Innovative Valorization of Secondary Raw Materials
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2020-10-30
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
118 + app. 82
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 146/2020
Abstract
In order to answer the ever-growing demand for more sustainable metal resources, a number of new and distinct approaches for the treatment of different secondary raw materials were investigated in detail. These included recovery of metals from electric arc furnace dust (EAFD), recovery of tellurium from Doré slag, and recovery of noble metals from base metal sulfate solutions. In the first method, the effect of 27 different lixiviants on the dissolution of electric arc furnace dust (about 12 Mt produced globally every year) was explored. From these results, citric acid was selected as the most suitable medium to produce three base metal fractions—Fe-, Pb- and Zn-rich streams—from the EAFD containing 33.2 wt-% Zn, 17.9 wt-% Fe and 1.6 wt-% Pb. The complete process developed consisted of several metallurgical unit processes including an initial alkaline roasting stage with NaOH at 450 °C, followed by selective leaching with 0.8 M citric acid for 120 min. The residue formed after leaching was shown to be a chemically suitable raw material for reuse in the EAF, whereas the related pregnant leach solution (PLS) could be further purified to produce a Pb-rich residue, and a Zn-rich electrolyte appropriate for use in state-of-the-art metallurgical plants. A new, innovative process flowchart for industrial application was proposed as a result of these findings. The recovery of tellurium from Doré slag produced in a TROF (Tilting, Rotating Oxy Fuel) furnace was also demonstrated via a combined conventional hydrometallurgical and innovative electrochemical route. The Doré slag was first leached (30% aqua regia) to produce a multimetal solution that contained 421 ppm of Te. From the experiments undertaken it was determined that electrowinning (EW) is the preferable Te recovery method at concentrations above 300 ppm, whereas below this threshold value, an innovative method based on electrodeposition redox replacement (EDRR) was demonstrated to be more effective. EDRR was also investigated for Ag recovery from synthetic zinc sulfate solutions (Zn 60 g/L) where the content of Ag varied between 1 ppb to 250 ppm. The investigations show that an exceptionally high enrichment ratio of Ag (9.86) from solution to the electrode could be achieved. Furthermore, although H2 evolution was also shown to affect overall energy efficiency, EDRR was shown to outperform conventional EW. In addition, Pt—present as a trace amount (~1 ppb) in complex multimetal Ni-rich (>140 g/L) industrial process solution—was also successfully recovered by the EDRR method on a novel electrode comprised of pyrolysed carbon, PyC. In this case, the results indicated that high purity (90 wt-% Pt) and extraordinary enrichment ratio (1011) were detected on the electrode surface compared to the industrial process solution. Moreover, it was also found that other precious metals like Pd and Ag could be simultaneously enriched on the PyC electrode surface.Tässä väitöskirjassa tutkittiin valokaariuunipölyn, Doré kuonan ja sulfaattipohjaisten prosessiliuosten sisältämien metallien hyödyntämistä ja kierrättämistä. Ensimmäisessä työn osassa perehdyttiin valokaariuunin pölyn hyödyntämiseen liuottamalla siinä esiintyviä tyypillisiä metalleja (Fe, Pd ja Zn) 27 eri liuottimeen. Tutkituista liuottomista prosessikehitykseen valittiin sitruunahappo. Testeissä käytetty pasutettu valokaariuunipöly sisälsi 33,2 p-% sinkkiä, 17,9 p-% rautaa ja 1,6 p-% lyijyä. Selektiivisen liuotuksen (0,8 M ja 2h) jälkeen saatiin kiinteä liuosjäännös, joka olisi kemiallisesti sopiva syöte valokaariuuniprosessiin, mutta jonka fysikaalisia ominaisuuksia pitäisi kuitenkin muokata esimerkiksi pelletoinnilla. Liuospuhdistuksen jälkeen tutkitussa prosessissa tuotettiin kiinteä lyijypitoinen raaka-aine ja sinkkipitoinen liuos, jotka ovat yhdistettävissä raaka-aineeksi nykyisiin primäärimetalliprosesseihin. Lisäksi työssä esitettiin uudenlainen valokaariuunipölyn käsittelyn juoksukaavio. Toisessa osassa tutkittiin telluurin talteenottoa TROF (Tilting, Rotating Oxy Fuel) Doré-prosessissa tuotetusta kuonasta. Tämä toteutettiin tavanomaisten hydrometallurgisten yksikköprosessien avulla, joihin oli yhdistetty uusi sähkökemialliseen pulssitukseen perustuva menetelmä, EDRR (electrodeposition – redox replacement). Doré kuona liuotettiin ensin 30 til-% kuningasveteen, jonka jälkeen tuotettu monimetalliliuos ([Te] = 421 ppm) johdettiin ensin tavanomaiseen talteenottoelektrolyysiin, ja tämän jälkeen vielä sekundääriseen telluurin talteenottoon EDRR-menetelmällä. Vertailun vuoksi telluurin talteenottoa tutkittiin myös pelkällä talteenottoelektrolyysillä, ja sen havaittiin olevan tehokkain menetelmä liuoksissa, joissa telluuria on yli 300 ppm. Tämän kynnyspitoisuuden alapuolella EDRR-menetelmä oli tehokkaampi yksikköprosessi telluurin talteenottoon. Työn kolmannessa osassa todettiin, että EDRR:n soveltuvuus hopean (1 ppb – 250 ppm) talteenottoon sulfaattipohjaisista sinkkiliuoksista (60 g/L Zn) on erinomainen, ja menetelmää käyttämällä päästiin korkeisiin hopean rikastumiskertoimiin (9,86, määrä liuoksessa vs. elektrodin pinnalla). Tämän lisäksi EDRR:n todettiin olevan huomattavasti perinteistä hopeantalteenottoelektrolyysiä tehokkaampi. Myös platinan talteenottoa tutkittiin EDRR:n avulla teollisesta nikkelisulfaattiliuoksesta (> 140 g/L Ni), jossa platinan konsentraatio oli ~1 ppb. Alhaisesta pitoisuudesta huolimatta platinan rikastumiskerron oli korkea (1011) samoin kuin puhtauskin (n. 90 p-%). Platinan lisäksi onnistuttiin rikastamaan muita liuoksessa olevia arvometalleja (Pd ja Ag). Työssä käytettiin uuden EDRR-menetelmän lisäksi myös aivan uudenlaista elektrodimateriaalia, pyrolysoitua 3D-hiiltä.Description
A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of
Science (Technology) to be defended, with the permission of the
Aalto University School of Chemical Engineering, at a public
examination held at the lecture hall Aluminium of the school on
30.10.2020 at 14:00 o'clock.
The public defense is available only via remote technology.
Remote connection link: https://aalto.zoom.us/j/62885679634
Meeting ID: 628 8567 9634
Supervising professor
Lundström, Mari, Prof., Aalto University, Department of Chemical and Metallurgical Engineering, FinlandThesis advisor
Aromaa, Jari, Dr., Aalto University, FinlandYliniemi, Kirsi, Dr., Aalto University, Finland
Wilson, Benjamin, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
industrial waste/process streams, hydrometallurgical processing, precious metals, circular economy of metals, sustainability, teolliset jäte-/prosessiliuokset, hydrometallurgia, arvometalli, kiertotalous, kestävä kehitys
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Halli, Petteri; Hamuyuni, Joseph; Revitzer, Hannu; Lundström, Mari. Selection of leaching media for metal dissolution from electric arc furnace dust, Journal of Cleaner Production, 164, 2017, 265 – 276.
DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.06.212 View at publisher
-
[Publication 2]: Halli, Petteri; Hamuyuni, Joseph; Leikola, Maria; Lundström, Mari. Developing a sustainable solution for recycling electric arc furnace dust via organic acid leaching, Minerals Engineering, 124, 2018, 1 – 9.
DOI: 10.1016/j.mineng.2018.05.011 View at publisher
-
[Publication 3]: Halli, Petteri; Agarwal, Vivek; Partinen, Jere; Lundström, Mari. Recovery of Pb and Zn from a citrate leach liquor of a roasted EAF dust using precipitation and solvent extraction, Separation and Purification Technology, 236, 2020, 116264.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202009115350DOI: 10.1016/j.seppur.2019.116264 View at publisher
-
[Publication 4]: Halli, Petteri; Wilson, Benjamin, P; Hailemariam, Taye; Latostenmaa, Petri; Yliniemi, Kirsi; Lundström, Mari. Electrochemical recovery of tellurium from metallurgical industrial waste, Journal of Applied Electrochemistry, 50 (1), 2020, 1 – 14.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202009115369DOI: 10.1007/s10800-019-01363-6 View at publisher
-
[Publication 5]: Halli, Petteri; Elomaa, Heini; Wilson, Benjamin, P; Yliniemi, Kirsi; Lundström, Mari. Improved Metal Circular Economy-Selective Recovery of Minor Ag Concentrations from Zn Process Solutions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 5 (11), 2017, 10996 – 11004.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201802091536DOI: 10.1021/acssuschemeng.7b02904 View at publisher
-
[Publication 6]: Halli, Petteri; Heikkinen, Joonas, J; Elomaa, Heini; Wilson, Benjamin, P; Jokinen, Ville; Yliniemi, Kirsi; Franssila, Sami; Lundström, Mari. Platinum recovery from Industrial Process Solutions by Electrodeposition-Re-dox Replacement. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 6 (11), 2018, 14631 – 14640.
Full text in Acris/Aaltodoc: ttp://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812105925DOI: 10.1021/acssuschemeng.8b03224 View at publisher