Kullanım ömrünü tamamlamış NMC ve LCO tipi lityum iyon bataryalarındaki toplayıcı elektrot ve polimerlerin flotasyon yöntemi ile geri kazanımının araştırılması

Abstract

Günümüzde elektrikli araçlar ve taşınabilir elektronik cihazların yaygınlaşmasıyla birlikte, lityum iyon bataryaların (LiB) kullanımı hızla artmaktadır. Bu durum, kullanım ömrünü tamamlamış bataryaların miktarının da paralel olarak artmasına yol açmaktadır. LiB'lerin geri dönüştürülmesi, hem çevresel sürdürülebilirlik hem de ekonomik kaynakların korunması açısından büyük önem taşımaktadır. Özellikle bataryalarda bulunan bakır (Cu), alüminyum (Al), lityum (Li), kobalt (Co), nikel (Ni) ve manhan (Mn) gibi yüksek değerliliğe sahip metallerin geri kazanımı, atık yönetimi kadar stratejik hammadde politikaları açısından da kritik önem arz etmektedir. Bu tez çalışmasında, kullanım ömrünü tamamlamış NMC (LiNiMnCoO2) ve LCO (LiCoO2) tipi karışık LiB'lerin bileşenlerinden plastiklerin ve toplayıcı akım elektrotların (Cu ve Al) flotasyon yöntemi ile geri kazanımında etkin faktörlerin araştırılması amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında ilk olarak, deşarj edilmiş LiB'lere boyut küçültme ve sınıflandırma işlemleri uygulanmıştır. En uygun fraksiyonun belirlenmesine yönelik olarak iki farklı boyut grubu üzerinde çalışmalar gerçekleştirilmiştir: −4+0,2 mm ve −2+0,212 mm. Yapılan ön deneyler sonucunda, −2+0,212 mm boyut grubu bakır konsantresinin içeriği ve verimi bakımından en uygun fraksiyon olarak ön plana çıkmaktadır. Bu boyut grubu kullanılarak flotasyon performansını etkileyen çeşitli işlem parametrelerini optimize etmek amacıyla toplayıcı tipi, ortam pH'ı, köpürtücü tipi, canlandırıcı kullanımı ve karıştırma hızı gibi değişkenler seçilmiştir. Toplayıcı olarak KAX, Aerophine 3418A, Aero-3739, Aero-3473, Aerofloat-242 ve Aerofloat-211 reaktiflerinin bakır flotasyonundaki etkisi incelenmiştir. Deneyler sonucunda en yüksek Cu içerik ve verim oranlarına, 1500 g/t Aero-3473, 300 g/t MIBC, 15 dakika kondisyon süresi ve 6 dakika flotasyon süresi kullanıldığında ulaşılmıştır. Bu koşullarda, %87,63 Cu içeriğine sahip bir bakır konsantresi %95,7 Cu verimi ile elde edilirken, %73,07 Al içeriğine sahip alüminyum konsantresi %90,7 Al kazanma verimi ile üretilmiştir. Ortam pH'nın etkisinin inceendiği deneyler sonucunda, doğal pH'da (8,3) yapılan flotasyon deneylerinde, yüksek seçicilik ve kazanma oranlarına ulaşılmıştır. Köpürtücü tipi olarak çam yağı, Dowfroth-250, MIBC ve F-549 kullanılarak deneyler yapılmış olup, en etkili köpürtücünün MIBC olduğu belirlenmiştir. Canlandırıcı etkisini gözlemlemek amacıyla yapılan deneylerde, CuSO4 varlığında gerçekleştirilen flotasyon işlemlerinde anlamlı bir iyileşme gözlenmemiş, dolayısıyla canlandırıcı kullanımının gerekli olmadığı sonucuna ulaşılmıştır. Çalışmanın son aşamasında, karıştırma hızının flotasyon verimine etkisi değerlendirilmiştir. 1200, 1500 ve 1800 dev/dk hızlarında yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, 1500 dev/dk hızında en yüksek içerik ve verim değerleriyle Cu konsantresi üretilebileceği anlaşılmıştır. Tüm bu veriler, iri boyuttaki atık batarya malzemeleri için flotasyon yönteminin yüksek seçicilikle uygulanabilir olduğunu ve değerli metallerin verimli bir şekilde zenginleştirilebileceğini göstermektedir. Flotasyon işleminden sonra, batan ürüne manyetik ayırma ve elektrostatik ayırma yöntemleri uygulanmıştır. Flotasyondan elde edilen batan ürün kasa metallerinin ayrılması için manyetik ayırma işlemlerine tabi tutulmuştur. Yüksek alan şiddetli REMS tipi kuru manyetik ayırıcı ve diskli kuru manyetik ayırıcı kullanılarak yapılan manyetik ayırma deneyleri sonucunda, Al metalinin manyetik olmamasına rağmen, yüzeylerinde kalan katot aktif maddeler nedeniyle önemli bir bölümünün manyetik ve araürüne geçtiği gözlemlenmiştir. Cu tanecikleri ise, üzerindeki grafitin daha kolay sıyrılması nedeniyle ve grafitin de manyetik özelliğe sahip olmaması nedeniyle çoğunlukla manyetik olmayan üründe toplanmıştır. Polimerler ise yüksek oranda manyetik olmayan fraksiyonda toplanmış, diskli ayırıcı ile daha seçici olarak ayrılmıştır. Son aşamada ise elektrostatik ayırma yöntemi ile yalıtkan özellikteki polimer taneciklerini iletken özellikteki Cu ve Al taneciklerinden ayrıştırılması hedeflenmiş ve flotasyon kademesinde yüzemeyip batan üründe kalan polimerler başarıyla uzaklaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, flotasyon, manyetik ve elektrostatik ayırmanın birlikte kullanıldığı entegre bir fiziksel yöntem kombinasyonunun, iletken metallerin ve aktif elektrot malzemelerinin yüksek saflıkta ve en az kimyasal kullanımı ile geri kazanımında etkili bir yaklaşım sunduğunu ortaya koymuştur.