Получение меди химическим способом

Получение меди

Медь или купрум, названа так в честь острова Кипр, где нашли крупное ее месторождение. Это один из первых металлов, освоенных человеком. Медный век – удивительная эпоха, в которую обиход человека был наполнен медными орудиями и предметами быта, он продолжался с IV до III тысячелетия до н. э.

Способы получения меди

Для извлечения меди из минералов и руд, в которых она находится, на сегодняшний день используют три метода:

• гидрометаллургический
• пирометаллургичекий
• электролиз.

Получение меди пирометаллургическим методом является наиболее распространенным. Сырьем для этого процесса выступает халькопирит. Чтобы получить из халькопирита чистую медь, необходимо осуществить ряд операций. Первая, из которых, заключается в обогащении медной руды, методом окислительного обжига или флотации.
В основе флотации лежит тот факт, что пустая порода и ее медесодержащие части, смачиваются по-разному. Если поместить всю массу породы в емкость с жидким составом, в котором имеются воздушные пузырьки, то часть с минеральными элементами, перемещается при помощи этих пузырьков на поверхность, и прилипает к ним. В результате на поверхности ванны наблюдается наличие концентрата или черновой меди. В этом составе присутствует от 10 до 35% чистой меди. Этот порошкообразный концентрат является сырьем для дальнейшего получения чистой меди.
Совсем по-другому протекают реакции получения меди методом окислительного обжига. Этим методом обогащают медные руды, в составе которых имеется существенное количество серы. Для реализации этой технологии необходимо нагреть руду до температуры 700–8000 градусов. Под действием таких высоких температур происходит окисление сульфидов, и объем серы в медной руде снижается почти в два раза. Следующим этапом является расплавление обогащенной руды в отражательных или шахтных печах при температуре 14500. Результатом этого расплава является образование штейна – сплава, который состоит из сульфидов меди и железа.
Чтобы улучшить показатели штейна его подвергают обдуванию в горизонтальных конвертерах без добавления дополнительного топлива. Таким образом, железо и сульфиды окисляются, оксид железа превращается в шлак, а сера становится оксидом – SO₂.
Черновая медь, полученная таким способом, имеет в своем составе около 91% меди. Для дополнительной очистки металла выполняется рафинирование меди, то есть удаление посторонних примесей. Это осуществляется благодаря технологии огневого рафинирования в присутствии подкисленного раствора медного купороса. Это рафинирование меди носит электролитический характер, и дает возможность получить металл с чистотой 99,9%.
Гидрометаллургический метод обогащения меди основан на процессе выщелачивания металла с помощью серной кислоты. Результатом такого процесса является получение раствора, из которого в дальнейшем выделяют чистую медь. Также этот метод подходит для выделения драгоценных металлов. Эту технологию применяют для обогащения руд, в которых присутствует крайне малое количество меди.

Получение меди электролизом

Электролиз меди является одним этапов химико-физических процессов, которому подвергают руду, чтобы получить медь. Примечательно, что для получения 1 тонны чистой меди, потребуется переработать как минимум 200 тонн медной руды.
Сама процедура обработки медной руды – это многоступенчатый и очень сложный процесс, который состоит из 7 стадий. Самой последней и является электролиз меди.
Руду после добычи необходимо измельчить в особых машинах. Далее происходит процесс флотации, в результате которого, как мы знаем, формируется концентрат с сохранением минералов меди. После этого происходит обжиг при высоких температурах в специальных печах. Шихту, полученную в процессе обжига, помещают в печь для плавки, где она становится штейном, который в свою очередь оправляют на конвертирование. Продукт, полученный после этих процессов, называют черновой медью, где 2-3% объема занимают примеси. В качестве примесей выступают цинк, железо, или сера. Их удаляют реакцией окисления. На этом этапе образуется «красная» медь, в которой присутствует 99,7-99,9% Cu. Последним этапом является непосредственно электролиз меди, который позволяет добиться получения максимально чистой меди.
Чтобы осуществить процесс электролиза меди понадобится специальное оборудование, а именно емкости, которые заполняют водным раствором сульфата меди с содержанием свободной серной кислоты. В результате проведения электролиза, мы получим осадок чистой меди на катодах. А все, что окажется на дне ванны, принято называть шламом. Он является сырьем для получения благородных металлов.

Получение оксида меди

Оксид меди (II) CuO представляет собой кристаллы черного цвета, которые подвергаются кристаллизации в моноклинной сингонии. Плотность соединения составляет 6,51 г/см3, а плавится он при температуре 1447°С в условиях высокого давления. В результате нагревания до 1100°С является выделение оксида меди (I):

В воде оксид меди не растворяется и не вступает в реакции с ней. Обладает слабыми амфотерными свойствами с преобладанием основных.
С водными растворами аммиака реагирует с образованием гидроксида тетраамминмеди (II):

Также легко вступает в реакции с разбавленными кислотами с выделением соли и воды:

Результатом сплавления оксида меди со щелочами является образование купратов:

Чистую медь из оксида можно получить методом восстановления водородом, угарным газом и активными металлами:

Реакция получения оксида меди методом прокаливания гидроксида меди (II) при температуре 200°С:

Также получить оксид меди можно в процессе окисления металлической меди на воздухе при температуре 400–500°С:

Получение сульфата меди

Получить сульфат меди можно тремя реакциями:
растворить CuO в H₂SO₄

в присутствии концентрированной серной кислоты с медью, обязательно при нагревании

методом взаимодействия Cu₂O с разбавленной серной кислотой

Получение хлорида меди

В природе хлорид меди находится в составе очень редкого минерала эрнохальцита CuCl₂•2H₂O, который представляет собой кристаллы синего цвета.
Двухвалентный хлорид меди обладает важным практическим значением, и добычи его только лишь из природного минерала очень мало. Поэтому ученые придумали несколько способов искусственного получения данного соединения.
Главной реакцией промышленного синтеза CuCl₂ можно назвать реакцию хлорирования сульфида меди в условиях высокой температуры от 300 до 400 градусов °С. Выглядит реакция так

Еще одним вариантом синтеза хлорида двухвалентной меди является хлорирующий обжиг, который осуществляется при температуре более 500 С:

• CuS + 2NaCl + 2O₂ ―› CuCl₂ + Na₂SO₄

Обе реакции нуждаются в использовании специализированного оборудования и соблюдении повышенных мер безопасности, по этой причине данные реакции можно проводить только в условиях промышленного производства. В лабораторных условиях также можно получить хлорид меди следующими реакциями

• Cu + Cl₂ ―› CuCl₂
• CuO + 2HCl ―› CuCl₂ +H₂O
• Cu(OH)₂ + 2HCl ―› CuCl₂ + 2H₂O. Реакция нейтрализации
• CuCO₃ + 2HCL ―› CuCl₂ + H₂O + CO₂. В результате этой реакции более сильная кислота вытеснит кислотный остаток более слабой кислоты. Протекает реакция замещения
• 3Сu + 2HNO₃ + 6HCl ―› 3CuCl₂ + 2NO +4H₂0. Эта реакция является наиболее оригинальной. Она протекает только в присутствии смеси двух сильных кислот.

Получение глицерата меди

Качественная реакция для выявления присутствия глицерина в растворах осуществляется в присутствии сульфата меди (II) и раствора гидроксида натрия. В результате реакции образуется глицерат меди – комплексное соединение сине-василькового оттенка.
Химическую реакцию проводят следующим образом:

• к раствору сульфата меди (II) приливают раствор гидроксида натрия, в результате чего происходит окрашивание раствора в синий цвет. Таким образом, наблюдаем выпадения осадка гидроксида меди (II)
• после этого добавляем несколько мл глицерина и перемешиваем раствор. Образовавшийся осадок растворяется с образованием комплексного соединения оттенка индиго. Это и есть глицерат меди.

Получение нитрата меди

Получение нитрата меди Cu(NO₃)₂ довольно увлекательное занятие. А также очень полезное, поскольку он является довольно популярным красителем. Нитрат меди (II) можно получить в процессе растворения чистой меди, ее оксида или гидроксида в азотной кислоте. Уравнения выглядят следующим образом:

Получение сульфида меди

Сульфид меди(II) или моносульфид меди — CuS, является неорганическим бинарным соединением двухвалентной меди с серой. Он верного цвета, в воде не растворяется , также как и в разбавленных растворах кисло. В природе его можно встретить в виде редкого минерала ковеллина.
Получение сульфида меди осуществляется при помощи прямого взаимодействия элементов, а также в результате обменной реакции солей двухвалентной меди с водорастворимыми сульфидами.

• Na₂S+CuSO₄=CuS+Na₂SO₄
• CuCl₂ + H₂S —> CuS + 2HCl
• 2CuS + H₂ —>Cu₂S + H₂S. Эта реакция протекает в условиях высокой температуры от 600 до 700 oC

Получение сухим методом дает сульфиду меди возможность проводить электрический ток. Когда отметка термометра достигает 400 °C, наблюдается заметное разложение сульфида.

Источник

Производство меди

Применение меди в качестве материала для производства орудий труда и оружия известно человечеству многие столетия. Развитие электротехники и электроники явилось дальнейшим стимулом разработки совершенных методов добычи и переработки сырья, в котором присутствует этот металл. Современное производство меди – это хорошо отработанный процесс.Одной из проблем получения этого дефицитного металла является низкий процент содержания меди в добываемой руде. Он не превышает пять процентов от общего числа добываемой породы.

Способы производства меди

В настоящее время разработано несколько способов получения меди. Основными являются:

• пирометаллургия;
• гидрометаллургия;
• электролиз.

Наибольшее количество производится с применением первого способа. С его помощью получают практически 90% всего металла. Он достаточно трудоёмкий и продолжительный. Технология производства меди этим способом включает несколько этапов, которые осуществляют обогащение поступающего материала, последовательное получение готового материала. Каждый из этапов содержит строгую последовательность технологических задач. Обычно завод по производству меди выполняет весь комплекс операций.

Для получения так называемой катодной меди используется третий способ. Полностью этот способ называется – электролитическое рафинирование с последующим осаждением готового продукта на поверхности металлических пластин.

Стадии пирометаллургического производства меди

Данный способ эффективно применяется для переработки руды с различным содержанием меди. Он состоит из следующей последовательности действий:

• подготовки (обогащения)добытого сырья;
• непосредственной плавки на штейн;
• конвертирования полученного штейна;
• окончательного рафинирования.

Каждый технологический процесс осуществляется с применением необходимых методов обработки.Для выделения черновой меди производят так называемую продувку. Далее медь помещают в формы или разливают на плиты. Она остаётся загрязнённой различными примесями и не обладает свойствами чистой меди.

Сущность процесса заключается в подаче под давлением воздуха через жидкий расплав медного штейна. Она производится в специальных конвертерах, которые могут располагаться вертикально или горизонтально. В дальнейшем обогащённые концентраты медных руд поступают на конечную переработку.

Обогащение

Первоначально в добытой руде содержание меди не превышает шести процентов. Для производства меди с наилучшей эффективностью необходимо произвести обогащение добытой руды.Это производство предназначено для получения концентрата, в котором будет содержаться меди более 10%. В отдельных случаях его удаётся довести до 35%.

Основным способом обогащения сульфидных медно-никелевых руд является флотация. Для повышения эффективности обогащения предварительно проводят операцию магнитной сепарации. Она способствует выделению пирротина в самостоятельный концентрат. Возможность проведения магнитной сепарации обусловлена относительно высокой магнитной восприимчивостью пирротина.

Сам процесс включает следующие операции:

• предварительное дробление и последующий размол на мелкие частицы (он проводится до момента получения зерен не более 0,05÷0,5 мм);
• флотационное обогащение, которое основано на обработке несмачивающихся частиц руды совместно с пузырьками продуваемого воздуха при подъёме их вверх в виде пены (для эффективности процесса добавляется масло), пустая порода, смачиваясь опускается вниз.

После получения обогащённого материала приступают к следующему этапу.

Обжиг

Пирометаллургия определяет два типа обжигового процесса. Первый заключается в так называемом окислительном обжиге. В нём производят частичное окисление сульфидов медных концентратов. Данный процесс протекает в одном из трёх режимов: кинетическом, диффузионном и промежуточном. Каждый из них характеризуется величиной скорости протекания кристаллохимического превращения и значением коэффициента диффузии.

Правильный выбор этих параметров позволяет значительно понизить содержание серы, получить штейн требуемой концентрации. Такой обжиг производят в специальных агрегатах. Они называются обжиговые печи. С их помощью удаётся понизить содержание влаги до пяти процентов и одновременно уменьшить содержание серы. Современная схема этого процесса предполагает проводить его в кипящем слое или во взвешенном состоянии.

Второй способ предполагает проведение нагрева до температуры, активирующей окисление сульфида серы. Высшие фракции проходят стадию диссоциации. Низшие фракции подвергаются окислению незначительно.

Выбор оптимальной температуры для этого процесса зависит от следующих условий:

• параметров процесса сжигания топлива;
• характеристик теплообмена;
• качества изоляционных свойств печи (её стойкость футеровки);
• характеристик теплообмена самого перерабатываемого материала.

Наиболее популярным считается метод обжига медного концентрата в многоподовых печах. В них одновременно осуществляется механическое перемешивание загруженной смеси. Наибольшая эффективность технологического процесса проявляется в печах десятиподовой конструкции. В таких печах не только наиболее эффективно удаляется сера, но и качественно перемешивается концентрат введёнными добавками и флюсами. В этом случае такая печь исполняет роль смесительного аппарата. В печи поддерживается температура в интервале от 450 до 500 градусов. Состав загружаемой смеси и качество обжига (десульфуризации) зависит от оптимальности выбранных параметров.

Кроме этого метода существует обжиг готовых концентратов в кипящем слое. Для его реализации используются специальные агрегаты способные создавать такие условия. Их сложная и дорогостоящая конструкция существенно ограничивает их применение.

Плавка на штейн

Основными составляющими в сырье для получения штейна являются сульфиды двух металлов: железа и меди. В его составе присутствуют оксиды различных металлов, например, алюминия, кальция. Проведение процесса плавки позволяет получить два продукта в жидком виде. Одним является штейн, в котором концентрируется медь. Она переходит туда из оксидов шихты. Вторым получается шлак. В нём сохраняются остальные соединения.

Сырьём для выплавки служит подготовленный концентрат. Его смешивают с флюсом. Они должны стимулировать протекание этого процесса. Такими добавками служат известняк или кварц. Сплав штейн получают несколькими способами. Для этого используют отражательные, шахтные и электродуговые печи.

Наибольшую популярность получил технологический процесс плавки в отражательных печах.Они имеют следующие геометрические размеры: длиной до сорока метров, ширина не превышает десяти метров и максимальная высота от пода до свода должна быть не более четырёх с половиной метров. Под печи, опирается на оборудованный фундамент. Его изготавливают несколькими способами. Может применяться специальный динасовый кирпич, или наваривают из кварцевого песка. Наиболее оптимальной толщиной пода считается размер от 0,6 метра до 1,5 метров. Стены изнутри выкладывают магнезитохромитовым кирпичом. Свод изготавливают арочным распорно-трапециевидной формы. Для извлечения готового штейна готовят специальные шпуры. После завершения операции выгрузки они закрываются глиняной пробкой. В некоторых конструкциях для выгрузки устанавливают специальные сифонные устройства.

Рафинирование с использованием катодной меди

Процесс рафинирования предназначен для выделения чистой меди из различных добавок и примесей. В современной промышленности экономически целесообразным считается проведение этого процесса в два этапа. Первый заключается в температурном рафинировании, второй в электролитическом. Второй способ осуществляется с применением катодной меди.

Проведение электролитического рафинирования позволяет решить две задачи:

1. Глубокую очистку от примесей.
2. Обеспечение высокой электропроводности.

В зависимости от состава сырья в отдельных случаях удаётся получить сопутствующие металлы (серебро, селен и даже золото). Сам технологический процесс протекает в специальных ваннах длиной до 5 метров и глубиной до 1,5 метров. Стенки таких ванн обработаны кислотостойкими материалами. Над ванной создаётся система крепления, к которой закрепляют катоды. В качестве катодов используют плоские пластины, изготовленные из чистой меди. Одна пластина исполняет роль катода, вторая – анода. Ванна заполняется электролитом. В качестве электролита применяется серная кислота (H₂SO₄)в которой растворён сульфат меди(CuSO₄). К этим катодам подаётся невысокое напряжение величиной 0,4 В. После замыкания цепи начинается процесс электролитического растворения анода. Под воздействием разности потенциалов ионы меди с анода переходят на катод, оседая на нём в виде чистой меди. Электролит периодически обновляют. Это необходимо, так как в его составе образуются растворы металлов, замедляющие процесс электролиза. Кроме этого на дне ванны накапливается осадок называемый шлам. Его также периодически выгружают. На современных предприятиях полное растворение анода происходит в течение 30 суток.

Последовательность выгрузки производится с интервалом от шести до двенадцати суток. Процесс электролиза достаточно электрозатратен. Для получения одной тонны чистой меди необходимо обеспечить мощность до 350 кВт.

Полученные катоды направляются для дальнейшей переработки. В итоге получают отдельные слитки или заготовки заданной формы. Плавка катодов производится в отражательных или печах шахтного типа. Создание температуры при которой плавятся катоды осуществляется сжиганием природного газа, с использованием электродуговых или индукционных установок. Полученная медь разливается по готовым формам. Для получения проволоки её помещают в так называемые вайербасы. Весь процесс происходит на установках непрерывной или полунепрерывной разливки.

Производство меди в России и мире

По данным аналитических агентств Российская Федерация уверенно занимает пятую позицию среди стран, занимающихся добычей и получением чистой меди. Производство меди в России в среднем за год составляет 860 тысяч тонн. Основу современной структуры производства меди составляют три крупных холдинга: ОАО «ГМК» Норильский никель» («Норникель»), ООО «УГМКХолдинг» (УГМК) и ЗАО «Русская медная компания» (РМК). Эти компании осуществляют полный цикл производства от добычи руды до изготовления готовых слитков, проката и проволоки. В каждый холдинг входит несколько предприятий, оснащённых самыми совершенными технологиями производства. Благодаря динамическому развитию в прошлом году удалось повысить производство меди на семь процентов.

Мировое производство меди достаточно консолидировано. Почти 35% этого металла производиться пятью крупнейшими компаниями. К ним относятся:

• Codelco (Чили).
• Freeport-McMoRan (США).
• Glencore (Швейцария).
• BHP Billiton (Австралия).
• Southern Copper (Мексика).

Эти компании почти 80% меди получают из первичного сырья (то есть осуществляют полный цикл переработки) и 20% производят в результате переработки поступающего лома. В Европе наиболее крупными производителями меди являются: Польша, Португалия и Болгария. Каждый завод способен осуществлять выпуск широкого ассортимента медной продукции. Несмотря на современный кризис, медь по-прежнему остаётся востребованным металлом. Одним из серьёзных недостатков, присущих этому производству являются экологические проблемы. Оценка выбросов на медеплавильных заводах показали высокий уровень загрязнения окружающего воздуха. В его составе присутствует большое количество вредных для здоровья химических соединений (кадмия, ртути, мышьяка, свинца, оксидов азота и углерода).

Источник