电解铜

一种纯度较高的铜

电解 铜(Electrolytic 铜 )亦称阴极铜,是一种呈紫红色、无臭、有光泽、可延展的金属,电解铜中的铜含量不少于99.95% ,密度为8.96 g/mL,电解铜和铜的区别在于:制作工艺,电解铜是电解精炼得到的纯铜,一般纯度较高;铜可以通过采矿和 冶炼 的方法提取得到,纯度不如电解铜纯度高 。

电解铜可用于制作 电子 连接系统、电子驱动系统 ,海底供电深海铜包 电缆 与太阳能发电厂的 发动机 、电力、 电子、电缆、控制与保护装置,另外其也可以用于制作铜基电缆 ,电解铜适用于铸造 铜合金 等 。

食入大量的铜会引起严重的恶心,会有含绿蓝物的呕吐物、腹痛、 腹泻 、吐血、 变性 血红素 症、 血尿 等症状。严重者会有 肝炎 、 低血压 、 昏迷 、 溶血性贫血 、 急性肾衰竭 、抽搐等并发症甚至可能引发死亡 。

原材料

铜精矿

铜精矿( 铜 concentrate )是通过选矿富集获得的,常见为褐色、灰色、黑褐色、黄绿色,成粉状,粒度一般小于0.074mm,含铜量13-30%,供炼铜使用 。铜精矿是铜 冶炼 的主要原料 。为制定合理的配料比,提高冶炼和有价元素的回收率以及为伴生元素的综合利用提供依据。根据冶金工业部标准YB112-82,铜精矿按干矿品位(铜含量在12%以上)分为十五个品级 。铜精矿一般要求测定 Cu、Pb、Zn、Cd、Fe、S、As、F、Co、CaO,MgO、Al 2 O 3 、Au和Ag等,铜矿石中常伴生有多种重金属和稀有金属,如金、银、砷、锑、铋、硒、铅、碲、钴、镍、钼等,其中Cu、Ag为有价元素 。根据铜化合物的性质,铜矿物可分为自然铜、硫化矿和氧化矿三种类型,主要以硫化矿和氧化矿,特别是硫化矿分布最广,世界铜产量的90%左右来自硫化矿。自然界含铜矿物有200多种 ,而具有经济价值的只有10多种,其中常见的是硫化矿 ,如 硫化铜 ( 铜 (II) 硫化物 )精矿又名铜蓝, 化学式 为CuS,一般为 墨绿色 到黄绿色,有时也掺杂有少许蓝色或灰色粉末,含铜一般在15%~45%。中国进口铜精矿几乎全部为硫化 铜矿 ,用于提炼铜和制备铜化合物 。

废铜

从使用过的东西(旧废铜料)和制造业的弃料(新废铜料)回收铜,对于整个铜工业来说是很重要的,世界铜产量的5~10%是从废铜料的再精炼得来的,另外25~30%是直接回收的铜,主要为 铜合金 。直接回收的铜的30~40%来源于旧废铜料(用过的东西),60~70%来源于新废铜料(加工弃料),按照含量以及合金化程度可以将废铜分为以下几类:1. 阴极 等级的废铜,只需重新熔化浇铸;2.由纯铜或大量纯铜组成的铜废料;3.合金废铜,这是废铜料回收的最大组成部分,主要来自新、旧废铜料的 黄铜 、 青铜 和铜 合金,将这些合金再精炼成纯铜耗能较多,故需在倾动式的、膛式的或 感应电炉 中重熔,再铸成合金材料;4.各种成分的低级铜废料,在 鼓风炉 或者膛式炉中重新熔炼,然后经火法精炼和 电解 精炼即可 。

应用领域

铸造合金

电解铜还可以用于熔铸铜棒、铜锭以及铸造含 铜合金 等,如耐磨铜合金(主要含有铅、锡、铝、锰等金属),易 切削 铜合金(铜-铅、铜- 、铜-锑等合金), 黄铜 是一种最常用的铜合金,其基本成分为铜与锌的合金,再添加铅、镍、铝、等可以形成多种类型的黄铜合金 。

电子电器

电动机驱动系统

据 美国能源部 估计,如果工业设备能够利用所有可用的节能措施,便可以减少11%~18%(620亿~1040亿千瓦时/a)的 电能 。若电动机效率进一步提高,铜的应用空间会进一步扩大。高 额定功率 运行的CMR 发动机 有待于优化并降低生产成本,而铜则成为主要能源效益和性能进步的关键 。

现代通信技术

在 数据中心 ,超过80%的信号传输设备使用铜 电缆 和铜连接件。对于少于100m的距离,超过10000MB/s的 带宽 铜电缆的价钱只是其他电缆成本的一小部分。铜工业可以通过研发带宽大、能耗低,并且易于安装连接的铜基电缆来加强其竞争地位。铜的一个核心能力就是通过同一电缆输出功率和数据,即可同时传输电力和数据,可以在没有独立供电的 连接器 、 连接线 和交流引出线的情况下,驱动网络装置,如国际互联网、IP电话、 无线接入点 和网络插座等,从而简化家庭、商业和市政设施中将数字娱乐、通信、计算和安全设备与高速网网络连接的过程 。

电子连接系统

铜引线框架、插头、接线板、电缆、导线、变压器、电机、雷管、印刷线路板和其他形式的铜连接件都被广泛应用于电子设备 。

防污

鱼养殖业是正在快速发展的价值数十亿美元的全球产业。 铜制品 有效地解决了海水养殖 网箱 所面临的重大问题,传统的网箱是用防污涂料和合成材料建造的,使用几个月后便会受到海洋生物(即藻膜、各种腕足类动物)的侵蚀,这种污垢减少了鱼获取干净的含氧水的机会,并为寄生物和 病原体 创造了滋生的机会,铜制品的抗污、抗菌特性及其机械强度的结合 ,便可以解决这一问题。铜制网箱可以通过清除污染环境来减少或消除使用抗生素的必要性 。

能源行业

铜是最出色的电、 热传导 体 ,由于发展中国家能源设施的大量扩展,对公用传输设备、配电网和大型的工业设备上使用的高电流、高效率产品的需求正在快速增加,铜正是这种能够满足大功率输电容量需求的金属。相较于传统的铅包电缆,海底供电深海铜包电缆的耐疲劳性更好,因而需求巨大,为铜及铜基新材料提供了巨大的市场;而用于 超导 装置中的 缓冲器 已开始成为体现铜的重要应用价值的一项新技术 。

可再生能源行业

铜在 绿色能源 系统中,特别是在风力、 潮汐 、 生物燃料 、波浪、地热和 太阳能 发电厂的 发动机 、电力、 电子 、 电缆 、控制与保护装置中起着非常重要的作用。 太阳能 光电系统需要用铜来进行能量传递及接地,并用铜制造开关和控制系统部件。在海洋系统中,铜可以抗海洋微生物污染和海水腐蚀 ,并且具有杀菌的作用 。

制备方法

电解铜

铜的冶炼方法可分为两类:火法冶金和湿法冶金。世界上精铜产量的85%以上是用火法冶金从硫化铜精矿和再生铜中回收的,湿法冶金生产的精铜只占15%左右。铜的 电解 精炼是将火法精炼的铜浇铸成阳极板,用纯铜薄片(也称始极片)或不锈钢板作为阴极,阴、阳极相间地装装入电解槽中,用硫酸铜和硫酸的混合水溶液作 电解液 ,在 直流电 的作用下,阳极上的铜和 电势 较负的金属溶解进入溶液,H2O和SO4^2-失去电子的反应由于其电位比铜正,故在正常情况下不会发生;而比铜不活泼的杂质如金和银等,以及电位更正的贵金属和某些金属(如硒[xī]、碲)等不易溶,成为阳极泥沉于电解槽底。溶液中的铜在阴极上优先析出,而通过适当调节电位差可避免其他电位较负的金属在阴极上析出,这些金属留于电解液中,待电解液定期净化时除去。这样,阴极上析出的铜纯度很高,称为阴极铜或电解铜 ;

阳极:Cu→Cu 2+ +2e -

阴极:Cu 2+ +2e - →Cu,

性质

物理性质

铜是一种非常柔软的金属 ,不溶于水,微溶于酸, 氨水 , 沸点 为2595 °C, 熔点 为1083 °C,密度为8.96g/mL;在元素周期表中原子序数为29,属第一副族。具有良好的延展性,传热性与导电性 ,抗张强度大,抗蚀性强,易焊接,纯铜可拉成微细铜丝 。

铜具有的易加工性,色彩和氧化色彩,高光泽度,使它成为一种极具吸引力的装饰性金属 ,易与锌、锡、铅、锰、钻、镍、铝、铁等金属形成合金,如铜 锌合金 , 青铜 ,铜钻镍合金 。

化学性质

铜与金银一样,属于活性小的金属。铜在干燥空气中常温时稳定,在空气中加热到185℃即开始与氧作用,表面生成一层暗红色铜氧化物,当温度高于350℃时,铜颜逐渐从玫瑰色变成黄铜色,最后变成黑色。在含有CO 2 的潮湿空气中,铜的表面会慢慢生成有毒的 碱式碳酸铜 ,即 碱式碳酸铜 (Cu(OH) 2 CO 3 ) 。铜在高温下不与氢、氨或碳作用,但在常温下能与 卤族元素 作用。硫易与铜发生反应,铜与含有H₂S的空气接触时,表面能生成铜 硫化物 的黑色薄膜 。

铜被氧化的色彩主要有黑色、棕色、黄色、 橙色 、红色、紫罗兰色、蓝色和绿色,这使其成为最容易通过反应过程来着色的金属 ,在铜化合物中有两种价态正离子即Cu 2+ 与Cu + 。

常见的反应有:

丹尼尔电池:Zn+Cu 2+ =Cu+Zn 2+ 。

铜的 氧化还原反应 :2Cu+O 2 =2 氧化铜 ,

CuO+H 2 =Cu+H 2 O;

铜与卤素反应:Cu+Cl 2 =CuCl 2 。

安全事宜

毒理数据

小家鼠 口服LD 50 152 mg/kg 。

危害

急性毒性

食入大量的铜,会引起严重的恶心、会有含绿蓝物的呕吐物、腹痛、 腹泻 、吐血、 变性 血红素 症、 血尿 等症状。严重者会有 肝炎 、 低血压 、 昏迷 、 溶血性贫血 、 急性肾衰竭 、抽搐等并发症,甚至可能引发死亡 。

亚慢性与慢性毒性

哺乳动物 慢性铜中毒症状表现为 反胃 ,呕吐,黄色 水样便 腹泻、 黄疸 、绿色唾液与呕吐物,肝功能损害 、食欲减退、尿中 血色素 增加、出现血尿等 。

毒作用机制

一般认为铜的毒性是由于芬顿型 氧化还原反应 而产生的,高浓度的铜会造成活性氧损伤。

过量的铜累积在 肝细胞 溶酶体内时,会与金属硫蛋白复合;而铜的肝毒性则出现在溶酶体饱和时,铜在 细胞核 中积累,引起细胞核损伤,这种损伤可能是氧化损伤的结果,包括脂质 过氧化 ,铜抑制硫基酶 ,如 葡萄糖- 6-磷酸1- 脱氢酶 ,谷胱甘肽 还原酶 , 对氧磷酶 ,保护细胞抵御 自由基 ,铜也影响基因的表达 。

急救措施

急性铜中毒处理:脱离现场、对症处理。口服中毒者立即用清水 洗胃 ,或用牛奶、蛋清、豆浆等口服保护胃黏膜,也可用0.1% 亚铁氰化钾 分次服用,可生成不溶性亚铁 化铜,以减少铜的吸收,并用金属 解毒剂 解毒 。

预防措施

职业环境接触铜烟或铜粉尘时,工作人员需佩戴防毒防尘面具,严格预防皮肤直接接触铜化合物,克服劳动过程中的个人不良卫生习惯,严禁在车间内喝水、膳食、吸烟等另外,要预防含铜化合物的误食发生 。

储存

保持干燥,避免与湿润的空气接触,铜在含有 二氧化碳 的潮湿空气中,铜表面会生成一层薄的 碱式碳酸铜 。

运输

避免与腐蚀物质以及湿润的空气接触,保持干燥 。

产品标准

中国颁布的《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》(GBZ21-2007)中规定:工作场所空气中铜尘与铜烟暴露的时间加权平均容许浓度分别为1.0mg/m 3 、0.2mg/m 3 ,短时间接触容许浓度分别为2.5mg/m 3 、0.6mg/m 3 ,德国研究基金会(DFG)允许接触限值0.1mg/m3 。

参考资料

  1. Copper | Cu | CID 23978 - PubChem /pubchem 2023-08-01