Результат интеллектуальной деятельности: Способ цементации меди из медьсодержащих растворов

Изобретение относится к области гидрометаллургии цветных металлов и может быть использовано для извлечения металлов из растворов, а также к способам получения технически и химически чистых металлов в порошковом состоянии. Медные порошки находят применение в авиационной промышленности, приборостроении, машиностроении, в химической промышленности, электротехнике, при производстве красок для керамики. Медьсодержащие отработанные растворы являются отходами гальванического производства, отходом при производстве печатных плат, искусственных волокон и других отраслей промышленности, представляющие собой чрезвычайно устойчивые комплексные соединения меди. Соединения меди обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, вызывающими тяжелые поражения живых организмов, в том числе и человека.

При освоении медьсодержащих месторождений на горнорудных предприятиях постоянно образуются и накапливаются значительные объемы медьсодержащих стоков, в связи с этим работы по созданию и совершенствованию высокоэффективных методов очистки медьсодержащих сточных вод имеют актуальное значение [Шадрунова И.В., Самойлова А.С., Орехова Н.Н. Закономерности формирования медьсодержащих стоков на горных предприятиях / Горный информационно-аналитический бюллетень. - №3, 2008, с. 304-311].

Сброс стоков травильных растворов меди наносит большой экономический ущерб, как за счет загрязнения окружающей среды, так и за счет потерь меди. Количество меди, попадающей в окружающую среду, а по трофической цепи в пищу животным и человека, велико. Отсутствие простых способов регенерации сточных вод объясняет однократное использование многих технологических растворов и последующий их сброс. Разработка ресурсосберегающего способа регенерации отработанных растворов травления меди является актуальной экологической проблемой.

Широко известны методы получения электролитического медного порошка из растворов сульфата меди [Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. Порошковая металлургия и напыленные покрытия, с.107-112]. Недостатками данного способа являются сложность в аппаратурном оформлении, энергоемкость и дороговизна полученного продукта.

Известен способ получения порошка меди из медьсодержащих хлоридных растворов [RU 2052324(13) С1. Киселев А.В., Погудин О.В., Неясов Г.В., Чуб А.В., Криворучко С.Л.]. Процесс осаждения меди ведут железным скрапом в присутствии соляной кислоты и температуре от 50-105°С. Операцию осаждения проводят в колонном цементаторе из титана. Железный скрап используется в виде стружки из расчета 0,9-1,1 кг на 1 кг меди. Недостатком данного способа является использование дорогостоящего оборудования и агрессивных сред в виде растворов соляной кислоты.

Известен процесс цементации меди из железо-медно-хлоридных отработанных травильных растворов в реакторе цементации при избытке железа по отношению к меди Сu:Fe = (1:1,6)-(1:1,7), что обеспечивает протекание реакции в течение 45-60 минут. Из раствора при этом выделяется более 90% всей меди [Хоботова Э.Б., Ларин В.И., Добриян М.А., Голик Е.В., Даценко В.В. Решение экологических проблем технологического процесса травления меди // Сб. науч. трудов. Вестник НТУ "ХПИ" Химия, химическая технология и экология/ - 2008, с.129-132]/ Недостатком данного способа является регулирование величины рН процесса (путем подкисления раствора), с необходимостью использования избытка железа по отношению к меди и длительностью процесса цементации. Кроме того, происходит разогрев реакционной смеси до 65-70°С.

Наиболее близким по технической сущности является способ цементации металлов из растворов [SU 414332 А1, С22В 3/00, 05.11.1974. Р.Ш. Шафеев, Ю.Р. Голгер, Э.Г. Израйлевич], включающий цементацию меди из раствора железной стружкой с магнитным перемешиванием и пропусканием через раствор и железную стружку постоянного электрического тока.

Недостатком данного способа является использование дорогостоящих электродов, что в условиях производства повышает себестоимость продукции, а также использование раствора сульфата меди для цементации при значительно низкой исходной концентрации не позволяет достигнуть высокой степени восстановления меди.

Задача изобретения - получение цементной меди в виде кондиционного порошка высокой степени дисперсности при интенсификации технологии получения продукта, сокращение расхода реагентов и времени. Решение этой задачи связано с разработкой способа регенерации отработанных травильных растворов участков травления меди, со снижением количества токсичных медьсодержащих сточных вод, т.е. с решением экологических проблемам различных производств.

Поставленная задача решается тем, что восстановление меди из водных растворов проводят методом цементации железной стружкой в электромагнитном аппарате (ЭМА) с использованием энергии переменного магнитного поля, создаваемого магнитными элементами из магнитотвердого материала, движущимися под воздействием этого поля. Процесс восстановления ведут при следующих условиях: концентрация меди в растворах неорганических солей 50-300 г/дм³, температура 25-40°С, продолжительность 1-5 мин. Извлечение меди из раствора составляет 90-99,6%. Восстановление медно-сульфатно-хлоридных отработанных растворов с помощью железной стружки в электромагнитном аппарате (ЭМА) протекает по следующей реакции: Fe⁰+Cu²⁺=Fe²⁺+Cu⁰.

В ЭМА используется энергия переменного поля и магнитных рабочих элементов, движущихся под воздействием этого поля. ЭМА состоит из электрической обмотки (индуктора), рабочей камеры (реактора) и магнитных рабочих элементов. При включении индуктора в электрическую цепь переменного тока напряжением 220 В, 380 В рабочие элементы подвергаются воздействию магнитного поля, приводятся в интенсивное хаотическое движение. Использовали ЭМА с частотой 50 Гц, индукцией переменного магнитного поля 0,3 Тл, напряженностью магнитного поля 450 А/см, создаваемого предварительно намагниченными магнитными элементами, изготовленными из магнитотвердого материала. Под действием удара и трения происходит измельчение обрабатываемого материала до коллоидного состояния. Кроме того, передача энергии среде в реакторе происходит за короткое время, что в обычных условиях затруднено. В ходе реакции температура реакционной смеси поднималась до 25-40°С. Образующаяся медь в виде осадка удаляется из реактора промывной водой и собирается на фильтре. Полученный медный порошок может включать примеси железа. Для удаления примесей использовали раствор соляной кислоты (1:1). В результате подобной промывки получается товарная медь, имеющая высокую степень чистоты.

Пример 1.

Раствор сульфата меди с концентрацией ионов меди 50 г/дм³, объемом 150 см³, магнитные элементы массой 330 г и массой железной стружки, соответствующей определенному мольному отношению Fe:Cu, вносили в реактор, который помещали в индуктор ЭМА. Материал реактора инертен по отношению к компонентам раствора. Затем на индуктор подавалось напряжение 220 В, и процесс проводили в течение 2 минут. Результаты экспериментов представлены в таблице 1.

Пример 2.

Раствор хлорида меди с концентрацией ионов меди 70 г/дм³, объемом 200 см³, магнитные элементы массой 330 г и 5,75 г железной стружки, что соответствует мольному отношению Fe:Cu=1:1, вносили в реактор, который помещали в индуктор ЭМА. Затем на индуктор подавалось напряжение 380 В, и процесс проводили в течение 1-5 мин. Измерялась температура начала и окончания процесса. Начальная температура соответствовала 18°С.

Результаты экспериментов представлены в таблице 2.

Пример 3.

Раствор хлорида меди с концентрацией ионов меди 300 г/дм³, объемом 200 см³, магнитные элементы массой 330 г и 24,7 г железной стружки, что соответствует мольному отношению Fe:Cu=1:1, вносили в реактор, который помещали в индуктор ЭМА. Затем на индуктор подавалось напряжение 380 В, процесс проводили в течение 1-3 мин. Измерялась температура начала и окончания процесса. Начальная температура соответствовала 20°С.

Результаты экспериментов представлены в таблице 3.

Проведенные исследования показали, что восстановление меди в виде порошка из медьсодержащих растворов с использованием железной стружки и энергии переменного магнитного поля, магнитных рабочих элементов, движущихся под действием этого поля в электромагнитном аппарате, происходит на 99%. Проведение предложенного способа цементации меди из медьсодержащих растворов позволяет за счет упрощения технологии, сокращения расхода реагентов и времени получить металлический порошок высокой степени дисперсности.