Kömür yıkama tesisi artıklarından kömür ve nadir toprak elementlerinin kazanımı
Recovery of coal from coal washery waste slimes and rare earth elements
Yazar: NAZLIM İLKYAZ DİNÇ
Danışman: DOÇ. DR. FIRAT BURAT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Cevher Hazırlama Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Nadir toprak elementleri (NTE) sahip oldukları benzersiz özellikler sayesinde çok 
çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Katalizör, seramik, elektronik, enerji, cam, 
manyetizma, ilaç, optik ve metalürji alanlarında önemli bir yere sahiptir. NTE rezervi 
ve üretimi konusunda en büyük paya sahip olan Çin'in uygulamış olduğu strateji ile 
NTE'ye olan talep giderek artmaktadır. Birincil kaynakların yanı sıra ikincil 
kaynaklardan NTE kazanımı son yıllarda öne çıkan çalışma konularından biri 
olmuştur. Bu ikincil kaynaklardan özellikle kömür ve kömür yan ürünleri birçok 
ülkenin dikkatini çekmiştir. Kömür yıkama tesisi artıkları hem NTE'nin hem de 
kömürün kazanılması için potansiyel bir ikincil kaynak niteliğindedir.
Bu tez kapsamında, Manisa-Soma bölgesinde yer alan İmbat A.Ş.'ye ait kömür yıkama 
tesisi artıklarından NTE ve kömür kazanımı araştırılmıştır. Taneler arasındaki özgül 
ağırlık farkına dayalı olarak ayırma işlemleri yapmak amacıyla sarsıntılı masa ve 
santrifüjlü ayırıcılar (MGS, Knelson, Falcon) tercih edilerek fiziksel zenginleştirme 
işlemleri gerçekleştitilmiştir. Fizikokimyasal (flotasyon) zenginleştirme çalışmaları 
kapsamında, Denver flotasyon hücresi kullanılarak toplayıcı miktarı, köpürtücü cinsi
(MIBC, İzooktanol) ve miktarının karbon uzaklaştırma üzerindeki etkisi 
araştırılmıştır. Kimyasal zenginleştirme çalışmalarında ise kömür artıklarına doğrudan 
asit liçi, oksitleyici kavurma + asit liçi, alkali kavurma + asit liçi, asit ile pişirme + su 
liçi, oksitleyici kavurma + asit ile pişirme + su liçi deneyleri yapılarak NTE 
konsantrasyonu yüksek bir yüklü çözelti üretimi amaçlanmıştır.
Elek analizi sonuçlarına göre numunenin d80 boyutu yaklaşık 57 µm olarak 
bulunurken, 38 µm altındaki fraksiyonun d80 boyutu ise 22 µm olarak tespit edilmiştir. 
Kimyasal analiz sonuçlarına göre temsili numune %52,16 SiO2, %20,28 Al2O3, 
%13,01 CaO, %4,97 Fe2O3 ve %2,87 SO3 içermektedir. ΣNTE içeriği ise 150 g/t 
olarak tespit edilmiştir. XRD analiz sonuçları malzemenin Ca-smektit, illit-mika, 
klorit-kaolinit, kuvars, feldspat, kalsit, pirit ve amorf maddeden oluştuğunu 
göstermiştir.
+106 µm boyutunda sınıflandırılmış numune kullanılarak yapılan sarsıntılı masa 
deneyi sonucuna göre, 5811 kcal/kg kalorifik değere sahip bir lave ürünü %10,5 kül 
içeriği ile elde edilmiştir. Bu fraksiyona ait ΣNTE içeriği 41 g/t iken, yapılan 
zenginleştirme işlemi sonucunda şistte ΣNTE içeriği 109 g/t'a yükselmiştir. Santrifüj 
kuvvetinin etkisinin incelendiği deneyler ise 106 µm boyutunun altında 
gerçekleştirilmiştir. Multi gravite ayırıcısı (MGS) ile yapılan deney sonucunda ΣNTE 
içeriği 195 g/t olan bir ağır ürün %15,7 verim ile elde edilmiştir. Knelson 
konsantratörü ile yapılan deney sonucuna göre ağır ve hafif ürünün kül içerikleri 
birbirine oldukça yakındır ve ΣNTE içeriğinde belirgin bir değişiklik gözlenmemiştir. 
Özgül ağırlık farkına dayalı bir ayırmadan ziyade boyuta göre bir ayırım 
xxii
gerçekleşirken, ağır üründeki kül içeriğinin daha çok kalsit ve kuvarstan, hafif üründe 
ise kil minerallerinden (Ca-smektit, illit-mika, klorit-kaolinit) kaynaklanmıştır. Falcon 
konsantratörü ile yapılan deney sonucunda en yüksek ΣNTE içeriği 423 g/t olarak elde 
edilmiştir. Tanecik üzerine uygulanan santrifüj kuvveti arttıkça elde edilen ürünün kül 
içeriği ve ΣNTE içeriği artış göstermektedir.
Malzeme içerisinde bulunan ince boyutlu karbonu hidrometalurjik işlemler öncesinde 
uzaklaştırmak amacıyla flotasyon deneyleri yapılmış olup, toplayıcı miktarı, 
köpürtücü cinsi ve miktarının etkisi incelenmiştir. Yüksek kül ve NTE içeriğine sahip 
bir batan ürün (şist) üretilememiştir. 
-106 µm fraksiyonunda, hidrosiklon kullanılarak elde edilen üst akım ürünü (d90:29 
µm) kimyasal zenginleştirme deneyleri için kullanılmıştır. Doğrudan asit liçi 
deneylerinde katı:sıvı oranı 1:10, sıcaklık 80°C, liç süresi 2 saat, karıştırma hızı 500 
dev/dak ve 1 mol/L, 2 mol/L, 4mol/L H2SO4 konsantrasyonları seçilmiştir. 4 mol/L 
H2SO4 konsantrasyonunda çözeltideki ΣNTE içeriği 560 g/t'a yükselirken, ΣNTE 
içeriği kekte 140 g/t'a düşmüştür. Oksitleyici kavurma ön işleminin yapıldığı asit liçi 
deneylerinde, 600 °C'de kavurma yapılan ürün daha sonra asit liçine beslenmiştir. Liç 
koşulları doğrudan asit liçi ile benzerdir. 2 mol/L H2SO4 kullanıldığı durumda 
çözeltideki ΣNTE içeriği 1716 g/t'a yükselirken, kekteki ΣNTE içeriği 148 g/t'a 
düşmüştür. Alkali kavurma ön işleminin etkisinin incelendiği deneylerde alkali 
(Na2CO3):katı oranı 1:1 olarak seçilerek 850 °C'de kavurma işlemi 
gerçekleştirilmiştir. 2 mol/L H2SO4 kullanıldığında çözeltideki ΣNTE içeriği 127 g/t 
iken kekte kalan ΣNTE içeriği 193 g/t olmuştur. Asit ile pişirme deneylerinde sıcaklık 
250 °C, asit:katı oranları 1:2,1:1,2:1 ve pişirme süresi 1 saat seçilmiştir. En iyi sonuç 
2:1 asit:katı oranında elde edilirken, çözeltideki ΣNTE içeriği 434 g/t'a yükselmiştir. 
Kimyasal işlemler sonucunda kekteki en düşük ΣNTE içeriğine (32 g/t) ve en yüksek 
ΣNTE çözünme verimine (%90,8) bu deney sonucunda ulaşılmıştır.

Abstract:
Rare earth elements (REEs) are used in a wide variety of areas thanks to their unique 
properties. They have an important place in catalyst, ceramics, electronics, energy, 
glass, magnetism, medicine, optics and metallurgy. With the strategy implemented by 
China, which has the largest share in REE reserves and production, the demand for 
REE is gradually increasing. In addition to primary sources, the recovery of REE from 
secondary sources has been one of the prominent study topics in recent years. Among 
these secondary sources, especially coal and coal by-products have attracted the 
attention of many countries. Coal washing plant residues are a potential secondary 
source for the recovery of both REE and coal.
Within the scope of this thesis, the recovery of REE and coal from the coal washing 
plant residues of Imbat A.Ş. located in Manisa-Soma region was investigated. Physical 
beneficiation processes were carried out using shaking table and centrifugal separators 
(MGS, Knelson, Falcon) in order to perform separation processes based on the specific 
gravity difference between grains. Within the scope of physicochemical (flotation) 
beneficiation studies, Denver flotation cell was used to investigate the effect of the 
amount of collector, type and amount of frother (MIBC, Isooctanol) on carbon 
removal. In chemical beneficiation studies, direct acid leaching, oxidizing roasting + 
acid leaching, alkaline roasting + acid leaching, acid baking + water leaching, 
oxidizing roasting + acid baking + water leaching experiments were carried out to 
produce a pregnant solution with high REE concentre.
According to the sieve analysis results, the d80 size of the sample was found to be 
approximately 57 µm while the d80 size of the fraction below 38 µm was determined 
as 22 µm. According to the chemical analysis results, the representative sample 
contains 52.16% SiO2, 20.28% Al2O3, 13.01% CaO, 4.97% Fe2O3 and 2.87% SO3. 
ΣREE content was determined as 150 g/t. XRD analysis results showed that the 
material consists of Ca-smectite, illite-mica, chlorite-kaolinite, quartz, feldspar, 
calcite, pyrite and amorphous material.
According to the results of the shaking table test using a sample classified in +106 µm 
size, a clean coal product with a calorific value of 5811 kcal/kg was obtained with an 
ash content of 10.5%. The ΣREE content of this fraction was 41 g/t, while the ΣREE 
content of the gang increased to 109 g/t as a result of the beneficiation process. The 
experiments in which the effect of centrifugal force was investigated were carried out 
below 106 µm size. A heavy product with a ΣREE content of 195 g/t was obtained 
with a recovery of 15.7% as a result of the experiment with the Multi gravity separator 
(MGS). According to the results of the experiment with the Knelson concentrator, the 
ash contents of the heavy and light product were very close to each other and no 
significant change in the ΣREE content was observed. The ash content of the heavy 
product was mainly due to calcite and quartz, whereas that of the light product was 
due to clay minerals (Ca-smectite, illite-mica, chlorite-kaolinite). The highest ΣREE
content of 423 g/t was obtained in the Falcon concentration test. As the centrifugal 
force applied on the particle increases, the ash content and ΣREE content of the product 
increases.
Flotation experiments were carried out in order to remove the fine-sized carbon in the 
material before hydrometallurgical processes, and the effect of the amount of collector, 
type and amount of frother was examined. A sinking product (shale) with high ash 
and REE content could not be produced.
According to the results of the experiment, in which the effect of the collector amount 
was examined within the scope of flotation experiments, the highest ΣREE content in 
the sinking product was 197 g/t, with a recovery efficiency of 65.1%, using a total of 
12000 g/t kerosene. According to the results of the experiment in which the effect of 
the frother type was examined, the highest ΣREE content in the sinking product was 
186 g/t, with a recovery efficiency of 62.7%.
To produce a feed for chemical enrichment experiments, the -106 µm fraction was 
subjected to the hydrocyclone and the overflow product (d90: 29 µm) was obtained. In 
direct acid leaching experiments, solid:liquid ratio of 1:10, temperature of 80°C, 
leaching time of 2 hours, stirring speed of 500 rpm and H2SO4 concentrations of 1 
mol/L, 2 mol/L, 4 mol/L were selected. At 4 mol/L H2SO4 concentration, ΣREE 
content in the solution increased to 560 g/t, while ΣREE content in the filter cake 
decreased to 140 g/t. In acid leaching experiments where oxidising roasting 
pretreatment was performed, the product roasted at 600 °C was then fed to acid 
leaching test. Leaching conditions were kept similar to direct acid leaching. When 2 
mol/L H2SO4 was used, the ΣREE content in the solution increased to 1716 g/t, while 
the ΣREE content in the filter cake decreased to 148 g/t. In the experiments where the 
effect of alkali roasting pretreatment was investigated, alkali (Na2CO3): the solid ratio 
was selected as 1:1 and roasting test was carried out at 850 °C. When 2 mol/L H2SO4
was used, the ΣREE content in the solution was 127 g/t, while ΣNTE content in the 
filter cake was 193 g/t. The other parameters were kept as temperature of 250 °C, acid:
solid ratios of 1:2, 1:1, 1:1, 2:1, and baking time of 1 hour. The best result was obtained 
at a 2:1 acid: solid ratio and the ΣREE content in the solution increased to 434 g/t. The 
lowest ΣREE content in the cake (32 g/t) and the highest ΣREE dissolution efficiency 
(90.8%) were obtained as a result of this experiment.