resultados, después de lo cual el neumático extingue el gas. También hay otra forma de limpiar el metal de las impurezas y la suciedad de terceros: esta es la refinación del cobre al fuego. Cómo sucede esto, lo diremos más adelante, pero ahora presentaremos otras opciones para refinar el metal.

Métodos para refinar el cobre: ¿de qué otra forma puede llevarse a cabo la extracción química de los metales deseados?

Dado que la electrólisis es la acción de los sulfatos y la corriente, ¿cuál es el método electrolítico para la obtención de productos puros? Cosas completamente diferentes, aunque similares en nombres que suenan. Sin embargo, la refinación eléctrica del cobre se basa en el uso de ácidos. Podemos decir que esta es la oxidación del metal, pero no del todo.

La producción limpia es importante para fabricar cables eléctricos, ya que las impurezas reducen la conductividad eléctrica del cobre. Estas impurezas incluyen metales preciosos como:

• plata,
• oro;
• platino.

Cuando se eliminan por electrólisis y se restauran de la misma manera, la electricidad se gasta tanto como sería suficiente para suministrar electricidad a decenas de hogares. El componente purificado ahorra energía, alimentando aún más hogares en menos tiempo.

En la refinación electrolítica, se hace una composición impura a partir de un ánodo en un baño electrolítico de sulfato de cobre - CuSO₄ y ácido sulfúrico H_{2 SO 4}. El cátodo es una lámina de cobre muy puro. A medida que la corriente pasa a través de la solución, los iones de cobre positivos, Cu₂₊ son atraídos por el cátodo, donde adquieren electrones y se depositan como átomos neutros, creando así más y más metal puro en el cátodo. Mientras tanto, los átomos en el ánodo donan electrones y se disuelven en la solución electrolítica como iones. Pero las impurezas en el ánodo no se disuelven porque los átomos de plata, oro y platino no se oxidan (se convierten en iones positivos) tan fácilmente como lo hace el cobre. Por lo tanto, la plata, el oro y el platino simplemente caen del ánodo al fondo del tanque, donde se pueden limpiar.

Pero también existe la refinación electrolítica del cobre cuando se utilizan tanques:

1. Los tanques de tratamiento electrolítico sontaller separado en la producción industrial. Las placas de ánodo están suspendidas por "asas" en el tanque para limpiar el cobre electrolítico. Las láminas catódicas de cobre puro suspendidas sobre varillas sólidas se insertan en el mismo tanque, una lámina entre cada ánodo. Cuando una corriente eléctrica pasa de los ánodos a través del electrolito a los cátodos, el cobre de los ánodos se disuelve y se deposita en la lámina inicial. Las impurezas de los ánodos se depositan en el fondo del tanque.
2. Máquina de moldeo por inyección con ánodos de cobre (placas). Se convertirá suavemente en placas de ánodo en moldes. Después del pretratamiento, se eliminan el estaño, el plomo, el hierro y el aluminio. A continuación, el material de cobre comienza a cargarse en el horno, seguido del proceso de fundición.
3. Una vez eliminadas las impurezas, sigue la fase de eliminación de escorias y reducción con gas natural. La reducción tiene como objetivo eliminar el oxígeno libre. Después de la recuperación, el proceso termina con la fundición, donde el producto final se convierte en ánodos de cobre. Se puede usar la misma máquina para moldear estos ánodos durante el reciclaje de componentes o para reciclar ánodos para chatarra en una fundición de cobre por electrólisis.
4. Láminas de cátodo limpias. Los ánodos modificadores extraídos del horno de refinación se convierten en cobre electrolítico con una pureza del 99,99% mediante el proceso de electrólisis. Durante la electrólisis, los iones de cobre dejan un ánodo de cobre impuro y, como son positivos, migran al cátodo.

De vez en cuando se raspa metal puro del cátodo. impurezas del ánodo de cobre como el oro,la plata, el platino y el estaño se acumulan en el fondo de la solución electrolítica y precipitan como limo anódico. Este proceso se llama producción electrolítica y refinación de cobre.

Obtención de un fósil: ¿qué tipos existen y son todos necesarios en la práctica?

Una forma ligeramente diferente de limpiar metal. También está el fuego y la refinación electrolítica del cobre, cuando un proceso sigue inmediatamente a otro. Una importante etapa de "separación" se convierte en concentración o concentración. Una vez que se completa la concentración, el siguiente paso para crear el producto terminado es el refinado de cobre al fuego.

Por lo general, esto sucede cerca de una mina, en una planta de procesamiento o en una fundición. Con el refinado de cobre, el material no deseado se elimina gradualmente y el cobre se concentra hasta una pureza de hasta el 99,99 % de grado A. Los detalles del proceso de refinado dependen del tipo de minerales con los que se asocia el metal. El mineral de cobre rico en sulfuro se procesa pirometalúrgicamente.

Refinación y pirometalurgia:

1. En pirometalurgia, el concentrado de cobre se seca antes de calentarse en un horno. Las reacciones químicas que ocurren durante el proceso de calentamiento hacen que el concentrado se separe en dos capas de material: una capa mate y una capa de escoria. La capa mate en la parte inferior contiene cobre, mientras que la capa de escoria en la parte superior contiene impurezas.
2. La escoria se descarta y la capa mate se restaura y se traslada a un recipiente cilíndrico llamado transductor. Se agregan varios productos químicos al convertidor que reaccionan con el cobre. Esto conduce a la formación de cobre convertido, llamado"ampolla". Una vez precipitado, se extrae y luego se somete a otro proceso llamado limpieza al fuego.
3. En un depurador de incendios, se sopla aire y gas natural para eliminar el azufre y el oxígeno restantes, lo que hace que la composición refinada se procese en el cátodo. El metal se funde en ánodos y se coloca en un electrolizador. Después de la carga, el cobre puro se recolecta en el cátodo y se elimina como un producto con una pureza del 99 %.

Refinación e hidrometalurgia:

1. En hidrometalurgia, el concentrado de cobre se procesa a través de uno de varios procesos. El método menos común es la cementación, donde el metal se deposita sobre chatarra en una reacción redox.
2. El método de purificación más utilizado es la extracción por solventes y la electrólisis. Esta nueva tecnología se generalizó en la década de 1980 y aproximadamente el 20 % del cobre del mundo ahora se produce de esta manera.
3. La extracción con solvente comienza con un solvente orgánico que separa el metal de las impurezas y los materiales no deseados. Luego se agrega ácido sulfúrico para separar el cobre del solvente orgánico y formar una solución electrolítica.
4. Esta solución luego se somete a un proceso de electrólisis que simplemente pone el cobre en solución en el cátodo. Este cátodo se puede vender tal cual, pero también se puede convertir en barras o láminas fuente para otros electrolizadores.

Las empresas mineras pueden vender cobre en forma de concentrado o cátodo. CómoComo se mencionó anteriormente, el concentrado generalmente se refina en otro lugar que no sea el sitio de la mina. Los fabricantes de concentrados venden concentrados en polvo que contienen de 24 a 40 % de cobre a fundiciones y refinerías de cobre. Los términos de venta son únicos para cada fundición, pero en general, la fundición paga al minero aproximadamente el 96 % del costo del contenido de cobre en el concentrado, menos las tarifas de procesamiento y los costos de refinación.

Las fundiciones generalmente cobran peajes, pero también pueden vender metal refinado en nombre de los mineros. Por lo tanto, todo el riesgo (y la recompensa) de las fluctuaciones en los precios del cobre recae sobre los hombros de los revendedores.

Refinación de fuego: ¿qué tan peligroso es?

El refinado al fuego más caliente puede ser peligroso, pero la mayoría de las plantas industriales utilizan actualmente el método de procesamiento. Por separado, vale la pena describir la tecnología de refinación de cobre ampolloso.

El cobre blíster ya es casi puro (más del 99 % de cobre). Pero para el mercado actual, esto no es muy "limpio". El metal se purifica aún más mediante electrólisis. En la producción industrial, se utiliza un método llamado refinación al fuego de cobre blister. La tinta de cobre se moldea en grandes losas para ser utilizadas como ánodos en el electrolizador. El post-refinado electrolítico produce el metal de alta calidad y pureza requerido por la industria.

En la industria, esto se hace a gran escala. Incluso el mejor método químico no puede eliminar todas las impurezas del cobre, pero el refinado electrolítico puede producir un 99,99 % de cobre puro.

1. Las ampollas de ánodo se sumergen en un electrolito que contiene sulfato de cobre y ácido sulfúrico.
2. Hay cátodos limpios entre ellos y una corriente de más de 200 A pasa a través de la solución.

Bajo estas condiciones, los átomos de cobre se disuelven del ánodo impuro para formar iones de cobre. Migran a los cátodos, donde se vuelven a depositar como átomos de cobre puro.

• En el ánodo: Cu(s) → Cu₂ + (aq) + 2e^-.
• En el cátodo: Cu₂ + (aq) + 2e^{- → Cu(s).}

Cuando el interruptor se cierra, los iones de cobre en el ánodo comenzarán a moverse a través de la solución hacia el cátodo. Los átomos de cobre ya han cedido dos electrones para convertirse en iones, y sus electrones pueden moverse libremente en los cables. Cerrar el interruptor empuja los electrones en el sentido de las agujas del reloj y hace que algunos iones de cobre se asienten en la solución.

La placa repele los iones del ánodo al cátodo. Al mismo tiempo, empuja electrones libres alrededor de los cables (estos electrones ya están distribuidos por los cables). Los electrones en el cátodo se recombinan con los iones de cobre de la solución, formando una nueva capa de átomos de cobre. Gradualmente, el ánodo se destruye y el cátodo crece. Las impurezas insolubles en el ánodo caen al fondo para precipitarse. Este valioso bioproducto está siendo eliminado.

El oro, la plata, el platino y el estaño son insolubles en este electrolito y, por lo tanto, no se depositan en el cátodo. Forman un valioso "limo" que se acumula debajo de los ánodos.

Las impurezas solubles de hierro y níquel se disuelven en el electrolito, que debe limpiarse constantemente para evitar una deposición excesiva en los cátodos, lo que reducirá la pureza del cobre. Recientemente, los cátodos de acero inoxidable han sido reemplazados por cátodos de cobre. Se producen las mismas reacciones químicas. Periódicamente, se eliminan los cátodos y se purifica el cobre puro. La producción electrolítica y el refinado de cobre en estas condiciones es bastante común en las plantas de procesamiento de metales no ferrosos.

Versión electroquímica de purificación de metales

La limpieza al fuego se puede llamar química, porque en este proceso se produce una reacción química con otras sustancias e impurezas. Lo anterior fue un ejemplo de una reacción oxidativa. Todos los tipos y métodos de extracción de cobre puro son similares, al igual que la refinación electroquímica del cobre, donde se utilizan tácticas idénticas, pero en una secuencia diferente.

El elemento auxiliar químico se convierte en el propio subproducto:

• Soda cáustica
• Cloro.
• Hidrógeno.

Esta es la forma más barata de obtener materias primas costosas sin gastar dinero en un sistema de extracción de componentes alternativo. Además, se extraen metales valiosos, que son de composición noble y valiosos en la invención industrial de los aparatos eléctricos.

Horno de cobre – Industria de cocción de metales

El horno de refinación de cobre encendido está especialmente diseñado y es capaz de procesar chatarra de cobre en metal líquido con impurezas controladas. Está diseñado para el procesamiento pirometalúrgico de chatarraTecnología económica y respetuosa con el medio ambiente. La principal tecnología propuesta para la producción de cobre fundido es adecuada para la producción de barras, tiras, palanquillas u otros productos de cobre utilizando chatarra como materia prima (Cu> 92%).

La capacidad de los sistemas de incineración y limpieza se calculó para un ciclo de limpieza (desde la carga hasta la recuperación) de 16-24 horas, dependiendo del tipo de chatarra. Los hornos de refinación de cobre tienen un diseño y funciones especiales:

1. El cuerpo del horno está hecho de segmentos de acero y estructuras rígidas tipo sección.
2. El horno está revestido con material refractario desde el interior.
3. Está equipado con una estación hidráulica que funciona en el modo de horno basculante con dos velocidades: velocidad lenta cuando se inclina para la colada y alta velocidad durante el movimiento, que no requiere mucha precisión.
4. Las operaciones se realizan mediante dos cilindros hidráulicos instalados en la parte inferior del horno. Un dispositivo especial devuelve el horno a una posición horizontal durante los cortes de energía.
5. La trampilla de carga de material se encuentra en el lateral del horno. Se cierra mediante una puerta accionada por un cilindro hidráulico.
6. El horno está equipado con lanzas refrigeradas para operaciones de oxidación y reducción de cobre.

También hay un quemador universal que consume combustibles líquidos y gaseosos.

Refinado oxidativo en la industria

La operación de oxidación del cobre se lleva a cabo después de completar la fundición de la materia prima. El proceso se lleva a cabo inyectando aire comprimido en la masa fundida a través de toberas. La escoria resultante se retira manualmente de la superficie de la masa fundida con un rastrillo especial y se vierte en un contenedor. La escoria contiene cobre, impurezas, plomo, estaño, etc. El proceso de reducción debe realizarse para eliminar el oxígeno de la masa fundida y reducir los óxidos de cobre. La operación se realiza inyectando gas natural en la masa fundida.

Desde el horno, los gases de escape se alimentan al sistema de limpieza de gas, pasan por el colector de polvo, que captura el polvo grueso. El colector está equipado con un tubo de ventilación en caso de liberación de gas de emergencia a la atmósfera. El horno de limpieza contra incendios funciona continuamente. El ciclo de trabajo del proceso tecnológico incluye:

• cargando materias primas;
• oxidación, escoria, reducción;
• cargando metal refinado.

Todo el proceso posterior se denomina refinado oxidativo del cobre. No se puede separar del proceso de refinación general, ya que es parte de todo el método para producir metal puro. Una vez que se eliminan los parámetros requeridos, el cobre fundido se utiliza para el siguiente proceso tecnológico.

Refinación con yoduro de metales no ferrosos

Los iones de cobre(II) oxidan los iones de yoduro a yodo molecular, y en este proceso ellos mismos se reducen a yoduro de cobre(I). La mezcla original de color marrón se separó en un precipitado blanquecino de yoduro de cobre (I) en la solución de yodo. Use esta reacción para determinar la concentración de iones de cobre (II) en solución. Si agrega el volumen prescrito de solución al matraz,que contiene iones de cobre (II), y luego agrega un exceso de solución de yoduro de potasio, obtendrá la reacción descrita anteriormente.

2Cu₂⁺ + 4I^- → 2CuI(s) + I 2 _{(solución de agua)}

Puede encontrar la cantidad de yodo liberada por titulación con solución de tiosulfato de sodio.

2S₂O₂^-3 (solución) + I ₂ (solución) → S₄O₂^-6 (solución de agua) + 2I^{- (solución acuosa)}

Cuando la solución de tiosulfato de sodio sale de la bureta, el color del yodo desaparece. Cuando se haya ido casi todo, agregue el almidón. Toda la reacción de refinación del yoduro de cobre será reversible con yodo para producir un complejo de almidón-yodo de color azul intenso que es mucho más fácil de ver.

Agregue las últimas gotas de solución de tiosulfato de sodio hasta que desaparezca el color azul. Si rastrea las proporciones a través de las dos ecuaciones, encontrará que por cada 2 moles de iones de cobre (II) con los que debería haber comenzado, necesita 2 moles de solución de tiosulfato de sodio. Si conoce la concentración de la solución de tiosulfato de sodio, es fácil calcular la concentración de iones de cobre (II). El resultado de este intento es obtener un compuesto simple de cobre (I) en solución.

Tratamiento con fósforo

El refinado de cobre con fósforo es un cobre duro desoxidado con fósforo, que es una resina duradera de uso general. Es desoxidado por fósforo de cobre, en el que el fósforo residual se mantiene en un nivel bajo (0,005-0.013%) para lograr una buena conductividad eléctrica. Tiene buena conductividad térmica y excelentes propiedades de soldadura y soldadura blanda. Después de refinar el cobre de esta manera, el óxido que queda en la resina de cobre sólida se elimina con fósforo, que es el desoxidante más utilizado.

La tabla muestra diferentes rendimientos del cobre recocido (blando) al duro.

Resistencia a la tracción	220-385 N/mm2
Resistencia al desgarro	60-325 N/mm2
Longitud	55-4 %
Dureza (HV)	45-155
Conductividad eléctrica	90-98 %
Conductividad térmica	350-365 W/cm

Los marcos de transmisión conectan el cableado a los terminales eléctricos en la superficie del semiconductor y circuitos a gran escala en dispositivos eléctricos y placas de circuito impreso. El material se selecciona para cumplir con los requisitos del proceso y ser confiable en la instalación y operación.

Composición del cobre después de la electrólisis

La composición del cobre después del refinado al fuego incluye el 99,2% del metal. Mucho menos permanece en los ánodos. Cuando se eliminan completamente las impurezas, quedan en la composición 130 g/l de bases catódicas. La solución acuosa de vitriolo se debilita y el componente ácido de los cátodos de cobre alcanza 140-180 g/l. El cobre blíster contiene el 99,5 % del metal, el hierro tiene el 0,10 %, el zinc hasta el 0,05 % y el oro y la plata solo tienen entre 1 y 200 g/t.