NL1023009C2

NL1023009C2 - Method for recovering a metal from a mixture.

Info

Publication number: NL1023009C2
Application number: NL1023009A
Authority: NL
Inventors: Pieter Johannes Jansens; Laurens Katgerman; Bedri Drini; Wilhelmus Hieronimus Kool
Original assignee: Univ Delft Tech
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-09-30
Also published as: WO2004085686A3; WO2004085686A2

Description

I r I Werkwijze voor het winnen van een metaal uit een mengsel I De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een I werkwijze voor het winnen van een metaal uit een mengsel dat I meer dan één metaal omvat.The present invention relates to a method for recovering a metal from a mixture comprising more than one metal.

I Voor het winnen van een gewenst metaal uit een meng- I 5 sel van metalen, zoals schroot, raakt het daaruit verkregen I te winnen metaal vaak sterk verontreinigd met andere, oor- I spronkelijk in het mengsel van metalen aanwezige metalen. Dat I wil zeggen, het metaalrooster van het te winnen metaal is I verontreinigd. Deze verontreiniging is niet zelden sterker I 10 dan die van een oorspronkelijk schrootdeeltje uit het te win- I nen metaal.For recovering a desired metal from a mixture of metals, such as scrap, the metal to be recovered therefrom is often heavily contaminated with other metals originally present in the mixture of metals. That is, the metal lattice of the metal to be recovered is contaminated. This contamination is often stronger than that of an original scrap particle from the metal to be recovered.

I De onderhavige uitvinding beoogt een werkwijze te I verschaffen voor het doelmatig winnen van een metaal uit een I mengsel van meer dan één metaal.The present invention has for its object to provide a method for the efficient recovery of a metal from a mixture of more than one metal.

I 15 Hiertoe wordt de werkwijze volgens de uitvinding ge- I kenmerkt doordat de werkwijze de stappen omvat van I a) het smelten van het mengsel onder oplevering van I een smelt; I b) het leiden van de smelt over een gekoeld opper- I 20 vlak waarbij het te winnen metaal op het gekoelde oppervlak uitkristalliseert en een aan het te I winnen metaal verarmde smelt van het gekoelde op- pervlak wordt afgevoerd.To this end, the method according to the invention is characterized in that the method comprises the steps of I a) melting the mixture to yield I a melt; B) guiding the melt over a cooled surface, the metal to be recovered crystallizing out on the cooled surface and a melt depleted of the metal to be recovered being discharged from the cooled surface.

Gevonden is dat door een geschikte, eenvoudig te be- I 25 palen temperatuur van het gekoelde oppervlak aan te houden, het te winnen metaal op het gekoelde oppervlak uitkristalli- seert en aldaar een kristallijne laag vormt. De aan het te winnen metaal verarmde smelt stroomt van dit oppervlak af.It has been found that by maintaining a suitable temperature that can be easily determined on the cooled surface, the metal to be recovered crystallizes on the cooled surface and forms a crystalline layer there. The melt depleted in the metal to be recovered flows from this surface.

Het op het oppervlak uitgekristalliseerde materiaal bezit een I 30 hoge zuiverheid, en is arm aan het te winnen metaalverontrei- I nigende andere metalen. Het gekoelde oppervlak is bijvoor- I beeld een plaat, en het koelen kan zowel geschieden door het voeren van een koelmedium door kanalen in de plaat, als door I koelen middels een gas dat met de plaat in contact komt. De 35 plaat kan trillen of draaien, maar een niet-bewegende plaat werkt reeds uitstekend. De aan te winnen metaal verarmde I 1023009 H smelt kan, indien deze nog een interessante hoeveelheid van H het te winnen metaal bevat, opnieuw aan de bij b) beschreven H behandeling worden onderworpen. Binnen de definitie van me- H taal zoals gebruikt in de onderhavige aanvrage vallen naast H 5 algemeen als metaal bekende elementen ook elementen met half- H geleidereigenschappen, zoals silicium. Door winning van het H te winnen metaal ontstaat een aan een of meer andere metalen verrijkte smelt, welke eveneens waardevol kunnen zijn. Of- schoon deze uitvinding wordt beschreven aan de hand van de 10 kristallisatie van een te winnen metaal op een gekoeld opper- vlak, is het voor de vakman duidelijk dat het net zo goed de van het gekoelde oppervlak afgevoerde smelt kan zijn die men H wenst te winnen. Dat wil zeggen, het te winnen metaal is een metaal waarvan gewenst wordt het uit het mengsel te verwijde- 15 ren, en de aan het metaal verarmde smelt is het gewenste pro- duet. Dit valt volledig binnen het kader van de onderhavige uitvinding. Wat op een gekoeld oppervlak wordt afgezet hangt af van de samenstelling van het mengsel, meer in het bijzon- der de smelt daarvan, en nog nauwkeuriger het fasendiagram 20 van de smelt. Het feitelijk afgezette metaal wordt, naast het I fasendiagram, ook door andere, uit de literatuur (Burton, I W.K. et al, J. Chem. Phys. 21, blz. 1987-1990 (1953)) bekende I parameters bepaald.The material crystallized on the surface has a high purity and is poor in the metal-polluting other metals to be recovered. The cooled surface is, for example, a plate, and cooling can be effected both by passing a cooling medium through channels in the plate and by cooling by means of a gas which comes into contact with the plate. The plate can vibrate or rotate, but a non-moving plate already works well. The metal depleted to be recovered, which contains an interesting amount of H and the metal to be recovered, can again be subjected to the H treatment described in b). The definition of metal H as used in the present application includes, in addition to H 5 elements generally known as metal, also elements with semiconductor properties, such as silicon. By recovering the H metal to be obtained, a melt enriched in one or more other metals is formed, which can also be valuable. Although this invention is described on the basis of the crystallization of a metal to be recovered on a cooled surface, it is clear to a person skilled in the art that it may just as well be the melt discharged from the cooled surface that one desires H to win. That is, the metal to be recovered is a metal desired to be removed from the mixture, and the melt depleted on the metal is the desired product. This is entirely within the scope of the present invention. What is deposited on a cooled surface depends on the composition of the mixture, more particularly its melt, and more precisely the phase diagram of the melt. In addition to the phase diagram, the actually deposited metal is also determined by other parameters known from the literature (Burton, I W. K. et al, J. Chem. Phys. 21, pp. 1987-1990 (1953)).

25 k0 k = - , \ ko+ (1-ko) exp { - )25 k0 k = -, \ ko + (1-ko) exp {-)

DD

30 k0 = de best mogelijke verdelingscoëfficient met de extreeem langzame groei van een enkel kristal (enkelkristal?) k = feitelijke verdelingscoëfficient met praktische kristal-lisatiesnelheden 35 f = kristallisatiesnelheid δ = dikte van de grenslaag, waar atoomdiffusie plaatsvindt D = atomaire diffusiecoëfficient van de component (te winnen metaal) in de vloeibare grenslaag 40 Hiermee zal de gewone terzake kundige in de praktijk voor de I 3 I betreffende smelt gemakkelijk geschikte werkwijze- I omstandigheden kunnen bepalen en optimaliseren, en dit be- I hoeft geen verdere toelichting.30 k0 = the best possible distribution coefficient with the extremely slow growth of a single crystal (single crystal?) K = actual distribution coefficient with practical crystallization rates 35 f = crystallization rate δ = thickness of the boundary layer, where atomic diffusion takes place D = atomic diffusion coefficient of the component (metal to be recovered) in the liquid boundary layer 40 This will enable the ordinary person skilled in the art to easily determine and optimize suitable process conditions in practice for the melting process, and this requires no further explanation.

I Op een ander gebied dan dat van de onderhavige uit- I 5 vinding, te weten dat van de scheiding en zuivering van orga- I nische verbindingen, heeft US 3.621.66 betrekking op een I werkwijze voor gefractioneerde kristallisatie. Melding wordt I gemaakt van de mogelijkheid om in plaats van een oplossing I een smelt te gebruiken.In a field other than that of the present invention, namely that of the separation and purification of organic compounds, US 3,621,666 relates to a method for fractional crystallization. Mention is made of the possibility of using a melt instead of a solution I.

I 10 Bij voorkeur staat voor het leiden van de smelt over I het gekoelde oppervlak en het afvoeren van de aan te winnen I metaal verarmde smelt, het gekoelde oppervlak onder een hoek I met de horizontaal.Preferably, for the melt to be passed over the cooled surface and for the melt-depleted metal to be recovered, the cooled surface is at an angle I to the horizontal.

I Het aldus over het gekoelde oppervlak laten stromen I 15 van de smelt zorgt voor niet-laminaire, d.w.z. turbulente I stroming, waardoor te winnen metaal door stroming (en dus I niet alleen diffusie) bij het gekoelde oppervlak komt en al- I daar kan uitkristalliseren.Allowing the melt to flow over the cooled surface thus results in non-laminar, ie turbulent, flow, whereby metal to be recovered flows through flow (and therefore not only diffusion) to the cooled surface and can I there crystallize.

I De hoek kan binnen ruime grenzen worden gekozen en 20 ligt bijvoorbeeld tussen 0,1 en 30°.The angle can be selected within wide limits and is, for example, between 0.1 and 30 °.

I Bij voorkeur is de hoek tussen 2° en 12° met de ver- ticaal.Preferably the angle is between 2 ° and 12 ° with the vertical.

I Aldus kan een uitstekende turbulente stroming van de smelt over het gekoelde oppervlak worden bereikt.Thus, an excellent turbulent flow of the melt over the cooled surface can be achieved.

I 25 De op het gekoelde oppervlak afgezette kristallijne I metaallaag kan holten bezitten welke aan het te winnen metaal verarmde smelt bevatten. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm wordt, na het afvoeren van de aan het te winnen metaal ver- I armde smelt van het gekoelde oppervlak waarop metaal is afge- I 30 zet, het metaaloppervlak verwarmd tot juist onder de smelt- I temperatuur van het uitgekristalliseerde te winnen metaal, en een verdere hoeveelheid van aan het te winnen metaal verarmde I smelt van het verwarmde oppervlak afgevoerd.The crystalline metal layer deposited on the cooled surface can have cavities containing melt depleted on the metal to be recovered. According to a preferred embodiment, after removing the melt depleted of the metal to be recovered from the cooled surface on which metal is deposited, the metal surface is heated to just below the melting temperature of the crystallized metal to be recovered and a further amount of melt depleted on the metal to be recovered is discharged from the heated surface.

Aldus "zweet" de aan metaal verarmde smelt uit de op 35 het gekoelde oppervlak afgezette metaallaag en wordt het uit- gezwete materiaal over het verwarmde oppervlak afgevoerd.Thus, the metal depleted melt "sweats" from the metal layer deposited on the cooled surface, and the swollen material is drained off over the heated surface.

Volgens een voorkeursuitvoering wordt het metaalop- pervlak verwarmd door overleiden van smelt, en verontreini- I gingen uit het metaaloppervlak door de smelt afgevoerd.According to a preferred embodiment, the metal surface is heated by melt transfer, and impurities from the metal surface are discharged through the melt.

Hierbij wordt hetzij een hetere smelt over het gekoelde oppervlak geleid of wordt bij het overleiden van een niet in temperatuur verhoogde smelt het koelen van het ge-5 koelde oppervlak verminderd of zelfs stop gezet. Ook een combinatie van beide maatregelen is mogelijk.In this case, either a hotter melt is passed over the cooled surface, or when a non-temperature-raised melt is passed over, cooling of the cooled surface is reduced or even stopped. A combination of both measures is also possible.

Het uitgekristalliseerde materiaal kan op uiteenlopende wijzen van het gekoelde oppervlak worden verwijderd, bijvoorbeeld door middel van mechanische technieken zoals 10 slijpen. Echter, volgens een voorkeursuitvoeringsvorm wordt het oppervlak verwarmd tot ten minste de smelttemperatuur van het te winnen uitgekristalliseerde metaal, voor het uit het metaaloppervlak verwijderen van het te winnen metaal.The crystallized material can be removed from the cooled surface in various ways, for example by means of mechanical techniques such as grinding. However, according to a preferred embodiment, the surface is heated to at least the melting temperature of the crystallized metal to be recovered, to remove the metal to be recovered from the metal surface.

Het gesmolten te winnen metaal kan aldus eenvoudig 15 worden opgevangen. Desgewenst kan het te winnen metaal opnieuw worden gesmolten en met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding verder worden opgezuivèrd.The molten metal to be recovered can thus easily be collected. If desired, the metal to be recovered can be melted again and further purified by means of the method according to the invention.

Ofschoon de werkwijze volgens de uitvinding gebruikt kan worden voor een groot aantal metalen, is het te winnen 20 metaal bij voorkeur gekozen uit aluminium, magnesium, tin, lood, silicium, germanium, en gallium.Although the method according to the invention can be used for a large number of metals, the metal to be recovered is preferably selected from aluminum, magnesium, tin, lead, silicon, germanium, and gallium.

In het algemeen zal het de voorkeur genieten om de werkwijze volgens de uitvinding onder een inerte atmosfeer uit te voeren. Hierbij wordt in het bijzonder bij voorkeur 25 gewerkt onder zuurstofarme omstandigheden en bij voorkeur in afwezigheid van zuurstof. De inerte atmosfeer wordt bij voorkeur verschaft door een edelgas, zoals argon.In general, it will be preferable to carry out the process according to the invention under an inert atmosphere. In this case, it is particularly preferred to work under oxygen-poor conditions and preferably in the absence of oxygen. The inert atmosphere is preferably provided by a noble gas, such as argon.

Voor een optimale turbulentie wordt bij het leiden van de smelt over een gekoeld oppervlak de filmdikte zodanig 30 gekozen dat het Reynoldsgetal Re ten minste 300 is, en bij voorkeur ten minste 500. Bij voorkeur wordt de filmdikte zodanig gekozen dat het Reynoldsgetal is gelegen tussen 700 en 1300.For optimum turbulence, the film thickness is chosen such that the Reynolds number Re is at least 300, and preferably at least 500, when the melt is passed over a cooled surface. Preferably, the film thickness is chosen such that the Reynolds number is between 700 and 1300.

Het Reynoldsgetal is gedefinieerd als 35The Reynolds number is defined as 35

Re = ^.Re = ^.

7 waarbij 5 p de dichtheid is van de over het gekoelde oppervlak gevoerde smelt; δ de dikte van de film is; η de dynamische viscositeit van de over het gekoelde 5 oppervlak gevoerde smelt is; en v de gemiddelde stroomsnelheid van de film is.7 where 5 p is the density of the melt passed over the cooled surface; δ is the thickness of the film; η is the dynamic viscosity of the melt passed over the cooled surface; and v is the average flow rate of the film.

Waarden voor de bovengenoemde parameters zijn hetzij bekend uit de literatuur (bijv. Handbook of Chemistry and Physcis, CRC Press), of kunnen door de gewone ter zake kundi-10 ge worden bepaald (zie Fulford, Advances in Chemical Engineering, deel 5 (1964), Academie Press, New York). Voor aluminium is een geschikte filmdikte minder dan 1 mm, bij voorkeur minder dan 0,7 mm, in het bijzonder circa 0,5 mm.Values for the above parameters are either known from the literature (e.g., Handbook of Chemistry and Physcis, CRC Press), or can be determined by ordinary skill in the art (see Fulford, Advances in Chemical Engineering, part 5 (1964). ), Academic Press, New York). For aluminum, a suitable film thickness is less than 1 mm, preferably less than 0.7 mm, in particular approximately 0.5 mm.

I De uitvinding zal thans worden toegelicht aan de I 15 hand van een tekening, waarbij d I Fig. 1 een schematische voorstelling is van een in- I richting geschikt voor het toepassen van de werkwijze volgens I de uitvinding; en I Fig. 2 een zijaanzicht is van de in fig. 1 getoonde I 20 inrichting.The invention will now be explained with reference to a drawing, in which FIG. 1 is a schematic representation of a device suitable for applying the method according to the invention; and FIG. 2 is a side view of the device shown in FIG.

De in fig. 1 weergegeven inrichting omvat een vat 1 I voor een smelt, welke bijvoorbeeld wordt gevormd door een I smelt van aluminium-houdend schroot. De smelt heeft een tem- I peratuur van 5°C boven het punt waarop stolling plaats gaat 25 vinden. Via een afvoeropening van het vat 1 wordt de smelt, I onder invloed van de zwaartekracht, over een in hoofdzaak verticaal geplaatst koelelement 2 gevoerd. Een metaal uit de I smelt zet zich af op het koelelement 2, en het aan het metaal I verarmde smelt wordt opgevangen in een opvangvat 3. Het in I 30 het opvangvat 3 opgevangen aan metaal verarmde smelt kan nog- I maals over het koelelement 2 (of een ander, niet weergegeven koelelement 2') worden geleid.The device shown in Fig. 1 comprises a melting vessel 1 I, which is formed, for example, by a melt of aluminum-containing scrap. The melt has a temperature of 5 ° C above the point at which coagulation will take place. Via a discharge opening of the vessel 1, the melt, under the influence of gravity, is passed over a substantially vertically placed cooling element 2. A metal from the melt melts on the cooling element 2, and the melt depleted on the metal I is collected in a collecting vessel 3. The melt depleted on metal collecting in the collecting vessel 3 can again be transported over the cooling element 2. (or another cooling element 2 ', not shown) can be guided.

Het koelelement 2 is, in de in fig. 2 weergegeven uitvoeringsvorm, voorzien van vinnen 4, welke bijdragen aan 35 het afstaan van stollingswarmte.In the embodiment shown in Fig. 2, the cooling element 2 is provided with fins 4, which contribute to the release of coagulation heat.

I 1 ΠΟη ~I 1 ~η ~

Claims

A method for recovering a metal from a mixture comprising more than one metal, characterized in that the method comprises the steps of a) melting the mixture to yield a melt; b) guiding the melt over a cooled surface, whereby the metal to be recovered crystallizes on the cooled surface and a melt depleted of the metal to be recovered is discharged from the cooled surface.

Method according to claim 1, characterized in that, for guiding the melt over the cooled surface and removing the melt depleted metal to be recovered, the cooled surface is at an angle to the horizontal.

Method according to claim 2, characterized in that the angle is between 2 ° and 12 ° with the vertical.

4. Method as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that after the removal of the melt depleted on the metal to be recovered from the cooled surface on which metal has been deposited, the metal surface is heated to just below the melting temperature of the crystallized material metal to be recovered, and a further amount of melt depleted on the metal to be recovered is discharged from the heated surface.

Method according to claim 4 or 5, characterized in that the metal surface is heated by melt transfer, and contaminants are discharged from the metal surface by the melt.

6. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the surface is heated to at least the melting temperature of the crystallized metal to be recovered, for removing the metal to be recovered from the metal surface.

7. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the metal to be recovered is selected from aluminum, magnesium, tin, lead, silicon, germanium, and gallium.

8. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is carried out under an inert atmosphere.

9. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that, when the melt is passed over a cooled surface, the film thickness is chosen such that the Reynolds number Re is at least 300, and preferably at least 500.

Method according to claim 9, characterized in that the film thickness is chosen such that the Reynolds number is between 700 and 1300. I 102: -: 000