AKÜMÜLATÖR GERİ KAZANIM TESİSİ FIRIN CÜRUFLARININ YENİDEN DEĞERLENDİRİLMESİNİN ARAŞTIRILMASI. Kamil B. VARINCA, Yaşar AVŞAR, M.

Transkript

1 AKÜMÜLATÖR GERİ KAZANIM TESİSİ FIRIN CÜRUFLARININ YENİDEN DEĞERLENDİRİLMESİNİN ARAŞTIRILMASI Kamil B. VARINCA, Yaşar AVŞAR, M. Talha GÖNÜLLÜ Yıldız Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, 34220, Esenler/İstanbul/Türkiye ÖZET Günümüzde kurşun, endüstrilerde geniş bir yelpazede kullanım alanına sahiptir. Kurşun birincil kaynak olarak cevherlerden, ikincil kaynak olarak da içerisinde kurşun bulunan malzemelerden geri kazanım yoluyla elde edilmektedir. Ancak hem birincil kurşun kaynaklarının azalması hem de ikincil kurşun kaynaklarından kurşun üretiminin daha ekonomik hale gelmesi kurşun kaynağı olarak ikincil kaynaklara yönelimi artırmaktadır. İkincil kurşun kaynaklarından en önemlisi akümülatörlerdir. Atık akümülatörler, geri kazanım tesislerinde kırılmak suretiyle içerlerindeki plakalar, kutup başları ve anot çamuru kurşunundan yararlanmak üzere ergitme fırınına beslenmektedir. Fırınlardan kurşun eriyiği ile birlikte ayrıca fırın cürufu da oluşmakta ve bu gibi tesislerin önemli bir atık türünü oluşturmaktadır. Bu atık türü, içeriğindeki kurşun miktarı değişmekle birlikte, ülkemizde tehlikeli atık sınıfında yer almaktadır. Bu bildiride, akümülatör geri kazanım tesislerinden çıkan fırın cüruflarının yeniden değerlendirilmesi konusunda mevcut bilimsel çalışmalara yer verilmiştir. Bu çalışmalar cürufun direkt kullanılması şeklinde olabileceği gibi aynı zamanda çimento gibi bağlayıcı maddelerle katılaştırma/stabilize etme işlemleri şeklinde de olabilmektedir. Fırın cürufları çimento bağlayıcı maddesi ile muamele edilmek suretiyle katılaştırmaya tabi tutularak ürün olarak çıkan katılaşmış malzemenin hem mukavemet hem de sızabilirlik özellikleri belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Fırın cürufu, katılaştırma/stabilizasyon, kurşun, TCLP INVESTIGATION OF RE-USE OF FURNACE SLAG OF ACCUMULATOR RECYCLING PLANT ABSTRACT Today, lead has a wide range of uses in industries. Lead as the primary source from ores and as a secondary source from recovery of materials is obtained through. However, reduction of sources of lead and lead production from secondary lead sources becomes more economical, orientation of secondary sources as a source of lead increases. The most important secondary sources of lead are accumulator. Waste accumulators are fed melting furnace. With lead melt from furnaces, furnace slag is also formed and these are an important type waste. This type of waste, the amount of lead content varies, is in a class of hazardous waste in our country. In this paper, existing scientific studies about re-use of furnace slag are included. These studies may be including such as direct use and as cement solidification/stabilization. Furnace

2 slag was treatment cement binding and solidified materials were determined properties of strength and leaching. Keywords: Furnace slag, solidification/stabilization, lead, TCLP GİRİŞ Akümülatör geri kazanım tesisleri, hurda aküleri işleyerek külçe kurşun üretimi yapmaktadırlar. Akümülatör geri kazanım tesisine ait örnek bir akım şeması Şekil 1 de verilmiştir. Tesise gelen defolu veya hurda haldeki aküler ilk önce akü kırma ünitesinin ilk kısmı olan kırma makinesine verilir. Aküler bantla kapak kesme ünitesine taşınır. Akü burada yan çevrilerek kapak kısmı kesilir. Bu vesileyle kapak kısmındaki kutup başları da alınmış olur. Kapak kısmı bir bant üzerine düşürülürken, geri kalan akü gövdesi bir trommele beslenir. Trommelde akü gövdesi içindeki akü plakaları, gövdeden ayrılarak aşağıya bir hazne içine düşürülür. Su ile yıkanan akü plakaları asidinden yıkanılarak bir bant ile taşınıp ayrı bir kısımda stoklanır. Trommelden çıkan akü kapları ve içindeki akü çamurları ile ilk başta kesilen akü kapak kısmı beraberce bir bant üzerine gelir ve bu komponent karışımı bu taşıyıcı bant yardımı ile çekiçli kırıcıya sevk edilir. Çekiçli kırıcıda küçük parçalara ayrılan karışım, su ile tasnif edilmek üzere içinde su bulunan bir bölmeye beslenir. Bu bölmenin tabanından kutup başları, onun üstünden akü çamuru ve onun da üstünden plastik kısımlar yıkanmış halde alınarak ayrı noktalarda biriktirilir. Şekil 1. Akümülatör geri kazanım tesisine ait örnek bir akım şeması

3 Kırma ünitesi çıktıları olan; plakalar, kutup başları ve anot çamuru kurşunundan yararlanmak üzere ergitme fırını kısmına beslenmektedir. Ergitme fırınına beslenenler; akü plakaları, kutup başları ve anot çamurudur. Ergitme fırınına beslenen kurşun içeren hammaddelere ilave olarak kurşun rafinasyonunu sağlamak ve safsızlıkları ayırabilmek için aşağıdaki katkı maddeleri de beslenmektedir: Soda (Na 2 CO 3 ) Demir talaşı (Fe) Silis (SiO 2 ) Meşe kömürü (C) ve/veya kömür tozu (C) Kireç (CaO) Katkı maddelerinin oranı fırına beslenen kurşunlu hammaddenin durumuna göre belirlenir. Fırında ergitme için enerji, brülörlerde fuel oil (4 nolu) yakılması ile temin edilmektedir. Brülör ile ergime için takriben 6 saat ısıtma ile 1100 C sıcaklık sağlanır. Eriyik kurşun ve cüruf ayrılarak fırından alınır. Eriyik kurşun, ön potaya alındıktan sonra kalıplara soğutulmak üzere dökülür. Oluşan cüruf kaya parçaları görüntüsünde olup Şekil 2 de gösterildiği gibidir. Cürufun genel bileşimi Çizelge 1 de verildiği gibidir. Buna göre cüruf genelinde Fe ve Si metali önde gelmekte ve önemli bir oranı oluşturmaktadırlar. Daha sonra oranları az olmakla beraber Na ve Ca metalleri de öne çıkmaktadır. Bu metaller, tesiste rafinasyon için kullanılan maddelerden kaynaklanmaktadır. Cüruf genelinde Pb içeriği %0,48 olarak verilmiştir. Cüruf numunelerinin heterojen yapıda olması nedeniyle, içinde kurşun oranı yüksek olan bir partikül seçilerek yapılan SEM analizinde Çizelge 2 de verilen değerler elde edilmiştir. PbO içeren partikül içindeki PbO/Pb elementi oranı %34,76 şeklindedir. Şekil 2. Oluşan cürufun görüntüsü Çizelge 1. Cüruf bileşimi (% ağırlık) Element Numune 1 Numune 2 Ortalama Na 7,04 8,04 7,54 Mg 0,74 0,88 0,81 Al 1,52 1,68 1,6 Si 15,27 16,56 15,915 S 1,52 1,57 1,545 Ca 3,52 3,38 3,45 Cr 0,55-0,275 Fe 33,48 30,57 32,025 Pb 0,61 0,35 0,48 O 35,35 36,39 35,87

4 MATERYAL METOD Çimento Çizelge 2. Cüruf içindeki Pb içeren partikülün bileşimi (% ağırlık) Element Pb içeren partikül Na 9,00 Mg 1,35 Al 1,19 Si 9,83 Ca 2,16 Fe 17,02 Pb 34,76 O 24,70 Çalışmada PÇ 42,5 tipi çimento kullanılmıştır. Çimentoya ait kimyasal içerik Çizelge 3 de verilmiştir. Cüruf Çizelge 3. Çalışmada kullanılan PÇ 42,5 tip çimentonun içeriği İçerik Miktar (%) SiO 2 20,91 Al 2 O 3 4,00 Fe 2 O 3 3,61 CaO 64,85 MgO 0,97 SO 3 2,29 K 2 O 0,57 Çalışmada Mutlu Akü ve Malzemeleri San. A.Ş. nin Gediz-Kütahya daki hurda akü geri kazanma tesisinden çıkan cüruflar kullanılmıştır. Cürufa ait kimyasal içerik Çizelge 4 de verilmiştir. Kalıpların hazırlanması Çizelge 4. Çalışmada kullanılan cürufun kimyasal içeriği İçerik Miktar (%) Fe 21,33 FeO 2 30,47 SiO 2 41,20 Si 18,95 Pb 1,37 Cd 0,0027 Cr 0,0017 Tesisten alınan kuru ve katı cüruflar çimento ile homojen bir karışımın sağlanması amacıyla öğütülmüştür. Öğütülen cüruf çimento ile %5 oranında karıştırılarak su ile karışım hazırlanmış ve 6 cm çapında plastik silindirik kalıplara dökülmüşlerdir. Çalışmaların

5 doğruluğunun ve tekrarlanabilirliğinin sağlanması amacıyla 3 adet sadece çimento ve suyun yer aldığı şahit karışım ile cürufun toplam ağırlığa oranı %5 olan 6 adet numune hazırlanmıştır. Her bir numunede 10 g cüruf 200 g çimento bulunmaktadır. Katılaşmış Malzemenin Mukavemetinin Belirlenmesi Karışımlar kalıba döküldükten sonra dayanımlarının ölçülmesi amacıyla yapılacak mukavemet deneyi için 7 ve 28 gün beklenilmiştir.7. gün şahitlerden ikisi, numunelerden ise üç tanesi mukavemet deneyine tabi tutulmuştur. 28. gün ise diğer şahit ve numunelerin mukavemet deneyleri yapılmıştır. Mukavemet deneyi TS EN Beton Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 3: Deney numunelerinde basınç dayanımının tayini nde anlatıldığı üzere basınç dayanım test cihazının iki ağzı arasına konan numunenin kırıldığı andaki basıncın kaydedilmesi ile yapılmaktadır. Deney Yıldız Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliğine ait Malzeme Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Katılaşmış Malzemenin Sızma Özelliklerinin Belirlenmesi Mukavemet deneylerinin ardından katılaşmış malzemenin sızma özelliklerinin tespiti maksadıyla sızma testi uygulanmıştır. Bu amaçla ABD EPA Metot Zehirlilik Sızma Testi (TCLP) deney talimatı kullanılmıştır. TCLP, katılaşmış malzemenin asidik ortamda sıvı ortamına kirletici geçirme özelliğini test belirlemektedir. Bu amaçla malzemenin cinsine göre hazırlanan asetik asit içerikli ekstraksiyon (muamele) sıvısı 18 saat boyunca çalkalanmak suretiyle katılaşmış malzeme ile muamele edilir. Deney sonrası eluatta (suya geçen kısım) kimyasal içerik tayini yapılır. Deney, katılaşmış malzemenin 9,5 mm nin altına öğütülmesinin ardından deneyde kullanılacak ekstraksiyon sıvısının tespiti ile başlamıştır. Bu amaçla deney talimatında anlatıldığı üzere 5 g atık 96,5 ml distile su ile birlikte alınıp 5 dakika manyetik karıştırıcıda karıştırılmıştır. ph ölçümü yapılmış ve ph 5 den büyük olduğu için yine deney prosedürüne göre 3,5 ml 1 N HCl ilave edilmiş, kabın ağzı kapatılarak 50 C ye kadar ısıtılmış ve 10 dakika bu sıcaklıkta kalması sağlanmıştır. 10 dakikanın sonunda oda sıcaklığına gelmesi için kendiliğinden soğumaya bırakılmıştır. Çözelti soğuduktan tekrar ph ölçümü gerçekleştirilmiş ve ph yine 5 den büyük olduğu için deney talimatına göre ekstraksiyon sıvısı 2 nin kullanılacağına karar verilmiştir. Bu işlem her bir numune için gerçekleştirilmiş olup numunelerin tümünde ekstraksiyon sıvısı 2 nin kullanılması gerektiği görülmüştür. Ekstraksiyon sıvısı 2 nin hazırlanışı ise şöyledir. 5,7 ml glacial asetik asit alınıp 100 ml ye distile su ile tamamlanır. Hazırlanan çözeltinin ph sı 2,88 ± 0,5 ise çözelti doğru hazırlanmıştır. Öğütülmüş malzeme ağırlıkça 1:20 oranında olacak şekilde ekstraksiyon sıvısı ile karıştırılmış ve 18 saat müddetince çalkalanmıştır. 18 saatin sonunda çözelti 0,6 0,8 µm lik cam fiber filtreden 50 psi lik basınç altında süzülmüş ve süzüntü ICP de okunmuştur.

6 Mukavemet Mukavemet (kg/mm 2 ) DENEY SONUÇLARI Mukavemet Deney Sonuçları Katılaşmış malzeme 7. ve 28. gün mukavemet deneyine tabi tutulmuştur. Mukavemet sonuçları Şekil 3 ve 4 de verilmiştir. 7 günlük mukavemet deney sonuçları 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1, Şahitler 2,5 2,9 Şahitler ortalaması 2,7 2,7 2,7 Numuneler (%5 atık) 1,7 2,1 1,6 Numuneler ortalaması 1,8 1,8 1,8 Denemeler Şahitler Şahitler ortalaması Numuneler (%5 atık) Numuneler ortalaması Şekil gün yapılan mukavemet deney sonuçları 28 günlük mukavemet deney sonuçları 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2, Şahitler 2,8 Şahitler ortalaması 2,8 2,8 2,8 Numuneler (%5 atık) 2,2 2,2 2,1 Numuneler ortalaması 2,2 2,2 2,2 Denemeler Şahitler Şahitler ortalaması Numuneler (%5 atık) Numuneler ortalaması Şekil gün yapılan mukavemet deney sonuçları

7 mg/l Pb mg/l Pb TCLP Deney Sonuçları Mukavemet deneyine tabi tutulan malzeme ardından TCLP deneyine tabi tutulmuştur. Deney sonucunda eluatta kurşun, kadmiyum, krom ve demir okumaları yapılmıştır. Cürufun analizinde tehlike oluşturacak maddelerden sadece kurşun içeriği olduğu için burada sadece kurşun sonuçları verilmiştir. TCLP deney sonuçları Şekil 5 ve 6 da verilmiştir. Pb için 7 günlük TCLP neticeleri 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Şahitler 0, , Şahitler ortalaması 0, , , Numuneler 0, , , Numuneler ortalaması 0, , , Denemeler Şahitler Şahitler ortalaması Numuneler Numuneler ortalaması Şekil 5. Pb için 7 günlük TCLP neticeleri Pb için 28 günlük TCLP neticeleri 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 Şahitler 0, Şahitler ortalaması 0, , , Numuneler 0, , , Numuneler ortalaması , , , Denemeler Şahitler Şahitler ortalaması Numuneler Numuneler ortalaması Şekil 6. Pb için 28 günlük TCLP neticeleri

8 DEĞERLENDİRME VE SONUÇ Bu çalışmada, akümülatör geri kazanım tesisi cürufunun bertaraf edilmesinde katılaştırma yönteminin uygunluğu araştırılmıştır. Bunun dışında diğer alanlarda değerlendirilebilirliği de araştırılmıştır. Çalışmalarında, ilk etapta cüruf öğütülerek çimento ile karıştırılmış ve ardından katılaşması beklenmiştir. Ardından katılaşmış malzemenin dayanımını test etmek amacıyla malzeme mukavemet deneyine ve kimyasal analizlerinin belirlenmesi amacıyla da sızma testi olan TCLP deneyine tabi tutulmuştur. Mukavemet deneyi sonuçlarına bakıldığında üretilen malzemenin dayanım gerektiren beton uygulamalarında kullanabileceğini göstermiştir. TCLP deney neticelerine bakıldığında ise katılaşmış malzemenin sızma özellikleri oldukça düşüktür. Sonuçlar üretilen katılaşmış malzemenin zehirlilik açısından tehlike oluşturmadığını göstermektedir. Sonuçta yapılan bir katılaştırma-kararlılaştırma işleminin hem mukavemet hem de sızma açısından iyi neticeler vereceği sonucuna varılmıştır. Bu suretle hazırlanacak bir malzeme; kaldırım taşı, asfalt altı beton, yada dış mekan duvarlarında kullanılabilir ya da bu şekilde düzenli depo sahasında stabil bir atık olarak çevreye zarar vermeden güvenli bir şekilde depolanabilir. KAYNAKLAR EPA, (1992), EPA Test Method 1311: Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP). TSE, (2010), TS EN Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 3: Deney numunelerinin basınç dayanımının tayini. Mutlu Akü, (2007), Mutlu Akü ve Malzemleri Sanayi A.Ş.