Leaching of battery metals from copper smelter slag

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-12-12
Department
Major/Subject
European Mining Course
Mcode
CHEM3052
Degree programme
European Mining, Minerals and Environmental Programme (EMMEP)
Language
en
Pages
42+14
Series
Abstract
In the becoming years, battery demand both in European Union and globally is forecasted to grow exponentially. The utilization of secondary resources like copper slag presents an opportunity to address the need for metal sources countries committed to energy transition. Copper slag has been noticed to have Cu and other metals such as Co, Zn and Ni which could be potentially recovered. However, in the studies conducted, Cu slag acid leaching has faced some challenges. The slag consists of iron and silica-rich fayalite, that in contact with acid forms an insoluble silica gel, which creates difficulties in solid/liquid separation i.e. filtration. In addition, the silica gel structure encapsulates free metal ions and limits their recovery. Currently, metals in slags are often considered as a lost resource. The aim of this thesis was to study the potential to utilize Cu slag as a secondary raw material via hydrometallurgical processing. The literature review suggested that Cu and other metals can be extracted from the slag. However, it is not yet economically viable. The experimental part studied metal extraction from Cu slag with sulfuric acid leaching in different temperatures and pH. Also, sodium hydroxide alkali leaching as a pre-treatment was studies in order to reduce silica gel formation. Based on the results, acid leaching under conditions of pH 1.5 at 80 °C extracted 88.1% Co, 80.1% Cu, 85.5% Fe, 75.2% Ni, and 86.7% Zn from Cu slag. The decrease of pH increased the metal extractions. Further, with prior alkali leaching (4 M NaOH at 80 °C) followed by acid leaching under conditions of pH 1.5 at 80 °C resulted in 84.8% Co, 78.0% Cu, 72.7% Fe, 68.0% Ni, and 84.2% Zn extraction. Majority of the metals extracted within 30 min after the beginning of the experiment, and after 1 h of leaching the metal extractions were stabilized. The temperature decrease from 80 °C to 60 °C in acid leaching improved filterability of the pregnant leach solution, but did not have impact on metals extractions. In addition, the alkali leaching prior acid leaching improved the filterability of Cu slag acid leachate even at 80 °C. The filtration time decreased from >2 h to <10 min in combined alkali and acid leaching tests, in which the acid leaching was performed with similar parameters, indicating that silica gel formation was affected by alkali leaching. Overall, the two-step leaching process, with sodium hydroxide and sulfuric acid, was found to enhance filterability and metal extraction from copper smelter slag.

Tulevien vuosien aikana akkujen kysynnän ennustetaan kasvavan eksponentiaalisesti niin Euroopassa kuin maailmalla. Sekundaaristen resurssien, kuten kuparikuonan, kokonaisvaltainen hyödyntäminen voi vastata metallien kysyntää maissa, jotka ovat sitoutuneet energia muutokseen. Kuparikuonasta on havaittu kiinnostavia määriä kuparia ja muita metalleja, kuten kobolttia, sinkkiä ja nikkeliä. Kuparikuonaa ei kuitenkaan tällä hetkellä käsitellä teollisuudessa, koska kuparikuonan happoliuotus on ollut ongelmallista suodatusongelmien vuoksi. Kuona koostuu rauta- ja piirikkaasta fayaliitista, joka muodostaa hapon kanssa vaikeasti suodattuvaa happoon liukenematonta piigeeliä. Lisäksi piigeelin rakenne saattaa koteloida vapaat metalli-ionit. Tällä hetkellä kuonassa olevat arvometallit luokitellaan hukatuiksi resursseiksi. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia hyödyntää kuparikuonaa sekundaarisena raaka-aineena liuotuksessa. Kirjallisuuskatsauksessa huomattiin, että kuparin ja muiden metallien erottaminen kuonasta on mahdollista. Kokeellisessa osiossa tutkittiin metallien erotusta kuparikuonasta rikkihappoliuotuksella eri lämpötiloissa ja pH:ssa sekä emäksisellä esiliuotuksella (4 M NaOH, 80 °C), että ilman esiliuotusta. Tulosten perusteella happoliuotuksen pH:n ollessa 1.5 ja lämpötilan 80 °C, kuparikuonasta saatiin liuotettua 88.1% Co, 80.1% Cu, 85.5% Fe, 75.2% Ni ja 86.7% Zn. pH:n laskun huomattiin lisäävän metallien liukoisuutta. Yhdistetyllä emäs-happoliuotuksella, jota seurasi rikkihappoliuotus pH:ssa 1.5 lämpötilan ollessa 80 °C, saatiin liuotettua 84.8% Co, 78.0% Cu, 72.7% Fe, 68.0% Ni ja 84.2% Zn. Valtaosa metalleista oli liuennut ensimmäisen 30 min aikana ja tunnin liuotuksen jälkeen metallien liukenemisaste vakiintui. Happoliuotuksessa lämpötilan lasku 80 °C:sta 60 °C:een paransi lietteen suodattuvuutta, mutta sillä ei ollut vaikutusta metallien liukoisuuteen. Lisäksi emäksinen esiliuotus lipeällä paransi liuoksen suodattuvuutta merkittävästi. Suodatusaika laski yli 2 tunnista 10 minuuttiin tai alle yhdistetyllä emäs-happoliuotuksella. Vaikka kaksivaiheisella liuotusprosessilla kuparikuonan suodattuvuutta saatiin tehostettua, lisätutkimus on tarpeellista.
Description
Supervisor
Lundström, Mari
Thesis advisor
Oksanen, Elina
Mäkinen, Jarno
Keywords
copper slag, sulfuric acid, leaching, alkali leaching, hydrometallurgy
Other note
Citation