1.2 Experimentelle Untersuchungen zum Kupferraffinationsprozess

Hydrometallurgische Raffination oder Kupferelektrolyse ist das Bottleneck der gesamten Kupfergewinnungskette. Industrielle Kupferelektrolyse ist nach wie vor ein relativ langsamer diffusionsbasierter Prozess, der aber mittels selektiv eingesetzter, erzwungener Konvektion beschleunigt werden kann. Um diese Effekte im Labormassstab nachzubilden und entsprechend zu untersuchen, wurde am ICP eine experimentelle Kupferelektrolyseanlage entwickelt.

Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer: V. Buff, M. Boldrini, D. Brunner, V. Lienhard, G. Boiger Intern Intern 2017–2021

Die Kupferelektrolyse wird zur Raffination von Blisterkupfer mit einer Reinheit von etwa 98,5 % bis zu 99,999 % eingesetzt. Dazu wird eine Kathode aus reinem Kupfer in ein Elektrolytbad gegeben, welches aus Kupfersulfat, Schwefelsäure und einigen Zusatzstoffen wie Leim und Alkohol besteht [1]. Die Anode, die gewöhnlich aus Blisterkupfer besteht, wird parallel zur Kathode angeordnet. Während des Prozesses wird zwischen der Kathode und der Anode eine Spannung von etwa 0,3 V angelegt. Als Folge davon löst sich die Anode auf. Die Kupferionen folgen dem elektrischen Feld bis zur Kathode, wo sie sich abscheiden. Verunreinigungen und wertvollere Metalle als Kupfer sinken zu Boden, wo sie als Anodenschlamm aufgefangen werden können. Minderwertige Metalle verbleiben in der Lösung. Neben diesem Prozess tritt ein zweiter kinetischer Effekt auf, welcher auf natürlicher Konvektion beruht: Der Ionentransport von der Anode zur Kathode verändert die Kupferkonzentration im Elektrolyten. Aufgrund der daraus resultierenden Dichteunterschiede beginnt der Elektrolyt an der Anode nach unten und an der Kathode nach oben zu fließen, wodurch ein kreisförmiges Strömungsfeld entsteht. Die industrielle Anwendung der Kupferelektrolyse ist relativ langsam. Die Kinetik des Ionentransportprozesses basiert auf natürlichen Konvektions- und Diffusionsprozessen. Daher stellt die Elektrolyse den Engpass in der gesamten Kupferlieferkette dar. Interne simulationsbasierte Voruntersuchungen [2] haben gezeigt, dass der bestehende elektrolytische Raffinationsprozess durch gezieltes Eingreifen (erzwungene Konvektion) in die vorherrschenden Ionentransportmechanismen zwischen den Elektrodenplatten deutlich beschleunigt werden kann. Gut kontrollierte, gerichtete und konstruktive Strömungsbedingungen können den langsamen, diffusions- und naturkonvektionsgetriebenen Ionentransport wesentlich unterstützen. Bislang wurde dieser Aspekt bei der Auslegung von derzeit in Betrieb befindlichen Kupferraffinationsanlagen nur ansatzweise berücksichtigt.

Abb. 1: Inbetriebnahme Kupferelektrolyseanlage, Januar 2020.

Um das Verhalten der entwickelten Strömungsgeräte zu untersuchen, wurde ein Prüfstand gebaut, welcher den industriellen Elektrolyseprozess simuliert. Der Prozess besteht aus zwei Gleichstromquellen, die die gewünschten elektrischen Spannungen und Ströme erzeugen. Die Kupferelektrolyse findet in dem großen Tank statt, in welchem Anoden und Kathoden parallel angeordnet sind [Abbildung 1]. Während der Elektrolyse wird der Elektrolyt zunehmend verunreinigt und erhitzt. Eine Umwälzpumpe transportiert den Elektrolyten aus dem Elektrolysebehälter zum Liberator, welcher die Kupfermenge in der Lösung reguliert. Nach dem Liberator wird der Elektrolyt im Konditionierer behandelt. Dabei wird der Säuregehalt korrigiert und im Elektrolyten gelöste unedlere Metalle ausgefällt. Gegebenenfalls muss auch ein Temperaturmanagementsystem implementiert werden. Nach dem Konditionierer wird der Elektrolyt in den Elektrolysetank zurückgeführt.

Quellen: [1] H. Sicius, Kupfergruppe: Elemente der ersten Nebengruppe, 2017. [2] D. Brunner et al., Model Based Analysis of Forced and Natural Convection Effects in an Electrochemical Cell, 2017.