该研究由Weizhi Zeng、Shijie Wang和Michael L. Free共同完成，分别来自美国犹他大学冶金工程系和力拓集团肯尼科特犹他铜业公司。研究论文发表在2016年的《Journal of the Electrochemical Society》期刊上，标题为“Experimental and Simulation Studies of Electrolyte Flow and Slime Particle Transport in a Pilot Scale Copper Electrorefining Cell”。
铜电解精炼（copper electrorefining）是铜冶炼过程中的关键步骤，旨在通过电解的方式去除阳极铜中的杂质，获得高纯度的阴极铜。然而，阳极泥（slime particles）的运输和沉积过程对阴极铜的纯度有重要影响。阳极泥主要由阳极铜中的不溶性杂质组成，如银、铅、砷、锑等。这些杂质通过电解液流动被输送到阴极表面，导致阴极铜的污染。因此，研究电解液流动和阳极泥运输的机制对于优化电解精炼过程、提高阴极铜的纯度具有重要意义。
该研究的主要目标是：通过实验和模拟相结合的方法，研究电解液在电解槽中的流动行为以及阳极泥的运输机制，特别是阳极泥在阴极表面附近的出现频率与阴极铜杂质浓度之间的关系。研究旨在为预测阴极铜的污染提供理论依据，并为优化电解精炼工艺提供指导。
研究分为实验和模拟两部分，具体流程如下：
实验设计
研究使用了一个中试规模的电解槽，槽体由透明材料制成，便于直接观察和记录电解液的流动。电解槽的高度为48英寸，深度为10.875英寸，宽度为7英寸。槽内布置了五个电极，顺序为“阴极-阳极-阴极-阳极-阴极”，形成了四个电极间隙（gap）。电解液从槽体底部流入，顶部流出。实验过程中，使用显微镜和摄像机记录电解液的流动模式，并通过视频分析软件Tracker测量电解液在电极间隙中的流速。
电解液流动测量
通过分析记录的电解液流动视频，研究人员测量了不同高度位置的电解液流速。视频分析软件Tracker能够逐帧跟踪电解液流动中的像素簇，计算其位移和速度。通过建立坐标系和校准长度，研究人员获得了电解液在电极间隙中的垂直流速数据。
模拟建模
研究使用COMSOL Multiphysics软件对电解槽中的电解液流动和阳极泥运输进行模拟。模型包括电解槽的三维几何结构、电极布置、电解液流动方程以及阳极泥的运输方程。模拟考虑了电解液的密度梯度、温度梯度以及电解液的流动模式，特别是电极间隙中的上升流和下降流。
阳极泥运输模拟
模拟中，研究人员从阳极表面释放了4000个直径为2微米的阳极泥颗粒，并跟踪其在电解液中的运动轨迹。通过模拟，研究人员分析了阳极泥颗粒在阴极表面200微米范围内出现的频率，并将其与实验获得的阴极铜杂质浓度进行比较。
数据对比与分析
实验测量的电解液流速与模拟结果进行了对比，验证了模拟的准确性。此外，模拟中阳极泥颗粒的出现频率与实验测得的阴极铜杂质浓度进行了相关性分析，特别是与银、砷等主要杂质的浓度进行了比较。
电解液流动模式
实验和模拟结果表明，电解液在电极间隙中形成了明显的上升流和下降流。上升流主要沿阴极表面流动，而下降流沿阳极表面流动。上升流的速度从底部到顶部逐渐增加，最大速度在1.0 cm/s到1.5 cm/s之间；下降流的速度从顶部到底部逐渐增加，最大速度在1.4 cm/s到1.9 cm/s之间。电解液的流动模式对阳极泥的运输有重要影响。
阳极泥运输机制
模拟结果显示，阳极泥颗粒的运输受到电解液流动的显著影响。从阳极释放的颗粒主要被下降流带到槽体底部，部分颗粒被上升流带到阴极表面附近。在阴极表面200微米范围内，阳极泥颗粒的出现频率与阴极铜的杂质浓度呈现良好的相关性，特别是与银和总杂质浓度的相关性较高（相关系数R²分别为0.80和0.71）。
阴极污染预测
研究表明，阳极泥颗粒在阴极表面附近的出现频率可以用于预测阴极铜的污染程度。通过模拟阳极泥的运输行为，可以优化电解槽的设计和操作条件，减少阴极铜的杂质含量。
该研究通过实验和模拟相结合的方法，详细研究了铜电解精炼过程中电解液的流动模式和阳极泥的运输机制。研究结果表明，电解液的上升流和下降流对阳极泥的运输有显著影响，阳极泥颗粒在阴极表面附近的出现频率与阴极铜的杂质浓度具有良好相关性。这一发现为预测阴极铜的污染提供了理论依据，并为优化电解精炼工艺提供了重要指导。
实验与模拟相结合
研究通过实验测量和数值模拟相结合的方法，全面分析了电解液流动和阳极泥运输的机制，提高了研究的准确性和可靠性。
透明电解槽设计
使用透明材料制成的电解槽，能够直接观察和记录电解液的流动模式，为实验提供了直观的数据支持。
阳极泥运输模拟
通过模拟阳极泥颗粒的运输行为，研究人员能够预测阴极铜的污染程度，为优化电解精炼工艺提供了新的思路。
高相关性结果
研究结果表明，阳极泥颗粒在阴极表面附近的出现频率与阴极铜的杂质浓度具有较高的相关性，特别是与银和总杂质浓度的相关性显著。
该研究不仅深化了对铜电解精炼过程中电解液流动和阳极泥运输机制的理解，还为优化电解槽设计和操作条件提供了科学依据。研究结果具有重要的科学价值和应用价值，能够帮助铜冶炼企业提高阴极铜的纯度，降低生产成本。此外，研究中使用的实验和模拟方法也为其他类似的电化学过程研究提供了参考。