Ion exchange removal of antimony and bismuth from copper electrolytes

Abstract

Electrorefining is a crucial part of copper production. To ensure the production of high-purity copper cathodes by electrorefining, controlling the concentration of impurities, namely antimony and bismuth, in the copper electrolyte is necessary. Ion exchange (IX) using highly selective chelating resins has been identified as a potential method for removing Sb and Bi from copper electrolytes.

This master’s thesis investigated the IX removal of Sb and Bi from copper electrolytes. More specifically, the aim was to understand how important operating conditions (temperature and flow rate) affect the IX process. Additionally, selective elution of Sb and Bi, and the efficacy of different eluants (H2SO4, HCl, and K-oxalate), were studied through a three-step elution method.

The results demonstrated the viability of removing Sb and Bi from copper electrolytes by IX. Based on the results, the recommended temperature for the loading of Sb and Bi is 63°C and the recommended flow rate is between 7 and 20 BV/h. Sb was determined to be the limiting factor during the loading stage, with earlier breakthroughs and worse retention than Bi. Elution of Sb and Bi using H2SO4 was found ineffective, regardless of acid concentration. Sb and Bi are both primarily eluted by 6.5 M HCl. The elution results did not reveal any possibility of selectively eluting Sb and Bi using only HCl and H2SO4. K-oxalate elution could limit the accumulation of Fe in the resin, although not eliminate it. A preliminary flow sheet for the IX removal of Sb and Bi from copper electrolytes was created based on the experimental results and reviewed scientific literature.

Elektrolyysi on tärkeä vaihe kuparin tuotannossa. Jotta kuparikatodien korkea puhtaus elektrolyysissa voidaan taata, täytyy elektrolyyttiin anodilta liuenneiden epäpuhtauksien, kuten antimonin ja vismutin, pitoisuuksia pystyä kontrolloimaan. Ioninvaihto (IX), käyttäen korkean selektiivisyyden omaavia kelatoivia hartseja, on yksi menetelmistä, joilla Sb ja Bi voidaan poistaa kuparin elektrolyysiliuoksista.

Diplomityössä tutkittiin Sb:n ja Bi:n erotusta kuparielektrolyyteistä. Erityisesti haluttiin selvittää virtausnopeuden ja lämpötilan vaikutuksia IX-prosessiin. Lisäksi kolmivaiheisen eluointimenetelmän avulla tutkittiin Sb:n ja Bi:n selektiivistä eluointia sekä arvioitiin erilaisten eluenttien (suola- ja rikkihappo sekä kaliumoksalaatilla) toimivuutta.

Tulokset osoittivat, että IX on toimiva menetelmä Sb:n ja Bi:n poistoon kuparielektrolyytistä. Tulosten perusteella suositeltava virtausnopeus latausvaiheelle on välillä 7-20 BV/h ja lämpötilasuositus on 63 °C. Sb osoittautui latausvaiheen rajoittavaksi tekijäksi heikomman retention sekä aikaisemman hartsipedin läpäisyn takia. Sekä Sb:n että Bi:n eluointi rikkihapolla osoittautui tehottomaksi. Sb:n ja Bi:n eluointi tapahtui ensisijaisesti suolahapolla. Eluointikokeiden pohjalta ei löytynyt selvää menetelmää, jolla Sb ja Bi voitaisiin eluoida selektiivisesti, käyttäen pelkästään suola- ja rikkihappoa. Raudan akkumuloitumista hartsiin voidaan vähentää kaliumoksalaattieluoinnilla, mutta K-oksalaatti ei kuitenkaan kykene täysin estämään raudan kertymistä hartsiin. Koetulosten sekä kirjallisuuskatsauksen pohjalta muodostettiin alustava virtauskaavio Sb:n ja Bi:n IX-erotukselle kuparielektrolyytistä.