銅電解精製の高速化を目指した電解液流動制御の開発

• Project/Area Number: 13750688
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Metal making engineering
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 高須 登実男 九州工業大学, 工学部, 助教授 (20264129)
• Project Period (FY): 2001 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2002: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2001: ¥1,600,000 (Direct Cost: ¥1,600,000)
• Keywords: 銅電解精製 / 高電流密度 / 数学的モデル / 析出形態 / 不純物濃度 / 分極特性 / 物質移動 / 強制対流

Research Abstract

本研究では、電解液流動を制御することにより銅電解精製の高速化の実現を目指している。高電流密度電解で問題となるのは、アノードの不働態化、カソードにおける密着状態の悪化と純度の低下などである。これらの問題にたいする流動の効果を理論および実験を通して明らかにし、実操業規模の装置への効果的な液流動方法を開発することを目的としている。電極付近の物質移動促進へのガス吹き込み攪拌の適用を提案し、水モデルによりその流動特性を調べた。
銅管に開けた直径0.4mmのオリフィスより、窒素ガスを吹き込んだ。ガスはオリフィスから噴出した後、前方5〜10mmのところで大きな塊を形成し、その後、1〜5mm程度の小さい気泡に分断されていることがわかった。流量を増大させると小さい気泡の生成割合が増加した。気泡の大きさに与える蓄気室容積の影響は小さく、平均気泡径はオリフィス径の0.65乗およびガス速度の0.4乗に反比例する条件であることが推察できた。
容器の端に到達するほど大きな偏流が観察された。4秒程度の間隔で左右に変化しており、その間隔はガス流量には依存していなかった。
ガス流量を増加すると平均速度および平均乱れ成分が増大することがわかった。また下方では速度、乱れ成分ともに低い値を示し、上方では高かった。速度と乱れ成分がほぼ同じ大きさであることがわかった。
壁近傍での速度は、0.1m/s程度であり、レイノルズ数は10^<**>5、物質移動の大きさを表すシャーウッド数は、3600程度と見積もられる。また、乱れ強さを考慮するとShは6500程度と見積もられる。乱れ成分により、物質移動が2倍近く促進されるものと考えられる。
一方、電解時の密度対流による流速は5mm/s程度、Shは10程度であり、ガス吹込みによる対流は、少なくとも密度対流に比較すると、十分に高い物質移動が得られることが確認できた。