Recovery of rare earth elements (REEs) from leach solutions by solvent extraction with predispersion
Liç çözeltilerinden nadir toprak elementlerinin (NTE) ön dağıtımlı çözücü ekstraksiyon yöntemiyle kazanılması
- Tez No: 900648
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ İHSAN AROL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Cevher Hazırlama Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Cevher Hazırlama Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 145
Özet
Nadir Toprak Elementleri (NTE), elektronik, yenilenebilir enerji sistemleri ve katalizörler dahil olmak üzere çeşitli modern teknolojilerde önemli bir rol oynamaktadır. Artan talep ve sınırlı doğal kaynak nedeniyle, istikrarlı bir tedarik zinciri sağlamak için verimli ekstraksiyon yöntemleri zorunludur. Çözücü ekstraksiyonu, büyük hacimlerde seyreltilmiş yüklü çözeltileri işleyebildiğinden, NTE ekstraksiyonu için genellikle en iyi ticari yaklaşım olarak kabul edilir. Geleneksel çözücü ekstraksiyonu ekipmanının, genel prosesin termodinamiğini ve kinetiğini olumsuz etkileyen bazı operasyonel sınırlamaları vardır. Bu sorunlar arasında, çok-dağılmış damlacıklar ve ürün akışlarının faz ayrımı nedeniyle yetersiz kütle transferi, dolayısıyla karıştırıcı-çöktürücü için büyük bir çökeltme hacminin gerekli olması ve besleme çözeltilerinin püskürtme kolonlarında geri karışması, böylece ürünler arasındaki kütle aktarımının verimliliğinin azaltılması yer alır. Bu sorunlar, yeni tasarlanan“çözelti püskürtme sistemi”ile etkili bir şekilde ele alınmakta ve sözü edilen sorunların üstesinden gelinmektedir. Bu yeni teknikte, besleme çözeltileri kütle aktarımının gerçekleştiği karıştırma kolonunda mono dağılmış mikro boyutlu damlacıklar halinde ters akımla püskürtülmekte ve üretilen emülsiyon sürekli olarak, iki ürün fazının birbirinden ayrıldığı, çökeltme kolonuna gönderilmektedir. Deneylerde kullanılan çökeltme kolonunun geometrisi, sulu rafinat ile yüklü organik faz arasındaki ayırımın hızlı bir şekilde gerçekleşebilmesi amacıyla tasarlanmıştır. Bu çalışmada, çözücü ekstraksiyonu işleminin kinetiğini geliştirmek amacıyla bu çözelti püskürtme sisteminin performansı araştırılmıştır. Besleme çözeltisinin türü, pH'ı, DEHPA konsantrasyonu, iyonik gücü, NTE konsantrasyonları, sulu/organik faz oranı gibi değişkenler,bu kurulumun sentetik çözeltilerinden lantan (La), neodimyum (Nd) ve öropiyumun (Eu) ekstraksiyonu performansını değerlendirmek için incelenmiştir. Her bir nadir toprak oksitin 1.0 g/L içeren besleme çözeltisi için, 0.303 M DEHPA kullanıldığında, pH 2.0 ve 1.54 mol/L iyonik güçte, La, Nd ve Eu'nun ekstraksiyon yüzdeleri, sırasıyla 95.03%, 99.36%, and 99.98% olmuştur. Bu koşullar altında La, Nd ve Eu için dağılım oranı sırasıyla 19.14, 155.25 ve 4165 olup, tek aşamalı bir işlemde tam ekstraksiyon olduğunu göstermektedir.. Ayrıca, 0.50 pH'da ayırma faktörlerinin değerleri, SFEu/La = 6.69, SFEu/Nd = 5.33 ve SFNd/La = 1.26 olup, bu elementlerin seçici olarak ayrıldığını göstermektedir. Yüklenen DEHPA'nın sıyrılması, 2.0 – 6.0 M HCl ile gerçekleştirilmş ve 2.0 M HCl sıyırma çözeltisi, NTE'lerin geri kazanımında iyi sonuçlar vermiştir. Ayrıca, 6.0 g/L La2O3, 2.5 g/L Nd2O3 ve 100 mg/L Eu2O3 içeren, Beylikova liç çözeltisini temsil eden sulu beslemeden La, Nd ve Eu ekstraksiyon yüzdesi sırasıyla 70.32%, 85.31% ve 99.26% olmuştur. Aynı değişken koşullar altında ve 4.0 M HCl sıyırma çözeltisi ile iyi geri kazanımlar elde edilmiştir. NTE'leri grup olarak geri kazanmak için teorik aşamaların sayısını ve birbirlerinden seçici olarak ayrılmalarını görmek amacıyla bu iki farklı besleme çözeltisinden ekstraksiyon ve sıyırma işlemleri için McCabe Thiele diyagramları da oluşturulmuştur. Ayrıca bu NTE'lerin sülfat çözeltilerinden de ekstraksiyonu gözlenmiş ve özellikle besleme çözeltilerinin düşük pH değerlerinde, klorür çözeltisinden ekstraksiyonun sülfat çözeltisine göre daha üstün olduğu bulunmuştur. Son olarak, karışmayan sulu ve organik fazların, mekanik karıştırıcı ve ultrasonik karıştırma ile karıştırılarak, ekstraksiyon sonuçları, çözelti püskürtme sistemiyle karşılaştırılmıştır. Çözelti püskürtme sistemi ile NTE'lerin daha yüksek verimle kazanıldığı, bunu ultrasonla karıştırma ve mekanik karıştırmanın izlediği görülmüştür. Bu bulguların ışığında, NTE'lerin yüklü liç çözeltilerinden çözücü ekstraksiyon yöntemi ile kazanımında, çözelti püskürtme sisteminin işleminin kinetiğini iyileştirdiği belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Rare Earth Elements (REEs) are crucial in various modern industrial products, renewable energy systems, and catalysis. Due to their increasing demand and limited natural abundance, efficient extraction methods are imperative for ensuring a stable supply chain. Solvent extraction (SX) is typically considered the best commercial approach for extracting REEs because it can handle massive volumes of diluted pregnant liquors. Conventional SX equipment have some operational limitations, causing a decrease in the recovery of the product and process kinetics. These issues include insufficient mass transfer because of the poly-dispersed droplets and phase separation of product streams, thus requiring a huge settling chamber for mixer-settler, and back-mixing of feed solutions in spray columns, reducing the efficiency of mass transfer between the two immiscible streams. These problems have been addressed and overcome by the newly designed“solutions spray system.”In this new technique, the feed solutions were sprayed counter-currently in the form of mono-dispersed micro-sized droplets in the mixing column, where the mass transfer took place, and the emulsion produced was continuously sent to the settling column, where the two product phases were separated. The geometry of this settling column enhanced the quick separation in the aqueous raffinate solution and the loaded organic stream. The primary aim of this experimental study was to study the performance of this solutions spray system with the intent to enhance the recovery of the REEs and kinetics of SX operation. Variables like feed solution pH, DEHPA concentration, ionic strength, concentrations of REEs in the aqueous feed, type of feed solutions, and aqueous/organic (A/O) phase ratio were studied and evaluated the performance of this setup while extracting lanthanum (La), neodymium (Nd), and europium (Eu) from their synthesized chloride solutions. For feed solution having 1.0 g/L of each REO, the %E of La, Nd, and Eu was 95.03%, 99.36%, and 99.98%, respectively, at 2.0 pH, and 1.54 mol/L ionic strength of the solution while using 0.303 M DEHPA. Under these conditions, the distribution ratio for La, Nd, and Eu was 19.14, 155.25, and 4165, respectively, representing complete extraction in a single-stage operation. Moreover, the values of separation factors, SFEu/La = 6.69, SFEu/Nd = 5.33, and SFNd/La = 1.26 at 0.50 pH, showed the selective separation of these elements. Stripping of loaded DEHPA was performed with 2.0 – 6.0 M HCl, and 2.0 M HCl strip solution gave good results of REEs recovery. Furthermore, for aqueous feed representative of Beylikova leach solution having 6.0 g/L La2O3, 2.5 g/L Nd2O3, and 100 mg/L Eu2O3, the %E of La, Nd, and Eu was 70.32%, 85.31%, and 99.26%, respectively, under the same variable conditions, and 4.0 M HCl stripping solution showed better recoveries in this case. McCabe Thiele diagrams were plotted to see the number of theoretical stages in recovering REEs as a group and their selective separation from each other for extraction and stripping sections. Additionally, the extraction of these REEs was also observed from sulfate solutions, and it was found that %E was superior from the HCl solution compared to the H2SO4 solution, especially at lower pH values of feed solutions. Finally, the two immiscible phases were mixed with the mechanical mixer, and the ultrasound mixing, and the extraction results were compared to that of the solutions spray system. The percent extraction of REEs was superior in the case of the solutions spray system, followed by ultrasound mixing and mechanical mixing. In light of these findings, the solutions spray system seemed better in terms of recovery of REEs and time of mixing and separation, thus enhancing the performance of the SX operation.
Benzer Tezler
- Nadir toprak element oksitlerinden ergimiş tuz elektrolizi yöntemiyle nadir toprak elementlerinin sentezi
Synthesis of rare earth elements from rare earth oxides by molten salt electrolysis
OSMAN CAN ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR
- Recycling of waste NdFeB magnets for recovery of rare earth elements by combining pyro- and hydrometallurgy
Piro/hidrometalurjik tekniklerle nadir toprak elementlerinin atık NdFeB mıknatıslardan geri kazanımı
ELİF EMİL KAYA
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
PROF. DR. KARL BERNHARD FRİEDRİCH
- Characterization and recovery of rare earth elements from iron mining sludge
Demir madenciliği çamurundan nadir toprak elemanlarının karakterizasyonu ve geri kazanımı
AZMAT FATIMA SIDDIQUI
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. İSMAİL KOYUNCU
Assist. Prof. Dr. BÖRTE KÖSE MUTLU
- Eskişehir Beylikahır cevherinden nadir toprak metallerinin uç ürün olarak üretilmesi
The production of rare earth metals as an end-product from Eskisehir-Beylikahir ore
ESRA BAŞTÜRKCÜ
Doktora
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH EKREM YÜCE
PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR
- SmCo mıknatıslarından kobalt oksit, demir oksit ve nadir toprak metallerinin geri kazanımı
Recovery of cobalt oxide, iron oxide and rare earth metals from SmCo magnets
MERVE PAPAKÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN