Undersøkelse av urenheter i elektrolytt for produksjon av kobber

Abstract

Tellur-ioner (Te4+ og Te6+), vismut-ioner (Bi3+), antimon-ioner (Sb3+) og klor-ioner (Cl– ) er typiske urenheter i en kobberelektrolytt. Det var ønskelig˚a undersøke disse urenhetene da det er relativt ukjent hva slags effekt de har på dimensjonsstabile anoder (DSA) i drift.

Målet med denne masteroppgaven var å undersøke noen av urenhetene som befinner seg i kobberelektrolytten til Glencore Nikkelverk (Nikkelverket). Forsøkene ble utført med elektrokjemiske metoder, der syklisk voltammetri (CV) og lineær sveip voltammetri (LSV) ble benyttet. Lineær sveip voltammetri ble benyttet for å undersøke effekten av de ulike elementene på oksygenutviklingen til DSA-anoden. Syklisk voltammetri ble benyttet for å undersøke hvordan DSA-anoden opptrer ved katodisk polarisering. I tillegg ble noen av DSA-anodene undersøkt med scanning electron microscope (SEM) og X-ray diffraction (XRD). Dette var anoder fra laboratorieforsøk og anoder som har blitt benyttet i kobberelektrolysen hos Glencore Nikkelverk.

Hastigheten til oksygenutviklingsreaksjonen ble kraftig redusert ved en tilsats av Te4+ og/eller Sb3+. Det ble forsøkt å danne et oksidlag på DSA-anoder fra elektrolytter som inneholdt Te4+ og Sb3+. Med EDS ble det funnet henholdsvis Te og Sb på overflaten av disse elektrodene. Hverken Te6+, Bi3+ eller Cl– påvirker hastigheten til oksygenutviklingsreaksjonen i særlig grad på kort tidsskala. Det kan imidlertid tenkes at Bi3+ og kanskje Te6+ påvirker oksygenutviklingen på lengre tidsskala siden både Bi og Te ble funnet på overflaten av en industriell anode. Ved EDS ble det funnet at klor og svovel overlapper med vismut på den industrielle anoden, og det kan tenkes at det kan felle ut som vismutsulfat (Bi2(SO4)3) og/eller som vismutklorid (BiCl3). Ulike reduksjonstopper og oksidasjonstopper ble funnet ved potensialer under oksygenutviklingsområdet. For eksempel ble det funnet at vismut reduseres fra Bi3+ til Bi-metall på katodisk sveip, og oksideres tilbake til Bi3+ på anodisk sveip. Te4+ reduseres til Te-metall, og oksideres tilbake igjen til Te4+. I de fleste forsøk med flere komponenter ble det trolig dannet legeringer. For lineær sveip forsøk med Sb3+ og Te4+ kan det tenkes at en tilsats av antimon blokkerer overflaten til anoden som en antimonlegering av antimon og tellur.

Tellurium-ions (Te4+ and Te6+), bismuth-ions (Bi3+), antimony-ions (Sb3+) and chloride-ions (Cl– ) are typical impurities in electrolyte for copper electrowinning. It was desirable to investigate these impuritites as it is relatively unknown what kind of effect they have on dimensionally stable anodes (DSA) in operation.

The aim of this thesis was to investigate some of the impurities found in the copper electrolyte of Glencore Nikkelverk (Nikkelverket). The experiments were carried out with electrochemical methods, where cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LSV) were used. Linear sweep voltammetry was used to investigate the effect of the various elements on the oxygen evolution of the DSA anode. Cyclic voltammetry was used to investigate how the DSA anode behaves during cathodic polarization. In addition, some of the DSA anodes were examined with a scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). These were both anodes from laboratory tests and anodes that have been used in copper electrolysis at Glencore Nikkelverk.

The rate of the oxygen evolution reaction was reduced by an addition of Te4+-ions and/or Sb3+-ions. An attempt was made to form an oxide layer on DSA anodes from electrolytes containing Te4+ and Sb3+. Te and Sb were found by EDS on the surface of these electrodes. Neither Te6+, Bi3+ nor Cl– affects the rate of the oxygen evolution reaction particularly on a short time scale. However, it is conceivable that Bi3+ and perhaps Te6+ influence the oxygen evolution on a longer time scale since both Bi and Te were found on the surface of an industrial anode. By EDS, it was found that chlorine and sulfur overlap with bismuth on the industrial anode, and it is possible that bismuth may have precipitated as bismuth sulfate (Bi2(SO4)3) and/or as bismuth chloride (BiCl3). Different reduction peaks and oxidation peaks were found at potentials below the oxygen evolution range. For example, bismuth was found to be reduced from Bi3+ to Bi metal on cathodic sweep, and oxidized back to Bi3+ on anodic sweep. Te4+ is reduced to Te metal, and oxidized back to Te4+. In most experiments with several components, alloys were probably formed. For linear sweep experiments with Sb3+ and Te4+ the anode surface is blocked by some compound that could be an alloy of antimony and tellurium.