Düşük konsantrasyonlu nikel çözeltilerinin Dowex M4195 şelatlayıcı reçine yardımıyla zenginleştirilmesi
Enrichment of low concentrated nickel solutions by Dowex M4195 chelating resin
Yazar: EMRE YILMAZ
Danışman: PROF. DR. FATMA ARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Cevher Hazırlama Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya = Chemistry ; Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Düşük Konsantrasyonlu Nikel Çözeltilerinin Dowex M4195 Şelatlayıcı Reçine Yardımıyla Zenginleştirilmesi isimli çalışmanın odak noktası düşük konsantrasyonlu nikel içerikli liç çözeltilerinin zenginleştirilmesidir. Bu çalışmada sentetik nikel çözeltisi kullanılarak Dowex M4195 şelatlayıcı reçinesinin nikel kazanımındaki etkinliği araştırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında Dowex M4195 reçinesinin; farklı reçine/çözelti oranı, pH ve sıcaklık altındaki nikel absorpsiyon özellikleri incelenmiştir. Absorpsiyon deneylerinde 1000 ppm Ni2+ konsantrasyonunda çözelti kullanılmıştır. Farklı reçine/çözelti oranının denendiği (15-20-25-30 g/L) deneysel çalışmalarda maksimum absorpsiyon verimi 30 g/L reçine içeren çözeltide sağlanmıştır. 30 g/L reçine içeren çözeltiden 24 saatin sonunda Ni2+ iyonlarının %92,68 oranında absorplandığı tespit edilmiştir. Sonraki çalışmaların tamamında nikel içeren çözeltilere 30 g/L olacak şekilde reçine ilavesi yapılmıştır. Absorpsiyon deneylerinin ikinci aşamasında pH'ın absorpsiyon üzerine etkisi incelenmiştir. pH 0,8-4 arasında 6 saat süre ile gerçekleştirilen deney sonucunda pH düştükçe nikel absorpsiyonunun sınırlandığı tespit edilmiştir. pH 0,8'de absorpsiyon verimi %16,0 iken pH 2 için %83,9, pH 3 için %85,3 ve pH 4 için 85,9 olarak tespit edilmiştir. Liç işlemi sonrası elde edilen çözeltinin asidik pH'larda kalacağı göz önünde bulundurularak çalışma koşulları pH: 2 olacak şekilde sabitlenip devam edilmiştir. Sıcaklığın absorpsiyona etkisinin incelendiği çalışmalarda sıcaklık arttıkça absorpsiyon hızının arttığı ve absorplanan metal iyon miktarının arttığı görülmüştür. Bununla birlikte reçinelerin organik yapıya sahip olmalarından ötürü azami 65°C'de kullanılabilmektedir. Oda sıcaklığından gerçekleştirilen deneyde absorpsiyon verimi %83,03 iken; 40°C'de %83,53 ve 55°C'de %87,27'ye kadar yükseltmektedir. Farklı sıcaklıklarda alınan deney sonuçları, Brykina metodu kullanılarak incelenmiş ve absorpsiyona ait aktivasyon enerjisi 10,85 kj/mol olarak bulunmuştur. Literatürdeki çalışmalar Dowex M4195 IXR üzerine absorplanan Ni2+ iyonlarının 100 g/L H2SO4 ile sıyırılabileceği vurgulanmaktadır. Bu değer yaklaşık 1M H2SO4 çözeltisine tekabül etmektedir. 1M H2SO4 çözeltisi kullanılması ve 300 g/L reçine konsantrasyonunun kullanılması halinde %78,55 elüsyon verimiyle 7150 ppm konsantrasyona sahip Ni2+ çözeltisi elde edilmiştir. Reçine konsantrasyonunun azalması elüsyon verimini arttırmaktadır ancak bununla birlikte elde edilen eluatın Ni2+ içeriği düşmektedir. Sonuç olarak %78,55 elüsyon verimiyle 300 g/L reçine konsantrasyonu kullanılarak gerçekleştirilen elüsyon ile en uygun verim elde edilmiştir. 300 g/L reçine konsantrasyonu kullanılarak farklı H2SO4 konsantrasyonlarında gerçekleştirilen elüsyon işlemleri neticesinde efektif bir elüsyon işlem için H2SO4 konsantrasyonunun 1M olması gerektiği görülmüştür. Asit konsantrasyonunun azalmasına bağlı olarak elde edilen elüat içerisindeki Ni2+ konsantrasyonu da dramatik bir şekilde azalmaktadır. Liç çözeltisinin, önceki deneylerde kullanılan sentetik çözeltinin 1/10'u oranında Ni2+ içerdiği göz önüne alınarak; liç çözeltisi kullanılarak gerçekleştirilen absorpsiyon işleminde 3 g/L ve 30 g/L olmak üzere iki farklı R/Ç oranı kullanılmıştır. Konsantrasyonun düşük olması 3 g/L R/Ç kullanılan deneyde absorpsiyon hızına büyük oranda etki etmektedir. Ancak 30 g/L R/Ç oranı kullanılarak gerçekleştirilen deneyde absorpsiyon hızlı bir şekilde devam etmektedir. Reçine konsantrasyonunun 3 g/L olduğu durumda 5 saatin sonunda %72,0 absorpsiyon verimi elde edilirken bu değer 30 g/L reçine konsantrasyonu için %90,3 seviyesindedir.
Nikel liç çözeltisine 30 g/L R/Ç oranı kullanılarak gerçekleştirilen absorpsiyon işlemi sonrası zenginleştirme faktörü 10 olacak şekilde 300 g/L reçine konsantrasyonu kullanılarak ve farklı asit konsantrasyonlarında elüsyona tabi tutulmuştur. Artan asit konsantrasyonu Ni2+ elüsyon verimini ve dolayısıyla da elüat Ni2+ içeriğini arttırmaktadır. Elüat Ni2+ konsantrasyonunun daha da arttırılmasının istendiği durumda, iki farklı yol karşımıza çıkmaktadır. Birinci yöntem kullanılan reçine çözelti oranının azaltılarak zenginleştirme faktörünün arttırılması yönündedir. İkinci yöntem ise reçinelerin tekrarlı olarak farklı çözeltilerde kullanılması şeklinde olacaktır. Bununla birlikte her iki yöntem de absorpsiyon süresinin artmasına sebep olacaktır

Abstract:
The main point of this study named as "Enrichment of Low Concentrated Nickel Solutions by Dowex M4195 Chelating Resin" enrichment of low concentration nickel-containing leaching solutions via ion exchange process. In this study, the absorption properties of Dowex M4195 chelating resin is investigated under different processes parameters with using synthetically leach solutions. In the first phase of study; effect of different resin/solution ratio, pH, and temperature are investigated. In the absorption experiments 1000 ppm Ni2+ solution was used. First of all, experimental studies start with different resin/solution ratio between 15 to 30 g/L. The maximum absorption yield is obtained from solution containing 30 g/L of resin. At the end of 24 hours, 92.68% of Ni2+ ions is absorbed from solution containing 30 g/L resin. All of the subsequent work is done with 30 g/L of resin addition. The effect of pH on absorption is investigated in the second stage of the absorption experiments. It has been determined that nickel absorption is limited when the pH is lowered as a result of the experiment for 6 hours at pH 0.8-0.4 At pH 0.8, the absorption rate was determined as 16.0%, 83.9% at pH 2, 85.3% at pH 3 and 85.9% at pH 4. Considering that the solution obtained after leaching would remain at acidic pH, the working conditions were fixed as pH = 2 and continued. In studies where the effect of temperature on the absorption examined, it is seen that as the temperature increases, the absorption rate increases and the amount of absorbed metal ions increases. However, because of the organic structure of the resins, they can be used at a maximum temperature of 65°C. In the experiment performed at room temperature, the absorption yield was 83.03%; 83.53% at 40°C and 87.27% at 55°C. The experimental results obtained at different temperatures were examined using the Brykina method and the activation energy of absorption was found to be 10.85 kJ / mol. Studies in the literature It is emphasized that Ni2 + ions absorbed on Dowex M4195 IXR can be stripped with 100 g / L H2SO4. This value corresponds to approximately 1M H2SO4 solution. If 1 M H2SO4 solution was used and the resin to solution ratio was 300 g/L, the Ni2+ solution was obtained at a concentration of 7150 ppm with an efficiency of 78.55%. Decreasing the ratio of the resin solution increases the efficiency of the elution, but the Ni2+ content of the eluate is reduced. As a result, 78.55% elution yield was obtained by using 300 g/L resin to solution ratio. It has been found that the H2SO4 concentration for the effective elution process should be 1M as a result of the elution procedures carried out at different H2SO4 concentrations using resin to solution ratio of 300 g/L. The Ni2+ concentration in the eluate is also dramatically decreased due to decreasing concentration of H2SO4.
Considering that the leaching solution contains Ni2+ in a ratio of 1/10 of the synthetic solution used in previous experiments; two different resin to solution ratios of 3 g/L and 30 g/L were used in the absorption process using the leach solution. The low concentration of 3 g/L resin to solution ratio greatly influences the absorption rate in the experiment. However, absorption in the experiment using 30 g/L resin to solution ratio continues further. When resin concentration is 3 g/L, 72.0% and 90.3% absorption yield was obtained for resin to solution ratio of 3 g/L and 30 g/L at the end of 5 hours. 
Nickel leaching solution was subjected to absorption using 30 g/L resin to solution ratio. After that loaded resins were subjected to elution at a different acid concentrations using a resin to solution ratio of 300 g/L as an enrichment factor 10. Increased acid concentration increases the yield of Ni2 + elution and thus the eluate Ni2+ content. In the case where the eluate Ni2+ concentration is desired to be further increased, two different path can be used. The first method is to increase the enrichment factor by reducing the resin to solution ratio used in the absorption. The second method is to use the resins repeatedly in different solutions. Both methods, however, will lead to an increase in the absorption time.