Polyakryyliamidi-flokkulanttien vaikutus koboltin neste-nesteuuttoon käytettäessä bis(2,4,4-trimetyylipentyyli)fosfiinihappoa

Abstract

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia kuinka nikkelin hydrometallurgisessa tuotantoprosessissa flokkulantteina käytettävien polyakryyliamidiyhdisteiden aiheuttamat vuorovaikutukset vaikuttivat koboltin uuttoon väkevästä nikkelisulfaattiliuoksesta käytettäessä uuttoreagenssina bis(2,4,4-trimetyylipentyyli)fosfiinihappoa (Cyanex 272). Aiheeseen perehdyttiin tutustumalla polymeerien käyttäytymiseen liuosten rajapinnoilla sekä niiden vuorovaikutuksiin niin metalli-ionien kuin uuttoreagenssimolekyylien kanssa. Teorian pohjalta tutkittiin polymeerien aiheuttamien vuorovaikutusten merkitystä faasien selkeytymisaikoihin, koboltin uuttautumisen pH-riippuvuuteen ja kinetiikkaan. Lisäksi tutkittiin kuinka polymeerien ja metallien pitoisuus vaikuttaa uuton tasapainoon. Tutkitun synteettisen vesifaasin nikkeli- ja kobolttipitoisuus oli 100 ja 1 g/l ja käytetty orgaaninen faasi koostui iso-oktaanista ja Cyanex 272:sta, jonka pitoisuus liuoksessa oli 25 til-%:a. Polymeerien vaikutusta faasien selkeytymisaikaan tutkittiin pitoisuuksissa 25 ja 100 ppm sekä vesi- että orgaanisen faasin ollessa jatkuva. 25 ppm pitoisuudessa faasien selkeytymisaika piteni 3–7 %:a, mutta 100 ppm pitoisuudessa selkeytymisajassa oli havaittavissa lievä nopeutuminen vesifaasin ollessa jatkuva. Selkeytymisajan muutokset johtuivat eroista dispergoituneiden pisaroiden pinnalle muodostuvan polymeerifilmin ominaisuuksissa sekä polymeerien aiheuttamissa vuorovaikutuksissa. Orgaanisen faasin ollessa jatkuva selkeytymisaika piteni kaikilla tutkituilla polymeereillä. Polymeerien vuorovaikutusten lisäksi niiden aiheuttama kemiallinen potentiaali hidasti faasien selkeytymistä. Polymeerit heikensivät koboltin uuttoastetta pH:n ollessa 3–4,5 välillä. Tutkituista polymeereista anioniset polymeerit sekä ionisten polymeerien vuorovaikutuksien myötä muodostuneet makromolekyylit vaikuttivat koboltin uuttautumiseen eniten polymeerifilmin ominaisuuksien muuttumisen ja polymeeri-metallikompleksien muodostumisen myötä. Lisäksi vuorovaikutusten vaikutus koboltin uuttautumiseen korostui polymeeripitoisuuden kasvaessa. Polymeerien aiheuttamat vuorovaikutukset eivät olleet merkittäviä koboltin tasapainopitoisuuden ollessa alle 0,0075 g/l vesi- ja 0,1 g/l orgaanisessa faasissa. Toisaalta kaikilla tutkituilla polymeereilla koboltin tasapaino- ja polymeeripitoisuuksien kasvaessa koboltin uutto heikkeni. Uuton heikkeneminen johtui polymeerien, erityisesti kationisen polymeerin, aiheuttamista vuorovaikutuksista sekä rajapinnan ominaisuuksien muutoksista. Polymeerit eivät kuitenkaan vaikuttaneet merkittävästi koboltin uuttautumisen kinetiikkaan. Kaikilla tutkituilla polymeereillä uuton reaktio saavutti tasapainon noin 20 sekunnissa. 200 ppm polymeeripitoisuudessa sekä makromolekyylien kanssa reaktionopeus oli hetkellisesti hitaampi, mutta niiden vaikutukset rajapinnan ominaisuuksiin eivät riittäneet rajoittamaan koboltin uuttautumista.

The aim of this thesis was to investigate how the interactions caused by flocculants, more precisely polyacrylamide, used in the hydrometallurgical production process of nickel affect the extraction of cobalt from concentrated nickel sulfate solution when using bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid (Cyanex 272) as an extraction reagent. In the literature review, the behavior of polymers at solution interfaces and their interactions with metal ions and extraction reagent molecules, was studied. Based on the theory, the effect of polymers on phase disengagement times as well as the pH-depedency and extraction kinetics of cobalt was studied. Additionally, it was studied how the concentration of polymers and metal affects the equilibrium of extraction process. The nickel and cobalt concentration of the investigated synthetic water phase was 100 and 1 g/l and the organic phase consisted of iso-octane and 25 v-% Cyanex 272. The effect of polymers on the phase disengagement time was investigated at concentrations of 25 and 100 ppm with both aqueous and organic phase being continuous phase. At 25 ppm concentration, the phase disengagement time was increased by 3–7 %, but at a concentration of 100 ppm a slight decrease in phase disengagement time was observed when aqueous phase was continuous. The changes in phase disengagement times were due to the differences in the properties of the film formed on dispersed droplets and in the polymer interactions. On the other hand, the phase disengagement time increased in all investigated cases when organic phase was continuous. Interactions caused by polymers, especially cationic polymers, and their chemical potential increased the phase disengagement time. Polymers decreased the extraction efficiency of cobalt when pH is between 3–4,5. Of the investigated polymers, anionic polymers and macromolecules formed by the interactions of ionic polymers, affected the extraction efficiency of cobalt the most because of the properties of polymerfilms and the formation of polymer-metalcomplexes. In addition, the effect of polymer interactions increased as polymer concentration increased. The effect of polymers was insignificant, when the equilibrium concentration of cobalt was less than 0,0075 g/l in aqueous and 0,1 g/l organic phase. On the other hand, as the equilibrium concentration and polymer concentration increased, the extraction efficiency decreased in all investigated cases. The decrease was caused by the interactions of polymers, especially cationic polymers, and the changes in the properties of the polymerfilm. However, polymers didn’t affect the extraction kinetics of cobalt. With all investigated polymers, the equilibrium was reached in approx. 20 seconds. When polymer concentration was 200 ppm or in the presence of macromolecules, the reaction rate was temporarily slower caused by the changes in the properties of the film formed on the dispersed droplets. However, their effect wasn’t sufficient enough to restrict the extraction of cobalt.