Bakır konsantresinden indiyum kazanımına yönelik hidrometalurjik proses geliştirilmesi
Developing a novel hydrometallurgical process to extract indium from copper concentrate
Yazar: MEHMET UMUT BEŞİRLİ
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN BAŞTÜRKCÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Cevher Hazırlama Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Bakır cevherleri = Copper ores ; Blister bakır = Blister copper ; Hidrometalurji = Hydrometallurgy

Özet:
Bu tez çalışmasında, kalkopirit konsantresinde bulunan bakır ve indiyumun geleneksel izabe yöntemlerine alternatif olarak, farklı hidrometalürjik yöntemler yoluyla kazanılması ve proses parametrelerine ait optimum koşulların belirlenerek, proses akım şemasının oluşturulması üzerinde çalışılmıştır.  
Çalışma kapsamında indiyum metali ve sement bakır kazanımına yönelik olarak, sülfatlayıcı kavurma, H2SO4 liçi, Fe-sementasyonu, solvent ekstraksiyon ve Zn-sementasyonu yöntemleri denenmiştir. Proses kapsamında ayrı ayrı bakır ve indiyum ürünleri elde edilmiştir. Sement bakır üretimi amacıyla farklı koşullar altında sülfatlayıcı kavurma, H2SO4 liçi ve sementasyon deneyleri gerçekleşmiştir. İndiyum kazanımında ise bu yöntemlere ek olarak solvent ekstraksiyon ve Zn-sementasyonu denemeleri gerçekleştirilmiştir. 
Sülfatlayıcı kavurma amacıyla, literatürden elde edilen bilgiler ışığında 600oC sıcaklıkta, farklı sürelerde kalkopiritin dönüşüm reaksiyonları incelenmiş ve sülfatlanmış ürün üzerinde seyreltik H2SO4 (10 g/L) ortamında bakır ve indiyumun çözünme davranışı takip edilmiştir. Bu aşamada 30 dakika sonunda bakır %83,5 verim ile çözeltiye alınırken, az oranda demir çözünmesi tespit edilmiş (%1,2), indiyum çözünme verimi ise %68,5 olarak hesaplanmıştır. 
Sonrasında yüklü çözelti üzerinde sementasyon yoluyla bakırın kazanılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda demir hurdası kullanılarak sementasyon verimleri çeşitli koşullar altında incelenmiş, bu esnada indiyumun sementasyon davranışı da takip edilmiştir. Maksimum Cu kazanımı ve minimum In kaybının kesiştiği şartlar pH 1,0 ve 30 dakika sementasyon süresi olarak tespit edilmiştir. Bu şartlar altında %98,9 Cu içeriğine sahip sement bakır üretilmiştir. 
Seyreltik H2SO4 liçi kekinde kalan bakır ve indiyumun kazanılması amacıyla farklı asit konsantrasyonları ve farklı sürelerde, 90oC sıcaklık altında yoğun asit liçi denemeleri gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak 8 saat ve 400 g/L H2SO4 konsantrasyonu ile yapılan liç işlemi sonunda Cu ve Fe çözünme verimleri %100'e ulaşmış, In çözünme verimi ise %91,9 olarak belirlenmiştir.
Sıcaklık ve yoğun H2SO4 konsantrasyonu ile yapılmış liç işlemi sonucunda elde edilen liç çözeltisi üzerinde, bir önceki aşamada optimize edilmiş olan sementasyon koşulları uygulanmıştır ve benzer kalitede sement Cu ürünü elde edilmiştir. İki farklı asit liçi, sonrasında sementasyon uygulanan çözeltiler birleştirilmiştir. Oluşan bu birleştirilmiş çözelti üzerinde solvent ekstraksiyon ve Zn-sementasyonu denemeleri gerçekleştirilmiş, bu iki proses karşılaştırılmıştır. Birleştirilmiş In yüklü çözeltide bulunan Fe ve In iyonlarının D2EHPA organiği ile denge pH'sına ve organik konsantrasyonuna, bağlı olarak yükleme izotermleri araştırılmıştır. Sonrasında farklı HCl konsantrasyonlarında sıyırma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Solvent ekstraksiyon deneyleri sonucunda; In yükleme verimi %99,3'e ulaşırken Fe seçimli olarak sulu fazda kalmaktadır. Sıyırma adımında ise 2M HCl derişiminde yapılan deney en iyi sonuç vererek In sıyırma verimi %93 olarak tespit edilmiştir. 
Solvent ekstraksiyona alternatif olarak denenen Zn sementasyonu sonucunda ise %83 In ve %14 Fe sementasyon verimleri elde edilmiştir.
Deneyler sonucunda proses parametrelerinin etkileri grafiksel olarak sunulmuş ve sonuçlar değerlendirilerek maksimum indiyum ve bakır kazanma verimlerine ulaşılması amacıyla bir proses akım şeması oluşturulmuştur. Ardından 50 ton/saatlik bir tesisin tasarımı ve madde denkliği, simülasyon programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, flotasyon tesisinden gelen 50 ton/saatlik konsantrenin bu tesise beslenmesi sonucunda 13,1 ton/saat sement bakır ve 0.0055 ton/saat indiyum metali elde edilecektir.

Abstract:
Indium is a vital material in various industries, especially semiconductors. It is used in alloys like solders, as well as in high vacuum seals and transparent conductive coatings like indium tin oxide (ITO). In semiconductor technology, it's employed in compounds like InAs, InSb, and InP for different transistor types. Additionally, indium substitutes mercury in alkaline batteries to prevent zinc corrosion. Its versatility and significance underscore its crucial role in modern technological applications.
Indium, usually found alongside zinc sulfides, is a significant by-product of zinc metal processing. While conventional methods for recovering indium from zinc concentrates are well-established, recent research has expanded into alternative sources such as zinc plant tailings and e-wastes. However, indium-bearing materials extend beyond zinc compounds and secondary resources. 
Within the scope of this thesis, extraction of copper and indium from chalcopyrite concentrate through various hydrometallurgical methods as alternatives to traditional smelting methods was investigated. The aim was to determine the optimum conditions for the indium and copper extraction and develop a novel process flow diagram.
For the recovery of indium and copper; sulfating roasting, H2SO4 leaching, Fe-cementation, solvent extraction, and Zn-cementation methods were explored. Different conditions were tested for sulfate roasting, H2SO4 leaching, and cementation experiments to produce cement copper. In addition to these methods, solvent extraction and Zn-cementation experiments were conducted for the recovery of indium.
Sulfating roasting experiments were conducted at 600°C, and the transformation reactions of chalcopyrite were investigated at different roasting times based on literature information. The leaching kinetics of chalcopyrite in diluted H2SO4 (10 g/L) medium were followed. After 30 minutes of leaching, copper recovery was measured as 83.5%, and no iron dissolution was detected, while the indium recovery efficiency was 68.5%.
Subsequently, copper recovery was targeted through cementation from the loaded solution. Cementation experiments using iron scrap, efficiencies were examined under various conditions, and the indium cementation behavior was also followed. The conditions where maximum Cu recovery and minimum In loss intersected were determined at pH 1.0 and 30 minutes of cementation time, resulting in cement copper with 98.9% Cu content.
For the recovery of remaining copper and indium in the dilute H2SO4 leach cake, intensive acid leaching experiments were conducted at different acid concentrations and leaching times at 90°C. As a result, after an 8-hour leaching process with a 400 g/L H2SO4 concentration, Cu and Fe recoveries reached 100%, and In recovery was determined as 91.9%.
In the final stage, after leaching parameters' optimization, the conditions of the previously optimized cementation experiment were applied on the intensive acid leach solution. Two different leach solutions, followed by cementation, were combined. Solvent extraction and Zn-cementation experiments were conducted on the resulting mixed solution. Loading isotherms of Fe and In metals in the combined In-loaded cementation solution were investigated based on the equilibrium pH and organic concentration of D2EHPA. Subsequently, stripping experiments were conducted at different HCl concentrations. As a result of solvent extraction experiments, the In loading recovery reached 99.3%, with Fe selectively remaining in the aqueous phase. In the stripping step, the experiment conducted at a 2M HCl concentration yielded the best results, with an In stripping efficiency of 93%. Zn cementation resulted in 83% In and 14% Fe cementation efficiencies.
As a result of the experimental studies, the final recoveries for copper and indium were determined as 98.9% and 82.0%, respectively.
According to the experimental results, a process was designed to achieve maximum indium and copper recoveries. The mass balance reveals that 1 ton of chalcopyrite concentrate can yield 0.262 tons of cement-Cu, 0.00011 tons of cement-In and 0.114 tons Au-Ag by-products. By opting to process the concentrate rather than selling it directly, an additional value of around $203 per ton can be generated through the selling of the resulting cement-Cu, cement-In and Au-Ag by-products.
Afterwards, the design of a 50 tons per hour plant was carried out using a simulation software. As a result, feeding 50 tons per hour of concentrate from the flotation plant into designed plant will yield 13.1 tph of copper cement and 0.0055 tph of indium metal.