Enhanced Calcium Extraction From Steel Converter Slag Using Wet Extractive Grinding And Comparison With Traditional Mechanical Mixing - Selective extraction of Ca, V, Si and Mg

Tämä väitöskirja kuuluu prosessitekniikan tutkimusalaan. Tutkimuksen laajempi tavoite on kehittää tehokas menetelmä kalsiumin talteen ottamiseksi teollisuuden sivu- ja jätevirroista ja valmistaa tästä saostettua kalsium karbonaattia (PCC). Tämä askel vähentäisi riippuvuuttamme neitseellisistä raaka-aineista, vähentäisi fossiilisia CO2 päästöjä ja veisi alan kehitystä kohti kiertotaloutta sulkemalla materiaalikiertoja. Työssä keskityttiin teräskuonaan X2PCC prosessimme raaka-aineena. X viittaa tässä materiaaleihin, jotka sisältävät runsaasti kalsiumia. X2PCC-prosessimme ensimmäisessä vaiheessa kalsium liuotetaan selektiivisesti ja kiintoaines suodatetaan pois. Puhtaaseen kalsiumliuokseen puhalletaan sen jälkeen CO2 kaasua, jolloin tuotteena syntyy saostettua kalsiumkarbonaattia, CaCO3. Työn tieteellinen tavoite oli tutkia kokeellisesti kalsiumin liuotusta ja siihen liittyviä ilmiöitä sekä kehittää menetelmää, joilla prosessia saataisiin tehostettua. Osana työtä kehitimme uuden märkäjauhatukseen perustuvan liuotusmenetelmän (EG). Perinteistä mekaanista sekoitusmenetelmää tutkittiin ensin ja sen jälkeen vertailtiin uuteen EG menetelmään. Karbonointivaihe rajattiin työn ulkopuolelle.Työn ensimmäinen osa (Julkaisu I) keskittyy mekaaniseen sekoitukseen ja kuonan kokojakauman ja liuottimen vahvuuden vaikutusten tutkimiseen. Vesiliukoista ammoniumkloridia (NH4Cl) käytettiin liuottimena vaihtelemalla sen molaarisuutta välillä 0-2 mol/L. Kuona-liuotinsuhde oli vakio 100 g/L kaikissa kokeissa. Tavoite oli löytää parametrit, joilla Ca-saanto kuonasta saadaan maksimoitua. Kokeet tehtiin ilmakehän paineessa ja huoneen lämpötilassa. Kuonajauhe seulottiin mekaanisesti kokoluokkiin 0–50 μm, 50–74 μm ja 74–125 μm. Havaittiin että mitä pienempi partikkelikoko ja mitä suurempi molaarisuus, sitä korkeampi Ca-saanto. Hypoteesimme on, että suurilla partikkeleilla Ca-saantoa rajoittaa aineensiirto ja kalsiumin saatavuus reaktioiden käyttöön. Ehdottamassamme reaktiota rajoittavassa mekanismissa reaktiotuotteet, pääasiassa SiO2, tukkii huokoset ja hidastaa reaktiota olennaisesti. Tämä ilmiö selittäisi suurempien partikkelien matalamman Ca-saannon. Työn toinen osa (julkaisut II ja III) keskittyvät uuteen märkäjauhatusliuotukseen ja sen parametrien optimointiin teräskuonalla. Uutta menetelmään verrattiin mekaaniseen sekoitukseen, jotta saataisiin parempi käsitys uuden menetelmän eduista eri prosessiparametreillä. EG menetelmää karakterisoitiin kemiallisesti ja fysikaalisesti ja tutkittiin kuonan morfologian muutoksia prosessin aikana. Havaittiin, että uudella EG menetelmällä on mahdollista kasvattaa saantoa mekaanisen sekoituksen alle 40 % arvosta yli 70% tasolle. EG menetelmässä yhdistetään jauhatuksen teho sekä liuotusvaihe. Tällöin prosessin läpimenoaika pienenee huomattavasti ja saanto kasvaa. Tämän ansiosta energian kulutus myös pienenee huomattavasti. Väitöskirjan tieteellinen kontrobuutio on, että pystytiin identifioimaan Ca-liuotuksen kontrolloivia mekanismeja sekä kehitettiin uusi märkäjauhatusliuotus menetelmä. Pystyimme näyttämään, että EG menetelmällä Ca-saanto nousi 35 % arvosta 73% tasolle, prosessiaika lyheni 30 minuutista 5 min tasolle. Jotta vastaava saanto saataisiin aikaiseksi mekaanisella sekoituksella, täytyisi kuona jauhaa erittäin pieneksi (<50 μm), vaatien paljon aikaa ja energiaa. Alustavien laskelmien mukaan energian kulutus voisi olla 50-60% alhaisempi uudella menetelmällä. Havaitsimme myös, että EG menetelmä ei juuri vaikuta partikkelikokojakaumaan, joka tarkoittaa sitä, että hienoksi jauhetun kuonan tapauksessa esiintyviä suodatukseen liittyviä ongelmia on huomattavasti vähemmän. Työssä on myös esitetty suuri määrä täysin uusia mittaustuloksia molaarisuuden, partikkelikoon, kuona-liuotinsuhteen ja prosessiajan vaikutuksista prosessin käyttäytymiseen, joita voidaan käyttää tulevaisuudessa teollisen kokoluokan prosessin suunnittelussa, optimoinnissa ja taloudellisen kannattavuuden arvioinnissa. Työn lopuksi teimme vielä alustavia laskelmia CO2 talteenottopotentiaalin kasvatusmahdollisuuksista. Alustavien tulosten mukaan, jos X2PCC prosessi yhdistettäisiin Ca-looping CO2 talteenottomenetelmään ja käyttämällä valmistamaamme CaCO3:a talteenottoprosessin sorbenttina, hiilidioksidin talteenottopotentiaalia voitaisiin kasvattaa merkittävästi. Tätä tutkitaan tulevaisuudessa laajemmin ja arvioidaan PCC tuotteemme parasta käyttökohdetta kiertotalouden ja ympäristön kannalta.