Электрохимическое выделение меди – это электролитический процесс, в котором электрическая энергия используется для восстановления растворенной меди в виде медной пластины, называемой “катодом”.
Cu2+(раствор) + 2e– –>Cu(твердый) (E0 = +0.34В)
Медь легко растворяется в кислотах, включая серную, азотную и соляную. Электрохимическое восстановление медного катода из раствора серной кислоты широко известно и является достаточно простым процессом, коммерчески применяемым с конца 19го века.
Появление технологии вихревого электролиза emew расширило границы возможностей электрохимического восстановления меди. Благодаря своему положительному восстановительному потенциалу (E0 = +0.34В) ионы меди достаточно легко присоединяют электроны при пропускании через раствор электрического тока. Благодаря значительному массопереносу электрохимическое восстановление по технологии emew позволяет получить медь высокой чистоты из сырья с низкой концентрацией, со смешанным составом металлов и содержащего примеси.
Остановимся подробнее на некоторых широко распространенных применениях электрохимического восстановления меди.
Электрохимическое восстановление меди на медеочистительных заводах
Заводы, занимающиеся электролитической очисткой меди, должны постоянно контролировать концентрацию меди в ванной с электролитом. В технологии электрохимической очистки меди используются анод из меди с примесями и инертный катод. При пропускании электрического тока с анода на катод медь анода растворяется и оседает на катоде в виде чистого металла. Растворение меди анода происходит быстрее, чем осаждение на катоде, поэтому концентрация растворенной меди растет. Для поддержания концентрации меди в электролите в заданном диапазоне используется электрохимическое извлечение. Кроме того, содержащиеся в медном аноде примеси также растворяются в электролите и без очистки электролита их концентрация также растет со временем. Эта очистка, “слив” примесей, происходит в специальных ваннах для удаления металла (“liberator” cells, ячейках освобождения). Они представляют собой обычные электролитические ячейки, которые оптимизированы для поэтапного контроля концентрации меди и удаления примесей из рабочего электролита для обеспечения получения высокочистой катодной меди (LME Grade A).
Традиционные методы электрохимического извлечения, несмотря на широкое применение, неэффективны для процесса очистки, так как приводят к следующим негативным факторам:
- Получению некондиционной меди, стоимость переработки которой достаточно велика или трудозатратна
- Выделению канцерогенного кислотного тумана и смертельно ядовитого газообразного мышьяка
- Образованию третичного шлама
Использование передовых технологий электролиза меди emew, имеет следующие преимущества:
- Производство товарной катодной меди высокой степени чистоты при снижении концентрации меди в растворе до 1 г/л
- Значительное снижение стоимости переработки и трудозатрат
- Отсутствие выделения кислотного тумана или летучих газов вроде мышьяка, так как ячейки emew полностью закрыты
- Лучший контроль за содержанием примесей
- Использование субпродуктов от восстановления никелевого катода
Медеперерабатывающие предприятия пользуются этими преимуществами и заменяют типовую технологию более совершенными ячейками emew. В качестве свежего примера можно привести Hindustan Copper Limited, правительственное предприятие в Индии, которое установило ячейки emew для восстановления меди и никеля из стоков медеочистительных цехов.
Электрохимическое извлечение меди при переработке цветных металлов
Важность вторичной переработки металлов постоянно возрастает по соображениям как разумного использования ресурсов, так и экономическим. При переработке потребляется на 85% меньше энергии на выход 1 кг меди по сравнению с первичным производством (добычей), и она оказывает меньшее воздействие на окружающую среду1. Общемировая переработка меди ежегодно экономит потребление 100 млн МВт·ч электрической энергии и сокращает выброс CO2 в атмосферу на 40 млн тонн. Предприятия по вторичной переработке металлов и переработчики играют основную роль в превращении лома и изделий с истекшим сроком службы в пригодный для использования металл, который может быть возвращен в цепочку поставок.
Обычно переработка цветных металлов состоит из следующих 5 этапов:
- Сбор
- Предварительная обработка и сортировка
- Дробление и измельчение
- Физическое разделение
- Пиро- или гидро-металлургическая переработка
В зависимости от оснащенности предприятия по переработке все эти этапы могут либо проводиться в одном месте, либо быть разнесены. После сборки, сортировки, дробления и измельчения изделий с истекшим сроком годности различные компоненты (стекло, пластик, черные и цветные металлы) могут быть разделены исходя из их физических свойств, таких как плотность и магнитные свойства. Медь и ее сплавы вместе с другими цветными металлами поступают в переработку и могут быть извлечены в печи (пирометаллургия) или растворены в проводящем электролите вроде серной кислоты и извлечены электрохимически (гидрометаллургия).
Для отделения благородных металлов (золото, серебро, платина, палладий и другие) от так называемых основных металлов (медь, никель, олово и другие) могут быть использованы методы селективного выщелачивания. Затем для разделения и очистки отдельных металлов может использоваться комбинация прямого электрохимического извлечения и других методов гидрометаллургии, таких как ионный обмен (ion exchange, IX) и селективное осаждение. Медь может быть напрямую выделена из электролита серной кислоты и цветных металлов электрохимически с использованием технологии emew с получением чистой катодной меди.
Электрохимическое извлечение меди для утилизации отходов и очистки сточных вод
Большинство правительств и регулирующих органов при них ограничивают сброс отходов. Для соответствия этим все более строгим ограничениям, а также добровольным целям вроде разумного использования ресурсов, многие компании внедряют политику “нулевого сброса”. Это означает, что все образующиеся твердые отходы и сточные воды либо перерабатываются сразу же, в той же технологической операции, где они получены, либо подвергаются дальнейшей переработке до тех пор, пока они не станут безвредными. К сожалению, это может привести к образованию сложных низкокачественных субпродуктов, которые либо имеют низкую ценность, либо должны быть утилизированы на специализированных предприятиях. Как правило, субпродукты низкой ценности сложно переработать традиционными способами, следовательно, варианты их утилизации ограничены.
И именно здесь такая передовая технология как электрохимическое извлечение по методу emew может быть использована для извлечения меди и других металлов из сточных вод и твердых отходов. Медь может быть напрямую извлечена из сточных вод гальванических установок, производства полупроводников, аффинажных заводов, перерабатывающих предприятий и других. В результате получается катодная медь высокой степени чистоты, стоимость которой превышает затраты на ее получение и раствор с крайне низкой (<50 частей на миллион) концентрацией меди, который можно утилизировать в существующих установках очистки сточных вод. В некоторых случаях система электрохимического выделения меди из отходов, установленная на предприятии, может окупиться за несколько месяцев за счет экономии на утилизации опасных отходов.
Твердые отходы, летучая зола, шлаки и т.д. часто представляют собой сложную, низкокачественную смесь металлов, которые могут быть растворены в проводящем электролите (таком как серная кислота) с целью извлечения ценных металлов. Например, низкокачественные отходы, содержащие только несколько процентов меди, могут быть переработаны для электрохимического извлечения катодной меди высокой степени чистоты. Другие металлы, такие как золото, серебро, свинец, олово, кадмий и никель также могут быть извлечены вместе с медью при помощи электрохимического извлечения или комбинации гидрометаллургических методов.
Заключение
Электролиз меди значительно развился с тех пор, как был открыт в 1807. Сегодня электрохимическое извлечение меди применяется во множестве областей – от контроля концентрации меди и примесей на медеочистительных заводах до извлечения меди из сточных вод производства полупроводников со снижением концентрации целевого металла в растворе до нескольких части на миллион. Хотя цели использования и могут значительно различаться, основы электрохимического извлечения меди остаются теми же и передовые электролизные технологии, таки как emew, продолжают расширять границы применимости этой надежной технологии.
Источники:
1. European Copper Institute. (n.d.). Recycling Saves Energy and CO2. http://copperalliance.eu/about-copper/recycling