Experimental investigation of jarosite residue thermal processing
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Authors
Date
2017-12-12
Department
Major/Subject
Sustainable Metals Processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
117+19
Series
Abstract
In hydrometallurgical production of zinc, the leaching stage produces 0.5‒0.9 tons of jarosite leach residue for every ton of zinc produced. Jarosite leach residue contains several potentially recoverable metals that can be critical (In, Ga, Ge, and Sb), precious and valuable (Ag and Au), heavy metals of concern (Cd, As, Pb, and Hg), or unrecovered Zn. The residues are classified as hazardous waste due to the aforementioned heavy metals. Currently, the metals present in the jarosite leach residue are not recovered or utilized, but disposed into the ponds. Therefore, metallurgical treatment of these residues has become more attractive. The purpose of this thesis was to investigate experimentally the thermal processing of jarosite residue. The treatment is divided into two steps (oxidizing and reducing). In the oxidizing step, jarosite is decomposed, sulfates and OH-groups are released, metals are oxidized into their highest oxidation states and an oxide melt is formed. In the reduction step, the melt is reduced, volatile elements are removed to gas phase and a clean slag and a metal phase (speiss) are formed. The aim was to determine the optimal processing times for these steps and study the distribution of elements between the phases. The experiments were carried out in a vertical tube furnace at 1350 °C. Two sets of oxidation experiments were carried out. The first set was conducted under air atmosphere with 65 ml/min air flow rate. The chemical analyses showed that the material had not been efficiently oxidized as even after the longest experiment (256 min), the sulfur content was 21.3 wt.-% when the target is below 1 wt.-%. The air flow rate was quadrupled for the second set to oxidize the material more efficiently. However, this did not show any significant improvement. It was observed that the material was not completely melted during the experiments. SEM backscattered images showed that there were large sulfur precipitates left in the material. The XRD analyses showed that the material consisted mainly of wurtzite (ZnS) and troilite (FeS). In addition, there were magnetite (Fe2+Fe3+2O4), galena (PbS) and sulfur. As the material was not efficiently oxidized in the experimental set up, only one reduction experiment was carried out. The material was first oxidized under O2 atmosphere (65 ml/min, 120 min) and then reduced (CO-CO2, 50:50, 260 ml/min in total, 120 min). The chemical analyses showed that the oxidation was significantly more efficient as O2 was used instead of air, as the sulfur content of the resulting material was 11.7 wt.-%. The removal of Zn and Pb into the gas phase was not sufficient enough as there were 4.6 wt.-% of Zn and 2.1 wt.-% of Pb when the targets are Zn < 1 wt.-% and Pb < 0.3 wt.-%. In further research, it is essential to figure out how the oxidation should be carried out so that the material would be melted completely and, thus, the sulfur content to be decreased to < 1 wt.-%. By adding an oxygen lance to the experimental arrangement the oxidizing gas could be blown directly into the material and, hereby, the oxidation is believed to be more efficient. By adding silica to the material the melting of the material could be promoted. After these problems are solved the optimal processing times for both oxidation and reduction can be investigated more closely.Hydrometallurgisen sinkinvalmistuksen liuotusvaiheessa sivutuotteena tuotetaan 0,5‒0,9 tonnia jarosiittijätettä jokaista tuotettua sinkkitonnia kohden. Jarosiittijäte sisältää kriittisiä metalleja (In, Ga, Ge ja Sb), arvokkaita jalometalleja (Au ja Ag), raskasmetalleja (Cd, As, Pb ja Hg) ja hukattua Zn. Jarosiittijätteen sisältämien raskasmetallien vuoksi se luokitellaan vaaralliseksi jätteeksi. Tällä hetkellä sen sisältämiä metalleja ei oteta talteen tai hyödynnetä, vaan ne päätyvät läjitysalueille. Viime aikoina jarosiittijätteen metallurginen käsittely onkin alkanut herättää kiinnostusta myös ympäristönäkökulman vuoksi. Diplomityössä tarkoituksena oli tutkia kokeellisesti jarosiittijätteen termistä käsittelyä kahdessa vaiheessa, joista ensimmäisessä materiaali sulatetaan ja hapetetaan, ja toisessa vaiheessa sula pelkistetään. Tavoitteena oli selvittää optimaaliset ajat näille kahdelle vaiheelle sekä tutkia, miten eri alkuaineet jakautuvat muodostuvien faasien välillä. Hapetusvaiheessa metallit hapettuvat korkeimpiin hapetustiloihinsa ja oksidisula muodostuu. Pelkistysvaiheessa sula pelkistetään niin, että tuloksena saadaan speissiksi kutsuttu metallifaasi sekä puhdas kuona höyrystyvien aineiden poistuessa kaasufaasiin. Kokeet suoritettiin pystyputkiuunissa 1350 °C lämpötilassa. Hapetuskokeita tehtiin kaksi koesarjaa. Ensimmäinen sarja suoritettiin ilma-atmosfäärissä tilavuusvirtauksella 65 ml/min. Kemiallisen analyysin perusteella materiaali ei ollut hapettunut kokeissa riittävästi, sillä pisimmänkin kokeen (256 min) jälkeen materiaalissa oli rikkiä 21,3 m-% tavoitteen ollessa alle 1 m-%. Toisessa koesarjassa hapetuskokeita tehtiin nelinkertaisella ilman tilavuusvirtauksella, jotta materiaali saataisiin hapettumaan tehokkaammin. Tämä muutos ei kuitenkaan laskenut rikin määrää. Hapetusvaihekokeissa havaittiin myös, ettei materiaali ollut sulanut täydellisesti. Mikrorakennekuvat näyttivät, että materiaaliin oli jäänyt melko suuriakin rikkipitoisia sulkeumia. XRD-analyysin mukaan näytteet koostuivat pääosin wurtsiitista (ZnS) sekä troiliitista (FeS). Lisäksi niissä oli magnetiittia (Fe2+Fe3+2O4), lyijyhohdetta (PbS) ja rikkiä. Koska materiaalia ei saatu hapetusvaihekokeissa hapetettua riittävästi, tehtiin vain yksi pelkistyskoe. Materiaalia hapetettiin O2-atmosfäärissä (65 ml/min, 120 min), minkä jälkeen sitä pelkistettiin CO-CO2 kaasuseoksella (50:50, yht. 260 ml/min, 120 min). Kemiallisen analyysin perusteella hapetus oli huomattavasti tehokkaampi käytettäessä ilman sijasta happea, sillä näytteen rikkipitoisuus oli 11,7 m-%. Zn ja Pb höyrystyminen kaasufaasiin ei ollut riittävää, sillä niiden pitoisuudet materiaalissa olivat Zn 4,6 m-% ja Pb 2,1 m-% tavoitteiden ollessa Zn < 1 m-% ja Pb < 0,3 m-%. Jatkotutkimuksissa oleellista on selvittää, miten hapetusvaiheessa materiaali saadaan sulamaan täysin ja rikkipitoisuus alle 1 m-% tavoitteen. Piidioksidin lisäämisellä saadaan materiaalin sulamista tehostettua. Tulevissa kokeissa happipillin lisääminen koejärjestelyyn mahdollistaa paremman kontaktin kaasun sekä materiaalin välillä. Näiden ongelmien ratkaisemisen jälkeen tulee selvittää optimaalinen aika sekä olosuhteet hapetukselle sekä siirtyä tutkimaan pelkistysvaiheen toteuttamista.Description
Supervisor
Jokilaakso, AriThesis advisor
Salminen, JustinHellstén, Niko
Keywords
jarosite smelting, thermal treatment, element distribution, circular economy