Переработка медного лома в медный купорос
Переработка медного лома в
медный купорос
Е. В. Фесенко, В. С. Масляев
Способы производства медного купороса различают
главным образом по видам применяемого сырья:
из медного лома и отходов меди с окислением меди
кислородом воздуха, электролизом или раствором хлорной меди;
из окиси меди, получаемой из белого матта;
из окиси меди и сернистого газа;
из окисленных медных руд, содержащих незначительное
количество меди;
из колчеданных огарков и других отходов;
из отбросных электролитных растворов медеэлектролитных
заводов.
Традиционным является способ производства медного
купороса из меди и медного лома с окислением меди кислородом воздуха. Этот
процесс имеет следующие стадии:
плавление медного лома;
получение гранулированной меди;
«натравка» и получение медного купороса;
кристаллизация и сушка медного купороса.
Следует отметить положительные характеристики данного
метода. В отсутствии окислителей в разбавленной серной кислоте медь практически
не растворяется. Она с достаточной скоростью растворяется в горячей
концентрированной серной кислоте, но осуществлять этот процесс нерационально,
т.к. при этом половина затрачиваемой кислоты восстанавливается до SO2, который
необходимо улавливать. С целью экономии серной кислоты, а также во избежание
образования вредных выбросов окисление меди производят кислородом воздуха
одновременно с процессом «натравки».
Рассмотрим все стадии процесса детально.
Медный лом предварительно переплавляют для рафинирования
(очистки от примесей Fe, Zn, Al, Pb и др.) и придания ему формы, удобной для
растворения. Примеси летучих металлов и окислов – металлический цинк, трехокиси
мышьяка и сурьмы – удаляются при нагревании меди до ее расплавления.
Образующиеся в процессе окислы металлов, нерастворимые в меди, переходят в
шлак, всплывающий на поверхность металла.
После окисления, ошлакования примесей металлов и
удаления шлака производят процесс гранулирования с получением пузыристой и
пористой меди, который основан на быстром выделении газов при внезапном
охлаждении и затвердевании расплавленной меди.
После получения гранул меди, обладающих большой
поверхностью, что ускоряет растворение в кислоте, осуществляют процесс
«натравки». 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:
4Cu + O2 = 2Cu2O.
Закись меди растворяется в серной кислоте:
Cu2O + H2SO4 = Cu2SO4 + H2O.
Образующийся сульфат закиси меди легко окисляется в
сульфат окиси меди:
2Cu2SO4 + 2H2SO4 +
O2 = 4CuSO4 + 2H2O.
Процесс значительно ускоряется, когда в растворе уже
присутствует медный купорос. В результате деполяризации CuSO4 восстанавливается
медью до Cu2SO4, а затем Cu2SO4 вновь окисляется растворенным кислородом до
CuSO4. Таким образом, медный купорос играет роль переносчика кислорода.
Растворение меди также ускоряется в присутствии в растворе ионов железа
вследствие деполяризации:
4Fe2+ + O2 + 4H+ = 4Fe3+ + 2H2O,
2Cu + 4Fe3+ = 2Cu2+ + 4Fe2+.
Ионы Fe2+ вновь окисляются в Fe3+ и служат, таким
образом, катализатором процесса. При этом происходит постепенное накопление
сульфата железа в маточном растворе.
При рассмотрении процесса «натравки» следует отметить
такие недостатки, как большие эксплуатационные затраты, т.к. на 1 тонну готовой
продукции необходимо подать большое количество орошающей жидкости, а
отработанный раствор, выводимый из цикла необходимо перерабатывать. Также общая
скорость процесса очень мала и лимитируется наиболее медленной его стадией –
окислением меди до закиси меди. Это объясняется малой растворимостью кислорода
и медленной его диффузией к поверхности гранул меди. Причем скорость
растворения меди составляет 129.8 г/(м2•час) при содержании в растворе
CuSO4•5H2O – 100.0 г/л, H2SO4 – 111.3 г/л, FeSO4 – 20.8 г/л и 116.2 г/(м2•час)
при содержании в растворе CuSO4•5H2O – 500.0 г/л, H2SO4 – 111.3 г/л, FeSO4 –
20.8 г/л.
Дальнейшей стадией процесса является кристаллизация.
Вытекающий из натравочной башни горячий щелок подается насосом во вращающийся
кристаллизатор непрерывного действия с воздушным охлаждением раствора. Основное
внимание на данной стадии следует уделить совместной растворимости в системе
FeSO4 – CuSO4 – H2SO4, равновесные соотношения которой можно посмотреть по
литературным данным. Как уже отмечалось, ионы железа попадают в циркулирующий
раствор при растворении меди с серной кислотой, образуя FeSO4. Содержание
сульфатов железа в растворе непрерывно возрастает и достигает иногда
критических значений. 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. Если бы маточный раствор, циркулирующий
в цикле производства, представлял собой слабый раствор медного купороса, была
бы возможна его переработка, например, цементацией меди из раствора:
FeSO4 + CuSO4 + Fe
= 2FeSO4 + Cu.
Однако в реальных условиях этот процесс проводить
нецелесообразно, т.к. теряется часть готовой продукции. Это является еще одним
недостатком данного метода.
Завершающими стадиями процесса являются центрифугирование
и сушка медного купороса. Смесь кристаллов с маточным раствором поступает в
центрифугу, где кристаллы, отжатые от маточного раствора, промываются водой.
Отфугованный продукт высушивают в барабанной сушилке воздухом при 90 – 100 o.
Таким образом, на основе выше изложенного следует
вывод о том, что необходимо искать другой более эффективный окислитель.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы
материалы с сайта http://masters.donntu.edu.ua/