Recycling of ferro-nickel slag: evaluation of chemical and thermodynamics properties to use it as a raw material for thermophosphate production

The increasing focus on sustainable agricultural practices and the valorization of industrial byproducts has spurred research into alternative phosphorus sources. This thesis investigates the recycling potential of ferronickel slags, generated from pyrometallurgical processes in Brazil (Minas Gerais and Pará), as raw materials for the production of thermophosphate fertilizers. Mixtures of bone ash and slag, in varying proportions (30-45 wt% bovine bone ash), were subjected to high-temperature heat treatments (1550°C and 1450°C, for 2 hours). The study concentrates on chemical characterization (via XRD and SEM-EDS), thermodynamic analysis (through the basicity-viscosity relationship, modeled with FactSage and the Riboud and Mills-Sridhar models) and on the evaluation of phosphorus recovery useful for the recycling process. The results obtained revealed a relatively stable basicity across the analyzed compositions, while viscosity exhibited significant variations, influencing the efficiency of metal-slag separation, a crucial factor for the presence of phosphorus in the final thermophosphate. The phosphorus content was enhanced with the addition of fluxing agents, particularly 10 wt% nepheline and sodium carbonate, which improved phase separation and promoted the formation of highly soluble calcium and sodium phosphates. The best phosphorus recovery performances were observed for bone-slag ratios of 35-65 and 40-60, as well as for the 45-55 sample treated with sodium carbonate at 1450°C, which demonstrated higher slag fluidity and the highest final P₂O₅ content. Overall, this research provides a foundation for the potential industrialization of thermophosphate production from ferronickel slags, underscoring the need for further investigations into cooling rates and the utilization of alternative fluxing agents to enhance process efficiency and economic viability.

La crescente attenzione verso pratiche agricole sostenibili e la rivalutazione dei sottoprodotti industriali hanno stimolato la ricerca di fonti alternative di fosforo. La presente tesi esplora il potenziale riciclo di scorie di ferronichel, derivanti da processi pirometallurgici condotti in Brasile (nelle regioni di Minas Gerais e Pará), quali materie prime per la produzione di fertilizzanti termofosfati. A tal fine, miscele di polvere ossea e scorie, in proporzioni variabili (30-45% di osso bovino), sono state sottoposte a trattamenti termici ad alta temperatura (1550°C e 1450°C, per 2 ore). Lo studio si concentra sulla caratterizzazione chimica (tramite XRD e SEM-EDS), sull'analisi termodinamica (attraverso la relazione basicità-viscosità, modellata con FactSage e i modelli di Riboud e Mills-Sridhar) e sulla valutazione del recupero del fosforo utile al processo di riciclo. I risultati ottenuti hanno evidenziato una relativa stabilità della basicità tra le diverse composizioni analizzate, mentre la viscosità ha mostrato variazioni significative, influenzando l'efficienza della separazione metallo-scoria, un aspetto cruciale per la presenza del fosforo nel termofosfato finale. Il contenuto di fosforo è risultato incrementato con l'aggiunta di agenti flussanti, in particolare il 10% di nefelina e carbonato di sodio, che hanno migliorato la separazione di fase e favorito la formazione di fosfati di calcio e di sodio ad elevata solubilità. Le migliori performance nel recupero del fosforo sono state osservate per i rapporti osso-scorie 35-65 e 40-60, nonché per il campione 45-55 trattato con carbonato di sodio a 1450°C, che ha manifestato una maggiore fluidità delle scorie e il più alto contenuto finale di P₂O₅. Nel complesso, questa ricerca fornisce una base per la potenziale industrializzazione della produzione di termofosfato a partire da scorie di ferronichel, sottolineando la necessità di ulteriori indagini sui tassi di raffreddamento e sull'impiego di agenti flussanti alternativi al fine di migliorare l'efficienza del processo e la sua sostenibilità economica.