title: Διερεύνηση της δυνατότητας εμπλουτισμού λατεριτικών υπολειμμάτων εκχύλισης

title: Investigation of the potential beneficiation of laterite leaching residues
Creators: name: Πολιτης Γεωργιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγιναν προσπάθειες εμπλουτισμού ενός υπολείμματος εκχύλισης λατερίτη μέσω αναγωγικής φρύξης και υγρού μαγνητικού διαχωρισμού. Το παραπάνω υπόλειμμα λήφθηκε έπειτα από εκχύλιση σε στήλες με σκοπό την ανάκτηση Ni, Co και άλλων χρήσιμων μετάλλων, χρησιμοποιώντας ως διάλυμα εκχύλισης το θειïκό οξύ. Είναι γνωστό ότι τα (παρα)προϊόντα τα οποία προέρχονται από μεταλλευτικές και μεταλλουργικές διεργασίες αποτίθενται στο περιβάλλον με καταστροφικές συνέπειες για το ίδιο και την υγεία του ανθρώπου, οπότε θεωρείται αναγκαία η αξιοποίηση τους, είτε μέσω της παραγωγής δομικών υλικών με ευεργετικές ιδιότητες είτε μέσω της ανάκτησης από αυτά χρήσιμων μετάλλων. Επίσης, τα αναγωγικά μέσα (πχ. άνθρακας) που χρησιμοποιούνται σε πυρομεταλλουργικές διεργασίες παράγουν μεγάλες ποσότητες 〖CO〗_2, 〖SO〗_2 και για να παραχθούν καταναλώνονται μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Υπό το πρίσμα αυτό, στην παρούσα εργασία κατά τη διαδικασία της αναγωγικής φρύξης ως αναγωγικό μέσο χρησιμοποιήθηκε, εκτός τον άνθρακα, ένα βιοεξανθράκωμα που προήλθε από πυρόλυση υπολειμμάτων ελιάς. Το βιοεξανθράκωμα είναι λιγότερο επιβλαβές για το περιβάλλον διότι περιλαμβάνει επιβλαβή στοιχεία σε χαμηλότερη περιεκτικότητα (π.χ. P, S κ.α.).
Σύμφωνα με την πειραματική διαδικασία, το υπόλειμμα εκχύλισης λατερίτη Κωπαΐδας αρχικά θραύστηκε, και στη συνέχεια λειοτριβήθηκε ώστε να αποκτήσει κατάλληλη κοκκομετρία για τις δοκιμές εμπλουτισμού. Η χημική ανάλυση του αρχικού υπολείμματος εκχύλισης λατερίτη έδειξε ότι η περιεκτικότητα του νικελίου ήταν 0.30 %, ενώ οι περιεκτικότητες του σιδήρου και του αργιλίου ήταν 23 % και 2 %, αντίστοιχα. Από την ορυκτολογική ανάλυση προέκυψε ότι οι κύριες ορυκτολογικές φάσεις του αρχικού υπολείμματος εκχύλισης ήταν ο χαλαζίας, ο αιματίτης και ο γκαιτίτης, με βασικό φορέα του νικελίου το βιλλεμζεΐτη. Πραγματοποιήθηκε αναγωγική φρύξη σε συγκεκριμένους χρόνους παραμονής (30 min, 60 min, 90 min) και θερμοκρασίες (800 °C, 1000 °C, 1200 °C) και με διαφορετικές ποσότητες αναγωγικού μέσου (1.5 g και 3 g). Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα αναγωγικά μέσα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ο άνθρακας και το βιοεξανθράκωμα υπολειμμάτων ελιάς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι βέλτιστες συνθήκες της αναγωγικής φρύξης ήταν: θερμοκρασία φρύξης 1200 °C, χρόνος παραμονής 90 min και ποσότητα αναγωγικού μέσου (άνθρακα ή βιοεξανθράκωμα) 1.5 g. Στις συνθήκες αυτές οι περιεκτικότητες % του μεταλλικού σιδήρου [Fe], καθώς επίσης και των ορυκτών του σιδήρου, αιματίτης και μαγνητίτης αυξάνονταν, ενώ οι περιεκτικότητες % των μη σιδηρούχων, όπως ο χαλαζίας μειώνονταν. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μαγνητικού διαχωρισμού σε εντάσεις ρεύματος 0.2 Α (μονά περάσματα), 1 Α και 2 Α (διαδοχικά περάσματα) για τα δείγματα 10C (10 g στερεά, 1.5 g άνθρακα) και 10B (10 g στερεά, 1.5 g βιοεξανθράκωμα) που αντιστοιχούν στις βέλτιστες συνθήκες (90 min / 1200 °C), ώστε να μελετηθεί η περαιτέρω δυνατότητα εμπλουτισμού του υπολείμματος. Τα προϊόντα του μαγνητικού διαχωρισμού υποβλήθηκαν σε χημικές και ορυκτολογικές αναλύσεις. Οι χημικές αναλύσεις έδειξαν ότι και για τα δύο αναγωγικά μέσα που χρησιμοποιήθηκαν οι περιεκτικότητες % του σιδήρου και του νικελίου αυξήθηκαν στο μαγνητικό προϊόν, ενώ η περιεκτικότητα % του πυριτίου αυξήθηκε στο μη μαγνητικό προϊόν (μονά περάσματα έντασης 0.2 Α και διαδοχικά περάσματα έντασης 1 Α και 2 Α). Επίσης, οι ορυκτολογικές αναλύσεις των προϊόντων του μαγνητικού διαχωρισμού και με τα δύο αναγωγικά μέσα (άνθρακας, βιοεξανθράκωμα) έδειξαν ότι οι κύριες ορυκτολογικές φάσεις που εμφανίζονται είναι ο χαλαζίας, o χριστοβαλίτης, ο χρωμίτης και ο φαϋαλίτης. Αναλυτικότερα, για ένταση ρεύματος 0.2 Α, τα μη μαγνητικά προϊόντα είχαν περισσότερο χριστοβαλίτη και φαϋαλίτη, ενώ τα μαγνητικά προϊόντα είχαν περισσότερο αιματίτη. Επίσης, μεταλλικός σίδηρος [Fe] εμφανίστηκε μόνο στα μαγνητικά προϊόντα. Στα διαδοχικά περάσματα (1 Α και 2 Α) παρατηρήθηκε ότι τα πολύ μαγνητικά προϊόντα είχαν περισσότερο χρωμίτη, αιματίτη και μεταλλικό σίδηρο [Fe], τα ενδιάμεσα μαγνητικά είχαν περισσότερο φαϋαλίτη, ενώ τα μη μαγνητικά προϊόντα είχαν τη μεγαλύτερη ποσότητα χριστοβαλίτη και χαλαζία.

description: In the present thesis, attempts were made to beneficiate a laterite leaching residue through reduction roasting and wet magnetic separation. This residue obtained after column leaching tests used to recover Ni, Co and other useful metals, using sulfuric acid (H2SO4) as the leaching solution. It is known that the (by)products derived from mining and metallurgical processes are disposed of in the environment causing environmental pollution and significant effects on human health, so their valorization either through the production of building materials with beneficial properties or through the recovery of useful metals from them is considered necessary. Also, the reducing agents (e.g. coal) used in pyrometallurgical processes produce large amounts of CO2, SO2, while significant amounts of energy are consumed for their production. In this regard, in the present work, the reduction roasting process was carried out using either carbon or biochar derived from the pyrolysis of olive tree pruning wastes. Biochar is considered an alternative to carbon, as it contains a lower content of harmful elements (e.g. P, S, etc.).
According to the experimental procedure, the Kopaida laterite leaching residue was first crushed, and then ground to obtain a suitable particle size for the beneficiation tests. The chemical analysis of the laterite residue showed that the nickel content was 0.30 %, while the iron and aluminium contents were 23 % and 2 %, respectively. The mineralogical analysis revealed that the main mineral phases present in the residue were quartz [SiO2], hematite [Fe2O3] and goethite [FeO(OH)], while the main nickel bearing mineral was willemseite [(Ni, Mg)3Si4O10(OH)2]. The reduction roasting was performed at specific residence times (30 min, 60 min, 90 min) and temperatures (800 °C, 1000 °C, 1200 °C) using different amounts of reducing agent (1.5 g and 3 g). As previously mentioned, the reducing agents used were activated charcoal and olive tree pruning-based biochar. The results showed that the optimum conditions for the reduction roasting process were: roasting temperature of 1200 °C, residence time of 90 min and reducing agent of 1.5 g. Under these conditions, the % contents of metallic iron [Fe], as well as the iron-based minerals hematite and magnetite increased, while the % contents of the non-ferrous minerals, such as quartz decreased. Then, magnetic separation tests were performed at current intensities of 0.2 A (one pass), 1 A and 2 A (two passes) for the samples 10C (10 g solids, 1.5 g charcoal) and 10B (10 g solids, 1.5 g biochar) corresponding to the optimal conditions (90 min / 1200 °C) to further study the potential beneficiation of the residue. The resulting magnetic separation products were subjected to chemical and mineralogical analyses. The chemical analyses of the magnetic separation products showed that for both reducing agents used, the % contents of iron and nickel increased in the magnetic product, while the % content of silicon increased in the non-magnetic product (one pass, 0.2 A current and two passes, 1 A and 2 A currents). Also, mineralogical analyses of the magnetic separation products with both reducing agents (charcoal, biochar) showed that the main mineralogical phases that appear are quartz [SiO2], cristobalite [SiO2], chromite [FeCr2O4] and fayalite [Fe2SiO4]. More specifically, for a current intensity of 0.2 A, the non-magnetic products contained a larger amount of cristobalite [SiO2] and  fayalite [Fe2SiO4], while the magnetic products contained a larger amount of hematite [Fe2O3]. Also, metallic iron [Fe] appeared only in the magnetic products. In the two passes (1 A and 2 A), it was observed that the highly magnetic products contained a larger amount of chromite [FeCr2O4], hematite [Fe2O3] and metallic iron [Fe], the intermediate magnetic products contained a larger amount of fayalite [Fe2SiO4], while the non-magnetic products contained the highest amount of cristobalite [SiO2] and quartz [SiO2].