Effects of Nickel in Copper Production: Implications for High-Purity Copper Electrorefining
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-03-26
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
87 + app. 67
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 49/2025
Abstract
The demand for high-purity copper is increasing due to the electrification of society. At the same time, the ore bodies are getting poorer, and there has been an increased emphasis on metal recycling. Most of the world’s high-purity copper is produced by electrorefining. Nickel is one of the main impurities in copper electrorefining, and the previously mentioned factors have resulted in increased nickel concentrations at the smelters and tankhouses, especially in operations that specialise in treating complex raw materials. This thesis studies the effects of Ni on Cu electrorefining and discusses the implications of the results for industrial electrorefining plants. Three main themes were investigated: Ni's contamination of the copper cathode, Ni’s effects on anode slime flow behaviour, and the impact of Ni on the physical quality of the cathode, i.e., roughness and nodule formation. Regular laboratory-scale copper electrorefining experiments were performed in traditional sulfuric acid media, with the focus of the thesis being on the behaviour of anode Ni and electrolyte Ni. Both industrial and synthetic electrolytes were used to investigate electrolyte Ni’s effects on copper electrorefining. Industrial anode samples were used to examine the impact of anodes on copper electrorefining. Anode slime detachment and cathode growth study results were verified in a bench-scale electrorefining cell. No definite upper limit for the anode Ni concentration could be determined. An upper limit of 20 g/L of Ni was proposed for the electrolyte due to the increased risk of rougher cathodes and cell passivation. Particle entrapment was the primary contamination mechanism of copper cathodes in the case of Ni. Synthetic anode slime composed of NiO and Fe2O3 did not cause cathode nodulation. Nodulation was observed with industrial anode slimes, but the industrial anode slime with less Ni (10.3 wt.%) resulted in more nodules than the industrial anode slime with higher Ni concentration (20.4 wt.%). Electrolyte inclusions were deemed plausible, but major micronodulation in the presence of conductive graphite was required for significant contamination. The electrodeposition of Ni does not happen in typical Cu electrorefining conditions. Increasing anode and electrolyte nickel concentrations led to an increased upward flow of anode slimes, at least during passivation. Increasing anode Ni concentrations increased upward flow of anode slimes throughout the electrolyte. In the case of the electrolyte, however, this phenomenon occurred only in the vicinity (1 mm) of the anode surface. The impact of electrolyte Ni was attributed to the increased porosity of the anode slime layer, while the changing anode slime mineralogy might explain the effect of anode Ni. Both anode and electrolyte Ni promoted the clustering of anode slime. Average, maximum and minimum anode slime settling velocities were 0.12 mm/s, 1.65 mm/s and -1.08 mm/s, respectively, during anode passivation (at 25 °C). At 60 °C, the anode slimes settled on average with a velocity of 1.4-49.6 mm/s, and upwards-moving slime could flow with a velocity of 2.5 mm/s. Design of Experiments (DOE) was used in combination with partial least square regression (PLSR) modelling to determine the impact of Ni and electrolyte additives (gelatine, thiourea and chloride) on the cathode roughness (Rz and Sm). Ni increased the Rz roughness of the Cu cathodes from 469 μm to 945 μm in the absence of additives. Ni alone did not affect the Sm roughness, but thiourea and Ni were found to have synergistic effects on smoothening the cathode surface. Laboratory cathodes were compared to industrial samples, and samples from both sources had similar surface roughnesses. While increasing Ni might cause rougher cathodes, variable importance in projections (VIP) suggests that additives have a more notable impact on cathode surface quality.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.Description
Supervising professor
Lundström, Mari, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandThesis advisor
Aromaa, Jari, Senior University Lecturer, Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: Sahlman, Mika; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. 2021. Copper cathode contamination by nickel in copper electrorefining. MDPI. Metals, 11, 11, 1758.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021111010090
-
[Publication 2]: Sahlman, Mika; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. 2024. Detachment and flow behaviour of anode slimes in high nickel copper electrorefining. Physicochemical Problems of Minerals Processing, 60, 2, 186194.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406054125DOI: 10.37190/ppmp/186194 View at publisher
- [Publication 3]: Sahlman, Mika; Aromaa, Jari; Lundström, Mari. 2025. Effects of Ni and electrolyte additives on electrorefined Cu cathode surface. Submitted to Canadian Metallurgical Quarterly in 2025