Atık pil tozlarından iki kademeli liç yönteminin uygulanmasıyla çinko ve manganın kazanılmasının araştırılması
Investigation of recovery of zinc and manganese by application of two-stage leaching method from waste battery powders
Yazar: GÜLİSTAN DENİZ TURHAN ÖZDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. NİZAMETTİN DEMİRKIRAN
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, atık alkali çinko mangan dioksit ve atık çinko karbon pillerdeki çinko ve manganın hidrometalurjik yöntemle kazanılması incelenmiştir. Deneysel çalışmalar atık pil tozlarının liçi, mangan liçi için optimum değerlerin belirlenmesi ve çözeltiden kazanma olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Mekanik ayırma işlemi uygulanarak atık alkali çinko mangan dioksit pillerden hazırlanan üç farklı bileşime sahip pil tozu liç deneylerinde materyal olarak kullanılmıştır. Mekanik ayırma işlemi ile hazırlanmış olan sadece çinko oksit ve sadece mangan oksitleri içeren atık pil tozları birbirinden ayrı olarak liç işlemine tabi tutulmuştur. Daha sonra çinko oksit ve mangan oksitleri birlikte içeren pil tozlarına iki kademeli liç yöntemi uygulanmıştır. Pil tozlarındaki çinko oksit ve mangan oksitleri çözmek için sırasıyla sodyum hidroksit ve sülfürik asit liç reaktifleri olarak kullanılmıştır. Çinko liç deneylerinde sodyum hidroksit derişimi, reaksiyon sıcaklığı, katı/sıvı oranı, ortalama tane boyutu ve karıştırma hızının çözünme hızı üzerine olan etkileri incelenmiştir. Kinetik değerlendirme sonucunda atık pil tozlarındaki çinko oksidin çözünme kinetiğinin Avrami modeline uyduğu ve çözünme prosesinin difüzyon kontrollü olduğu belirlenmiştir. Mangan liç deneylerinde sülfürik asit derişimi, reaksiyon sıcaklığı, katı/sıvı oranı, ortalama tane boyutu, melas miktarı ve karıştırma hızının çözünme hızı üzerine olan etkileri araştırılmıştır. Atık pil tozlarındaki mangan oksitlerin çözünme kinetiğinin karışık kinetik modele uyduğu ve çözünme prosesinin kimyasal reaksiyon kontrollü olduğu tespit edilmiştir. Mangan liçi için optimum parametre değerlerini belirlemek için yapılan deneylerde atık alkali çinko mangan dioksit ve çinko karbon pillerden hazırlanan atık pil tozu materyal olarak kullanılmıştır. Sülfürik asit derişimi, reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresi bağımsız değişkenler olarak seçilmiş ve çözünürlüğe etki eden parametre değerlerini optimize etmek için yanıt yüzey yöntemi kullanılmıştır. Liç işlemlerinden sonra oluşan çözeltilerdeki çinko ve mangan iyonları sodyum bikarbonat çözeltisi kullanılarak karbonat bileşikleri halinde kazanılmıştır. Elde edilen karbonat bileşiklerinden izotermal kalsinasyon ile çinko oksit ve mangan dioksit bileşikleri üretilmiştir.

Abstract:
In this study, the recovery of zinc and manganese in waste alkaline zinc manganese dioxide and waste zinc-carbon batteries was investigated by hydrometallurgical method. The experimental studies were performed in three stages which of the leaching of waste battery powders, determination of optimum values for manganese leaching, and recovery from solution. Battery powders having three different compositions prepared from waste alkaline zinc manganese dioxide batteries were used as material in the leaching experiments. The waste battery powders containing only zinc oxide and only manganese oxides prepared by mechanical separation process were subjected to the leaching process separately from each other. Then, two-stage leaching procedure was applied to waste battery powders including both zinc oxide and manganese oxides together. To dissolve zinc oxide and manganese oxides in waste battery powders, sodium hydroxide and sulfuric acid were used as the leaching reagents, respectively. In zinc leaching tests, the effects of the concentration of sodium hydroxide, reaction temperature, solid/liquid ratio, average particle size and stirring speed on the dissolution rate were investigated. In consequence of the kinetic evaluation, it was determined that the dissolution kinetics of zinc oxide in waste battery powders fit the Avrami model and the dissolution process was controlled by diffusion. In manganese leaching experiments, the effects of the concentration of sulfuric acid, reaction temperature, solid/liquid ratio, average particle size, amount of molasses and stirring speed on the dissolution rate were examined. It was found that the dissolution kinetics of manganese oxides in waste battery powders fit the mixed kinetic model and the dissolution process was controlled by chemical reaction. In the experiments performed to determine the optimal parameter values for manganese leaching, waste battery powder prepared from waste alkaline zinc manganese dioxide and zinc carbon batteries was utilized as material. The concentration of sulfuric acid, reaction temperature and reaction time were selected as independent variables, and response surface method was used to optimize the parameter values that have an effect on the dissolution. Zinc and manganese ions in the resulting solutions after the leaching processes were recovered in the form of carbonate compounds using sodium bicarbonate solution. Zinc oxide and manganese dioxide compounds were produced by isothermal calcination from the obtained carbonate compounds.