DE2501284B2 - Verfahren zur Aufarbeitung von Manganknollen und Gewinnung der in ihnen enthaltenen Wertstoffe - Google Patents

Verfahren zur Aufarbeitung von Manganknollen und Gewinnung der in ihnen enthaltenen Wertstoffe

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Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abtrennung des Kupfers aus dem Raffinat durch Einleitung von Schwefelwasserstoff, dem Wasserstoff beigemischt sein kann, die Sulfide des Nickels, Kobalts und Zinks bei einem pH-Wert von 0,5 bis 2,5, vorzugsweise IA einer Temperatur von 50 bis 1500C, vorzugsweise 120" C, und einem Druck von 2 bis 20 Atm ausgefällt, abfiltriert und in verdünnter Salzsäure bei einer Temperatur von 50 bis 100°C» vorzugsweise bei 900C, gelöst werden, wobei der entstehende Schwefelwasserstoff erneut zur Sulfidfällung verwendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abtrennung des Kupfers die Gewinnung des Nickels, Kobalts und Zinks aus dem salzsaurem Eluat des Kationenfestbettaustauschers gemäß Anspruch 1 bzw. aus der salzsauren Lösung gemäß Anspruch 2 über ihre Oxide in der Weise erfolgt, daß durch an sich bekannte Solventextraktion, ggf. unter Zugabe von Kochsalz, mit Tributylphosphat, tertiären Aminen oder anderen Extraktionsmitteln und Auswaschen mit verdünnter Salzsäure oder Wasser Lösungen der Wertstoffe hergestellt werden, aus denen durch Sprührösten die Oxide des Nickels, Kobalts und Zinks unter gleichzeitiger Rückgewinnung von Chlorwasserstoff erzeugt werden, wobei Zink und Kobalt entweder einzeln oder gemeinsam extrahiert werden, so daß nach dsm Sprührösten entweder die reinen Oxide des Zinks und des Kobalts oder ein Mischoxid anfallen, und wobei aus der nach der Zink- und Kobaltabtrennung verbleibenden, nickelhaltigen Lösung durch Sprührösten Nickeloxid gewonnen wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung von Manganiuiollen und zur selektiven Gewinnung der in ihnen enthaltenen Wertstoffe Nickel, Kupfer, Kobalt und Zink auf vorwiegend hydrometallurgischem Wege.
Da die Manganknollen sich in ihrer mineralogischen Struktur und ihrer chemischen Zusammensetzung von
allen bisher verhütteten Erzen erheblich unterscheiden, kann bei der metallurgischen Verarbeitung nicht auf ein bekanntes Verfahren zur Erzverhüttung zurückgegriffen werden. Eine Vorknnzentrierung der Wertstoffe durch physikalische Aufbereitungsmethoden ist nach bisherigen Erfahrungen nicht möglich, das heißt, die Manganknollen müssen ohne Anreicherung verhüttet werden.
Es sind bereits einige Verfahren zur Gewinnung der in den Manganknollen vorkommenden Wertstoffe vorgeschlagen worden. BECK und MESSNER (Copper Metallurgy, 1970, Seiten 70 bis 82) untersuchten das Einschmelzen von Manganknollen im Elektrolichtbogenofen unter reduzierenden Bedingungen bei gleichzeitiger Verschlakkung des Mangans. Dabei ist nachteilig, daß sich eine aus Eisen, Kobalt, Nickel und Kupfer bestehende Legierung bildet, die nur schwer in ihre Bestandteile zu zerlegen ist Bei anderen Verfahrensvorschlägen werden die Manganknollen durch sulfatisierende Röstung oder Chlorierung mit gasförmigem Chlor und/oder Chlorwasserstoff aufgeschlossen und anschließend durch Laugung mit Wasser oder verdünnter Schwefelsäure gelöst (US Bur. Mines Rept Invest 7473, DE-OS 21 26 175). Bei diesen Verfahren ist nachteilig, daß auch das weniger wertvolle Mangan gelöst wird und damit gewonnen werden muß, was letztlich unerwünscht hohe Verfahrenskosten und technisch aufwendige Verfahrensstufen erforderlich macht
Es wurde auch vorgeschlagen, das in den Manganknollen enthaltene Kupfer, Nickel und Kobalt in einer ersten Verfahrensstufe mit Reduktionsgas, öl oder Kohle selektiv zu reduzieren und die Reduktionsprodukte anschließend in Gegenwart von Luft mit einer wäßrigen, ammoniakalischen Ammoniumsalzlösung zu behandeln, wobei sich wasserlösliche Aminkomplexe
des Kupfers, Nickels und Kobalts bilden (DE-OS 21 35 733, DE-OS 21 35 734, DE-OS 2247 497). In der US-PS 37 28 105 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Manganknollen direkt einer ammoniakalischen Drucklaugung bei 3000C unterworfen weiden. Diese unter Verwendung von Ammoniak arbeitenden Verfahren haben den Nachteil, daß die Wertstoffausbeuten niedrig sind und daß zur Kreislaufführung des Ammoniaks aufwendige Verfahrensstufen benötigt werden.
Nach defii in der DE-OS 2135 732 gemachten Vorschlag werden die Manganknollen bei Temperaturen bis 6O0C mit ammoniakaüscher Mangan(I I)-SuIf at-Lösung behandelt, wobei die Wertstoffe, die in Wasser lösliche Aminkomplexe bilden, von den Eisen- und Manganverbindungen abgetrennt werden. Bei diesem Verfahren ist nachteilig, daß ständig neues Mangan(H)-sulfat hergestellt und dem Verfahren zugeführt werden muß.
Von HÄNIG und MEIXNER (Erzmetall, 27, 1974, Seiten 335 bis 340) wurde ein Verfahren zur Aufarbeitung von Manganknollen und anschließenden Wertstoffgewinnung vorgeschlagen, das aus folgenden Verfahrensstufen besteht:
a) Drucklaugung der auf eine Korngröße von weniger als 0,5 mm zerkleinerten Manganknollen mit Schwefelsäure bei einer Temperatur von 240 bis 250° C während einer Stunde.
b) Abfiltrieren und Waschen des Rückstandes.
c) Kupfer-Extraktion mit LIX-64 N, Reextraktion und J0 elektrolytische Abscheidung des Kupfers.
d) Fällung von Eisen- und Aluminiumhydroxid mit Ammoniak.
e) Nickel-Extraktion bei pH = 8,5 mit LIX-64 N, Reextraktion und elektrolytische Abscheidung des Nickels.
f) Kobalt-Fällung mit Schwefelwasserstoff.
Dieses Verfahren hat der. Nachteil, daß bei der Nickel-Extraktion das Kobalt teilweise mitextrahiert wird und nur unter großen Schwierigkeiten aus der organischen Phase abgetrennt werden kann. Außerdem werden bei der Neutralisation der schwefelsauren Lösung mit Ammoniak große Mengen Ammoniumsulfat gebildet, das mit hohem Kostenaufwand zurückgewonnen werden muß oder in das Abwasser gelangt, wodurch dem Vorfluter eine sehr große Schmutzlast zugeführt wird.
Mit der Erfindung soll ein Verfahren geschaffen werden, mit dem aus Manganknollen Kupfer, Nickel, Kobalt und Zink bei großer Selektivität gegenüber Eisen und Mangan mit hoher Ausbeute unter Verwendung technisch einfacher und kostengünstiger Arbeitsmitte! sowie weitgehender Kreislaufführung von Energie und Chemikalien kontinuierlich gewonnen werden können, wobei die Abfallprodukte als umweltfreundliche Verbindungen anfallen.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Manganknollen in der ersten Verfahrensstufe nach einer Zerkleinerung auf Teilchengrößen unter eo 10 mm einer Drucklaugung mit verdünnter Schwefelsäure zu unterziehen, wobei die Wertstoffe weitgehend sowie der Aluminium-, Magnesium- und Alkaligehalt nur teilweise in Lösung gehen, während der Mangan- und der Eisengehalt überwiegend ungelöst bleiben. Die Drucklaugung erfolgt bei Temperaturen zwischen 150 und 3000C, vorzugsweise bei 2000C, und erfordert Verweilzeiten zwischen 30 min und 4 h. Der Säureeinsatz wird so bemessen, daß nach Beendigung des Laugungsvorganges in der Lösung Restsäuregehalte von maximal 35 g H2SO4Zl vorzugsweise 8 bis 15 g H2SO4/I vorliegen.
Nach der Laugung wird der Rückstand, der den Hauptanteil des in den Manganknollen vorhandenen Mangans und Eisens enthält, durch Filtration abgetrennt, gewaschen und einer Deponie zugeführt Hierbei ist es zweckmäßig, die von der Laugung kommende, heiße Suspension zunächst indirekt abzukühlen und anschließend zu entspannen, wobei die bei der indirekten und direkten Kühlung frei werdende Wärme als Abdampf zur Aufheizung der zur Laugung gehenden Manganknollensuspension und/oder in nachgeschalteten Prozeßschritten genutzt wird. Weiterhin ist es zweckmäßig, die verdünnte Waschlösung, die bei der Wäsche des während der Drucklaugung entstandenen Rückstandes anfällt, teilweise oder ganz zum Anmaischen der gemahlenen Manganknollen zu einer pumpfähigen Suspension zu verwenden.
Aus der bei der Drucklaugung anfallenden nickel-, kupfer-, kobalt- und zinkhaltigen Lösung wird im folgenden Verfahrensschritt das Kupfer selektiv extrahiert Dies geschieht durch kupferspezifische Solventextraktion mit Oximen oder Derivaten des 8-Hydroxychinolins, Reextraktion mit Schwefelsäure sowie anschließende Reduktionselektrolyse zu reinem Kathodenkupfer. Nach der Kupferabtrennung wird die Restiösung (Raffinat) einem selektiv wirkenden Kationenfestbettaustauscher, der Aminocarbon- oder Iminodicarbonsäuregruppen enthält aufgegeben, an dem Nickel, Kobalt, Zink und ein Teil des Aluminiums fixiert werden.
Die durchlaufende Lösung enthält den größten Teil des Aluminiums, das gesamte Magnesium und die Alkalien sowie die bei der Laugung in Lösung gegangenen, geringen Mengen an Eisen und Mangan. Sie wird zur Abwasserreinigung mit Luft und Kalkmilch behandelt wobei ein pH-Wert von 7 bis 10 einzustellen ist Der abgetrennte, Eisen-, Mangan-, Aluminium- und Magnesiumhydroxide sowie Gips enthaltende Rückstand wird deponiert und die verbleibende Restlösung abgestoßen.
Der beladene Kationenfestbettaustauscher wird erfindungsgemäß mit verdünnter Salzsäure eluiert und das Eluat unter Einrühren von gasförmigem Chlor und gleichzeitiger Zugabe von Kalkmilch, vorzugsweise bei einem pH-Wert von 33 bis 4,0, einer Fällung von Kobalt(III)-hydroxid unterworfen, das nach Abtrennung und Kalzinierung zu Kobalt reduziert wird, wobei gleichzeitig mitgefälltes Aluminiumhydroxid verschlackt wird. In der nach dem Filtrieren verbleibenden, Nickel und Zink enthaltenden Restlösung wird eine Totalfällung mit Kalkmilch bei einem pH-Wert von 6,5 bis 8 durchgeführt und das abgetrennte Hydroxidgemisch kalziniert und im Reduktionselektroofen auf reines Nickel und reines Zink-Verblaseoxid aufgearbeitet
Zur Erhöhung des pH-Wertes bei den verschiedenen Fällprozessen kann es unter Umständen zweckmäßig sein, anstelle von Kalkmilch andere basische Reagenzien, wie Magnesiumoxid oder Alkaliverbindungen, zu verwenden.
Eine der Erfindung entsprechende Variante zur Trennung der Wertstoffe Nickel, Kobalt und Zink von den mitgelösten Verunreinigungen und zu ihrer Überführung in eine konzentrierte Lösung besteht darin, daß nach Abtrennung des Kupfers durch Einleiten von Schwefelwasserstoff, dem Wasserstoff beigemischt
25 Ol
sein kann, die Sulfide des Nickels, Kobalts und Zinks bei einem pH-Wert von 0,5 bis 2,5, vorzugsweise 1,5, einer Temperatur von 50 bis 1500C, vorzugsweise 1200C, und einem Druck von 2 bis 20 Atm ausgefällt, abfiltriert und in verdünnter Salzsäure bei einer Temperatur von 50 bis -, 100° C, vorzugsweise bei 90° C, gelöst werden, wobei der entstehende Schwefelwasserstoff erneut zur Sulfidfällung verwendet wird.
Eine weitere erfindungsgemäße Variante zur selektiven Gewinnung der Wertstoffe Nickel, Kobalt und Zink ι ο besteht darin, daß nach Abtrennung des Kupfers die genannten Wertstoffe aus dem salzsauren Eluat des Kationenfestbettaustauschers beziehungsweise der salzsauren Lösung, die nach Auflösen der Sulfide erhalten wird, durch Solventextraktion, gegebenenfalls unter Zugabe von Kochsalz, mit Tributylphosphat, tertiären Aminen oder anderen Extraktionsmitteln getrennt, mit verdünnter Salzsäure oder Wasser aus den organischen Flüssigphasen ausgewaschen und durch Sprüh: Osten in Oxide übergeführt werden. Dabei werden Zink und Kobalt entweder einzeln extrahiert, so daß nach dem Sprührösten die reinen Oxide des Zinks und des Kobalts anfallen, oder sie werden — vorzugsweise bei kleinem Zinkgehalt der Manganknollen — gemeinsam extrahiert und in ein Mischoxid übergeführt, das zum Beispiel im Reduktionselektroofen auf reines Kobaltmetall und reines Zink-Verblaseoxid aufgearbeitet wird. Aus der nach der Zink- und Kobaltabtrennung verbleibenden, chloridischen Lösung wird das Nickel ebenfalls als Oxid gewonnen, indem die jo Lösung auch der Sprühröstung unterworfen wird, wobei Nickeloxid und Kochsalz anfallen und das Kochsalz mit Wasser gelöst und in den Prozeß zurückgeführt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das gegenüber den bekanntermaßen erheblichen Schwankungen in der Zusammensetzung der Manganknollen sehr anpassungsfähig ist, werden im Vergleich zu den bekannten Verfahrensvorschlägen eine Reihe wesentlicher Vorteile erzielt
Durch die schwefelsaure Drucklaugung werden die Wertstoffe Nickel, Kupfer, Kobalt und Zink mit hoher Ausbeute gelöst, während die wertlosen Begleitelemente weitgehend im Rückstand verbleiben. Die nur geringfügige Verunreinigung der anfallenden Lösungen durch Eisen und Mangan erlaubt eine sehr kostengünstige Gewinnung der Wertstoffe in den anschließenden Verfahrensstufen. Durch die Solventextraktion und die nachgeschaltete Reduktionselektrolyse wird das Kupfer auf dem kürzest möglichen Verfahrensweg und in hoher
Tabelle 2
Drucklaugung von Manganknollen mit Schwefelsäure Reinheit gewonnen. Durch den Einsatz des Kationenfestbettaustauschers werden die Verunreinigungen weitestgehend abgetrennt und die Konzentrationen der Wertstoffe Nickel, Kobalt und Zink um nahezu eine Größenordnung erhöht, so daß die einzelnen Trennoperationen mit entsprechend kleinen Volumina beziehungsweise Aggregaten durchgeführt werden können. Außerdem wird die Zinkgewinnung mit vertretbarem technischen Aufwand durch die Anwendung des Kationenfestbettaustauschers erst möglich. Durch die Verwendung des Kationenfestbettaustauschers wird ferner die Nickel-Extraktion mit LIX-64 N bei gleichzeitiger Ammoniakzugabe vermieden, was sich nicht nur vorteilhaft auf die Kobalt-Nickel-Trennung auswirkt, sondern auch die Bildung umweltfreundlicher Abfallprodukte ermöglicht und das Entstehen von Ammoniumsulfat vermeidet
Der bei der Drucklaugung verbleibende Rückstand fällt in gut absitzender und gut auswaschbarer Form an und kann ebenso wie der bei der Fällung des wertstofffreien Eluats des Kationenfestbettaustauschers anfallende Niederschlag umweltfreundlich deponiert werden. Das anfallende Abwasser enthält keinerlei Schwermetalle und belastet den Sauerstoffhaushalt des Vorfluters nicht
Durch die alternative Anwendung von Hydroxidfällung, Sulfidfällung oder Solventextraktion gewinnt das erfindungsgemäße Verfahren eine zusätzliche Flexibilität
Das beigefügte Verfahrensschema erläutert den Erfindungsgegenstand, wobei die in den Ansprüchen 2 und 3 beschriebenen Varianten gestrichelt eingezeichnet sind. In den nachfolgenden Tabellen 1 bis 4 und den Beispielen 1 und 2 sind weitere Angaben und Versuchsergebnisse zum erfindungsgemäßen Verfahren enthalten.
Tabelle 1
Zusammensetzung von getrockneten
Manganknollen aus dem Pazifik
Element
Gew.-%
Ni
Cu
Co
Zn
Mn
Fe
1,1
0,94
0,23
0,18
21,9
6,9
Manganknollen
menge
Flüssig- Schwefelkeitsmenge säurekonzentration in der
Flüssigkeit
ml
g H2SO4/I
Laugungstemperatur
Laugungszeit
Gelöste Menge Ni Cu Co Zn Mn Fe Freie Menge des Schwefel- Laugungs-
säure nach rückstands
der Laugung
g H2SO4/! g
200
200
200
200
200
200
1000
1000
1000
1000
1000
1000
70
80
90
70
70
74
200 3 92 91 46 85 3,7 1,7 25 155
200 3 93 92 66 90 4,7 2,4 30 148
200 3 95 96 77 97 6,1 5,1 35 143
200 1,5 81 80 25 84 3,1 1,7 28 147
250 1,5 90 88 65 89 4,7 1,5 16 154
250 1,5 91 90 70 90 4,5 2,0 20 153
25 Ol 284
Tabelle 3
Solventextraktion von Kupfer in einer 3stufigen Extraktionsanlage
Zusammensetzung der schwefelsauren wäßrigen Lösung:
Cu
Ni
Co
Mn
Fe
Mg
Al
Ca
Na
Freie
H2SO4
4,0
4,5
0,32
5,9
0,6
1,4
0,2
7,5 2,0
15,4
Extraktionsmittel:
30 Vol.-0/o LIX-73 in Kerosin.
Verhältnis von wäßriger und
organischer Phase Mischzeit pro Extraktionsstufe Trennzeit pro Extraktionsstufe Kupfergehalt in der
extrahierten Lösung Extrahierte Kupfermenge
Tabelle 4
Niederschlages in Salzsäure
1,51 kupferfreie Lösung enthielten:
4,29 g/l Ni, 0,42 g/l Co, 0,4 g/l Zn, 5,67 g/l Mn, 0,58 g/l Fe
Fällung:
pH-Wert der Lösung Temperatur, 0C Partialdruck H2S, atm Partialdruck H2, atm Reaktionszeit, min Gefällte Menge Ni in % Co
Zn
Mn
Fe
Ni/Co-Gehalt in der g Ni/I Lösung nach Fällung g Co/1
Lösen des Niederschlages: Salzsäure g HCl/1
ml
Lösungstemperatur 0C Lösungszeit h
Lösen des Niederschlages:
Gelöste Menge 20 Ni 99,3 1 98,9
.5 in% Co 98,4 97,5
1 :1 Zn 99,9 99,9
3,7 Minuten Zusammensetzung g Ni/I 24,4 46,2
15 Minuten der Lösung gCo/1 2,1 4,1
gZn/1 2,9 5,9
0,16 g/l gMn/1 0,03 0,06
96% gFe/1 0,05 0,1
und Lösen des Beispiel
2,0 1,5
120 120
7 7
2 2
45 45
99,8
99,9
99,9
0,1
7,6
99,7
99,9
99,9
0,1
1,9
0,007
0,001
0,008
0,001
200
250
200
125
90
3
90
3
Für die Abtrennung der Metalle Kobalt, Nickel und Zink wird eine Lösung folgender Zusammensetzung einem Kationenaustauscher mit einer makroporösen Struktur und Iminodiessigsäure-Gruppen, der als Natriumsalz vorliegt, aufgegeben:
51 g Ni/L 0,7 g Co/1,0,6 g Zn/1,
1,2 g Al/1,5,4 g Mn/1,0,3 g Fe/1,
0,4 g Ca/1,7,1 g Mg/1, Ig K/l,
8 g Na/1.
Die Lösung hat einen pH-Wert von 2,5 bis 3,0 und fließt bei 600C mit einer spezifischen Belastung von 4 l/h/l Kationenaustauschervolumen über die Säule. Der beladene Austauscher wird mit 2,5 bis 3,0 η HCl eluiert.
Beispiel 2
Aus einer Salzsäuren Lösung, die pro 1 46,2 g Ni, 4,1 g Co, 5,9 g Zn, 0,1 g Fe und 0,06 g Mn enthielt, wurde das Zink durch Extraktion mit 90% Tributj !phosphat und 5 10% Kerosin extrahiert. Die salzsaure Lösung hatte eine Chloridkonzentration von 5n. Die Zink-Abtrennung erfolgte in einer 4stufigen Mixer-Settler-Apparatur. Die organische Phase nahm 73 g Zn/1 auf. Das Eluieren des Zinks erfolgte mit Wasser, wobei eine 2- bis
so 3fache Erhöhung der Zinkkonzentration im Wasser eintritt (16 bis 23 g Zn/1 H2O).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Aufarbeitung von Manganknollen und zur selektiven Gewinnung der in ihnen enthaltenen Wertstoffe Nickel, Kupfer, Kobalt und Zink auf vorwiegend hydrometallurgischem Wege, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte chemisch-metallurgische Maßnahmen derart kombiniert werden, daß
a) der auf Teilchengrößen unter 10 mm zerkleinerte Rohstoff in Wasser, vorzugsweise in der in Verfahrensstufe b) anfallenden Waschlösung, suspendiert, die Suspension erhitzt und bei einer Temperatur von 150 bis 3000C, vorzugsweise 2000C, unter Zugabe von Schwefelsäure in einem Druckreaktor während 0,5 bis 4 Stunden zur Reaktion gebracht wird, wobei die Suspension nach Beendigung der Reaktion einen Schwefelsäuregehalt von maximal 35 g/l, vorzugsweise 8 bis 15 g/l, aufweist,
b) die abgekühlte Suspension nitriert, der Rückstand gewaschen und das Filtrat einer kupferspezifischen Solventextraktion mit Oximen oder Derivaten des 8-Hydroxychinolins, zugeführt wird, aus deren schwefelsaurem Eluat das Kupfer durch Reduktionselektrolyse in reiner Form gewonnen wird,
c) das Raffinat der Solventextraktion zur Abtrennung von Nickel, Kobalt und Zink über einen selektiv wirkenden Kationenfestbettaustauscher, der Aminocarbon- oder Iminodicarbonsäuregruppen enthält, geleitet und der beladene Austauscher mit verdünnter Salzsäure eluiert wird,
d) das salzsaure Eluat unter Einrühren von gasförmigem Chior und gleichzeitiger Zugabe von Kalkmilch bei einem pH-Wert von vorzugsweise 3,8 bis 4 einer Fällung von Kobalt(III)-hydroxid unterworfen, das anfallende Hydroxid abfiltriert, kalziniert und zu Kobalt reduziert wird, während das Filtrat bei einem pH-Wert von 6,5 bis 8 mit Kalkmilch versetzt und der ausfallende nickel- und zinkhaltige Niederschlag abgetrennt, kalziniert und pyrometallurgisch reduziert wird, wobei das Nickel als Metall und das Zink als Verblaseoxid anfallen, und schließlich
e) die im Ionenfestbettaustauscher-Prozeß nach Verfahrensstufe c) durchlaufende, wertstof ff reie Restlösung unter Einstellung eines pH-Wertes von 7 bis 10 mit Kalkmilch und Luft behandelt und der ausfallende Niederschlag abgetrennt und ebenso wie der nach Verfahrensstufe a) anfallende Rückstand der Drucklaugung deponiert wird.
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