Modeling of copper direct electrowinning

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-06-11
Department
Major/Subject
Sustainable Metals Processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
88 + 22
Series
Abstract
In direct electrowinning, copper is directly electrowon from leaching solutions without using solvent extraction as an intermediate for concentration and purification, however this could result in cathodes being more exposed to impurities during electrowinning. LME Cu cathode specification listed impurity elements were examined to determine their contamination mechanisms and other potential effects on copper hydrometallurgy. Secondary copper resources of scrap and electronic waste were examined to understand the quantity and variety of impurity elements associated. Direct electrowinning research, plant data and markets were examined to gain understanding of the technology, its prevalence and find information for developing a similar process. In addition to direct EW, pressure leaching, bioleaching and alternative purification processes reported with direct EW were examined. HSC Sim model of direct EW was made based on literature and provided target parameters, and CAPEX-OPEX comparison to SX-EW was performed to examine the operation, viability, and economic feasibility of this process type on concept level. Literature on direct EW and LME listed impurity elements suggests that co-deposition of higher standard potential elements presents a risk to the copper cathodes, while solid particle inclusion and electrolyte inclusion contaminations may be prevented with appropriate operational parameters to produce smooth and dense cathodes depending on the conditions. Copper-containing scrap and electronic waste varied significantly in composition ranging from very pure copper alloys to mixed electronic waste with Cu grade ~3-40 wt-% and up to 60 different elements/compounds depending on the age, functionality, manufacturing, and category. Direct EW has received limited research attention, however both in and out of LME standard compliance cathodes were reported and operational parameters different from SX-EW could be observed including electrolyte impurities, copper concentration, temperature, applied current density, current efficiency, and equipment. In literature, roasting and pressure leaching with direct EW showed promising results, however bioleaching resulted in dilute and impure solutions. HSC Sim model of direct EW showed promising results for electrolyte composition and process operation with lower estimated investment and operational costs compared to SX-EW process, however additional research on copper recovery, different parameters, leaching chemistry and feasibility is warranted to improve the accuracy of this estimate.

Suora talteenottoelektrolyysissä kuparia pelkistetään liuotusliuoksesta ilman neste-neste uuton tarjoamaa puhdistusta ja rikastusta, mutta tämä voi myös altistaa kuparikatodit epäpuhtaalle elektrolyytille, mikä voi johtaa kontaminaatioihin. LME katodistandardin epäpuhtauksia tarkasteltiin kontaminaatiomekanismien ja niiden aiheuttamien vaikutusten selvittämiseksi. Kupari- ja elektroniikkaromun koostumusta tutkittiin epäpuhtauksien määrän ja tyypin kartoittamiseksi. Suoraa talteenottoelektrolyysiä tarkasteltiin tutkimusten, laitosdatan ja markkinoiden näkökulmasta sen toiminnan, yleisyyden ja mallikehityksen vuoksi, jonka lisäksi tutkittiin sen käyttöä bioliuotuksen, paineliuotuksen ja mahdollisten puhdistusprosessien kanssa. Suorasta talteenottoelektrolyysistä kehitettiin HSC Sim -malli kirjallisuuden tarjoamiin tietoihin ja annettuihin tavoiteparametreihin perustuen ja mallin pohjalta tehtiin konseptitason taloudellinen tarkastelu. Suoraan talteenottoelektrolyysiin liittyvien artikkelien ja LME epäpuhtauksiin liittyvien artikkelien pohjalta kuparia korkeamman pelkistymispotentiaalin omaavat alkuaineet ovat riski kuparikatodien puhtaudelle, mutta partikkelien sekä elektrolyytin aiheuttamat kontaminaatiot vaikuttavat olevan hallittavissa oikeilla prosessiparametreillä tuottaen niin fysikaalisilta kuin kemiallisilta ominaisuuksiltaan hyvälaatuisia LME Grade A katodeja. Kupari- ja elektroniikkaromun koostumus vaihteli hyvin puhtaista seoksista erittäin moninaiseen elektroniikkaromuun, jonka Cu pitoisuus voi vaihdella ~3-40 p-% välillä ja sisältää 60 erilaista alkuainetta/yhdistettä. Suoraa talteenottoelektrolyysiä on tutkittu vähän, mutta toisaalta niin LME kemiallisen laadun täyttäviä kuparikatodeja sekä LME katodilaadun epäpuhtauspitoisuusrajat täyttämättömiä katodeja on raportoitu tuotettavan. Toiminnallisten parametrien osalta havaittiin eroavaisuuksia uutto-elektrolyysiprosessiin elektrolyytin epäpuhtauksien, kuparipitoisuuden, lämpötilan, virran tiheyden, virtahyötysuhteen ja laitteiston kanssa. Suora elektrolyysi vaikutti toimivan hyvin paineliuotuksen ja pasutuksen kanssa, mutta bioliuotus johti laimeaan ja epäpuhtaaseen liuokseen. HSC Sim -mallin pohjalta oli mahdollista tuottaa riittävän hyvää elektrolyyttiä elektrolyysiin ja laitoksen investointi- sekä käyttökustannukset olivat matalammat kuin uutto-elektrolyysiprosessilla. Konseptitason tarkastelun pohjalta prosessi vaikuttaa lupaavalta, mutta vaatii lisätutkimuksia tulosten varmistamiseksi ja tarkentamiseksi.
Description
Supervisor
Aromaa, Jari
Thesis advisor
Sahlman, Mika
Aro-Koivisto, Noora
Keywords
direct electrowinning, HSC Sim, hydrometallurgy, copper
Other note
Citation