Demir (Fe) katkılı manyetik jel üretimi ve atık NdFeB esaslı çözeltilerden neodimyum (Nd) geri kazanımı

Abstract

Nadir toprak metalleri sahip oldukları benzersiz kimyasal ve fiziksel özellikleri sebebiyle, gelişen teknolojinin vazgeçilemez unsurları haline gelmişlerdir. Katalistik malzemelerden, uzay malzemelerine kadar birçok farklı alanda kullanılmaktadırlar. Bu malzemelere örnek olarak NdFeB mıknatısları verilebilmektedir. NdFeB mıknatısları yapılarında yaklaşık ağırlıkça %30-40 nadir toprak metali içeren, sahip oldukları yüksek enerji kapasiteleri nedeniyle, günümüz teknolojisinin tasarlamış olduğu, en güçlü kalıcı mıknatıs türlerinden birisi olarak kabul edilmektedir. Bu mıknatıslar küçük ev elektroniğinden elektrikli araba ve rüzgâr türbinlerine kadar çok çeşitli alanlarda kullanımaktadır. NdFeB mıknatısları yapılarında Nd başta olmak üzere; Pr, Dy, Ho gibi çeşitli nadir toprak metallerini bulundururlar. Nadir toprak metallerine olan talebin giderek artması, arzı yetersiz kılmaktadır. Ayrıca nadir toprak metalleri cevherlerinin kısıtlı bir bölgede dağılım göstermesi, onların kritik metaller listesi içerisinde değerlendirilmesine sebep olmaktadır. Ekonomik kaygıların beraberinde birincil üretimin sebep olduğu çevresel zararın önüne geçebilmek için özellikle Avrupa ve Amerika bölgelerinde nadir toprak metallerinin ve de NdFeB mıknatıslarının geri dönüşümü üzerine yapılan çalışmalar gittikçe artmaktadır. Bu çerçevede birincil üretim ve hidrometalurjik geri dönüşüm prosesleri incelendiğinde, oluşan atık su/çözelti içerisinde belirli konsantrasyonlarda nadir toprak metali iyonu kaldığı anlaşılmıştır. Hem oluşabilecek çevresel zararların önüne geçilmesi hem de ekonomik değeri yüksek olan bu metallerin geri kazanım prosesi, bu tez çalışması kapsamında, çevresel ve ucuz bir yöntem olan manyetik malzemeler kullanarak absorpsiyon yöntemi ile denenmiştir. Manyetik özelliklere sahip absorbant malzemelerin atık su/çözelti içerisindeki metal iyonlarını yüzeylerinde toplayabilmesinden yararlanılarak, atık su/çözelti doğaya salınmadan önce temizlenmiş, absorbant malzemesi rejenere edilerek kıymetli metaller geri kazanılmıştır. Manyetik malzeme üretiminin ilk aşaması olarak mikron altı Fe esaslı partiküller üretilmiştir. Partikül üretimi poliol metodu adı verilen, çevreci, ucuz ve hızlı bir yöntem ile gerçekleştirilmiştir. FeSO4.7H2O ile NaOH tuzları başlangıç malzemesi, etilen glikol çözücü ve redükleyici, polivinilpirolidon yüzey aktif malzemesi ve deiyonize su kontrollü yüzey oksitleyicisi olarak kullanılmıştır. Redüksiyon reaksyionu 110 oC'de, 30 dakika boyunca yapılmıştır. Redüksiyon sonrası partiküller aseton, deiyonize su ve etanol ile kademeli olarak yıkanmıştır. Partiküllerin kimyasal yapısı XRD faz analizi, yüzey özellikleri SEM/EDS analizi, morfolojik özellikleri FESEM analizi ve termal özellikleri DSC analizi ile belirlenmiştir. Ayrıca partiküller kademeli olarak yıkama yapmadan SEM/EDS analizine tabi tutulmuş, reaksiyon süreci hakkında fikir sahibi olunmuştur. Partiküllerin XRD paterninin Fe ile uyuştuğu ve boyutlarının 400-600 nm aralığında, morfolojisinin zincir yapısında olduğu ve oksit tabakası kalınlığının ortalama 16 nm olduğu görülmüştür. Manyetik absorbant malzemesi biyouyumulu ve biyobozunur polimer olan sodyum aljinat kullanılarak üretilmiştir. Sodyum aljinat tozu ile başlangıç çözeltisi hazırlanmıştır. Çözelti homojen hale getirildikten sonra içerisine belirli miktarda Fe esaslı partiküller katkılandırılmıştır. Ultrasonik homojenizatör yardımı ile homojen hale getirilen sol, CaCl2 çözeltisine 100 µl'lik damlacıklar halinde eklenmiştir. Elde edilen Ca aljinat jeller suyla birçok kez yıkanmıştır. Jellerin pH'a karşı stabilitesi kitosan kaplanarak sağlanmıştır. Jellerin kimyasal yapısı FTIR, termal özellikleri DSC ve manyetik özellikleri VSM analiz yöntemleri ile belirlenmiştir. Başarılı bir şekilde manyetik absorbant malzemesi üretildikten sonra absorpsiyon deneyleri yapılmıştır. Sentetik atık çözelti/su hazırlanmıştır. Nd2(SO4)3 tuzu ile istenilen konsantrasyonlarda sentetik atık çözeltisi oluşturulmuştur. İlk etapta absorpsiyon süresi belirlenmiş; 180'inci dakikada sistemin dengeye ulaştığı görülmüştür. Ayrıca pH optimizasyonu yapılmış, pH 5,5'te absorpsiyon veriminin en yüksek olduğu görülmüştür. 25,55 ve 75 oC sıcaklıklar denenmiş, sistemin endotermik davranış gösterdiği; 75 oC'de en yüksek verimle gerçekleştiği görülmüştür. Sistemin standart Gibbs serbest enerjisinin negatif olduğu, böylece reaksiyonun kendiliğinden ilerlediği anlaşılmıştır. Absorpsiyon kinetiği araştırılmış, farklı zaman aralıklarında sistemin farklı modellere uyduğu görülmüş; 0-30'uncu dakikada sözde birinci denkleme, 30-120'nci dakika aralığında sözde ikinci denkleme ve 120-180 dakika aralığında Elovich eşitliğine uyduğu görülmüştür. Absorpsiyon izoterminin de Freundlich'e uyduğu görülmüştür. Absorpsiyon deneyleri tamamlandıktan sonra, farklı asit ortamlarında rejenerasyon denenmiş ve HCl ile %88 civarında Nd3+ geri kazanımı sağlanmıştır. Bu çalışmada literatürde daha önce bulunmayan yeni bir manyetik absorbant malzemesi üretilmiş ve atık çözelti/su içerisinden Nd3+ iyonu giderme işlemi yapılmıştır. Elde edilen sonuçların gelecek çalışmalar için umut vaad ettiği görülmüştür.