Metalik magnezyum üretim tesisi cüruf atığının değerlendirilmesi
Recycle the slag waste of metallic magnesium production process
Yazar: FATİH BEL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM DEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Endüstriyel atıklar = Industrial wastes ; Endüstriyel atıklar = Industrial wastes ; Fiziksel çevre = Physical environment ; Katı atıklar = Solid wastes ; Sürdürülebilir çevre = Sustainable environment ; Yüksek fırın cürufları = Blast furnace slags

Özet:
Dünyadaki sosyal, çevresel ve hızlı nüfus artışının ekonomik sonuçları, ekonomik büyüme ve doğal kaynakların tüketimi ile oluşan önemli kaygılar sonucu sürdürülebilirlik kavramı ortaya çıkmıştır.
Sürdürülebilirlik, dünyada bulunan tüm sistemlerin çeşitlilik ve üretkenlik açısından devamlılığının sağlanmasıdır. Sürdürülebilir kalkınma ise, ekonomik büyüme ve refah seviyesini yükseltme çabalarını, çevreyi ve yeryüzündeki tüm insanların yaşam kalitesini koruyarak gerçekleştirme yöntemidir.
Sanayileşme ile gelişimin kaçınılmaz olduğu günümüzde sürdürülebilir kalkınma amacıyla atıkların çok iyi bir şekilde yönetilmesi gerekmektedir. Temel amaç atık oluşumunu kaynağında önleyen, atıkların sıfıra indirgenmeye ve oluşan atıkların değerlendirilmeye çalışıldığı yani atık sorununun çevreye minimum zararı verecek şekilde yönetilmesidir.
AB atık yönetimi politikalarının temelini "atık yönetimi hiyerarşisi" ve "üretici sorumluluğu" ilkesi oluşturmaktadır. Hiyerarşide birincil önceliği, atıkların üretim aşamasında önlenmesi ve atık miktarının ve tehlikelilik düzeyinin azaltılması oluşturmaktadır. Atıkların yeniden kullanım, geri dönüşüm ve enerji elde edilmesi yoluyla geri kazanılması ikinci, geri kazanım olanağı olmayan atıkların çevreye zarar verilmeksizin yakılması ya da güvenli depolanması da son basamağı oluşturmaktadır.
Araştırmaları yapılacak olan örnek tesis metalik magnezyum üretimi gerçekleştirecektir. Magnezyum Metali, temelde iki yöntem ile üretilebilir. Bu yöntemlerden biri elektrolitik yöntem, diğeri silikotermik yöntemdir. Silikotermik yöntem ise Pidgeon, Magnetherm ve Bolzano metodu olmak üzere kendi içerisinde ayrılmıstır. Örnek tesis, üretimini veriminin daha yüksek olduğu Pidgeon Yöntemi ile gerçekleştirmektedir. 
Örnek tesis Türkiye'deki ilk metalik magnezyum üretim tesisi olacaktır. Bu nedenle ülkemiz açısından büyük bir öneme sahiptir. Eskişehir'de kurulacak olan Metalik Magnezyum Üretim Tesisi'nde oluşan tehlikesiz cüruf atığına, atık yönetim hiyerarşisi yaklaşımı uygulanmış ve başka bir sektörde kullanım olanakları araştırılmıştır.  
Hammaddesi dolomit olan tesisin üretim aşamasında Redüksiyon/ Rafinasyon aşamaları sonrasında, ürün haricinde geriye kalan 154.500 ton/yıl malzemenin cüruf (atık/yan ürün) olarak açığa çıkması beklenmektedir. 
Bahsi geçen tesisin inşaa aşamasında olması dolayısıyla, hâlihazırda cüruf çıktısı olmamasından ve benzer tesisin ülkemizde bulunmaması nedeniyle; ancak yurt dışından benzer bir üretim tesisinde Türkiye'de kullanılacak dolomit ile yapılan deneme üretimlerinde çıkan cüruf atığının analizlerinin sonucuna gore çalışmalar yapılmıştır. 
Örnek cürufunun analiz sonuçları, fiziksel ve kimyasal özellikler göz önünde bulundurulduğunda tuğla-kiremit ve çimento endüstrisinde katkı malzemesi olarak kullanılabilirliği ile ilgili araştırmalar yapılmıştır. 
Tuğla kiremit endüstrisinde faaliyet gösteren özel bir şirketin laboratuvarında testler yapılmıştır. Cüruftaki CaO ve MgO ortam şartlarında bulunan rutubet ile bileşik oluşturarak Ca(OH)2 ve Mg(OH)2 oluşturmuştur. Bu oluşum kuvvetli bir hacim büyümesi meydana getirmiş ve pişmiş ürünün yüzeyinde "Kireç Patlaması" olarak adlandırılan hata meydana gelmiştir. Oluşturulan numuneler ile yapılan deneyler cürufun tuğla-kiremit endüstrisi için kullanılmasının sakıncalı olduğu sonucuna varılmıştır.
Çimento endüstrisinde, cürufun çimentoya ikame olarak yani beton katkısı olarak kullanılması için İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı Malzemesi Laboratuvarı'nda Çimento deney yöntemleri TS-EN 196 serisi standartlara göre çalışmalar yapılmıştır. 7 ve 28 günlük deney sonuçları genleşme, işlenebilirlik ve basınç açısından değerlendirilmiştir. Yapılan tüm deney sonuçları göz önünde bulundurulduğunda hem genleşme hem de basınç açısından katkı malzemesinin çimentoya ikame olarak belirli oranlarda kullanılabileceği sonucuna varılmıştır

Abstract:
Sustainability is how all the system in the world remain diverse and productive. In more general terms, sustainability is the endurance of systems and processes. The organizing principle for sustainability is sustainable development, which includes the four interconnected domains: ecology, economics, politics and culture. 
Sustainable development is the organizing principle for sustaining finite resources necessary to provide for the needs of future generations of life on the planet. It is a process that envisions a desirable future state for human societies in which living conditions and resource-use continue to meet human needs without undermining the "integrity, stability and beauty" of natural biotic systems
The 2005 World Summit on Social Development identified sustainable development goals, such as economic development, social development and environmental protection. This view has been expressed as an illustration using three overlapping ellipses indicating that the three pillars of sustainability are not mutually exclusive and can be mutually reinforcing.
While the United Nations Millennium Declaration identified principles and treaties on sustainable development, including economic development, social development and environmental protection it continued using three domains: economics, environment and social sustainability. More recently, using a systematic domain model that responds to the debates over the last decade, the Circles of Sustainability approach distinguished four domains of economic, ecological, political and cultural sustainability. This is in accord with the United Nations Agenda 21, which specifies culture as the fourth domain of sustainable development.
Generally sustainable development consists of balancing local and global efforts to meet basic human needs without destroying or degrading the natural environment. The question then becomes how to represent the relationship between these needs and the environment.
Rapid consumption of natural resources for the purpose of maintenance of modern life, destruction of nature, difficulty of disposal of wastes which are arising from environmental pollution and consumption, imposed people obligation to use resources as optimum. The society and industrial systems must begin to mimic nature and move from being primarily linear to being cyclical. Each material must be used as efficiently as possible and must be chosen so that it may either return safely to a cycle within the environment or remain viable in the industrial cycle.
The vision of Zero Waste can be seen as a solution to these needs and a key to future. Zero solid waste, zero hazardous waste, zero toxic emissions, zero material waste, zero energy waste and zero waste of human resources will protect the environment and lead to a much more productive, efficient, and sustainable future. The use of an endpoint goal of "zero" recognizes that simple making small steps without a goal may not achieve a sustainable future while use of a clear defined goal will lead to more rapid innovative improvements.
Waste Management relies on three principles according to European Union's approach. Main element of Waste Management strategy is to prevent waste. If there is less arising waste there will be less recyclable and/or landfill materials, this is the most important and the first step. Recovery is the second most important principle. The third principle is the treatment of the unrecoverable wastes in suitable conditions. 
EU's waste approach strategy is a sound business tool that, when integrated into business processes, provides an easy to understand stretch goal that can lead to innovative ways to identify, prevent and reduce wastes of all kinds. It strongly supports sustainability by protecting the environment, reducing costs and producing additional jobs in the management and handling of wastes back into the industrial cycle. 
In this thesis, researches are for the recycle of slag waste of Turkey's first  Magnesium Plant which will be constructed in Eskisehir. The plant will be produced magnesium (%99,9 purity) from dolomite via pidgeon process. The Pidgeon process is one of the methods of magnesium metal production, via a silicothermic reduction. The Pidgeon process is a batch process in which finely powdered calcined dolomite and ferrosilicon are mixed, briquetted, and charged in retorts made of nickel-chrome-steel alloy. The hot reaction zone portion of the retort is gas fired in a furnace, while the condensing section equipped with removable baffles extends from the furnace and is water-cooled. Due to distillation, very high purity magnesium crowns are produced, which are remelted and cast into ingots. 
The mentioned plant will be produced roughly 154.500 tons of slag from the hot reaction zone (reduction and refining) annually. 
A trial production had been made by a similar plant with the raw material from Turkey in China. For this thesis the trial production's waste had been used as a slag source as, the Magnesium Plant was in the construction phase. 
The slag was analyzed chemically and physically in Esan and 2 university laboratories. According to the test results, slag was not hazardous. Detailed results are given in the thesis.  
In this study the usability of  slag as an admixture material had been made in cement and building materials industry considering both its physical and chemical properties.
There had been a test done at a private brick industry company's laboratory which included samples of slag. Calcium oxide and magnesium oxide in samples reacted with water within environment. In this reaction formed calcium hydroxide and magnesium hydroxide compounds.  Moreover,  there had been a huge increase on the volume of bricks with the reaction which had been disrupted the brick structure. Researchers have concluded that slag usage is not suitable for brick industries.   
On the other hand, there had been a test done at Istanbul Technical University Structural Materials Laboratory. Samples included slag as a substitution material for cement.  Test methods of studies was conducted according to the TS-EN 196 series standards. 
For the cement industry, lots of tests had been carried out with the methods of testing cement (TS-EN 196 series) standards at Istanbul Technical University Structural Materials Laboratory. TS-EN 196-1 standard describes the method for the determination of the compressive and, optionally, the flexural strength of cement mortar. Furthermore, TS-EN 196-3+A1 standard specifies the methods for determining standard consistence, setting times and soundness of cements. All experiments were performed according to these standards. Test results had been evaluated from many perspectives. Consequently, slag (at a certain rate) could be used as a substitute for cement which are given detailed information in the thesis.