Jatkuvatoiminen ioninvaihto ja kompleksoituvien metallien sorptio kloridiympäristössä

Työn tarkoituksena oli tutkia kompleksoituvien metallien erotusta kloridiliuoksesta ioninvaihdolla. Kirjallisessa osassa perehdyttiin metallikompleksien muodostumiseen, ja erityisesti hopean, kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin muodostamiin komplekseihin kloridin ja nitraatin kanssa. Kirjallisessa osassa käsiteltiin myös metallien erottamista kiintopetikolonneissa jatkuvatoimisilla ioninvaihtomenetelmillä. Tässä työssä jatkuvatoimisen ioninvaihdon prosessivaihtoehdot jaoteltiin pyöriviin ja paikallaan pysyviin kolonneihin, sekä tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtoja kolonnien kytkentöjen suhteen. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahdenarvoisten metallien erottamista yhdenarvoisista metalleista sekä luotiin koedataa vastaavanlaisen erotusprosessin simulointiin. Kokeissa käytettiin anioninvaihtohartsia ja kelatoivaa selektiivistä ioninvaihtohartsia. Kahdenarvoisen kalsiumin, magnesiumin, lyijyn ja sinkin adsorptiota hartseihin tutkittiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Anioninvaihtohartsilla tehtyjen tasapaino- ja kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti sinkkiä kloridiliuoksista, koska sinkki muodostaa stabiileja anionisia klorokomplekseja. Muiden tutkittujen kahdenarvoisten metallien adsorptio hartsiin oli huomattavasti vähäisempää. Tulosten perusteella tutkittu anioninvaihtohartsi on hyvä vaihtoehto sinkin erottamiseen muista tutkituista kahdenarvoisista metalleista kloridiympäristössä. Kelatoivalla hartsilla tehdyt tasapaino- ja kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kloridiliuoksista hyvin kahdenarvoista kalsiumia, magnesiumia, lyijyä ja sinkkiä, mutta ei adsorboi yhdenarvoista hopeaa. Tulosten perusteella kahdenarvoisten metallien erottaminen yhdenarvoisista metalleista voidaan toteuttaa kokeissa käytetyllä kelatoivalla ioninvaihtohartsilla.

Koesuunnitelma kullan talteenottolle vesiliuoksista ioninvaihto materiaaleilla

Tässä kandidaatin työssä käsitellään kullan talteenottoa ioninvaihtomateriaaleilla, sekä kirjallisuuden perusteella on rakennettu koesuunnitelma kullan talteenottoa varten vesipohjaisista liuoksista ioninvaihtomateriaaleilla.

Preparative ion exchange for salt solutions

Työssä tutkittiin moniarvoisten metalliformiaattien valmistusta ioninvaihto-menetelmällä. Kirjallisuustutkimus käsitteleetunnettuja alumiiniformiaatin ja rautaformiaatin valmistusmenetelmiä, kationinvaihtohartsien ominaisuuksia, ioninvaihtohartsien selektiivisyyttä ja alumiinin, raudan, magnesiumin ja sinkin vesikemiaa. Laboratoriokokeiden avulla tutkittiin sinkki-, magnesium-, rauta(II)- ja alumiiniformiaattien valmistusta ioninvaihdolla. Kokeet suoritettiin kolonnissa, joka oli pakattu makrohuokoisella tai geelimäisellä vahvalla kationin-vaihtohartsilla. Hartsi vaihdettiin natriummuodosta metallimuotoon metallikloridi- tai metallisulfaattiliuoksella.Metalli eluoitiin hartsista natriumformiaatilla. Formiaattien valmistus onnistui makrohuokoista vahvaa kationinvaihtohartsia käyttämällä. Rauta(II)formiaatin valmistus oli vaikeampaa kuin muiden formiaattien, koska rauta(II) hapettui osittain rauta(III):ksi valmistuksen aikana. Alumiiniformiaattia valmistettiin käyttäen sekä makrohuokoista että geelimäistä hartsia. Makrohuokoisen hartsin havaittiin soveltuvan geelimäistä hartsia paremmin alumiiniformiaatin valmistukseen. Kungeelimäistä hartsia käytettiin, noin 30 % alumiinista jäi kiinni hartsiin eikä siten eluoitunut. Ioninvaihdon selektiivisyyskertoimien saamiseksi suoritettiin tasapainokokeita. Selektiivisyyskertoimia käytettiin ioninvaihtokolonnin dynaamisessa simuloinnissa. Ioninvaihdon simuloiminen dynaamisella kolonnimallilla onnistui hyvin.

Jäähdytykseen ja täyssuolanpoistoon perustuva lauhteen puhdistus soodakattilalaitoksella

Tämän diplomityön oleellisempana tavoitteena oli tutkia ioninvaihtohartsien pitkäaikaista toiminnallista lämpötilakestävyyttä kirjallisuustutkimuksin ja kuormituskokein. Lisaksi työssä optimoitiin taloudellisesti ja teknisesti paras kytkentävaihtoehto soodakattilan lauhteenpuhdistuslaitokselle. Tässä diplomityössä selvitettiin myös soodakattilan ulospuhallusveden sisältämien veden jälkiannostelukemikaalien ja epäpuhtauksien vaikutusta ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.; Ioninvaihtohartsien lämpötilakestävyyteen liittyvät koeajot suoritettiin Stora Enso Laminating Papers Oy Kotkan tehtaalla. Koeajoja varten oli erikseen suunniteltu koeajolaitteisto, jossa lauhdenäytettä puhdistettiin patruunasuotimella ja sekavaihtimella. Sekavaihtimessa käytettiin vahvoja anioni- ja kationihartseja. Koeajoja oli yhteensä neljäkappaletta ja niissä tutkittiin hartsien lämpötilakestävyyttä ja anionihartsin silikaatti-vuodon riippuvuutta lämpötilasta. Lämpötilakestävyyskoeajoissa käytetyt hartsit lähetettiin Rohm and Haasille analysoitavaksi. Lopulta koeajojen tuloksia verrattiin kirjallisuudessa esitettyihin aikaisempiin tutkimuksiin. Lauhteenpuhdistuslaitoksen kytkentävaihtoehtojen optimoinnissa käytettiin apuna Kotkan ja UPM-Kymmene Oyj Pietarsaaren tehtaiden kokemuksia. Kytkentävaihtoehtojen energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 -180 kg/s. Lisaksi selvitettiin kytkentävaihtoehtojen investointikustannukset ja kertakäyttöhartsien vuotuiset kustannukset laitokselle, jossa syöttöveden virtaus oli 67 kg/s. Ulospuhalluksen talteenottojärjestelmän energiataseet laskettiin kuudelle eri laitokselle, joiden syöttöveden virtaukset olivat 37 - 180 kg/s. Laskelmien lähtökohtana käytettiin kunkin soodakattilan ulospuhallusveden määriä, jotka selvitettiin tehdasvierailujen yhteydessä. Ulospuhallusveden epäpuhtauksien ja jälkiannostelukemikaalien pitoisuudet arvioitiin kattilaveden perusteella. Aikaisempien kokemusten perusteella arvioitiin, että ulospuhallusvesi johdettaisiin lisäveden valmistukseen ennen suolanpoistosarjoja. loninvaihtohartsien kuormituskokeiden ja kirjallisuustutkimusten perusteella oli selkeästi nähtävissä, että etenkin anionihartsin kapasiteetti heikkeni nopeasti lämpötilan ollessa yli 60 °C. Kationihartsin suolanpoistolle kriittinen lämpötilaraja on 100 °C.Lisäksi yli 60 °C:ssa anionihartsi ei pysty poistamaan silikaattia lauhteesta. Seuraavaksi on esitelty lauhteenpuhdistuslaitoksen optimikytkentävaihtoehdot sekä vanhoille että uusille laitoksille. Vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa on käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on erilliset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Uudelle ja vanhalle laitokselle, jossa lauhteet on puhdistettu aikaisemmin mekaanisella suotimella ja lisäveden puhdistuksessa ei ole käytetty sekavaihdinta, paras kytkentävaihto on yhteiset sekavaihtimet lauhteelle ja lisävedelle. Lauhteen puhdistuksessa käytetyt sekavaihtimen toimintalämpötila on 45 °C molemmissa kytkentävaihtoehdoissa. Kertakäyttöhartsien käyttö osoittautui suuressa mittakaavassa kannattamattomaksi. Tämä asia tarvinnee kuitenkin jatkotutkimuksia. Ulospuhallusveden talteenotolla saadaan energiasäästöä 6-53 k¤/a riippuenlaitoksesta. Etenkin soodakattilalaitoksissa, joissa soodakattila ja vedenkäsittelylaitos sijaitsevat lähellä toisiaan, kannattaa ulospuhallusvesi johtaa lisäveden valmistukseen. Jos edellä mainittujen laitosten etäisyydet kasvavat, saattavat ulospuhallusjärjestelmän investointi-kustannukset nousta kohtuuttoman suureksi. Tämä työ osoitti myös, että ulospuhallusveden epäpuhtauksilla ei ole merkittävää vaikutusta kemiallisesti puhdistetun veden laatuun ennen suolanpoistolaitosta ja ioninvaihtohartsien vanhenemiseen.

Arvometallien selektiivinen erottaminen kloridiliuoksista

Työssä tutkittiin jalometallien selektiivistä erottamista kloridiliuoksista synteettisten polymeerihartsien avulla. Laboratoriokokeissa keskityttiin tutkimaan kullan erottamista hydrofiilisen polymetakrylaattipohjaisen adsorbentin avulla. Lähtökohtana oli platinarikaste, joka sisälsi kullan lisäksi platinaa, palladiumia, hopeaa, kuparia, rautaa, vismuttia, seleeniä ja telluuria. Mittauksissa tutkittiin eri metallien ja puolimetallien adsorptiota hartsiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Työssä käytettiin myös adsorption simulointiin monikomponenttierotuksen dynaamiseen mallintamiseen tarkoitettua tietokoneohjelmaa, johon tarvittavat parametrit estimoitiin kokeellisen datan avulla. Tasapainokokeet yhtä metallia sisältäneistä liuoksista osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti kultaa kaikissa tutkituissa suolahappopitoisuuksissa (1-6 M). Kulta muodostaa hartsiin hyvin adsorboituvia tetrakloroauraatti(III)ioneja, [AuCl4]-, jotka ovat erittäin stabiileja pieniin kloridipitoisuuksiin saakka. Suolahappopitoisuudella oli merkitystä ainoastaan raudan adsorptioon, joka kasvoi huomattavasti suolahappopitoisuuden noustessa johtuen raudan taipumuksesta muodostaa hyvin adsorboituvia [FeCl4]--ioneja väkevissä suolahappopitoisuuksissa. Muiden tutkittujen alkuaineiden adsorptiot jäivät alhaisiksi kaikilla suolahappopitoisuuksilla. Rikasteliuoksella tehdyt tasapainokokeet osoittivat, että adsorptiokapasiteetti kullalle riippuu voimakkaasti muista läsnäolevista komponenteista. Kilpaileva adsorptio kuvattiin Langmuir-Freundlich-isotermillä. Kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kullan lisäksi hieman myös rautaa ja telluuria, jotka saatiin kuitenkin eluoitua hartsista täysin 5 M suolahappopesulla ja sitä seuraavalla 1 M suolahappopesulla. Tehokkaaksi liuokseksi kullan desorboimiseen osoittautui asetonin ja 1 M suolahapon seos. Kolonnierotuksen eri vaiheet pystyttiin tyydyttävästi kuvaamaan simulointimallilla.

Ammoniakin talteenottoprosessin kehitys

Diplomityössä kehitettiin ioninvaihtoon perustuva ammoniakin talteenottoprosessi NSSC (Neutral Sulphite Semi Chemical) -prosessin haihduttamon lauhteille. Tarkoituksena oli saada aallotuskartonkitehtaan kemi-kaalikiertoa suljettua ja sitä kautta ammoniakkipäästöjä vähennettyä. Ammoniakki tuli ottaa hyötymuodossa (ammoniakkihöyry tai ammoniumsulfiitti) talteen. Ammoniumsulfiittiliuosta käytetään NSSC-prosessissa keittonesteenä. Kirjallisuusosassa selvitetään strippaukseen perustuvia ammoniakin talteenottomahdollisuuksia. Tutkitaan ioninvaihdon teoriaa ja ammoniumin talteenottoon sopivien ioninvaihtomateriaalien ominaisuuksia ioninvaihtajina. Lisäksi esitetään ioninvaihtoprosesseihin liittyviä laitteistoratkaisuja ja prosessiolosuhteita. Työn kokeellisessa osassa on yleiskuvaus Powerflute Oy Savon Sellun prosesseista ja selvitetään ammoniakin merkitystä tehtaalle. Laboratoriokokein tutkittiin orgaanisten kationihartsien sekä epäorgaanisen luonnon zeoliitin soveltuvuutta ammoniumionien vaihtoon esihaihduttamon lauhteesta. Ammoniakin talteenottoprosessin toimivuutta teollisessa mittakaavassa selvitettiin rakennetulla pilotlaitteistolla suoritettujen kokeiden avulla. Lopuksi tehtiin ammoniakin talteenottoprosessin scale-up: laskettiin prosessin talteenottokapasiteetti, arvioitiin kustannuksia sekä annettiin lausunto prosessin toteutettavuudesta. Laboratoriokokeiden perusteella luonnon zeoliitti ja heikosti hapan ioninvaihtohartsi eivät sovellu ammoniumionien vaihtoon NSSC haihduttamon lauhteista. Vahvasti hapan kationihartsi toimi ammoniumin talteenotossa parhaiten, joten se valittiin pilotkokeiden ioninvaihtomateriaaliksi. Pilotkokeissa ioninvaihtomateriaaliin saatiin sidottua ammoniumia noin 30 g NH4+ / dm3 hartsia, kun materiaalin teoreettinen ioninvaihtokapasiteetti oli 32 g NH4+ / dm3 hartsia. Ammoniumin läpäisykäyrien muotoon vaikutti suuresti syöttölauhteen virtausnopeus ja ammoniumpitoisuus. Ioninvaihtomateriaalipedin syvyydellä ei ollut niinkään merkitystä. Pilotkokeiden regenerointitavoista tehokkaimmaksi osoittautui höyrystrippaus, jossa saavutettiin noin 90 %:n talteenottotehokkuus. Rikkihapokekäsittelyllä talteenottotehokkuus jäi 50 %:iin. Teollisen mittakaavan laitoksella voidaan vuosittain regenerointitavasta riippuen ottaa talteen esihaihdut-tamon lauhteesta noin 100-150 tonnia ammoniakkia. Prosessin käyttökustannukset ovat talteenotetusta ammoniakista saataviin säästöihin verrattuna suuret ja niihin vaikuttaa merkittävästi ioninvaihtohartsin käyttöikä sekä regenerointikemikaalien kulutus. Osittaisella kemikaalikierron sulkemisella saavutetaan NSSC-prosessissa sekundäärietuja, joiden vaikutuksen merkittävyys pitäisi tarkentaa lisätutkimuksilla.

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.

Arseenin käyttö sinkkitehtaan koboltinpoistoon

Työssä selvitettiin kuparielektrolyysissä syntyvän sivutuotteen, arseenitrioksidin, soveltuvuutta The New Boliden Kokkola Zinc Oy:n sinkkitehtaan liuospuhdistuksen koboltinpoistovaiheeseen. Nykyään sinkkitehtaalla käytetään puhdasta arseenitrioksidia koboltinpoiston apuaineena. Tällä hetkellä kuparielektrolyysin arseenista valmistetaan puunsuoja-aineita. Lainsäädäntö muuttuu siten että tulevaisuudessa kyseisten puunsuoja-aineiden käyttöä tullaan yhä rajoittamaan. Kun puunsuoja-aineiden kulutus vähenee, täytyy syntyvä arseeni varastoida jätealueelle ellei sille löydetä muuta käyttöä. Arseenin varastointitarve ei lisäänny jos kuparielektrolyysistä saatava arseeni voidaan hyödyntää sinkkitehtaalla. Kuparielektrolyysissä syntyvä arseenitrioksidi ei ole puhdasta. Työssä selvitettiin epäpuh-tauksien vaikutusta sinkkitehtaan liuospuhdistuksen koboltinpoistovaiheeseen. Kokeiden olosuhteet pyrittiin yhdenmukaistamaan sinkkitehtaan koboltinpoistovaiheessa vallitsevia olosuhteita vastaaviksi. Kokeissa käytetyillä arseeniliuosten eri epäpuhtaustasoilla ei havaittu olevan selkeää eroa liuospuhdistuskyvyssä. Koetulokset antavat viitteitä siitä, että koboltinpoistoprosessi on oletettua epäherkempi arseeniliuoksen epäpuhtauksien vaikutuksille. Kirjallisuudesta haettiin arseenitrioksidin valmistukseen ja puhdistamiseen liittyvää aineistoa. Valmistusmenetelminä tarkasteltiin valmistusta arseenimalmista ja kuparielektrolyytistä ja puhdistusmenetelminä uudelleenkiteytystä, jäädytys-sulatusprosessia ja ioninvaihtoa. Työssä puhdistettiin kuparielektrolyysin liuospuhdistuksessa syntyvää arseenitrioksidia. Puhdistuslaitteistosta tehtiin alustava prosessisuunnitelma.

Uuttoprosessin suunnittelu

Teknologian kehitys ja prosessien tiukempi valvonta ovat alentaneet selluteollisuuden häviöitä tehden prosesseista suljetumpia. Valitettavasti nämä edistysaskeleet teknologiassa ovat lisänneet prosessiin kuulumattomien yhdisteiden määrää kemikaalien talteenottokierrossa. Näistä kemikaaleista haitallisimpia ovat kloridi- ja kaliumyhdisteet, jotka tulevat prosessiin raaka-aineiden ja prosessikemikaalien mukana. Kloridi ja kalium muodostavat emäksisissä liuoksissa epäorgaanisia liukoisia yhdisteitä, jotka rikastuvat lipeäkiertoon. Soodakattilassa kloridien läsnäolo alentaa tuhkan sulamislämpötilaa sekä tarttumispistettä, lisää korroosiota ja saostumien muodostumista kattilan pinnalle. Nämä seuraukset voivat vähentää vuosituotantoa ja nostaa korjauskustannuksia. Kaliumin ja kloridin rikastumista talteenottokiertoon voidaan estää poistamalla ne prosessista. Prosessiin kuulumattomat yhdisteet tulisi poistaa talteenottoprosessista ja säilyttää samalla korkea kemikaalien talteenottoprosentti. Koska kaliumin ja kloridin rikastumiskertoimet soodakattilan tuhkassa ovat korkeita, on tuhkan käsittely tehokasta. Kloridin ja kaliumin poistoon on kehitetty menetelmiä, joilla voidaan vähentää hyödyllisten kemikaalien häviöitä. Näitä menetelmiä ovat uutto, ioninvaihto, elektrodialyysi, jäähdytyskiteytys ja haihdutuskiteytys. Menetelmissä tuhka jaetaan kloridi- ja kaliumpitoiseen osaan ja natriumsulfaattipitoiseen osaan. Kloridi ja kalium poistetaan prosessista ja loput palautetaan lipeäkiertoon. Kloridin ja kaliumin poistoa tuhkasta tutkittiin uuttamalla tuhkaa vedellä. Parhaissa käyttöolosuhteissa natriumsulfaatin liukoisuus veteen on huomattavasti alhaisempi kuin kaliumkloridin liukoisuus veteen. Optimaalinen uuttolämpötila ja tuhka-vesisuhde määritettiin siten, että kloridi- ja kaliumpitoisuudet suodoksessa olivat mahdollisimman korkeat sekä natriumin ja muiden anioneiden pitoisuudet suodoksessa mahdollisimman alhaiset. Saatuja tuloksia käytettiin jatkuvatoimisen uuttoprosessin suunnittelussa.

Recovery and refining of manganese as by-product from hydrometallurgical processes

The consumption of manganese is increasing, but huge amounts of manganese still end up in waste in hydrometallurgical processes. The recovery of manganese from multi-metal solutions at low concentrations may not be economical. In addition, poor iron control typically prevents the production of high purity manganese. Separation of iron from manganese can be done with chemical precipitation or solvent extraction methods. Combined carbonate precipitation with air oxidation is a feasible method to separate iron and manganese due to the fast kinetics, good controllability and economical reagents. In addition the leaching of manganese carbonate is easier and less acid consuming than that of hydroxide or sulfide precipitates. Selective iron removal with great efficiency from MnSO4 solution is achieved by combined oxygen or air oxidation and CaCO3 precipitation at pH > 5.8 and at a redox potential of > 200 mV. In order to avoid gypsum formation, soda ash should be used instead of limestone. In such case, however, extra attention needs to be paid on the reagents mole ratios in order to avoid manganese coprecipitation. After iron removal, pure MnSO4 solution was obtained by solvent extraction using organophosphorus reagents, di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) and bis(2,4,4- trimethylpentyl)phosphinic acid (CYANEX 272). The Mn/Ca and Mn/Mg selectivities can be increased by decreasing the temperature from the commonly used temperatures (40 –60oC) to 5oC. The extraction order of D2EHPA (Ca before Mn) at low temperature remains unchanged but the lowering of temperature causes an increase in viscosity and slower phase separation. Of these regents, CYANEX 272 is selective for Mn over Ca and, therefore, it would be the better choice if there is Ca present in solution. A three-stage Mn extraction followed by a two-stage scrubbing and two-stage sulfuric acid stripping is an effective method of producing a very pure MnSO4 intermediate solution for further processing. From the intermediate MnSO4 some special Mn- products for ion exchange applications were synthesized and studied. Three types of octahedrally coordinated manganese oxide materials as an alternative final product for manganese were chosen for synthesis: layer structured Nabirnessite, tunnel structured Mg-todorokite and K-kryptomelane. As an alternative source of pure MnSO4 intermediate, kryptomelane was synthesized by using a synthetic hydrometallurgical tailings. The results show that the studied OMS materials adsorb selectively Cu, Ni, Cd and K in the presence of Ca and Mg. It was also found that the exchange rates were reasonably high due to the small particle dimensions. Materials are stable in the studied conditions and their maximum Cu uptake capacity was 1.3 mmol/g. Competitive uptake of metals and acid was studied using equilibrium, batch kinetic and fixed-bed measurements. The experimental data was correlated with a dynamic model, which also accounts for the dissolution of the framework manganese. Manganese oxide micro-crystals were also bound onto silica to prepare a composite material having a particle size large enough to be used in column separation experiments. The MnOx/SiO2 ratio was found to affect significantly the properties of the composite. The higher the ratio, the lower is the specific surface area, the pore volume and the pore size. On the other hand, higher amount of silica binder gives composites better mechanical properties. Birnesite and todorokite can be aggregated successfully with colloidal silica at pH 4 and with MnO2/SiO2 weight ratio of 0.7. The best gelation and drying temperature was 110oC and sufficiently strong composites were obtained by additional heat-treatment at 250oC for 2 h. The results show that silica–supported MnO2 materials can be utilized to separate copper from nickel and cadmium. The behavior of the composites can be explained reasonably well with the presented model and the parameters estimated from the data of the unsupported oxides. The metal uptake capacities of the prepared materials were quite small. For example, the final copper loading was 0.14 mmol/gMnO2. According to the results the special MnO2 materials are potential for a specific environmental application to uptake harmful metal ions.

Nikkelille selektiivisen kelatoivan adsorbenttimateriaalin valmistus ja tutkiminen

Metallien laajamittaisen ja runsaan käytön vuoksi nykyään on keskityttävä aikaisempaa tarkemmin metallipäästöjen estämiseen ja puhdistamiseen. Metallien puhdistamiseen jätevesistä voidaan käyttää erilaisia yksikköoperaatiomenetelmiä, mutta selektiivisempään erotukseen päästään ioninvaihto- ja adsorbenttimateriaaleilla. Työn tarkoitusena on valmistaa ja tutkia nikkeliselektiivisiä adsorbenttimateriaaleja. Lisäksi tutkimuskohteena on nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostuminen eri pH-arvoilla. Selektiivisten adsorbenttimateriaalien valmistaminen onnistuu liittämällä kiinteään kantajaan ligandi. Tämän työn tapauksessa nikkelitemplaatin liittäminen kiinteään kantajaan funktionalisointivaiheessa muodostaa adsorbenttiin nikkelille spesifisen kohdan. Käytännössä spesifisyyden syntyminen ei ole itsestäänselvyys, vaan se riippuu paljon funktionalisointitavasta. Tässä työssä funktionalisointitapana olivat fysikaalinen adsorptio ja impregnointi. Nikkelin ja 1,10-fenantroliinin välisen kompleksin muodostumista tutkittiin eri pH-arvojen lisäksi neljällä eri happokonsentraatiolla. Tuloksia verrattiin sellaisen liuoksen spektriin, missä oli pelkkää nikkeliä. Tuloksista havaittiin, että komplekseja muodostuu käytännössä samalla tavalla pH:n ollessa 1–6. Vasta 5 M HNO3 alkoi heikentää kompleksien muodostumista, ja 10 M HNO3 esti kompleksien muodostumisen täysin. Adsorbenttimateriaaleja valmistettiin useita erilaisia, joihin osaan liitettiin nikkelitemplaatti ja osa jätettiin ilman templaattia. Työssä keskityttiin tutkimaan erityisesti kolmea silikasta valmistettua materiaalia, joissa vain kahdessa oli nikkelitemplaatti. Nikkelitemplaattien olemassaololla ei havaittu olevan juurikaan merkitystä nikkelin erottamiseen vesiliuoksista. Materiaaleille tehdyt regenerointikokeet osoittivat, että materiaalien toiminta ja kapasiteetti eivät olleet toivotulla tasolla.

Arvometallien liuospuhdistus jatkuvatoimisella ioninvaihdolla

Työn tarkoituksena oli tutkia arvometalleja sisältävän liuoksen puhdistamista jat-kuvatoimisella ioninvaihdolla. Teoriaosassa käsitellään ioninvaihdon periaate, sekä jatkuvatoimisen ioninvaihdon laiteratkaisuja ristivirta- ja vastavirtasysteemeissä. Lopuksi esitellään Simuloidun liikkuvapedin (SMB) virtausnopeuksien laske-miseksi käytettävä kolmiomenetelmä. Kokeellisen osan tarkoituksena on demonstroida laboratorioon rakennetun jatku-vatoimisen ioninvaihtimen, Simuloidun liikkuvapedin, käyttö arvometallia sisäl-tävän liuoksen puhdistamiseksi kahdenarvoisista metalli-ioneista. Kokeissa käy-tettiin hopeaa sisältävää NaCl-liuosta, josta pyrittiin puhdistamaan Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionit ekstraktina. Laitteistolla suoritettiin kolme ajoa, joista kaksi edusti vastavirtasysteemiä ja yksi ristivirtasysteemiä. Ensimmäisessä vastavirta-ajossa sekä ekstrakti että raffinaattin erottuva hopealiuos tulivat puhtaina. Toisessa vastavirta-ajossa pyrittiin parantamaan tuottavuutta nostamalla syötön virtausnopeutta, jolloin raffinaatin puhtaus kärsi Pb2+ ja Mg2+-ionien kulkeutuessa liuosfaasin mukana raffinaattiin. Ristivirta-ajossa vain yksi kolmesta raffinaatista saavutti 100 % puhtauden. Kokeet osoittivat, että Mg2+, Ca2+, Pb2+ ja Zn2+-ionien erottaminen hopeaionista on mahdollista käyttämällämme SMB-laitteistolla. Tuottavuuden parantaminen syötön virtausnopeutta nostamalla kuitenkin heikentää puhtautta. Cross-flow-systeemin erilleenkytkettyjen kolonnien ansioista painehäviö on pienempi, mikä mahdollistaa korkeammat virtausnopeudet, mikäli ei vaadita 100 % puhtautta.

Vedenkäsittelyjärjestelmän suunnittelu ja toteutus

Luonnonvedet sisältävät monenlaisia epäpuhtauksia, jotka aiheuttavat ongelmia käytettäessä vettä voimalaitoksissa. Kattilakiveä aiheuttava veden kovuus on yksi tärkeimmistä epäpuhtauksista, joten sen poistaminen on ensisijaista. Partikkelikooltaan suurimmat epäpuhtaudet saadaan poistettua mekaanisesti, mutta pienimpien poistamiseen tarvitaan kemiallisia menetelmiä. Kemiallisista menetelmistä tärkein on ioninvaihto. Ioninvaihdossa vaihdetaan vedessä olevien suolojen positiiviset metalli-ionit vetyioneihin ja negatiiviset epämetalli-ionit hydroksyyli-ioneihin. Näiden reagoidessa syntyy puhtaita vesimolekyylejä. Tässä työssä esitellään Lappeenrannan teknillisen yliopiston Ydinturvallisuuden tutkimusyksikköön vuonna 2011 rakennetun vedenkäsittelylaitteiston suunnittelua ja toteutusta. Vähäisestä kattilaveden tarpeesta johtuen raakavetenä käytetään vesijohtovettä. Vedenpehmennyksen hoitaa Eurowater SM-laitteisto ja täyssuolanpoistoon valittiin Eurowater Silex IIB-laite. Suurin haaste muodostui magneettisille virtausmittareille liian puhtaasta vedestä, koska niiden toiminta vaatii tietyn sähkönjohtavuuden. Tämän korjaamiseksi laitteistoon rakennettiin järjestelmä, joka syöttää suolapitoista pehmennettyä vettä koelaitteelle menevään prosessiveteen.

Hydrometallurgical recovery of valuable metals from secondary raw materials

Wastes and side streams in the mining industry and different anthropogenic wastes often contain valuable metals in such concentrations their recovery may be economically viable. These raw materials are collectively called secondary raw materials. The recovery of metals from these materials is also environmentally favorable, since many of the metals, for example heavy metals, are hazardous to the environment. This has been noticed in legislative bodies, and strict regulations for handling both mining and anthropogenic wastes have been developed, mainly in the last decade. In the mining and metallurgy industry, important secondary raw materials include, for example, steelmaking dusts (recoverable metals e.g. Zn and Mo), zinc plant residues (Ag, Au, Ga, Ge, In) and waste slurry from Bayer process alumina production (Ga, REE, Ti, V). From anthropogenic wastes, waste electrical and electronic equipment (WEEE), among them LCD screens and fluorescent lamps, are clearly the most important from a metals recovery point of view. Metals that are commonly recovered from WEEE include, for example, Ag, Au, Cu, Pd and Pt. In LCD screens indium, and in fluorescent lamps, REEs, are possible target metals. Hydrometallurgical processing routes are highly suitable for the treatment of complex and/or low grade raw materials, as secondary raw materials often are. These solid or liquid raw materials often contain large amounts of base metals, for example. Thus, in order to recover valuable metals, with small concentrations, highly selective separation methods, such as hydrometallurgical routes, are needed. In addition, hydrometallurgical processes are also seen as more environmental friendly, and they have lower energy consumption, when compared to pyrometallurgical processes. In this thesis, solvent extraction and ion exchange are the most important hydrometallurgical separation methods studied. Solvent extraction is a mainstream unit operation in the metallurgical industry for all kinds of metals, but for ion exchange, practical applications are not as widespread. However, ion exchange is known to be particularly suitable for dilute feed solutions and complex separation tasks, which makes it a viable option, especially for processing secondary raw materials. Recovering valuable metals was studied with five different raw materials, which included liquid and solid side streams from metallurgical industries and WEEE. Recovery of high purity (99.7%) In, from LCD screens, was achieved by leaching with H2SO4, extracting In and Sn to D2EHPA, and selectively stripping In to HCl. In was also concentrated in the solvent extraction stage from 44 mg/L to 6.5 g/L. Ge was recovered as a side product from two different base metal process liquors with Nmethylglucamine functional chelating ion exchange resin (IRA-743). Based on equilibrium and dynamic modeling, a mechanism for this moderately complex adsorption process was suggested. Eu and Y were leached with high yields (91 and 83%) by 2 M H2SO4 from a fluorescent lamp precipitate of waste treatment plant. The waste also contained significant amounts of other REEs such as Gd and Tb, but these were not leached with common mineral acids in ambient conditions. Zn was selectively leached over Fe from steelmaking dusts with a controlled acidic leaching method, in which the pH did not go below, but was held close as possible to, 3. Mo was also present in the other studied dust, and was leached with pure water more effectively than with the acidic methods. Good yield and selectivity in the solvent extraction of Zn was achieved by D2EHPA. However, Fe needs to be eliminated in advance, either by the controlled leaching method or, for example, by precipitation. 100% Pure Mo/Cr product was achieved with quaternary ammonium salt (Aliquat 336) directly from the water leachate, without pH adjustment (pH 13.7). A Mo/Cr mixture was also obtained from H2SO4 leachates with hydroxyoxime LIX 84-I and trioctylamine (TOA), but the purities were 70% at most. However with Aliquat 336, again an over 99% pure mixture was obtained. High selectivity for Mo over Cr was not achieved with any of the studied reagents. Ag-NaCl solution was purified from divalent impurity metals by aminomethylphosphonium functional Lewatit TP-260 ion exchange resin. A novel preconditioning method, named controlled partial neutralization, with conjugate bases of weak organic acids, was used to control the pH in the column to avoid capacity losses or precipitations. Counter-current SMB was shown to be a better process configuration than either batch column operation or the cross-current operation conventionally used in the metallurgical industry. The raw materials used in this thesis were also evaluated from an economic point of view, and the precipitate from a waste fluorescent lamp treatment process was clearly shown to be the most promising.

Intensification of Operation of Inclined Plate Settler at Fertilizer Plant

Fertilizer plant’s process waters contain high concentrations of nitrogen compounds, such as ammonium and nitrate. Phosphorus and fluorine, which originate from phosphoric acid and rock phosphate (apatite) used in fertilizer production, are also present. Phosphorus and nitrogen are the primary nutrients causing eutrophication of surface waters. At fertilizer plant process waters are held in closed internal circulation. In a scrubber system process waters are used for washing exhaust gases from fertilizer reactors and dry gases from granulation drums as well as for cooling down the fertilizer slurry in neutralization reactor. Solids in process waters are separated in an inclined plate settler by gravitational sedimentation. However, the operation of inclined plate settler has been inadequate. The aim of this thesis was to intensify the operation of inclined plate settler and thus the solids separation e.g. through coagulation and/or flocculation process. Chemical precipitation was studied to reduce the amount of dissolved species in process waters. Specific interest was in precipitation of nitrogen, phosphorus, and fluorine containing specimens. Amounts of phosphorus and fluorine were reduced significantly by chemical precipitation. When compared to earlier studies, annual chemical costs were almost eight times lower. Instead, nitrogen compounds are readily dissolved in water, thus being difficult to remove by precipitation. Possible alternative techniques for nitrogen removal are adsorption, ion exchange, and reverse osmosis. Settling velocities of pH adjusted and flocculated process waters were sufficient for the operation of inclined plate settler. Design principles of inclined plate settler are also presented. In continuation studies, flow conditions in inclined plate settler should be modelled with computational fluid dynamics and suitability of adsorbents, ion exchange resins, and membranes should be studied in laboratory scale tests.