Magnesium recovery from multimetal process streams
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018-06-05
Department
Major/Subject
Chemical Engineering
Mcode
CHEM3027
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
89+16
Series
Abstract
In this study, a method to extract magnesium from multimetal component nickel sulfide process stream as struvite was developed. Recovery as struvite was chosen based on a techno-economic analysis of different alternatives. The method was tested in laboratory with 25 wt-% ammonium hydroxide and 85 wt-% phosphoric acid as the ammonium and phosphate ion source, respectively. The tests proved struvite precipitation possible from a case process stream with an abundance of Fe2+ and Mn2+ ions. Their effects to struvite recovery and purity were studied. Based on the results iron and manganese removal steps are recommended. Iron removal as iron(III)hydroxide and manganese removal as manganese(II)carbonate were used in this study and they turned out to be efficient according to the ICP -analyses of the solutions. Half of the solution’s initial magnesium was recovered in the struvite recovery step with 30 % co-precipitating in iron and manganese removal steps and rest remaining in the solution. The purities of the struvite products were checked with XRD -analysis. The XRD -patterns matched very well with the reference pattern from literature. Generic process design was done for the proposed process route. The capital investment was calculated to be around 70 M€, operational costs around 1 400 €/h and chemical costs around 10 000 €/h. Based on the laboratory results, the chemical costs can possibly be lowered down to 7 200 €/h but this needs more tests for confirmation. In case it is possible, the struvite price needs to be almost 680 €/t for a payback time of ten years. Struvite does not have a well-developed market yet but the price was estimated 386 €/t. Thus, the process is not too attractive an investment as such. To make the process feasible following areas for development were found and are recommended for further studying. First and foremost is changing the ammonium solution and phosphoric acid in struvite precipitation to diammonium phosphate. Other recommended topics are more efficient manganese recovery so that more magnesium could be recovered as struvite and utilizing the remaining sulfate and ammonium ions for ammonium sulfate fertilizer production. Finally, dehydration/hydration cycle of struvite to dittmarite and back can result in transportation savings. The possible implementation of all suggestions could bring up to 21 M€ yearly income with the current struvite market price meaning a payback time of around three and a half years for the process! In addition, other pros affecting the total process positively to the total process were found. For example, the calcium content decreased by 50 %. The sodium and sulfate contents also decreased around 20 %.Tässä työssä kehitettiin menetelmä magnesiumin talteenottoon nikkelisulfidi tuotannon prosessivirroista. Magnesiumin saostaminen struviittina valikoitui tutkimuskohteeksi tekno-ekonomisen analyysin perusteella. Menetelmää testattiin laboratoriossa, jossa ammonium-ioni lähteenä käytettiin 25 p-% ammoniakkiliuosta ja fosfaatti-ioni lähteenä 85 p-% fosforihappoa. Kokeet osoittivat struviittisaostuksen olevan mahdollista case-liuoksesta, joka sisälsi suuren määrän Fe2+ ja Mn2+ -ioneja. Niiden vaikutuksia struviittisaostukseen ja tuotteen puhtauteen tutkittiin. Tuloksien perusteella molempien poistamista liuoksesta suositellaan puhtaamman tuotteen saamiseksi. Tässä tutkimuksessa rauta saostettiin rauta(III)hydroksidina ja mangaani mangaani(II)karbonaattina. Testiliuoksille tehdyt ICP-analyysit osoittivat menetelmät toimiviksi, tosin vieden mukanaan noin 30 % alkuperäisestä magnesiumista. Kaiken kaikkiaan noin puolet magnesiumista saatiin talteen struviittina viidenneksen jäätyä liuokseen. Struviittituotteille tehtiin XRD -analyysit, joiden tulokset vastasivat erittäin hyvin kirjallisuudesta löydettyä struviittikäyrää. Ehdotetulle prosessille mitoitettiin laitteet, joiden perusteella prosessin hinnaksi laskettiin noin 70 M€. Käyttökustannuksiksi arvioitiin noin 1 400 €/h ja kemikaalikustannuksiksi noin 10 000 €/h. Kemikaalikustannukset voidaan hyvin todennäköisesti saada laskemaan noin 7 200 euroon tunnissa, mutta tämä vaatii vielä lisätutkimusta varmistukseksi. Mikäli se on mahdollista pitäisi struviitin hinnan olla noin 680 €/t, jotta prosessi maksaisi itsensä takaisin kymmenessä vuodessa. Struviitilla ei ole vielä kehittyneitä markkinoita, mutta kerätyn tiedon perusteella sen hinnaksi arvioitiin 386 €/t tässä tutkimuksessa. Prosessi ei siten näytä houkuttelevalta sijoituskohteelta sellaisenaan. Työssä löydettiin kuitenkin muutamia helposti tutkittavia kehityskohteita kannattavuuden parantamiseksi. Tärkeimpänä näistä on diammoniumfosfaatin käyttö ammonium-liuoksen ja fosforihapon sijaan struviittisaostukseen. Muita tapoja tehostaa prosessia ovat sekä mangaanin huolellisempi poisto, jotta kaikki jäljellä oleva magnesium saataisiin talteen struviittina että liuokseen jäävien ammonium- ja sulfaatti-ionien käyttö ammoniumsulfaatti lannoitteen valmistukseen. Lopuksi, struviitin muokkaamista dittmariitiksi ja takaisin suositellaan pienempien kuljetuskustannusten mahdollistamiseksi. Mikäli ehdotetut kehityskohteet on mahdollista implementoida prosessiin, toisivat ne mukanaan noin 21 M€ vuosituoton struviitin nykyisellä markkinahinnalla (386 €/t) eli prosessi maksaisi itsensä takaisin vajaassa kolmessa ja puolessa vuodessa. Tämän lisäksi prosessilla todettiin olevan muitakin hyötyjä. Esimerkiksi vesien käsittelyyn jatkavan liuoksen kalsiumpitoisuus pieneni puoleen tässä työssä tarkastellun prosessin jälkeen. Myös natrium- ja sulfaattipitoisuudet laskivat noin 20 % kumpikin.Description
Supervisor
Oinas, PekkaThesis advisor
Kunnila, JariKiipula, Kaisa
Keywords
magnesium, recovery, struvite, bioleaching
