Eskişehir Beylikova bastnazit kompleks cevherinin karakterizasyonu ve farklı kalsinasyon koşullarının solvoliç verimine etkisinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışma, ülkemizin en önemli zenginliklerinden biri olan ve Eskişehir bölgesinde bulunan bastnazit cevherinden mevcut yöntemler ile kıyaslandığında daha çevreci bir yöntem olan solvometalurji ile nadir toprak elementlerinin (NTE) çözeltiye alınmasında ilk iki adım olan cevherin karakterizasyonu ve maksimum solvoliç veriminin eldesi için optimum kalsinasyon koşullarının belirlenmesini hedeflemektedir. Son dönemde literatürde çalışılan en popüler konular arasında canlı hayata ve cansız çevreye kısa-orta ve uzun vadede kalıcı zarar verebilecek zehirli ve/veya zararlı kimyasalların olası tehlikelerinin önlenmesi, azaltılması ya da alternatiflerinin bulunması yer almaktadır. Solvometalurji, klasik çözümlendirme işleminde yer alan su, asit ve baz kullanımını ortadan kaldıran veya büyük oranda (>%80) azaltan; çözücü olarak su yerine toksik olmayan, biyo-çözünürlüğü yüksek, uygulama şartlarında uçucu olmayan ve geri dönüştürülebilir çevre dostu çözücülerin kullanıldığı yeni bir yöntemdir. Literatürde 2018 yılından bu yana çalışılmaktadır. Bu alanda yapılan çalışmalar incelendiğinde, en çok metal üretimi veya geri kazanımı amaçlı uygulamalar görülmekte, çözücü olarak kullanılan çözeltiler ise iyonik sıvılar -İS- (Ionic Liquids) ve ötektik altı (deep eutectic) sıvılar -ÖAS- olarak iki farklı grupta incelenmektedir. Bahsedilen iki çözücü grubu da literatürde yeni nesil ve çevreci çözücü olarak tanımlanmaktadır. Nadir toprak elementleri (NTE), Avrupa Birliği'nin ilgili komisyonları tarafından belirlenen kritik hammadeler arasında yer almaktadır. Teknolojik metaller olarak tanımlanan NTE'nin çevre, enerji, metalurji, cam, manyetiklik gibi birçok kritik kullanım alanı vardır. Bu elementler çok düşük miktarda kullanılmalarına karşın ürünün performansı ve kalitesini önemli derecede artırmaktadırlar. Çin NTE pazarının çok büyük bir kısmının (%90) sahibi konumundadır. Bu sebepten dolayı NTE en yüksek temin edilme riskine sahip hammaddelerdendir ve alternatif temin yollarının geliştirilmesi gerekmektedir. Avrupa ülkelerinin temel gereksinimlerine ve ileriye dönük önlemlerine göre belirlenen kritik hammaddeler arasında yer alan NTE cevherleri ülkemizde de bulunmaktadır. Ülkemizdeki en önemli NTE kaynağı, Beylikova-Eskişehir'deki "Bastnazit-Fluorit-Barit Yatağı" olarak bilinmekte ve cevher ortalama %3 tenörlü, 4.000.000 ton rezerve sahiptir. NTE'nin birincil hammaddelerden üretilmesinde geleneksel olarak uygulanan üretim adımları sırasıyla cevherin karakterizasyonu, ön zenginleştirme işlemleri, çözümlendirme ve solvent ekstraksiyonudur (SX). Bu çalışmada; Eskişehir Beylikova bastnazit cevherinden alınan örneklerin karakterizasyonu ve maksimum liç koşullarının elde edildiği optimum kalsinasyon koşullarının belirlenmesi üzerine çalışılmıştır. Kalsinasyon deneylerinde, solvoliç verimleri mukayese edilerek optimum şartlar belirlenmiştir. İlk adım olan cevherin karakterizasyonunda, bastnazit cevherinin hangi tane boyut aralığında konsantasyonunun arttığını belirlemek amacı ile cevhere elek analizi uygulanmıştır. Bastnazit cevherinin serbestleşme tane boyutu literatürde 16µm olarak bilinmektedir. Literatürde yer alan bilgiler ile paralel olarak yapılan elek analizi sonuçlarında da NTE'nin 25 µm altı tane boyutunda konsantrasyon değerinin arttığı gözlemlenmiştir. Elek analizi sonrasında her elek aralığından numune alınmış, Endüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICP) ve X-Işınları Difraktometresi (XRD) analizlerine tabi tutulmuştur. 25 µm altı tane boyutunda hafif nadir toprak elementlerinin (HANTE) ağırlıkça %12,228, ağır nadir toprak elementlerinin ise 4450.559ppm değerine ulaştığı tespit edilmiştir. İkinci adım olarak cevherin optimum kalsinasyon koşulları belirlenmiştir. Kalsinasyon işlemi uygulanmayan cevherde, NTE liç verimi %11,643'tür. Çözünme verimini arttırmak, cevherdeki florokarbonat yapısını bozmak amacı ile numuneye kalsinasyon işlemi uygulanmıştır. Kalsinasyon deneyleri Box-Behnken deney tasarım yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Kalsinasyon deneyleri için belirlenen sıcaklık aralığı literatürde yer alan bastnazit ve monozit cevherinin kalsinasyon sıcaklıkları göz önüne alınarak 400ºC ve 900ºC olarak belirlenmiştir. Tane boyutu olarak da NTE'nin yüksek konsantrasyonda olduğu son üç elek aralığı olan 25 µm altı, 25-40 µm ve 40-180 µm elek aralıkları seçilmiştir. Süre parametresi için geniş bir aralık olan 60dk- 480dk belirlenmiştir. Daha sonrasında herbir numuneye 80°C sıcaklıkta etilen glikol-FeCl3 çözeltisi ile 6 saat solvoliç işlemi uygulanmış, sonuç olarak en yüksek solvoliç verimi 500°C sıcaklığında, 180 dakika kalsinasyon işlemi uygulanmış ve 25 µm altı tane boyutuna sahip numunede %82,671 olarak analiz edilmiştir. Çalışmanın özgün değeri, ülkemiz bastnazit cevherinin karakterizasyonu ve kalsinasyonu üzerine, solvometalurjik çözümlendirme yöntemini de kullanarak, dünyada bu yöntem ile cevherden çalışılan ilk araştırma olmasıdır. Birçok alanda yaygın olarak kullanılan nadir toprak elementlerinin üretimi için bu çalışma daha çevreci bir yöntemin başlangıç aşamasının optimizasyonunu sunmaktadır.