Hydrothermal precipitation of nickel and cobalt oxides
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2018-05-08
Department
Major/Subject
Sustainable Metals Processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
109 + 26
Series
Abstract
Nickel and cobalt are commonly utilised throughout many industries and have many different applications. For example, for centuries nickel has been an important alloying element in steelmaking and more recently, both nickel and cobalt - especially in their oxide form – have found increasing usage in the electronics industry e.g. as a part of lithium-ion batteries. The production methods for nickel and cobalt oxides have been the subject of recent studies, which have included investigation of both sol-gel and hydrothermal methods for example. Of these, the hydrothermal method has been proved to provide significant advantages such as more controllable nucleation, particle size and morphology, higher reaction rate, dispersion and pollution controllability due to the closed system process. Previously, hydrothermal methods have been studied for the production of crystalline inorganic compounds like quartz, silicates, phosphates as well as simple and complex oxides/fluorides. Although more recently, metal oxide nanoparticle production has also been investigated. The aim of this study was to investigate the possibility of nickel and cobalt oxide precipitation by hydrothermal methods from chloride containing hydrometallurgical solutions. Separate experiments were performed with synthetic and industrial nickel or cobalt solutions. The synthetic solutions were prepared to mimic the nickel and cobalt chloride solutions remaining after nickel solvent extraction, whilst the industrial solutions were provided by a Norwegian nickel refinery (Nikkelverk AS) – although there was some variation in the concentrations of synthetic and industrial solutions. In the experiments, effect of temperature (120-190 °C), pH (6-10) and oxygen partial pressure (5-15 bar) on precipitation products and their purity was studied. Results showed that the hydrothermal precipitation of nickel oxide was not successful with the parameters investigated, as only nickel hydroxides with impurities such as nickel, calcium and magnesium sulfates and sodium chloride, precipitated. Consequently, these precipitates were annealed in a furnace at 400 °C - for 0.5, 1, 2 and 3 hours, respectively - in order to dehydrate the hydroxides to oxides. With synthetic nickel solution, the best results for nickel hydroxide precipitation were obtained at 150 °C, pH 8 and pO2 = 5 bars. The nickel hydroxide precipitate produced was subsequently annealed at 400 °C for 2 hours and formed nickel oxide with a purity of 77%. For both industrial solutions investigated, the best parameters were 190 °C, pH 8 and pO2 = 10 bars, which gave 76-80% yields of nickel from solution with ~80% purity after annealing. In contrast, cobalt oxide precipitation from synthetic and industrial solutions were successful as 100% precipitation of spinel cobalt oxide occurred directly under the investigated conditions. Optimal parameters for cobalt precipitation from synthetic solution were 150 °C, pH 8 and pO2 = 5 bars, which led to a 100% of oxides, with 98.8% purity and yield of 77.3%. Optimal parameters for industrial solution were 190 °C, pH 10 and pO2 = 10 bars and these led to 100% oxide precipitation of 99.1% purity and yield of 80.1%. From the parameters investigated, the most significant effects were related to pH: for nickel and cobalt (synthetic solution) precipitation pH needed to be above 8, whereas a pH above 10 precipitated 100% of oxides from industrial cobalt solutions. In addition, temperature was also observed to have a significant effect on the final product, as temperatures of 150 °C or above were required in order to precipitate 100% of cobalt oxides.Nikkelillä ja koboltilla on useita eri käyttötarkoituksia, joista tärkeimmät ovat nykypäivänä elektroniikkateollisuudessa. Etenkin litium-ioni patterit ovat suuri nikkelin ja koboltin, ja etenkin niiden oksidien, kuluttaja. Tämän vuoksi nikkeli- ja kobolttioksidien valmistus ja erilaisten valmistumismenetelmien tutkiminen on osoittanut viime aikoina suurta kiinnostusta, tärkeimpinä tutkimuskohteina sol-gel metodi sekä hydroterminen saostus. Hydroterminen saostus on osoittanut useita hyötyjä verrattuna perinteisiin, esimerkiksi pyrometallurgisiin menetelmiin, kuten esimerkiksi kontrolloidumpi ydintyminen, partikkelikoko ja morfologia, korkeampi reaktionopeus ja dispersio sekä mahdollisten saasteiden helpompi kontrollointi suljetun systeemin myötä. Hydrotermistä saostusta on tutkittu epäorgaanisten yhdisteiden, kuten esimerkiksi kvartsin, silikaattien, fosfaattien sekä kompleksisien oksidien ja fluoridien valmistuksessa. Viime aikoina nanokokoisten metallioksidipartikkelien hydroterminen saostus on noussut kiinnostavaksi tutkimusaiheeksi. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia mahdollisuutta saostaa nikkeli- ja kobolttioksideita hydrotermisesti kloridipitoisista liuoksista. Kokeet suoritettiin sekä synteettisillä että teollisilla liuoksilla. Synteettiset liuokset valmistettiin muistuttamaan nikkeli- ja kobolttikloridiliuoksia nikkelin prosessoinnin neste-nesteuuttoprosessin jälkeen ja teolliset liuokset saatiin norjalaiselta Nikkelverk AS nikkelituotantolaitokselta. Synteettisien ja teollisien liuosten konsentraatioissa oli eroja, minkä vuoksi saadut tulokset eivät vastanneet täysin toisiaan. Kokeissa tutkittiin lämpötilan (120-190 °C), pH:n (6-10) ja hapen osapaineen (5-15 bar) vaikutusta saostetun tuotteen koostumukseen, saantoon ja puhtauteen. Nikkelin saostus oksideina testatuissa olosuhteissa ei tuottanut tulosta, sillä nikkeli saostui näissä olosuhteissa hydroksidina. Oksideiden saamiseksi, nikkelihydroksidit dehydroitiin uunissa nikkelioksideiksi. Ajan vaikutusta dehydraatioon tutkittiin varioimalla dehydraatioaikaa (0.5, 1, 2 ja 3 h) 400 °C lämpötilassa. Optimaalisin tapa nikkelioksidin tuottamiseen synteettisestä liuoksesta todettiin olevan kaksivaiheinen prosessi, jossa suoritettiin ensin hydroterminen saostus nikkelihydroksidiksi 150 °C lämpötilassa, pH:n ollessa 8 ja pO2 = 5 baaria. Saostuksen jälkeen saatu hydroksidi dehydratoitiin oksidiksi 400 °C lämpötilassa 2 h ajan. Tämä prosessi tuotti 77% puhdasta nikkelioksidia, jossa epäpuhtauksina esiintyi nikkeli-, kalsium- ja magnesiumsulfaatteja sekä natriumklorideita. Teollisella liuoksella optimaalisimmat prosessiparametrit olivat hydroterminen saostus 190 °C lämpötilassa, kun pH on 8 ja pO2 = 10 baaria. Tämä prosessi johti 76-80% nikkelin saantoon liuoksesta ja oksidien 77% puhtauteen. Kobolttioksidien hydroterminen saostus osoitti että 100% kobolttioksidien saostus onnistui tutkituilla parametreillä. Optimaalisimmat parametrit synteettiselle kobolttiluokselle olivat 150 °C, pH 8 ja pO2 = 5 baaria, jolloin tuloksena oli 100% saostettuja oksideja 99.8% puhtaudella ja 77.3% saannolla. Teollisella liuoksella optimaaliset parametrit olivat 190 °C, pH 10 ja pO2 = 10 baaria, tällöin 100% oksideja saostui 99.1% puhtaudella sekä 80.1% saannolla. Merkittävin epäpuhtaus kobolttioksidisaosteessa oli natriumkloridi. pH oli parametri, jolla oli suurin vaikutus saostukseen. Jotta kobolttioksidia saatiin, pH arvon tuli olla yli 8 synteettiselle kobolttiliuokselle ja yli 10 teolliselle kobolttiliuokselle. Lämpötila vaikutti saosteen koostumukseen suuresti, täydellinen kobolttioksidin saostuminen saatiin kun lämpötila oli yli 150 °C.Description
Supervisor
Lundström, MariThesis advisor
Wilson, BenjaminSeisko, Sipi
Keywords
nickel oxide, cobalt oxide, hydrothermal technology, precipitation, hydrometallurgy