Zinc recovery from electric arc furnace dust / by Rana Adel Bayoumi Mahmoud ; under the supervision of Prof. Dr. Nabil Mahmoud Abdelmenem, Prof. Dr. Ibrahim Mohamed Ismail, Prof. Dr. Mostafa Aly Soliman, Dr. Ahmed Ahmed Refaat

Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2022.

Bibliography: pages 71-78.

The industrial sector is rich with different types of wastes, like liquids, solids, gases, or sludge. These types of waste are dangerous to the environment since they are hazardous. The disposal of such waste types includes landfill which is very expensive. Following the valorization principle, treatment of such wastes through recycling may have the effect of limiting their harmful impact on the environment in addition to recovery of precious metals like Vanadium (V), Zinc (Zn), and Iron (Fe). Steel industry is a big source for different types of solid wastes like slag, and flue dust. For every ton of steel manufactured, a significant quantity of about 15 to 20 kg of electric arc furnace dust (EAFD) is generated. Chemical analysis showed that EAFD is composed of mixture of metals which may be valuable like Zn, Fe or hazardous like lead (Pb). In accordance with the United States Environmental Protection Agency (EPA), this type of waste is considered as hazardous and must be treated before final disposal.
The main objective of the proposed thesis is to develop an appropriate process for the recovery of Zn from EAFD. Two treatment routes were suggested: a hybrid pyro/hydrometallurgical route, and a hydrometallurgical route. The first route can result in the recovery of pure Zn that can be collected and used in other processes, while the remaining residue can be recycled back to the furnace. While the second route results in the production of zinc sulphate that has a variety of applications.
The hybrid process was studied in two stages: A preliminary step (stage 1) that was conducted to determine whether cement dust (CD) might be used to treat EAFD and convert zinc ferrite to zinc oxide, hence facilitating the leaching process. The best conditions for the treatment process were then established through optimization tests (stage 2). In the preliminary tests, CD and EAFD were combined in a ratio of 2:1 and heated for two hours at 1100 °C in a muffle furnace. The generated mixture was then stirred at a rate of 250 rpm while being leached in sodium hydroxide (NaOH) solution with a 2M concentration for a variety of S/L ratios (1/300, 1/20, 1/10, and 1/5), and (2, 4, and 6 h) time intervals. Finally, an electrochemical step was done for the recovery of Zn metal.
The design expert (DE) software was used to carry out the optimization experiments. The response surface approach, which was applied in the design expert software to optimize the thermal treatment conditions for the conversion of zinc ferrite into zinc oxide, was based on the three-level Box-Behnken design methods. The response variable was the percentage of conversion, and the independent factors were the solid/solid (S/S) ratio (cement dust/EAFD) (A), fire temperature (B), and firing time (C). Experiments were performed according to the conditions obtained by the software, and the treated samples were then leached in a 2M NaOH solution for 1 min under microwave (MW) conditions. The evaluation of the response factor (Zn recovery) was done through Energy Dispersive X-Ray (EDX) analysis to determine how much Zn was still present in the solid residue following thermal treatment and NaOH leaching. Finally, a preliminary economic study for the proposed hybrid process was conducted.
The second part of this research was carried out through a hydrometallurgical process. A sample of EAFD was leached in the microwave with sulfuric acid solution at various concentrations (0.5, 1, 2, 3, and 5 N). The extent of the leaching process was determined through EDX analysis. Ferric hydroxide was then precipitated by potassium hydroxide addition. Finally, a crystallization process for zinc sulphate was done.

القطاع الصناعي غني بأنواع مختلفة من النفايات ، مثل السوائل ، المواد الصلبة ، الغازات، و الحمأة. تمثل هذه النفايات تهديد للبيئة لأنها مواد خطرة. يشمل التخلص من هذه الأنواع من النفايات مكب النفايات وهو مكلف للغاية. باتباع مبدأ التثمين، قد يؤدى إعادة تدوير هذه المخلفات ومعالجتها الى الحد من تأثيرها الضار على البيئة بالإضافة إلى إستعادة المعادن القيمّة مثل الحديد، الزنك والفانديوم. تعد صناعة الصلب مصدرًا كبيرًا لأنواع مختلفة من النفايات الصلبة مثل الخبث والحمأة وغبار المداخن. تنتج أفران القوس الكهربائي كميات كبيرة من الغبار، حيث ينبعث عن إنتاج طن الحديد الواحد حوالي (15-20) كج من الغبار. يتكون هذا الغبار من خليط من المعادن ذات القيمة مثل الزنك والحديد أو السامة مثل الرصاص. و قد صُنّف هذا الغبار من قبَل وكالة حماية البيئة الأمريكية ضمن النفايات الخطره التى يجب معالجتها قبل التخلص النهائي منها.
يعد الهدف الرئيسى من هذه الدراسة هو إيجاد طريقة مناسبة لإستعادة أحد المعادن الهامة مثل الزنك من خلال معالجة غبار أفران القوس الكهربي. تم أقتراح طريقتين للمعالجة: a hybrid pyro/hydrometallurgical route, and a hydrometallurgical route.. ينتج عن أتباع المسار الأول إستعادة معدن الزنك النقي الذي يمكن جمعه واستخدامه في عمليات أخرى ، بينما يمكن إعادة تدوير المخلفات المتبقية إلى الفرن. بينما ينتج عن إتباع المسار الثاني إنتاج كبريتات الزنك التي يمكن أستخدامها خلال تطبيقات متنوعة.
تمت دراسة العملية الهجينة على مرحلتين: خطوة أولية تم إجراؤها لتحديد ما إذا كان يمكن أستخدام غبار الأسمنت لمعالجة الغبار وتحويل فريت الزنك إلى أكسيد الزنك ، وبالتالي تسهيل عملية الترشيح. ثم تم تحديد أفضل الظروف لعملية المعالجة من خلال أختبارات رفع الكفاءة. خلال الأختبارات الأولية ، تم دمج غبار الأسمنت وغبار الحديد بنسبة 2:1 وتسخينه لمدة ساعتين عند 1100 درجة مئوية في فرن مفل. تم بعد ذلك تقليب الخليط الناتج بمعدل 250 دورة في الدقيقة أثناء الترشيح في محلول هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 2 مول لكل لتر لمجموعة متنوعة من نسب (1/300 ، 1/20 ، 1/10 ، و 1/5) جرام لكل لتر، والفترات الزمنية (2 و 4 و6) ساعة. أخيرًا، تم إجراء خطوة كهروكيميائية لإستعادة معدن الزنك.
تم أستخدام برنامج Design expert لإجراء تجارب رفع الكفاءة. أستند نهج Response Surface إلى طريقة التصميم Box-Behnken ثلاثية المستويات بغرض رفع كفاءة المعالجة الحرارية و تحويل ال zinc ferrite إلى أكسيد الزنك. تم أستخدام النسبة المئوية للتحويل كعامل أساسى، وكانت العوامل المستقلة هي نسبة الصلب/الصلب (غبار الأسمنت/ غبار فرن القوس الكهربائي)، درجة حرارة الحريق، والزمن. تم تقييم العامل الأساسى (نسبة إسترداد الزنك) من خلال اختبار الأشعة السينية المشتته للطاقة لتحديد مقدار الزنك المتبقى في الغبار بعد الأنتهاء من المعالجة الحرارية والترشيح بإستخدام هيدروكسيد الصوديوم.
تم إجراء التجارب وفقًا للظروف التي تم الحصول عليها بواسطة البرنامج ، وتم بعد ذلك ترشيح العينات المعالجة في محلول هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 2 مول في اللتر لمدة دقيقة واحدة داخل الميكروويف. تم بعد ذلك تحليل الجزء الصلب الناتج من عملية الترشيح لحساب نسبة إسترجاع الزنك. وأخيرًا ، تم إجراء دراسة اقتصادية أولية للعملية الهجينة المقترحة.
خلال الجزء الثانى من هذه الدراسة، تم إجراءعملية المعالجة hydrometallurgical process. حيث تم ترشيح عينة من غبار فرن القوس الكهربائي في الميكروويف بمحلول حامض الكبريتيك بتركيزات مختلفة (0.5 ، 1 ، 2 ، 3 ، 5) مولار. وقد تم قياس نسبة إسترجاع الزنك من خلال تحليل الأشعة السينية المشتته للطاقة. تم بعد ذلك ترسيب هيدروكسيد الحديديك عن طريق إضافة هيدروكسيد البوتاسيوم. وأخيرًا، تم إجراء عملية تبلور لكبريتات الزنك.
أظهرت نتائج التجربة الأولية أن حوالي 93٪ من الزنك الموجود أصلاً في عينة غبار فرن القوس الكهربائي تم استخلاصه بنجاح باستخدام نسبة الصلب الى السائل تبلغ 1/300. لوحظ أيضًا زيادة نسبة أستخلاص الزنك بزيادة وقت التفاعل وتقليل نسبة الصلب الى السائل. تم أستخلاص حوالي 82٪ من الزنك عند خلط غبار الأسمنت بنسبة 2:1، تمت معالجة الغبار عند 1000 درجة مئوية لمدة ساعتين ، ثم تم ترشيحه في محلول هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 2 مولار مع إستخدام نسبة قدرها 1/20 لمدة 6 ساعات عند درجة حرارة عالية و معدل خلط 250 دورة في الدقيقة.
أظهرت المجموعة الأولى من تجارب رفع الكفاءة أن إسترداد الزنك يزداد عن طريق زيادة كل من زمن التفاعل ودرجة الحرارة ، كما يقل بزيادة نسبة المادة الصلبة الى الصلبة. تم تحديد عنصر زمن التفاعل كعنصر التحكم الرئيسى.
اقترح نهج Box-Behnken المستخدم لمعالجة المجموعة الثانية من تجارب التحسين معادلة نموذجية من الدرجة الثانية لإسترداد الزنك. من خلال تحليل البيانات التي تم الحصول عليها ، تم التأكيد على أن الزمن هو العامل الأكثر فاعلية لإستعادة الزنك. وُجّد أيضاً أن نسبة استخلاص الزنك تزداد عن طريق خفض نسبة الصلب الى الصلب وزيادة كلاً من درجة حرارة والزمن ، كما هو مستخلص من نهج تصميم ال CCD. وأخيراً ، تم العثور على الظروف المُثلىّ لتكون درجة الحرارة 1080 درجة مئوية ، والزمن 4.7 ساعة ، بإستخدام نسبة الصلب الى الصلب تساوى 0.517، والتي نتج عنها إسترداد الزنك بحوالي 94٪. كما تم إستخدام خلية كهروكيميائية لترسيب الزنك فى الصورة النقية ، ووجد أن كمية الزنك المترسبة تزداد أيضاً بمرور الوقت ، حيث يتم ترسيب كل الزنك الموجود في الجزء السائل تقريبًا بعد 60 دقيقة.
كانت عملية المعالجة بالميتالورجية ناجحة أيضًا في عملية أستخلاص الزنك من الخليط الأساسى. حيث تم إسترداد حوالي 78٪ من الزنك بإستخدام حمض الكبريتيك(2 مولار) بنسبة صلب إلى سائل تساوى(1/20) تحت تأثير الميكروويف. وقد وُجد أن نسبة أستخلاص الزنك تزداد بزيادة تركيز الحمض المستخدم، حيث تم الحصول على أقصى استرجاع بنسبة 90٪ بإستخدام حمض الكبريتيك بتركيز(5 مولار).
أخيرًا ، تم إقتراح خط إنتاج صناعي لكلتا العمليتين (عملية إنتاج Zn Powder وعملية إنتاج ZnSO4). كما تم عمل حسابات preliminary material balance والدراسة الاقتصادية التقريبية لكليهما. وجد أن كلتا العمليتين يمكن أن تكون مجدية وواعدة لإنتاج 10 طن / يوم من مسحوق الزنك ، و 27 طن / يوم من بلورات ZnSO4 / K2SO4. استغرقت عملية مسحوق الزنك فترة استرداد تبلغ حوالي 1.8 سنة، ونقطة التعادل تبلغ 1100 طنًا من الوحدات المنتجة ، وحجم مبيعات يبلغ حوالي 6.2 مليون دولار. بينما كان لعملية ZnSO4 فترة استرداد 2.5 سنة ، ووجد أن نقطة التعادل هي حوالي 3100 طن من الوحدات المنتجة ، وحجم مبيعات يبلغ حوالي 9.5 مليون دولار.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.