Soma termik santral taban külünden nadir toprak elementlerinin (NTE) kazanımı
Recovery of rare earth elements (REES) from soma thermal power plant bottom ash
Yazar: TÜLİN ULUCAN
Danışman: DOÇ. DR. FIRAT BURAT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Bu tez kapsamında, Manisa/Soma bölgesinde faaliyetlerini yürüten Konya Şeker San. ve Tic. A.Ş.'ye ait Soma Termik Santrali'nden temin edilen taban külü numunesinden nadir toprak elementlerinin kazanımına yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bu kapsamda fiziksel ve kimyasal zenginleştirme yöntemleri kullanılmıştır. Fiziksel zenginleştirme yöntemi olarak özgül ağırlık farkına göre ayırma işleminin yapıldığı jig, sarsıntılı masa ve santrifüjlü cihazlar (MGS, Knelson) kullanılmıştır. Kimyasal zenginleştirme deneyleri kapsamında alkali liç ve asit liçi deneyleri yapılmıştır.
Elek analizi deney sonuçlarına göre taban külü numunesinin d80 boyutu 0,98 mm olarak bulunmuştur. Fiziksel zenginleştirme deneyleri kapsamında ilk aşamada belirli miktarda taban külü numunesi 1 mm ve 0,3 mm'lik elekler kullanılarak sınıflandırılmıştır. +1 mm boyutundaki malzeme ile jig, -1+0,3 mm boyut grubundaki malzeme ile sarsıntılı masa, -0,3 mm'deki malzeme ile santrifüj tipi ayırıcılar (MGS, Knelson) kullanılılarak zenginleştirme deneyleri yapılmıştır. Ayrıca, zenginleştirme işlemlerinde boyutun etkisini araştırmak amacıyla 0,106 mm ve 0,038 mm altına öğütülen numuneler santrifüj ayırıcılara beslenmiştir. Fiziksel zenginleştirme deneyleri tamamlandıktan sonra taban külü numunesine kimyasal zenginleştirme yöntemlerinden alkali liç ve asit liçi uygulanmıştır. Alkali liç deneylerinde sıcaklık 90°C, süre 4 saat, sıvı:katı oranı 8:1, karıştırma hızı 800 dev./dak. ve 5 mol/L NaOH olarak seçilmiştir. Asit liçi deneylerinde %37 saflıktaki HCl ile 3 mol/L, 4 mol/L ve 5 mol/L asit konsantrasyonlarında çözündürme deneyleri yapılmış olup, sıcaklık 90°C, liç süresi 3 saat, sıvı:katı oranı 10:1ve karıştırma hızı 400 dev./dak. olarak seçilmiştir.
En iri boyut grubunda (+1 mm) jig kullanılarak yapılan zenginleştirme deneyi sonu-cunda ΣNTE içeriği 154 g/t olan hafif bir ürün elde edilmiştir. -1+0,3 mm boyutunda yapılan sarsıntılı masa deneyi sonucunda ΣNTE içeriği 130 g/t olan bir ağır üretilirken hafif üründeki ΣNTE içeriği ise 136 g/t olarak bulunmuştur. Bu sonuçlara göre iri boyutta yapılan klasik gravite yöntemleri ile sınırlı bir başarı elde edileceği anlaşılmıştır.
-0,3 mm'de yapılan MGS deney sonucunda, ΣNTE içeriği 187 g/t olan bir ağır ürün %34,7 kazanma verimi ile elde edilmiştir. -0,106 mm boyutunda yapılan MGS deney sonucunda ise ΣNTE içeriği 168 g/t olan bir ağır ürün %34,8 kazanma verimi üretilmiştir. Daha yüksek yerçekimi kuvvetlerine ulaşan Knelson ayırıcısı ile -0,3 mm'de yapılan deney sonucunda, ağırlıkça %36,6 oranında bir ağır ürün 187 g/t ΣNTE içeriği ve %41,0 kazanma verimi ile elde edilmiştir. -0,106 mm boyutunda gerçekleştirilen Knelson deney sonucuna göre ağırlıkça %7,0 oranında bir ağır ürün 204 g/t ΣNTE içeriği ve %10,1 kazanma verimi ile üretilmiştir. -0,038 mm boyutunda yapılan deney sonucunda ΣNTE içeriği 158 g/t olan bir ağır ürün %6,3 kazanma verimi ile elde edilmiştir. Sonuç olarak, özgül ağırlık farkına göre yapılan ayırma işlemlerinin bu malzemeden NTE eldesi için uygun olmadığı belirlenmiştir.
Silisli yapıda kapanım halinde olarak bulunan NTE'lerin asit liçindeki çözünürlüğünü arttırmak için ilk aşamada alkali liç deneyi yapılmış, daha sonra filtre keki alınarak asit liçine tabi tutulmuştur. 3 mol/L, 4 mol/L ve 5 mol/L HCl kullanılarak yapılan asit liçi sonucunda tuvenan malzeme için ΣNTE çözündürme verimi sırasıyla %77,2, %83,2 ve %82,7 olarak bulunmuştur. -0,3 mm boyutundaki malzeme ile yapılan asit çözündürme işlemi sonucunda ΣNTE çözündürme verimleri sırasıyla %84,0, %80,3 ve %85,3 olarak tespit edilmiştir. -0,106 mm boyutundaki malzemenin ΣNTE çözündürme verimleri ise sırasıyla %84,7, %87,0 ve %87,2'dir. Sonuç olarak, en yüksek ΣNTE çözündürme verimine -0,106 mm boyutunda 5 mol/L HCl kullanılarak ulaşılmıştır. En uygun asit liçi koşulları sıcaklık 90 °C, süre 3 saat, sıvı:katı oranı 10:1 ve karıştırma hızı 400 dev./dak. olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Within the scope of this thesis, experimental studies were carried out for recovering rare earth elements (REEs) from the bottom ash sample obtained from the Soma Thermal Power Plant of Konya Şeker San, which carries out its activities in the Manisa/Soma region. In this context, physical and chemical enrichment methods were used. As the physical enrichment method, jig, shaking table, and centrifugal devices (MGS, Knelson) in which the separation process is performed according to the specific gravity difference were used. In chemical enrichment experiments, alkali and acid leaching experiments were carried out.
According to the sieve analysis test results, the d80 size of the bottom ash sample was found as 0.98 mm. In physical enrichment experiments, at the first stage, a certain amount of bottom ash samples were classified using 1 mm and 0.3 mm sieves. The jig was used for the material above 1mm, the shaking table test was used for the material in the size group of -1+0,3 mm, and the centrifugal-type separators (MGS, Knelson) were used for the material below 0.3 mm. In addition, the experiments were also tested at -0.106 mm and -0.038 mm fractions to investigate the effect of centrifugal-type separators, which are effective at finer sizes. For this purpose, a certain amount of bottom ash sample was ground below 0.106 mm and 0.038 mm. After the physical enrichment experiments, alkali leaching and acid leaching were applied to the bottom ash sample. In alkali leaching experiments, the optimum parameters were determined as 90°C of temperature, 4 hours of leaching time, the liquid: solid ratio of 8:1, 800 dev./dak. stirring speed, and 5 mol/L NaOH concentration. In the acid leaching experiments, dissolution experiments were carried out with 37% pure HCl at acid concentrations of 3 mol/L, 4 mol/L, and 5 mol/L. The other optimum parameters were determined as the following: the temperature of 90°C, the leaching time of 3 hours, the liquid: solid ratio of 10:1, and the stirring speed of 400 rev./min.
As a result of the enrichment experiment using the jig in the largest size group (+1 mm), a light product with ΣREE content of 154 g/t was obtained. As a result of the shaking table test with a size of -1+0.3 mm, a heavy product with an ΣREE content of 130 g/t was produced, while the ΣREE content in a light product was found to be 136 g/t. According to these results, it has been understood that limited success will be achieved with the classical gravity methods made in the coarse fraction.
As a result of the MGS test performed at -0.3 mm, a heavy product with an ΣREE content of 187 g/t was obtained with 34.7% recovery efficiency. As a result of the MGS test with a size of -0.106 mm, a heavy product with an ΣREE content of 168 g/t was produced with a recovery efficiency of 34.8%. As a result of the experiment performed with the Knelson separator, a heavy product of 36.6% by weight was obtained with 187 g/t ΣREE content and 41.0% recovery efficiency at -0.3 mm. According to the results of the Knelson test carried out in -0.106 mm size, a heavy product of 7.0%
by weight was produced with 204 g/t ΣREE content and 10.1% recovery. As a result of the experiment with a size of -0.038 mm, a heavy product with an ΣREE content of 158 g/t was obtained with a recovery of 6.3%. As a result, it has been determined that the separation processes made according to the specific gravity difference are not suitable for obtaining REEs from this material.
To increase the solubility of REEs in the form of inclusions in siliceous structure in acid leaching, an alkali leaching test was carried out in the first stage, then the filter cake was taken and subjected to acid leaching. As a result of acid leaching using 3 mol/L, 4 mol/L, and 5 mol/L HCl, ΣREE dissolution efficiency for the leached material was found to be 77.2%, 83.2%, and 82.7%, respectively. As a result of the acid dissolution process with -0.3 mm material, ΣREE dissolution efficiencies were determined as 84.0%, 80.3%, and 85.3%, respectively. Finally, the ΣREE dissolution efficiencies of the -0.106 mm material were found to be 84.7%, 87.0%, and 87.2%, respectively. As a result, the highest ΣREE solubilization efficiency was achieved using 5 mol/L HCl with a size of -0.106 mm. The optimum acid leaching conditions were determined as 90 °C of temperature, 3 hours of leaching time, 10:1 of liquid: solid ratio, and 400 rev./min of stirring speed.