Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Analysis of methods for effective recovery of rare earth elements

Monika Milaniuk

Abstract

Rare earth elements (REEs) are critical raw materials used in modern technologies, which have a significant impact on strategies of economies, especially of high-developed countries. They are widely used in many applications such as electric and electronic equipment, both in the civilian and military field. Current development of advanced technologies leads to the continuous growth of demand for these metals but natural resources are steadily exhausting. China is the greatest supplier of products based on rare earth elements for the global market, but they tightened their export quota in recent years. Thus well-developed countries search for alternative resources and methods of obtaining rare earth elements. Therefore study of new effective methods or improving existing techniques is crucial for the economy and sustainability of UE countries. One of the groups of methods used for rare earth elements recovery regards extraction a.o. from industrial process residues and WEEE (Waste of Electrical and Electronic Equipment). Up to date, no environmentally friendly method was developed to be implemented on an industrial scale. It is also a result of expensiveness and complexity of procedures, high energy consumption and generation of large volumes of waste water. Collecting and pre-processing of scrap poses another problem because the concentration of rare earth metals in waste material is usually low. Hard disk drives set an example of how many efforts are required to obtain small-sized permanent magnets from that kind of scrap. The thesis regards the analysis of methods for effective recovery and separation of rare earth elements based on a review of the literature. On the example of permanent magnets, both hydrometallurgical and pyrometallurgical methods for obtaining neodymium and dysprosium were discussed. Much attention was also given for phosphogypsum, industrial waste which represent a valuable source of lanthanides. Phosphogypsum produced in the phosphoric acid industry is deposited on heaps and significant amounts of that by-product are located in the area of our country a.o. in Wiślinka or Wizów. Efforts for developing effective ways of recovery of these metals from phosphogypsum are continually made in Poland and also all over the world. The paper provides a description of own research carried out at Institute of Nuclear Chemistry and Technology in Warsaw regarding the process of leaching phosphogypsum from Wiślinka heap towards extraction of REEs. Experiments were conducted for different periods of time, leaching the phosphogypsum with hydrochloric and sulfuric acids at a concentration of 10% each. Also, two-step leaching process was tested with 20% NaOH at the initial stage, and then with mentioned mineral acids. Leaching process was carried out in the temperature of 60˚C. The concentrations of REE in the post-leaching solutions were measured using ICP-MS spectrometer. The purpose of the experimental work was to obtain a possibly high level of rare earth recovery from phosphogypsum and verify which of the tested conditions were favorable for the most effective recovery process. Research showed that both two-step leaching process (leaching agents: NaOH solution at the initial stage and HCl solution at the second stage) and one-step leaching with HCl solution were the most efficient methods. For both two-step and one-step recovery process the similar efficiencies were obtained which reached 74% and 71% respectively. The decrease of temperature from 60˚C to 42˚C at the initial step of a two-step leaching the phosphogypsum (using NaOH and HCl solutions) confirmed a substantial impact of higher temperatures on the process efficiency. For the lower temperature (42˚C) the efficiency reached only 58%. Changing the leaching agent for sulfuric acid did not enhance process efficiency. The efficiency of a two-step leaching process was very low (below 1%), whereas for one-step route reached circa 42%.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Monika Milaniuk (FCPE) Monika Milaniuk,, Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Title in Polish
Analiza metod efektywnego odzysku metali ziem rzadkich
Supervisor
Ewa Dłuska (FCPE/DPKT) Ewa Dłuska,, Department of Process Kinetics and Thermodynamics (FCPE/DPKT)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Certifying unit
Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Affiliation unit
Department of Process Kinetics and Thermodynamics (FCPE/DPKT)
Study subject / specialization
, Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
18-06-2019
Issue date (year)
2019
Pages
52
Internal identifier
DICHP-2908
Reviewers
Ewa Dłuska (FCPE/DPKT) Ewa Dłuska,, Department of Process Kinetics and Thermodynamics (FCPE/DPKT)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE) Bogumiła Wrzesińska (FCPE/CIPE) Bogumiła Wrzesińska,, Chair of Integrated Process Engineering (FCPE/CIPE)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Keywords in Polish
pierwiastki ziem rzadkich, magnesy trwałe, metody odzysku, fosfogips, proces ługowania
Keywords in English
rare earth elements, permanent magnets, recovery methods, phosphogypsum, the leaching process
Abstract in Polish
Pierwiastki ziem rzadkich należą do surowców krytycznych wykorzystywanych w nowoczesnych technologiach, mających istotny wpływ na strategie gospodarek zwłaszcza krajów wysokorozwiniętych. Znalazły one szerokie zastosowanie m.in. w produkcji większości sprzętu elektrycznego i elektronicznego zarówno w obszarze cywilnym jak i militarnym. Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii zapotrzebowanie na te metale nieustannie wzrasta, a źródła naturalne stopniowo się wyczerpują. Głównym dostawcą produktów opartych na metalach ziem rzadkich na rynek światowy są Chiny, które w ostatnich latach ograniczyły eksport tego surowca. Wysokorozwinięte kraje poszukują zatem alternatywnych źródeł i sposobów na pozyskiwanie metali ziem rzadkich. W związku z tym opracowanie nowych efektywnych metod odzysku pierwiastków ziem rzadkich lub udoskonalenie istniejących metod jest kluczowe dla gospodarki i zrównoważonego rozwoju krajów UE. Jedna z grup metod odzysku tych metali dotyczy ich pozyskiwania m.in. z odpadów przemysłowych oraz zużytego sprzętu elektrycznego i elektronicznego. Do tej pory nie opracowano jednak metody bezpiecznej dla środowiska, którą można byłoby zastosować w skali przemysłowej. Wynika to z kosztów i złożoności procesów, energochłonności oraz generacji dużej ilości ścieków przemysłowych. Dodatkowym problemem jest zbiórka i wstępna obróbka złomu, w którym zawartość metali ziem rzadkich zazwyczaj jest niewielka. Przykładem są komputerowe dyski twarde, z których wydobycie niewielkich rozmiarów magnesów nastręcza wiele trudności. Praca dotyczy analizy metod efektywnego odzysku i separacji i pierwiastków ziem rzadkich na podstawie przeglądu literaturowego. Na przykładzie trwałych magnesów neodymowych omówiono metody hydrometalurgiczne i pirometalurgiczne odzysku neodymu i dysprozu. Skupiono się również na fosfogipsie, odpadzie przemysłowym stanowiącym cenne źródło pozyskiwania lantanowców. Fosfogips wytwarzany w przemyśle kwasu fosforowego składowany jest na hałdach, a jego znaczne ilości znajdują się też na terenie naszego kraju m.in. w Wiślince i Wizowie. Zarówno w Polsce, jak i na świecie poszukuje się skutecznych metod ekstrakcji cennych metali z fosfogipsu. W pracy przedstawiono badania własne przeprowadzone w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie dotyczące procesu ługowania pierwiastków ziem rzadkich z fosfogipsu pochodzącego z hałdy w Wiślince. Eksperymenty prowadzono w różnych odstępach czasu, poddając fosfogips działaniu kwasu chlorowodorowego oraz kwasu siarkowego (VI) o stężeniach 10%. Przeprowadzono również procesy dwuetapowego ługowania tj. wstępnego przy wstępnym działaniu 20% zasady sodowej, a następnie działaniu wyżej wymienionych kwasów mineralnych. Proces ługowania fosfogipsu zachodził w temperaturze 60°C. Za pomocą spektrometru ICP-MS zbadano zawartość metali ziem rzadkich w roztworze po ługowaniu. Celem było osiągnięcie jak najwyższego stopnia wyługowania pierwiastków ziem rzadkich oraz określenie, w jakich warunkach proces przebiegał z największą efektywnością. Badania wykazały, że najskuteczniejsze były metoda dwuetapowego ługowania (czynniki ługujące: etap wstępny - roztwór NaOH, etap drugi roztwór HCl) oraz jednoetapowego w obecności roztworu HCl. W obu przypadkach uzyskano zbliżone wydajności wyługowania metali, wynoszące odpowiednio 74% - metoda dwuetapowa i 71% dla metody jednoetapowej. Zmniejszenie temperatury w procesie ługowania wstępnego fosfogipsu z 60˚C do 42°C przy zastosowaniu dwuetapowego ługowania (roztworem NaOH i HCl) potwierdziło istotny wpływ wyższych temperatur na wydajność procesu. Dla niższej temperatury (42°C) wydajność wynosiła maksymalnie 58%. Zmiana czynnika ługującego na kwas siarkowy nie przyniosła wzrostu efektywności procesu. W procesie dwuetapowym wydajność wyługowania była bardzo niska (poniżej 1%), natomiast w przypadku jednoetapowego ługowania wynosiła ok. 42%.
File
  • File: 1
    Analiza_metod_efektywnego_odzysku_metali_ziem_rzadkich_-_Monika_Milaniuk.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 17875
Additional fields
Konsultacje: Katarzyna Kiegiel

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTd600892e31ca4caf884b598bf9f47c50/
URN
urn:pw-repo:WUTd600892e31ca4caf884b598bf9f47c50

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page