Kimyasal ve biyolojik yöntemlerle saflaştırılan fosfojips atığından kalsiyum ve sodyum tuzları üretimi
Production of calcium and sodium salts from phosphogypsum waste purified by chemical and biological methods
Yazar: DİDEM DEĞİRMENBAŞI BAY
Danışman: DOÇ. DR. SUNA ERTUNÇ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Ağır metal giderimi = Heavy metal removal ; Kalsiyum karbonat = Calcium carbonate ; Sodyum sülfat = Sodium sulfate

Özet:
Üniversite-sanayi iş birliğine yönelik bu doktora tezi kapsamında fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemler kullanılarak fosfojipsin saflaştırılması ve sodyum sülfat üretimi gerçekleştirilmiştir. Fiziksel ön işlem olarak elek kullanılarak fosfojipsteki ağır metal içeriğinin partikül boyutuyla değişimi incelenmiş ve partikül boyutu küçüldükçe ağır metal içeriğnin azaldığı belirlenmiş, çalışmalarda 125 µm altına elenmiş fosfojips kullanılmıştır. Kimyasal ön işlemde sülfürik asit, hidroklorik asit, nitrik asit ve perklorik asit kullanılmıştır. Asit derişimi, katı/sıvı oranı ve sıcaklığın Al, Fe, Mg ve F giderimine etkileri Minitab programı kullanılarak Box-Behnken deney tasarımı yöntemine göre optimizasyonu incelenmiştir. Optimum koşullar sülfürik asitle sağlanmış ve 45dk, 150 rpm, 8 M, ¼ katı/sıvı oranı ve sıcaklık 50°C olarak belirlenmiştir. Biyolojik yöntemle saflaştırma çalışmalarında Lemna minor, Pistia stratiotes ve Salvinia natans türü su makrofitleri kullanılmıştır. Farklı tür ve fosfojips derişimlerinde (10 g/L ve 40 g/L) ağır metal giderimi performansları incelenmiştir. Biyolojik saflaştıma ile fosfojipsten Pistia stratiotes ile %60 Cd ve %40 Cr giderimi sağlamışlardır. Fosfojipsten sodyum sülfat üretimi çalışmalarında ise, üç farklı sodyum (NaOH, Na2CO3 ve NaNO3) ve üç farklı CaSO4 kaynağı (Ticari CaSO4. 2H2O, fosfojips ve saflaştırılmış fosfojips) kullanılmıştır. En yüksek reaksiyon verimi %96.7 ile sodyum kaynağı olarak Na2CO3 ve sülfat kaynağı olarak saflaştırılmış fosfojips kullanılarak elde edilmiştir. XRD analiz sonuçlarına göre en yüksek saflıkta sodyum sülfat üretimi de %91.5 ile Na2CO3 kullanılarak elde edilmiştir. Sodyum sülfat üretimi süreç iyileştime çalışmaları kapsamında girdilerin farklı besleme profillerinde tepkimesi incelenmiş olup kimyasal olarak saflaştırılmış fosfojipsle 5 dk arayla 7.5 ml Na2CO3 besleme durumunda %91, biyolojik olarak saflaştırılmış fosfojipsten aynı besleme koşulunda %81.7 saflıkta sodyum sülfat üretimi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Within the scope of this doctoral thesis for university-industry cooperation, phosphogypsum purification using physical, chemical and biological methods and sodium sulfate production were carried out. The variation of heavy metal content in phosphogypsum with particle size was investigated by using sieving as a physical pretreatment, and it was determined that the heavy metal content decreased as the particle size decreased. Sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid and perchloric acid were used in chemical pretreatment. The effects of acid concentration, solid/liquid ratio and temperature on Al, Fe, Mg and F removal were investigated according to Box-Behnken experimental design method using Minitab program. The best heavy metal removal was achieved with sulfuric acid, optimum conditions were determined as 45 min, 150 rpm, 8 M, ¼ solid/liquid ratio and 50°C. In biological purification studies, Lemna minor, Pistia stratiotes and Salvinia natans water macrophytes were used. Heavy metal removal performances at different species and phosphogypsum concentrations (10 g/L and 40 g/L) were investigated. 60% Cd and 40% Cr removal with Pistia stratiotes from phosphogypsum by biological purification. In the studies of sodium sulfate production from phosphogypsum, three different sodium (NaOH, Na2CO3 and NaNO3) and three different CaSO4 sources (commercial CaSO4. 2H2O, phosphogypsum and purified phosphogypsum) were used. The highest reaction yield, 96.7%, was obtained using Na2CO3 as sodium source and purified phosphogypsum as sulfate source. According to XRD analysis results, the highest purity sodium sulfate production was obtained by using Na2CO3 with 91.5%. Within the scope of sodium sulfate production process improvement studies, the reaction of the reactants in different feeding profiles was investigated, and sodium sulfate was produced with a purity of 91% from chemically purified phosphogypsum at 7.5 ml Na2CO3 feed at 5 minutes intervals, and 81.7% from biologically purified phosphogypsum under the same feeding condition.