Treatment of sulphate in mine waters: Recycling perspective

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-09-13
Department
Major/Subject
Prosessit ja tuotteet
Mcode
KE3003
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
114+12
Series
Abstract
Water treatment is essential in mining operations. Mining produces large quantities of contaminated water, which can cause irreparable harm to near water bodies. Sulphate is one of the species found in mine waters and it is particularly problematic when it is in the form of a highly soluble sodium sulphate. Sulphates in water bodies can increase salinity. Due to increasingly stricter discharge limits on compounds in effluents, it is imperative to look for ways to actively reduce the amount of sulphate in mine waters. Lately, reverse osmosis (RO) has become a very popular choice for treatment of waters with high sulphate content. RO is an effective way of purifying water because the membranes used reject salts very effectively. However, the retentate stream with high salinity causes problems because it needs treatment before it can be released into the environment. The literature study presents the process studied in the thesis, different aspects of water in mining processes, RO process principles, and introduces different methods for the treatment of the RO retentate. These include various thermal, chemical precipitation, and membrane technologies. These methods are compared in order to determine the most promising alternative to treat the retentate and to gain a product eligible for selling or recycling back to the process. From the alternatives found, two methods, carbothermal reduction and precipitation as gypsum, are chosen to be examined further. In the applied part of the study, a model of the thermal method is simulated. It contains the concentration of the retentate, crystallisation of anhydrous sodium sulphate (Na2SO4), and the reduction reaction, which produces sodium sulphide (Na2S), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO2). This process is found to be very energy intensive and due to this and the limited amount of information found in literature, this process concept is deemed to require further studies in order for it to be ready for implementation. The precipitation as gypsum is examined through laboratory experiments. It is discovered, that the alkalinity of the retentate limits the sulphate reduction achieved. With the original retentate, a sulphate concentration of approximately 6500 mg/l can be reached. The reduction can be significantly increased by using a pH lowering agent. With the addition of hydrochloric acid (HCl), the sulphate concentration reached is circa 2500 mg/l. The use of a neutralising agent effectively prevents the concentration of sodium hydroxide (NaOH) in the solution for recycling. The precipitation process is simpler and lower in costs compared to the thermal process in addition to more abundant literature data and confirming laboratory results, and therefore, it is found to be the more potential of the two concepts studied.

Veden käsittely on välttämätön osa kaivostoimintaa. Kaivostoiminta synnyttää suuren määrän sille altistunutta vettä, jolla voi olla korjaamattomat vaikutukset lähellä oleviin vesistöissä. Sulfaatti on yksi kaivosvesistä löytyvistä ioneista ja se on erityisen ongelmallinen esiintyessään natriumsulfaattina, erittäin hyvin veteen liukenevana suolana. Vesistöissä sulfaatit lisäävät suolapitoisuutta ja aiheuttavat vesistöjen kerrostumista. Yhä tiukentuvat päästörajat kaivokselta poistettavissa vesissä esiintyville yhdisteille johtavat siihen, että on välttämätöntä löytää keinoja aktiiviseen sulfaatin määrän vähentämiseen kaivosvesissä. Viime aikoina käänteisosmoosista on tullut hyvin suosittu menetelmä suuria sulfaattipitoisuuksia sisältävien vesien käsittelyyn. Käänteisosmoosi on hyvä menetelmä tähän, koska käytetyt kalvot hylkivät suoloja tehokkaasti. Tästä huolimatta menetelmässä syntyvä suuren suolaisuuden sisältävä rejektivirta aiheuttaa ongelmia, koska myös se vaatii käsittelyä. Kirjallisuusosassa käydään läpi työssä tutkittava prosessi, eri aspekteja vesistä kaivosprosesseissa, käänteisosmoosin periaate ja esitellään eri menetelmiä käänteisosmoosin rejektin käsittelyyn. Näihin kuuluu esimerkiksi useita termisiä sekä kalvoihin tai kemialliseen saostukseen perustuvia menetelmiä. Menetelmiä vertaillaan, jotta löydettäisiin sopivin rejektin käsittelytapa, jonka tuote voitaisiin joko kierrättää prosessissa tai myydä. Vaihtoehdoista valitaan kaksi, karboterminen reduktio ja saostaminen kipsinä, joita tutkitaan tarkemmin. Työn soveltavassa osassa kootaan malli, jolla karboterminen reduktio simuloidaan. Malli sisältää rejektin väkevöinnin ja kiteytyksen kidevedettömänä natrium sulfaattina (Na2SO4) sekä reduktio reaktion, joka tuottaa natrium sulfaattia, hiilimonoksidia (CO) sekä hiilidioksidia (CO2). Prosessin todetaan olevan hyvin energiaintensiivinen, sekä siitä löytyvän rajallisen kirjallisuustiedon takia tämän prosessikonseptin todetaan tarvitsevan lisätutkimuksia, jotta se olisi toteutettavissa. Saostusta kipsinä tutkitaan laboratoriokokeiden kautta. Todetaan, että rejektin alkaalisuus rajoittaa saavutettavaa sulfaattireduktiota. Saavutettu sulfaattikonsentraatio on noin 6500 mg/l. Reduktiota voidaan parantaa huomattavasti lisäämällä pH:ta laskevaa reagenssia. Lisäämällä suolahappoa saavutetaan 2500 mg/l suuruinen sulfaattikonsentraatio. Neutraloivan reagenssin lisääminen kuitenkin rajoittaa natriumhydroksidin konsentroimista liuokseen. Saostukseen perustuva prosessi on yksinkertaisempi sekä edullisempi kuin terminen prosessi, minkä lisäksi olemassa oleva suuri määrä kirjallisuutta ja saadut laboratoriokoetulokset kipsin saostuksesta tekevät saostusprosessista potentiaalisemman vaihtoehdon.
Description
Supervisor
Oinas, Pekka
Thesis advisor
Kiuru, Jani
Golam, Sarwar
Keywords
reverse osmosis, retentate, sodium sulphate, gypsum
Other note
Citation