Production of sulphate by-product from mining water concentrate using eutectic freeze crystallisation

Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-10-03
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
87 + 3
Series
Abstract
Large volumes of affected water are a common problem in mining. Water is used in many ways in mining processes, especially in hydrometallurgy, where it is used to mainly extract and transport dissolved metals. The saline water often cannot be discharged without purification due to environmental effects and regulations. A common solution for water recovery is reverse osmosis (RO), which uses pressure and a semi-permeable membrane to desalinate water. The products are dilute solution and saline concentrate. Applying crystallisation methods to treat the concentrate would enable the production of by-product sulphate salts, which have commercial potential. An uncommon but potentially effective crystallisation method is eutectic freeze crystallisation (EFC). The method is based on cooling a saline solution to a salt’s eutectic point, where equilibrium between solid salt, ice and liquid solution exists. EFC is capable of simultaneous production of highly pure salt and ice, with a very high potential water recovery. Another advantage is low energy requirement compared to evaporation. High investment costs have limited industrial use of EFC. This study explored the application of EFC in treating concentrated mine wastewater for sulphate products. The initial experiments studied the individual crystallisations of Na2SO4, K2SO4 and MgSO4 from water. The later experiments focused on crystallising K2SO4 from synthetic solutions with impurities and Na2SO4 from actual mine concentrate. Analysis was carried out by spectrophotometry, ICP-OES and manual thermogravimetric moisture analysis. Eutectic properties of the sulphates were found to be similar to literature data, with minor divergence attributed to cooling equipment. EFC of K2SO4 and Na2SO4*10H2O from mine water was found highly selective and technically suitable. Ice scaling was found to be the main drawback of EFC tests, but manual removal of ice proved to be sufficiently effective. Economical evaluation was done for a Na-based mine concentrate and a hypothetical K-based high concentration feed. The K-based feed was found to be clearly profitable for EFC treatment. The main reasons were higher sulphate market value and feed concentration. Capital cost evaluation suggests a payback period of around two years, with some resistance to cost fluctuation due to relatively low estimated operational expenses. For future study, an in-depth cost analysis for a realistic large-scale EFC process is recommended.

Suuret vesimäärät ovat yleinen ongelma kaivostoiminnassa. Vettä käytetään kaivosprosesseissa monilla tavoilla, erityisesti hydrometallurgiassa, jossa sitä käytetään pääosin liuenneiden metallien talteenotossa ja kuljetuksessa. Suoloja sisältävää vettä ei voida suoraan laskea pois ilman puhdistusta ympäristövaikutusten ja -säädösten takia. Yleinen vedenpuhdistusratkaisu on käänteisosmoosi, joka puhdistaa vedestä suoloja paineen ja puoliläpäisevän kalvon avulla. Tuotteina ovat tehokkaasti laimennettu liuos ja konsentraattiliuos. Konsentraatin käsittely kiteytysmenetelmillä mahdollistaisi sulfaattien valmistuksen kaupallisina sivutuotteina. Eutektinen jäädytyskiteytys (EFC) on vähän käytetty mutta mahdollisesti tehokas kiteytysmenetelmä. Menetelmä perustuu suolaliuoksen jäähdyttämiseen sen eutektiseen pisteeseen, jossa on tasapainotila liuoksen, kiinteän suolan ja jään välillä. EFC pystyy hyvin puhtaan suolan ja jään samanaikaiseen valmistukseen, mahdollistaen korkean puhtaan veden talteenotto-osuuden. Lisäetuna on matala energiankulutus haihdutuskiteytykseen verrattuna. Suuret investointikulut ovat toistaiseksi rajoittaneet EFC:n teollista käyttöä. Tässä työssä tutkittiin EFC:n käyttöä sulfaattituotteiden valmistukseen kaivosvesikonsentraatista. Ensimmäisissä kokeissa tutkittiin suolojen Na2SO4, K2SO4 ja MgSO4 kiteytymistä yhden suolan liuoksista. Myöhemmät kokeet keskittyivät K2SO4:n kiteyttämiseen synteettisistä epäpuhtauksia sisältävistä liuoksista ja Na2SO4:n kiteyttämiseen todellisesta kaivosvesikonsentraatista. Analyysimenetelminä olivat spektrofotometria, ICP-OES ja käsin tehty termogravimetrinen kuiva-ainemääritys. Sulfaattien eutektiset ominaisuudet todettiin olevan kirjallisuusarvoja vastaavia, ja pienet erot arvioitiin liittyvän jäähdytyslaitteistoon. K2SO4:n ja Na2SO4:n kiteytytys kaivosvedestä todettiin olevan hyvin selektiivistä ja teknisesti soveltuvaa. Jään kertyminen lämmönsiirtopinnoille todettiin olevan EFC-kokeiden pääheikkous, mutta jään poisto onnistui manuaalisesti. Taloudellisen arvion perusteella kaivosvesikonsentraattia väkevämpi K-pitoinen syöte olisi kaupallisesti kannattavaa K2SO4:n valmistamiseksi EFC-käsittelyllä. Pääomakulujen arvio viittasi takaisinmaksuajan vastaavalle prosessille olevan noin kaksi vuotta. Tuloksella vaikutti olevan liikkumavaraa kustannusvaihtelun suhteen suhteellisen matalien käyttökulujen takia. Tulevaisuuden tutkimuksille ehdotettiin syvempää kustannusanalyysiä todenmukaiselle, suurikokoiselle EFC-prosessille.
Description
Supervisor
Kulmala, Sakari
Thesis advisor
Kiipula, Kaisa
Järvelä, Eliisa
Keywords
eutectic freeze crystallisation, reverse osmosis, mining, sulphate
Other note
Citation
Collections