İKİ KADEMELİ LİÇ İŞLEMİ İLE ATIK ALKALİ PİL TOZUNDAN ÇİNKO VE MANGAN KAZANILMASI

Madencilik, 2019, 58(4), 275-286 Mining, 2019, 58(4), 275-286 Orijinal Araştırma / Original Research İKİ KADEMELİ LİÇ İŞLEMİ İLE ATIK ALKALİ PİL TOZUNDAN ÇİNKO VE MANGAN KAZANILMASI RECOVERY OF ZINC AND MANGANESE FROM WASTE ALKALINE BATTERY POWDER BY TWO-STAGE LEACHING PROCESS Gülistan Deniz Turhan Özdemira,*, Nizamettin Demirkırana,** a İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, Malatya,TÜRKİYE Geliş Tarihi / Received : 04 Nisan / April 2019 Kabul Tarihi / Accepted : 10 Temmuz / July 2019 Anahtar Sözcükler: Atık pil, Çinko, Mangan, İki kademeli liç. Keywords: Waste battery, Zinc, Manganese, Two-stage leaching. ÖZ Bu çalışmada, atık alkali pil tozlarındaki çinko ve manganın seçimli çözünürlüğü iki kademeli liç yönteminin uygulanmasıyla incelenmiştir. Birinci liç kademesinde, pil tozundaki çinko sodyum hidroksit çözeltileri kullanılarak çözündürülmüştür. Mangan içeren katı kalıntı filtrasyonla çözeltiden ayrıldıktan sonra ikinci liç kademesinde kullanılmıştır. İkinci liç işleminde melas içeren sülfürik asit çözeltileri liç ajanı olarak kullanılmıştır. Her bir liç basamağında çözelti derişimi, sıcaklık, karıştırma hızı ve katı/sıvı oranının çinko ve mangan çözünmesine olan etkileri araştırılmıştır. Elde edilen bulgular deney parametrelerinin çinko ve mangan çözünmesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Her iki metal için de çözünme veriminin çözücü derişimi, sıcaklık ve karıştırma hızının artmasıyla, katı/sıvı oranının ise azalmasıyla arttığı gözlenmiştir. Sodyum hidroksit derişiminin 1.5 mol/L, reaksiyon sıcaklığının 40 °C, katı/sıvı oranının 2/500 g/mL, karıştırma hızının 500 dev/ dk ve reaksiyon süresinin 120 dk olduğu deney şartlarında atık pil tozundaki çinkonun %77’sinin çözündüğü belirlenmiştir. Sülfürik asit derişimi, reaksiyon sıcaklığı, katı/sıvı oranı, karıştırma hızı ve reaksiyon süresi sırasıyla 1 mol/L, 50 °C, 2/500 g/mL, 500 dev/dk ve 120 dk iken liç kalıntısındaki manganın %85’inin çözündüğü bulunmuştur. ABSTRACT In this work, the selective dissolution of zinc and manganese in the waste alkaline battery powders was investigated by applying two-stage leaching method. In the first-stage of leaching, zinc in the battery powder was dissolved using NaOH solutions. The solid residue containing manganese was separated from the solution by filtration and used in the second leaching step. Sulfuric acid solutions containing molasses was used as leaching agent in the second-stage leaching treatment. In each leaching step, the effects of solution concentration, temperature, stirring speed and solid to liquid ratio on the dissolution of zinc and manganese were examined. The findings obtained showed that the experimental parameters had a significant effect on the dissolution of zinc and manganese. It was observed that the dissolution efficiency for both metal increased with an increase in the solution concentration, temperature and stirring speed, and with a decrease in the solid to liquid ratio. At the experimental conditions of a sodium hydroxide concentration of 1.5 mol/L, a reaction temperature of 40 °C, a solid to liquid ratio of 2/500 g/mL, a stirring speed of 500 rpm, and a reaction time of 120 min., it was determined that 77% of zinc in waste battery powder was dissolved. While concentration of sulfuric acid, temperature, solid to liquid ratio, stirring speed, and reaction time were 1.5 mol/L, 50 °C, 2/500 g/mL, 500 rpm, and 120 min. respectively, it was found that 85% of manganese in the leach residue was dissolved. * Sorumlu yazar / Corresponding author: * https://orcid.org/0000-0003-4749-1989 ** * https://orcid.org/0000-0001-9021-2477 275 G.D.Turhan Özdemir, N.Demirkıran / Scientific Mining Journal, 2019, 58(4), 275-286 GİRİŞ Metal içeren cevher, konsantre veya ikincil bir kaynağın hidrometalurjik yöntemle işlenerek metal ve bileşiklerinin üretiminde, çoğu zaman sülfürik asit gibi kuvvetli asidik bir çözücü kullanılarak liç işlemi gerçekleştirilir. Bununla birlikte amonyum klorür, amonyum sülfat ve amonyum karbonat gibi hafif asidik karaktere sahip çeşitli tuzlar ile amonyak ve sodyum hidroksit gibi bazik özelliğe sahip farklı maddeler de liç işleminde çözücü olarak kullanılmaktadır. Liç işlemi sonucunda kullanılan çözücüye bağlı olarak istenen metalin yanı sıra kaynağın bünyesinde bulunan diğer metaller de az veya çok çözünerek çözelti ortamına geçebilmektedir. Dolayısıyla liç işlemi sonunda genellikle hedef metalle birlikte, safsızlık oluşturan diğer metal türleri de içeren bir çözelti elde edilir. Böyle bir çözeltiden istenen metal değeri kazanmak veya istenmeyen safsızlıkları uzaklaştırmak amacıyla iyon değişimi, adsorpsiyon, sıvı sıvı ekstraksiyonu, sementasyon ve çöktürme gibi ayırma işlemlerinin uygulanması gerekir (Gupta ve Murkherjee, 1990; Venkatachalam, 1998; Rosenqvist, 2004). Ancak bu işlemler her zaman etkili bir biçimde uygulanamayabilir veya birkaç işlemi art arda uygulamak gerekebilir. Bu işlemlerin her biri bir maliyete sahip olduğundan toplam prosesin ekonomisi bundan olumsuz yönde etkilenebilir. Bu durumda değerlendirmeye alınan metal kaynağındaki istenen metali kazanmak maliyetli olabilir. Liç işlemi sonunda istenen metal bakımından zengin bir çözelti elde etmek üzere çeşitli ayırma işlemlerine başvurmak yerine veya bu işlemlerin sayısını azaltmak amacıyla seçimli bir liç işleminin uygulanması ile söz konusu metal değeri yüksek oranda içeren bir çözelti elde etmek mümkün olabilir (Gupta ve Murkherjee, 1990). Bununla birlikte metal kaynağındaki birden fazla metal tür kazanılmak istendiğinde seçimli çözünmeye ilave olarak birden fazla liç işlemi gerçekleştirmek suretiyle hedeflenen metaller bakımından zengin çözeltiler elde etmek de söz konusu olabilir. Çinko ve mangan; endüstrinin en çok faydalandığı demir dışı metaller arasında yer almaktadır. Çinko başlıca boya, kozmetik, gıda, otomobil, deterjan, kuru pil üretimi, tekstil ve deri sektörleri ile metal kaplama gibi alanlarda kullanılmaktadır. Mangan ise demir çelik sektöründe, ferro manganez üretiminde, 276 alüminyum alaşımlarında, gübre, cam, boya, kuru pil ve seramik üretimi ile petrokimya ve elektronik sektöründe kullanım alanı bulmaktadır. Çinko üretiminde temel hammadde kaynağı sfalerit gibi sülfürlü çinko cevherleri olmakla birlikte, smitsonit gibi oksitli cevherlerden de çinko ve bileşiklerinin üretiminde hammadde olarak yararlanılmaktadır. Mangan için temel hammadde kaynağı ise piroluzittir. Bunların yanı sıra hammadde kaynaklarının azalması ve çevre korumaya yönelik duyarlılığın artması gibi başlıca ekonomik ve çevresel sebeplerden ötürü günümüzde çinko ve mangan içeren çeşitli atıklar da sözü edilen metaller için ikincil hammadde kaynakları olarak değerlendirilmektedir (Rabah ve El-Sayed, 1995; Jha vd., 2001; Seyed Ghasemi ve Azizi, 2017; Xionga vd., 2018; Yamaguchi vd., 2018). Alkali çinko mangan dioksit ve çinko karbon pillerin üretiminde metalik çinko ve mangan dioksit sırasıyla anot ve katot olarak kullanıldık (...truncated)