Tufalden manyetik nano partikül üretimi ve hidrometalurjik işlemlerde kullanılabilirliğinin araştırılması

Abstract

Bu tez çalışması, iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, hadde tufalı kullanılarak ileri teknolojik ürünlere (fonksiyonelleştirilmiş manyetik nanopartiküller) dönüştürülmesi, ikinci aşamada ise bakır cürufunda bulunan bakır, çinko ve lantanın çözelti ortamında selektif kazanımı araştırılmıştır. Tufal, yüksek demir içeriği ve metal oksit yapıları nedeniyle, cüruf ise bakır, çinko ve lantan kaynağı olarak seçilmiştir. Hidrotermal yöntem genellikle liç işlemleri, nanopartikül üretimi ve sentezi, ince film kaplama ve alaşımlama çalışmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Fonksiyonelleştirilmiş manyetik nanopartikül üretimi, dış haznesi paslanmaz çelikten iç haznesi teflondan imal edilmiş yüksek sıcaklık ve yüksek basınç şartlarında çalışabilen hidrotermal cihazında gerçekleştirilmiştir. Birinci aşama deneysel çalışmalarda, tufalden demirin çözünmesi, Fe³⁺/Fe²⁺ dönüşüm oranı, HCl konsantrasyonu, liç sıcaklığı, liç süresi gibi parametrelerin etkisi araştırılmış ve manyetik nanopartikül üretilmiştir. Üretilen manyetik nanopartiküllerin SiO2 ile kaplanması, SiO2 ile kaplanmış nanopartiküllerin EAPS (N-(2-Aminoetil)-3-aminopropiltrimetoksisilan), APTES (3- Aminopropil trietoksisilan) ve DTPA (Dietilentriaminpentaasetik asit) ile fonksiyonelleştirme deneyleri yapılmıştır. Bu deneylerde konsantrasyon, sıcaklık, süre ve sıvı/katı oranı etkinlikleri incelenmiştir. Cüruftan bakır, çinko ve lantanın selektif kazanımı, atmosferik şartlarda yürütülmüştür. İkinci aşama deneysel çalışmalarda değerli metaller bakır, çinko ve lantan; HCl, H2SO4, H2O2 konsantrasyonu, liç sıcaklığı, liç süresi, sıvı/katı oranı ve karıştırma hızı optimize edilerek çözeltiye alınmıştır. Çözelti ortamından birinci aşamada her bir hedef metal için ayrı ayrı üretilen Fonksiyonelleştirilmiş manyetik nanopartiküller kullanılarak adsorpsiyon deneyleri; pH, adsorban miktarı, çözelti hacmi ve adsorpsiyon süresi optimize edilmiştir. Son olarak desorpsiyon deneyleri, beş döngü şeklinde incelenmiştir. Her iki aşama optimum şartlarında; Partikül Boyutu, XRD, SEM, EDX, FT-IR ve VSM analizleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Sonuç olarak; atık olarak değerlendirilen hadde tufalı kullanılarak fonksiyonelleştirilmiş manyetik nanopartikül üretilebileceği, bakır cürufundan bakır, çinko ve lantanın selektif kazanılabileceği yapılan tez çalışması ile ortaya konulmuştur. Çalışma ile hem çevresel etkilerin azaltılmasına hem de ekonomik katma değer sağlanmasına yönelik önemli bir geri kazanım potansiyeli oluşturacağı görülmüştür.

This thesis study consists of two main stages. In the first stage, the transformation of mill scale into high-tech products (functionalized magnetic nanoparticles) was investigated. In the second stage, the selective recovery of copper, zinc, and lanthanum from copper smelting slag in a solution medium was explored. Mill scale was selected due to its high iron content and metal oxide structures, while slag was utilized as a source of copper, zinc, and lanthanum. The hydrothermal method is widely employed in leaching processes, nanoparticle production and synthesis, thin-film coating, and alloying studies. The production of functionalized magnetic nanoparticles (FMNPs) was carried out in a hydrothermal reactor consisting of a stainless steel outer shell and a Teflon inner liner, capable of operating under high temperature and high pressure conditions. In the first stage of experimental studies, the effects of parameters such as iron dissolution from mill scale, Fe3+/Fe2+ conversion ratio, HCl concentration, leaching temperature, and leaching time were investigated, and magnetic nanoparticles were produced. Experiments were conducted on coating the produced magnetic nanoparticles with SiO2, followed by functionalizing the SiO2-coated nanoparticles with EAPS (N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane), APTES (3-Aminopropyl) trimethoxysilane), and DTPA (Diethylenetriaminepentaacetic acid). In these experiments, the efficiencies of concentration, temperature, time, and liquid/solid ratio were examined. The selective recovery of copper, zinc, and lanthanum from slag was conducted under atmospheric conditions. In the second stage of experimental studies, the valuable metals copper, zinc, and lanthanum were dissolved by optimizing parameters such as HCl, H2SO4, H2O2 concentrations, leaching temperature, leaching time, liquid/solid ratio, and stirring speed. Adsorption experiments were conducted using functionalized magnetic nanoparticles, and parameters such as pH, adsorbent dosage, solution volume, and contact time were optimized. Finally, desorption studies were investigated over five cycles. Both stages were characterized under optimum conditions using Particle Size, XRD, SEM, EDX, FT-IR, and VSM analyses. In conclusion, this thesis demonstrates that functionalized magnetic nanoparticles can be produced using mill scale, which is considered a waste material, and that copper, zinc, and lanthanum can be selectively recovered from copper smelting slag. This study presents a significant recovery potential aimed at both reducing environmental impacts and providing economic added value.