Recovery of vanadium from metallurgical industry side streams : leaching and crystallization studies
Kokko, Maria (2025-08-22)
Avaa tiedosto
Sisältö avataan julkiseksi: 22.08.2025
© University of Oulu, 2025. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2025. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202506174635
Kuvaus
Tiivistelmä
Vanadium (V) is used in many industrial sectors, including the steel, battery, and chemical industries. Currently, V production is concentrated in a few countries, such as China, Russia, and South Africa. Therefore, several countries, including the USA, Canada, and the European Union, have identified V as a critical raw material. Nordic countries produce calcium (Ca)-rich steelmaking slag with a sufficient level of V; however, these side streams are not currently utilized for V production.
This thesis investigates V recovery from V-containing Ca-rich steelmaking slags (basic oxygen furnace and electric arc furnace slags) using a completely hydrometallurgical approach. To support method development, microwave-assisted acid digestion was first explored as a pretreatment technique for slag, allowing for more accurate determination of elemental concentrations by inductively coupled plasma–emission spectrophotometry. A two-stage leaching method for V and Ca was studied, beginning with Ca leaching using an ammonium nitrate–nitric acid solution, followed by V leaching in the second stage using ammonium carbonate. Ammonium vanadate (NH4VO3) crystallization was applied to the resulting NH4+-based dilute V solution. The functionality of the process was evaluated on a laboratory scale by determining optimal leaching and crystallization conditions, as well as characterizing the solid materials produced.
The two microwave-assisted acid digestion methods investigated were found suitable as pretreatment techniques for Ca-rich slag. Ca leaching produced a concentrated Ca-containing solution with high purity. During this stage, significant changes occurred in the slag mineralogy, which may have contributed to the moderate V leaching efficiencies observed (30–50% under the studied conditions). Slow crystallization could be accelerated by adding seed crystals. Crystallization yielded total V removal up to 82%, but the rapid formation of the Fe precipitate resulted in a loss of V. However, it simultaneously removed other impurities from the solution, enhancing the purity of the slowly formed NH4VO3 crystals.
Nyky-yhteiskunta hyödyntää vanadiinia (V) useilla eri teollisuuden sektoreilla, kuten akku-, kemian- ja terästeollisuudessa. Tällä hetkellä sen tuotanto on kuitenkin keskittynyt vain muutamille maille, kuten Kiinalle, Venäjälle ja Etelä-Afrikalle. Näistä syistä useat valtiot, kuten USA ja Kanada, sekä Euroopan unioni ovat listanneet vanadiinin kriittiseksi raaka-aineeksi. Pohjoismaissa tuotetaan merkittäviä määriä vanadiinipitoista, korkean kalsiumpitoisuuden omaavaa teräskuonaa, jota ei tällä hetkellä hyödynnetä vanadiinin tuotannossa.
Tämän väitöskirjan tavoitteena oli selvittää, voidaanko vanadiinia ottaa talteen kalsiumrikkaista teräskuonista hydrometallurgisin menetelmin. Talteenottomenetelmän kehittämisen tueksi mikroaaltoavusteisia happohajotusmenetelmiä tutkittiin kuonan esikäsittelymenetelmänä. Tavoitteena oli liuottaa kiintoaine kokonaan alkuainepitoisuuksien tarkempaa märitystä varten. Vanadiinin kaksivaiheisen talteenottomenetelmän ensimmäisessä vaiheessa kalsium liuotettiin kuonasta ammoniumnitraatti-typpihapposeoksella. Toisessa vaiheessa vanadiini liuotettiin ammoniumkarbonaattiliuoksella. Ammoniumvanadaatin (NH4VO3) kiteytykseen käytettiin muodostunutta NH4+-pitoista laimeaa vanadiiniliuosta. Tutkimukset suoritettiin laboratoriomittakaavassa optimoimalla liuotus- ja kiteytysolosuhteet ja karakterisoimalla kiintoaineet.
Kalsiumrikkaan teräskuonan esikäsittelymenetelmäksi soveltui kaksi tutkittua hajotusmenetelmää. Kalsiumin liuotusvaihe tuotti väkevän ja kalsiumin suhteen puhtaan liuoksen. Ensimmäisen vaiheen aikana kuonan koostumus muuttui merkittävästi. Tämän arvioitiin vaikuttavan ainakin osittain vanadiinin liuotustuloksiin, jotka jäivät kohtalaisiksi (30–50 %). Kidealkioiden käyttö nopeutti hidasta kiteytymistä. Vanadiinin kokonaispoisto liuoksesta oli jopa 82 %, mutta osa vanadiinista päätyi kiteytyksen alussa nopeasti muodostuneeseen rautapitoiseen sakkaan. Vanadiinihäviöstä huolimatta, rautapitoisen sakan muodostuminen poisti liuoksesta samalla muita epäpuhtauksia. Tämä paransi hitaasti muodostuneiden NH4VO3 -kiteiden puhtautta.
Original papers
-
Rantala, V., Kokko, M., Suvela, R., Manninen, M., Hu, T., Lassi, U., Pesonen, J., & Tuomikoski, S. (2024). Elemental concentrations of natural graphite and steelmaking slag: Development of microwave-assisted acid digestion. Analytical Letters, 57(14), 2230–2245. https://doi.org/10.1080/00032719.2023.2289083 https://doi.org/10.1080/00032719.2023.2289083
-
Kokko, M., Kauppinen, T., Hu, T., Tanskanen, P., Kallio, R., Lassi, U., & Pesonen, J. (2024). Two-stage leaching of calcium and vanadium from high-calcium steelmaking slag. Environmental Technology, 45(27), 5966–5981. https://doi.org/10.1080/09593330.2024.2316671 https://doi.org/10.1080/09593330.2024.2316671
-
Kokko, M., Manninen, M., Hu, T., Lassi, U., Vielma, T., & Pesonen, J. (2024). Hydrometallurgical recovery of vanadium and calcium from electric arc furnace slag in hydrogen based steelmaking. Minerals Engineering, 217, 108966. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2024.108966 https://doi.org/10.1016/j.mineng.2024.108966
-
Kokko, M., Hu, T., Lassi, U., & Pesonen, J. (2025). A study of direct NH4VO3 crystallization from dilute V solutions and the effect of impurities (Fe, Mn) on crystallization. Waste and Biomass Valorization. Advance online publication. https://doi.org/10.1007/s12649-025-02943-8 https://doi.org/10.1007/s12649-025-02943-8
Osajulkaisut
-
Rantala, V., Kokko, M., Suvela, R., Manninen, M., Hu, T., Lassi, U., Pesonen, J., & Tuomikoski, S. (2024). Elemental concentrations of natural graphite and steelmaking slag: Development of microwave-assisted acid digestion. Analytical Letters, 57(14), 2230–2245. https://doi.org/10.1080/00032719.2023.2289083 https://doi.org/10.1080/00032719.2023.2289083
-
Kokko, M., Kauppinen, T., Hu, T., Tanskanen, P., Kallio, R., Lassi, U., & Pesonen, J. (2024). Two-stage leaching of calcium and vanadium from high-calcium steelmaking slag. Environmental Technology, 45(27), 5966–5981. https://doi.org/10.1080/09593330.2024.2316671 https://doi.org/10.1080/09593330.2024.2316671
-
Kokko, M., Manninen, M., Hu, T., Lassi, U., Vielma, T., & Pesonen, J. (2024). Hydrometallurgical recovery of vanadium and calcium from electric arc furnace slag in hydrogen based steelmaking. Minerals Engineering, 217, 108966. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2024.108966 https://doi.org/10.1016/j.mineng.2024.108966
-
Kokko, M., Hu, T., Lassi, U., & Pesonen, J. (2025). A study of direct NH4VO3 crystallization from dilute V solutions and the effect of impurities (Fe, Mn) on crystallization. Waste and Biomass Valorization. Advance online publication. https://doi.org/10.1007/s12649-025-02943-8 https://doi.org/10.1007/s12649-025-02943-8
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38830]