Epäpuhtauksien poistaminen sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen selektiivisiä ioninvaihtimia

Abstract

Diplomityössä on tutkittu kuparin, koboltin, nikkelin ja kadmiumin poistamista sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen uusia silikarunkoisia kelatoivia erotusmateriaaleja. Vertailukohteena on käytetty perinteisiä kaupallisia polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja. Laboratoriokokeissa selvitettiin erotusmateriaalien adsorptio- ja ioninvaihto-ominaisuuksia tasapaino- ja kolonnikokeilla. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittiin olosuhteissa, jotka vastaavat prosessisyklin eri vaiheita. Metallien adsorptiomekanismien selvittämiseksi erotusmateriaaleille tehtiin happo-emäs ja sulfaattititraukset.

Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla saatiin kupari erotettua väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja paremmin. Tutkituilla erotusmateriaaleilla ja ioninvaihtohartseilla ei havaittu merkittävää selektiivisyyttä koboltille, nikkelille tai kadmiumille sinkin ja kuparin läsnä ollessa.

Kolonnikokeilla yritettiin löytää paras esikäsittely-lataus-eluointisykli kuparin talteenottoon väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla. Kolonnikokeissa esikäsittely tehtiin laimealla NaOH:lla, jonka jälkeen petiin syötettiin hapanta sinkkisulfaattiliuosta. Eluointi onnistui hyvin laimealla rikkihapolla. Kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että kupari on mahdollista erottaa väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista.

Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittaessa havaittiin materiaalien kestävän hyvin happoja ja 60 oC:en lämpötilaa. Sitä vastoin alkaalisissa olosuhteissa tapahtui silikan liukenemista. Tutkituilla erotusmateriaaleilla havaittiin kuparin sitoutumista sekä ioninvaihtomekanismin avulla että sitoutuneena neutraalina suolana.

The removal of copper, cobalt, nickel and cadmium from concentrated zinc sulphate solutions was studied using new silica based chelating ion exchangers. Traditional commercial polymeric ion exchange resins were used as reference. The adsorption and ion exchange properties of the separation materials were studied by equilibrium as well as dynamic column experiments in the laboratory. The chemical stability of the silica based separation materials was studied at conditions corresponding to the different phase of a process cycle. Acid-base and sulphate titrations were carried out in order to elucidate the adsorption mechanism of the metal.

The results of the equilibrium experiments show that silica based separation materials are better than the polymeric chelating ion exchange resins to remove copper from concentrated zinc sulphate solutions. Furthermore, the separation materials did not show significant selectivity for cobalt, nickel or cadmium in the presence of zinc and copper in the solution.

The main aim of the column experiments was to develop an optimal pre-treatment-loading-elution cycle to remove the copper from concentrated zinc sulphate solutions with the silica based separation materials. The pre-treatment was carried out with dilute NaOH solution after which an acidic zinc sulphate solution was fed through the bed. The results of the column experiments show that copper can be removed from the concentrated zinc sulphate solution. The loaded copper can be successfully eluted with dilute sulphuric acid.

The chemical stability tests of the silica based separation materials confirmed that the materials are resistant to acidic solutions at 60 oC. However, dissolution of silica was observed in alkaline conditions. Titration experiments implied that the separation materials have both ion exchange and salt adsorption properties towards copper in sulphate solutions.