Derin ötektik çözücüler kullanılarak lityum içeren borlu atıklardan lityum ekstraksiyonunun incelenmesi
Investigation of lithium extraction from lithium containing boron wastes by using different deep eutectic solvents
Yazar: İLAYDA ECE ERDEN
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Lityum, dünya üzerinde kısıtlı yerlerde bulunan ve kimyasal özelliklerinden dolayı günümüzde özellikle lityum-iyon pillerde çok kullanılan bir elementtir. Lityumun küresel önemi, hem var olan üretim tekniklerinin geliştirilmesine yönelik yapılan çalışmaları hem de pil atıkları, lityum içeren bor atıkları gibi atıklardan lityumun geri kazanılması için yapılan araştırmaları artırmıştır.
Bu tez çalışmasında Eskişehir Kırka Eti Maden İşletmeleri borlu atığında bulunan lityum(I) iyonlarının ekstraksiyonunda petrokimyasal çözücülerin yerine çevreci özellik gösteren uygun maliyetli derin ötektik çözücülerin (DÖÇ) (deep eutectic solvent/DES) kullanılması araştırılmıştır.
Çalışmaların ilk kısmında öncelikle bor atığının yapısı FTIR, XRD, TGA ve SEM/EDS'de incelenmiş, bor atığının smektit türünde lityumlu kil yapısı içerdiği, ana bileşenlerinin dolomit ve tinkalkonitten oluştuğu tespit edilmiştir.  
Kesikli karıştırmalı sistemde gerçekleştirilen ekstraksiyon çalışmalarında öncelikle referans olarak farklı derişimlerdeki H2SO4 çözeltileri çözücü olarak kullanılarak, borlu atıktaki lityum(I) ekstraksiyonu katı(borlu atık miktarı)/sıvı (çözücü hacmi) oranının ve sıcaklığın fonksiyonu olarak incelenmiştir. Daha sonra hidrojen bağ alıcısı olarak kolin klorürden ve hidrojen bağ vericisi olarak üre/etilen glikol/laktik asit/p-toluen sülfonik asitten oluşan çeşitli DÖÇ türleri hazırlanarak borlu atıktan lityum(I) ekstraksiyonu araştırılmıştır. Son olarak uygun DÖÇ türü belirlenerek lityum(I) ekstraksiyonuna yine katı/sıvı oranının, sıcaklığın ve karıştırma hızının etkileri incelenmiştir. Bulunan sonuçlar kolin klorür (ChCl), saf su ve p-toluen sülfonik asit(PTSA)ten 1:2:1 (mol/mol/mol) oranında hazırlanan DÖÇ'ün yüksek sıcaklıklarda ve karıştırma hızlarında H2SO4 çözeltisine göre daha yüksek hız ve verimde lityum(I) ekstraksiyonu sağladığını göstermiştir. 20 g/L katı/sıvı oranında, 100°C sıcaklık ve 200 rpm karıştırma hızında 1,63 M'lık H2SO4 çözeltisine 68,8 mg/L lityum(I) ekstraksiyonu gerçekleşmişken, bu değer DÖÇ'e ekstraksiyonda aynı katı/sıvı oranında 120°C sıcaklık ve 400 rpm karıştırma hızında yaklaşık 6 katı artarak 374,9 mg/L'ye ulaşmıştır. 
Her iki çözücüde lityum(I) ekstraksiyon davranışı ikinci derece kinetik model ile açıklanmıştır.
Elde edilen sonuçlar lityum(I) seçiciliği açısından incelendiğinde 1,63 M H2SO4 çözücüsüne ve kolin klorür, saf su ve p-toluen sülfonik asit(PTSA)ten 1:2:1 (mol/mol/mol) oranında hazırlanan DÖÇ'e borlu atıktan lityum(I) iyonlarının yanı sıra oldukça yüksek derişimlerde potasyum(I), sodyum(I), kalsiyum(II) ve magnezyum(II) iyonlarının da geçtiğini göstermiştir.

Abstract:
Lithium is an element that is found in limited places in the world and is widely used today, especially in lithium-ion batteries, due to its chemical properties. The global importance of lithium has increased both the studies on the development of existing production techniques and the research on the recovery of lithium from wastes such as battery waste and lithium-containing boron waste. 
In this thesis study, the use of environmentally friendly and cost-effective deep eutectic solvents (DES), instead of petrochemical solvents, was investigated in the extraction of lithium(I) ions in boron waste obtained from Eti Maden in Eskişehir Kırka. 
In the first part of the studies, the structure of boron waste was examined using FTIR, XRD, TGA and SEM/EDS and it is determined that boron waste contains a smectite type lithium clay structure and its main components consist of dolomite and tincalconite. 
In the extraction studies carried out in the batch stirred system, firstly, H2SO4 solutions of different concentrations were used as reference solvents, and lithium(I) extraction from boron waste was examined as a function of the solid (amount of boron waste)/liquid (solvent volume) ratio and temperature. Then, the extraction of lithium(I) from boron waste was investigated by preparing various types of DES consisting of choline chloride as a hydrogen bond acceptor and urea/ethylene glycol/lactic acid/p-toluene sulfonic acid as a hydrogen bond donor. Finally, the appropriate DES type was determined and the effects of solid/liquid ratio, temperature and mixing speed on lithium(I) extraction were examined. The results showed that lithium(I) extraction at high temperatures and mixing speeds using DES, which is prepared from choline chloride, pure water and p-toluene sulfonic acid in a ratio of 1:2:1 (mol/mol/mol), provides lithium(I) extraction at higher speed and efficiency than H2SO4 solution. While 68,8 mg/L lithium(I) was extracted into 1,63 M H2SO4 solution at 20 g/L solid/liquid ratio, 100°C temperature and 200 rpm stirring speed; this value was increased approximately 6 times and 374,9 mg/L lithium(I) was extracted into DES at the same solid/liquid ratio, at 120°C temperature and 400 rpm stirring speed.
Lithium(I) extraction behavior in both solvents was described by a second-order kinetic model.
When the results were examined in terms of lithium (I) selectivity, it was seen that, in addition to lithium (I) ions; potassium(I), sodium(I), calcium(II) and magnesium(II) ions also passed into the 1,63 M H2SO4 solvent and DES prepared from choline chloride, pure water, and p-toluene sulfonic acid in a 1:2:1 (mol/mol/mol) ratio at much higher concentrations.