Scandium is widely dispersed in the earth’s crust and is rarely concentrated in ores, and a viable option to guarantee a secure supply of scandium is to recover the metal from waste streams of other mining and metallurgical facilities. The valorization of such streams to recover metals of value is a prerequisite to alleviate the global shortages of scandium and other rare earth elements. The purpose of this research is to exploit crystallization techniques amongst other unit operations in the valorization of scandium from waste streams such as bauxite residue and titanium dioxide acid waste. The entire process is envisaged as consisting of unit operations such as leaching of the bauxite residue, solvent extraction of the pregnant leach liquors and stripping, crystallization of a scandium salt from the strip liquors, calcination and metallothermic reduction.

Synthetic and real strip liquors with ammonium fluoride matrix were used in this study. The real strip liquors were obtained by leaching and solvent extraction of typical industrial waste streams and stripping the metals from the organic phase to the aqueous phase using NH4F solution. Antisolvent crystallization using alcohol solvents proved to be a more effective method for recovering scandium as ammonium scandium hexafluoride, (NH4)3ScF6, from such strip liquors, since a higher percentage recovery of scandium was obtained in comparison to cooling crystallization. Therefore, the phase equilibria of ammonium scandium fluorides has been investigated in pure NH4F solutions and in 3 mol/L NH4F-alcohol mixtures for methanol, ethanol, 2-propanol and 1,3-propane-diol in the concentration range 0.5 – 9 mol/L. Thesolubility of ammonium metal fluorides of the impurity metals such as Ti, Zr, Al and Fe was also determined in 3 mol/L NH4F-ethanol mixtures. (NH4)2TiF6 was observed to have exceptionally high solubility in these solutions possibly due to the prevalence of the titanyl ion in solution. The other ammonium metal fluorides investigated exhibited comparable or considerably lower solubilities than (NH4)3ScF6. Antisolvent crystallization using strip liquors with varying scandium to impurity ratios revealed that the uptake of impurity metals into the final solid product occurs in proportions that reflect their relative abundances in the strip liquor. However, the uptake of Ti into the solid product is minimal since Ti remains solubilized.

The impact of processing conditions on the crystal size distribution, morphology and purity of (NH4)3ScF6 in a batch antisolvent crystallization process was investigated. These include the control of supersaturation, antisolvent feeding mode, agitation mechanism, external seeding, and two-stage internal seeding. The control of supersaturation by reducing the antisolvent concentration and adding the dilute antisolvent at a sufficiently low addition rate had the greatest effect on increasing the crystal sizes, although it caused significant broadening of the product CSD. The use of an overhead pitched blade impeller also resulted in remarkable increase in crystal sizes compared to a magnetic stirrer, possibly due to reduced crystal attrition and more effective mixing, which reduces the local supersaturation generated, thereby suppressing nucleation. The addition of dilute ethanol (70 and 60% v/v), when added all at once, caused morphological modifications of (NH4)3ScF6 from isodimensional prismatic crystals to elongated crystals, but this was not observed under controlled addition of the dilute ethanol. This clearly shows the significance of operating conditions in manipulating the product quality obtained. The technical feasibility of recovering the antisolvent for reuse has also been demonstrated.

Skandium återfinns brett spridd i jordskorpan och är sällan koncentrerad i malmer. Ett lönsamt alternativ för att garantera en säker tillgång på skandium är att återvinna metallen från avfallsströmmar från gruv- och metallindustri. Valoriseringen av sådana strömmar för att återvinna värdefulla metaller är en förutsättning för att motverka den globala bristen på skandium och andra sällsynta jordartsmetaller. Syftet med denna forskning är att utnyttja kristallisation tillsammans med andra enhetsoperationer i valoriseringen av skandium från avfallsströmmar från produktion av aluminium från bauxit och produktion av titandioxid. En framtida process är tänkt att bestå av enhetsoperationer såsom syralakning, vätske-vätske-extraktion, kristallisation av ett skandiumsalt, kalcinering och metallotermisk reduktion.

Syntetiska stripplösningar samt riktiga stripplösningar med ammoniumfluoridmatris har använts i denna studie. De riktiga stripplösningarna erhölls genom syralakning och vätske-vätske-extraktion av typiska industriella avfallsströmmar och strippning av metallerna från den organiska fasen till en vattenhaltig NH4F-lösning. Förträngningskristallisation med alkohol visade sig vara en effektiv metod för att separera skandium som ammoniumskandiumhexafluorid, (NH4)3ScF6, från sådana stripplösningar, med en högre procentuell återvinning av skandium jämfört med kylkristallisation. Fasjämvikt av ammoniumskandiumfluorider har undersökts i rena NH4F-lösningar och i 3 mol/L NH4F-alkoholblandningar för metanol, etanol, 2- propanol och 1.3-propandiol i koncentrationsområdet 0.5 – 9 mol/L. Lösligheten minskade i ordningen metanol, etanol, 1,3-propandiol och 2-propanol och detta korrelerar med minskningen av den effektiva dielektricitetskonstanten för NH4Falkoholblandningarna. Lösligheten av ammonium-metallfluorider av Ti, Zr, Al och Fe bestämdes i 3 mol/L NH4F-etanolblandningar. (NH4)2TiF6 observerades ha hög löslighet i dessa lösningar, möjligen på grund av förekomsten av titanyljonen i lösning. De andra undersökta ammoniummetallfluoriderna uppvisade jämförbara eller betydligt lägre lösligheter än (NH4)3ScF6. Förträngningskristallisation från stripplösningar innehållande skandium och andra metaller visade att upptaget av metallföroreningarna i den slutliga fasta produkten sker i proportioner som återspeglar deras relativa mängder i stripplösningarna. Emellertid är upptaget av Ti i den fasta produkten minimalt och Ti förblir i lösning.

Effekten av olika processparametrar på kristallstorleksfördelning, morfologi och renhet av (NH4)3ScF6 i en satsvis förträngningskristallisationsprocess undersöktes. Kontroll av övermättnad, tillsatsmetod för lösningsmedlet, omröringsmekanism, extern groddning och tvåstegs-intern groddning studerades. Kontroll av övermättnad genom att reducera koncentrationen lösningsmedel och genom att tillsätta det utspädda lösningsmedlet med en tillräckligt låg tillsatshastighet gav fler större kristaller, men orsakade dock en signifikant breddning av produktens storleksfördelning. Omrörning medelst en turbin med vinklade blad resulterade också i en anmärkningsvärd ökning av kristallstorlek jämfört med en magnetisk omrörare, möjligen på grund av minskad kristallnötning och effektivare omblandning, vilket minskar den lokala övermättnaden som genereras och därigenom undertrycker kärnbildning. Tillsatsen av utspädd etanol (70 och 60 % v/v), när den tillsattes på en gång, orsakade morfologiska förändringar av (NH4)3ScF6 från isodimensionella prismatiska kristaller till långsträckta kristaller. Denna typ av förändring kunde inte observeras under kontrollerad tillsats av utspädd etanol. Detta visar tydligt betydelsen av driftsförhållanden för att manipulera den erhållna produktkvaliteten. Den tekniska genomförbarheten för att återvinna lösningsmedel har också påvisats.