Magnetic and transport properties of II-V diluted magnetic semiconductors doped with manganese and nickel

This thesis is devoted to investigations of three typical representatives of the II-V diluted magnetic semiconductors, Zn1-xMnxAs2, (Zn1-xMnx)3As2 and p-CdSb:Ni. When this work started the family of the II-V semiconductors was presented by only the compounds belonging to the subgroup II3-V2, as (Zn1-xMnx)3As2, whereas the rest of the materials mentioned above were not investigated at all. Pronounced low-field magnetic irreversibility, accompanied with a ferromagnetic transition, are observed in Zn1-xMnxAs2 and (Zn1-xMnx)3As2 near 300 K. These features give evidence for presence of MnAs nanosize magnetic clusters, responsible for frustrated ground magnetic state. In addition, (Zn1-xMnx)3As2 demonstrates large paramagnetic response due to considerable amount of single Mn ions and small antiferromagnetic clusters. Similar paramagnetic system existing in Zn1-xMnxAs2 is much weaker. Distinct low-field magnetic irreversibility, accompanied with a rapid saturation of the magnetization with increasing magnetic field, is observed near the room temperature in p- CdSb:Ni, as well. Such behavior is connected to the frustrated magnetic state, determined by Ni-rich magnetic Ni1-xSbx nanoclusters. Their large non-sphericity and preferable orientations are responsible for strong anisotropy of the coercivity and saturation magnetization of p- CdSb:Ni. Parameters of the Ni1-xSbx nanoclusters are estimated. Low-temperature resistivity of p-CdSb:Ni is governed by a hopping mechanism of charge transfer. The variable-range hopping conductivity, observed in zero magnetic field, demonstrates a tendency of transformation into the nearest-neighbor hopping conductivity in non-zero magnetic filed. The Hall effect in p-CdSb:Ni exhibits presence of a positive normal and a negative anomalous contributions to the Hall resistivity. The normal Hall coefficient is governed mainly by holes activated into the valence band, whereas the anomalous Hall effect, attributable to the Ni1-xSbx nanoclusters with ferromagnetically ordered internal spins, exhibits a low-temperature power-law resistivity scaling.

Microwave Processes in Ferrite-ferroelectric Layered Structure

This work is devoted to investigation of wave processes in new hybrid ferrite/ferroelectric structures. Spin wave devices based on ferrite films have disadvanteges. And their applications are limited. Investigated structures allow to overcome disadvantages. This investigation helps to create new class of devices. Electromagnetic analysis of hybrid spin-electromagnetic waves in ferrite/ferroelectric structures were done. As a result dispersion relation was found. Numerical solution of this dispersion relation gave us follow results. These structures can be effectively tuned by external electric and magnetic field. Methods to increase tuning range were suggested. It was found that such structures have one basic disadvantage which is connected with presence of thick ferroelectric layer. To solve this problem is to use thin ferroelectric films. But this decreases tuning range. It was confirmed by experiment that this structures can be effectively tuned by electric and magnetic fields. Resonance characteristics of ferrite/ferroelectric resonator were succesfully tuned by magnetic and electric field.

Ammonia regeneration in nickel matte chloride leaching

Ammonia can be used as a pH controller in chloride-based metal recovery processes. In chloride conditions, ammonia reacts to ammonium chloride which can be regenerated back to ammonia with lime. Although the regeneration process itself has been known for a long time, the concentrations, non-reacting species, conditions, and even goals are different when comparing the ammonia regeneration process in different industries. The main objective of this thesis was to study the phenomena, equipment, and challenges in ammonia regeneration in the nickel process and to make a preliminary process design. The study concentrated on the regeneration and recovery units. The thesis was made by process simulation and laboratory tests using the current processes as initial information. The results were combined from all of the information obtained during the studies to provide a total process solution, which can be used as a basis when designing an ammonia regeneration process to be used in industry. In particular, it was possible to determine ammonia recovery with a stripping column and the achievement of the desired ammonia water product within the scope of this thesis. The required mass flows and process conditions were also determined. The possible challenges and solutions or further studies to overcome them were provided as well to ease the prediction and design of the ammonia regeneration process in the future. On the basis of the results of this thesis, the ammonia regeneration process can be developed further and implemented in the nickel chloride leaching process.

Improving the competitiveness of electrolytic Zinc process by chemical reaction engineering approach

This doctoral thesis describes the development work performed on the leachand purification sections in the electrolytic zinc plant in Kokkola to increase the efficiency in these two stages, and thus the competitiveness of the plant. Since metallic zinc is a typical bulk product, the improvement of the competitiveness of a plant was mostly an issue of decreasing unit costs. The problems in the leaching were low recovery of valuable metals from raw materials, and that the available technology offered complicated and expensive processes to overcome this problem. In the purification, the main problem was consumption of zinc powder - up to four to six times the stoichiometric demand. This reduced the capacity of the plant as this zinc is re-circulated through the electrolysis, which is the absolute bottleneck in a zinc plant. Low selectivity gave low-grade and low-value precipitates for further processing to metallic copper, cadmium, cobalt and nickel. Knowledge of the underlying chemistry was poor and process interruptions causing losses of zinc production were frequent. Studies on leaching comprised the kinetics of ferrite leaching and jarosite precipitation, as well as the stability of jarosite in acidic plant solutions. A breakthrough came with the finding that jarosite could precipitate under conditions where ferrite would leach satisfactorily. Based on this discovery, a one-step process for the treatment of ferrite was developed. In the plant, the new process almost doubled the recovery of zinc from ferrite in the same equipment as the two-step jarosite process was operated in at that time. In a later expansion of the plant, investment savings were substantial compared to other technologies available. In the solution purification, the key finding was that Co, Ni, and Cu formed specific arsenides in the “hot arsenic zinc dust” step. This was utilized for the development of a three-step purification stage based on fluidized bed technology in all three steps, i.e. removal of Cu, Co and Cd. Both precipitation rates and selectivity increased, which strongly decreased the zinc powder consumption through a substantially suppressed hydrogen gas evolution. Better selectivity improved the value of the precipitates: cadmium, which caused environmental problems in the copper smelter, was reduced from 1-3% reported normally down to 0.05 %, and a cobalt cake with 15 % Co was easily produced in laboratory experiments in the cobalt removal. The zinc powder consumption in the plant for a solution containing Cu, Co, Ni and Cd (1000, 25, 30 and 350 mg/l, respectively), was around 1.8 g/l; i.e. only 1.4 times the stoichiometric demand – or, about 60% saving in powder consumption. Two processes for direct leaching of the concentrate under atmospheric conditions were developed, one of which was implemented in the Kokkola zinc plant. Compared to the existing pressure leach technology, savings were obtained mostly in investment. The scientific basis for the most important processes and process improvements is given in the doctoral thesis. This includes mathematical modeling and thermodynamic evaluation of experimental results and hypotheses developed. Five of the processes developed in this research and development program were implemented in the plant and are still operated. Even though these processes were developed with the focus on the plant in Kokkola, they can also be implemented at low cost in most of the zinc plants globally, and have thus a great significance in the development of the electrolytic zinc process in general.

Lean Duplex -terästen hitsaus

Viime vuosien aikana tapahtunut nikkelin hinnan nouseminen on vaikuttanut austeniittis-ferriittisten ruostumattomien terästen, ns. duplex -terästen kehittämiseen. Niukkaseosteisemmissa lean duplex -teräksissä seostetun nikkelin määrää on vähennetty ja sitä on korvattu typellä ja mangaanilla. Nämä muutokset ko. terästen seostuksessa aiheuttavat haasteita hitsaukselle, erityisesti austeniitti-ferriitti -suhteen säilyttämisessä, sekä sitä kautta iskusitkeyden ja korroosio-ominaisuuksien säilyttämiselle. Suurempi typen osuus myös lisää teräksen hitsisulan viskositeettia, mikä heikentää juuripalkojen hitsauksessa tunkeumaa. Tässsä diplomityössä on tutkittu keinoja helpottaa paksujen (yli 20 mm) lean duplex -teräslevyjen hitsausta käytännön näkökulmasta, sekä parantaa hitsattujen levyjen iskusitkeyttä. Hitsauskokeilla löydettiin hitsausta helpottavia menetelmiä ja kokeista saatiin karsimalla valikoitua hitsausarvot, joilla pystytään hitsaamaan painelaitedirektiivin mukaisesti hyväksyttäviä hitsejä lean duplex -laatuihin LDX2101 ja UR2202.

Mangaaniseosteisen duplex-teräksen hitsattavuus

Diplomityön tavoitteena oli selvittää mangaaniseosteisen LDX2101 duplex-teräksen ja LDX2101 hitsauslisäaineiden hitsausparametrit puikkohitsaus-, MAG-täytelankahitsaus- ja plasmahitsausprosessilla. Toisena tavoitteena oli selvittää lämmöntuonnin vaikutuksia hit-sausliitosten mekaanisiin ominaisuuksiin, iskusitkeyteen (-40 °C) ja ferriitti- / austeniittipitoi-suuksien jakaantumiseen. Tutkittavat hitsit olivat päittäishitsejä ja koelevyjen aineenpaksuus oli 6 mm. Koetulosten perusteella tehtiin hitsausohjeet kyseisille hitsausprosesseille. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty yleisesti duplex-terästen käyttökohteita, mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia sekä duplex-terästen korroosio-ominaisuuksia. Lisäksi on käsitelty eri hitsausprosesseja ja duplex-terästen hitsattavuutta, jossa selvitetään mm. terästen jähmet-tymistä, erkaumia ja faaseja, lämmöntuonnin vaikutuksia ja hitsausliitosten korroosionkestä-vyyttä. Teoriaosassa on kerrottu myös hitsausliitosten tarkastuksesta ja hitsiluokista. Työn kokeellisessa osassa esitellään kokeiden suoritus sekä ainetta rikkova ja ainetta rikko-maton tarkastus. Liitoksille suoritettava koestusohjelma noudatti pääosin menetelmäkoestan-dardin SFS-EN 15614-1 ohjetta. Hitseille tehtiin ainetta rikkomaton tarkastus, joka käsittää silmämääräisen tarkastuksen, pintatarkastuksen ja röntgentarkastuksen. Rikkovaa aineen-koetusta tehtiin sisältäen kovuusmittaukset, vetokokeet, taivutuskokeet jaiskusitkeyskokeet. Lisäksi valmistettiin metallografiset hieet, joita tutkimalla selvitettiin hitsausliitoksen metal-lurgiaa ja määriteltiin ferriitti- ja austeniittipitoisuudet. Kokeiden perusteella on laadittu hit-sausohjeet kullekin hitsausprosessille. Lisäksi kokeellisessa osassa on esitelty tulokset syö-pymäkokeesta, jossa selvitettiin eri materiaalien syöpymiskestävyyttä valkolipeäliuoksessa. Tutkimustuloksien perusteella LDX2102 duplex-materiaali onhyvin hitsattavaa laajalla hit-sausparametrialueella. Mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuus- ja iskusitkeysarvot täyttävät materiaalistandardin SFS-EN10028-7 niille asettamat vaatimukset. Taivutussitkeys ja murto-venymät jäivät kuitenkin osalla koekappaleista vaatimustasoa alhaisemmiksi. Austeniitti- ja ferriittipitoisuudet vastaavat materiaalistandardin vaatimuksia.

Pyridyyliryhmän sisältävien erotusmateriaalien ominaisuudet ja soveltaminen hydrometallurgiassa

Diplomityössä tutkittiin silikarunkoisen, pyridyyliryhmän sisältävän erotusmateriaalin kykyä erottaa selektiivisesti kuparia, nikkeliä, kobolttia ja kadmiumia sinkkisulfaattiliuoksista. Erotuskykyä verrattiin kolonnikokein toiseen kaupalliseen polystyreenidivinyylibentseenirunkoiseen (PS-DVB) erotusmate-riaaliin, jonka funktionaalinen ryhmä on samantyyppinen. Silikarunkoisen erotusmateriaalin happo-emäsominaisuuksia selvitettiin titrauksin. Metallien sitoutumisen kinetiikkaa ja eluointia verrattiin PS-DVB-runkoisen erotus-materiaalin kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin. Lisäksi määritettiin kummankin erotusmateriaalin partikkelikokojakaumat. Silikarunkoisen materiaalin havaittiin turpoavan noin 4 % muutettaessa se vapaastaemäsmuodosta happomuotoon. Turpoaminen oli huomattavasti vähäisempää kuin PS-DVB-runkoisella materiaalilla. Silikarunkoisen erotus-materiaalin titrauksen tuloksena voitiin todeta, että se oli heikosti emäksinen. Titrauskäyrä muistutti PS-DVB-runkoisen erotusmateriaalin titrauskäyrää, vaikka erotusmateriaalien protonoitumisalueet olivat hieman erilaiset. Tämä johtuu siitä, että silikarunkoisen materiaalin funktionaaliset ryhmät poikkeavat rakenteeltaan hieman PS-DVB-runkoisesta materiaalista. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoinen erotusmateriaali adsorboi tutkituista metalleista eniten kuparia ja nikkeliä ja vähiten sinkkiä. Kaikkien tutkittujen metallien eluointi silikarunkoisesta erotusmateriaalista onnistui rikkihapolla toisin kuin PS-DVB-runkoisesta erotusmateriaalista, jonka regenerointiin tarvitaan rikkihappoa tai ammoniumhydroksidia riippuen siitä, mitä metalleja siihen on ladattu.

Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Epäpuhtaudet sinkin uutossa

Työssä tutkittiin metalli- ja anioniepäpuhtauksien myötäuuttautumista sinkin mukana di(2-etyyliheksyyli)fosforihappoalla (D2EHPA). Laboratoriokokeissa selvitettiin pH:n vaikutusta metalliepäpuhtauksien uuttautumiseen pH-alueella -O, l... 3 sekä pesujen vaikutusta sinkillä ladatun orgaanisen faasin metallipitoisuuksiin. Kokeita tehtiin sekä synteettisillä että autenttisilla prosessiliuoksilla. Anionikokeissa tutkittiin raudan ja sinkin vaikutusta kloridin ja fluoridin uuttautumiseen. Synteettisillä liuoksilla tehdyissä kokeissa tutkittiin kadmiumin, koboltin, nikkelin, kuparin sekä antimonin uuttautumista sinkkisulfaattiliuoksesta. Kokeissa havaittiin D2EHPA:n uuttavan sinkkiä selvästi em. metalleja paremmin. Sinkki uuttautui sulfaattiliuoksesta lähes täydellisesti tasapaino-pH:n ollessa yli 2,3. Sinkin jälkeen muista metalleista uuttautui eniten kadmium ja järjestyksessä sitten kupari, koboltti ja nikkeli. Epäpuhtausmetallien myötäuuttautumista lisääntyi uuton tasapaino-pH:n kasvaessa ja väheni sinkkilatauksen kasvaessa. Kahdella peräkkäisellä pesuaskeleella, joissa ensimmäinen pesuliuos sisälsi 5 g/L rikkihappoa ja toinen sekä 15 g/L rikkihappoa että 5 g/L sinkkiä saatiin kaikkien epäpuhtausmetallien pitoisuudet jäämään alle 3 mg/L. Antimonin uuttokokeissa huomattiin antimonin uuttautuvan täydellisesti D2EHPA:lla pH:sta riippumatta pH-alueella0...3. Prosessiliuoksilla tehdyissä kokeissa todettiin D2EHPA:n pystyvän tehokkaasti erottamaan sinkin magnesiumista ßzn,Mg ˜107 ja kadmiumista ßzn,cd ˜106. Havaittiin myös, että mitä suurempi sinkki- ja rautalataus orgaanisessa faasissa on sitä vähemmän magnesiumia ja kadmiumia uuttautuu. Ensimmäisessä pesussa saatiin sekä kadmiumin että magnesiumin pitoisuudet putoamaan keskimäärin 0,1 mg/L eli 30 alkuperäisestä pitoisuudesta. Toisella pesuaskeleella ei enää ollut vaikutusta kadmiumin ja magnesiumin pitoisuuksiin orgaanisessa faasissa. Kokeissa havaittiin myös, että D2EHPA:n latausasteen ylittäessä 0,7 alkaa sinkki-D2EHPA-kompleksit polymeroitua ja faasit eivät enää selkeytyneet helposti. Anionikokeissa huomattiin, ettei D2EHPA uuttanut kloridi tai fluoridi sinkin tai raudan mukana. D2EHPA:n havaittiin myös itsessään sisältävän hieman kloridia.

Koboltin ja nikkelin poisto sinkkisulfaattiliuoksesta ioninvaihdolla

Työssä tutkittiin kahden silikapohjaisen erotusmateriaalin soveltuvuutta nikkelin ja koboltin poistoon sinkkisulfaattiliuoksista. Suurin osa kokeista tehtiin ioninvaihtimella, jonka funktionaalinen ryhmä on iminodietikkahappo. Vertailuerotusmateriaalin toiminta perustui adsorptioon. Liuoksina käytettiin sekä autenttista prosessiliuosta että synteettistä ZnSO4-liousta. Ioninvaihtimen kestävyyskokeissa selvisi, että tutkittu ioninvaihdin kestää hyvin sekä 60 oC lämpötilan että happamia olosuhteita. Emäksisissä liuoksissa silikarunko ei kestä. Jo 0,1 M NaOH-liuos liuottaa merkittävästi hartsia vuorokauden aikana. Vaihtimen vetyionikapasiteetiksi saatiin titrauksella 2,3 mekv/g. Tasapainokokeilla saatiin selville, että ioninvaihdin on selektiivinen nikkelille sinkin suhteen ja että selektiivisyys kasvaa liuoksen pH:n laskiessa. Koboltille ioninvaihdin ei ole selektiivinen sinkin suhteen. Mikäli sinkin pitoisuus on tuhansia kertoja nikkelin pitoisuutta suurempi, ei ioninvaihtimen Ni-selektiivisyys riitä myöskään nikkelille. Synteettisillä ZnSO4-liuoksilla tehtyjen kolonnikokeiden perusteella havaittiin, että tutkitulla ioninvaihtimella voidaan laimeista ZnSO4-liuoksista poistaa nikkeliä selektiivisesti. Nikkelin eluointi onnistui helposti 1 M H2SO4:lla. Vertailukokeen perusteella oli ioninvaihtimen Ni/Zn-selektiivisyys referenssiadsorbentin Ni/Zn-selektiivisyyttä pienempi. Ioninvaihtokolonnin mallintaminen ei onnistunut riittävän hyvin kuvaamaan ioninvaihtimessa tapahtuvaa samanaikaista ioninvaihtoa ja adsorptiota. Sen sijaan kun kolonnissa oli vertailumateriaalina käytetty adsorbentti, saatiin kolonnikokeiden tulokset mallilla hyvin ennustettua.

Nikkelin takaisinuutto karboksyylihappoon perustuvasta uuttoreagenssista

Työssä tutkittiin typpihapon soveltuvuutta nikkelin takaisinuuttoon. Tarkoituksena oli selvittää, millä typpihapon konsentraatioilla orgaaninen faasi, joka koostuu Versatic 10 uuttoreagenssista ja alifaattisesta laimentimesta, alkaa nitrautua tai hapettua ja mitkä ovat mahdolliset sivureaktiot. Lisäksi tutkittiin rikkihapon ja eräiden orgaanisten aineiden kontaminaation vaikutusta uuttoliuokseen. Kirjallisuusosassa kartoitetaan mahdollisten nitrautumisreaktioiden mekanismit, sekä kuvataan laimentimen, uuttoreagenssin ja mahdollisten reaktiotuotteiden ominaisuuksia, sekä niiden mahdollisessa muodostumisessa syntyviä riskejä. Orgaanisen faasin kestotesteissä tutkittavia muuttujia olivat typpi- ja rikkihapon konsentraatio, sekoitusaika, lämpötila, avoin tai suljettu astia sekä vieraiden aineiden kontaminaatio. Kontaminaatiota aiheuttavien orgaanisten materiaalien funktionaaliset ryhmät olivat hydroksi-, karbonyyli- ja amiiniryhmät, joiden lisäksi tutkittiin syklisen yhdisteen kontaminaatiota. Analyyseissä käytettiin FT-IR- spektroskopiaa, jolla tutkittiin reagenssin funktionaalisen ryhmän reaktioita ja uusien ryhmien muodostumista, sekä seurattiin selkeytyksessä erottumattomien typpiyhdisteiden määrää ja laatua orgaanisessa faasissa. Uuttofaasin koostumuksen muutosta seurattiin myös mittaamalla leimahduspisteen muutosta.

Juotosmurtumat lyijyttömässä aaltojuotoksessa

Elektroniikkatuotannossa käytettävien lyijyä sisältävien materiaalien korvaaminen lyijyttömillä vaihtoehdoilla ei ole niin yksinkertaista, miltä se kuulostaa. Vaikka suuri osa materiaaleista muuttuukin, niin muutoksilla ei saa olla negatiivisia vaikutuksia tuotteiden luotettavuuteen. Diplomityössä tutkittiin lyijyttömillä juotteilla esiintyviä juotosmurtumia. Tavoitteena oli saada selville juotosmurtumia aiheuttavia ominaisuuksia materiaaleissa sekä selvittää aaltojuotoksen prosessiparametrien vaikutus murtumien syntymiseen. Tässä työssä tarkasteltiin alieutektisella tina-hopea-kupari (Sn/3.0Ag/0.5Cu)-juotteella varustetulla aaltojuotoslaitteistolla juotettuja testisarjoja. Juotoslaatua verrattiin eutektisella tina-kupari-nikkeli (SN100C)-juotteella juotettuihin piirilevyihin. Tutkimusta varten suunniteltiin testipiirilevy, jossa käytettiin ainoastaan lyijyttömiä komponentteja. Tutkimuksessa käytettiin kahta eri laminaattimateriaalia sekä kahta eri johdinpinnoitetta. Testilevyjä rasitettiin satunnaistärinätestillä sekä sääkaapissa lämpötilasyklillä. Juotosliitosten laatua ja luotettavuutta tutkittiin valo-, röntgen- ja elektronimikroskoopin avulla.

Epäpuhtauksien poistaminen sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen selektiivisiä ioninvaihtimia

Diplomityössä on tutkittu kuparin, koboltin, nikkelin ja kadmiumin poistamista sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen uusia silikarunkoisia kelatoivia erotusmateriaaleja. Vertailukohteena on käytetty perinteisiä kaupallisia polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja. Laboratoriokokeissa selvitettiin erotusmateriaalien adsorptio- ja ioninvaihto-ominaisuuksia tasapaino- ja kolonnikokeilla. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittiin olosuhteissa, jotka vastaavat prosessisyklin eri vaiheita. Metallien adsorptiomekanismien selvittämiseksi erotusmateriaaleille tehtiin happo-emäs ja sulfaattititraukset. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla saatiin kupari erotettua väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja paremmin. Tutkituilla erotusmateriaaleilla ja ioninvaihtohartseilla ei havaittu merkittävää selektiivisyyttä koboltille, nikkelille tai kadmiumille sinkin ja kuparin läsnä ollessa. Kolonnikokeilla yritettiin löytää paras esikäsittely-lataus-eluointisykli kuparin talteenottoon väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla. Kolonnikokeissa esikäsittely tehtiin laimealla NaOH:lla, jonka jälkeen petiin syötettiin hapanta sinkkisulfaattiliuosta. Eluointi onnistui hyvin laimealla rikkihapolla. Kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että kupari on mahdollista erottaa väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittaessa havaittiin materiaalien kestävän hyvin happoja ja 60 oC:en lämpötilaa. Sitä vastoin alkaalisissa olosuhteissa tapahtui silikan liukenemista. Tutkituilla erotusmateriaaleilla havaittiin kuparin sitoutumista sekä ioninvaihtomekanismin avulla että sitoutuneena neutraalina suolana.

Germaniumin talteenotto ioninvaihtohartseilla

Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa germaniumin talteenottoa happamista hydrometallurgisista sulfaattiliuoksista käyttäen kaupallisia ioninvaihtohartseja. Germaniumin talteenottoa tutkittiin sekä tasapaino- että kolonnikokein syöttöliuoksista joiden pH oli alueella 0,8–3,0. Tutkituista hartseista parhaiten germanium voitiin erottaa käyttäen emäsmuotoista N-metyyli-D-glukamiini-tyyppistä ioninvaihtohartsia (esim. Rohm & Haasin IRA-743). Germaniumille määritettiin adsorptioisotermit tasapainokokein sekä emäs- että happomuotoisilla hartseilla. Adsorptioisotermien perusteella parhaiten germa-niumia adsorboi emäsmuotoinen IRA-743-hartsi kun liuoksen alku-pH oli tutkitun alueen korkein. Lämpötilassa 25 °C kapasiteetti oli 114 mg Ge/g. Tasapainokokein määritettiin emäsmuotoisilla hartseilla germaniumin lisäksi myös kuparia ja kobolttia sisältävillä liuoksilla Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co. Havaittiin, että IRA-743:lla alku-pH:ssa 3,0 Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co olivat selvästi suuremmat kuin muilla tutkituilla hartseilla. Arseenin, nikkelin, sinkin ja rauta(III):n adsorboitumista emäsmuotoiseen IRA-743:een tutkittiin monimetallisella liuoksella syöttöliuoksen pH:n ollessa alueella 1,4–3,6. Kokeissa havaittiin, että hartsi adsorboi hieman Ni:a ja Zn:a tasapaino-pH:n ollessa yli 5,5. Arseenia ei tutkitulla pH-alueella havaittu adsorboituvan. Lisäksi huomattiin, että rauta alkaa saostua pH:n ollessa hieman alle kolme. Kolonnikokeissa havaittiin, että emäsmuotoinen IRA-743-hartsi toimii hyvin germaniumin talteenotossa myös kolonnissa. Pelkästään germaniumia ja kobolttia sisältäneellä liuoksella hartsin dynaamiseksi kapasiteetiksi saatiin 54 mg Ge/g. Germaniumin eluointi IRA-743:sta onnistui parhaiten 0,5 M H2SO4:lla. Kolonnikokeita IRA-743:lla ajettiin myös monimetallisilla liuoksilla, mutta silloin havaittiin hartsin kapasiteetin pienenevän hartsin myrkyttymisen takia.