Kömür termik santrali uçucu küllerinden değerli metal ve nadir toprak elementlerinin ikincil bir kaynak olarak kazanılması
Recovery of coal thermal power plants fly ash as a secondary resource in terms of valuable metals and rare earth elements
Yazar: AKAD BÜKE
Danışman: DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Cevher Hazırlama Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
İnsanlık, varlığından bu yana yerleşik hayata geçtiğinden beri enerjiye bağımlı halde yaşamını sürdürmüştür. Enerji ihtiyacını karşılamada uzun yıllar boyunca, kömür kullanılmaktadır. Kömürün çevresel etkilerinin belirlenmesiyle, kullanımı için kısıtlamalar yapılsa da, ardında bıraktığı kömür uçucu külü gibi artıklar hem depolama, hem de çevresel açıdan sorun teşkil etmektedirler. Ayrıca kömür tüketimi tamamen sona erene kadar, bu tür artıklar ortaya çıkmaya devam edecektir. Bu sebeple, kömür uçucu külü gibi artıkların endüstriye tekrar geri kazandırılması önem arz etmektedir. Kömür uçucu külleri, değerli metal ve nadir toprak elementleri açısından zengin bir ikincil kaynaktır. Nadir toprak elementleri içeren minerallere uygulanan tüm cevher hazırlama işlemleri, aynı zamanda uçucu küllere de uygulanabilmektedir. Bu sebeple, önümüzdeki süreçte kömür tüketimine bağlı oluşan uçucu küller gibi artıkların bertaraf edilmesinde, cevher hazırlama işlemleri önemli rol oynayacaktır. Bu tez kapsamında, 18 Mart Termik Santrali, Çayırhan Termik Santrali ve Çatalağzı Termik Santrali'nden temin edilen hem iri hem de ince kömür küllerinin nadir toprak elementleri ve değerli metaller içerikleri tespit edilerek, uygun zenginleştirme metotları üzerine çalışmalar yapılmıştır. Çalışmalar sonucunda yanıt yüzey yöntemine göre 3 faktörlü Box-Behnken deney tasarımı yapılmıştır.
Yapılan XRF analizleri sonucunda Çayırhan Termik Santrali'nden gelen hem iri hem de ince kömür külü numunelerinin C sınıfı uçucu kül kategorisinde bulundukları gösterilmiştir. Yalnızca ASTM standardında belirtilen Na2O içeriği %1,5 iken, Çayırhan Termik Santrali'nden gelen analizi yapılan iri ve ince kömür külü numunelerinde bu değerler sırasıyla %2,6 ve %2,5 olarak bulunmuştur. Çatalağzı iri ve ince kömür küllerinin, XRF analizleri sonucu belirlenen kimyasal içerikleri bakımından F sınıfı uçucu kül kategorisine dahil oldukları belirlenmiştir. Fakat Çatalağzı iri kömür külü numunesi %39,86 nem içeriği ile F sınıfı kömür külleri için belirtilen maksimum %3 nem miktarını aşmaktadır. 18 Mart Termik Santrali iri ve ince kömür külleri ise, SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 içerikleri bakımından C sınıfı uçucu kül kategorisine dahil olsalar da, her iki numunenin SO3 içerikleri ASTM standardında belirtilen maksimum %5 değerinin üzerinde olduğu belirlenmiştir. 
Numunelerin ICP-MS analizleri sonucunda, Çayırhan ince kömür külü numunesinin toplam hafif, orta ve ağır nadir toprak elementleri açısından içerikleri sırasıyla 122,2 ppm, 27,5 ppm ve 5,5 ppm, toplam NTE içeriği ise 155,2 ppm olarak bulunmuştur. Çayırhan iri kömür külünün toplam hafif, orta ve ağır nadir toprak elementleri açısından içerikleri ise sırasıyla 121,2 ppm, 27,6 ppm ve 5,5 ppm, toplam NTE içeriği ise 154,3 ppm'dir. Çatalağzı ince kömür külü numunesinin toplam hafif, orta ve ağır nadir toprak elementleri açısından içerikleri sırasıyla 280,0 ppm, 61,3 ppm ve 11,4 ppm, toplam NTE içeriği ise 352,8 ppm'dir. Çatalağzı iri kömür külü numunesinin toplam hafif, orta ve ağır nadir toprak elementleri açısından içerikleri ise sırasıyla 264,0 ppm, 50,5 ppm ve 10,1 ppm olup, toplam NTE içeriği ise 324,6 ppm'dir. Çatalağzı kömür küllerinin NTE içerikleri kendi aralarında kıyaslandığında, ince kömür külü numunesinin iri kömür külü numunesinden daha yüksek NTE içeriğine sahip olduğu belirlenmiştir. Çatalağzı iri kömür külü numunesinin beraberinde gelen su içeriği incelendiğinde, özellikle Li (1805,2 ppb), P (2238,3 ppb), V (2046,1 ppb), As (1113,5 ppb) ve Mo (949,2 ppb) gibi elementlerin salınarak numuneden suya geçtiği gözlemlenmiştir. Bu sonuç, hem yağmur sularından etkilenme potansiyeline sahip olan kömür küllerinin davranışlarına örnek olmakta, hem de kömür küllerinin depolanmasının çevresel etkilerine ışık tutmaktadır. 18 Mart ince kömür külü numunesinin toplam hafif, orta ve ağır nadir toprak elementleri açısından içerikleri sırasıyla 173,8 ppm, 44,3 ppm ve 8,6 ppm, toplam NTE içeriği ise 226,6 ppm'dir. 18 Mart iri kömür külü numunesinin toplam hafif, orta ve ağır nadir toprak elementleri açısından içerikleri ise sırasıyla 176,1 ppm, 34,5 ppm ve 6,3 ppm olup, toplam NTE içeriği ise 216,9 ppm'dir. Çan 18 Mart termik santrali kömür küllerinin NTE içerikleri kendi aralarında kıyaslandığında, ince kömür külü numunesinin iri kömür külü numunesinden daha yüksek NTE içeriğine sahip olduğu belirlenmiştir. Her bir numune içerikleri açısından karşılaştırıldığında, özellikle Al2O3 ve NTE konsantrasyonlarının pozitif bağlantılı olduğu gösterilmiştir. Bu numuneler için geçerli olup, başka kül numuneleri için geçerliliği kesin olmamakla birlikte, Al2O3 (%) / Toplam NTE (ppm) oranı ortalama 0,0797 olarak belirlenmiştir. Bu bulgunun özellikle kömür uçucu küllerinde nadir toprak elementlerinin yaklaşık olarak konsantrasyonlarının belirlenmesinde, ICP-MS gibi görece daha masraflı ve numune hazırlama kısmında çözme işlemleri için zaman harcanması gereken metotlar yerine, XRF analizi ile Al2O3 miktarının belirlenmesiyle, gerçek değerine yakın ve pratik bir tahminde bulunmasına olanak sağlayacağı düşünülmektedir.
Numuneler doğal pH'ları açısından değerlendirildiğinde, 18 Mart Termik Santrali ince ve iri kömür külü numunelerinin, Çayırhan Termik Santrali ve Çatalağzı Termik Santrali ince ve iri kömür küllerinden daha alkali bir yapıda olduğu belirlenmiştir. Numuneler kendi içlerinde sınıflandırıldığında ise, tüm ince kömür külü numunelerinin, kendi iri kömür külü numunelerinden daha alkali bir yapıda olduğu belirlenmiştir.
Yapılan farklı pH'larda liç çalışmaları sonucunda, Çayırhan Termik Santrali ince kömür külü için en fazla kütle kaybı pH-2 değerinde %32,69 ile sağlanmış, onu takiben kütle kayıpları pH-4'te %19,26, pH-8'de %14,67, doğal pH'ında %12,93 ve pH-10'da 12,10 olmuştur. Çayırhan Termik Santrali iri kömür külü için ise en fazla kütle kaybı pH-2'de %29,58 ile sağlanmış olup, onu takiben kütle kayıpları pH-4'te %24,38, pH-8'de %15,42, pH-10'da %13,18 ve doğal pH'ında %12,83 olmuştur. Çatalağzı Termik Santrali ince kömür külü için en fazla kütle kaybı doğal pH'ı olan 10,8'de %11,83 ile sağlanmış olup, onu takiben kütle kayıpları pH-2'de %10,21, pH-10'da 6,01, pH-4'te %5,79 ve pH-8'de %4,91 olmuştur. Çatalağzı Termik Santrali iri kömür külü için ise en fazla kütle kaybı pH-2'de %6,28 ile sağlanmış olup, onu takiben kütle kayıpları pH-4'te %5,75, pH-8'de %5,52 ve doğal pH'ı olan pH-10'da %4,74 olmuştur. 18 Mart Termik Santrali ince kömür külü için en fazla kütle kaybı pH-2 değerinde %42,70 olup, onu takiben kütle kayıpları pH-4'de %37,94, pH-8'da %30,68, pH-10'da %30,03 ve doğal pH'ında %23,43 olmuştur. 18 Mart Termik Santrali iri kömür külü için ise en fazla kütle kaybı pH-2'de %41,87 ile sağlanmış olup, onu takiben kütle kayıpları pH-4'te %36,05, pH-8'de %31,28, pH-10'da %28,92 ve doğal pH'ında %12,21 olmuştur. Yapılan çalışmalar sonucunda, 18 Mart Termik Santrali ince kömür külü için özellikle pH-4'ün altında en yüksek çözünme değerleri elde edilmiştir. Bu sebeple 18 Mart ince kömür külüne asidik liç uygulamalarının uygulanabileceği belirlenmiştir. Aynı şekilde, 18 Mart Termik Santrali iri kömür külü için de pH-4 altında yüksek çözme değerleri elde edilmiştir. 
pH-2'de çözeltiye nadir toprak elementlerinin bir kısmının geçmesinden ötürü, diğer çalışmalara kıyasla düşük verimler elde edilirken, özellikle doğal pH'da yapılan çalışmalarda verimin %85'in üzerinde olduğu gözükmektedir. Buradan yola çıkarak, numuneler doğal pH'ındayken önemli bir NTE kaybı olmadığı belirlenmiştir.  Özellikle scrubber kullanımında ve Knelson-Falcon gibi su kullanılan cihazlarda numuneler doğal pH'larında olacaklarından, bu bulgular önem arz etmektedirler. Ayrıca kömür külü numunelerinin düşük pH'lı ortamlarda bulunmaları halinde, nadir toprak elementlerinin bir kısmının bu şekilde kaybolabileceği gözlemlenmiştir.
Graviteye göre fiziksel zenginleştirme prosesleri ile deneysel çalışmalara devam edilmiştir. Knelson ve Falcon konsantratörleri birlikte kullanılarak bir proses akım şeması oluşturulmuş, zenginleştirme parametreleri olarak seçilen Al2O3 içeriği, tane boyutu ve uygulanan santrifüj kuvvet üzerinden yanıt yüzey yöntemine göre 3 faktörlü Box-Behnken deney tasarımı yapılmıştır. İncelenen proses değişkenlerinden g-kuvvetinin ayırmada en etkili parametre olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Since its existence, humanity has continued its life dependent on energy, especially after the transition to settled life. To fulfill this need, especially fossil fuels are still used as one of the most used resources for energy generation despite their well-known environmental problems.  As the usage of fossil fuels like coal for energy generation continues, the by-products of combustion processes like coal fly ash continue to generate. Luckily, coal fly ash has various areas of use to cover its harms. Coal fly ash can be mainly used in soil improvement works, environmental protection studies, as the cement additives, in the construction industry, ceramic industry, catalyst production, cenosphere recovery, and zeolite synthesis. Also, coal fly ash is a secondary resource for valuable metals and rare earth elements. To recycle and concentrate the coal fly ash, mineral processing studies can be applicable to concentrate rare earth elements from the coal fly ash similar to the concentrating from the rare earth ores. Therefore, mineral processing studies will be a major remedy to recycle and reprocess coal fly ash in the future. In this thesis, the contents of both coarse and fine coal ashes from 18 Mart Thermal Power Plant, Çayırhan Thermal Power Plant and Çatalağzı Thermal Power Plant in terms of rare earth elements and other precious metals were investigated and studies were carried out on concentration methods and parameters. As a result of the studies, Box-Behnken experiment design with 3 factors was made according to response surface method.
As a result of XRF analysis, it has been shown that both coarse and fine coal ash samples from Çayırhan Thermal Power Plant are in the C class fly ash category. While only the Na2O content specified in the ASTM standard was 1.5%, these values were found to be 2.6% and 2.5%, respectively, in the coarse and fine coal ash samples analyzed from the Çayırhan Thermal Power Plant. It has been determined that Çatalağzı coarse and fine coal ashes are included in the F class fly ash category in terms of their chemical contents determined as a result of XRF analysis. However, Çatalağzı coarse coal ash sample with a moisture content of 39.86% exceeds the maximum moisture content of 3% specified for Class F coal ash. Although the coarse and fine coal ashes of the 18 Mart Thermal Power Plant are included in the C class fly ash category in terms of their SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 contents, it was determined that the SO3 contents of both samples were above the maximum value of 5% specified in the ASTM standard.
As a result of the ICP-MS analysis of the samples, the contents of the total light, medium, and heavy rare earth elements of the Çayırhan fine coal ash sample were found to be 122.2 ppm, 27.5 ppm, and 5.5 ppm, respectively, and the total REE content was 155.2 ppm. The contents of Çayırhan coarse coal ash in terms of total light, medium, and heavy rare earth elements are 121.2 ppm, 27.6 ppm, and 5.5 ppm, respectively, and the total REE content is 154.3 ppm. The contents of the Çatalağzı fine coal ash sample in terms of total light, medium and heavy rare earth elements are 280.0 ppm, 61.3 ppm and 11.4 ppm, respectively, and the total REE content is 352.8 ppm. The contents of the total light, medium and heavy rare earth elements of the Çatalağzı coarse coal ash sample are 264.0 ppm, 50.5 ppm and 10.1 ppm, respectively, and the total REE content is 324.6 ppm. When REE contents of Çatalağzı coal ashes were compared, it was determined that the fine coal ash sample had higher REE content than the coarse coal ash sample. When the water content of the Çatalağzı coarse coal ash sample is examined, it has been observed that elements such as Li (1805.2 ppb), P (2238.3 ppb), V (2046.1 ppb), As (1113.5 ppb), and Mo (949.2 ppb) pass from the sample to the water. This result sets an example of the behavior of coal ash, which has the potential to be affected by rainwater and sheds light on the environmental effects of coal ash storage. The contents of the 18 Mart fine coal ash sample in terms of total light, medium and heavy rare earth elements are 173.8 ppm, 44.3 ppm and 8.6 ppm, respectively, and the total REE content is 226.6 ppm. The contents of the 18 Mart coarse coal ash sample in terms of total light, medium and heavy rare earth elements are 176.1 ppm, 34.5 ppm and 6.3 ppm, respectively, and the total REE content is 216.9 ppm. When REE contents of Çan 18 Mart power plant coal ashes were compared among themselves, it was determined that the fine coal ash sample had higher REE content than the coarse coal ash sample. When each sample was compared in terms of their contents, it was shown that Al2O3 and REE concentrations were positively correlated. Al2O3 (%) / Total REE (ppm) ratio was determined as 0.0797 on average, although it is valid for these samples and its validity for other ash samples is not certain. This finding allows us to estimate the approximate concentrations of rare earth elements, especially in coal fly ashes, by determining the amount of Al2O3 by XRF analysis, rather than methods such as ICP-MS, which are more expensive and require more time to sample preperation.
When the samples were evaluated in terms of their natural pH, it was determined that the fine and coarse coal ash samples of the 18 Mart Thermal Power Plant were more alkaline than the fine and coarse coal ashes of the Çayırhan Thermal Power Plant and Çatalağzı Thermal Power Plant. When the samples were classified among themselves, it was determined that all fine coal ash samples were more alkaline than their coarse coal ash samples.
As a result of leaching studies at different pHs, Çayırhan Thermal Power Plant fine coal ash provided the highest mass loss at pH-2 with 32.69%, followed by mass losses of 19.26% at pH-4, 14.67% at pH-8, 12.93% at its natural pH and 12.10% at pH-10. Çayırhan Thermal Power Plant coarse coal ash provided the highest mass loss at pH-2 with 29.58%, followed by 24.38% at pH-4, 15.42% at pH-8, 13.18% at pH-10, and 12.83% at its natural pH.
Çatalağzı Thermal Power Plant has provided the highest mass loss for fine coal ash with 11.83% at its natural pH of 10.8, followed by mass losses of 10.21% at pH-2, 6.01% at pH-10, 5.79% at pH-4, and 4.91% at pH-8. On the other hand, Çatalağzı Thermal Power Plant coarse coal ash provided the highest mass loss at pH-2 with 6.28%, followed by 5.75% at pH-4, 5.52% at pH-8, and 4.74% at its natural pH.
18 Mart Thermal Power Plant, the maximum mass loss for fine coal ash is 42.70% at pH-2, followed by mass losses of 37.94% at pH-4, 30.68% at pH-10, at 30.03% and at its natural pH 23.43%. For the 18 Mart Thermal Power Plant, the highest mass loss was achieved at pH-2 with 41.87%, followed by mass losses of 36.05% at pH-4, 31.28% at pH-8, It was 28.92% at pH-10 and 12.21% at natural pH. As a result of the studies carried out, the highest dissolution values, especially below pH-4, were obtained for fine coal ash at the 18 Mart Thermal Power Plant. For this reason, it has been determined that acidic leaching applications can be applied to 18 March fine coal ash. Likewise, high dissolution values under pH-4 were obtained for the coarse coal ash at the 18 Mart Thermal Power Plant.
While some of the rare earth elements pass into the solution at pH-2, lower yields are obtained compared to other studies, especially in studies conducted at natural pH, it is seen that the yield is over 85%. Based on this, it was determined that there was no significant REE loss when the samples were at their natural pH. These findings are important, especially in the use of scrubbers and water-used devices such as Knelson-Falcon, since the samples will be at their natural pH. In addition, it has been observed that if the coal ash samples are found in low pH environments, some of the rare earth elements may be lost in this way.
Experimental studies were continued with physical enrichment processes according to gravity separation. A process flow chart was created using Knelson and Falcon concentrators together, and a 3-factor Box-Behnken experiment was designed according to the response surface method over the selected Al2O3 content, particle size and applied centrifugal force. It was determined that g-force is the most effective parameter in separation among the investigated process variables.