Recovery of copper, manganese, nickel and cobalt from synthetic mine tailings leachate by ion exchange

Abstract

As the demand of metals is increasing and the grade of primary ores is decreasing secondary sources, such as mine tailings, have gained attention. Mine tailings are the waste generated from the mineral processing of ores. It has been discovered that some old mine tailings deposits may contain significant amounts of valuable metals including battery metals such as copper, manganese, nickel and cobalt. Chelating ion exchange resins have been shown to be effective in the selective separation of the previous metals.

This Master’s thesis investigates the recovery of copper, manganese, nickel and cobalt from a synthetic mine tailings leachate by ion exchange. Ion exchange experiments were carried out in a small pilot-type ion exchange column. The aim was to make an initial design of an ion exchange process, where high purities of copper, manganese, nickel and cobalt can be obtained. More specifically, the impact of the process conditions (pH, temperature and flowrate) on the dynamic capacities and on the purities of the target metals were investigated.

Three commercial chelating resins with three different functional groups were used for selective separation of copper, manganese, nickel and cobalt. Purolite®S930Plus resin with iminodiacetic acid functional group removed copper with dynamic capacity of 22 g Cu/L. Lewatit® MDS TP 260 resin with aminomethylphosphonic acid functional group separated manganese from nickel and cobalt with dynamic capacity of 2.5 g Mn/L. Lewatit® MDS TP 220 resin with bis-picolylamine functional group selectively separated nickel from cobalt with dynamic capacity 15 g Ni/L. Purities 98.2 %, 99.2 %, 99.5 % and >99.9 % were obtained for copper, manganese, nickel and cobalt, respectively.

Metallien alati kasvavan kysynnän ja heikentyneiden malmien laatujen myötä toissijaiset lähteet, kuten rikastushiekka, ovat nousseet potentiaalisiksi raaka-aineiksi. Rikastushiekka on malminjalostuksen seurauksena syntynyttä jätettä. Merkittäviä määriä arvokkaita metalleja on löytynyt erityisesti vanhoilta rikastushiekka-läjitysalueilta. Näihin metalleihin kuuluvat muun muassa akkumetallit, kuten kupari, mangaani, koboltti ja nikkeli. Kelatoivat ionivaihtohartsien on osoitettu toimivan edellä mainittujen metallien selektiivisessä erotuksessa.

Tässä diplomityössä tutkittiin kuparin, mangaanin, nikkelin ja koboltin erotusta ionivaihtomenetelmällä liuoksesta, joka vastaa rikastushiekan liuotuksesta saatavaa metallirikasta liuosta. Ionivaihtokokeet suoritettiin pienessä pilottityyppisessä ioninvaihtokolonnissa. Tavoitteena oli laatia alustava ioninvaihtoprosessi, jolla saataisiin mahdollisimman korkeat puhtaudet kuparille, mangaanille, nikkelille ja koboltille. Varsinkin prosessiolosuhteiden (pH, lämpötila ja virtausnopeus) vaikutusta metallien puhtauksiin ja dynaamisiin kapasiteetteihin haluttiin tutkia.

Kolme kaupallista kelatoivaa hartsia erilaisilla funktionaalisilla ryhmillä käytettiin kuparin, mangaanin, nikkelin ja koboltin selektiiviseen erotukseen. Purolite®S930Plus -hartsi iminodiaetikkahappo funktionaalisella ryhmällä kykeni erottamaan kuparia dynaamisella kapasiteetilla 22 g Cu/L. Lewatit® MDS TP 260 -hartsi aminometyylifosfonihappo funktionaalisella ryhmällä onnistui erottamaan mangaanin nikkelistä ja koboltista dynaamisella kapasiteetilla 2.5 g Mn/L. Lewatit® MDS TP 220 -hartsi bis-pikolyyliamiini funktionaalisella ryhmällä erotti nikkeliä koboltista dynaamisella kapasiteetilla 15 g Ni/L. Kuparin, mangaanin, nikkelin ja koboltin puhtauksiksi saatiin 98.2 %, 99.2 %, 99.5 % ja >99.9 %.