Özet
Nadir toprak elementleri (NTE) endüstrinin vitamini olarak bilinmekte ve bu elementlere olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. NTE adında geçtiği üzere “nadir” değillerdir. Yerkabuğunda çoğu elementten, bazıları bakır, altın ve gümüşten bile daha fazla bulunmaktadır.
Bununla birlikte, ekonomik olarak bu değerleri kazanmak için oldukça yüksek konsantrasyonlarda bulmak gerekir ve dolayısıyla bu metallerin madenciliği çok zordur.
NTE’nin yeni veya mevcut rezervlerin yanı sıra hem geri dönüşüm ürünlerinden kazanımı hem de diğer mineral kaynaklarından yan ürün olarak elde edilmesi araştırılması gereken konulardan biridir.
Kömürün birçok eser metale ek olarak NTE’ni içerdiği ve bu elementlerin çoğunluğunun kömürdeki inorganik minerallerle birlikte bulunduğu bilinmektedir. Ülkemizde kömür yıkama tesislerinin artık miktarları çok fazladır ve gelecekte de daha büyük bir sorun aline gelecektir.
Yapısında bulundurduğu değerli metaller nedeniyle büyük ekonomik değere sahip olan bu tür artıkların geri kazanım prosesleri ile değerlendirilmesi büyük bir katma değer yaratacak ve bu konularda yapılacak çalışmalar ile gerek akademik kurumlar gerekse de yatırımcılar teşvik edilecektir.
Konu
Atom numaraları 57 (lantan) ile 71 (lütesyum) arasında bulunan 15 lantanit ile itriyum ve skandiyumdan oluşan toplam 17 adet metalik elementten oluşan gruba NTE denilmektedir. Geniş bir yelpazedeki ileri teknoloji ürünlerinde kullanılmaları dolayısıyla NTE yüzyılın stratejik ve vazgeçilmez elementleri olarak ifade edilmektedir.
Katkı maddesi olarak NTE’ni içeren malzemeler kararlı, yüksek sıcaklık ve korozyona dayanıklı hafif malzemelerdir.
Bu özellikleriyle NTE, bilgisayar, hibrid araçlar, yüklenebilir piller, cep telefonları, düz televizyon ekranları, dizüstü bilgisayarları, rüzgar türbinleri, tıbbi görüntüleme cihazları, radar sistemleri, katalitik çeviriciler, korozyona daha dayanıklı metal alaşımları, uçak motorları, tıp, seramik, cam üretiminde, petrol arıtmada kullanılmaktadır.
NTE’nin üretimi, zenginleştirilmesi, zenginleştirilmiş konsantrelerin kullanım amacına uygun hale getirilmesi bilgi, teknoloji, deneyim ve en önemlisi de uzmanlık gerektirmektedir. NTE üretimi 1980 yıllarında teknolojideki hızlı gelişime ayak uydurarak ciddi boyutta artmıştır.
Bu artış dünya ekonomisine bağlı olarak düzenli bir şekilde artmakta, ekonomik krizlerin yaşandığı yıllarda da üretim hızı düşmektedir. Çin dünyada kullanılan neodimiyum-demir-bor (NdFeB) ile samaryum kobalt (SmCo) mıknatıslarının büyük bir kısmını üretmektedir.
Dünya NTE üretimi yaklaşık 130×103 ton/yıl, bu üretimin parasal değeri de 4×109 $/yıl civarında olup, Çin dünya NTE üretiminin %95’ini tek başına gerçekleştirmektedir. İnsanların daha rahat yaşamayı arzu ettikleri sürece NTE’ye olan talep de artacaktır (Yıldız, 2016).
Gelişen teknoloji ile endüstride kullanılan metal çeşitliliğinin ve beraberinde fiyatlarının da artması, ülkeleri kendi yer altı kaynaklarını daha etkin bir şekilde araştırmaya ve iç tüketimleri için gerekli olan madenleri ya kendi kaynaklarından ya da ithalat yoluyla tedarik etmeye yöneltmektedir.
Dünyada gelişen endüstriye paralel olarak, hızla gelişen ve büyüyen ülkemizin de sanayide kullandığı maden çeşitliğini artırması, yer altı kaynaklarımızın daha etkin bir şekilde belirlenmesi ve ortaya çıkarılması ile mümkün olacaktır.
Dünya enerji talebinin, nüfus artışı ve teknolojik gelişmelere bağlı olarak artması sonucu enerji kaynakları olan kömür, petrol gibi yakıtların kullanımı günümüzde de önemini korumaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilginin giderek artmasına rağmen kömürün küresel enerji payı artmaya devam etmektedir.
Uzun ve çeşitli jeolojik geçmişe sahip bir maddeden beklendiği gibi, kömür periyodik cetveldeki elementlerin birçoğunu içerir. Araştırmacılar kömür küllerinde yoğunlaşmış olarak bulunan nadir elementlerin çok farklı kimyasal özelliklere sahip olabildiğine dikkat çekmektedir.
Bu elementler arasında berilyum, stronsiyum, baryum, bor, skandiyum, itriyum, lantan ve lantanidler, zirkonyum, vanadyum, kobalt, nikel, molibden, uranyum, bakır, çinko, galyum, germanyum, arsenik, antimuan, kadmiyum, kalay, iyot, kurşun, bizmut; gümüş, altın, rodyum, paladyum, platin, toryum, indiyum, talyum,selenyum, tellürum gelmektedir.
Çoğu durumda, bu elementlerin hepsi veya çoğu, küllerde yoğunlaşmaktadır. Literatürde, genellikle termik santrallerde yakma işlemleri sonucunda elde edilen baca külü içerisinde yüksek içeriklerde bulunabilen NTE’nin kazanılması konusunda çalışmalar bulunmaktadır. Kömür yakma işlemleri sonucunda, NTE’nin bulunduğu mineraller ince taneler halinde ya da gaz fazına geçerek bacadan sürüklenmekte ve gözenekli bir yapıya sahip baca külleri ile temas etmektedirler.
Benzer olarak yakma işlemleri sonucunda fırın taban külünde yanmayan inorganik ürün içerisinde NTE’nin konsantrasyonu artmaktadır (Gupta ve Krishnamurthy, 1992).
Birincil enerji kaynaklarının yerli veya ithal kaynaklardan seçilmesi ekonomik dengeleri değiştirecek niteliktedir. Enerjinin ekonomik açıdan stratejik öneme sahip olması nedeniyle, mümkün olduğu ölçüde, yerli kaynaklara yönelmek zorunluluğu vardır.
Ocaklardan çıkarılan kömürler, çeşitli boyutlarda kömür tanelerinin yanı sıra çeşitli cins ve miktarlarda kömür dışı kuvars, kil mineralleri, karbonat mineralleri, sülfür mineralleri vb. gibi inorganik maddeler de içermektedir.
Gerek endüstrinin istediği özelliklerde gerekse hava kirliliği yaratmayan düşük kül ve kükürt içerikli kömür üretimi için kömür içerisinde yer alan bu safsızlıkların giderilmesi gerekmektedir. Kömür kullanımına paralel olarak açığa çıkan artık da artmaktadır.
Kömür yıkama (lavvar) ve hazırlama sırasında oluşan artıklar farklı karakterlere sahiptirler. Kömür işletmelerinde iri taneli artıklar genellikle açıkta yığınlar halinde depolanırken, daha sulu ve ince taneli çamur şeklindeki artıklar, atık barajlarına doğrudan veya filtrelendikten sonra sevkedilmektedir.
Genel olarak kömürün işlem görmesinden çıkan tüm artıklar kömür artığı veya şist olarak adlandırılmaktadır. Bu artık malzemelerin içerisindeki kömürün geri kazanımı atık stoklama problemleri ve maliyetini azaltacaktır. Sonuçta artık içerisindeki kömür bir enerji kaynağıdır.
Doğrudan madencilik faaliyetleri ile çıkartılan kömürden NTE üretimi mantıklı bir yol değildir. NTE’nin yanmayan inorganik kısımda yoğunlaştığı bilindiğine göre, kömür yıkama işlemleri sonucunda ortaya çıkan artıklardaki bu değerlerin uygun yöntemlerle kazanılması büyük bir yarar sağlayacaktır.
Literatürde ikincil kaynak olarak kömür yan ürünlerinden NTE’nin kazanımı ile ilgili olarak boyutlandırma, özgül ağırlık farkına göre ayırma, manyetik ayırma, flotasyon gibi fiziksel ve fizikokimyasal yöntemlerin uygulandığı az da olsa birtakım çalışmalar vardır.
Bilindiği üzere, Cevher Hazırlama ve Zenginleştirme birincil ve ikincil kaynaklardan metallerin kazanımı noktasında hem teknolojik hem de ekonomik faydalar sağlamakta, üretimi yapılan hammaddeler uygun yöntemler ile zenginleştirildikten sonra metalurjik proseslere gönderilmektedir.
Bu da gerek ekonomik gerekse de teknolojik faydalar sağlamaktadır.
Kömür yan ürünleri ve artıkları gibi alternatif kaynaklardan NTE’nin geri kazanımı, ileri teknoloji malzemelerinin güvenilir bir şekilde tedarik edilmesini sağlarken, kömür madenciliğinin ekonomik olarak uygulanabilirliğini sürdürebilir hale getirme potansiyeli taşımaktadır.
NTE üretimi için hammadde olarak kömür yan ürünlerini kullanmanın avantajları şunlardır; 1) büyük ve güvenilir kaynaklar, (2) halihazırda madenciliğinin yapılması (yeni maden ruhsatına gerek yok), (3) yeni çıkarılan bir maden olmadıklarından potansiyel çevre ve sağlık faydası sağlaması ve (4) potansiyel atık ürünlerinin kullanılması.
Dünya genelinde ortalama toplam NTE konsantrasyonu kömürde yaklaşık olarak 68 g/t’dur. Rusya’daki Far East kömür ocaklarında 300 ile 1000 g/t içerikli, Doğu Kentucky’de Fire Clay kömür yatağında 500 g/t civarında, Kanada’nın Nova Scotia kentinde bulunan Sydney Havzasında 72-483 g/t arasında yüksek miktarda NTE içeriğine sahip olan kömür yatakları bulunmaktadır.
Türk kömürlerinin ortalama NTE içerikleri 116 ppm olarak verilmiş ve dünya kömür ortalamasının neredeyse iki katıdır. Kısacası, kömür üretiminin her aşamasında (çıkarma, yıkama ve yakma) ortaya çıkan ürünler NTE açısından zengin bir kaynak niteliğindedir (Kislyakov ve Shchetochkin, 2000; Dai vd., 2008).
Ülkemiz için vazgeçilmez, güvenilir ve ucuz bir enerji kaynağı olan kömür ve kömür yan ürünlerinden kömürün ve NTE’nin, çevresel ve endüstriyel etkileri göz önünde bulundurularak, seçimli olarak eldesini sağlayacak teknolojilerin ve metodların oluşturulması oldukça önemlidir.
Bu açıdan bakıldığında ekonomik açıdan değerlendirilmesi kaçınılmaz olan, sahip olduğu yüksek NTE içeriği ile atık sahalarında ve depolama havuzlarında hazır olarak işletilmeyi bekleyen ve bir anlamda NTE madeni olan kömür şistlerinden öncelikli olarak karbon kazanımının, daha sonrasında ise bu önemli değerlerin kazanılması ülke menfaatlerine hizmet edecektir.
Ayrıca, Ulusal ve Uluslararası bazda büyük bir tehdit olarak görünen bu atıkların ikincil bir kaynak olarak değerlendirilmesi ile çevresel etkileri azaltacak yeni prosesler üretilmiş olacaktır.
Doç. Dr. \ Assoc. Prof. Dr. Fırat Burat
İstanbul Teknik Üniversitesi
Maden Fakültesi
Cevher Hazırlama Mühendisliği Bölümü
Geri Kazanım, Ayırma ve Zenginleştirme Çalışma Grubu
