Rare earth elements distribution kinetics in copper matte-slag system

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Date

2019-10-22

Department

Major/Subject

Sustainable Metals Processing

Mcode

CHEM3026

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

89 + 29

Series

Abstract

The use of rare earth elements (REE) is increasing due to the increasing use of hybrid electric vehicles (HEV) and green technology applications. As a result, the in-use stocks of REEs and the amount of end-of-life (EoL) products containing REEs are growing annually. Almost all primary REEs are produced in China. The EU has categorized REEs as being some of the most critical elements mainly since the rest of the world is dependent on China to supply them. The production of REEs is also riddled by the balance problem which leads to overproduction of some REEs and underproduction of others. Recycling of REEs could help alleviate the criticality of REEs and eliminate the balance problem. Currently, however, no REEs are functionally recycled. This thesis studied the time-dependent behaviour of REEs in copper matte-slag system in copper matte smelting conditions. The literature review investigated the resources, production and recycling of REEs as well as the distribution of elements during copper matte smelting. Of the sources for secondary REEs, nickel metal hydride (Ni-MH) batteries were studied more closely. The experimental part focused on the behaviour of REEs in simulated copper flash smelting conditions. The REEs chosen for this work were lanthanum and neodymium, and experiments were conducted in air and argon atmospheres. Sample characterization was conducted using scanning electron microscope energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), electron probe microanalyser (EPMA) and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). The results of this work indicated that the REEs strongly favour the slag phase and the distribution into the slag phase begins almost instantly when the system reaches high temperatures. With increasing contacting time, the REEs distribute more strongly into the slag phase.

Hybridiajoneuvojen ja vihreän teknologian sovellusten määrä on kasvussa ja niiden mukana lisääntyy myös harvinaisten maametallien käyttö. Näiden mukana kasvaa vuosittain harvinaisten maametallien määrä yhteiskunnassa ja elinkaarensa päähän tulevien, harvinaisia maametalleja sisältävien tuotteiden määrä. Lähes kaikki primaariset harvinaiset maametallit tuotetaan Kiinassa. Muu maailma on harvinaisten maametallien suhteen riippuvainen Kiinasta ja se on suurin syy siihen, että EU on luokitellut harvinaiset maametallit kriittisimpien alkuaineiden joukkoon. Harvinaisten maametallien tuotantoon liittyy myös tasapaino-ongelma, joka johtaa joidenkin maametallien ylituotantoon ja toisten alituotantoon. Harvinaisten maametallien kierrätys voisi vähentää niiden kriittisyyttä ja poistaa tasapaino-ongelman, mutta niiden kierrätys on tällä hetkellä käytännössä olematonta. Tässä diplomityössä tutkittiin harvinaisten maametallien ajasta riippuvaista käyttäytymistä kuparikivi-kuona systeemissä kupariliekkisulatusuunissa vallitsevissa olosuhteissa. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin harvinaisten maametallien lähteitä, tuotantoa ja kierrätystä sekä aineiden jakautumista kupariliekkisulatusprosessissa. Harvinaisten maametallien sekundaarisista lähteistä Ni-MH akkuihin syvennyttiin tarkemmin. Kokeellisessa osassa tukittiin harvinaisten maametallien jakautumista kivi- ja kuonafaasien välillä ilma- ja argonatmosfäärissä. Harvinaisista maametalleista tähän työhön valittiin lantaani ja neodyymi. Näytteiden koostumuksen analysointiin käytetyt metodit olivat SEM-EDS, EPMA ja LA-ICP-MS. Työn tuloksista ilmeni, että harvinaiset maametallit suosivat vahvasti kuonafaasia ja niiden jakautuminen kuonafaasiin alkaa lähes välittömästi, kun systeemi saavuttaa korkean lämpötilan. Pidemmillä kontaktiajoilla harvinaiset maametallit jakautuvat vielä vahvemmin kuonafaasiin.

Description

Supervisor

Jokilaakso, Ari

Thesis advisor

Klemettinen, Lassi

Keywords

REE, Ni-MH batteries, kinetics, copper smelting

Other note

Citation