Cilt/Volume : 24
125. Sayı
|
|
METALURJİK PROSESLERDE MİKRODALGA KULLANIMI
USING OF MICROWAVE IN METALLURGICAL PROCESSES
Yrd. Doç. Dr. Kenan YILDIZ,
Yrd. Doç. Dr. Ahmet ALP
Sakarya Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, SAKARYA
ÖZET
Mikrodalga enerjisi 300 MHz-300 GHz aralığında frekansa sahip iyonize olmamış elektromanyetik bir radyasyondur. Bu enerji; ısıtma, kurutma, liç işlemi, kavurma, ergitme, oksitli minerallerin karbotermik redüksiyonu ve atık yönetimi gibi metalurjik proseslerde potansiyele sahiptir. Bu makele ekstraktif metalurjide mikrodalganın kullanımı ile ilgili bazı uygulamalar sunmaktadır.
ABSTRACT
Microwave is a nonionizing electromagnetic radiation with frequencies in the range of 300 MHz to 300 GHz. This energy has potential in metallurgical processes such as heating, drying, leaching, roasting, smelting, carbotermic reduction of oxide minerals and waste management. This paper presents some applications on the using of microwave in metallurgical processes.
1. Giriş
Mikrodalga enerjisi, 300 MHz ile 300 GHz aralığında frekansa sahip iyonize olmamış elektromanyetik radyasyondur. Mikrodalga frekansları üç band içermektedir: Ultra Yüksek Frekans (UHF: 300 MHz-3 GHz), Süper Yüksek Frekans (SHF: 3 GHz - 30 GHz) ve Aşırı Yüksek Frekans (EHF: 30 GHz - 300 GHz). Mikrodalgalar, iletişim alanında yoğun bir uygulamaya sahiptir, bununla beraber endüstriyel, bilimsel, tıbbi ve aletsel (ISMI: Industrial, Scientific, Medical and Instrumentations) uygulamalar için belirli frekanslara müsaade edilmektedir. Günümüzde 2450 MHz, hemen hemen 50 yıl önce Percy L. Spencer tarafından icat edilen ve evlerde kullanılan mikrodalga fırınlarında en çok kullanılan frekanstır.
Metalik bir levha benzeri basit bir aynadan yansıma yapabilen mikrodalgalar, bir dielektrik arayüzeyde kırılır ve parabolik bir reflektör (yansıtıcı) ya da boynuz antelle odaklanabilir. Mikrodalga enerjisi 2450 MHz için yaklaşık %50’lik, 915 MHz için yaklaşık %85’lik bir dönüşüm verimiyle elektrik enerjisinden elde edilebilmektedir. Mikrodalgalar; görünür, ultraviyole ya da infrared ışık gibi diğer elektromanyetik enerji şekillerinden daha yüksek dalga boylarına ve daha düşük enerji quanta’sına sahiptir[1].
2. Mikrodalga Isıtmanın Prensibi
Mikrodalgalar, iyonik parçaların göçü ve/veya dipolar parçaların rotasyonu ile moleküler harekete sebep olurlar. Bir malzemeyi mikrodalga ile ısıtma, malzemenin Dissipation (harcama, tüketme) faktörüne büyük oranda bağlıdır. Bu faktör malzemenin dielektrik sabitine, dielektrik kaybının oranı olarak ifade edilir. Dielektrik sabiti, malzemenin mikrodalga enerjisinin içerisinden geçmesi esnasında alıkoyma yeteneğinin bir ölçüsüdür. Kayıp faktörü ise malzemenin enerjiyi tüketmesi yeteneğinin bir ölçüsüdür. Diğer bir değişle, “kayıp faktörü” giren mikrodalga enerjisinin malzeme içinde ısı olarak tükenmesiyle kayıp olma miktarını vermektedir. Bu nedenle yüksek kayıp faktörlü bir malzeme mikrodalga enerjisi ile kolaylıkla ısıtılabilmektedir. Bu nedenle yüksek kayıp faktörlü bir malzeme mikrodalga enerjisi ile kolaylıkla ısıtılabilmektedir. Gerçekte iyonik iletim ve dipolar rotasyon mikrodalga enerjisi kaybının iki önemli mekanizmasıdır.
Mikrodalgalar yüzeyden yansıma yaparlar, bu nedenle metalleri ısıtmazlar. Genelde metaller yüksek iletkenliğe sahiptirler ve iletken olarak sınıflandırılırlar. İletkenler mikrodalgalar için sık sık conduist (dalga rehberi) olarak kullanılırlar. Mikrodalgalara karşı geçirimli (transparan) olan malzemeler yalıtkan olarak sınıflandırılır. Yalıtkanlar mikrodalga fırınlarında malzemenin ısıtılmasını desteklemek için kullanılırlar. Mikrodalga enerjisi mükemmel absorbe edici olan malzemeler, kolaylıkla ısıtılırlar ve dielektrikler olarak sınıflandırılırlar. Şekil 1 bu özellikleri göstermektedir.
Mikrodalga ısıtma sistemi dört temel komponent ile yapılmaktadır. Bunlar Güç Uygulayıcı, Magnetron, hedef malzemenin ısıtılması için Aplikator (örn. Fırın) ve jenaratörden gelen mikrodalgaları aplikatöre ileten Dalga-Rehberi’dir. Şekil 2, mikrodalga ısıtma sisteminin basit diyagramını göstermektedir [1].
3. Metalurjik Proseslerde Mikrodalga Kulllanımı
Kömür ve kok halinde karbonun ve ağır metal oksitlerin büyük çoğunluğu mikrodalga ısıtmaya cevap vermektedir. Bu nedenle metal oksitlerin mikrodalga destekli karbotermik redüksiyonu mümkündür. Eğer metal oksit düşük kayba sahipse, yani mikrodalga enerjisine karşı zayıf ise o zaman ilave edilen karbon mikrodalga ısıtmanın rolünü hızlandırır. Çeşitli arastırmacılar karbonla (kömür ya da kok olarak) karıştırılmış demir oksitlerin (hematit ya da manyetit) metalik demire redüklenebildiğini belirtmişlerdir. Geleneksel redüskiyonla mikrodalga ile gerçekleştirilen redüksiyonu karşılaştırmak için yapılan bir çalışmada hematit cevheri, kok ve kireç tozu örnek karışımlarının üzerinde redüksiyon testleri yapmışlardır. Her bir karışım numunesi elektrikle ısıtılan mufl fırınında 1000°C de ve 1.3 kW gücündeki 2450 MHz frekansta mikrodalga fırınında ısıtılmıştır. Numune sıcaklığı numune içine daldırılmış bir termokupl ile ölçülmüş, sıcaklık 1000°C’ye ulaştığı zaman test bitirilmiştir. Sonuçta mikrodalga ısıtma hızından geleneksel ısıtma hızında daha büyük olduğu gözlenmiştir. Operasyon maliyetleri için oransal varsayımlar baz alındığında mikrodalga redüksiyon prosesinin geleneksel operasyona göre %15-50 aralığında tasarruf sağlayacağı da belirtilmiştir.
Analitik kimyacılar mikrodalga ısıtma cihazını metallerin, minerallerin ve kimyasal ürünlerin analizinde çözündürülmesi işleminde rutin olarak kullanmaktadır. Mikrodalga ısıtması geleneksel ısıtmaya göre daha fazla ısıtma hızı ve daha hızlı çözünme sağlamaktadır. Gerçekte analitik numunelerin çözünme özelliği, cevher ya da konsantre numunesinde bulunan çeşitli minerallerin liç işlemine uygulanmaktadır[1].
EMR Microwave Technology Co., sülfürlü cevherlerden çok yüksek bakır kazanımları için etkin bir prosesi ortaya koymuşlardır. EMR prosesinin en önemli ilave avantajı düşük çevresel vuruşu (mikrodalganın) olup geleneksel ergitme prosesinden daha düşük sıcaklıklarda çalışarak ve düşük hacim-yüksek yoğunlukta baca gazı üretmektedir. EMR prosesi, bakırı kazanmak için kullanılan asidin geri dönüştürülmesine de çalışmaktadır. Bu proses 2000 yılının Şubat ayından beri pilot tesiste test edilmektedir[2].
Bir başka mikrodalga destekli hidrometalurjik çalışmada, Joret ve arkadaşları tarafından 1997 yılıda Co3O4 ve CeO2 metal oksitlerini nitrik asit içerisinde çözünme hızı üzerine mikrodalganın etkisi araştırılmıştır. Mikrodalga destekli çözünme deneyleri kontrollu basınç ve sıcaklık altında gerçekleştirilmiştir. CeO2 ve Co3O4 bileşiklerinin 7 M nitrik asit içerisindeki çözünme hızları ile ilgili deneyler, bu tip çözünme reaksiyonları üzerine termal olmayan bir etkiye sahip mikrodalganın etkisinin olup olmadığını araştırmak üzere gerçekleştirilmiştir. CeO2 ve Co3O4 tipik olarak refraktorik mineraller oldukları için seçilmişlerdir. Nitrik asidi ise nükleer endüstride kullanılan ve tercih edilen bir liç ortamıdır. Geleneksel ısıtmayla yapılan deneylerde çözünme proseslerinin aktivasyon enerjisinin CeO2 için 102±9 kJ/mol ve Co3O4 için 110±12 kJ/mol olarak bulunmuştur. Mikrodalga destekli çözünme deneyleri, kontrollu basınç ve sıcaklık altında Teflon bombası ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki, süper ısıtmanın sonucu olarak kimyasal reaksiyon hızında önemli bir artış olmuştur[3].
Bir başka çalışmada nikel oksit, kobalt ve demir oksit içeren lateritik cevherlerin mikrodalga destekli liç işlemleri üzerine çalışılmıştır. Bu mineraldeki metaller, metal klorürlere dönüştürülmüştür. Bu işlem cevher ve amonyum klorür karışımının 177-312°C aralığında 4-5 dakika süreyle mikrodalga ısıtılması (1200 W, 2450 MHz, N2 atmosferi) yapılarak, akabinde 30 dakika süreyle 80°C de su ile liç edilerek başarılmıştır. Nikel ve kobalt ekstraksiyonları sırasıyla %70 ve %85 olarak gerçekleşmiştir. Bu sonuca geleneksel döner fırında 300°C’de 2 saat süreyle kavurma yapılmasıyla ulaşılacağı belirtilmiştir. Benzer şekilde oksidik ve /veya sülfürik mineraller içeren bakır cevherleri ya da konsantreleri, cevher ya da konsantrenin ferrik ya da ferro klorürle yaptıkları karışımın 350-700°C aralığında mikrodalga ısıtılması ile ve akabinde sıcak liç ile çözündürülmüş ve bakır ekstraksiyonu %96 olmuştur.
Diğer bir çalışmada bakır sülfür konsantresinin mikrodalga destekli asidik ferrik klorür liçi çalışılmıştır. Bu konsantrede temel bakır mineralleri kalkosit (Cu2S) ve kalkopirittir (CuFeS2). Liç çamuru direk olarak çeşitli zaman dilimleri için mikrodalga ile (700 W, 2450 MHz) ısıtılmış ve 40-45 dakikalık mikrodalga ısıtması sonucu %99’luk bakır kazanımına ulaşılmıştır. Oysa geleneksel ısıtmada aynı ekstraksiyon mertebesine ulaşmak için 2 saatlik ısıtma işleminin gerekli olduğu belirtilmiştir.
Altın, alkali siyanür liçi ile kazanılamadığı zaman ısıya dayanıklı yani refraktorik özellikte olduğu farzedilir. Bu tipteki altının çoğunluğu pirit (FeS2), arsenopirit (FeAsS) ve pirotit (FeS) gibi sülfürlü minerallerde bulunmaktadır. Genellikle bu özellikteki altın cevherleri veya konsantreleri, alkali siyanür liçi ile altın kazanımını yapabilmek için kavurma, O2-basınçlı liçi ya da bakteri liçi ile ön işleme maruz bırakılırlar.
Sülfürlü mineraller mikrodalga yardımıyla kolaylıkla ısıtıldığından, sülfürlü refraktorik altın cevherini mikrodalga ile ön işleme tabi tutmak mümkün olmaktadır. As2O3 ve SO2 oluşumundan kaçınmak için, bir silika tüp içinde azot atmosferinde konsantre üzerinde mikrodalga ile kalsinasyon testleri gerçekleştirilmiştir. Temel ürünler FeS, Arsenosülfür (As2S3) ve kükürt (S) olmuştur. İlave olarak yapılan bu çalışmada, mevcut konsantre ile NaOH karışımı üzerinde de mikrodalga ısıtma testleri denenmiştir. Karışımın mikrodalga ile ısıtılması esnasında SO2 ve As2O3 oluşmamış, onun yerine Na3AsO4, Na2SO4 ve FeSO4 gibi suda çözünen ürünler oluşmuştur. Mikrodalga işlemi görmüş katı kısım 75°C de su ile liç edilmiştir. Katı/sıvı faz ayırımından sonra atık kısım alkali siyanür çözeltisiyle liç edilmiş, %99 Au ve %79 Ag ekstraksiyonlarına ulaşıldığı belirtilmiştir(1).
J.M. Tranquilla adlı araştırmacı, 1997 yılında %9 Arsenik ve %20 kükürt içeren, baskın şekilde arsenopirit ve ikincil olarak pirit ihtiva eden reflaktorik özellikteki altın konsantresi üzerinde çalışmıştır. Küçük numuneler için (20-50 gram özel dizayn edilmiş bir aplikatörde kuru konsantre mikrodalgaya maruz bırakılmış, akabinde XRD analizi yapılmıştır. Çok düşük oksijen koşulları altında ve 50 kJ/kg aşağısındaki spesifik enerji mertebelerinde oksidasyon ürünlerinin (pirotit, elementel kükürt, arsenik) gelişimi görülmüştür. Yapılan testlerde dikkate değer olan şey, birçok durumda ürünler, kısa maruz kalma sürelerinde oluşmuş olmalarıdır[4].
Tranquilla ve LaRochelle’nin çalışmasında ise, %85’i arsonepirit olmak üzere %20 kükürt, %10 arsenik ve 1 ons/ton altın içeren bir arsenopirit/pirit konsantresi kullanılmıştır. Geleneksel arsenopirit kavurma reaksiyonları;
FeAsS --> FeS + As
4As +3O2 --> 2As2O3
3FeS + 5O2 --> Fe3O4 + 3SO2
ve/veya
2FeS + 3.5 O2 --> Fe2O3 + 2SO2
şeklindedir. Bunun yanısıra pirit için;
3FeS2 + 8O2 --> Fe3O4 + 6SO2
ve/veya
2FeS2 + 5.502 --> Fe2O3 + 4SO2
reaksiyonları gerçekleşmektedir. Bu reaksiyonlar yardımcı bir oksijen tesisinden gelen aşırı miktardaki O2 ile yaklaşık 600°C’de meydana gelmektedir. Reaksiyonlar kuvvetli şekilde ekzotermiktir. Uygun dizayn edilmiş bir reaktörde mikrodalga enerjisi kullanılarak arzu edilen nihai ürünleri (magnetit/hematit) aşağıda verilen iki senaryodan herhangi biri ile önemli miktarlada SO2 ve As2O3 oluşmaksızın elde edilebilmektedir.
Senaryo 1
FeS2 + FeAsS --> 2FeS + AsS
(500-550°C kontrollü hava/sirkülasyon)
3FeS + 2O2 --> Fe3O4 +3S
ve/veya
2FeS + 1.5O2 --> Fe2O3 + 2S
(400°C kontrollü hava/sirkülasyon)
Senaryo 2
3FeAsS + 2O2 --> Fe3O4 + 3AsS
ve/veya
2FeAsS + 1.5O2 —> Fe2O3 + 2AsS
(400-500°C kontrollü hava/sirkülasyon)
3FeS2 + 2O2 --> Fe3 O4 + 6S
ve/veya
2FeS2 + 1.5O2 --> Fe2O3 + 4S
(+500°C kontrollü hava/sirkülasyon)
Bu reaksiyonlar yarı-otojendir ve sürekli olarak kontrol edilebilirler. Tercih edilen nihai demir ürünü hematit olup altın kazanımı için yapılan siyanür liçine uygun hale gelir. Senoryo 2’de, sadece arsenopirit fazı arzu edilirse, yani altının çoğu arsenopiritle birlikte ise, operasyon tek fazlıdır ve tercih edilen ürünü hematittir [5-8]. Refraktorik özellikteki altın konsantresinin ön işlem proseslerinin, EMR Mikrodalga prosesi ile karşılaştırması Tablo 1’de verilmiştir.
Mikrodalga enerjisi ayrıca zirai, kimyasal ve gıda ürünleri, tekstil, kağıt ve daha bir çoğu gibi çeşitli ürün ve malzemenin kurutulmasında artan bir uygulama bulmaktadır. Genel olarak kurutma, su, asit ya da yüksek buhar basınçlı organik madde (örn. Alkol, aseton, eter, aromatikler vs.) gibi fiziksel olarak absorbe edilmiş solventlerin giderilmesi işlemidir.
Anhidrasyon ise moleküler halde bulunan bir maddeye kimyasal olarak bağ yapmış suyun giderilmesi işlemidir. Aşağıdaki reaksiyonlar tipik anhidrasyon olayını göstermektedir[1].
CaSO4.2H2O (Jips) --> CaSO4 (anhidrit) + 2H2O
2 O = Fe — (OH) (götit) --> Fe2O3 (hematit) + H2O
Mikrodalga enerjisinden atık malzeme yönetiminde de yararlanılmaktadır. Birçok endüstride proses kademelerinde atık malzeme oluşmaktadır. Atık malzemenin içerdiği bileşenlerin ortaya koyduğu tehlikeyi azaltmak amacıyla, üretilen atığı minimuma indirmek ve zehirli atıkların emniyetli şekilde tutulması, taşınması, depolanması, imhası, giderilmesi ve bertaraf edilmesi işlemleri için teknolojiler araştırılmaktadır. Günümüzde geniş miktarlardaki gaz, katı ve sıvı atıkların yönetiminde mikrodalga enerjisi dikkate değer bir potansiyel ortaya koymaktadır.
Çelik üretim fırınları metalik toz üretmektedir. Galvanizlenmiş çelik hurdası kullanan elektrik ark fırınları, suda liç edilebilir kurşun, kadmiyum, krom ve çinko içeren toz üretmektedir. Bu tür toz, zehirli olarak sınıflandırılmakta ve bertaraf edilmeden önce işleme tabi tutulması gerekmektedir. Bu konuda 1994 yılında yapılan bir çalışmada, toz halindeki karbonla karıştırılmış tipik bir elektrik ark fırını tozunu çeşitli zaman dilimlerinde ısıtmak için mikrodalga enerjisini (900 W, 2450 MHz) seçmişlerdir. %90’dan fazla çinko, ZnO olarak buharlaştırılmış, reaksiyon potansının tepesine yerleştirilmiş bir alümina levha üzerine yoğunlaştırılmış ve toplanmıştır. Laboratuvar skalasındaki test sonuçları göstermiştir ki, çinko giderimi hızlı ve selektif olmuştur. Demirce zengin atık ise demir-çelik üretim fırınına geri dönüştürülebilir durumdadır[1].
EMR Microwave Technology Co, termik santrallerdeki uçucu küllerde bulanan kalıntı organik karbonun geri kazanılması içinde bir proses ortaya koymuştur. Kalıntı karbonu azaltılan uçucu kül, çimento üretiminde geniş uygulama alanına sahip yüksek değerli bir üründür. Uçucu küldeki kalıntı karbon, kızdırma kaybı olarak bilinen kısımda tam olarak yanmamanın bir sonucudur. Uçucu kül çimentoya ilave edilen değerli bir katkı malzemesidir. Bu fayda, kalıntı karbonun ortamda bulunmasıyla azalmaktadır. EMR mikrodalga prosesi, kalıntı organik karbonu yakmakta ve sonuçta nispeten karbonsuz kalsine uçucu kül üretmektedir[9].
Cevher zenginleştirme esnasında ortaya çıkan atıklar, çevresel kirlenmeleri elimine etmek ya da hedef metalleri kazanmak için etkin prosesler kullandığı zaman, oldukça, değerli bir kaynaktır. J.M. Tranquilla ve arkadaşları, EMR Microwave Technology Co. şirketi bünyesinde maliyetleri azalmak, etkin şekilde metal kazanmak ve çevresel kirlenmeyi önlemek amaçlarıyla bu tip atıkların işlenmesi ile ilgili prosesler ortaya koymuşlardır [10].
3. SONUÇ
Mikrodalga enerjisi, ısıtma, kurutma, öğütme, liç işlemi, kavurma, ergitme, oksitli minerallerin karbotermik redüksiyonu, refraktorik özellikteki altın konsantresi yada cevherlerinin ön işlemi ve atık yönetimi gibi mineral işleme ve ekstraksiyon proseslerinde uygulama potansiyeline sahiptir. Genellikle mikrodalga enerjisi temel olarak elektrik enerjisinden düşük dönüşüm randımanı (2450 MHz için %50 ve 915 MHz için %85) nedeniyle elektrik enerjisinden daha pahalıdır. Bununla birlikte mikrodalga ile ısıtmanın etkinliği geleneksel ısıtmadan çok daha yüksektir ve maliyetinin üstesinden gelmektedir.
KAYNAKLAR
1. Kazi E.Haque, “Microwave Energy for Mineral Treatment Processes-a Brief Review”, International Journal of Mineral Processing, p.1-24, 57, 1999.
2. “EMR Microwave Announces Successful Demonstration of Copper Recovery Process”, www.emrmicrowave.com, January 31, 2000.
3. L.Joret, G.Cote & D.Bauer, “Effect of Microwave on the Rate of Dissolution of Metal Oxides (Co3O4 and CeO2) in Nitric Acid”, Hydrometalllurgy, 1-12,45 (1997)
4. J.M. Tranquilla, “Mineral Extraction and the Use of Microwaves”, presented at CIM Conference, Vancouver, Canada, April 27, 1997.
5. J.M. Traquilla & W. LaRochelle, “Design ad Operation of a Microwave Pilot Plant for calcining Refracfory Gold Ores and Concentrates”, EMR Microwave Tech. Co., Canada, www.emrmicrowave.com
6. J.M Tranquilla & M. Gordon, “Microwave Treatment - Economic Sense”, EMR Microwave Tech.Co., www.emrmicrowave.com
7. “Recovery of Metals by Microwave”, EMR Microwave Technology Corporation, www.emrmicrowave.com
8. “EMR Product Comparison”, EMR Microwave Technology Corporation, www.emrmicrowave.com/marketing.html
9. “EMR Microwave Announces Process For Treatment of Flyash’ www. emrmicrowave com, February 9, 2000
10. J.M.Tranquilla, M.H. Gordon, W.J. LaRochelle, L.M. Thompson & R.M.Hickey, “An Engineering and Economic Model for Microwave Processing of Mine Tailings”, presented at CIM Conference, Montreal, Canada, 5 May 1998.
|
|
||||
|
Adres: |
Tel: |
(312) - 425 41 60 |
E-Posta: |
|
| Faks: |
(312) - 418 93 43 |
|||
|
|
||||
|
TÜRKİYE ÜNİVERSİTELERİ |
||||
|
ÜNİVERSİTELERİN METALURJİ, SERAMİK VE MALZEME BÖLÜMLERİ |
||||
Web Tasarım
|
||||