Crystallization of selected anions and cations from mine waters

The aim of this Master’s thesis was to review some methods that are already being utilized in a field of mine water purification and to find and study possible new methods and chemicals for mine water purification by precipitation. The target was also to list the optimal process conditions for these precipitating chemicals. Separation methods were reviewed for several anions and cations, but being a real topical issue, sulphate removal was selected to be in the main focus. Sulphate salts e.g. Na2SO4 are relatively soluble in water, which makes the separation processes difficult. Eutectic freeze crystallization was studied more closely in laboratory tests for sodium sulphate removal. Gravimetric solubility tests were made for three cases of mixed electrolyte solutions: Na2SO4 – NaOH, BaSO4 – NaOH and Na3PO4 – NaOH. The aim of these experiments was to study the effect of NaOH addition on solubility of the studied salt. These phenomena were however noticed to be difficult to see in the used laboratory tests. Thus mathematical modelling was utilized to contribute the laboratory experiments and to bring additional information of the influence of NaOH presence on solubility of selected electrolytes, Na2SO4 and Na3PO4. The results from mathematical modelling of activity coefficients suggest Na2SO4 and Na3PO4 to be precipitated rather with presence and with higher concentrations of NaOH, since the raise of NaOH concentration decreases the solubility of these electrolytes in water.

Tässä diplomityössä tarkasteltiin sekä tutkimusasteella että jo käytössä olevia menetelmiä ionien poistamiseksi kaivosvesistä kiteytyksellä, sekä etsiä mahdollisia uusia menetelmiä ja kemikaaleja. Tavoitteena oli myös etsiä optimaalisia prosessiolosuhteita näille kemikaaleille. Kirjallisuusosassa esitellään erotusmenetelmiä ja saostuskemikaaleja useille anioneille ja kationeille, mutta natriumsulfaatin ollessa ajankohtainen ongelmakomponentti kaivosvesissä, päätettiin kokeellisessa osassa keskittyä pääasiassa natriumin ja sulfaatin poistoon. Sulfaattien suolat, kuten Na2SO4 ovat suhteellisen liukoisia, mikä tekee saostusprosesseista vaikeita. Eutektisen jäädytyskiteytyksen soveltamista natriumsulfaatin poistoon tutkittiin tarkemmin laboratoriotesteissä. Kokeellisessa osassa suoritettiin myös liukoisuuskokeita kolmelle eri elektrolyyttiliuokselle: Na2SO4 - NaOH, BaSO4 - NaOH ja Na3PO4 - NaOH. Kokeiden tarkoituksena oli tutkia NaOH konsentraation vaikutusta tutkitun suolan liukoisuuteen. Näiden ilmiöiden esiintuomisen katsottiin kuitenkin olevan huomattavan vaikeaa käytettyä koemenetelmää hyödyntäen. Näin ollen päätettiin käyttää matemaattista mallinnusta tuomaan lisätietoa ja tukemaan laboratoriokokeita. Pitzer-yhtälöiden avulla mallinnettiin natriumhydroksidi-konsentraation vaikutusta valittujen elektrolyyttien liukoisuuteen liuoksessa. Mallinnustulosten perusteella on edullista saostaa Na2SO4 ja Na3PO4 natriumhydroksidin läsnä ollessa, sillä natriumhydroksidipitoisuuden nosto pienentää näiden elektrolyyttien liukoisuutta veteen.