铜电解精炼(electrorefining of copper)

以火法精炼铜为阳极，金属盐水溶液为电解质，往电解槽通直流电使阳极溶解，在阴极析出更纯金属铜的过程。火法精炼铜一般仍含有0.5％～0．8％的杂质，所有杂质均会在不同程度上使铜的电导性和热导性降低，并影响铜的机械加工性能，通过电解精炼既能提高铜的纯度，又可通过对铜阳极泥处理回收其中的有价金属。

铜电解精炼已有120多年的发展历史。世界上第一家铜电解精炼厂是英国于1869年建成的埃尔金顿(。Elkington)工厂。到20世纪80年代，全世界铜电解精炼能力已达1200万t／a，年产量和消费量在1000万t左右。自20世纪50年代以来，由于大功率可控硅整流器和始极片加工机组的开发，以及自动控制和电子计算机等技术在铜电解精炼工艺过程中的推广应用，铜电解精炼向大型化、机械化和自动化方向发展的步伐加快，现世界年产电解铜能力达到40万t的工厂有5家，年生产电解铜能力超过15万t的工厂也有30多家。

原理 铜的电解精炼是在电解槽内进行的，以火法精炼产生的精铜作阳极，纯铜片(始极片)作阴极，电解液是含有游离硫酸的硫酸铜溶液。电解质在溶液中离解成离子：

CuSO₄≒Cu²⁺+SO₄^2-

H2O≒H⁺+OH^-

H₂SO₄≒2H++SO₄^2-

铜的标准电极电位为0.34V，它具有比火法精炼铜中除贵金属外的其他杂质更正的电极电位。因此，在电解过程中，只要控制一定的工艺条件，在直流电的作用下，阳极铜便发生化学溶解：

Cu-2e→Cu²⁺

不断减薄缩小；而在纯铜阴极的始极片上则发生铜离子的还原反应：

Cu²⁺+2e→Cu

被还原的铜沉积在阴极片上，使阴极片变得越来越厚。电极电位较铜更负的离子留在电解液中，而电极电位较铜更正的贵金属和某些化合物在阳极不发生放电溶解，以阳极泥形态沉积槽底，从而实现了铜与杂质的分离。

杂质在电解中的行为 各种杂质在电位序上的位置和它们在电解液中的溶解度，决定其电解时的行为。并据此将铜阳极中的杂质分为4类。

(1)锌、铁、镍、钴、锡、铅等属于电极电位比铜更负的一类，电解时均溶于电解液中，其中的铅进一步生成难溶的硫酸盐沉降进入阳极泥。

(2)砷、锑、铋等是电极电位与铜相近的一类，对铜产品最为有害。当其在电解液中积累到一定的浓度时，便会在阴极上放电析出，使电解铜的质量降低。这些杂质在电解过程中全部进入电解液，但砷的40％～50％，锑、铋的60％～80％会发生水解，以不溶性盐形态进入阳极泥。

(3)金、银和铂族金属的电极电位比铜正，几乎全部转入阳极泥，少量溶解的银也会同电解液中的氯离子化合生成氯化银沉入阳极泥。铜阳极泥是回收金、银等贵金属的原料。

(4)存在于阳极铜中的硫、氧、硒、碲等的化合物，电解时自阳极板上脱落进入阳极泥。

电解铜分类和标准 伦敦金属市场将电解铜分为普通阴极铜(标准铜)和高纯阴极铜(A级铜)两类。各国都订有自己的普通阴极铜技术标准，通用的则是IS()(国际标准化组织)标准，其技术要求见表。

高纯阴极铜(A级铜)主要用作电线电缆和电器工业产品的原料。标准中要求控制硒、碲、铋、镉、锰、铬、锑、砷、磷、锡、硫、铅、镍、铁、硅、锌、钴和银18种杂质的含量，其总量不得多于65×10^-4％；对电性能也有规定，如电阻率不大于0.015176Ω•g／m²，电导率不小于58．58Ms／m和101％IACS，体积电阻率不大于0.01707Ω•mm²／m。

工艺 各炼铜厂采用的流程大同小异，原则流程如图。阳极板、阴极片、电解槽、电解液、直流电源、送电设施以及电解液的循环、加温和净化设备是铜电解精炼厂的必备条件。主要工艺条件包括电流密度、电解液和添加剂等。

电流密度 由于受到电极极化(见浓差极化和活化极化)的制约，常规铜电解精炼所用的电流密度一般为200～250A／m²，铜周期反向电解允许电流密度到400A／m²。

电解液 一种含有游离硫酸的硫酸铜溶液。组成(质量浓度ρ／g•L^-1)为：Cu，40～50，H₂SO₄180～200，Ni<15，As<5，Sb<O．5，Bi<O．5。温度为331～336K。为使其成分稳定，需定期抽出一部分进行铜电解液净化，净液量与阳极中杂质含量有关，通常每30～45d更新一次。

添加剂 为改善阴极铜析出质量，需往电解液中添加某些表面活性物质，如胶、硫脲、干酪素、阿维通、高腊克和盐酸等。

方法 主要有传统铜电解法、铜周期反向电解法、永久阴极铜电解法和小名滨铜电解法等。

传统铜电解法 应用最久最广的一种方法。此法按电极在电解槽内的连接方式，又分为复联法和串联法两类，前者是将槽内所有的阳极并联、所有阴极并联，槽与槽间是串联；后者不仅槽间串联，槽内阳阴极间也是串联。用串联法炼铜的工厂只有美国的两家，其余均采用复联法电解。

永久阴极铜电解法 用合金钢作阴极，析出铜后，定期用机械剥离，阴极板长期重复使用。此法在澳大利亚、比利时和美国得到应用。

小名浜铜电解法 日本小名浜冶炼厂用连续浇铸机铸成厚度14mm左右的铜带，再连续地冲剪成有挂耳阳极板，电解槽为落地放置的游泳池式大型电解槽，尺寸为4130mm×28100mm×1320mm，阳阴极同时出槽。此法可大幅度提高电解效率和降低电耗，在英国和加拿大也获应用，总生产能力为30万t／a。

设备 有电解槽、阳极板、阴极片、直流电源和专用机组等。

电解槽 通用的槽壳用混凝土制成，内衬铅板、塑料或玻璃钢等防腐蚀材料。标准尺寸为：长5～5．5m，宽1．1～1．3m，深1．2～1．4m。

阳极板 重350～380kg，尺寸为980mm×960mm，周期20～28d。

阴极(始极)片 重6～7kg，尺寸1m×1m，周期10～14d。

直流电源 一般为大型可控硅或硅整流器。如用周期反向电解法，还需备有周期变换电流方向的整流器。现代电解用整流器多为变压器一整流器一体型，分为室内用和室外用两种规格，总效率可达96％以上。

专用机组 已开发并广泛采用的有阳极、始极片、电铜、残极、导电棒的加工和传输机组，专用吊车，大型可控硅整流器，远程控制短路开关，集散化仪表自动控制、电子计算机等。部分被应用的有种板剥离机组。这些机组的应用，提高了铜电解精炼的劳动生产率，最高的工人劳动生产率可达8000t／(人•a)。