Kriittisten ja arvokkaiden metallien kierrätys

Transkriptio

1 Kriittisten ja arvokkaiden metallien kierrätys Tutkijatohtori Sami Virolainen, Lappeenranta University of Technology Kokkola Material Week, ReKokkola seminaari Kokkolan kaupungintalo

2 Saatavuuden riski REPORT ON CRITICAL RAW MATERIALS FOR THE EU Report of the Ad hoc working group on defining critical raw materials, May 2014 Taloudellinen merkitys Antimony Beryllium Borates Chromium Cobalt Coking Coal Fluorspar Gallium Germanium Indium Magnesite Magnesium Natural Graphite Niobium PGMs Phosphate Rock REE (heavy) REE (light) Silicon Metal Tungsten

3 Yhdyskuntajätteet: Elektroniikkajäte (WEEE) Piirilevyt, kännykkäjätteet: Cu % Au mg/kg Ag mg/kg Pd mg/kg Maailmanlaajuisesti WEEE 2006: miljoonaa tonnia LCD paneelit (TV, kannettava, tabletti, tietokoneen näyttö): In mg/kg, ITO: In 2 O 3 +SnO 2 (90/10) Loisteputkijäte: Phosphor = REE oxides Price USD/kg Concentration mg/kg Value USD/kg Ce Eu Gd La Tb Y Ga In

4 Esimerkkejä laitoksista, jotka kierrättävät elektroniikkajätettä Noranda process (Quebec, Canada) Boliden Rönnskär, Ruotsi. Pyrometallurginen prosessi (uuni). Umicore (Hoboken, Belgium) Pyro- ja hydrometallurgiaa. Pystyy tuottamaan noin 20 alkuainetta puhtaana ja monia epäpuhtaina. Pystyy käyttämään useita erilaisia raaka-aineita. Rhodia (La Rochelle, France) käyttää Umicoren tuottamaan REE konsentraattia. Hydrometallurginen prosessi.

5 Plant-on-Wheels Perusajatus: Konttiprosessin kuljettaminen jätteiden luokse on halvempaa kuin jätteiden kuljettaminen suurelle kierrätystehtaalle. Konseptin kehittäneet professori Francesca Beolchini et al. Università Politecnica delle Marche, Ancona, Italy Hydrometallurginen prosessi WEEE:n kierrätykseen. Kokeiltu ainakin indiumin talteenottoon LCD näytöistä. Ominaisuudet Liuotus- / Puhdistus (saostus) - reaktori Suodattimia Jäteveden käsittely-yksikkö Muiden päästöjen kontrollointiyksikkö Kauko-ohjaus Beolchini, F., Towards industrialisation: ECORECYCLING pilots. Second PROMETIA Scientific Seminar, November 17 18, 2015, Seville, Spain.

6 Harvinaisten maametallien talteenotto energiansäästölampuista LUT:ssa Hinta USD/kg Pitoisuus mg/kg materiaalia Arvo USD/kg materiaalia Ce Eu Gd La Tb Y Ga In Materiaalin karakterisointi Liuotus Europium, Eu HCl H 2SO4 Mixture Gadolinium, Gd HCl H 2SO4 Mixture Energiansäästölampun rakenne M 2 M 5 M M 2 M 5 M Yield, Terbium, Tb HCl H 2SO4 Mixture Yttrium, Y HCl H 2SO4 Mixture R. Shimizu, K. Sawada, Y. Enokida, I. Yamamoto, Supercritical fluid extraction of rare earth elements from luminescent material in waste fluorescent lamps, The Journal of Supercritical Fluids. 33 (2005) M 2 M 5 M M 2 M 5 M

7 Indium-LCD tutkimus LUT:ssa LUT:ssa myös parhaillaan menossa kaksi eri hanketta indium-lcd prosessien ympärillä Virolainen, S., Ibana, D., Paatero, E., Recovery of indium from indium tin oxide by solvent extraction. Hydrometallurgy 107, doi: /j.hydromet Virolainen, S., Huhtanen, T., Laitinen, A., Sainio, T., Two alternative process routes for recovering pure indium from waste LCD screens. Lähetetty käsikirjoitus, Minerals Engineering. Virolainen, S., Paatero, E., Ibana, D.C., Recovery of indium from LCD screens. Oral presentation, 19th International Solvent Extraction Conference, ISEC 2011, Santiago, Chile, October Virolainen, S., Huhtanen, T., Laitinen, A., Sainio, T., Bench-scale solvent extraction separation of indium from authentic LCD waste leachate. Poster presentation, 21st International Solvent Extraction Conference, ISEC 2017, Miyazaki, Japan, November

8 Julkaisut: lehtiartikkeli 2011 ja ISEC LCD TV Vasaramylly Lasimurskassa: 246 mg/kg In 20.9 mg/kg Sn Liuotus 98 g/l rikkihapolla Neste-neste uutto c, mg/l In, L/S = 3:1 In, L/S = 10:1 Sn, L/S = 3:1 Sn, L/S = 10: Y In = 51% Y In = 52% Y Sn = 66% Y Sn = 71% 1 M H 2 SO 4 In 44 mg/l Sn 4.9 mg/l In 2.3 g/l Sn ~0.20 g/l 20% D2EHPA In 6.5 g/l Sn <0.02 g/l 1.5 M HCl In purity > 99.7% E1 S2 Apparent A/O = 50:1 A/O = 1:3 E2 S1 1 M H 2 SO 4 In 1 mg/l Sn ~ 0.1 mg/l Y In = 97.7% In 50 mg/l Sn > 0 g/l 20% D2EHPA t, h

9 Julkaisut: Lähetetty lehtiartikkeli 2017 ja posteri ISEC 2017 LCD panels from recycling facility Conventional route Overall yield 67-78% Manual removal of polarizing filter Novel route Overall yield 81-88% Hammer mill Crushing Scraping ITO layer Ceramic blade t step 3 cross-current stages 1 M H 2 SO 4, 80 C = 15 min, S/L = 200 g/l 0.25 M D2EHPA 2 counter-current stages (A/O = 5:1) in loading 1-2 stages in stripping (with HCl, A/O = 1:2) Leaching L-L extraction LCD glass powder q In > 220 mg/kg H 2 SO 4 leachate c In = 120 mg/l Y In = 69-85% P In = 16-22% HCl c In > 1 g/l Y In = 97% P In = 99% Black mass q In > 160 g/kg Y In = % H 2 SO 4 leachate c In = 5.32 g/l Y In = 89% P In = 99.1% Leaching Cementation (not done in this work) 1 M H 2 SO 4, 50 C 4 h, S/L = 2 g/50 ml Cementation (not done in this work) High purity In metal High purity In metal

10 Li-ioniakkujen kierrätystutkimus LUT:ssa Virolainen, S., Fallah Fini, M., Laitinen, A., Sainio, T., Solvent extraction fractionation of Li-ion battery leachate containing Li, Ni, and Co. Separation and Purification Technology 179, doi.org/ /j.seppur Virolainen, S., Fallah Fini, M., Sainio, T., Separation of lithium, cobalt and nickel from battery waste leachate by continuous counter-current solvent extraction. Poster, Circular Materials Conference, Gothenburg, Sweden, May Virolainen, S., Fallah Fini, M., Laitinen, A., Sainio, T., Solvent extraction in different lithium recovery processes. Oral presentation, 21st International Solvent Extraction Conference, ISEC 2017, Miyazaki, Japan, November

11 Johdanto Sähköautojen Li-ioniakkujen käyttöikä on noin 10 vuotta, joten jäteakkuja tulee valtava määrä. Kierrätysraaka-aineita Li, Co, Ni, Cu. Li-ioniakkujätteen koostumus 26-76% arvokkaita metalleja: 0-25% Fe 2-12% Cu 3-10% Al 5-30% Co 2-12% Li 0-10% Ni Hydrometallurginen Li-ioniakkujen kierrätysprosessi yleisesti Waste Li-ion batteries Pretreatment Leaching with H 2 SO 4 or HCl Fe, Cu, Al, Co, Li, Ni Fe, Cu, Al Solvent extraction or precipitation Dismantling, crushing, pyrometallurgy etc. Co, Ni, Li Co Solvent extraction Li Ni

12 LUT:ssa: Li, Ni ja Co neste-nesteuuttofraktiointivaiheen parantaminen korkeat saannot ja puhtaudet kaikille metalleille (>99%). Fraktiointiprosessin yksinkertaistaminen. Neste-nesteuuttoprosessin demonstrointi jatkuvatoimisessa vastavirtaperiaatteen minipilotmittakaavan laitteistossa (VTT omistaa). Syöttöliuos: Synteettinen sulfaattiliuos 14.5 g/l Co, 0.5 g/l Ni ja 2.8 g/l Li Liuos vastaa koostumukseltaan todellista Li-ioniakkujen liuotuksessa syntyvää liuosta.

13 Tulokset Korkeat puhtaudet. Yksinkertaistettu prosessi. Onnistunut demonstrointi prosessin teollisella ajotavalla.

14 RECOVERY OF RARE EARTH ELEMENTS FROM PHOSPHOGYPSUM - REE PG Funded by Academy of Finland and NRF (South Africa) Source: YLE

15 REE-PG LUT:n tutkimus Uudet ioninvaihtomateriaalit: Bisfosfonaatit Ion imprinted polymers (IIP) REE-seoksen selektiivinen eluointi (Ca:n yli) RIL:ssä ladatusta hartsista. Mahdollinen REE-fraktiointi Simulated Moving Bed (SMB) ioninvaihtokromatografialla.