Lateritik nikel-kobalt cevherlerinin liç sonrası kademelerinden farklı iyon değişim reçineleri kullanarak değerleri metallerin kazanımı
Achievement of value metals from post-leaching stages of lateritic nickel-cobalt ores using of different ion exchange resins
Yazar: HİLAL SEDA KUTLUATA
Danışman: PROF. DR. ÖZKAN MURAT DOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Kristalleşme = Crystallization ; Lateritik cevher = Lateritic ore ; Liçing = Leaching ; Nikel = Nickel ; İyon değişimi = Ion exchange

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında Gördes lateritik nikel cevherlerinin yüksek basınçlı sülfürik asit liçi yöntemine alternatif olarak atmosferik basınç altında fosforik asit ile liç prosesi geliştirilmesi ile batarya endüstrisinde önemli bir yere sahip katot hammaddelerden olan nikel sülfat hekzahidrat eldesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda %70 limonit-%30 nontronit özellikteki cevherin atmosferik koşullarda fosforik asit ile liç çalışmaları gerçekleştirilmiş ve sülfürik asit için hem atmosferik laboratuvar koşullarında hem de endüstrideki mevcut yüksek basınçlı koşullardaki liç yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Cevhere ön ısıl işlem uygulanması sonrası fosforik asit liçi ile düşük demir içeren liç çözeltisi eldesi için uygun liç koşulları tespit edilmiştir. Fosfatlı liç ortamından nikel kazanım için uygun iyon değiştirici reçinenin ve çalışma koşullarının tespiti ile ilgili çalışmalar yapılarak nikelin sülfatlı ortamlardan kazanımının yapıldığı çalışmalara, fosfatlı ortamlardan yapılan kazanım çalışmaları ile yenilik getirilmiştir. İyon değişimi çalışmaları hem yükleme hem de desorpsiyon koşulları bakımından geliştirilerek çalkalama testlerinden elde edilen veriler kolonda çalışılmıştır. 4,5 g/L nikel içeriğinin yanı sıra kobalt, mangan, demir, alüminyum, magnezyum gibi safsızlıklara da sahip olan desorpsiyon çözeltisinden antisolvent kristalizasyonu yöntemi kullanılarak batarya endüstrisine hizmet edecek nitelikte nikel sülfat eldesi çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çözeltideki başlıca metaller olan nikel, kobalt ve demir sülfat için ayrı ayrı farklı oranlarda hem aseton-su hem de isopropanol-su karışımlarında çözünürlük değerleri tespit edilmiştir. Antisolvent olarak hem geri kazanım kolaylığı hem de çöktürme verimleri ve kristal morfolojisi avantajı dolayısıyla aseton kullanılmasına karar verildikten sonra desorpsiyon çözeltisinden elde edilen nikel sülfat kristalinin kalitesini artırmaya yönelik safsızlık kontrolü çalışmaları gerçekleştirilmiştir.  Saf asetonun 5 ml/dk ekleme hızında eklenirken 0,5 ml/dk hıza düşürüldüğünde sentezlenmiş olan saf nikel sülfat çekirdeğinin ilave edilmesi ile %22,3 Ni içeren NiSO4.6H2O kristalleri %63,5 verim ve %99,8 saflıkta elde edilmiştir. Geliştirilen proses ile elde edilen kristallerin klasik buharlaştırma-soğutma yöntemi ile kristalizasyonu arasında kg nikel sülfat başına gereken enerji için basit hesaplamalar yapılmış ve antisolvent kristalizasyonu ile yaklaşık 1,5 kat daha az enerji sarfiyatı ile kristal elde edilebileceği görülmüştür. Tez çalışmasında izlenen liç yönteminin mevcut yüksek basınçlı liç yöntemi ile karşılaştırılması yapılmış, tez çalışmasında kurgulanan prosesin teknik ve ekonomik anlamda basınçlı liçe kıyasla daha güvenli ve ekonomik bir proses olduğu görülmüştür.

Abstract:
In the scope of this thesis, it is aimed to obtain nickel sulfate hexahydrate, which is an important cathode raw material in the battery industry, by developing a leaching process with phosphoric acid under atmospheric pressure as an alternative to the high pressure sulfuric acid leaching method of Gördes lateritic nickel ores. For this purpose, leaching of 70% limonite-30% nontronite ore with phosphoric acid under atmospheric conditions was carried out and compared with the leaching method for sulfuric acid both in atmospheric laboratory conditions and in high pressure conditions in the industry. Suitable leaching conditions were determined for obtaining phosphoric acid leaching and low iron-containing leaching solution after pre-heating of the ore. Studies have been carried out to determine the suitable ion exchange resin and operation conditions for nickel recovery from phosphate media, and innovations have been brought to the studies in which nickel is recovered from sulphate medias, with recovery studies made from phosphate media. Ion exchange studies were developed in terms of loading and desorbing, and the datas obtained from the shaking tests were studied in the column. Studies have been carried out to obtain nickel sulphate, which will serve the battery industry, by using the antisolvent crystallization method from the desorption solution, which has impurities such as cobalt, manganese, iron, aluminum and magnesium, as well as a nickel content of 4.5 g/L. Solubility values were determined separately for nickel, cobalt and iron sulfate, which are the main metals in the solution, in both acetone-water and isopropanol-water mixtures at different ratios. After it was decided to use acetone as an antisolvent due to its ease of recovery, precipitation efficiency and crystal morphology advantage, impurity control studies were carried out to increase the quality of the nickel sulfate crystal obtained from the desorption solution. NiSO4.6H2O crystals containing 22.3% Ni were obtained in 63.5% yield and 99.8% purity by adding the synthesized pure nickel sulfate core when pure acetone was added at 5 ml/min addition rate and reduced to 0.5 ml/min until O/S=2 ratio is obtained. Basic calculations of the energy required per kg nickel sulfate were made between the crystallization of the crystals obtained with the developed process by the classical evaporation-cooling method, and it was seen that crystals could be obtained with approximately 1.5 times less energy consumption with antisolvent crystallization. The leaching method followed in the thesis study was compared with the existing high pressure leaching method, and it was seen that the process designed in the thesis study is a safer and more economical process compared to the pressure leaching in technical and economic terms.