[发明专利]铜电精炼的改进

说明书

本申请公开了一种用于铜生产的方法，包括在电解槽中对铜进行电精炼，其中，使该槽的电压差保持为小于1.6伏，阳极包括至多98.0wt％的铜和小于1.00wt％的铁，通过该槽的电流密度为每m²阴极表面至少180A，在操作过程中，通过使第一电解液流溢出槽壁来以每小时30％至1900％的平均更新率从槽中去除电解液，并且将气体引入电解槽并鼓泡穿过阳极和阴极之间的电解液。本申请进一步公开了适用于铜阳极电精炼的液态熔融金属组合物，其包含至少90.10wt％且至多97wt％的铜、至少0.1wt％的镍、至少0.0001wt％且小于1.00wt％的铁和250‑3000ppm wt的氧。

技术领域

本发明涉及通过火法冶金步骤，由一次来源(指新采矿石)和二次原料(也称为可再循环材料)或它们的组合来生产铜。可再循环材料例如可以是副产物、废弃材料和寿命终止的材料。更具体地，本发明涉及通过电精炼对由火法冶金获得的铜流(含杂质的流)成型的阳极进行进一步纯化。

背景技术

在铜的火法冶金生产中，在许多具有商业价值的原料(包括一次原材料和二次原材料)存在其他金属，如镍、锑、铋、锡和/或铅，并且通常还存在少量的贵金属(preciousmetal，PM)，尤其是银(Ag)。

火法冶金步骤不再能够经济地将其铜产物流纯化至≥99.97wt％的高纯度，而这种高纯度是当今市场通常所需求的，例如，需要≥99.995wt％才能够拉出用于电子应用的极细铜线。因此，铜金属的生产工艺通常包括电精炼步骤，通常作为纯化工艺的最后一步。

在铜的电精炼中，通过使用电压差，使铜从纯度不够的铜阳极(通常含有约99wt％的铜)溶解(主要通过电化学诱导的“腐蚀”)到电解液中(主要根据铜Cu→Cu²⁺+2e^-)，并重新沉积在阴极上(主要通过Cu²⁺+2e^-→Cu)，形成纯度更高的铜层(至少99.97wt％的Cu，并且通常高达99.99wt％的Cu)。电解液通常是基于硫酸的。这两个化学(半)反应的特征是在理想情况下为0.337伏特的标准电势差。

通过将阳极和阴极之间的电压差保持在严格的限度内，可以将沉积在阴极上的金属控制为几乎仅是铜。溶液中的其他金属不会发生电化学沉积。

理论上，因为两个化学半反应具有相反的电压差，所以电精炼槽只需要很小的净电压差就可以工作。然而，由于整个电路中的各种电阻，电精炼槽实际上从阴极到阳极需要至少0.15伏(V)或150mV的电压差才能工作。

铜的电精炼(electrorefining，ER)与铜的“电解沉积(electrowinning，EW)”截然不同。对于电解沉积，在第一步中，通过从诸如铜矿的固体原料中浸出铜(严格地说，通过化学“腐蚀”)将铜溶解到酸性溶液中。任选地在例如通过涉及有机溶剂的提取来提高铜浓度之后，使载有铜的电解液通过具有化学惰性阳极的电解池，其中在电流的作用下，铜沉积在阴极上。在电解沉积槽的阳极处，水被电化学分解(2H₂O→4H⁺+O₂+4e^-)，从而氢离子(H⁺)留在溶液中，而氧原子聚集成气泡并上升到电解液表面。电子通过电路从阳极到达阴极，在阴极它们可用来沉积铜(主要是Cu²⁺+2e^-→Cu)，类似于ER槽。因此，在EW中，两个半反应不是相反的并且具有不同的标准电势，这导致EW槽需要0.892伏的绝对最小理论净电压差。超过该理论最小值，则需要额外的电压差来克服阳极和阴极的过电势，以及与接触点和电解液的欧姆电阻相关的电压降。因此，EW槽的工作电压差通常显著高于ER槽的工作电压，从阳极到阴极大约为1.8至2.5伏。