AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA Im. Stanisława Staszica w Krakowie	Procesy metalurgii ekstrakcyjnej II
Imię nazwisko Justyna Juszkiewicz Bartosz Jakimko Damian Krupiński Karol Krukowski	Rok akademicki 2015/2016 Data wykonania 18-11-2015r
Temat ćwiczenia: Elektrorafinacja miedzi	Data oddania 01-12-2015r

1. Wprowadzenie:

Praktycznie cała miedź otrzymana ze źródeł pierwotnych za pomocą procesów pirometalurgicznych jest rafinowana elektrolitycznie. Dotyczy to także znacznej ilości mie­dzi uzyskiwanej ze złomów miedzionośnych. Elektrorafinacja polega na przejściu mie­dzi z anody do elektrolitu, którym jest roztwór CuSO₄-H₂SO₄-H₂O, a następnie selek­tywnym osadzeniu czystej miedzi na katodzie bez zanieczyszczeń anody. Proces ten zapewnia otrzymanie miedzi wolnej od zanieczyszczeń i izolację cennych zanieczysz­czeń, takich jak: Au, Ag i platynowce w postaci szlamów. Pozostałe domieszki miedzi mogą również przechodzić do szlamów lub do elektrolitu.

Rysunek 1. Schemat procesu elektrorafinacji miedzi

Proces rafinacji polega na przenoszeniu jonów miedzi od anody do katody pod wpływem niewielkiej siły elektromotorycznej. Siarczan miedziowy dysocjuje w roztworze na dodatnie jony Cu i ujemne jony SO_4:

CuSO₄ = Cu²⁺ + SO₄^2-

Pod wpływem prądu jony miedzi dążą do katody, gdzie rozładowują się i jako obojętne atomy osadzają się na katodzie:

Cu²⁺ + 2e = Cu⁰

Jednocześnie równoważna ilość miedzi prze­chodzi z anody do roztworu, rozpuszczając się w H₂SO₄. Można to przed­stawić w ten sposób, że atom miedzi oddaje 2 elektrony i staje się jonem dodatnim:

Cu⁰ - 2e = Cu²⁺

Do rozpuszczania anody w elektrolicie przyczynia się w pewnym, nie­wielkim stopniu tlen z powietrza, umożliwiając reakcję:

2Cu + 2H₂SO₄ + O₂ = 2CuSO₄ + 2H₂O

I prawo Faradaya - masa substancji wydzielonej na elektrodzie w czasie elektrolizy jest proporcjonalna do wielkości ładunku elektrycznego, który przepłynął przez elektrolit.

m = k * Q ,

gdzie Q = I * t

m = k * I * t,

gdzie:

m – masa wydzielonej substancji, [mg]

I – natężenie prądu, [A]

t – czas elektrolizy, [s]

Q – ładunek elektryczny, [C]

k – równoważnik elektrochemiczny

II prawo Faradaya – masy różnych pierwiastków wydzielanych na elektrodzie wskutek przepływu tej samej ilości elektryczności są proporcjonalne do równoważników chemicznych tych pierwiastków.

$$\frac{m_{1}}{m_{2}} = \frac{R_{1}}{R_{2}} = \frac{k_{1}}{k_{2}}$$

Z II Prawa Faradaya wynika, że do wydzielenia na elektrodzie jednego gramorównoważnika jakiejkolwiek substancji(pierwiastka) przepływa przez roztwór jedna i ta sama ilość elektryczności, a mianowicie 96520 C (26,8 amperogodzin). Liczbę tę zwie się Faradayem i oznacza literą F. Wstawiając tę wartość do równania m = k * Q w miejsce ładunku Q, a w miejsce masy m- masę jednego gramorównoważnika m= M/z, otrzymuje się:

$$k = \frac{M}{\text{zF}}$$

a stąd

$$m = \frac{\text{MIt}}{\text{zF}}$$

Ładunek Q potrzebny do wydzielenia lub wchłonięcia masy m jest dany zależnością:

$$Q = \frac{F \bullet z \bullet m}{M}\backslash n$$

gdzie:

M – masa molowa

z – ilość elektronów uczestniczących w redukcji metalu

F – stała Faradaya (równa 96500 C/mol)

Podczas przepływu prądu na katodzie będzie się wydzielać metaliczna miedź według reakcji

Cu²⁺ + 2e = Cu i Cu⁺ + e = Cu zgodnie z prawem Faradaya.

Wydajność prądowa

Wydajnością prądową ­η_i nazywamy wyrażony w procentach stosunek masy substancji wydzielonej na elektrodzie (m_p) do masy teoretycznej (m_t), która powinna się wydzielić zgodnie z prawem Faradaya

$$\eta_{i} = \ \frac{m_{p}}{m_{t}}*100\%$$

1. Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się z procesem elektrorafinacji miedzi.

1. Część eksperymentalna:

Schemat aparatury pomiarowej:

Schemat 1. Aparatura pomiarowa

• Metodyka pomiaru:

a)Zważono katody, ich masy zapisano w karcie wynikowej

b) do trzech naczyń zawierających odpowiednio :

• 40 g/dm³ Cu; 100 g/ dm³ H₂SO₄

• 40 g/dm³ Cu; 150 g/ dm³ H₂SO₄

• 40 g/dm³ Cu; 200 g/ dm³ H₂SO₄

włożono katody i podłączono układ do źródła prądu

c) pomiar czasu rozpoczęto w momencie włączenia zasilacza

d) w trakcie procesu mierzono napięcie na poszczególnych elektrolizerach co 5min

e) po 20 min wyłączono źródło prądu, ostrożnie wyjęto katody do przygotowanej wcześniej zlewki wypełnionej wodą destylowaną

f) katody przepłukano alkoholem (pod dygestorium) i suszono aż do uzyskania stałej masy

g) elektrolizę prowadzono przy gęstościach prądu 120; 160 i 200 A/m²

1. Obliczenia

1. Wyliczenie potrzebnego natężenia:

Wymiary płytki:

1 elektrolizer 5,3 X 5

2 elektrolizer 5,4 X 4,9

3 elektrolizer 5,8 X 5

Kolejno obliczamy powierzchnię katod i mnożymy ją razy 2, ponieważ do obliczeń musimy uwzględnić powierzchnie z obu stron płytki.

Obliczenie natężenia prądu jeżeli gęstość ma być równa $120\ \left\lbrack \frac{A}{m^{2}} \right\rbrack$

$$i = \frac{J}{S} \rightarrow J = i \bullet S$$

1. Wydajność procesu elektrorafinacji przy gęstości prądowej 120 A/m²:

Elektrolizer I

$$= \frac{m_{w}}{m}*100\%$$

m_w−masa wydzielona w reakcji elektrodowej

m- masa wynikająca z prawa Faradaya

m = k * I * t

k= $\frac{M}{z*F}$

k- równoważnik elektrochemiczny $\left\lbrack \frac{g}{C} \right\rbrack$

I – natężenie prądu [A]

t- czas [s]

M- masa molowa substancji

Z – elektronowość

F- stała Faradaya

1. Zużycie energii na uzyskanie 1 tony miedzi przy gęstości prądowej 120A/m²:

$$Z = \frac{Usr}{k*\eta}\text{\ \ }\left\lbrack \frac{W*s}{g} \right\rbrack$$

U_sr − usrednione napiecie pradu [V]

$$k - rownowaznik\ elektrochemiczny\ \left\lbrack \frac{g}{C} \right\rbrack$$

η − wydajnosc procesu

4. Tabele z zestawieniem wyników:

Tabela 1. Gęstość prądowa i = 120 A/m²

Gęstość prądowa i = 120 A/m^2	Napięcie na elektrolizerze [V] po czasie:	Masa katody przed procesem, g	Masa katody po procesie, g	Masa wydzielonej miedzi, g	Wydajność procesu , %
	0 min	5 min	10 min	15 min	20 min
Elektrolizer I (100 g/dm^3 H2SO4)	0,219	0,214	0,213	0,209	0,210
Elektrolizer II (150 g/dm^3 H2SO4)	0,183	0,198	0,198	0,197	0,194
Elektrolizer III (200 g/dm^3 H2SO4)	0,162	0,178	0,180	0,180	0,179

Tabela 2. Gęstość prądowa i = 160 A/m²

Gęstość prądowa i = 160 A/m^2	Napięcie na elektrolizerze [V] po czasie:	Masa katody przed procesem, g	Masa katody po procesie, g	Masa wydzielonej miedzi, g	Wydajność procesu , %
	0 min	5 min	10 min	15 min	20 min
Elektrolizer I (100 g/dm^3 H2SO4)	0,248	0,251	0,257	0,264	0,254
Elektrolizer II (150 g/dm^3 H2SO4)	0,219	0,229	0,234	0,233	0,230
Elektrolizer III (200 g/dm^3 H2SO4)	0,198	0,209	0,221	0,212	0,219

Tabela 3. Gęstość prądowa i = 200A/m²

Gęstość prądowa i = 200 A/m^2	Napięcie na elektrolizerze [V] po czasie:	Masa katody przed procesem, g	Masa katody po procesie, g	Masa wydzielonej miedzi, g	Wydajność procesu , %
	0 min	5 min	10 min	15 min	20 min
Elektrolizer I (100 g/dm^3 H2SO4)	0,275	0,256	0,291	0,295	0,294
Elektrolizer II (150 g/dm^3 H2SO4)	0,257	0,231	0,267	0,268	0,268
Elektrolizer III (200 g/dm^3 H2SO4)	0,217	0,225	0,240	0,240	0,240

Tabela 4. Zużycie energii dla gęstość prądowa i = 160 A/m²

	Natężenie prądu [A]	Uśrednione napięcie [V]	Czas procesu [h]	Masa wydzielonej miedzi [t]	Zużycie energii [kWh/t]
Elektrolizer I (100 g/dm^3 H2SO4)	0,66	0,213	0,33	0,000000258	23,51
Elektrolizer II (150 g/dm^3 H2SO4	0,66	0,194	0,33	0,000000258	21,41
Elektrolizer III (200 g/dm^3 H2SO4)	0,66	0,1758	0,33	0,000000254	19,71

Tabela 5. Zużycie energii dla gęstość prądowa i = 160 A/m²

	Natężenie prądu [A]	Uśrednione napięcie [V]	Czas procesu [h]	Masa wydzielonej miedzi [t]	Zużycie energii [kWh/t]
Elektrolizer I (100 g/dm^3 H2SO4)	0,88	0,2548	0,33	0,000000341	28,37
Elektrolizer II (150 g/dm^3 H2SO4	0,88	0,229	0,33	0,00000034	25,57
Elektrolizer III (200 g/dm^3 H2SO4)	0,88	0,2118	0,33	0,000000331	24,29

Tabela 6. Zużycie energii dla gęstość prądowa i = 200 A/m²

	Natężenie prądu [A]	Uśrednione napięcie [V]	Czas procesu [h]	Masa wydzielonej miedzi [t]	Zużycie energii [kWh/t]
Elektrolizer I (100 g/dm^3 H2SO4)	1,1	0,2822	0,33	0,000000407	32,95
Elektrolizer II (150 g/dm^3 H2SO4	1,1	0,2582	0,33	0,0000004356	29,28
Elektrolizer III (200 g/dm^3 H2SO4)	1,1	0,2324	0,33	0,0000004356	26,11

4. Wykresy:

Wykres 1. Wydajność procesu w funkcji stężenia H₂SO₄ przy różnych gęstościach prądowych

Wykres 2. Zużycie energii od stężenia kwasu siarkowego przy różnych natężeniach prądu

4. Wnioski

Na podstawie wyników przeprowadzonego doświadczenia i sporządzonych w można wywnioskować, że:

• stężenie kwasu siarkowego (VI) w elektrolicie i gęstość prądowa mają wpływ na wydajność elektrorafinacji miedzi;

• wraz ze wzrostem stężenia H₂SO₄ wydajność procesu spada, z wyjątkiem wartości dla gęstości prądowej 200A/m² , gdzie obserwujemy odwrotną sytuacje ;

• wzrost gęstości prądowej powoduje wzrost zużycia energii podczas prowadzonego procesu;

Dobranie odpowiednich parametrów elektrorafinacji, takich jak stężenie kwasu siarkowego czy gęstość prądowa decyduje o opłacalności procesu. Optymalnych dopasowanie warunków prowadzenia procesu sprawia, że koszty znacząco spadną.

Niewielkie błędy mogą wynikać z błędów pomiarowych, niedokładnego wysuszenia próbek, lub świadczyć o niedokładnym wykonaniu elektrolitu.

4. Bibliografia

1.Wykład Prof. M. Kucharski „ Procesy Metalurgii ekstrakcyjnej ”

2. A. Staronka, Chemia fizyczna.

3. S.Chodkowski: Metalurgia metali nieżelaznych

4. Z. Szczygieł: Metalurgia ogólna metali nieżelaznych