Experimentelle Untersuchungen zur Kupferelektrolyse
Die hydrometallurgische Raffination oder Kupferelektrolyse ist der Engpass bei der Raffination von Kupfer. Die industrielle Kupferelektrolyse ist nach wie vor ein relativ langsamer, auf Diffusion basierender Prozess, der durch den gezielten Einsatz von erzwungener Konvektion beschleunigt werden kann. Eine experimentelle Kupferelektrolyseanlage wurde entwickelt, um diese Effekte nachzubilden und zu untersuchen.
Die Kupferelektrolyse wird verwendet, um Blisterkupfer von einer Reinheit von etwa 98,5 % auf bis zu 99,999 % zu veredeln. Dazu wird eine Kathode aus reinem Kupfer in ein Elektrolytbad aus Kupfersulfat, Schwefelsäure und einigen zusätzlichen Mitteln wie Leim und Alkohol getaucht. Die Anode, die in der Regel aus Blisterkupfer besteht, wird parallel zur Kathode platziert.
Während des Prozesses wird zwischen Kathode und Anode eine Spannung von etwa 0,3 V angelegt. Infolgedessen löst sich die Anode auf. Die Kupferionen folgen dem elektrischen Feld zur Kathode, wo sie sich ablagern. Verunreinigungen und Edelmetalle, die wertvoller sind als Kupfer, sinken auf den Boden, wo sie als Anodenschlamm gesammelt werden können. Metalle geringerer Qualität verbleiben in der Lösung. Während des Prozesses tritt ein zweiter kinetischer Effekt auf, der auf natürlicher Konvektion basiert: Der Ionentransport von der Anode zur Kathode verändert die Kupferkonzentration im Elektrolyten. Aufgrund der daraus resultierenden Dichteunterschiede sinkt der Elektrolyt neben der Anode und steigt neben der Kathode auf, was zu einem kreisförmigen Strömungsfeld führt.
Die industrielle Anwendung der Kupferelektrolyse verläuft 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 Vorstudien haben gezeigt, dass der bestehende elektrolytische Raffinationsprozess durch gezielte Eingriffe (erzwungene Konvektion) in die vorherrschenden Ionentransportmechanismen zwischen den Elektrodenplatten erheblich beschleunigt werden kann. Gut kontrollierte, gerichtete und konstruktive Strömungsbedingungen können den langsamen, durch Diffusion und natürliche Konvektion angetriebenen Ionentransport erheblich unterstützen. Bislang wurde dieser Aspekt bei der Auslegung der derzeit in Betrieb befindlichen Kupferraffinerien nur rudimentär berücksichtig.
Um das Verhalten der entwickelten Durchflussvorrichtungen zu untersuchen, wurde ein Prüfstand gebaut, der den industriellen Elektrolyseprozess simuliert. Der Prozess besteht aus zwei Gleichstromquellen, die die gewünschten elektrischen Spannungen und Ströme erzeugen. Die Kupferelektrolyse findet in einem großen Tank statt, in dem Anoden und Kathoden parallel angeordnet sind. Während der Elektrolyse wird der Elektrolyt zunehmend verunreinigt und erhitzt. Eine Umwälzpumpe transportiert den Elektrolyten vom Elektrolysetank zum Liberator, wo die Kupfermenge in der Lösung reduziert wird. Nach der Liberation wird der Elektrolyt im Konditionierer aufbereitet. Im Konditionierer wird der Säuregrad angepasst und gegebenenfalls werden noch im Elektrolyten gelöste unedle Metalle vorab ausgefällt. Bei Bedarf wird auch ein Temperaturmanagementsystem implementiert. Nach dem Konditionierer wird der Elektrolyt in den Elektrolysetank zurückgeführt.