Kırmızı çamur ve boksitten zenginleştirilen kritik elementlerin sorpsiyon prosesi ile geri kazanımı
Recovery of critical elements enriched from red mud and bauxite by sorption process
Yazar: DERYA ÖLÇER
Danışman: DOÇ. DR. SERPİL EDEBALİ
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, nadir toprak elementlerinden (NTE) La, Ce ve Nd elementlerinin kırmızı çamur ve boksitten asit liçi ve sülfasyon-kavurma-su liçi prosesleri ile zenginleştirilen sulu çözeltilerinden geri kazanımı için kesikli adsorpsiyon çalışmaları yürütülmüştür. Ticari reçinelere ek olarak doğal malzemelerden mikrokapsül hazırlanarak adsorban olarak kullanılmış ve hem reçineler ile mikrokapsüllerin hem de kırmızı çamur ve boksit numunelerinin kıyaslaması yapılmıştır. Adsorban miktarı, konsantrasyon, sıcaklık, pH ve temas süresi parametrelerinin adsorpsiyon prosesine etkileri incelenmiştir. NTE geri kazanımı için yürütülen konsantrasyon deneysel çalışmalarından çıkan sonuçlar kullanılarak Langmuir, Freundlich, D-R ve Scatchard adsorpsiyon izoterm eğrileri çizilerek izoterm parametreleri hesaplanmıştır. Ayrıca, temas süresi verileri ile pseudo-birinci derece ve pseudo-ikinci derece kinetik modelleri uygulanarak prosesin kinetik çalışması yapılmıştır. Buna ek olarak, sıcaklık verileri ile reaksiyon termodinamik çalışması yapılarak ΔSo standart entropi (kJ/mol.°K), ΔHo standart enthalpi (kJ/mol) ve ΔGo Gibbs Serbest Enerji değerleri hesaplanmıştır. Bununla birlikte; BET, FTIR ve SEM+EDX analizleri ile adsorbanların karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Yürütülen deneysel çalışmalar sonucunda optimum şartlar belirlenmiş ve bu optimum şartlarda elde edilen maksimum adsorpsiyon verimlerinin reçinelerde %99,75'in, doğal malzemelerde ise %97,25'in üzerinde olduğu tespit edilmiştir ki bu da bu adsorbanların NTE geri kazanımı için verimli adsorbanlar olduğunu ortaya koymaktadır. Kinetik çalışmaları sonucunda elde edilen veriler göstermektedir ki sonuçlar çoğunlukla pseudo-ikinci derece kinetik modele yüksek oranda uyum sağlamaktadır. Ayrıca, izoterm çalışmaları sonuçlarına göre; Langmuir ve Scatchard izoterm modellerine uyum gözlenmiştir. Buna ek olarak, termodinamik çalışmalar sonucunda elde edilen sonuçlar ise numunelerin çoğunda prosesin ekzotermik olduğunu, adsorban maddenin iyonlara olan eğilimini göstermekte ve prosesin tüm numunelerde istemli olduğu sonucuna ulaşılmaktadır.

Abstract:
In this study, batch adsorption studies were carried out to recover the rare earth elements (REE) La, Ce and Nd from aqueous solutions enriched by acid leaching and roasting and water leaching processes from red mud and bauxite. In addition to commercial resins, microcapsules were prepared from natural materials and used as adsorbents, and comparison was performed between resins and microcapsules as well as red mud and bauxite samples. The effects of adsorbent amount, concentration, temperature, pH and contact time parameters on the adsorption process were examined. Using the results of concentration experimental studies conducted for REE recovery, isotherm parameters were calculated by drawing Langmuir, Freundlich, D-R and Scatchard adsorption isotherm curves. Moreover, with contact time data, kinetic study of the process was carried out by applying pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models. Furthermore, reaction thermodynamics were studied with temperature data and ΔSo standard entropy (kJ/mol.°K), ΔHo standard enthalpy (kJ/mol) and ΔGo Gibbs Free Energy values were calculated. In addition to these studies, characterization studies of adsorbents were carried out with BET, FTIR and SEM+EDX analyses. As a result of the experimental studies, optimum conditions were determined and the maximum adsorption efficiencies obtained under these optimum conditions were determined to be over 99.75% in resins and 97.25% in natural materials, which shows that these adsorbents are efficient adsorbents for REE recovery. The data obtained as a result of kinetic studies indicates that the results are mainly correspond to the pseudo-second order kinetic model. Additionally, according to the results of isotherm studies; compliance with Langmuir and Scatchard isotherm models was observed. In addition, the results obtained as a result of thermodynamic studies show that in most of the samples the process is exothermic, there is tendency of the adsorbents towards ions, and in all samples spontaneous nature of the adsorption process is achieved.