Hull-kennon käyttö kuparielektrolyysissä

Abstract

Työn tarkoituksena oli selvittää, voidaanko Hull-kennoa käyttää apuna todellisessa kuparin raffinointiprosessissa säädettäessä lisäaineiden optimaalista määrää. Teoriaosuudessa käsiteltiin Hull-kennoa, lisäaineiden tasoitus- ja rakenteenparannusmekanismeja ja lisäaineiden annostelua kuparielektrolyysissä. Lisäksi tutkittiin lisäaineiden vaikutuksia Hull-kennolla, polarisaatiomittauksilla, galvanostaattisilla elektrolyyseillä ja käyttäen syklistä voltammografiaa. Edelleen selvitettiin pulssitetun virran vaikutusta virran hyötysuhteeseen ja katodipotentiaaliin sekä virranjakaumaa Hull- kennossa. Lisäksi tarkasteltiin virrantiheyden ja sähkönjohtavuuden vaikutuksia elektrolyysissä. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin eri lisäainemäärien vaikutusta saostetun kuparipinnan laatuun Hull-kennossa. Lisäaineina käytettiin luuliimaa ja tioureaa eri suhteissa, sekä osassa kokeita guaria. Kokeissa tarkkailtiin erityisesti myös virrantiheyden muutosten vaikutusta saostettuun kuparipintaan. Kokeiden kesto ja virran suuruus pysyivät vakioina lukuun ottamatta muutamaa ensimmäistä koetta, joiden avulla kokeisiin parhaiten soveltuvaa ajon kestoa ja virran suuruutta haettiin. Lämpötila ja elektrolyytin koostumus pidettiin myös samoina kaikissa kokeissa. Kokeiden perusteella todettiin, että ajoaikaa pidentämällä katodisaostuman vahvuus kasvoi, jolloin syntyneestä saostumasta oli helpommin nähtävissä eri virrantiheysalueiden vaihtumiskohdat ja eri lisäainemäärien määrän vaikutus katodin pinnan laatuun. Lisäämällä lisäaineita elektrolyyttiin saatiin aikaiseksi selvästi sileämpi pinta kuin ilman lisäaineita. Lisäaineiden eri määrillä ja suhteilla oli myös merkittävä vaikutus katodisaostuman pinnan laatuun. Verrattaessa kokeita toisiinsa havaittiin myös saostumisen nopeutuvan virrantiheyden kasvaessa. Teollisella elektrolyytillä saostettu pinta erosi kokeita varten valmistetulla elektrolyytillä saostetusta pinnasta, ja useita päiviä vanhalla elektrolyytillä (johon lisätyt lisäaineet olivat jo hajonneet ja menettäneet vaikutuksensa) saatu pinta oli epätasaisempi kuin tuoreella elektrolyytillä saostettu.

Purpose of this thesis was to study application of Hull-cell in laboratory scale electrorefining process of copper. Also influence of different commercial organic additives on to the quality of electrodeposition was examined. Theory part consists on the structure description and operational principles of Hull-cell as well as levelling and grain-refining mechanisms of the additives. Also additive addition conditions were studied. Influences of additives were tested by polarization, galvanostatic electrolysis and cyclic voltammetry measurements. Effect of pulsed current on to the current efficiency and cathode potential were also studied. Basic electrochemical concepts such as conductivity, mobility and electric field density were discussed. In the empirical part the effects of different additives on the quality of precipitated copper surface were studied. Used additives were bone glue, thiourea and guar. At the same time the effects of current density changes on the precipitated copper surface were being examined. Electrolysis time, current density as well as temperature and composition of electrolyte solution were kept constant. According to the experimental results thickness of cathode deposit increased with increase of electrolysis time. Effects of current density and concentration of additives were clearly seen on the surface of the cathode deposit. Organic additives improved significantly the quality of the electrode surface. Also type of the additive and concentration had effect on the surface properties. Increased current density led to increase of deposit velocity, which is in accordance with the theory. Much better electrode surface smoothness could be received by using fresh electrolyte solution compared to old one, which included at least partly decomposed additive fragments.