Hydrometallurgy of Sn and other impurities present in industrial Zn bearing solutions

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-12-15
Department
Major/Subject
Sustainable Metals Processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
106+14
Series
Abstract
During the past 40 years, worldwide zinc consumption has doubled which increases need for secondary raw materials in zinc refining. Secondary zinc-containing raw materials that originate from waste electric equipment (WEEE) or coating materials increasingly contain tin and other impurities that are not typically found from primary zinc concentrates. Consequently, zinc refineries that utilize these types of secondaries must evaluate their suitability for the current unit processes used for treatment. If ended up in zinc electrolysis, tin, bismuth, and tellurium could co-deposit on the zinc cathodes, reduce current efficiency and modify the morphology of the deposit. For this reason, the impurity metal concentrations must be minimized in zinc electrolyte by selection of suitable leaching parameters and solution purification methods beforehand. In this thesis, chemistries and hydrometallurgy of tin, bismuth, and tellurium is studied in sulfuric acid media with secondary zinc-containing dusts. Leaching parameters were chosen to cover a wide range of variable conditions in order to determine the hydrometallurgical behavior of these selected impurities. Leaching experiments, where the acidity of the solution was increased step by step, were conducted to ascertain at which acidity the metals start to dissolve in a sulfate solution. Leaching behavior could be predicted based the experiments performed and Pourbaix diagrams constructed by HSC Chemistry modelling. The results of the work indicate that tin has a low solubility in sulfuric acid media, which is in line with the findings from literature. Under higher acidity conditions (Hot acid leaching) less than 1% of tin is leached into solution and although further increase in acidity increases tin recovery, the recovery remains below 10% with a 120 g/l sulfuric acid concentration. An increase in leaching time and inclusion of air purging was found to slightly increase tin recovery, whereas divalent tin sulfate (SnSO4) showed a marginally higher solubility than the quadrivalent tin oxide (SnO2). Based on this work, it can be determined that almost all the tin would end up within the high lead containing leaching residue. In addition, bismuth and tellurium were shown to be insoluble under weak acid leaching conditions but dissolved significantly with hot acid leaching. Closer inspection indicates that bismuth and tellurium start to dissolve within pH < 1 and pH < 0.5, respectively. Air purging and resulting higher oxidation potential in the solution decreased bismuth leaching and increased tellurium leaching. This research strongly indicates that tin can be recovered in lead containing leaching residue, hence minimizing the possible detrimental effects at later process stages of zinc refining.

Viimeisen 40 vuoden aikana sinkin kulutus on tuplaantunut maailmassa, mikä lisää sekundääristen raaka-aineiden tarvetta sinkin tuotannossa. Sekundääriset sinkkipitoiset raaka-aineet, jotka ovat peräisin elektroniikkajätteistä tai pinnoitemateriaaleista, sisältävät enenevissä määrin tinaa ja muita epäpuhtauksia, joita ei tyypillisesti löydy primäärisistä sinkkirikasteista. Sulatot, jotka vastaanottavat sekundäärisiä raaka-aineita, joutuvat arvioimaan omien yksikköprosessiensa soveltuvuutta raaka-aineiden käsittelyyn. Päätyessään elektrolyysiin tina, vismutti ja telluuri voivat saostua sinkin mukana katodille, heikentää virtahyötysuhdetta ja muokata katodin rakennetta. Tämän takia kyseiset metallipitoisuudet elektrolyytissä on minimoitava sopivien liuotusparametrien ja liuospuhdistusmenetelmien avulla ennen elektrolyysiprosessia. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin tinan, vismutin ja telluuriin käyttäytymistä rikkihappoliuotuksissa yhdessä sekundääristen sinkkipitoisten pölyjen kanssa. Liuotusparametrien valinnassa käytettiin laajasti eri olosuhteita epäpuhtauksien hydrometallurgisen käyttäytymisen arvioimiseksi. Lisäksi suoritettiin liuotuskokeita, joissa liuoksen happamuutta lisättiin asteittain kokeen aikana, minkä tarkoituksena oli selvittää, kuinka korkea happamuus vaaditaan kyseisten metallien liukenemiseen sulfaattiliuoksessa. Epäpuhtauksien liukenemiskäyttäytymistä voidaan ennakoida kokeellisten tulosten ja HSC Chemistry ohjelmalla rakennettujen Pourbaix kaavioiden avulla. Tulokset osoittavat, että tina on niukkaliukoinen metalli rikkihappoliuoksissa, mikä on myös linjassa aiemmin raportoitujen tutkimusten kanssa. Väkevissä happopitoisuuksissa alle 1 % tinasta päätyy liuokseen ja happamuutta yhä nostettaessa tinan liukenevuus lisääntyy, mutta on edelleen alle 10 % 120 g/l rikkihappo konsentraatiossa. Liuotusajan pidentäminen ja ilman puhaltaminen lisäävät tinan liukoisuutta, ja kahdenarvoinen tina sulfaatti (SnSO4) liukenee hieman tehokkaammin kuin neliarvoinen tina oksidi (SnO2). Tulosten perusteella voidaan todeta, että sinkin teollisessa liuotusprosessissa lähes kaikki tina päätyisi osaksi liuotusjäännöstä, lyijysakkaa. Vismutti ja telluuri ovat tinan ohella liukenemattomia heikkohappoliuotuksessa, mutta liukenevat jo merkittävästi väkevimmissä happopitoisuuksissa. Tarkempi tarkastelu osoittaa, että vismutti liukenee, kun pH < 1 ja telluuri liukenee, kun pH < 0.5. Ilmapuhallus ja korkeampi hapetuspotentiaali, pienensi vismutin liukoisuutta ja vastaavasti lisäsi telluurin liukoisuutta. Tämä tutkimus osoittaa, että tina voidaan talteen ottaa lyijysakkaan, mikä näin ollen minimoi tinan mahdollisesti haitalliset vaikutukset myöhemmissä sinkin tuotannon prosessivaiheissa.
Description
Supervisor
Lundström, Mari
Thesis advisor
Wilson, Benjamin
Salminen, Justin
Keywords
tin, bismuth, tellurium, secondary raw material, zinc sulfate, leaching
Other note
Citation