Nadir toprak elementleri içeren çözeltilerin solvent ekstraksiyon işleminin incelenmesi
Investigation of solvent extraction process of solutions containing rare earth elements
Yazar: UTKU HATİPOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK BİROL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Nadir toprak elementleri, günlük hayatımızda sıklıkla kullandığımız başta elektronik cihazlar olmak üzere, elektrikli araçlar, optik camlar, lazerler gibi pek çok alanın yanı sıra savunma sanayii ve enerji üretim sistemleri gibi stratejik alanlarda da kullanılmaktadır. Kullanım alanlarının bolluğu ve bu ürünlere olan talebin gün geçtikçe katlanarak artması bu elementlere olan talebi arttırmaktadır. Nadir toprak elementleri sahip oldukları benzersiz özelliklerinden dolayı kullanıldıkları alanlarda başka elementlerce ikame edilememektedirler. Stratejik kullanım alanları ve yerlerinin doldurulamaz oluşunun beraberinde rezervlerinin oldukça kısıtlı oluşu, bu elementlerin üretimini önemli hale getirmiştir. Nadir toprak elementlerinin üretimi hidrometalurjik yöntemlerle yapılabilmektedir. Bu elementlerin benzer fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olmalarından dolayı bir arada bulunma eğilimleri ayrıştırılmalarında problem oluşturmaktadır. Bu yüzden hidrometalurjik yöntemler nadir toprak metallerin üretimindeki tek alternatiftir. Solvent ekstraksiyon yöntemi sulu çözeltilerdeki metal iyonlarının, organik solventler kullanılarak ayrıştırılmasını sağlayan bir yöntemdir. Ayrıştırılması güç olan nadir toprak elementlerinin hem birincil hem de ikincil üretimi proseslerinde bu yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemde ilk aşamada, kullanılan organik solventler sahip oldukları özelliklere göre belirli metal iyonlarıyla seçici olarak bağ kurarlar, bu işleme yükleme adı verilir. Yükleme aşamasından sonra organik faza geçmiş olan metal iyonları, sıyırma adı verilen bir sonraki aşama ile organik solventlerdeki komplekslerden koparılarak inorganik faza geçirilir. Bu şekilde solvent ekstraksiyon prosesi tamamlanır ve metal iyonları iki ayrı çözeltide ayrıştırılmış olarak elde edilir. Yapılan bu çalışmada çözeltiye alınmış nadir toprak elementlerinin solvent ekstraksiyon prosesi ile ayrıştırma davranışı incelenmiştir. Solvent ekstraksiyon işlemini öncesinde hazırlanan besleme çözeltisi floresan fosfor tozunun liç edilmesi ile elde edilmiştir. Bu liç işlemi iki aşamalı bir prosesle gerçekleştirilerek, besleme çözeltisinin mümkün olan en az oranda empürite içermesi sağlanmıştır. Bu işlemle çözeltiye, fosfor tozunun yapısındaki nadir toprak elementlerinden itriyum ve evropiyumun geçmesi sağlanmıştır. Solvent ekstraksiyon prosesinde yükleme ve sıyırma işlemlerine parametrelerin verim üzerine etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre yükleme aşamasının 4 kez tekrarlanması sonucunda itriyumun tamamen çözeltiden uzaklaştırılarak evropiyumdan ayrıştırılabildiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Rare earth elements are used in many areas such as electronic devices, which we frequently use in our daily lives, electric vehicles, optical glasses and lasers, as well as in strategic areas such as defence industry and energy production systems. The abundance of usage areas and the exponential increase in demand for these products day by day increases the demand for these elements. Due to their unique properties, rare earth elements cannot be substituted by other elements in the areas where they are used. The production of these elements has become important due to their strategic use and irreplaceability, as well as the fact that their reserves are very limited. Rare earth elements can be produced by hydrometallurgical methods. Since these elements have similar physical and chemical properties, their tendency to coexist creates problems in their separation. Therefore, hydrometallurgical methods are the only alternative for the production of rare earth metals. Solvent extraction method is a method that allows the separation of metal ions in aqueous solutions using organic solvents. This method is used in both primary and secondary production processes of rare earth elements that are difficult to separate. In the first stage of this method, the organic solvents used selectively bond with certain metal ions according to their properties, this process is called loading. After the loading stage, the metal ions that have passed into the organic phase are detached from the complexes in the organic solvents and passed into the inorganic phase by the next stage called stripping. In this way, the solvent extraction process is completed and metal ions are obtained separated in two separate solutions. In this study, the separation behaviour of rare earth elements taken in solution by solvent extraction process was investigated. The feed solution prepared before the solvent extraction process was obtained by leaching fluorescent phosphorus powder. This leaching process was carried out in a two-step process to ensure that the feed solution contained the minimum amount of impurity. With this process, yttrium and europium, which are rare earth elements in the structure of phosphorus powder, were provided to pass into the solution. The effect of the parameters on the yield of the loading and stripping processes in the solvent extraction process was analysed. According to the results obtained, it was concluded that yttrium could be completely removed from the solution and separated from europium as a result of repeating the loading stage 4 times.