Copper and nickel extraction using emulsion liquid membranes

Ma, Hao; Ma, Hao

Thesis

Copper and nickel extraction using emulsion liquid membranes

Public Deposited

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Creator

Ma, Hao

Contributors

Kristian Waters (Supervisor)

Abstract

French

La technique de la membrane liquide émulsion (MLE) est une technique modifiée qui combine l'extraction traditionnelle au solvant et le stripage dans une seule opération unitaire. Les caractéristiques de la MLE comprennent la grande surface interfaciale et une grande sélectivité lors du traitement des ions de métaux lourds. Par à l'étude de l'application de la technique MLE pour extraire et déshabille des ions cuivre et le nickel à partir de solutions simples de cations, cette thèse vise l'extraction et la séparation de différents métaux tels que le cuivre, le nickel et le calcium, en utilisant le réactif et la consommation d'énergie minimum. Un mélangeur-décanteur à deux étages a finalement été construit et mis en œuvre pour tester l'efficacité d'extraction et de séparation de la MLE.Pour l'extraction du cuivre, l'agent d'extraction utilisé était le LIX 984N, quatre facteurs ont été éliminés comme étant importants: concentration de l'agent d'extraction; temps d'agitation de la MLE; Vitesse d'agitation de la MLE; et le rapport solution CuSO4/volume d'émulsion. Les autres facteurs n'étant pas importants, ils ont été fixés à une valeur constant. La condition de fonctionnement optimale de l'extraction du cuivre est déterminée comme étant: rapport CuSO4/volume d'émulsion primaire de 3.2; concentration d'agent d'extraction de 6.7% en poids; concentration en H2SO4 de 4.6 mol/L; émulsion temps d'agitation de la MLE 24 minutes; et vitesse d'agitation de la MLE de 415 tours/min.Pour l'extraction du nickel, l'agent d'extraction utilisé était le Cyanex 301, les conditions de laboratoire optimales étaient: une concentration d'agent d'extraction de 7.2% en poids; concentration de solution (H2SO4) de 0.5 mol/L; solution de NiSO4 pH 4.5; et le rapport solution de NiSO4/volume d'émulsion de 3.5. Une série de tests de comparaison entre la technique MLE et la technique traditionnelle d'extraction par solvant ont été réalisées et les résultats suivants ont été trouvés: Les tests de capacité de charge montrent une capacité d'extraction du nickel supérieure (8.128 g Ni (II)/100 g Cyanex 301) pour la phase emulsion et (5.40 g de Ni (II)/100 g de Cyanex 301) pour la phase organique. Les essais de cinétique ont montré un coefficient de transfert de masse de 3.192 × 10-7 (m/s) et 2.823 × 10-7 (m/s) pour la phase émulsion et la phase organique respectivement.L'extraction sélective et la séparation du cuivre et du nickel de l'ion calcium dans une solution synthétique d'eaux usées imitant les résidus miniers de nickel de Sudbury, en Ontario, ont été étudiées. La solution avait une concentration de cuivre de 10 ppm, une concentration de nickel de 20 ppm; une concentration moyenne de calcium de 250 ppm et son pH était de 4.0. Deux étapes ont été mises en œuvre. Dans la première étape, LIX 984N était utilisé comme extractant du cuivre, les conditions opératoires optimales étaient: concentration d'agent d'extraction de 0.97% en poids, concentration en H2SO4 de 0.5 mol/L, Temps d'agitation de la MLE de 22,5 minutes et rapport de la solution synthétique / volume de l'émulsion de 4.0. Le taux d'élimination du cuivre était de 96.7% alors que le taux d'élimination du nickel et du calcium était de seulement 0.9% et 1.3%; Dans la seconde étape, un mélange de LIX 984N et Cyanex 301 dans un rapport volumique de 1 à 1 a été utilisé comme extractant, et les conditions opératoires optimales étaient: concentration en extractant de 6.7% en poids, concentration en H2SO4 de 5.7 mol/L, Temps d'agitation de la MLE de 25 minutes et rapport volume de solution synthétique/volume d'émulsion de 3.5. Le taux d'élimination du nickel était de 99.0% tandis que l'élimination du calcium était de 0.55%. Un mélangeur-décanteur en deux étapes à l'échelle du laboratoire a prouvé que le procédé consistant à utiliser la MLE pour extraire et séparer ces ions métalliques était un succès dans les conditions optimales obtenues.

English

Emulsion liquid membrane (ELM) technique is a modified technique that combines the traditional solvent extraction and stripping in a single unit operation. The characteristics of ELM include the large interfacial area and high selectivity when treating heavy metal ions. Through the study of applying ELM technique in extracting and stripping copper and nickel from single cation bearing solutions, this thesis targets at the extraction and separation of different metal ions including copper, nickel and calcium from a synthetic wastewater stream by using the minimum reagent and energy consumption. A two-stage mixer-settler was eventually built-up and implemented to test the extraction and separation efficiency of ELM.As for copper extraction, the extractant used was LIX 984N, four factors were screened out as important ones: extractant concentration; W/O/W emulsion stirring time; W/O/W emulsion stirring speed; and CuSO4 solution/emulsion volume ratio. The other factors were not important thus they were fixed at constant value. The optimum operating condition of copper extraction is determined to be: CuSO4 solution/primary emulsion volume ratio of 3.2; extractant concentration of 6.7 wt %; H2SO4 concentration of 4.6 mol/L; W/O/W emulsion stirring time of 24 minutes; and W/O/W emulsion stirring speed of 415 rpm (1 rpm = 1/60 Hz=π/30 rad/s). As for nickel extraction, the extractant used was Cyanex 301, the optimum laboratory conditions were: extractant concentration of 7.2 wt %; stripping solution (H2SO4) concentration of 0.5 mol/L; NiSO4 solution pH of 4.5; and NiSO4 solution/emulsion volume ratio of 3.5. A series of comparison tests between ELM technique and traditional solvent extraction technique were performed and the following results were found: The loading capacity tests showed that emulsion phase had a higher nickel extraction capacity (8.128 g Ni (II)/100 g Cyanex 301) than the organic phase (5.240 g Ni (II)/100 g Cyanex 301). The kinetics tests showed that the emulsion phase and the organic phase had a mass transfer coefficient of 2.823 × 10-7 (m/s) and 3.192 × 10-7 (m/s) respectively. After the process optimization and chemical characteristics have been explored for ELM treating copper and nickel ions separately, the selective extraction and separation of copper and nickel from calcium ion in a synthetic wastewater solution mimicking the nickel mine tailings from Sudbury, Ontario was investigated. The solution had a copper concentration of 10 ppm, nickel concentration of 20 ppm; an averaged calcium concentration of 250 ppm and its pH was 4.0. Two stages were implemented. In the first stage, LIX 984N was used as copper extractant, the optimum operating conditions were: extractant concentration of 0.97 wt %, H2SO4 concentration of 0.5 mol/L, W/O/W emulsion stirring time of 22.5 minutes and synthetic solution/emulsion volume ratio of 4.0. The copper removal rate was 96.7% while nickel and calcium removal rate was only 0.9 % and 1.3%; In the second stage, a mixture of LIX 984N and Cyanex 301 at a volume ratio of 1 to 1 was used as extractant, and the optimum operating conditions were: extractant concentration of 6.7 wt %, H2SO4 concentration of 5.7 mol/L, W/O/W emulsion stirring time of 25 minutes and synthetic solution/emulsion volume ratio of 3.5. The nickel removal rate was 99.0% while the calcium removal rate was 0.55%. A two-stage bench-scale mixer-settler proved the process of using ELM to extract and separate these metal ions was successful under these optimum conditions obtained.

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