KR20090042996A - 철 함량이 낮은 금속 니켈 제조 - Google Patents

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Abstract

철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법은, (i) 적어도 니켈과 철을 함유하는 산성 생성액을 제공하는 단계, (ii) 상기 산성 생성액을 이온 교환 공정으로 처리하고, 이 때 이온 교환 수지가 상기 산성 생성액으로부터 상기 니켈과 철의 일부를 흡착하게 하는 단계, (iii) 상기 수지로부터 니켈과 철을 산성 용액으로 추출하여, 상기 니켈과 철을 함유하는 추출액을 생성하는 단계, (iv) 상기 추출액을 pH 2.5 내지 pH 3.5의 범위로 중화하여, 상기 철의 상당량을 침전시키고 철 고갈 추출액을 잔류시키는 단계, (v) 철 고갈 추출액을 pH 7 내지 pH 8의 범위로 중화하여, 낮은 철 함량의 수산화니켈을 침전시키는 단계, (vi) 상기 수산화니켈을 하소하여 산화니켈로 변환시키는 단계, (vii) 상기 산화니켈을 환원제의 존재 하에서 직접 제련하여 용융 니켈 상을 생성하는 단계, 및 (viii) 상기 용융 니켈 상을 산화에 의해 정련하여 낮은 철 함량의 금속 니켈 생성물을 제조하는 단계를 포함한다.
니켈, 침출, 이온 교환, 추출, 중화, 하소, 제련, 정련

Description

철 함량이 낮은 금속 니켈 제조{PRODUCTION OF METALLIC NICKEL WITH LOW IRON CONTENT}
본 발명은 일반적으로 니켈 광석 또는 정광(concentrate)을 침출하여 생성한 니켈 함유 산성 용액으로부터 철 함량이 낮은 금속 니켈을 제조하는 새로운 방법에 관한 것이다. 본 방법은, 니켈을 회수하기 위하여, 라테라이트(laterite) 광석의 가압 산 침출(pressure acid leaching), 대기압 산 침출 및/또는 퇴적 침출(heap leaching), 또는 황화니켈 광석 또는 정광의 산화 침출 또는 미생물 침출(bio-leaching)과 그 후의 이온 교환과 같은 공정에 의하여, 니켈 함유 광체(ore body) 또는 정광으로부터 얻은 니켈 함유 산성 생성액(acidic product liquor)에 특히 적합하다. 철을 제거하기 위한 니켈 함유 이온 교환 추출액(eluate)의 처리 후에, 니켈을 수산화니켈로서 침전시키고, 그 후 하소, 제련 및 정련하여 철 함량이 낮은 본 발명의 금속 니켈 생성물을 제조한다.
라테라이트 니켈 및 코발트 광상(ore deposit) 또는 니켈 함유 산화물 광상은, 일반적으로 산화물 유형의 광석인 갈철석(limonite)과 규산염 형태의 광석인 새프롤라이트(saprolite)를 동일 광상 내에 두 층으로서 포함하며, 두 층은 천이 구역에 의해 분리되어 있다. 갈철석 구역은 침철석(goethite)(FeOOH)을 포함하고 마그네슘과 니켈 함량이 비교적 낮다. 새프롤라이트 구역은 다양한 규산마그네슘을 포함하고 마그네슘과 니켈의 함량이 비교적 높다. 상용화된 공정에 의해 새프롤라이트 또는 갈철석을 처리하는 설비 규모를 최소화하기 위해서는, 고품위 갈철석과 새프롤라이트가 바람직하다. 이에 따라, 일부 광상 내의 저품위 광석 또는 천이 광석은 폐석으로 처리된다.
니켈과 코발트 함량이 높은 갈철석은 일반적으로 고압 산 침출 공정에 의해 습식 야금법으로, 또는 탄소 환원 배소 - 탄산암모늄 침출 공정과 같은 건식 야금법과 습식 야금범의 조합에 의해 공업적으로 처리된다.
니켈 함량이 높은 새프롤라이트는 배소와 전기 제련법을 포함하는 건식 야금 공정에 의해 처리되는 경향이 있고, 처리에 의해 일반적으로 철 함량이 50%를 상회하는 페로니켈과 함께 불용 슬래그 상(reject slag phase)이 생성된다. 대부분의 철은 슬래그 내로의 이동이 어렵고 슬래그 양의 증가와 더불어 니켈의 추가 손실이 발생하므로, 이러한 방법에 의해서는 철 함량이 낮은 금속 니켈이 제조될 수 없다.
페로니켈 공정은, 전체 광석과 니켈의 비가 전형적으로 40:1이고 대부분의 전력이 슬래그 용해에 소비되므로, 상당히 에너지 집약적인 공정이다. 이 공정은 경제적이기 위해서는 고품위 새프롤라이트 광석을 필요로 한다. 낮은 니켈 함량의 갈철석, 새프롤라이트 및 천이 구역 내의 갈철석/새프롤라이트 혼합물의 니켈 광석에 대한 철의 높은 비율과 더불어 전력 요건으로 인하여, 이러한 공정 방법에서는 전술한 유형의 광석에 대하여 너무 많은 비용이 소요된다.
따라서, 페로니켈 공정에 있어서, 약간의 고품위 니켈 광석을 포함하는 상당 량의 니켈 광석 자원은, 비교적 낮은 품위 또는 슬래그 제조에 부적합한 Si/Mg/Fe 비로 인하여 폐석으로 처리된다. 또한, 페로니켈 공정인 RKEF(Rotary Kiln and Electric Furnace)(회전로 및 전기로) 공정에서는, 광석 내의 코발트가 페로니켈에 유입되는데, 이 코발트는 현실적으로 경제적인 가치가 없다는 단점이 있다. 또한, 페로니켈 내의 철의 높은 함량으로 인하여, 그 최종 용도는 스테인리스강 제조로만 제한된다.
전술한 공정들은, 광석을 선광하는 효과적인 방법이 존재하지 않으므로, 일반적으로 "광석 전체"의 처리를 필요로 한다. 이로 인한 단점은, 유가 금속(metal value)의 함량이 적을 수도 있는 광석의 광물학적 비율로 인하여, 처리되는 전체 광석의 양이 실질적으로 감소하고 회수 비용이 증가한다는 것이다.
종래 기술과 관련된 문제점들 중 하나 이상을 해결하거나 적어도 경감시키는 공정으로서, 간단하고, 에너지 집약도가 작고, 자본 투자비가 적은 공정을 제공하여 (본 명세서에 기재된 바와 같은) 낮은 철 함량의 금속 니켈을 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 넓은 범위의 니켈 함유 광석, 특히 종래의 공정에 의해서는 이용될 수 없다고 여겨지는 라테라이트 광석을 사용하여 낮은 철 함량의 니켈을 제조하는 공정을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 니켈 시장에서 일반적인 판매를 위하여 충분한 순도를 가진 니켈을 제조하는 공정을 제공하는 것이 바람직하다.
호주의 코즈 공장(Cawse Plant)에서는, 중간 니켈 화합물로서 철을 함유하지 않거나 철 함량이 낮은 수산화니켈 중간 생성물(intermediate)이 상업적으로 생산 되고 있다. 코즈 공정에서는, 라테라이트 니켈 광석이 고압 황산 침출에 의해 처리되어, 니켈 및 코발트와 함께 기타 불순물이 추출된다. 다단계 중화와 고상/액상 분리 후에 침출액(leachate)으로부터 미광(waste ore)과 일부 불순물이 분리되고, 그 후의 산화마그네슘에 의한 중화에 의해 혼합 니켈 코발트 수산화물이 침전된다.
유사한 공정에 의한 수산화니켈 중간 생성물 제조 방법도 종래 기술에 기재되어 있다. 예를 들면, 수산화니켈 중간 생성물은, 라테라이트의 고압 또는 대기압 산 침출 또는 고압과 대기압 조합형의 산 침출, 라테라이트 또는 황화니켈 광석 또는 정광의 퇴적 침출, 또는 황화물 광석 또는 정광의 고압 또는 대기압 침출로부터의 중간 생성물로서 제조될 수 있다. 종래 기술의 문헌에는, 전술한 공정의 침출액 또는 침출 슬러리의 용매 추출 또는 이온 교환 처리로부터의 추출액, 회수 용액(strip solution), 또는 라피네이트(raffinate)로서 생성되는 황산니켈 산성 용액으로부터 수산화니켈이 제조될 수 있다는 점이 기재되어 있다.
비에치피 빌리톤 에스에스엠 테크놀러지 피티와이 엘티디를 출원인으로 하는 국제 특허출원공보 제PCT/AU2005/001360호에는, 습식 야금과 건식 야금 공정의 조합에 의해 페로니켈 또는 니켈 매트(matte)를 제조하는 공정이 개시되어 있다. 이 명세서에 개시된 공정에서는, 니켈과 철이 이온 교환 공정에서 수지에 선택적으로 흡착되고 그에 따라 다른 불순물로부터 분리되고, 황산에 의해 수지로부터 추출되며, 추출액이 중화되어 혼합 니켈 철 수산화물이 침전된다. 혼합 니켈 철 수산화물은 그 후에 바로 환원되어 페로니켈 또는 니켈 매트 생성물이 제조된다.
이 공정을 더욱 개선한 형태로서, 비에치피 빌리톤 에스에스엠 테크놀러지 피티와이 엘티디를 출원인으로 하는 국제 특허출원공보 제PCT/AU2006/000225호에는, 혼합 니켈 철 수산화물의 펠릿화, 니켈 철 산화물의 펠릿을 제조하기 위한 하소(calcination) 및 산화물의 페로니켈로의 환원을 포함하는 방법에 의해 고품위 페로니켈 생성물을 제조하는 공정이 개시되어 있다. 하소된 니켈 철 산화물의 펠릿 내에 철 함량이 비교적 높으면, 펠릿은 가스상 환원제와의 반응에 의해 환원되기에 충분한 반응성이 있다.
전술한 공정을 개선한 형태는, 니켈 중간 생성물로부터 직접 철 함량이 낮은 금속 니켈을 제조하고 그에 따라 더욱 고순도의 니켈 생성물을 제공하는 것이다.
전술한 문헌, 기술 내용 등에 대한 설명은 단지 본 발명의 배경을 제공하기 위한 목적으로 명세서에 포함된다. 이러한 사항들의 일부 또는 전부가 종래 기술의 기초를 형성하거나 본 발명의 우선일 전에 관련 분야에 공지된 보편적이고 일반적인 지식이라는 것을 의미하거나 시사하기 위한 것이 아니다.
본 발명에 따르면,
(i) 적어도 니켈과 철을 함유하는 산성 생성액을 제공하는 단계,
(ii) 상기 산성 생성액을 이온 교환 공정으로 처리하여, 상기 산성 생성액으로부터 상기 니켈과 철의 일부를 이온 교환 수지에 흡착시키는 단계,
(iii) 상기 수지로부터 니켈과 철을 산성 용액으로 추출하여, 상기 니켈과 철을 함유하는 추출액을 생성하는 단계,
(iv) 상기 추출액을 pH 2.5 내지 pH 3.5의 범위로 중화하여, 상기 철의 상당량을 침전시키고 철 고갈 추출액(iron depleted eluate)을 잔류시키는 단계,
(v) 철 고갈 추출액을 pH 7 내지 pH 8의 범위로 중화하여, 낮은 철 함량의 수산화니켈을 침전시키는 단계,
(vi) 상기 수산화니켈을 하소하여 산화니켈로 변환시키는 단계,
(vii) 상기 산화니켈을 환원제의 존재 하에서 직접 제련하여 용융 니켈 상(molten nickel phase)을 생성하는 단계, 및
(viii) 상기 용융 니켈 상을 산화에 의해 정련하여 낮은 철 함량의 금속 니켈 생성물을 제조하는 단계를
포함하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법이 제공된다.
전형적으로 "낮은 함량의 철"은 1% 이하의 철을 의미하고 0의 철 함량을 포함한다.
따라서, 산성 니켈 함유 용액으로부터 낮은 철 함량의 니켈을 제조하는 방법이 제공된다. 전형적으로, 용액은 니켈 광석 또는 정광을 침출함으로써 생성된다. 본 공정은, 라테라이트 광석의 고압 또는 가압 산 침출, 대기압 산 침출, 대기압 산 교반 침출 또는 퇴적 침출과 같은 공정에 의해, 또는 황화니켈 광석의 산화 침출 또는 미생물 침출에 의해, 또는 이들의 조합에 의해, 니켈 함유 광체 또는 정광으로부터 얻은 니켈 함유 산성 생성액에 특히 적합하다. 산성 니켈 함유 침출 용액과 잔류 광석의 분리 및 침출 용액으로부터의 구리 제거 후에, 용액은 이온 교환에 의해 처리되어 니켈과 철이 다른 불순물로부터 분리된다. 철의 제거를 니켈 함유 이온 교환 추출액의 처리 후에 수산화니켈로서 니켈이 침전되고, 수산화니켈은 하소, 제련 및 정련되어 철 함량이 낮은 신규한 금속 니켈 생성물이 제조된다.
본 공정은 넓은 범위의 니켈 함유 광석의 처리에 적용 가능하고, 종래의 공정으로는 이용 가능하지 않은 것으로 여겨지는 라테라이트 광석의 처리에 특히 적합하다. 한 실시 형태에서, 본 발명은 라테라이트 광석이 퇴적 침출된 후에 이온 교환 공정으로 처리되는 방법에 적용 가능하며, 니켈은 우선 황산에 의해 침출된 후에 니켈, 코발트 및 철을 함유하는 생성액으로서 회수된다. 본 발명의 바람직한 형태에서, 낮은 철 함량의 금속 니켈 생성물은, 이온 교환 공정의 침출액으로부터 회수된 낮은 철 함량의 수산화니켈 생성물로부터 제조된다.
일반적으로, 본 공정은 라테라이트 광석으로부터 니켈의 회수를 위한 전체 공정의 일부를 형성한다. 바람직한 실시 형태에서, 금속 니켈 생성물은 아래와 같은 일반적인 공정에 의해 제조된 수산화니켈 중간 생성물로부터 제조된다. 침출 귀액(pregnant leachate solution)은, 황산에 의한 니켈 함유 라테라이트 광석의 퇴적 침출 공정에 의해, 바람직하게는 역류(counter current) 퇴적 침출 공정에 의해 제조된다. 적어도 니켈, 코발트 및 철을 함유하는 침출 귀액은 그 후에 이온 교환(IX) 공정에 의해 처리되고, 이 때 침출액 내의 구리가 우선적으로 추출된다. 구리가 함유되지 않은 침출 귀액은 그 후에 제2 IX 공정에 의해 처리되고, 이 때 니켈과 코발트의 일부가 수지에 추출되며, 대부분의 철과 코발트는 라피네이트 내에 잔류한다. 니켈과 철은 그 후에 산으로 수지로부터 추출되고, 추출액은 pH 2.5 내지 pH 3.5로 중화되어, 대부분의 철은 용액으로부터 침철석 또는 수산화철로서 침전된다. 침출액은 그 후에 산화마그네슘, 소다회(soda ash) 또는 가성 소다와 같은 중화제에 의해 pH 7 내지 pH 8로 추가로 중화되어, 수산화니켈이 침전된다.
수지들 중에는 니켈과 철보다 구리에 대한 친화도가 높은 수지도 있으므로, 생성액 내에 존재할 수 있는 모든 구리는 니켈/철 이온 교환 공정 전에 제거되어 회수되어야 한다. 구리는 이온 교환, 용매 추출 또는 공지의 다른 방법 중 하나에 의해 생성액으로부터 용이하게 제거된다. 그러나 바람직하게는, 생성액 내에 존재하는 모든 구리는 본 발명의 공정의 단계 (i) 전에 추가 이온 교환 공정에 의해 제거되며, 이 때 이온 교환 수지가 생성액으로부터 구리를 선택적으로 흡착한다. 유가 금속으로서의 구리는 그 후에 일반적인 공정에 의해 회수될 수 있다.
전형적으로, 본 발명의 공정의 단계 (ii)에서 사용되는 이온 교환 수지는 이온 교환 공정에서 일반적으로 사용되는 수지이다. 바람직하게는, 라테라이트 광석을 침출하여 생성액을 얻는 경우에, 수지는 DOWEXTM M4195 수지라는 상표명으로 판매되고 있는 수지와 같이 비스-피콜릴아민(bis-picolylamine) 작용기를 가진다. 그러한 수지는, 라테라이트 광석을 침출하여 얻은 생성액 내에 전형적으로 존재하는 다른 불순물로부터 니켈 및 철과 코발트의 일부를 분리할 수 있다. 니켈 및 철과 코발트의 일부는 단계 (ii)의 이온 교환 공정 중에 다른 불순물로부터 분리된다. 니켈 및 철과 코발트의 일부는 수지에 부착되고, 대부분의 철과 코발트는 라피네이트 내에 잔류한다. 그 후에, 코발트는 용매 추출, 이온 교환, 또는 황화물, 탄산염 또는 수산화물로서의 침전과 같은 종래 기술에 의해 라피네이트로부터 회수될 수 있다.
본 발명의 공정의 단계 (iii)에서, 니켈과 철은 산성 용액에 의해 수지로부터 추출된다. 바람직하게는, 산성 용액은 황산이다.
니켈과 철을 함유하는 추출액 내의 자유 산(free acid)의 중화는 단계 (iv)에서의 철 침전과 단계 (v)에서의 니켈 침전인 두 과정으로 실시될 수 있다.
제1 중화 단계(본 발명의 공정의 단계 (iv))에서 중화제로서 석회석이 사용되어 pH가 대략 2.5 내지 3.5까지 증가할 수 있고, 용이하게 여과될 수 있는 침철석 또는 수산화철과 함께 석고(gypsum)가 중화 생성물로서 침전된다. 탄산마그네슘, 산화마그네슘, 소다회 또는 가성 소다와 같은 다른 적절한 중화제가 경제성에 따라서 사용될 수도 있다. 철은 대략 pH 1.5에서 용액으로부터 침전되기 시작하고, 용액으로부터 실질적으로 모든 철이 제거되기 위해서는 pH 2.5 내지 pH 3.5의 범위의 더 높은 pH가 필요하다. 첨가되는 중화제의 양과 그에 따른 용액의 pH를 제어함으로써, 최종 금속 니켈 생성물 내의 철의 함량을 원하는 수치로 제어할 수 있다.
제1 중화 단계에서 추출액으로부터 철의 실질적인 양의 침전에 의해, 철 고갈 추출액이 남게 되고 그 후에 제2 중화 단계에서 처리된다.
니켈 침전 단계(본 발명의 공정의 단계 (v))에서 산화마그네슘 및/또는 소다회 및/또는 가성 소다가 사용되어, 침출액이 추가로 중화, 바람직하게는 7.5를 초과하는 pH로 중화됨으로써, 거의 모든 니켈이 수산화니켈 생성물로서 침전될 수 있다. 수산화니켈은 낮은 철 함량, 바람직하게는 0.5% 미만의 철을 함유하거나 철을 함유하지 않을 수 있다.
이온 교환 추출액로부터 회수된 수산화니켈 생성물은 본 발명의 공정에 따라 니켈로 처리하기에 적합하다. 수산화니켈 생성물은 일반적으로 함습 케이크(wet cake)의 형태이다. 바람직하게는, 수산화니켈 생성물은 대략 100℃ ~ 120℃의 온도에서 건조된다.
본 발명의 공정의 단계 (vi)에서, 수산화니켈은 하소되어 산화니켈로 변환된다. 바람직하게는, 하소는 대략 800℃ ~ 1300℃의 온도에서 산화 조건 하에서 실시되어, 수산화니켈은 실질적으로 황을 함유하지 않는 산화니켈로 변환된다. 더욱 바람직하게는, 하소 온도는 1050℃ 내지 1300℃의 범위이다. 단계 (iii)에서 황산에 의해 니켈이 추출되면, 하소 중에 모든 잔류 황은 전형적으로 이산화황 또는 삼산화황으로의 산화에 의해 제거된다.
일반적으로, 하소 단계는 건조로(kiln), 이동형 격자로(travelling grate), 고로(shaft furnace), 다단-노상로(multi-hearth furnace) 또는 그러한 생성물의 하소에 적합한 기타 반응로에서 실시된다. 산화 조건은 반응로 내에 또는 고상 베드(solid bed)를 통하여 공기 또는 기타 산화 가스의 첨가에 의해 제공된다.
단계 (vii)에서, 산화니켈은 환원제의 존재 하에서, 가장 바람직하게는 탄소의 존재 하에서 직접 제련 환원으로 처리되어, 용융 니켈 금속 상(metal phase)이 생성된다. 가장 바람직하게는, 적절한 슬래그가 또한 존재한다. 바람직한 실시 형태에서, 하소되고 탈황된 산화니켈은 대략 1540℃의 온도에서 합성 슬래그의 존재 하에서 탄소로 직접 제련된다. 적절한 슬래그는 CaO-Al2O3계일 수 있으나, 다양한 유형의 슬래그가 사용될 수도 있다. 수산화니켈이 상당량의 MgO를 함유할 가능성이 있는 경우에, 슬래그의 질량과 산화마그네슘의 고용도(solubility)는 하소 니켈 산화물 내의 맥석을 수용하도록 충분히 커야 한다.
단계 (viii)에서, 용융 니켈 상은 산화에 의해 모든 잔류 탄소가 제거되도록 정련된다. 이는 산소 주입 또는 기타 종래 방법에 의해 실시될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물은, 런던 금속 거래소(London Metal Exchange)의 니켈 요건(Nickel requirement)만큼 순수하지는 않으나, 스테인리스강 용강에 직접 첨가하기에 적합하다. 선별적인 니켈/철 이온 교환 처리 후에 대부분의 불순물이 제거되고, 하소 후에 생성물은 낮은 수준의 황을 함유하므로, 니켈 생성물은 충분한 순도를 가진다. 바람직하게는, 니켈 생성물은 정련 단계 후에 0.5% 미만의 Mg 함량과, 0.1% 미만의 황 함량과, 0.01% 내지 0.05%의 탄소 함량을 가진다.
본 발명의 공정으로부터의 니켈 생성물은 스테인리스강 노에 첨가되기에 적합하고, 다른 용도로 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 공정에 따른 바람직한 흐름도를 나타낸다.
바람직한 실시 형태에서, 생성액은 퇴적 산 침출 공정으로부터 얻어지며, 라테라이트 광석은 바람직하게는 25mm 이하의 크기로 분쇄되고, 퇴적물(heap)의 투과성 향상을 위하여, 물, 황산 또는 기타 결합제에 의해 응집된다.
응집된 광석은 적어도 하나의 퇴적물로 작용하도록, 바람직하게는 역류 퇴적 침출 시스템으로서 작용하도록, 적어도 두 개의 퇴적물인 1차 퇴적물과 2차 퇴적물로 배치될 수 있다. 역류 퇴적 침출 공정은 단일 퇴적 시스템에 비하여 산 소모가 적고 생성액의 철 함량이 낮다는 장점이 있다.
도 1에 예시된 바람직한 방법에서, 침출 용액은 니켈 이온 교환 단계(2)에서 니켈이 고갈된 재순환 라피네이트(1)로부터 공급되고 황산(3)이 보급되며, 2차 퇴적물(4)에 부가되어 중간 생성 용액을 생성하고, 그 후에 역류 공정 내의 1차 퇴적물(5)에 공급된다. 이에 따라 니켈과 코발트 농도가 높고 산도가 낮은 생성 용액(PLS)(6)이 생성되며, 이 생성 용액은 철과 그 밖의 다양한 불순물을 또한 함유한다. 2차 퇴적물에서 니켈이 고갈되면, 2차 퇴적물은 폐기되고, 1차 퇴적물이 2차 퇴적물이 되며, 새로운 광석 퇴적물이 1차 퇴적물이 된다.
PLS는 선택적으로 단계 22에서 선택적으로 처리되어, 용액 내에 존재하는 구리가 제거된다. PLS는 그 후 이온 교환(IX) 공정(2)을 거쳐 처리되며, 이 때 대부분의 니켈 및 약간의 철과 코발트가 수지 베드(resin bed)에 부착되고, 대부분의 철, 코발트 및 거의 모든 기타 불순물은 라피네이트 용액에 잔류하여 통과한다. 수지는 예를 들면 비스-피콜릴아민(bis-picolylamine)의 작용기를 가진 DOWEXTM M4195이다. pH 2에서, 수지의 선택도를 나타내는 흡수 상수는 그 순서가 다음과 같다: Ni+2 > Fe+3 > Co+2 > Fe+2 > Mn+2 > Mg+2 > Al+3. 따라서, pH 2에서 수지는 니켈을 회수할 수 있고, 철을 제외한 다른 불순물을 제거할 수 있다.
DOWEXTM M4195는 니켈과 철보다 구리에 대한 친화도가 훨씬 높으므로, 본 공 정이 이용되어 황화물 광석의 산화 침출이나 미생물 침출 또는 높은 구리 함량의 라테라이트의 침출로부터의 생성액이 처리되는 경우에, 생성액이 이온 교환 단계로 처리되기 전에 구리가 회수되는 것이 경제적이라면, 단계 22에서 생성액으로부터 구리가 제거되어 회수된다.
코발트를 함유하는 라피네이트(7)는 공지의 용매 추출, 이온 교환, 또는 침전 방법(19)으로 추가 처리되어, 황화코발트 또는 수산화코발트로서 코발트가 추출되고 회수될 수 있다.
부착된 니켈과 철은 황산 용액(8)에 의하여 수지로부터 추출된다. 니켈 처리에 실시된 종래의 작업에서는, IX 시스템을 사용하여 순수한 니켈 추출액 또는 유가 금속인 니켈과 코발트를 함유하는 추출액을 생성하였다. 그러나, 본 공정에서 IX 단계는 낮은 철 함량의 니켈의 추가 처리에 적합한 추출액 내에 니켈과 철 혼합물을 생성하는 데에 사용된다. 이러한 단계는, 중화되고 배출되는 철의 양을 감소시키며, 하류측 설비의 크기를 감소시킨다.
IX 추출액은 pH 2.5 내지 pH 3.5로 1차 중화(9)되어, 침철석 또는 수산화철로서 용액 내에 존재하는 철의 대부분이 침전되고, 맑은 추출액은 침전물과 분리된다. 중화제는 석회석(10)인 것이 바람직하지만, 탄산마그네슘, 산화마그네슘 또는 소다회나 가성 소다와 같은 다른 적절한 중화제가 대신 사용될 수도 있다.
고상/액상 분리 후에, 추출액은 2차 중화(12)를 거치며, 바람직하게는 산화마그네슘 및/또는 소다회 및/또는 가성 소다(11)가 사용되어 철 함량이 낮은 수산화니켈이 침전되고, 수산화니켈은 여과되어 함습 케이크를 생성한다.
함습 수산화니켈 케이크는 110℃에서 건조되고, 회전로와 같은 수평형 노 또는 고로와 같은 수직형 노, 또는 다른 적절한 산업 설비로 이송되어, 1000℃와 1300℃ 사이에서 산화 조건 하에서 하소(13)되어 산화니켈을 생성한다. 습기는 400℃에서 방출되고, 이산화황 또는 삼산화황으로서 제거되는 황산염으로서의 함유된 황은 1100℃에서 2시간 후에 거의 완전히 제거된다.
적절한 용제(flux)의 선택 후에, 바로 산화니켈은 탄소 및 적정 슬래그(15)와 함께 적절한 공업용 노 내에서 적어도 1500℃의 온도, 바람직하게는 대략 1600℃에서 제련(14)되어 고품위 니켈 생성물을 생성한다. CaO-Al2O3계 슬래그가 양호하고 대표적인 슬래그이기는 하나, 다양한 유형의 슬래그가 사용될 수도 있다. 슬래그의 질량과 Mg의 용해도는 하소된 산화니켈 내의 맥석(gangue)을 수용할 수 있을 정도로 충분히 높아야 한다는 점이 중요한 요건이다.
니켈 내의 잔류 탄소는 정련 단계(16)에서 일반적으로 산소(17)의 주입에 의한 산화에 의하여 제거된다.
얻어진 낮은 철 함량의 니켈 생성물은, 페로니켈 등급 FeNi40 LC와 FeNi40LCLP에 관하여 ISO 6501에 규정된 최대 한도보다 10배나 적은 30ppm 미만의 황을 함유한다. 탄소 함량은 20ppm 미만이며, 표준에 따르면 최대 수준은 300ppm이다.
따라서, 낮은 철 함량의 니켈은 스테인리스강 노에 직접 첨가하기에 적합하고 신규한 니켈 생성물을 나타낸다.
전술한 공정의 다른 장점에 의하면, 니켈과 철에 대한 니켈 이온 교환 공정의 높은 선택도의 결과, 수산화니켈 생성물 내의 불순물 수준과 그에 따라 생성된 니켈 내의 불순물 수준은 대부분의 상용 공정에 의해 현재 달성되는 수준보다 상당히 낮으며, "초고순도(super pure)" 페로니켈 등급의 수준보다도 낮다.
본 발명의 공정은, 현행 습식 야금법에 비하여 광석을 최종 니켈 생성물로 변환하기 위한 공정 단계의 수가 적고, 퇴적 침출이 다른 침출 공정보다도 덜 자본 집약적이라는 점에 있어서, 또 다른 장점을 가진다.
아래의 표 1은 본 발명의 공정으로 제조된 니켈 생성물의 순도와 상업적으로 이용 가능한 "상용(utility)" 니켈 제품의 순도를 비교한 것이다. "상용" 니켈 제품은 결정화에 의한 황산니켈 6수화물 제조, 중화에 의한 수산화니켈 또는 산화니켈의 제조, 또는 전해에 의한 음극 니켈의 제조에 사용될 수 있다.
Figure 112009017533608-PCT00001
<실시예>
<실시예 1: 연속적인 가압 침출 및 대기압 침출로부터 얻은 침출 귀액(PLS)으로부터의 Ni 회수 및 정화>
아시아 태평양 라테라이트 광상(Asia Pacific laterite deposit)으로부터의 갈철석과 새프롤라이트 샘플이 가압 침출과 대기압 침출 각각에 사용되었다. 광석은 P100 < 300㎛까지 분쇄되었다. 갈철석과 새프롤라이트 슬러리의 고형분 농도는 각각 37 %w/w와 50 %w/w이었다. 오토클레이브(autoclave) 작동 조건 목표로서, 용량은 0.8 tpd 갈철석으로, 갈철석 광석에 대한 황산의 비는 0.38로, 270℃의 온도에서 유지 시간은 50분으로 설정되었다. 새프롤라이트는, 갈철석에 대한 새프롤라이트의 중량비가 0.35이고 새프롤라이트에 대한 산의 중량비가 0.6(오토클레이브 배출 슬러리로부터의 산을 포함)인 조건으로 처리되었다. 모든 새프롤라이트는 대기압 침출 순회로(atmospheric leach circuit)의 제1 탱크 내에 농축된 산과 오토클레이브 배출 슬러리와 혼합되었다. 철은 대기압 하에서 90℃를 초과하는 온도에서 철백반석(jarosite)으로 침전되었다. 새프롤라이트 침출과 철 침전의 유지 시간은 대략 10시간이었다. 니켈과 코발트 회수 전에, PLS로부터 구리가 제거되었다. 구리는 고정 베드 이온 교환 칼럼 내에서 암버라이트(Amberlite) IRC 718 수지에 의해 추출되었다. 암버라이트 IRC 718 칼럼의 라피네이트는 그 후에 Ni 회수와 정화를 위하여 DOWEXTM M4195 수지로 충진된 IX 장치로 이송되었다. 산성화된 재순환 황산니켈 용액은 회수 용액(stripping solution)으로 사용되어 니켈 추출액이 얻어졌다. 추출액은 그 후에 40℃ ~ 50℃의 소다회 용액으로 중화되어 잔류 철이 침전되었다.
표 2로부터 명확한 바와 같이, 철 침전 후에 최종 니켈 추출액 내의 Ni/Fe(22500:1)와 Ni/(모든 불순물)(188:1)의 농도비는 표 1에 기재된 공업용 "상용(utility)" 니켈 사양의 농도비(각각 160:1 및 24:1)보다 높았다.
Figure 112009017533608-PCT00002
<실시예 2: 퇴적 침출 공정으로부터 얻은 PLS로부터의 Ni 회수 및 정화>
라테라이트 광석이 황산으로 퇴적 침출되었다. 실온에서, PLS는 펌핑되어 N-(2-하이드록실프로필) 피콜릴아민 작용기를 가진 Dow 4196 수지로 충진된 구리-IX 칼럼을 통과하여, 구리가 제거되었다. Dow 4196 칼럼으로부터의 라피네이트는 그 후에 DOWEXTM M4195 수지로 충진된 니켈 IX 설비 내로 이송되었다. 니켈 IX를 위한 회수 용액은, 산성화되어 재순환된 니켈 IX 추출액으로 제조되었다. 니켈 IX의 라피네이트는 산성화 후에 공급 용액으로서 퇴적물에 재순환되었다. 표 3으로부터 명백한 바와 같이, 최종 니켈 추출액 내의 니켈과 모든 불순비의 농도비(63.2:1)는 표 1에 기재된 공업용 "상용" 니켈 사양의 해당 농도비(29)보다 높았다.
Figure 112009017533608-PCT00003
<실시예 3: 니켈 IX 추출액으로 철 침전 및 수산화니켈 제조>
높은 철 함량의 니켈 IX 추출액은 60℃ ~ 80℃에서 화학량론의 석회석 슬러리와 혼합되어, 철이 침전하였다. 철 침전은 1.5에서 개시되어 pH 3.5에서 종료되었다. 고상/액상 분리 후에, 니켈 용액은 화학량론의 산화마그네슘 슬러리로 pH 8.5까지 중화되어, 수산화니켈이 침전하였다. 표 4는 높은 철 함량의 니켈 IX 추출액, pH 3.5에서 얻은 Fe 빈액(iron-barren solution) 및 pH 8.5에서 얻은 Ni 빈액의 용액 조성을 나타낸다. 표 5는 수산화니켈 생성물의 조성을 나타낸다.
Figure 112009017533608-PCT00004
Figure 112009017533608-PCT00005
<실시예 4: NHP(수산화니켈 침전물)의 하소>
본 발명의 공정에 의해 제조되고 대략 33 wt%의 습기를 함유하는 NHP 샘플이 110℃에서 건조되었다. 건조된 NHP의 화학 조성이 아래의 표 6에 나타나 있다.
Figure 112009017533608-PCT00006
건조된 NHP는 그 후에 1100℃에서 산화 조건 하에서 하소되어, 함유된 결정수와 함유된 황이 제거되고, NHP가 산화니켈로 변환되었다. 하소 후의 물질의 화학 조성은 표 7에 나타나 있다. 거의 모든 황은 가스 상(gas phase)으로 제거되었다.
Figure 112009017533608-PCT00007
<실시예 5: 하소 생성물의 직접 제련>
표 4로부터의 산화니켈은 8.5 wt% 탄소와 혼합되고, 용제와 함께 알루미나 도가니 내에 투입되었다. 이 경우에 선택된 용제는 40% CaO - 40% Al2O3 - 20% CaF2이었고, 선택된 작업 온도는 1540℃이었다. 샘플은 온도에서 1시간 유지된 후에 냉각되었다. 정련된 니켈의 탄소 함량은 0.223 wt%이었고, 황 함량은 0.0013 wt%이었다.
탄소 함량은, 실험 온도에서 대략 2.6 wt%인 포화량까지의 범위에서 과잉량에 따라서 상당히 변화할 수 있다.
<실시예 6: 제련된 생성물 니켈의 정련>
정련 단계에서, 탄소는 산화에 의해 제거된다. 이는 실질적으로 산소 주입에 의해 실시된다. 본 실험에서, 금속 니켈의 탈산은 NiO를 함유하는 슬래그에 의해 실시된다. 사용된 슬래그는 32.8% CaO - 32.8% Al2O3 - 16.4% CaF2 - 18% NiO이었다.
정련된 니켈 생성물의 최종 화학 조성은 표 8에 나타나 있다.
Figure 112009017533608-PCT00008
마지막으로, 여기에 기재된 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 다른 여러 변경 형태 및/또는 변형 형태가 이루어질 수 있다는 점을 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. (i) 적어도 니켈과 철을 함유하는 산성 생성액을 제공하는 단계,
    (ii) 상기 산성 생성액을 이온 교환 공정으로 처리하여, 상기 산성 생성액으로부터 상기 니켈과 철의 일부를 이온 교환 수지에 흡착시키는 단계,
    (iii) 상기 수지로부터 니켈과 철을 산성 용액으로 추출하여, 상기 니켈과 철을 함유하는 추출액을 생성하는 단계,
    (iv) 상기 추출액을 pH 2.5 내지 pH 3.5의 범위로 중화하여, 상기 철의 상당량을 침전시키고 철 고갈 추출액을 잔류시키는 단계,
    (v) 철 고갈 추출액을 pH 7 내지 pH 8의 범위로 중화하여, 낮은 철 함량의 수산화니켈을 침전시키는 단계,
    (vi) 상기 수산화니켈을 하소하여 산화니켈로 변환시키는 단계,
    (vii) 상기 산화니켈을 환원제의 존재 하에서 직접 제련하여 용융 니켈 상을 생성하는 단계, 및
    (viii) 상기 용융 니켈 상을 산화에 의해 정련하여 낮은 철 함량의 금속 니켈 생성물을 제조하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    금속 니켈 생성물은 1% 이하의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    산성 생성액은, 라테라이트 광석의 가압 산 침출, 대기압 산 침출 및/또는 퇴적 침출, 또는 황화니켈 광석 또는 정광의 산화 침출 또는 미생물 침출로부터 선택된 하나의 공정에 의해, 니켈 함유 광체 또는 정광으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    단계 (i) 전에 산성 생성액으로부터 실질적으로 모든 용존 구리를 제거하는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    산성 생성액을 이온 교환 단계로 처리하여 실질적으로 모든 용존 구리를 제거하는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제거한 구리를 회수하는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    산성 생성액은 라테라이트 광석의 퇴적 침출로부터 얻은 침출 귀액인 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    단계 (ii)의 이온 교환 수지는 비스-피콜릴아민 작용기를 가진 수지인 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    단계 (iii)에서의 산성 용액은 황산인 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 추출액의 pH 2.5 내지 pH 3.5의 범위로의 중화는 석회석의 첨가에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    철은 침철석 또는 수산화철로서 침전되는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮 은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 철 고갈 추출액의 pH 7 내지 pH 8의 범위로의 중화는 산화마그네슘, 소다회 또는 가성 소다에 첨가에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    단계 (v)에서 생성된 수산화니켈을 대략 100℃ ~ 120℃의 온도에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    단계 (vi)에서의 산화니켈의 하소는 800℃ 내지 1300℃의 범위, 바람직하게는 1050℃ 내지 1300℃ 범위의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    단계 (vii)에서 직접 제련 중의 환원제는 탄소인 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    직접 제련 단계 중에 적정 슬래그가 존재하는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    단계 (vii)에서 직접 제련은 CaO-Al2O3계 슬래그의 존재 하에 대략 1540℃의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    슬래그의 질량 및 MgO의 고용도는 산화니켈 내의 맥석을 수용할 있을 정도로 충분히 큰 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    단계 (viii)에서의 정련 중에 산소 주입에 의하여 과잉 탄소가 제거되는 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물을 제조하는 방법.
  20. 제1항의 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 철 함량이 낮은 금속 니켈 생성물.
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