Pirinç atıklarındaki bakır ve çinkonun hidrometalurjik yöntemle geri kazanımında iyonik sıvıların kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of usability of ionic liquids for recovery of copper and zinc by hydrometallurgical method from brass foundary wastes
Yazar: AYFER KILIÇARSLAN
Danışman: PROF. DR. MUHLİS NEZİHİ SARIDEDE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Metalurjik atıklardan değerli metallerin geri kazanılmasına yönelik hidrometalurjik proseslerin pirometalurjik yöntemlere göre birçok avantajları olmasına rağmen, yüksek enerji ve asit tüketimi, kullanılan kimyasalların çevreyi tehdit edici zehirli atık oluşturması ve korozyona sebep olması gibi önemli dezavantajları vardır. Günümüzde hidrometalurjik proseslerin bu tür dezavantajlarını ortadan kaldırmak için alternatif çözündürücü veya ekstraktantların geliştirilmesi ihtiyacı doğmuştur.
Bu tez çalışmasında önemli bir ekonomik değere sahip olan pirinç atıklarından bakır ve çinkonun hidrometalurjik yöntemle geri kazanımında iyonik sıvıların kullanılabilirliği araştırılmıştır. Geleneksel asit ve organik solventlere göre çok önemli üstünlükleri olan iyonik sıvılar liç  ajanı (çözücü) olarak kullanılmıştır. 
Tezin ilk aşamasında Türkiye'de pirinç üretimi yapan bir firmadan temin edilen atıklar (ramat tozu), laboratuvar ortamında sülfürik asit kullanılarak geleneksel yöntemle çözündürülmüş ve asit konsantrasyonu, sıcaklık, süre ve oksidan (H2O2) ilavesi gibi bakır ve çinkonun ekstraksiyonuna etki eden faktörlerin etkisi incelenmiştir. Sıcaklığın bakır ve çinkonun çözünme verimine pozitif yönde önemli oranda  etkisinin olduğu saptanmıştır. Liç süresinin arttırılması ile çinko çözünürlüğü artarken, bakır çözünürlüğünde düşüş gözlenmiştir. Sülfürik asit molaritesinin 1M'dan 2M ve 3M'a yükseltilmesi bakır ve çinko çözünürlüğünü olumsuz yönde etkilemiş, 1M'lık konsantrasyonun yeterli olduğu görülmüştür. Hidrojen peroksitin oksidan olarak kullanılması, çinko liç verimini arttırmış ve özellikle bakır liç verimine önemli katkı sağlamıştır. Her iki metal için 1M H2SO4konsantrasyonu ve 60oC sıcaklık koşullarında 1,5M H2O2 kullanımı en ideal çözündürme verimlerini  sonuç vermiştir. 
Atıkların çözündürülmesinin ardından liç çözeltileri çinko tozu ilavesi ile semente edilerek temizlenmiştir. Son olarak temizlenen çözeltilerden %94 akım verimiyle çinko elektrokazanımı gerçekleştirilmiştir. Atıklardaki bakırın önemli bir kısmının metalik halde bulunması oksidan ilavesi olmaksızın gerçekleştirilen sülfürik asit liç koşullarında, bakır çözünme veriminin  %7,5 gibi düşük bir değerde kalmasına sebep olmuştur. Bu koşullarda filtrasyondan sonra elde edilen katı liç artığı  kalsiyum oksit (CaO), boraks (Na2B4O7.10H2O) ve tuz (NaCl) gibi farklı flakslar ile karıştırılıp ergitilerek metalik bakırın liç artığından %99,79 saflıkta geri kazanılması sağlanmıştır. 
Tezin ikinci aşamasında ticari olarak satın alınan dört farklı iyonik sıvı; 1-bütil-3-metilimidazolyum hidrojen sülfat-(BmimHSO4), 1-metilimidazolyum hidrojen sülfat-(HmimHSO4), 1-bütil-3-metilimidazolyum-klorür-(BmimCl) ve 1-etil-3-metilimidazolyum hidrojen sülfat-(EmimHSO4) çözücü olarak kullanılarak atıklara liç işlemi uygulanmıştır. İyonik sıvının türü ve konsantrasyonu, oksidan ilavesi, sıcaklık, süre gibi liç parametrelerinin bakır ve çinko çözünme verimi üzerine etkileri araştırılmış, çözünme kinetiği incelenerek liç artıklarının karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. 
Kullanılan üç farklı iyonik sıvı liçinde de (BmimHSO4, HmimHSO4 ve EmimHSO4) %100 çinko çözünürlüğüne ulaşılmıştır. İlave oksidan olarak kullanılan hidrojen peroksit (H2O2), HmimHSO4 ve (EmimHSO4) iyonik sıvı liç işlemleri için etkili bir oksijen kaynağıdır. Bakır çözünürlüğü için en etkili iyonik sıvı (HmimHSO4) olup, elde edilen maksimum liç verimi; %20 HmimHSO4 konsantrasyonunda 40°C'ta 120 dakikanın sonunda %95'tir. BmimCl iyonik sıvısı bakır ve çinko için etkili bir ekstraksiyon sağlayamamıştır. BmimHSO4 iyonik sıvı liçinin sonucu elde edilen çözelti çinko tozu ilavesiyle empüritelerden temizlenmiştir. Elde edilen çözeltiye elektrokazanım metodu uygulanarak, katkısız ve farklı konsantrasyonalarda borik asit ve jelatin ilavesiyle etkili bir şekilde çinko geri kazanılmıştır .
Deneysel çalışmalar sonucunda pirinç atıklarından bakır ve çinko geri kazanımına yönelik hem geleneksel piro-hidrometalurjik bir proses hem de geleneksel asitlere alternatif, yeni nesil iyonik sıvıların kullanıldığı bir yöntem başarılı bir şekilde geliştirilmiştir. 

Anahtar Kelimeler: Pirinç, atık, bakır, çinko, iyonik sıvı, geri kazanım, liç, asit.

Abstract:
Though hydrometallurgical processes have several advantages compared to pyrometallurgical routes for the recovery of valuable metals  from metalurgical wastes, they have also some disadvangates such as high energies and acid consumptions, releasing  toxic waste chemicals threatening the environment and the corrosion. Nowadays, in order to eliminate these disadvantages of this type of hydrometallurgical processes, the development of alternative solubilizer or extractant agents is essential.
In this thesis, the possibility of hydrometallurgical recovery of copper and zinc from from brass wastes, day by day growing importance ecomomical value, has been investigated via ionic liquids. Ionic liquids providing several significant advantages over the traditional acids and organic solvents have been used as leaching agent (solubilizer).
In the first stage of this thesis; the brass waste obtained from a brass processing company in Turkey have been leached using sulfuric acid via conventional method  and the process parameters affecting copper and zinc extraction such as acid concentration, temperature, time and adding oxidant have been investigated. It is indicated that temperature has the significant effect on copper and zinc extraction. Zinc extraction increased with the increasing temperature while copper extraction has decreased by increased temperature. When the concentarion of sulfuric acid increased from 1M to 3M, both copper and zinc extraction has been  influenced negatively and it is reported that 1M of sulfuric acid concentration is optimum for the metal extraction. 
Using hydrogen peroxide (H2O2) as an oxidant in the sulfuric acid  leaching system has improved both zinc and copper extraction. Optimum conditions for both copper and zinc extraction are 1M H2SO4, 60oC leaching temperature and 1.5M H2O2 have been found. 
Leach liquors have been purifed via adding zinc powders following by the leaching of wastes.  Finally, zinc electrowinning performed with the 94%  of current efficiency from the purified leach liquors. Since the copper presents as metallic form in the wastes, only 7.5% of copper extraction has been accessed in the absence of H2O2 and undissolved copper remained in the leach residues. Therefore; in order to recover of copper from these residues, they have been mixed with several fluxes such as calcium oxide (CaO), borax (Na2B4O7.10H2O) and  salt (NaCl) and melted. By melting leach residues  copper has been recovered with the efficiency of  99.79% 
The second stage of the thesis consist the leaching of wastes  using four ionic liquids purchased commercially; 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate-(BmimHSO4), 1-methylimidazolium hydrogen sulfate-(HmimHSO4), 1-butyl-3-methylimidazolium-chloride-(BmimCl) ve 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate-(EmimHSO4). Leaching parameters affecting dissolution efficiency of copper and zinc such as type and concentration of the ionic liquid, additional oxidizing agents and concentrations, temperature and time have been investigated. Dissolution mechanism and kinetics of copper and zinc in each ionic liquid evaluated. Additionaly, the characterization of leach residues have also been carried out.  
1-butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate-BmimHSO4, 1-methylimidazolium hydrogen sulfate-HmimHSO4 and 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate-EmimHSO4 ionic liquid leachings have provided 100% of zinc dissolution. It is found that additional oxidant (H2O2) is an effective oxygen resource for the 1-methylimidazolium hydrogen sulfate-(HmimHSO4) and 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate-(EmimHSO4)ionic liquid leachings. 
It is indicated that 1-methylimidazolium hydrogen sulfate-(HmimHSO4) is the most effient ionic liquid for the copper dissolution and 95% copper dissolution reached  at 20% ionic liquid concentarion, at 40°C after  120 minutes. On the other hand, it is possible to say that the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium chloride-(BmimCl) is not an effective leaching media for both copper and zinc dissolution. 
The leach liquor obtained after leaching of 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate-BmimHSO4 ionic liquid has been purified by adding zinc powder and the purified leach solution is used for the electrowinning of zinc in the absence and presence of some additives such as boric acid and gelatine.  
As a result of experimental work, two different recovery methods have been developed to recover copper and zinc from brass wastes: Conventional pyro-hydrometalllurgical method and environment friendly method using new generation ionic liquids which has the potential to replace the conventional acidic extraction techniques.

Keywords: Brass, waste, copper, zinc, ionic liquids, recovery, leach, acid.