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Copper recovery from fine particle grain size fraction of bottom ash from waste to energy plants

Ulum, Reza Miftahul

Waste generation worldwide is increasing drastically every year, due to a growing global population and growing income per capita. Waste management in an environmentally and economically sustainable way is needed. In the context of waste management, waste-to-energy plants (WtE) are categorized as waste treatment, which nowadays is preferred due to its ability to reduce mass and volume of the waste and produce energy (heat and electricity) in the process. Solid residues, called bottom ash, produced from WtE plants have been increasing every year. Whether bottom ash can be used for public road construction, or exclusively for road construction in landfill areas, depends on the composition of the bottom ash in question and different legislation in the different Federal States of Germany. There is a danger that heavy metals could leach out into the soil over time, polluting ground water and damaging the environment in general. Because of increasing metal prices over the last 15 years, the fact that bottom ash contains valuable metals will become increasingly important in the future. The contribution of this study is in the treatment of fine-particle, grain-size bottom ash (< 2mm) in such a way as to entirely recover the metals from the ash and to produce a clean mineral fraction that can be used in the cement industry as raw material. Because metal particles are glued together with the slag, in this approach principles of ore processing are used. The bottom ash is milled and classified by sieving technology. Because knowledge about the structure of metal particles in bottom ash is limited, particles are characterized by optical microscope and by scanning electron microscope together with energy dispersive spectroscopy. In the further course of the study, a semi-continuous wet magnetic separation technology has been developed on the basis of a modified sluice-box process. The strong magnetic effect is thought to be produced by the iron oxide magnetite (Fe3O4). It has been shown that elements like chromium, nickel, and cobalt can be separated from bottom ash because magnetite acts as a collector for these elements. A process has also been developed to flatten the non-ferrous metal particles with an optimized milling process, after which it is possible to separate the metal particles easily by a sieving process. The residual mixture of heavy non-magnetic and light non-magnetic fractions is separated via density separation. With washing of bottom ash by sluice-box and gold-pan processes, it was possible to drastically reduce the sulphur and chlorine contents in the residual mineral fraction of the bottom ash. The combination of wet magnetic separation during the sluice-box process and the density separation during the gold-pan and vacuum processes shows clearly a promising result for waste treatment of bottom ash in the context of metallic fraction recovery. After the liberation of metal particles from bottom ash, it is necessary that the residual mineral fraction be so clean that it can be used as raw material in the cement industry. Improvements in the quality of the mineral fraction have been achieved, but the cleaning process needs further optimization. The results of this study show clearly that copper in bottom ash exists mainly as metal. The results of this study also show that it is not impossible to get the copper out of the bottom ash, and by a cheap and easy process. Further work is needed for optimization, but the effort makes a great deal of sense, because the copper content in the bottom ash is as high as in the poor natural copper ores that are mined today. But copper in bottom ash does have the advantage, shown in this study, that it is already a metal, so that additional metallurgical work to separate copper from oxygen and sulphur (a necessary step in the processing of natural ores) is not necessary when processing copper form bottom ash.

Von Jahr zu Jahr entsteht mehr Müll durch eine weltweit wachsende Bevölkerung und durch einen zunehmenden Wohlstand. Müll muss in umweltfreundlichen und nachhaltigen technischen Prozessen entsorgt werden. In diesem Zusammenhang spielen Müllverbrennungsanlagen eine große Rolle, da einerseits die Müllmengen und das Müllvolumen reduziert und andererseits Strom und Wärme produziert werden. Durch den Verbrennungsprozess selbst entsteht mengenmäßig als größte Abfallmengen die Müllverbrennungsschlacke (MV-Schlacke). In den Bundesländern kann in Deutschland die MV-Schlacke unter Umständen zum öffentlichen Straßenbau oder nur zum Deponiebau verwendet werden, wobei es dafür im Moment keine einheitliche Regelung gibt. Dadurch dass Schwermetalle und andere Metalle aus der MV-Schlacke möglicherweise ausgelaugt werden können, kann unter Umständen eine Verunreinigung des Grundwassers verursacht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob die feine Fraktion der MV-Schlacke (< 2mm) von Metallen und Schwermetallen befreit und dabei die restliche mineralische Fraktion so sauber dargestellt werden kann, dass sie als Rohstoff in der Zementindustrie zu verwenden ist. Dadurch dass die Metallpartikel mit den Schlackenpartikeln während des Verbrennungsprozesses und der Schlackenaufbereitung miteinander verwachsen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Methoden aus der Erzaufbereitung angewandt, um diese Verbindungen zu trennen. Die MV-Schlacke wurde gebrochen, gemahlen und durch Sieben klassifiziert. Da bisher nahezu keine Kenntnisse über Strukturen und chemische Zusammensetzungen der Partikel in den feinen Fraktionen der MV-Schlacke vorliegen, wurden Partikel mittels optischer Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie in Kombination mit EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein semikontinuierliches nassmagnetisches Separationsverfahren auf der Basis einer Goldwaschrinne entwickelt. Bei der nassmagnetischen Trennung wird aus den feinen Fraktionen Magnetit (Fe3O4) abgetrennt, da in diesen Fraktionen kein reines Eisen mehr vorliegt. Da der Magnetit aufgrund seiner Spinellstruktur ein größere Löslichkeit für Elemente wir Chrom, Nickel und Cobalt hat, kann er hier als Sammler für genutzt werden, so dass diese Elemente über den Magnetit relativ leicht aus der MV-Schlacke entfernt werden können. Im weiteren wurde ein optimierter Mahlprozess entwickelt mit dem Drähte und runde Partikel zu flachen Partikeln verformt werden, die im Anschluss daran durch einen relativ einfachen Siebprozess abgetrennt und dadurch aufkonzentriert werden können. Die verbleibende Mischung aus einer schwermetallhaltigen nicht-magnetischen Fraktion und aus einer leichten nicht-magnetischen Fraktion wird über eine Dichtetrennung (Goldwaschpfanne und Vakuumsaugverfahren) voneinander getrennt. Durch den Waschprozess in der Goldwaschrinne und der Goldwaschpfanne können die Gehalte an Schwefel und Chlor in der MV-Schlacke deutlich abgesenkt werden. Die Ergebnisse der hier durchgeführten Versuche zeigen, dass vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Metallabtrennung aus den feinen Fraktionen der MV-Schlacke erreicht wurden. Nach der Entfernung der Metalle hängt die Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses aber davon ab, ob die Verwendung der restlichen mineralischen Fraktion in anderen Industrien, wie z.B. der Zementindustrie möglich ist. Die Ergebnisse zeigen, dass deutliche Verbesserungen, was die Reinheit der mineralischen Fraktion angeht, erzielt werden konnten, dass aber noch weitere Optimierungen notwendig sind. Hier hat sich gezeigt, dass die Art und Weise der Analytik eine große Rolle spielt, da die konventionelle Röntgen-Fluoreszenz-Analyse (RFA) in vielen Fällen keine ausreichend genauen Ergebnisse liefert. Hier müssen zukünftig andere analytische Wege ausprobiert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eindeutig, dass Kupfer in den feinen Fraktionen der MV-Schlacke im Wesentlichen als Metall vorliegt und dass es nicht unmöglich ist, Kupfer aus diesen Fraktionen der MV-Schlacke auf eine wirtschaftliche Art und Weise zurückzugewinnen. Es sind weitere Optimierungsarbeiten notwendig, die aber sinnvoll sind, da in einer feinen Fraktion der MV-Schlacke so viel Kupfer enthalten ist, wie in einem armen Kupfererz, das heute auf der Welt abgebaut wird. Dabei hat das Kupfer aus der MV-Schlacke den Vorteil, dass es schon als Metall vorliegt und nicht wie bei den natürlichen Erzen aus Kupferoxiden oder -sulfiden raffiniert werden muss.

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Ulum, Reza Miftahul: Copper recovery from fine particle grain size fraction of bottom ash from waste to energy plants. 2017.

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