Recovery of rare earth elements from coal fly ash by nanofiltration

Rare earth elements (REEs) are critical and strategic materials in a wide range of applications required for the development of future green economy. Coal combustion fly ash has been proposed as alternative REEs source considering their content and ease of extractability by hydrometallurgical acid leaching. However, potential technologies for REEs recovery from acid leachate, their performance and economic feasibility are uncertain. The objective of this study was to optimize a nanofiltration REEs recovery process maximizing its economic feasibility. Nanofiltration (NF) pre-treatments, such as pH adjustment and microfiltration, have been optimized enhancing REEs purity in the NF feed. In order to assess the simultaneous effects of the operating conditions (NF feed pH and applied pressure) on the NF rejection and permeate flux, 42 cross-flow NF experiments have been carried out according to two experimental design plans and testing four commercial nanofiltration membranes using pre-treated synthetic leachate. Response surface methodology was used to model experimental flux and REEs rejection data obtained from different values of NF feed pH (1.5, 2.5 and 3.5) and applied pressure (12, 18 and 24 bar). REEs rejection was improved increasing the feed pH and decreasing the applied pressure. The opposite trend was found for permeate flux, enhanced by pH decrease and pressure increase. Analysis on membrane fouling suggested that flux decline and membrane fouling increased together with pH and ions rejection. To optimize the NF operating conditions, an economic model was developed, where capital and operating costs were estimated for pre-treatments, NF and post-treatment steps, as well as the recovered REEs sale returns. The optimum operating condition combination was found to be at pressure 12 bar and pH 3.5 which gave the highest REE rejection (99.3%) and the lowest permeate flux (15.9 LMH). The estimated REE recovered mass resulted in a specific gain of 0.275 $/kgash. The performance of NF in the optimal operating conditions was further investigated with real leachate, showing a different performance due to the diverse ions concentrations.

Le terre rare sono elementi critici e strategici in una vasta gamma di applicazioni per lo sviluppo dell’economia verde. La cenere di combustione del carbone è stata proposta come fonte alternativa di terre rare, considerandone contenuto e facilità di estrazione per eluizione acida. Tuttavia, le potenziali tecnologie per il recupero di terre rare da eluato acido, le loro prestazioni e la fattibilità economica sono incerte. L'obiettivo di questo studio era quello di ottimizzare il recupero di terre rare attraverso nanofiltrazione, massimizzandone la fattibilità economica. I pretrattamenti, come la regolazione del pH e la microfiltrazione, sono stati ottimizzati aumentando la purezza di terre rare. Per valutare gli effetti delle condizioni operative (pH e pressione applicata) su reiezione e flusso della nanofiltrazione, sono stati effettuati 42 esperimenti secondo due piani sperimentali e testando quattro membrane commerciali su un eluato sintetico pretrattato. La Response Surface Methodology è stata utilizzata per modellare il flusso e la reiezione di terre rare da dati sperimentali ottenuti con diversi pH (1,5, 2,5 e 3,5) e pressioni (12, 18 e 24 bar). La reiezione di terre rare è migliorata aumentando il pH e diminuendo la pressione. Invece, il flusso di permeato è aumentato con la diminuzione del pH e l’incremento della pressione. L'analisi sul fouling della membrana ha suggerito che la diminuzione del flusso e il fouling della membrana aumentano insieme al pH e alla reiezione di ioni. Per ottimizzare le condizioni operative, è stato sviluppato un modello economico, per stimare costi di investimento e di esercizio per pre-trattamenti, nanofiltrazione e post-trattamento, nonché i ricavi della vendita delle terre rare recuperate. La combinazione ottimale di condizioni operative è stata trovata a 12 bar e pH 3,5 che ha dato la maggiore reiezione di terre rare (99,3%) e il flusso minore (15,9 LMH). Il recupero di terre rare stimato ha determinato un guadagno specifico di 0,275 $/kgcenere. La nanofiltrazione nelle condizioni operative ottimali è stata poi testata su un eluato reale, mostrando una prestazione diversa a causa delle differenti concentrazioni di ioni.