Recovery of Scandium using Antisolvent Crystallization in the Valorization of Scandium-containing Waste Streams

QC 2022-01-24

Abstract

Skandium återfinns brett spridd i jordskorpan och är sällan koncentrerad i malmer. Ett lönsamt alternativ för att garantera en säker tillgång på skandium är att återvinna metallen från avfallsströmmar från gruv- och metallindustri. Valoriseringen av sådana strömmar för att återvinna värdefulla metaller är en förutsättning för att motverka den globala bristen på skandium och andra sällsynta jordartsmetaller. Syftet med denna forskning är att utnyttja kristallisation tillsammans med andra enhetsoperationer i valoriseringen av skandium från avfallsströmmar från produktion av aluminium från bauxit och produktion av titandioxid. En framtida process är tänkt att bestå av enhetsoperationer såsom syralakning, vätske-vätske-extraktion, kristallisation av ett skandiumsalt, kalcinering och metallotermisk reduktion.

Syntetiska stripplösningar samt riktiga stripplösningar med ammoniumfluoridmatris har använts i denna studie. De riktiga stripplösningarna erhölls genom syralakning och vätske-vätske-extraktion av typiska industriella avfallsströmmar och strippning av metallerna från den organiska fasen till en vattenhaltig NH4F-lösning. Förträngningskristallisation med alkohol visade sig vara en effektiv metod för att separera skandium som ammoniumskandiumhexafluorid, (NH4)3ScF6, från sådana stripplösningar, med en högre procentuell återvinning av skandium jämfört med kylkristallisation. Fasjämvikt av ammoniumskandiumfluorider har undersökts i rena NH4F-lösningar och i 3 mol/L NH4F-alkoholblandningar för metanol, etanol, 2- propanol och 1.3-propandiol i koncentrationsområdet 0.5 – 9 mol/L. Lösligheten minskade i ordningen metanol, etanol, 1,3-propandiol och 2-propanol och detta korrelerar med minskningen av den effektiva dielektricitetskonstanten för NH4Falkoholblandningarna. Lösligheten av ammonium-metallfluorider av Ti, Zr, Al och Fe bestämdes i 3 mol/L NH4F-etanolblandningar. (NH4)2TiF6 observerades ha hög löslighet i dessa lösningar, möjligen på grund av förekomsten av titanyljonen i lösning. De andra undersökta ammoniummetallfluoriderna uppvisade jämförbara eller betydligt lägre lösligheter än (NH4)3ScF6. Förträngningskristallisation från stripplösningar innehållande skandium och andra metaller visade att upptaget av metallföroreningarna i den slutliga fasta produkten sker i proportioner som återspeglar deras relativa mängder i stripplösningarna. Emellertid är upptaget av Ti i den fasta produkten minimalt och Ti förblir i lösning.

Effekten av olika processparametrar på kristallstorleksfördelning, morfologi och renhet av (NH4)3ScF6 i en satsvis förträngningskristallisationsprocess undersöktes. Kontroll av övermättnad, tillsatsmetod för lösningsmedlet, omröringsmekanism, extern groddning och tvåstegs-intern groddning studerades. Kontroll av övermättnad genom att reducera koncentrationen lösningsmedel och genom att tillsätta det utspädda lösningsmedlet med en tillräckligt låg tillsatshastighet gav fler större kristaller, men orsakade dock en signifikant breddning av produktens storleksfördelning. Omrörning medelst en turbin med vinklade blad resulterade också i en anmärkningsvärd ökning av kristallstorlek jämfört med en magnetisk omrörare, möjligen på grund av minskad kristallnötning och effektivare omblandning, vilket minskar den lokala övermättnaden som genereras och därigenom undertrycker kärnbildning. Tillsatsen av utspädd etanol (70 och 60 % v/v), när den tillsattes på en gång, orsakade morfologiska förändringar av (NH4)3ScF6 från isodimensionella prismatiska kristaller till långsträckta kristaller. Denna typ av förändring kunde inte observeras under kontrollerad tillsats av utspädd etanol. Detta visar tydligt betydelsen av driftsförhållanden för att manipulera den erhållna produktkvaliteten. Den tekniska genomförbarheten för att återvinna lösningsmedel har också påvisats.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-307372