Aladağ yöresi Zn-Pb flotasyon atıklarından hidrometalurjik yöntemlerle çinko geri kazanımı
Zinc recovery from Zn-Pb flotation tailings in aladag region using hydrometallurgical methods
Yazar: AHMET ALAN
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ŞEREF SÖNMEZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışma, Kayseri bölgesinde bulunan Aladağ yöresine ait çinko-kurşun cevherine uygulanmış flotasyon sonucu oluşan atığa uygulanan mevcut hidrometalurjik yöntemlere alternatif sunma hedefiyle yapılmıştır. Mevcut yöntemlere göre daha çevreci ve ekonomik kimyasallar kullanarak flotasyon atığında bulunan çinkoyu optimum liç koşullarıyla geri kazanmaya çalışılmıştır. Selektif liç sonucunda çinko ile birlikte çözeltiye alınan demir iyonlarını temizlemek için çinko kaybı minimum olacak şekilde demir çöktürme işleminin optimizasyonu üzerine çalışmalar yapılmıştır.
Literatürde çinko-kurşun flotasyon atıklarından metal üretimi ve geri kazanımı üzerine çalışmalar uzun süredir ilgi görmektedir. Genellikle hidrometalurjik yöntemler uygulanmakta ve çözücü olarak organik ve inorganik asitler kullanılmaktadır. Çalışma verimlerini arttırmak için kullanılan ilave oksitleyici ajanlar da bulunmaktadır. Oksitleyici ajan olarak alternatifler de bu çalışma içerisine dahil edilmiştir. Bu sayede çevreci yöntemlerle atık-hammadde geri dönüşümüne katkı sağlanmıştır. 
Dünya genelinde Avustralya, Çin, Meksika, Rusya ve Peru çinko üretiminde söz sahibi olan ülkelerdir. Çinko tüketiminde ise ilk sıralarda yer alan ülkeler Çin, A.B.D., Japonya, Güney Kore, ve Almanya'dır. Ülkemiz çinko rezervi olarak 9. sırada yer almaktadır. Türkiye'nin 2022 yılı çinko cevheri üretim miktarı 450.000 ton civarındadır. 
Aladağ yöresine ait flotasyon atığına öğütme ve elek analizi işlemleri uygulanmıştır. Üç farklı elek aralığından alınan numunelere faz analizi ve kimyasal analiz işlemleri gerçekleştirilmiştir.Kimyasal analiz sonuçlarına göre flotasyon atığında %17,80 Zn ve %11,40 Fe bulunmaktadır. Faz analizi sonuçlarına göre en düşük elek aralığında çinkonun çinko karbonat dışında hemimorfit yapıda da bulunduğu tespit edilmiştir. Bu elek aralığındaki flotasyon atığında bulunan diğer fazlar ise kalsiyum karbonat, serüzit, götit, silika, manyetit ve kurşun oksittir. Çalışmaya bu elek aralığındaki numunelerle devam edilmiştir. 
Literatürde flotasyon atığından çinkonun çözeltiye alınabilmesi için uygulanan sülfürik asit liç işleminde oksitleyici ajan olarak demir sülfat kullanılmaktadır. Çinkonun yüksek verimle çözeltiye alındığı görülmektedir fakat devam eden hidrometalurjik yöntemlerde çözeltideki demir büyük sorun teşkil etmektedir. Bu çalışma kapsamında oksitleyici ajan olarak demir sülfata alternatif olarak sakkaroz ve hidrojen peroksit kullanılmıştır. Yapılan ön çalışmalar sonucunda çinko ekstraksiyonu oksitleyici ajan olarak sakkaroz kullanıldığında %88, oksitleyici ajan olarak hidrojen peroksit kullanıldığında ise çinko ekstraksiyonu %64'tür. Hidrojen peroksit – sülfürik asit liçinde çinko ekstraksiyonu düşüş göstermesine karşın çözeltiye alınan demir miktarında da oldukça azalma görülmüştür.
Matematiksel ve istatistiksel bir yöntem olan Taguchi metodu kullanılarak flotasyon atığından çinkonun selektif olarak çözeltiye alınabilmesi için uygulanacak liç işleminin optimum değerlerini belirlemek amacıyla deney tasarımı oluşturulmuştur. Sıcaklık, süre, oksitleyici ajan, karıştırma hızı, ve asit konsantrasyonu parametreleri bu çalışma kapsamında araştırılmıştır. 16 farklı liç çalışması sonucunda hesaplanan çinko ekstraksiyon verilerine göre Taguchi metoduyla optimum liç parametreleri belirlenmiştir. Liç sıcaklığı 80ºC, liç süresi 60 dakika, oksitleyici ajan olarak H2O2, karıştırma hızı 300 rpm, ve sülfürik asit konsantrasyonu 2 mol/litre olarak belirlenmiştir. Optimum liç koşullarında flotasyon atığındaki çinkonun %92.93, demirin ise %81.71 verimle çözeltiye alındığı tespit edilmiştir.
Optimum liç koşullarında hazırlanan stok çözeltiden çinkonun geri kazanımı öncesi demir çöktürme işlemi uygulanmıştır. Demir çöktürme işlemi için derişik NaOH çözeltisi hazırlanmıştır. Demir çöktürme çalışmaları üç farklı sıcaklık, pH, ve sürede gerçekleştirilmiştir. Demirin götit veya jarosit olarak çökmesi beklenmektedir. Yapılan çalışmalar sırasında çözelti pH'ı 2'ye getirildiğinde çökelek oluşumu gözlemlenmemiştir. Çözelti pH'ı 3 ve 4 olarak ayarlanan çalışmalarda ise çökelek oluşumu gözlenmiştir. Katı/sıvı ayrımı yapıldıktan sonra çözeltiler kimyasal analize, katılar ise faz analizine gönderilmiştir. Analiz sonuçlarında çinkonun %92.78 oranla çözeltide kaldığı, demirin ise %99.4 oranla çöktüğü tespit edilmiştir.
Flotasyon atığından çinko geri kazanımı amacıyla uygulanan liç işlemi için önerilen alternatif oksitleyici ajan olan hidrojen peroksit sayesinde ilk aşamada çözeltiye alınan demir miktarında düşüş görülmektedir. Devam eden hidrometalurjik yöntemler için de işlem kolaylığı sağlanmıştır.

Abstract:
This study aims to optimize hydrometallurgical methods using alternative chemicals for zinc recovery from zinc-lead flotation waste from the Aladag region. Leaching process was applied to recover zinc from flotation waste by using more environmentally friendly and economical chemicals compared to existing methods. As a result of selective leaching, the iron in the flotation waste was dissolved along with the zinc taken into solution. Iron ions in solution pose a problem in hydrometallurgical methods for zinc recovery. Optimization processes were carried out to remove iron ions taken into solution by precipitation.
Zinc, whose history starts thousands of years ago and extends to the present day, was known as a brass alloy (a combination of copper and zinc) in early times, but its metallic form was discovered in the following centuries, and following this discovery, metallic zinc production became widespread in India and China.
Australia, China, Mexico, Russia, and Peru are the countries that have a say in zinc production worldwide. The top countries in zinc consumption are China, USA, Japan, South Korea, and Germany. Our country ranks 9th in the world in terms of zinc reserves. Turkey's zinc ore production amount in 2022 is around 450.000 tons. Turkey's zinc reserves correspond to 1.15% of the total world reserves. There are sulphide zinc deposits along with copper and lead around Çayeli-Madenköy in the Eastern Black Sea region. In Central Anatolia, Zamantı and Bolkarlar regions are very rich in lead carbonate and zinc carbonate.
The main application of zinc uses worldwide (>50%) is galvanization (zinc plating), which is the most effective and economical way to protect steel against corrosion. Because galvanized steel has many advantages over other materials, such as lightness, low cost, high corrosion resistance and strength, it is widely used in a variety of applications, from automobiles to commercial and industrial structures. Additionally, some of the zinc casting alloys are used in mechanical parts due to their high hardness and self-lubricating properties, and some zinc casting alloys are used for electrical components and heating equipment due to their thermal and electrical conductivity properties. Brass, obtained by alloying zinc and copper in certain proportions, is another material in the field of zinc applications and is used in decorative objects, door handles and interior design materials. In addition to all these, zinc produced in compound form is used as zinc oxide in the production of paint, medicine, soap, textile, electrical equipment and many other application products. Today, zinc, as a versatile and basic material, plays an important role in many fields, from transistors to lasers, from satellites to circuit boards, from photocopiers to fuel cells and battery production.
Studies on metal production and recovery from zinc-lead flotation wastes have attracted attention in the literature for a long time. Hydrometallurgical methods are quite suitable for metal recovery from waste. In these methods, organic and inorganic acids are used as solvents. There are also oxidizing agents used to increase operating efficiency. Alternative oxidizing agents were also examined within the scope of this study. In this way, we contributed to waste-raw material recycling with environmentally friendly methods. 
Grinding and sieve analysis processes were applied to the flotation waste from the Aladag region. Samples were taken from three different sieve gaps and chemical analysis was applied. Phase analysis was performed on samples taken from three different sieve gaps. According to the chemical analysis results, 17,80% Zn and 11,40% Fe are present in the flotation waste. According to the phse analysis results, it was determined that zinc was found in the hemimorphite structure in addition to zinc carbonate in the lowest sieve range. Other phases found in the flotation waste in this sieve range are calcium carbonate, cerussite, goethite, silica, magnetite, and lead oxide. The study continued with samples in this sieve range.
In the literature, iron sulphate is used as an oxidizing agent in the sulfuric acid leaching process to remove zinc from flotation waste into solution. It is seen that zinc is taken into solution with high efficiency. The amount of iron ions in the zinc-containing leach solution formed is also quite high. Iron ions pose a major problem in other hydrometallurgical processes for zinc production. Withing the scope of this study, experiments were also conducted on the selection of alternative oxidizing agents. Sucrose and hydrogen peroxide have been used as alternatives to iron sulphate. The effects of sucrose and hydrogen peroxide as oxidizing agents in sulfuric acid leaching carried out within the scope of the preliminary study were examined. As a result of sulfuric acid leaching using sucrose, zinc extraction was 88%. When hydrogen peroxide was used as the oxidizing agent, zinc extraction was determined as 64%. A decrease in the amount of zinc taken into solution was observed in sulfuric acid leaching using hydrogen peroxide. In response to the decrease in the amount of zinc, there was also a significant decrease in the amount of iron ions taken into solution.
Modeling of leaching and iron precipitation studies was done using the Taguchi method, which is a mathematical and statistical method. The optimization of the leaching parameters to be applied to selectively take zinc from the flotation waste into solution was made by the Taguchi method. Five different leaching parameters were examined with 16 different leaching studies created by modeling. The leaching parameters examined were; temperature, time, oxidizing agent, mixing speed, and acid concentration. As a result of the leaching studies, the zinc extraction efficiency was calculated as a result of the chemical analysis applied to the leaching solution. In the light of these data, optimum leaching conditions were determined by the Taguchi method. Accordingly, the leaching temperature was determined as 80 ºC, the leaching time was 60 minutes, hydrogen peroxide was determined as the oxidizing agent, the stirring speed was 300 rpm, and the sulfuric acid concentration was 2 mol/liter. It was determined that zinc in the flotation waste was taken into solution with 92.93% efficiency under optimum leaching conditions. It was observed that the iron in the flotation waste was taken into solution with 81.71% efficiency. Analysis of variance was used to ensure the accuracy of the data obtained as a result of the Taguchi method. As a result of the variance analysis, the R2 value was found to be over 98% with an accuracy of 95%.
Iron precipitation was applied before the recovery of zinc from the stock solution prepared under optimum leaching conditions. Concentrated NaOH solution was prepared for the iron precipitation process. Iron precipitation studies were carried out at three different temperatures, pH, and time. The iron is expected to precipitate as goethite or jarosite. In the studies, parameters of 2-3-4 for pH, 25-60-90 ºC for temperature, and 60,120, and 180 minutes for time were studies. The stirring speed and concentration of NaOH were kept constant at 500 rpm and 5 mol/liter. During these studies, no precipitate formation was observed when the solution pH was borught to 2. In studies where pH was adjusted to 3 and 4 precipitate formation was observed. After solid/liquid separation, the precipitate was sent to phase analysis and the solution was sent to chemical analysis. In the analysis results, it was determined that 92.78% of zinc remained in the solution and 99.4% of iron precipitated.
Thanks to hydrogen peroxide, which is an alternative oxidizing agent recommended for the leaching process applied to recover zinc from flotation tailings, a decrease is observed in the amount of iron taken into solution in the first stage. Ease of operation has also been provided for ongoing hydrometallurgical methods for flotation tailings.
In the continuation of this study, it is recommended to conduct studies on the precipitation of iron as jarosite in a single phase. In this way, it can enable the use of iron as raw material in different processes. It is recommended to conduct studies on the precipitation of zinc taken into solution as zinc hydroxide.