Boksit atığı içerisinde yer alan nadir toprak elementlerinin hidrometalurjik yöntemlerle geri kazanımı
Recovery of rare earth elements from bauxite residue with hydrometallurgical processes
Yazar: BAYRAM ÜNAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YASİN RAMAZAN EKER
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Boksit cevheri, bayer prosesi ile işlenerek alümina üretiminde kullanılmaktadır. Proses devam ederken saf alümina eldesi için yapılan işlemlerden olan filtrasyon esnasında katı-sıvı ayrıştırılır ve kırmızı çamur olarak adlandırılan çözünmeyen bileşikler uzaklaştırılır. Bu uzaklaştırma işleminden sonra kırmızı çamur barajı ismi verilen barajlarda depolanmaktadır. Kostik soda içermesi ve pH değerinin yüksek olması ve depolanmasında kullanılan baraj için geniş araziye ihtiyaç duyulması sebebiyle de çevre sorunlarına da neden olmaktadır. Bu sorunların yanı sıra boksit atığının içeriğinde demir, alüminyum, titanyum elementleri ile beraber nadir toprak elementlerini de barındırmaktadır. Nadir toprak elementleri, birçok teknolojik üründe kullanılmaktadır. Nadir toprak elementleri aslında yerkabuğunda anıldığı gibi nadir miktarlarda değildir. Ancak ekonomik olarak çıkartılmasının çok maliyetli olması sebebiyle bu şekilde isimlendirilmiştir. Nadir toprak element madenciliği, maliyetli proseslere ve az miktarlarda kazanım olması sebebiyle kısıtlı olarak yapılabilmektedir. Diğer taraftan, teknolojik ürünlerde çok fazla kullanılmasından kaynaklı olarak, talep edilen miktarların karşılanamaması gibi durumlarda ve artan taleplere bağlı olarak piyasalarda fiyat değişimlerinin olması, üretimlerin aksamasına neden olabilmektedir. Sürdürülebilir nadir toprak elementi ithalat ve ihracatı, ekonomik akış zincirinde sürdürülebilirliği açısından yapılan çalışmalar günümüzde hız kazanmıştır. 
Bu çalışmalar içerisinde yer alan yöntemlerden birisi ise ikincil hammadde olarak geri kazanımıdır. Bu tez çalışmasının temel amacı hidrometalurjik prosesler kullanılarak, boksit atığına ön işlem uygulamadan, minimum asit miktarının tüketimi, yüksek verim, düşük maliyetli geri kazanım yöntemlerinin tespiti üzerine yapılacaktır.
Seydişehir Eti Alüminyum tesisinden temin edilen kırmızı çamur, fiziksel ve kimyasal karakterizasyon yöntemleri kullanılarak, kırmızı çamur içeriği tespit edilmiştir. Bu tez çalışmasında nadir toprak elementleri içerisinde yer alan Ce, La, Nd, Y elementlerinin yanı sıra Sc elementine odaklanılmıştır. Nadir toprak elementlerinin, liç işlemleri sonucunda çözeltiye alınabilmesi için, hidroklorik asit ve sülfürik asitleri kullanılarak, farklı asit derişimleri, farklı sıcaklıklar, katı/sıvı oranı ve liç süreleriyle olan ilişkilerin yanı sıra, katkı maddesinin eklenmesi ile verim üzerinde ki etkisi değerlendirilerek, uygulanabilir çalışma parametrelerinin belirlenmiştir. Hidroklorik asit ile doğrudan liç ve yüksek basınçlı liç yöntemlerinde odaklandığımız Ce, La, Nd, Y, Sc elementleri yüksek verimlerle çözeltiye alınmıştır.
Sülfürik asit (H2SO4) doğrudan liç ve basınçlı liç (otoklav) deneylerinde Sc elementi yüksek verim ile çözeltiye alınmıştır. Nadir toprak elementlerinin verimi çok düşük olması sebebiyle Sc elementinin, sülfürik asit ile seçici olarak ayrıştığı görülmüştür. Farklı sıcaklarda yapılan deneylerde, farklı verim değerlerine ulaşılmıştır. Bu çalışmaların yanı sıra sülfürik asitli deneylere ayrıca katkı maddesi olarak hidrojen peroksit ve oksalik asitte eklenmiştir. Katkı maddelerinin eklenmesiyle çözeltiye alınan Sc verimlerinde yükselme olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Bauxite ore is processed by the Bayer process and used in the production of alumina. During filtration, which is one of the processes performed to obtain pure alumina, solid-liquid is separated and insoluble compounds called bauxite residue or red mud are removed. After this removal process, it is stored in dams called red mud dam. It also causes environmental problems because it contains caustic soda, has a high pH value and requires large land for the dam used for its storage. On the other hand, bauxite residue also contains rare earth elements as well as iron, aluminum and titanium elements. Rare earth elements are used in many technological products. Rare earth elements are not actually rare in the earth's crust, as they are called. However, they are called as such because they are very costly to extract economically. Rare earth element mining can be done on a limited basis due to costly processes and small amounts of recovery. The problems such as not being able to meet the demanded quantities due to the excessive use of technological products and the price changes in the markets due to the increasing demands may cause the production to be interrupted. The studies carried out in terms of finding sustainable rare earth elements in the financial flow of supply chain have gained momentum today. 
One of these studies is recycling as secondary raw material. The main purpose of this thesis will be to determine the minimum acid consumption, high efficiency, low cost recovery methods without pretreatment of bauxite residue by using hydrometallurgical processes.
The content of red mud obtained from Seydişehir Eti Aluminum plant was determined by using physical and chemical characterization methods. Hydrochloric acid and sulfuric acids were used to take rare earth elements into solution by direct leaching and high pressure acid leaching processes. 
Relationships with different acid concentrations, temperatures, solid/liquid ratio and leaching times were investigated. By adding additives, the effect on the yield was examined, and the applicable working parameters were determined. In the direct leaching and high pressure acid leaching with hydrochloric acid; the Ce, La, Nd, Y, Sc elements, which were the main focus from the rare earth elements, were taken into the solution with high yields. In the sulfuric acid, direct leaching and high pressure acid leaching methods were applied. The yields of rare earth elements remained low but Sc element was taken into the solution with high yields due to the selective leaching. High pressure acid leaching experiments were also carried out at different temperatures. As a result Sc element was taken into the solution with different high yields. To determine the effectiveness of additives, hydrogen peroxide and oxalic acid were added to sulfuric acid. It was observed that the Sc element was taken into the solution with higher yields.