Effects of Nickel in Copper Production: Implications for High-Purity Copper Electrorefining

Puhtaan kuparin kysyntä kasvaa yhteiskuntien sähköistymisen vuoksi. Samalla malmivarat köyhtyvät, ja metallien kierrätyksen merkitys kasvaa. Suurin osa maailman kuparista tuotetaan elektrolyyttisesti puhdistuselektrolyysillä. Nikkeli on yksi prosessin pääepäpuhtauksista, ja aiemmin mainitut tekijät ovat johtaneet nikkelin pitoisuuksien kasvuun kuparisulatoilla ja elektrolyysilaitoksilla, erityisesti toimijoilla, jotka ovat erikoistuneet monimuotoisten raaka-aineiden käsittelyyn. Tässä työssä tutkitaan nikkelin vaikutuksia kuparin puhdistuselektrolyysiin ja käsitellään tulosten merkitystä teolliselle toiminnalle. Työn kolme päätutkimusteemaa ovat: nikkelin aiheuttama kuparikatodin kontaminaatio, nikkelin vaikutus anodiliejun virtauskäyttäytymiseen, sekä nikkelin vaikutus katodin fyysiseen laatuun, kuten karheuteen ja ns. marjojen eli nystyröiden muodostumiseen. Laboratoriomittakaavan elektrolyysikokeita suoritettiin perinteisessä rikkihappoelektrolyytissä, ja tutkimuksen painopiste oli anodin ja elektrolyytin nikkelin käyttäytymisessä. Aiheita tutkittiin sekä teollisin ja synteettisin näyttein. Anodia koskevat tutkimukset toteutettiin teollisilla kuparianodinäytteillä. Anodiliejun virtaus- ja katodinkasvukokeiden tulokset varmennettiin suuremmalla elektrolyysikennolla. Anodin nikkelipitoisuudelle ei voitu määrittää ylärajaa. Elektrolyytin nikkelipitoisuuden ylärajaksi ehdotettiin 20 g/L katodin kasvavan karheuden ja kasvavan passivoitumisriskin vuoksi. Anodiliejua sisältävien partikkelisulkeumien todettiin olevan kuparikatodien pääasiallinen nikkelikontaminaatiomekanismi. Nikkelioksidista ja rauta(III)oksidista koostuva synteettinen anodilieju ei aiheuttanut katodille marjojen muodostumista. Teollisilla anodiliejuilla sen sijaan marjoja havaittiin, mutta matalanikkelinen (10,3 p.-%) teollinen lieju aiheutti marjaisempia katodeja kuin korkeanikkelinen (20,4 p.-%) teollinen anodilieju. Elektrolyyttisulkeumat olivat mahdollisia, mutta merkittävä kontaminaatio vaati sähköjohtavan grafiitin luomaa mikronystyröitymistä. Nikkelin ei havaittu pelkistyvän sähkökemiallisesti tavanomaisissa kuparin puhdistuselektrolyysin olosuhteissa. Anodin ja elektrolyytin nikkelipitoisuuksien kasvu lisäsi anodiliejun ylöspäin suuntautuvaa virtausliikettä anodin passivoitumisen aikana. Anodin nikkelipitoisuuden kasvaessa ilmiö oli havaittavissa koko elektrolyytin tilavuudella, mutta elektrolyytin nikkelipitoisuuden kasvaessa tämä ilmiö tapahtui vain anodipinnan läheisyydessä (1 mm). Elektrolyytin nikkelin vaikutuksen epäiltiin johtuvan anodiliejukerroksen huokoistumisesta, kun anodin nikkelipitoisuuden vaikutus on taas selitettävissä anodin mineralogisilla muutoksilla. Sekä anodin että elektrolyytin nikkelipitoisuuden kasvu johti anodiliejurykelmien yleistymiseen. Anodiliejun keskimääräinen, suurin ja pienin laskeutumisnopeus olivat 0,12 mm/s, 1,65 mm/s ja -1,08 mm/s anodin passivoituessa (25 °C). 60 °C:ssa anodilieju laskeutui tyypillisesti 1,4-49,6 mm/s nopeudella, ja ylöspäin virtaava lieju saattoi virrata jopa 2,5 mm/s nopeudella. Työssä käytettiin tilastollista koesuunnittelua regressiomallinnuksen (PLSR) kanssa. Näin tutkittiin nikkelin ja elektrolyytin lisäaineiden (gelatiini, tiourea ja kloridi) vaikutuksia katodin karheuteen (Rz ja Sm). Elektrolyytin kasvava nikkelipitoisuus lisäsi kuparikatodien Rz-karheutta 469 μm:stä 945 μm:in kun lisäaineita ei käytetty. Yksinään nikkeli ei vaikuttanut Sm-karheuteen, mutta tiourean ja nikkelin havaittiin vaikuttavan synergisesti katodin pinnan tasoittumiseen. Laboratoriossa tuotettuja katodeja verrattiin teollisiin näytteisiin, ja näiden todettiin olevan pinnankarheuksiltaan samankaltaisia. Vaikka lisääntyvä nikkeli saattaa aiheuttaa karheampia katodeja, ennustusmallinnuksen muuttujien tärkeys (VIP) viittaa siihen, että lisäaineet vaikuttavat nikkeliä enemmän katodin pinnanlaatuun.