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Technische Anwendungen der Elektrolyse

Raffination von Kupfer

Viele Metalle wie z. B. Kupfer werden technisch durch elektrolytische Raffination gereinigt. Rohkupfer wird durch Rösten sulfidischer Erze nach der folgenden Reaktionsgleichung erhalten.

2CuFeS2+ 5O2 2Cu+ 2FeO+ 4SO2

Das gewonnene Rohkupfer enthält etwa 94-98 % Kupfer. Die Verunreinigungen bestehen aus Zink, Zinn, Blei, Arsen, Antimon, Bismut, Eisen, Cobalt, Nickel, Schwefel, Tellur sowie den Edelmetallen Silber, Gold und Platin. Zur Abtrennung dieser Fremdstoffe wird das Rohkupfer zuerst der Raffinationsschmelze und dann der elektrolytischen Raffination unterworfen.

Das Raffinationsschmelzen besteht aus einem oxidierenden und reduzierenden Schritt. Das Rohkupfer wird zunächst in kleinen Flammöfen mit schlackenbildenden Zuschlägen geschmolzen und unter Luftzutritt erhitzt (Oxidation). Dabei wird Kupfer zu Kupferoxid oxidiert. Zink, Blei, Arsen und Antimon verflüchtigen sich, während Eisen und Nickel verschlacken. Nach einigen Stunden wirkt das entstandene Kupferoxid auf noch vorhandenes Kupfersulfid gemäß der gegebenen Reaktionsgleichung ein.

Cu2S2+ 2Cu2O 6Cu+ SO2

Es entwickelt sich SO2, das aus der Schmelze entweicht. Zur Beseitigung des noch vorhandenen Kupferoxids wird schließlich im zweiten Schritt mit Holzkohle oder Anthrazit reduziert. Das so erhaltene Garkupfer besteht zu mindestens 99 % aus Kupfer, enthält aber noch die gesamten Edelmetalle.

Das Garkupfer wird elektrolytisch gereinigt. Zur elektrolytischen Raffination gießt man das Garkupfer in die Form großer, ca. 3 cm dicker Platten. Die Garkupferplatten werden als Anode verwendet. Diese werden mit Kathoden aus Reinkupferblech zusammenschaltet. Als Elektrolyt dient eine schwefelsaure CuSO4 -Lösung.

Man benötigt zur Elektrolyse Spannungen von wenigen zehntel Volt (etwa 0,3V), da nur der Widerstand des Elektrolyten zu überwinden ist. Der Energieverbrauch liegt bei 0,20-0,25 kWh je kg Elektrolytkupfer. Beim Einschalten des Stromes geht an der Anode Kupfer in Lösung, während sich an der Kathode reines Kupfer als hochroter, dichter Niederschlag abscheidet. Die Reinheit des so gewonnenen Kupfers beträgt 99,95 %

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Abb.1
Elektrolytische Raffination
Cu-Roh Cu2++ 2e Kathode Cu2++ 2e Cu-Rein Anode Cu-Roh 2Cu-Rein Gesamt

Von den Verunreinigungen gehen die unedleren Metalle (Eisen, Nickel, Cobalt, Zink) mit dem Kupfer ebenfalls anodisch in Lösung. Sie scheiden sich aber nicht an der Kathode ab, da sie ein negativeres Redoxpotential als Cu haben. Die edleren Metalle (Silber, Gold, Platin) weisen ein positiveres Potenzial als Kupfer auf. Sie gehen an der Anode nicht in Lösung sondern bleiben elementar, und setzten sich bei der Auflösung der Anode mit anderen festen Abfallstoffen als Anodenschlamm ab. Der Anodenschlamm dient als Ausgangsmaterial zur Gewinnung der enthaltenen Edelmetalle. Der Erlös für die Edelmetalle liefert einen wesentlichen Beitrag zu den Kosten der Kupferraffination.

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