Hidrometalürjik yöntemle çinko üretim prosesinde oluşan ekstraksiyon artığının kirletici özelliklerinin incelenmesi ve stabilizasyonu
Investigation on pollution potential and stabilization of extraction residue generated in hydrometallurgical zinc production plant
Yazar: ARZU ÖZVERDİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERDEM
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Ağır metal kirliliği = Heavy metal pollution ; Katılaşma = Solidification ; Stabilleştirme = Stabilization ; Çinko = Zinc ; Özütleme = Extraction

Özet:
Çinko üretiminde, cevherin içerdiği çinko H2SO4 kullanılarak ekstrakte edilir. Bu aşamada asitte çözünmeyen ve içerisinde ağır metaller bulunan tehlikeli bir atık açığa çıkmaktadır. Bu atığın deşarj edilmeden önce uygun bir stabilizasyon/solidifikasyon (S/S) yöntemiyle çevreye zarar vermeyecek bir hale getirilmesi zorunludur. Bu çalışmada; çinko üretim prosesinde oluşan çinko ekstraksiyon artığının (ÇEA) XRF ve XRD analizleriyle kirletici bileşenleri belirlenmiş ve portland çimentosu (PÇ), kireç, uçucu kül (UK) ve fosfat kayası (FK) ile S/S'i incelenmiştir. ÇEA'nın ana bileşen olarak % 19.02 Pb, % 7.98 Zn, % 6.19 Ca, % 5.44 Fe, % 6.74 Si, % 1.85 Al ve % 12.25 S, ana bileşenlerin yanı sıra 602, 310 ve 224 mg/kg oranında sırasıyla Cu, Cd ve Ni gibi minör bileşenler içerdiği tespit edilmiştir. Ana bileşenlerden kurşunun anglesit [PbSO4] ve massicot [PbO], çinkonun franklinite [ZnFe2O4], kalsiyumun jips [CaSO4.2H2O], demirin maghemit [Fe2O3] ve hercinit [Al2FeO4] ve silisin kuartz [SiO2] kristal yapısında bulunduğu belirlenmiştir. ÇEA'nın içerdiği kirleticilerin çözünürlüğüne sıvı/katı oranı, temas süresi ve pH'nın etkisi incelenmiş ve TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure-Toksisite Özellikli Liç İşlemi), MEP (Multiple Extraction Procedure-Çoklu Ekstraksiyon İşlemi), SPLP (Synthetic Precipitation Leaching Procedure- Sentetik Asit Yağmurunu Modelleyen Liç İşlemi) ve Eluat testleriyle de kirlilik potansiyelleri ortaya koyulmuştur. Artan sıvı/katı oranı ile ortama geçen metal iyon konsantrasyonlarının azaldığı, artan temas süresine bağlı olarak bir miktar arttığı, pH 11 ve 12 haricinde ise pH ile fazla değişmediği tespit edilmiştir. Uygulanan TCLP, SPLP ve eluat testleriyle toksik bileşenlerden kurşun ve kadmiyum çözeltiye sırasıyla 69 ve 2.9, 3 ve 0.9, 3.82 ve 0.68 mg/L oranında geçmiştir. MEP testiyle de 21. ekstraksiyonda dahi kurşunun TCLP sınır değeri olan 5 mg/L'nin üzerinde çözeltiye geçtiği tespit edilmiştir. Çözünen kurşun ve kadmiyum değerlerine bağlı olarak; ÇEA'nın kirlilik yükünün önemli derecede olduğu, bu nedenle de evsel atıklarla birlikte depolanamayacağı veya gelişigüzel çevreye atılamayacağı belirlenmiştir. Kirletici bileşenlerin çözünmelerini önlemek amacıyla uygulanan S/S ile ÇEA'nın % 10 PÇ, % 30 UK, % 50 FK ve % 50 kireç varlığında stabilize ve solidifiye olduğu metalik bileşenlerin oldukça stabil bir hale geldiği ve S/S ile ağır metallerin çözünmeyen hidroksit bileşiklerine dönüşerek stabilize ve solidifiye olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In the hydromettalurgical zinc production, as the zinc leached by sulphuric acid, hazardous leaching residue that contains heavy metals and insoluble impurities forms. It is necessary to make it harmless environmentially by an appropriate stabilization/solidification (S/S) method before it is discharged. In this study, the pollutants and pollution potential of the zinc extraction residue (ZER) were determined, and its S/S by Portland cement (PC), lime, phosphate rock (FK) and fly ash (FA) were investigated. Primarily, the mineralogical and chemical compositions of ZER were determined by XRD and XRF analyses. Main constituents of the ÇEA were found to be 19.02% Pb, 7.98% Zn, 6.19% Ca, 5.44% Fe, 6.74% Si, 1.85% Al and 12.25% S. In addition, it has been determined that ÇEA contains minor components such as Cu, Cd and Ni in the concentrations of 602, 310 ve 224 mg/kg, respectively. It has been determined that the main components in the structure are lead in anglesite [PbSO4] and massicot [PbO], zinc in franklinite [ZnFe2O4], calcium in gypsum [CaSO4.2H2O], iron in maghemite [Fe2O3] and hercynite [Al2FeO4] and silica in quartz [SiO2] crystal structures. The effects of contact time (30-240 min), liquid/solid ratio (5-100) and pH (3-12) on the releasing of pollutants, and the pollution potential of the ZER by TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure), SPLP (Synthetic Precipitation Leaching Procedure), eluat test and MEP (Multiple Extraction Procedure) were examined.
             It was determined that the releasing concentrations of pollutants decrease with increasing liquid/solid ratio, increase slightly with the increasing contact time. But, they do not change significantly with pH (except pH 11 and 12). With the applied TCLP, SPLP and eluate tests, 69 and 2.9, 3 and 0.9, 3.82 and 0.68 mg/L of toxic components released into the solution, respectively. With the MEP test, it was determined that even in the 21st extraction, lead released above the TCLP limit value of 5 mg/L. Depending on the released lead and cadmium values, it has been determined that ZER has a significant pollution potential, therefore, it cannot be stored with household waste or thrown into the environment indiscriminately. With S/S applied to prevent the dissolution of the contaminants, ZER stabilized and solidified in the presence of 10% PÇ, 30% UK, 50% FC and 50% lime, the heavy metals stabilized and solidified with transforming into the insoluble hydroxide compounds by the S/S.