Geri Dön

Torrefiye edilmiş orman, deniz ve tarımsal biyokütle numuneleri kullanılarak altın rafinerisi atık çözeltilerinden altın, platin, paladyum ve rodyum giderimi

Removal of gold, platinum, palladium, and rhodium from gold refinery waste solutions using torrefied forest, marine, and agricultural biomass samples

  1. Tez No: 958332
  2. Yazar: CANSU KARGI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MAHMUT ERCAN AÇMA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 75

Özet

Biyokütle, yüksek potansiyeli, yenilenebilir ve sürdürülebilir bir kaynak olması, ayrıca karbon nötr yapısıyla yalnızca yakıt ve enerji üretiminde değil; aynı zamanda alternatif bir malzeme olarak farklı kullanım alanlarında da değerlendirilmektedir. Bu amaçta uygulanan torrefaksiyon işlemi, biyokütlenin havasız bir ortamda 200–300 °C sıcaklık aralığında ısıtılmasıyla gerçekleştirilir. Bu işlem sonucunda biyokütle yapısında çeşitli değişiklikler meydana gelir. Hemiselülozlar bozunurken, selüloz ve lignin gibi diğer makromoleküller büyük ölçüde korunur. Ayrıca, oksijen içeren fonksiyonel grupların uzaklaştırılmasıyla biyokütle hidrofilik yapıdan hidrofobik yapıya geçer. Yüzey alanının artmasıyla birlikte sorptif kapasitesi de yükselir. Bu çalışmada; orijinal orman biyokütlesi (orman gülü), deniz biyokütlesi (deniz yosunu), tarımsal atık biyokütle numuneleri (mısır sapı) ve bunlardan torrefaksiyon işlemi neticesinde üretilen yarı kokları kullanılarak, altın (Au), platin (Pt), paladyum (Pd) ve rodyum (Rh) değerli metallerin altın rafinerisi atık çözeltiden geri kazanımı incelenmiştir. Bu kapsamda, hem biyokütle numunesinin hazırlanmasına hem de metal tutma işlemine etki eden bazı temel parametreler (torrefikasyon sıcaklığı ve bu sıcaklıkta bekleme süresi) incelenmiştir. Torrefiye edilmiş biyokütle numunelerinin Au, Pt, Pd ve Rh'a karşı adsorpsiyon kapasiteleri belirlenmiş ve bu parametrelerin çözeltiden metal geri kazanımı üzerindeki etkileri tartışılarak optimum koşullar ortaya konmuştur. Adsorbsiyon öncesi çözeltideki metal konsantrasyonları ve adsorbsiyon sonrası çözeltideki metal konsantrasyonları ve katı sıvı ayırma işlemi neticesinde kalan çözeltideki metal konsantrasyonları İndüktif Eşleşmiş Plazma (ICP) spektroskopisi ile analiz edilmiştir. Deneysel çalışmalar biyokütle hazırlama, termal analiz, torrefikasyon ve karakterizasyon işlemleri olmak üzere dört aşamada gerçekleştirilmiştir. Numuneler laboratuvar ortamında kaba neminin uzaklaştırılması amacıyla bir hafta süreyle bekletilmiş, ardından 60 °C sıcaklıktaki etüvde kurutulmuştur ve halkalı öğütücüde -250 µm tane boyutuna sahip olacak şekilde elenmiştir. Numunelerin termal davranışları, azot atmosferinde incelenmiş, elde edilen DTG eğrileri kullanılarak uygun torrefikasyon sıcaklıkları belirlenmiştir Her bir biyokütle numunesinin torrefikasyon deneyleri yatay boru fırında N₂ atmosferine DTG eğrilerinde belirlenen sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Değerli metallerin adsorpsiyon testlerinde kullanılmak üzere 10 ppm derişiminde standart çözeltilerden Au, Pt, Pd ve Rh çözeltileri hazırlanmıştır. Her analiz için 0,1 gram torrefiye edilmiş numune kullanılmış, 10 ml hazırlanan çözeltilere ilave edilerek 18 saat süreli karıştırılmış ve ardından çözeltide karıştırıldıktan sonra katı-sıvı ayrımı yapılmıştır. Elde edilen sıvı ve katı kısım adsorpsiyon verimliliğinin belirlenmesi için karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları torrefiye edilmiş biyokütle numunelerinin değerli metallerin geri kazanımında yüksek sorpsiyon kapasitesine sahip olduğunu göstermiştir. Özellikle Au, tüm torrefiye biyokütle numuneleriyle yaklaşık %99 oranında geri kazanılmıştır. 150-200 °C'de torrefiye edilen mısır sapı, daha yüksek sıcaklıklarda torrefiye edilen örneklerle benzer düzeyde performans sergilemiştir. Pt geri kazanımı açısından da bu örnek, yaklaşık %90 oranında başarılı bir sonuç vermiştir. Pd ve Rh için en yüksek adsorpsiyon oranı (%100), 550 °C'de torrefiye edilen yosun bazlı sorbentlerde gözlenmiştir. Genel sonuçlara bakıldığında Pt adsorbsiyonu için kullanılabilecek en uygun biyokütle numunesinin MS-200°C numunesinin olduğu belirlenmiştir. Pd adsorbsiyonu için kullanılabilecek en uygun biyokütle numunesinin OG-400°C ve Y-550°C numunelerinin olduğu belirlenmiştir. Au adsorbsiyonu için kullanılabilecek en uygun biyokütle numunelerinin MS-200°C olduğu belirlenmiştir. Rh adsorbsiyonu için kullanılabilecek en uygun biyokütle numunesinin Y-550°C olduğu belirlenmiştir. Bu sonuçlar değerli metallerin adsorbsiyon verimliliği üzerinde torrefaksiyon sıcaklığının ve biyokütle türünün etkili olduğunu göstermektedir. Çalışma genelinde elde edilen sonuçlar, torrefiye edilmiş biyokütlelerin değerli metal geri kazanımı amacıyla etkili ve sürdürülebilir sorbentler olarak kullanılabileceğini ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

Biomass has become a major focus in the pursuit of sustainable, low-impact technologies that support circular economy goals and reduce dependence on finite resources. As a renewable, widely available, and carbon-neutral material, biomass has long been utilized for energy generation. However, its potential reaches far beyond combustion. Recent advances have demonstrated that biomass, particularly when chemically or thermally modified, can serve as an effective material in environmental remediation, including in adsorption-based separation and recovery processes. One such modification is torrefaction, a mild pyrolytic process conducted at moderate temperatures, typically between 200–300 °C, under inert atmospheres such as nitrogen. This treatment enhances the physical and chemical properties of biomass, making it more suitable for advanced applications like precious metal recovery from industrial wastewaters. During torrefaction, hemicellulose components in the biomass degrade, while cellulose and lignin components remain relatively stable. This selective degradation leads to a change in the chemical structure and overall composition of the biomass. Most notably, torrefaction reduces the number of oxygen-containing functional groups on the biomass surface, transforming its nature from hydrophilic to hydrophobic. This change not only improves the storage and handling characteristics of the biomass but also enhances its adsorptive properties by increasing the surface area and modifying pore structure. These improvements are crucial in applications such as metal ion adsorption, where the efficiency of the material depends heavily on its surface characteristics, active sites, and chemical compatibility with target ions. In this study, different biomass sources were investigated for their ability to recover gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), and rhodium (Rh)—four economically and technologically critical precious metals—from refinery wastewater solutions. The biomass sources were selected to represent three major categories: forest biomass (rhododendron leaves), marine biomass (seaweed), and agricultural waste biomass (corn stalks). Each of these biomasses was subjected to torrefaction under controlled conditions, producing semi-chars with varying chemical and structural properties. These torrefied materials were then tested for their adsorption efficiency in removing precious metals from aqueous solutions, and the results were compared based on the biomass type and the specific torrefaction temperature applied. The experimental design followed a four-stage methodology: biomass sample preparation, thermal analysis, torrefaction, and characterization of metal adsorption behavior. Initially, raw biomass samples were pre-treated to remove surface and inherent moisture. This involved a one-week air-drying period followed by oven-drying at 60 °C. The dried samples were then ground using a ring mill and sieved to obtain a uniform particle size below 250 micrometers. To determine appropriate torrefaction temperatures, the thermal behavior of each biomass type was examined using thermogravimetric analysis (TGA) in a nitrogen atmosphere. The derivative thermogravimetric (DTG) curves obtained from this analysis identified the temperature ranges corresponding to maximum decomposition of the various biomass components. Torrefaction was carried out in a horizontal tubular furnace under a constant flow of nitrogen. Each biomass type was torrefied at the temperature indicated by its thermal decomposition profile. Following torrefaction, the semi-charred biomass was subjected to adsorption experiments using standard solutions of Au, Pt, Pd, and Rh, each with a concentration of 10 ppm. A fixed amount of 0.1 g of the torrefied biomass was mixed with 10 mL of metal solution, and the suspension was stirred continuously for 18 hours. After adsorption, solid–liquid separation was conducted via filtration. The remaining metal concentrations in the liquid phase were analyzed using Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES). The adsorption efficiency of each biomass-metal combination was calculated based on the reduction in metal concentration post-treatment. The results of the study revealed clear differences in adsorption behavior based on both the biomass type and the torrefaction temperature. Across all biomass samples and temperatures, gold (Au) exhibited the highest adsorption efficiency, with recovery rates approaching or exceeding 99%. This suggests that Au ions interact strongly with the functional groups and surface structure developed during torrefaction, regardless of the biomass origin. Particularly effective was corn stalk biomass torrefied at 200 °C (MS-200°C), which demonstrated not only exceptional Au adsorption but also achieved approximately 90% Pt recovery, placing it among the most promising samples. Palladium (Pd) and rhodium (Rh), on the other hand, displayed strong dependence on both biomass source and torrefaction temperature. The highest adsorption rates for Pd and Rh—both achieving 100% recovery—were observed with seaweed biomass torrefied at 550 °C (Y-550°C). This suggests that high-temperature torrefaction of marine biomass may create more favorable structural and chemical conditions for adsorbing smaller and more chemically complex metal ions such as Pd²⁺ and Rh³⁺. The presence of sulfur-containing or nitrogen-containing compounds in seaweed might also contribute to this enhanced performance through specific ligand-metal interactions. The results also revealed distinct preferences in sorbent effectiveness depending on the specific metal targeted. For gold (Au) recovery, corn stalk biomass torrefied at 200 °C (MS-200°C) proved to be the most effective, achieving nearly complete adsorption. Interestingly, the same sample also exhibited the highest performance for platinum (Pt) recovery, indicating that moderate torrefaction temperatures are sufficient to enhance the sorptive capabilities for both Au and Pt. In the case of palladium (Pd), optimal results were obtained with rhododendron biomass torrefied at 400 °C (OG-400°C) and seaweed biomass torrefied at 550 °C (Y-550°C), suggesting that these materials provide favorable surface chemistry and porosity for Pd ion interaction. For rhodium (Rh), seaweed-based sorbents torrefied at the highest temperature tested (Y-550°C) yielded the best results, likely due to enhanced pore development and possible functional group activation specific to marine-derived biomass. These findings demonstrate that both the biomass type and torrefaction conditions play a critical role in tailoring sorption performance for different precious metals. These findings demonstrate that torrefaction significantly enhances the sorption capacity of biomass and that precise control over processing parameters such as temperature can tailor the sorbent properties toward specific metal ions. Moreover, the nature of the biomass—whether lignocellulosic, marine, or agricultural—also plays a key role in determining metal-binding behavior. This variation arises from differences in native composition, inherent functional groups, and thermal stability across biomass types. From a practical and environmental standpoint, the use of torrefied biomass for precious metal recovery offers multiple benefits. First, it promotes the upcycling of agricultural and natural waste materials, converting low-value residues into high-performance sorbents. Second, it provides an eco-friendly alternative to conventional metal recovery methods, many of which involve toxic chemicals and high energy consumption. Third, the selective adsorption behavior observed in this study indicates that torrefied biomass can potentially be integrated into sequential or targeted recovery systems, where specific metals are isolated under customized treatment conditions. In conclusion, this research highlights the significant promise of torrefied biomass as a sustainable, cost-effective, and efficient material for the recovery of precious metals from aqueous waste streams. The findings suggest that by selecting appropriate biomass sources and tailoring torrefaction conditions, it is possible to develop highly selective sorbents that perform on par with, or even better than, some synthetic adsorbents. This not only contributes to green chemistry and resource recovery strategies but also supports global efforts to secure critical raw materials through environmentally responsible methods.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    713472

    Torefiye edilmiş orman, deniz ve tarımsal biyokütle numuneleri kullanılarak atık sudan kurşun, krom ve kadmiyum giderimi

    Removal of l ead, chrome and cadmium from waste water using torified forest, marine and agricultural biomass samples

    BUĞRA BİRGİLİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANZADE AÇMA

  2. Tez No

    744281

    Demir-çelik endüstrisi cürufundan demirin asidik liç ve torefiye biyokütle ile geri kazanımı

    Recovery of iron from iron-steel industry slag by acidic leaching and torrefied biomass

    ECEM PORTAKAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMİNE SAYILGAN

    ÖĞR. GÖR. MELDA BAŞBUĞ ÇANCI

  3. Tez No

    568313

    Farklı biyokütle numunelerinden torrefaksiyon işlemi ile kaliteli yakıt peleti üretimi

    Producing high quality fuel pellets by torrefaction of different biomass samples

    YAĞMUR IŞIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANZADE AÇMA

  4. Tez No

    485344

    The production of quality fuels from the co-combustion of original, pyrolysed lignite and torrefied, pyrolysed, original biomass blends

    Orijinal, piroliz edilmiş linyitler ile orijinal, torefiye ve piroliz edilmiş biyokütle karışımlarının birlikte yakılması ile kaliteli yakıt üretimi

    AYŞEN ÇALIŞKAN SARIKAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANZADE HAYKIRI AÇMA

  5. Tez No

    688929

    Torrefiye edilmiş fındık kabuğunun afşin elbistan linyiti ile birlikte yakılması

    Combustion of torrefined hazelnut shell with afşin elbistan lignite

    BEDRİYE AYDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kimya MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MELEK YILGIN

Geri Dön