Производство медного купороса из медного лома

1.1 Производство медного купороса из медного лома

В отсутствие окислителей, в частности кислорода воздуха, в разбавленной серной кислоте медь практически не растворяется. Она с достаточной скоростью растворяется в горячей концентрированной серной кислоте, но осуществлять этот процесс не рационально, так как при этом половина затрачиваемой кислоты восстанавливается до SO₂, окисляя медь в окись меди, которая и растворяется в серной кислоте, образуя медный купорос. Схема этого процесса может быть выражена следующими уравнениями реакций:

Cu + H₂SO₄ = CuO + H₂O + SO₂  (1)

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O (2)

Cu + 2 H₂SO₄ = CuSO₄ + 2 H₂O + SO₂ (3)

С целью экономии серной кислоты окисление меди производят кислородом воздуха одновременно с процессом «натравки», то есть растворения в серной кислоте. Медный лом предварительно переплавляют для рафинирования (очистки от примесей Fe, Zn, Al, Pb и др.) и придания ему формы, удобной для растворения – пустотелых гранул, обладающих большой поверхностью, что ускоряет растворение в кислоте в 5 – 10 раз.

1.1.1 Очистка и грануляция медного лома

Чистая медь плавится при 1084⁰С, а в присутствии примесей – при более низкой температуре. Примеси летучих металлов и окислов – металлический цинк, трехокиси мышьяка и сурьмы – удаляются при нагревании меди до ее расплавления. При расплавлении медь окисляется до закиси меди, устойчивой выше 1100⁰. Закись меди накапливается на поверхности расплавленной меди в твердом (до 1200⁰С) и в жидком (выше 1235⁰С) виде и частично растворяется в меди, а затем вступает во взаимодействие с примесями, например:

Cu₂O + Fe = FeO + 2 Cu  (4)

По мере расходования растворенной закиси меди новые ее количества переходят с поверхности в раствор, и медь подвергается дальнейшему окислению.

Образующиеся окислы железа, магния, кальция и других металлов не растворимы в меди и переходят в шлак, всплывающий на поверхность металла. Вследствие взаимодействия закиси меди с некоторыми окислами (например, с окисью железа с образованием феррита меди) часть ее также переходит в шлак и содержание в нем Cu₂O достигает 30–40 %.

После окисления, ошлакования примесей металлов и удаления шлака температуру в печи немного снижают с целью окисления присутствующей в меди полусернистой меди:

Cu₂S + 2 Cu₂O↔ 6 Сu + SO₂ (5)

Эта реакция протекает бурно, и выделяющаяся двуокись серы увлекает брызги меди с образованием «медного дождя» («кипение» массы).

В производстве медного купороса дальнейшая очистка меди не требуется, а присутствие в ней кислорода и двуокиси серы необходимо для получения пористых и пузыристых гранул. Растворимость газов в расплавленной меди возрастает с повышением температуры. В твердой меди, нагретой даже до температуры плавления, растворимость газов незначительная. Процесс гранулирования с получением пузыристой и пористой меди основан на быстром выделении газов при внезапном охлаждении и затвердевании расплавленной меди. Это осуществляется выливанием ее тонкой струей в холодную воду.

Серы, содержащейся в меди, обычно недостаточно для образования полных гранул. Поэтому в период «кипения» расплава в него добавляют некоторое количество полусернистой меди или комовой серы (1 – 1,5 %). Образующаяся при этом двуокись серы растворяется в меди, а при ее грануляции выделяется и раздувает капли меди в пустотелые шарики с тонкими стенками.

1.1.2 Растворение меди в серной кислоте (натравка)

При взаимодействии гранул меди с разбавленным раствором серной кислоты, содержащим также сульфат меди, в присутствии воздуха, кислород воздуха растворяется в кислоте, диффундирует к поверхности меди и окисляет ее до закиси меди:

4 Cu + O₂ = 2 Cu₂O (6)

Закись меди растворяется в серной кислоте:

Cu₂O + H₂SO₄ = Cu₂SO₄ + H₂O (7)

Образующийся сульфат закиси меди легко окисляется в сульфат окиси меди:

2 Cu₂SO₄ + 2 Cu₂SO₄ + O₂ = 4 CuSO₄ + 2 (8)

Общая скорость процесса лимитируется наиболее медленной его стадией – окислением меди до закиси меди. Это объясняется малой растворимостью кислорода и медленной его диффузией к поверхности гранул меди. Процесс значительно ускоряется, когда в растворе уже присутствует медный купорос.

Повышение температуры, как и в других случаях, ускоряет химические реакции, но вызывает уменьшение растворимости кислорода, что замедляет окисление. Поэтому в натравочной башне поддерживают температуру не выше 80–85⁰С. При этом на окисление меди используется приблизительно ¼ кислорода, поступающего в башню с воздухом, расход которого составляет около 1000 нм³ на 1 тонну медного купороса.

Растворимость кислорода уменьшается с ростом концентрации CuSO₄ в растворе. Поэтому при повышении концентрации CuSO₄ скорость растворения меди сначала увеличивается за счет каталитического действия CuSO₄, а затем уменьшается вследствие недостатка кислорода. Максимум скорости растворения наблюдается при концентрации 120 г./л CuSO₄ (для раствора, содержащего ~ 110 г./л H₂SO₄). Но даже при содержании в растворе 300 г./л CuSO₄ скорость растворения меди в 1,6 раза больше, чем в отсутствие медного купороса. С увеличением концентрации серной кислоты растворимость кислорода в ней уменьшается, но усиливаются ее окислительные свойства. Поэтому повышение кислотности раствора вызывает не очень большое уменьшение скорости растворения меди – всего на 10 % при повышении концентрации H₂SO₄ с 2,5 до 20 %. Растворение меди значительно ускоряется в присутствии в растворе ионов железа вследствие деполяризации

4 Fe²⁺ + O₂ + 4 H⁺ = 4 Fe³⁺ + 2 H₂O (9)

2 Cu + 4Fe³⁺ = 2 Cu²⁺ + 4 Fe²⁺ (10)

Ионы Fe²⁺ вновь окисляются в Fe³⁺ и служат, таким образом, катализатором процесса. Доля растворяющейся меди под действием ионов Fe³⁺ в растворе, содержащем ~110 г./л H₂SO₄, 60 г./л CuSO₄ и 20 – 22 г./л FeSO₄, составляет около 60 % от всего количества меди, перешедшей в раствор.

Ионы железа попадают в циркулирующий при растворении меди раствор с серной кислотой и вследствие растворения оставшихся в меди примесей. Содержание сульфатов железа в растворе непрерывно возрастает и достигает иногда

70 г./л и более. Вследствие этого при кристаллизации медного купороса выделяется также и сульфат железа, загрязняющий продукт. Поэтому, когда концентрация железа в растворе становится столь большой, что создается опасность получения нестандартного по содержанию железа медного купороса, раствор полностью выводят из обращения.

Существенным является обеспечение равномерного орошения (смачивания) гранул меди раствором. В местах, плохо орошаемых кислотой, образовавшаяся окисная пленка растворяется не полностью, вследствие малой своей растворимости кристаллизуется из раствора и цементирует при этом гранулы и шлам.

Похожие работы

Усовершенствование системы водоподготовки производства этил-бензол-стирола

Скачать

120192

12

14

... 14,2 16,0 11 Сульфаты, мг/дм3 56 49 61 48 60 57 12 Микробиологический тест, кол./мл - - - - - - 13 Скорость коррозии, мм/год 0,10 0,16 0,17 0,09 0,12 0,15 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ   3.1. Усовершенствование метода водоподготовки производства этилбензол-стирола реагентами фирмы «Nalco» Вода является основным охлаждающим агентом, используемым во всех отраслях ...

Научные основы школьного курса химии. методика изучения растворов

Скачать

99671

6

0

... ходом процесса. Через 3 минуты внесите в одну из пробирок раствор хлорида натрия. Что вы наблюдаете? Проведите анализ опытов а) и б).   Глава 2. Методика изучения растворов. Теория растворов – одна из ведущих теорий курса химии. Причины важности темы кроется не только в том, что она имеет большое практическое значение, но и прежде всего ...

Комплексный анализ деятельности ОАО "Родники-Текстиль"

Скачать

111716

22

14

... 145 761 138 892 162 142 169 012 дек.05 169 012 147 915 166 203 187 300 2. МАРКЕТИНГОВАЯ, ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСКАЯ И КОММЕРЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОАО «РОДНИКИ - ТЕКСТИЛЬ»   2.1 Анализ конкурентов Конкуренция - состязательность хозяйствующих субъектов, когда их самостоятельные действия эффективно ограничивают возможность каждого из них односторонне воздействовать на общие условия обращения ...

Экспертиза рыб и рыбных продуктов. Химический анализ

Скачать

79510

2

0

... из темного стекла, закрывают корковой пробкой с хлоркальциевой трубкой и хранят в темном месте, так как на свету в нем образуются перекиси, вызывающие взрывы. ЭКСПЕРТИЗА РЫБЫ И РЫБНЫХ ПРОДУКТОВ Рыбу и рыбную продукцию принимают по количеству и качеству партиями. Партией считается определенное количество продукции одного наименования, способа обработки и сорта, одного предприятия-изготовителя, ...