Способ электрохимического извлечения меди из сернокислых водных растворов

 

Использование: электрохимическое выделение меди из сернокислых водных растворов. Сущность изобретения: способ включает катодное осаждение меди из раствора, содержащего медь с концентрацией не более 40 г/л при катодной плотности тока 86-258 А/м². Процесс проводят при концентрации серной кислоты в электролите 160-200 г/л и температуре 50-65°С. Это позволяет повысить степень извлечения меди и улучшить качество катодного осадка.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано на предприятиях цветной металлургии при переработке медьсодержащих водных растворов для глубокого извлечения из них меди.

Известен способ электрохимического извлечения меди из сернокислого раствора, содержащего, г/л: медь 70-75; серная кислота 20; сульфат-ион общий 150-155, при температуре 50^оС и катодной плотности тока 200 А/м². При этом происходит осаждение металлической меди на катоде с ее содержанием 99,2-99,5 мас. а концентрация меди в электролите снижается до 30 г/л, то-есть степень извлечения меди в твердый продукт составляет 48-50% Степень извлечения представляет собой отношение разницы исходной и конечной концентраций меди в растворе к ее исходной концентрации.

Недостатком указанного способа является невысокая степень извлечения меди, загрязнение катодного осадка примесями (0,5-0,8 мас.) и необходимость утилизации сернокислых растворов, содержащих до 30 г/л меди.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ электрохимического извлечения меди из сернокислых водных растворов, заключающийся в электрохимическом осаждении меди из сернокислого раствора, содержащего, г/л: медь 25-30 и серная кислота 50-150, при температуре 25-45^оС и катодной плотности тока 86-258 А/м². При этом происходит осаждение меди на катоде, а концентрация меди в электролите снижается до 10-15 г/л, т.е. достигается степень извлечения меди 50-60% Содержание меди в катодном осадке составляет 99,3-99,6 мас. остальное составляет примесные металлы железо (0,1-0,05% ), никель (0,2-0,1%), свинец (0,2-0,1%), сурьма (0,2-0,1% ) и др. то-есть не удается получить катодную медь высокого качества.

Недостатком указанного способа является невысокая степень извлечения меди, невысокое качество катодного осадка, а также необходимость утилизации сернокислых растворов, содержащих до 10-15 г/л меди.

Утилизация меди из сернокислых растворов такого состава производится либо путем нейтрализации серной кислоты и последующим полным осаждением гидроксикарбонатов меди и примесных металлов, либо путем нейтрализации серной кислоты до рН 1-2 с последующей цементацией меди на железном или алюминиевом скрапе с дальнейшим осаждением оставшихся в растворе металлов известняком. Таким образом, процессы утилизации меди из отработанных электролитов, связанные с нейтрализацией свободной серной кислоты, приводит к повышению расхода реагентов и загрязнению осаждаемой меди осадителем и примесными металлами (до 10-15 мас.) или цементатором (до 20 мас.).

Целью изобретения является повышение степени извлечения меди из сернокислых водных растворов и улучшение качества катодного осадка.

Поставленная цель достигается тем, что в способе электрохимического извлечения меди из сернокислых водных растворов, включающем катодное осаждение меди из раствора, содержащего медь с концентрацией не более 40 г/л, при катодной плотности тока 86-258 А/м², процесс проводят при концентрации серной кислоты в электролите 160-200 г/л и температуре 50-65^оС.

Это позволяет снизить конечную концентрацию меди до 1,8-3 г/л, повысить степень извлечения меди до 90-95% и улучшить качество катодного осадка.

Снижение концентрации серной кислоты менее 160 г/л приводит к нарушению процесса катодного осаждения меди при ее низких концентрациях в электролите, что не позволяет снизить ее содержание менее 5-7 г/л. Это связано с тем, что при невысоком содержании меди и серной кислоты в растворе происходит значительная поляризация катода и процесс катодного выделения водорода начинает превалировать над процессом осаждения меди. Кроме того, при этих условиях осаждение меди происходит в условиях предельной плотности тока, что приводит к ухудшению качества катодного осадка за счет катодного соосаждения примесных металлов, содержащихся в электролите.

Повышение концентрации серной кислоты более 200 г/л приводит к началу процесса обратного химического растворения катодной меди, что снижает катодный выход по току и приводит к дополнительным затратам электроэнергии на осуществление процесса катодного осаждения меди.

Снижение температуры процесса ниже 50^оС приводит к уменьшению скорости диффузии меди к катоду, уменьшению скорости ее осаждения и, в конечном итоге, к снижению степени извлечения меди на катоде. Кроме того, при температуре процесса менее 50^оС при невысоких концентрациях меди (5-7 г/л) за счет катодного осаждения происходит загрязнение осадка меди металлическими примесями (железо, никель и т.п.), что вызывает ухудшение качества катодной меди.

Повышение температуры процесса свыше 65^оС вызывает усиленное испарение воды и тумана серной кислоты с зеркала электролита (более 4-5 кг/м² ч), что приводит к необходимости частой корректировки состава электролита во избежание высаливания сульфата меди, необходимости организации сложной системы газоулавливания и существенному ухудшению условий труда.

Таким образом, определяющими факторами, позволяющими повысить степень извлечения меди и улучшить качество катодного осадка, являются концентрация серной кислоты не менее 160 г/л и температура процесса не менее 50^оС. При указанных параметрах удается снизить концентрацию меди в растворе до 1,8-3,0 г/л, что приводит к увеличению степени извлечения меди. Улучшение качества катодного осадка связано с уменьшением содержания в нем примесных металлов, которые соосаждаются на катоде совместно с медью.

Примесные металлы железо, никель, свинец, сурьма и др. являются более электроотрицательными, чем медь, и процесс их соосаждения зависит от величины катодного потенциала (поляризация катода), изменяющейся в течение процесса электрохимического извлечения меди в зависимости от концентрации последней в растворе. Поэтому снижение степени соосаждения примесей и, таким образом, уменьшение их концентрации в катодном осадке меди достигается только за счет деполяризации катода. При концентрации серной кислоты не менее 160 г/л и температуре раствора не менее 50^оС величина катодного потенциала при концентрации меди 1,8-3,0 г/л не достигает потенциала соосаждения примесных металлов совместно с медью и позволяет повысить качество катодного осадка.

К понятию качества катодной меди относятся также и такие, не имеющие строгого количественного выражения, параметры, как дендритообразование, величина кристаллов меди и плотность ее посадки на катодную матрицу. Высокое содержание серной кислоты в электролите и повышенная температура приводят к увеличению рассеивающей способности электролита и улучшению его выравнивающих свойств. Это приводит к снижению дендритообразования при катодном осаждении меди, что позволяет получать более толстые осадки катодной меди и увеличить время наращивания меди на катодную матрицу. Кроме того, проведение процесса при указанных в предлагаемом способе параметрах приводит к снижению размера кристаллов меди, что увеличивает плотность осадки. Это вызывает снижение окклюзии электролита и частиц шлема в объемы между кристаллами катодного осадка, что соответственно уменьшает загрязнение катодной меди примесными металлами.

Кроме того, при низком конечном содержании меди в электролите возможна очистка концентрированных сернокислотных растворов от металлов известными методами, например диализом, получая при этом чистые растворы серной кислоты с последующим использованием их для приготовления новых медьсодержащих растворов, направляемых на электрохимическое извлечение меди, то-есть осуществляется полная регенерация серной кислоты. Получаемые после отделения серной кислоты (диализом) растворы, содержащие незначительное количество меди и примесные металлы, обладают низкой кислотностью, что облегчает извлечение из них меди известными способами.

Следует отметить, что предлагаемый способ за счет глубокого обезмеживания раствора (до 1,8-3,0 г/л меди) позволяет повысить сквозное извлечение меди в конечный продукт катодный осадок.

П р и м е р 1. В электролизер, выполненный из винипласта и снабженный титановыми электродами, было залито 1,3 л раствора, содержащего 31,2 г/л меди и 160,7 г/л серной кислоты. Процесс электрохимического извлечения меди осуществляли при температуре 52^оС и катодной плотности тока 168 А/м² в течение 4,5 ч. При этом на катоде было получено 36,9 г металлической меди, а концентрация меди в электролите была снижена до 2,8 г/л, то-есть достигнута степень извлечения меди 91% Содержание меди в катодном осадке составило 99,91 мас. что существенно выше по сравнению с прототипом.

П р и м е р 2. В электролизер было залито 1,6 л раствора, содержащего 35,8 г/л меди и 198,9 г/л серной кислоты. Процесс извлечения меди осуществляется при температуре 59^оС и катодной плотности тока 195 А/м² в течение 4,8 ч. При этом на катоде было получено 54,2 г меди, а концентрация меди в растворе снижена до 1,9 г/л, то-есть достигнута степень извлечения меди 94,7% Содержание меди в катодном осадке составило 99,93 мас.

П р и м е р 3. В электролизер было залито 1,5 л раствора, содержащего 34,3 г/л меди и 181,3 г/л серной кислоты. Процесс электрохимического извлечения меди проводили при температуре 64^оС и катодной плотности тока 218 А/м² в течение 4,2 ч. При этом на катоде получено 47,8 г металлической меди, а концентрация меди в электролите снижена до 2,4 г/л, то-есть достигнута степень извлечения меди 93% Содержание меди в катодном осадке составило 99,92 мас.

П р и м е р 4 по прототипу. В электролизер было залито 1,8 л раствора, содержащего 31,6 г/л меди и 132,3 г/л серной кислоты. Процесс извлечения меди осуществляли при температуре 41^оС и катодной плотности тока 140 А/м² в течение 5,6 ч. При этом на катоде получено 38,3 г меди, а концентрация меди в электролите снижена до 10,3 г/л, то-есть достигнута степень извлечения меди 67% Содержание меди в катодном осадке составило 99,43 мас.

Из приведенных примеров видно, что проведение процесса при концентрации серной кислоты в растворе 160-200 г/л и температуре 50-65^оС позволяет значительно с 60-70 до 90-95% увеличить степень извлечения меди в катодный осадок и существенно улучшить качество катодного осадка по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕДИ ИЗ СЕРНОКИСЛЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ, включающий катодное осаждение меди из раствора, содержащего медь с концентрацией не более 40 г/л, при катодной плотности тока 86 258 А/м², отличающийся тем, что процесс проводят при концентрации серной кислоты в электролите 160 200 г/л и температуре 50 65^oС.