Waelz oksitten hidrometalurjik yöntemlerle sıfır atıklı metal çinko eldesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı, demir-çelik üretimi endüstriyel atığı olan baca tozundan elde edilen Waelz oksitten (WO) sıfır atıklı hidrometalurjik yöntemler ile elektrolitik çinko eldesinin araştırılmasıdır. Geleneksel çinko üretim yöntemleri yaklaşık 7.6-13.4 MWh/ ton gibi yüksek enerji tüketimi ve çevresel olumsuz etkilere yol açarken, WO gibi ikincil çinko kaynaklarının değerlendirilmesi sürdürülebilirlik açısından kritik bir öneme sahiptir. Bu çalışma, asit liçi ve elektroliz gibi tekniklerin çinko içeriği yaklaşık %50-65 olan Waelz oksitten yaklaşık %95 verimlilikle çinko geri kazanımını sağladığını göstermektedir. Waelz oksit, çinko oksit (ZnO) içeriği bakımından zengin (yaklaşık %50-65) olmasına rağmen, içeriğinde kurşun, klor ve flor gibi safsızlıklar barındırmaktadır. Bu safsızlıkların yönetimi, hem geri kazanım verimini hem de çevresel olumsuz etkileri azaltmada önemli bir adım teşkil etmektedir. Çalışmada, ikincil kaynaklardan elektrolitik çinko metali geri kazanımı sürecinde kullanılan hidrometalurjik yöntemlerin, geleneksel pirometalurjik yöntemlere kıyasla %30 ila %50 oranında az enerji tüketimi ve yaklaşık %50 daha az sera gazı emisyonlarına neden olduğu ortaya konulmaktadır. Ayrıca, Waelz oksit işleme sırasında ortaya çıkan yan ürünlerin, çevresel etkiyi en aza indirerek katma değerli ürünlere dönüştürülebilmesi, çinko üretim sürecinin sürdürülebilirliğine önemli katkılar sunmaktadır. Bu araştırma, çinko geri kazanımında sıfır atık hedefine yönelik uygulamalara ışık tutmaktadır. Çalışmada, %58,3 çinko içeren Waelz oksit (WO) kullanılarak sıfır atıklı elektrolitik çinko geri kazanımı üzerine çalışmalar yapılmıştır. WO'nun analizi sonucunda, içeriğinde %2,4 klor, %1,3 flor, %10,7 demir ve %3,2 kurşun gibi safsızlıkların bulunduğu tespit edilmiştir. Waelz oksit, 2 M H₂SO₄ çözeltisi ile 80°C'de 3 saat boyunca liç edilerek işlenmiştir. Bu süreç sonucunda, yaklaşık %99,2 verimle çinko çözeltide geri kazanılmıştır. Liç işleminden elde edilen çözelti, pH 4,5'te kalsiyum hidroksit (Ca(OH)₂) kullanılarak saflaştırılmıştır. Bu saflaştırma işlemi sırasında, çözeltide bulunan klor ve florun sırasıyla %95,4 ve %87,6'sı bertaraf edilmiştir. Optimum koşullarda hazırlanan çözeltiye, 10 g/ L demir içeriğini bertaraf etmek amacıyla pH 5,2'ye ayarlanmış ortamda NaOH eklenerek çöktürme işlemi uygulanmıştır. Bu süreç sonucunda, demirin %96,8'i uzaklaştırılmıştır. Son olarak, saflaştırılan çinko sülfat çözeltisi, elektroliz yöntemiyle işlenmiş ve 98,5 saflıkta elektrolitik çinko metali elde edilmiştir. Elektroliz işlemi, 50°C'de, 200 A/ m² akım yoğunluğunda 4 saat boyunca gerçekleştirilmiştir.

The aim of this study is to investigate the production of electrolytic zinc metal from Waelz oxide (WO), an industrial waste product generated from steelmaking dust, using zero-waste hydrometallurgical methods. While conventional zinc metal production methods lead to high energy consumption and significant environmental impacts, the utilization of secondary zinc sources such as WO is critical for sustainability. This study demonstrates that techniques such as acid leaching and electrolysis can efficiently recover zinc from Waelz oxide, which contains approximately 50–65% zinc. Waelz oxide is rich in zinc oxide (ZnO), with a content of approximately 50–65%; however, it also contains impurities such as lead, chlorine, and fluorine. Managing these impurities is a critical step in improving recovery efficiency and reducing environmental impacts. The study reveals that hydrometallurgical methods used in the recovery of electrolytic zinc from secondary sources consume 30–50% less energy and produce approximately 50% fewer greenhouse gas emissions compared to conventional pyrometallurgical methods. Moreover, the by-products generated during Waelz oxide processing can be transformed into value-added products, minimizing environmental impact and significantly contributing to the sustainability of zinc production. This research sheds light on zero-waste approaches to zinc recovery. In this study, Waelz oxide containing 58.3% zinc was processed for zero-waste electrolytic zinc recovery. Analysis of Waelz oxide revealed that it contains 2.4% chlorine, 1.3% fluorine, 10.7% iron, and 3.2% lead as impurities. Waelz oxide was processed by leaching with a 2 M H₂SO₄ solution at 80°C for 3 hours, achieving approximately 99.2% recovery of zinc into the solution. The solution obtained from the leaching process was purified using calcium hydroxide (Ca(OH)₂) at a pH of 4.5. During this purification step, 95.4% of chlorine and 87.6% of fluorine were removed from the solution. To remove 10 g/ L of iron present in the prepared solution, precipitation was carried out by adjusting the pH to 5.2 with NaOH. As a result, 96.8% of the iron was successfully removed. Finally, the purified zinc sulfate solution was processed via electrolysis, yielding electrolytic zinc metal with 98.5% purity. The electrolysis process was conducted at 50°C with a current density of 200 A/ m² for 4 hours.