Effects of nickel in copper electrorefining
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2020-10-20
Department
Major/Subject
Sustainable Metals Processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
91+14
Series
Abstract
Nickel is a major impurity element in copper electrorefining. Majority of the nickel from the anode dissolves and accumulates in the electrolyte, increasing the energy consumption of Cu-ER. Increases in electrolyte nickel concentration have also been linked to decreasing current efficiency. Anode and electrolyte nickel may alter the structure of the slime layer on the anode, which may have an indirect effect on the contamination and nodulation of cathodes. The objective of this thesis was to determine the primary contamination mechanism of copper cathodes by nickel. The studied contamination mechanisms were particle entrapment, electrolyte inclusions and electrochemical deposition. All the experiments were conducted in laboratory scale. Particle entrapment was investigated by adding inert NiO and Fe2O3 particles to electrorefining cell and analysing the cathodes with SEM-EDS and Flame-AAS. Particle experiments were repeated with two sets of industrial slimes. Electrolyte inclusions were studied by using 40 g/l Cu electrolyte with 30 g/l Ni and adding graphite powder to cause significant nodulation. Cathodes were then analysed with SEM-EDS and Flame-AAS. Electrolyte inclusion experiments were repeated with industrial electrolyte. Electrochemical deposition was investigated with a hull cell using a 40 g/l Cu electrolyte with 30 g/l Ni and analysing different current density regions of the cathode for Ni with Flame-AAS. Results indicate that particle entrapment is the most significant source of contamination. Only conductive particles have been suggested to cause nodules on the cathodes. However, the current study suggests that also non-conductive particles were entrapped in the cathodes, causing significant contamination but no nodulation. In the current study, bulk electrolyte inclusions were successfully observed with SEM for the first time and it was proven with EDS that dissolved nickel can be included in the copper cathodes. Results confirm previous suspicions on the possibility of electrolyte being entrapped in cavities caused by slime clusters. Results of the current thesis suggest also that nickel can co-deposit on the cathodes, which is extremely unlikely according to the thermodynamics, and previously published research on more noble metals than nickel. Further experiments should be performed to verify the novel results, specifically related to electrolyte entrapping and nickel co-deposition. Some error on nickel concentration of the cathodes may be caused by the electrolyte contamination of the cathodes due to insufficient washing. Interference from other elements during flame-AAS and contamination of AAS mixing chamber are also suspected.Nikkeli on merkittävä epäpuhtaus kuparin raffinointielektrolyysissä. Suurin osa nikkelistä liukenee anodilta ja akkumuloituu elektrolyyttiin, nostaen prosessin energian kulutusta. Elektrolyytin nikkelikonsentraation kasvu on myös yhdistetty laskeneeseen virtahyötysuhteeseen. Anodin ja elektrolyytin nikkelipitoisuus saattaa vaikuttaa anodin pinnalla olevan liejukerroksen rakenteeseen, mikä voi epäsuorasti vaikuttaa katodin kontaminaation ja niin kutsuttujen marjojen kasvuun. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kuparikatodien pääasiallinen nikkelikontaminaatiomekanismi. Tutkitut kontaminaatiomekanismit olivat partikkeli- ja elektrolyyttisulkeumat, sekä sähkökemiallinen saostuminen. Kaikki kokeet toteutettiin laboratoriomittakaavassa. Partikkelisulkemia tutkittiin lisäämällä inerttejä NiO ja Fe2O3 partikkeleita elektrolyysikennoon, minkä jälkeen katodit analysoitiin SEM-EDS:lla ja liekki-AAS:lla. Elektrolyyttisulkemien mahdollisuutta selvitettiin käyttämällä elektrolyysissä 40 g/l Cu elektrolyyttiä, jossa oli 30 g/l Ni ja lisäämällä mukaan grafiittia tuottamaan nystyröitä. Katodit analysoitiin SEM-EDS:lla ja liekki-AAS:lla. Sähkökemiallista saostumista tutkittiin Hullin kenolla käyttäen 40 g/l Cu elektrolyyttiä, joka sisälsi 30 g/l Ni. Katodit jaettiin virrantiheysalueisiin ja näistä analysoitiin liekki-AAS:lla nikkeli. Tulosten perusteella partikkelisulkeumat ovat merkittävin nikkelin lähde kuparikatodilla. Vain sähköä johtavien partikkelien on epäilty aiheuttavan nystyröitä, mutta tässä työssä havaittiin myös johtamattomien partikkelien päätyvän katodin sisään, aiheuttaen huomattavaa kontaminaatiota. Työssä havaittiin myös ensimmäistä kertaa huomattavia elektrolyyttisulkemia pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja EDS-analyysi todisti, että liuennutta nikkeliä voi näin päätyä elektrolyytin mukana katodille. Tulosten perusteella nikkeliä voi myös saostua sähkökemiallisesti katodille, mikä on termodynamiikan mukaan kuitenkin epätodennäköistä. Lisäkokeita tulee tehdä uusien elektrolyyttisulkeumatulosten vahvistamiseksi, ja erityisesti vahvistamaan nikkelin sähkökemiallinen saostuminen kuparin raffinointielektrolyysissä. Tulosten virhelähteeksi epäillään katodien huonoa pesua, ja elektrolyyttijäämiä. Liekki-AAS laitteen kammion kontaminaatio ja häiriö muista alkuaineista itse liuosnäytteessä voivat aiheuttaa analyysivirhettä ja näin ylitulkintaa katodien nikkelipitoisuuden suhteen.Description
Supervisor
Lundström, MariThesis advisor
Aromaa, JariKeywords
copper, nickel, electrochemistry, electrorefining, cathode contamination