JP2005518479A - 有価金属の分離方法及び分離装置 - Google Patents

Abstract

ニッケル及びニッケル化合物のような有価金属をラテライト石を含む鉱石から分離するための方法及び装置が開示される。この方法は、少なくとも第１の群の粒子と第２の群の粒子とから構成される粒子混合物（例えば破砕され寸法の揃えられた石）を用意することを含む。群の構成要素は、類似する化学組成を有する一方、異なる群に属する粒子は類似しない化学組成を有する。第１及び第２の群の粒子をそれぞれ加熱して第１及び第２の群の粒子の磁化率の差を増大させるために、粒子混合物はマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露される。次いで、粒子混合物は、粒子を磁性成分と非磁性成分とに分離させる磁場勾配を通過される。

Description

本発明は、鉱物処理に関し、より詳細には、ニッケルやニッケル化合物のような有価金属をラテライト石を含む鉱石から分離するための方法及び装置に関する。

ニッケルは、重要な元素であり、種々の製品に使用される。ニッケルは、しばしば、他の金属と組み合わされてステンレス鋼や合金鋼、非鉄高温合金を形成する。ニッケルは、電気めっき、触媒、セラミックスや磁石にも使用される。

ニッケルは、多数の異なるタイプの鉱物堆積物中で発見可能であるが、現在では、硫黄石及びラテライト石のみが、現存技術を用いて経済的に採鉱可能である。硫黄石では、ニッケル、鉄及び銅が異なる鉱物の物理的な混合物を構成する。このことは、製造者が、浮遊分離や磁気分離のような機械的手法を用いて、硫黄石中に存在するニッケルを選鉱する。ラテライト石は、硫黄石とは大きく異なる構造を有する。結果的に、ニッケル製造者は、直接、機械的または物理的分離手法を用いてラテライト石中のニッケルを選鉱することができないが、その代わりに、化学的分離手法を使用しなければならない。

ラテライト石から有価ニッケルを得るための最も有望な化学的方法は、いわゆる高圧酸溶脱である。この方法では、破砕され寸法の揃えられたラテライト石が、硫酸とともに圧力容器に配置される。混合物は、高温高圧（例えば、２８０℃、５．４ＭＰａ）で撹拌されてニッケル及びコバルトを溶脱する。溶解したニッケル及びコバルトを含んで生成した液相は、ニッケル及びコバルトを分離するために、さらなる処理を受ける。

有用な技術ではあるが、高圧酸溶脱は避けられない欠点を有する。現在行なわれているように、高圧酸溶脱は、バッチ形式で実行される。ニッケルは典型的なラテライト石の略１％を構成するため、圧力容器には、大量の鉱石、例えば百トンの鉱石が、日生産量を満たすために、投入されなければならない。これにより、装置用に多大の出費をすることになる。機械的手法と比較すると、固相から成分比の大きいニッケル及びコバルトを抽出するために、混合物全体が相対的に高温に加熱されなければならないので、運転費用が高い。最後に、使用済みの硫酸の廃棄は、環境懸念を増大させる。

本発明は、上述した問題の１つ以上を解決し、あるいは少なくとも軽減する。

本発明は、ニッケル及びニッケル化合物のような有価金属のラテライト石を含む鉱石からの分離方法及び分離装置を提供する。本発明の方法は、有価金属を溶脱する物理的プロセスを用い、そのため、化学的処理に関連する環境懸念を増大させない。さらに、この方法は、連続的に鉱石を処理するために適用され、その結果、バッチ操作よりも経費が低額になる。最後に、開示された発明は、鉱石の成分を選択的に加熱するためにマイクロ波／ミリ波技術を利用し、そのことはエネルギー資源を節約するのに役立つ。

したがって、本発明の１つの観点は、少なくとも第１の群の粒子と第２の群の粒子とから構成される粒子混合物の構成要素の分離方法を提供する。群要素は、類似する化学組成を有し、一方、異なる群に属する粒子は類似しない化学組成を有する。また、この方法は、第１及び第２の群の粒子をそれぞれ加熱するために粒子の混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露すること、これにより第１の群の粒子と第２の群の粒子の磁化率の差を増大させることを含む。最後に、本方法は、粒子を第１及び第２の成分に分離させる磁場勾配の中に粒子の混合物を配置することを含む。第１及び第２の成分は、それぞれ、混合物よりも第１及び第２の群の粒子の高い含有率を有する。

本発明の第２の観点は、ラテライト石の有価ニッケルの濃縮方法を提供する。この方法は、粒子の混合物から構成されるラテライト石を用意し、実質的に有価ニッケルを含有する粒子を選択的に加熱するためラテライト石をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露することを含む。マイクロ波／ミリ波エネルギーへの暴露は、実質的に有価ニッケルを含有する粒子と含有しない粒子の磁化率の差を増大させる。さらに、この方法は、実質的に有価ニッケルを含有する粒子の少なくとも一部を粒子の混合物から分離させる磁場勾配中にラテライト石を配置することを含む。

本発明の第３の観点は、粒子混合物の構成要素の分離装置を提供する。この装置は、処理中に粒子混合物を保持するための内室を有する容器と、該容器に結合され、粒子混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露するためのエネルギーシステムを含む。また、この装置は、容器の内室と連通する磁気分離器を含む。磁気分離器は、非磁性粒子から磁性粒子を分離するために適用される。

本発明の第４の観点は、粒子混合物の構成要素の連続分離装置を提供する。この装置は、処理中、粒子混合物を保持する容器を含む。この容器は、第１及び第２の端部と、容器の第１の端部に隣接して配置され、容器内への固体粒子の進入を許容する注入口とを有する。また、この装置は、容器内部に配置され、粒子混合物を流動化するためのガス分配器と、該容器に結合され、粒子の混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露するためのエネルギーシステムとを含む。最後に、この装置は、磁気分離器を含み、この磁気分離器は容器の第２の端部に隣接して配置され、非磁性粒子から磁性粒子を分離するために用いられる。

図１は、粒子混合物の構成成分の分離方法１０の概要を提供する。この方法は、マイクロ波／ミリ波エネルギーを用いて複数の群の粒子を異なる温度に加熱し、温度差から生まれる粒子間の磁化率の変化を利用して複数の群の粒子の磁気分離を実行することを基本とする。この方法は、通常物理的分離手法に適合しない鉱石から有価金属を抽出するために使用可能である。例えば、後述するように、この方法は、高温、高圧及び酸溶脱に対応する苛酷な酸性条件なしに、ラテライト石から有価ニッケルを濃縮するために使用可能である。説明の内容から明らかでない場合には、用語「ニッケル」、「コバルト」、「鉄」、または「有価ニッケル」、「有価コバルト」、「有価鉄」等は、それぞれ、ニッケル原子、コバルト原子、鉄原子、あるいは、ニッケル原子、コバルト原子、鉄原子を含有する化合物を参照する。

図１に示すように、方法１０は、筐体内、容器内または中空部内に粒子の混合物を用意すること１２を含む。粒子混合物は、少なくとも第１の群の粒子と第２の群の粒子とから構成される。特定の群、即ち第１の群、第２の群等に属するそれぞれの粒子は、類似する化学組成を有し、他方、異なる群に属する粒子は、類似しない化学組成を有する。このため、例えば、破砕され寸法の揃えられたラテライト石は、主として酸化ニッケルを含有する第１の群の粒子と、主として酸化コバルトを含有する第２の群の粒子と、酸化鉄を含有する第３の群の粒子と、比較的に無価値の土類（鉱物）を含有する第４の群の粒子とから構成される。各酸化ニッケル粒子、酸化コバルト粒子または酸化鉄粒子は、少数部をなす他の金属酸化物とともに、脈石を含んでもよい。

粒子混合物を用意する以外に、方法１０は、混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露すること１４を含む。類似しない物質は、通常、異なる量のマイクロ波／ミリ波放射を吸収するため、粒子混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露することは、結果的に、複数の群の粒子をそれぞれ又は選択的に加熱することになる。さらに、強磁性材料及び反強磁性材料を含む多くの物質に対し、磁化率（即ち、磁場強度に対する誘起磁化の比）は、材料の温度に依存する。例えば、強磁性材料は、キュリー温度より高温ではすべての磁気特性を失うであろうし、反強磁性材料は、ネール温度において、最大磁化率を示すであろう。例えば、酸化ニッケルは、略２６０℃から略３７７℃の範囲内に存するネール温度で最大磁化率を示すはずであり、ＦｅＯは、略−７５℃であるネール温度で最大磁化率を示すはずである。

上述したように、図１に示す方法１０は、粒子間で変化する磁化率を利用して複数の群の粒子を分離する。このため、方法１０は、粒子を第１及び第２の成分に分離させる磁場勾配に粒子混合物を暴露すること１６を含む。第１及び第２の成分は、主として、それぞれ、第１及び第２の群の粒子から構成される。このため、例えば、第１の群の粒子は、ネール温度近傍まで選択的に加熱された酸化ニッケル粒子から構成され得る。第２の群の粒子は、より低温で加熱された脈石（例えば酸化シリコン）等から構成され得る。粒子混合物は、磁場勾配に暴露されると、酸化ニッケル粒子は、磁場勾配を構成する力線に応じて配列する傾向があり、一方で非ニッケル粒子は、磁場勾配により相対的に影響されない状態を維持する。酸化ニッケル粒子が磁力線に従うので、方法１０は、酸化ニッケル粒子を、粒子混合物の初期流れ方向から逸らせる。

効果的な分離は、粒子混合物の粒径分布、複数の群の粒子間の磁化率の差、印加された磁場勾配の強度等を含む多数の要因に依存する。使用される磁気分離器のタイプに応じて、基準材料（例えば鉱石）の粒径は、通常、略１０^−１ミクロンから１０^４ミクロンまでの範囲に存在する。略２５×１０^６Ｇ／ｃｍまでの磁場勾配を印加可能な勾配の大きい磁気分離器に対して、基準材料の粒径は、典型的には、粒径範囲の下方域、即ち１０^−１ミクロンから１０^２ミクロン内に存在する。略１０^２Ｇ／ｃｍと略１０^５Ｇ／ｃｍの間の磁場勾配を印加可能な他のタイプの乾燥磁気分離器については、基準材料の粒径は、通常、粒径範囲の上方域内に存在する。

多くの場合、複数の群の粒子のうちの１つの群のみが、マイクロ波／ミリ波エネルギーの暴露に応じて測定可能な磁化率を示すであろうし、その群は有価成分であろう。他の場合には、有価成分は、ほとんど磁化率を示さなくてもよいが、残りの粒子は磁性を帯びる。二以上の群の粒子が相当な磁化率を示し、一の群の粒子のみを対象とする場合には、マイクロ波／ミリ波暴露は、対象粒子と混合物の他の粒子との間の磁化率の差を最大にするように調整可能である。ネール温度における材料の磁化率の大きさは、通常、キュリー温度以下の強磁性材料よりも弱いので、方法１０は、しばしば、勾配の大きい磁気分離器を使用する。

方法１０は、他の追加的なステップを含んでもよい。例えば、方法１０は、粒子混合物を不活性ガスまたは反応性ガスと接触させることを含んでもよい。そのような接触は、多くの理由で望ましい可能性がある。例えば、方法１０は、後述するように、粒子を流動化するために、プロセス装置を通じた粒子混合物の搬送に役立つガスを使用してもよい。その代わりにまたは追加的に、方法１０は、固体粒子から不純物を分離して所望の反応生成物等を形成するためにガスを使用してもよい。

さて例示的な用途に目を向けると、図２は、ラテライト石の有価ニッケルの濃縮方法１００を図解する。しかし、好適な変形によって、方法１００が種々の鉱石から多数の異なる有価金属を濃縮するために使用可能であることが注記されるべきである。図２に示すように、方法１００は、粒子混合物から構成されるラテライト石を用意すること１０２を含む。このステップは、土類からのラテライト石の抽出、鉱石の輸送及び貯蔵等を含む種々の工程から構成され得る。さらに、効果的な磁気分離は、対象成分が別個の粒子から構成されることを必要とするため、用意ステップは、石粒子の破砕、粉化（必要であれば）、及び寸法揃え（例えば篩かけ）により、石の母相から、ここでは酸化ニッケルから対象成分を遊離することを含んでもよい。

典型的なラテライト石について、略２０メッシュまたは略１．３ｍｍより小さい必要な寸法に粒子が破砕され粉化された後、石は、実質的に有価ニッケルを含有する粒子を選択的に加熱するために、マイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露される１０４。酸化ニッケル粒子の選択的加熱により、方法１００は、実質的に有価ニッケルを含有する粒子と含有しない粒子の磁化率の差を増大させる。このことは、酸化ニッケルについて、略２６０℃と３７７℃の間にあるネール温度まで粒子を加熱することに対応する。酸化ニッケル粒子は、それが所望のレベルの磁化率を達成する限り、ネール温度と異なる温度（例えば１５０℃と３００℃の間）に加熱されてもよいことが理解されるべきである。

また、方法１００は、実質的に有価ニッケルを含有する粒子の少なくとも一部を粒子混合物から分離させる磁場勾配にラテライト石を暴露すること１０６を含む。有価ニッケル以外に、ラテライト石は、通常、ネール温度とは異なる温度まで選択的に加熱されたであろうような他の有価金属を含む。これらの粒子は、残存磁化率を保持可能であり、その結果、磁気分離ステップ中に、その一部が、酸化ニッケル粒子により随伴され得る。生成する濃縮された有価ニッケル、及び、おそらく少数成分の随伴された有価金属は、さらなる処理（精製、精錬等）を受けてもよく、あるいは最終製品として販売可能である。

図３は、図１及び図２にそれぞれ示すプロセス１０，１００の実行に使用可能である装置２００を示す。装置２００は、処理中に粒子混合物（例えば破砕され寸法の揃えられた石）を保持する容器２０２を備える。矢印２０４，２０６により示すように、粒子混合物とガス（典型的には、冷却または加熱され得る圧縮空気）は、容器２０２の第１の端部２１２の注入口２０８，２１０を介して容器２０２に進入する。ガスは、プレナム部２１４に下降し、ガス分配器２１６（即ち格子板または穿孔板）を通して上方に流れ、ガス分配器は容器２０２の側面と第１の端部２１２と第２の端部２１８とに間隔をおいて配置されている。

図３で円２２０として模式的に示す固体粒子は、ガス分配器２１６に沿って容器２０２の第１の端部２１２から第２の端部２１８まで移動する。容器２０２の端部２１２，２１８間での固体粒子２２０の搬送を助けるため、分配器２１６を通過して上方に流れるガスが粒子２２０を持ち上げ、液体に類似した挙動をする流動床２２２を形成する。粒子２２０を流動化するために使用されるガスは、遊離空間２２４に流入し出口２２６を介して容器２０２から排出する。導管２２８は、ガスを粉塵分離器２３０（例えばサイクロン）に導き、この粉塵分離器は、ガス流れ２３４から、随伴された固体２３２を除去する。流動媒体として作用することに加えて、ガスは、不純物を分離し、表面被膜を形成し、反応により所望の生成物を形成等し得る。

装置２００は、粒子２２０を放射手法によりマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露するために使用可能なエネルギーシステム２３６を含む。システム２３６は、マイクロ波／ミリ波エネルギーのソース２３８と、容器２０２内に配置された照射器２４０とを含む。また、システム２３６は、ソース２３８から照射器２４０にマイクロ波／ミリ波エネルギーを向ける導波管２４２を含む。この明細書で使用されるように、マイクロ波／ミリ波エネルギーは、略１００ＭＨｚの低周波数から略３０００ＧＨｚの高周波数までの周波数を有するエネルギーを参照する。材料を処理するためのマイクロ波／ミリ波エネルギーを生成し印加するための有用なシステムの説明については、ここで、その全体が全ての目的のために参照により組み入れられる、米国特許第４，８９４，１３４号及び米国特許第６，０９０，３５０号を参照されたい。

図３に見られるように、粒子２２０が照射器２４０からのマイクロ波／ミリ波エネルギーの暴露を介してそれぞれが異なって加熱された後で、粒子は、容器２０２の第２の端部２１８に到達し、磁気分離器２４４を通過する。矢印２４６，２４８により示すように、磁気分離器は、磁性粒子２５０（即ち閾値磁化率を有するもの）を非磁性粒子から逸らせ、これにより磁性粒子（または非磁性粒子）を濃縮する。上述したように、勾配の大きい磁気分離器は、非常に有用であるが、磁性粒子２５０の磁化率に依存し、他の装置も使用可能である。有用な磁気分離器の説明については、Ｒｏｂｅｒｔ Ｈ．Ｐｅｒｒｙ，Ｄｏｎ Ｗ．Ｇｒｅｅｎ著の「Ｐｅｒｒｙの化学技術者ハンドブック」、頁１９−４０から頁１９−４９（第７版）を参照されたい。

図３に示す装置２００は、容器２０２の端部２１２，２１８間でそれぞれの粒子２２０を搬送するため、流動床２２２を利用するが、他の装置も使用可能である。例えば、実施形態のいくつかは、容器２０２の第２の端部２１８の、磁気分離を実行するための磁気プーリに結合可能な移動ベルトを使用してもよい。他の実施形態は、重力に基づいて粒子を搬送してもよく、粒子を不活性ガスまたは反応性ガスと接触させて粒子から不純物を分離し、所望の反応生成物を形成し、粒子の表面特性を改良等してもよい。図３に示す装置２００は、粒子混合物の連続処理に適用され、この連続処理は、容器２０２の必要寸法を最小化し、そのため装置経費を最小化する。しかし、バッチ、または準バッチ様式で運転する他の装置も使用可能であり、この装置は、結果として、相対的に高い装置費用と労働費用になるが、対象材料の相対的に大量の再生につながる可能性がある。

他の実施形態は、磁性粒子２５０を、粒子２５０がさらなる処理を受ける第２の容器（図示しない）に導くことも可能である。図３に示す装置２００に類似して、第２の容器は、粒子２５０を加熱するための必要構成（例えばマイクロ波／ミリ波源）及び不活性ガスまたは反応性ガスと磁性粒子２５０を接触させるための必要構成（例えばガス分配器）を含んでもよい。そのような装置は、用いた流動化ガスと同一または異なるガスを使用可能であり、このガスは、酸化ニッケルを硫化ニッケルに変換するために硫黄（例えば硫化水素）を含む。

上記の説明は、図解的であることを意図し限定するものではないことが理解されるべきである。上記の説明を読んで、多数の実施形態が当業者に明らかになるであろう。したがって、発明の範囲は、上記記載を参照して決定されるのではなく、その代わりに添付のクレームを参照し、そのクレームが与えられる均等の全範囲に沿って決定されるべきである。特許出願及び刊行物を含むすべての特許、雑誌及び参考文献の開示は、もしあれば、ここで、その全体が全ての目的のために参照により組み入れられている。

図１は、粒子の混合物の構成成分の分離方法を示すブロック図である。 ラテライト石の有価ニッケルの濃縮方法を示すブロック図である。 ラテライト石を含む鉱石からニッケルのような有価金属を分離する装置の模式図である。

Claims (23)

1. 少なくとも第１の群の粒子と第２の群の粒子とから構成される粒子混合物を用意し、前記第１の群の粒子は前記第２の群の粒子と異なる化学組成を有し、
   前記第１及び第２の群の粒子をそれぞれ加熱するためにマイクロ波／ミリ波エネルギーに前記粒子混合物を暴露して前記第１及び第２の群の粒子の磁化率の差を増大させ、
   前記粒子混合物を磁場勾配に暴露し、該磁場勾配は前記粒子を第１及び第２の成分に分離させ、当該第１の成分は前記混合物より前記第１の群の粒子の相対的に高い含有率を有し、前記第２の成分は前記混合物より前記第２の群の粒子の相対的に高い含有率を有する、
   混合物の構成要素の分離方法。
2. 前記粒子混合物はラテライト石である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の群の粒子は、１以上の有価金属を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記粒子混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露することは、さらに、少なくとも第１の群の粒子の一部を前記有価金属の一つのネール温度近傍に加熱することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の群の粒子は、１以上の有価ニッケルを含む請求項３に記載の方法。
6. １以上の有価コバルトを含む第３の群の粒子をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記粒子混合物をガスと接触させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記粒子混合物を流動化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 粒子混合物から構成されるラテライト石を用意し、
   前記ラテライト石を、１以上の有価ニッケルを実質的に含有する粒子を選択的に加熱するために、マイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露して有価ニッケルを実質的に含有する粒子と有価ニッケルを実質的に含有しない粒子の磁化率の差を増大させ、
   前記ラテライト石を磁場勾配に暴露して、有価ニッケルを実質的に含有する前記粒子の少なくとも一部を前記粒子混合物から分離させる、
   ラテライト石の有価ニッケルの濃縮方法。
10. 前記有価ニッケルは酸化ニッケルである、請求項９に記載の方法。
11. 前記粒子混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露することは、さらに、有価ニッケルを実質的に含有する前記粒子の少なくとも一部を少なくとも当該有価ニッケルのうちの１つのネール温度近傍に加熱することを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記粒子混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露することは、さらに、有価ニッケルを実質的に含有する前記粒子の少なくとも一部を、少なくとも略１５０℃の温度に加熱することを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記粒子混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露することは、さらに、有価ニッケルを実質的に含有する前記粒子の少なくとも一部を、少なくとも略２５０℃の温度に加熱することを含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記粒子混合物をガスと接触させることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記粒子混合物を流動化することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
16. 処理中に、粒子混合物を保持するための内室を有する容器と、
    前記容器に結合され、前記粒子混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露するためのエネルギーシステムと、
    前記容器の前記内室と連通し、磁性粒子を非磁性粒子から分離するための磁気分離器と、
    を備える粒子混合物の構成要素の分離装置。
17. 前記粒子混合物をガスと接触させるためのガス分配器をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
18. 前記粒子混合物を流動化するためのガス分配器をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
19. 前記磁気分離器と連通する内室を有する第２の容器をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
20. 前記第２の容器の前記内室に保持された粒子をガスと接触させるためのガス分配器をさらに備える、請求項１９に記載の装置。
21. 前記ガス分配器と流体密に連通するガス源をさらに備え、当該ガス源は硫黄または硫黄を含有する化合物を含む、請求項２０に記載の装置。
22. 前記第２の容器の前記内室に保持された粒子を流動化するためのガス分配器をさらに備える、請求項１９に記載の装置。
23. 処理中に、粒子混合物を保持するための容器と、該容器は、第１の端部、第２の端部、該第１の端部に隣接して配置され、該容器への固体粒子の進入を許容する注入口を有し、
    前記容器内に配置され、前記粒子混合物を流動化するためのガス分配器と、
    前記容器に結合され、前記粒子混合物をマイクロ波／ミリ波エネルギーに暴露するためのエネルギーシステムと、
    前記容器の前記第２の端部に隣接して配置され、磁性粒子を非磁性粒子から分離するための磁気分離器と、
    を備える粒子混合物の構成要素の分離装置。

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