Review of recovery of valuable metals and rare earth elements from coal fly ash as a secondary resource

Year 2021, Volume: 60 Issue: 3, 159 - 167, 01.09.2021

Akad Büke Birgül Benli

https://doi.org/10.30797/madencilik.840183

Abstract

Since the Neolithic age, humanity has lived almost dependent on coal, which they named "black gold". It has been a popular source of fuel for meeting energy needs, especially since the industrial revolution of the 18th century. However, coal has undeniable environmental side effects. Although restrictions have been made for its use recently, residues such as fly ash pose a great problem both in terms of storage and environment. Such leftovers will continue to emerge until coal consumption is completely over.

For this reason, it is crucial to recycle the leftovers to the industry. Coal is a rich secondary resource in fly ashes, precious metals, and rare earth elements. Some of the ore preparation processes such as physical enrichment processes and hydrometallurgy (leaching, solvent extraction, etc.) applied for conventional enrichment of rare earth elements can also be applied to fly ashes, and research on this subject is still ongoing. Although the production of final concentrate with physical enrichment is limited, it still has an important place before chemical enrichment. Investigating the mode of presence of rare earth elements in fly ash, the effect of size on enrichment processes, and especially the investigation of integrated physical-chemical enrichment methods are important for a more detailed understanding of this issue. For this reason, ore preparation processes will play an important role in the disposal of residues such as fly ash due to coal consumption in the upcoming period. In this paper, the place of ore preparation, especially physical enrichment, in the enrichment of fly ashes as a secondary source, general properties, contents, and recent studies on this subject have been examined.

Keywords

coal, coal fly ash, rare earth minerals, mineral processing, recycle

İkincil bir kaynak olarak kömür uçucu külünden değerli metallerin ve nadir toprak elementlerinin geri kazanımı üzerine literatür çalışması

Abstract

İnsanlık, Neolitik çağdan beri “siyah altın” adını verdikleri kömüre neredeyse bağımlı halde yaşamlarını sürdürmüşlerdir. Özelliklede 18. Yüzyılın sanayı devriminden beri enerji ihtiacını karşılamada popüler bir yakıt olmuştur. Ancak kömürün göz ardı edilemez çevresel yan etkileri bulunmaktadır. Son zamanlarda kullanımı için kısıtlamalar yapılsa da, ardında bıraktığı uçucu kül gibi artıklar hem depolama, hem de çevresel açıdan sorun teşkil etmektedirler. Kömür tüketimi tamamen sona erene kadar, bu tür artıklar ortaya çıkmaya devam edecektir.

Bu sebeple, kömür uçucu külü vb. artıkların endüstriye tekrar geri kazandırılması önem arz etmektedir. Kömür uçucu külleri, değerli metal ve nadir toprak elementleri açısından zengin bir ikincil kaynaktır. Nadir toprak elementlerinin konvansiyonel olarak zenginleştirilmesi için uygulanan fiziksel zenginleştirme işlemleri ve hidrometalurji (liç, solvent ekstraksiyonu vs.) gibi cevher hazırlama işlemlerinin bir kısmı, aynı zamanda uçucu küllere de uygulanabilmektedir ve bu konuda araştırmalar halen devam etmektedir. Fiziksel zenginleştirme ile nihai konsantre üretimi kısıtlı olsa da, kimyasal zenginleştirme öncesinde halen önemli bir yer tutmaktadır. Nadir toprak elementlerinin uçucu kül içerisindeki bulunma modlarının araştırılması, boyutun zenginleştirme işlemlerine etkisi ve özellikle entegre fiziksel-kimyasal zenginleştirme yöntemlerinin araştırılması, bu konunun daha detaylı anlaşılması için önem arz etmektedir. Bu sebeple, önümüzdeki süreçte kömür tüketimine bağlı oluşan uçucu küller gibi artıkların bertaraf edilmesinde, cevher hazırlama işlemleri önemli rol oynayacaktır. Bu makalede, uçucu küllerinin genel özellikleri, içerikleri ve ikincil kaynak olarak zenginleştirilmesinde cevher hazırlamanın, özellikle fiziksel zenginleştirme işlemlerinin yeri ele alınıp, yakın zamanda bu konuda yapılan çalışmalar incelenmiştir.

Keywords

Kömür, kömür uçucu külü, nadir toprak elementleri, cevher hazırlama, geri kazanım

References

• ASTM C618-19, 2019. Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, www.astm.org.
• Attari, M., Bukhari, S.S., Kazemian, H., Rohani, S., 2017. A low-cost adsorbent from coal fly ash for mercury removal from industrial wastewater. Journal of Environmental Chemical Engineering, 5(1), 391-399. https://doi.org/10.1016/j.jece.2016.12.014.
• Balaram, V., 2019. Rare earth elements: A review of applications, occurrence, exploration, analysis, recycling, and environmental impact. Geoscience Frontiers, 10(4), 1285-1303. https://doi.org/ 10.1016/j.gsf.2018.12.005.
• BP. (2020). Statistical review of World energy, 2020, 69th Edition.
• Demirbilek, S., 1987. Kömür Kullanımı ve İlgili Çevre Kirlenmesi, (Eylül).
• Electricity Explained. (2020). U.S. Energy Information Administration (EIA). Erişim adresi https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/electricity-in-the-us.php#:~:text=The%20three%20major%20categories%20of,geothermal%2C%20and%20solar%20thermal%20energy.
• Franus, W., Wiatros-Motyka, M.M., Wdowin, M., 2015. Coal fly ash as a resource for rare earth elements. Environmental Science and Pollution Research, 22(12), 9464-9474. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4111-9.
• Güler, G., Güler, E., İpekoğlu, Ü., Mordoğan, H., 2005. Uçucu Küllerin Özellikleri ve Kullanım Alanları, Türkiye 19. Uluslararası Madencilik Kongresi ve Fuarı, İzmir.
• IACES METU LC., 2019. Erişim adresi http://structpedia.com/ucucu-kul-ve-avantajlari/
• IEA World coal consumption 1978-2019. (t.y.). Erişim Adresi https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/ world-coal-consumption-1978-2019.
• Jayaranjan, M.L.D., van Hullebusch, E.D., Annachhatre, A.P., 2014. Reuse options for coal fired power plant bottom ash and fly ash. Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 13(4), 467-486. https://doi.org/10.1007/s11157-014-9336-4.
• Jiang, Z. Q., Yang, J., Ma, H. W., Wang, L., Ma, X., 2015. Reaction behaviour of Al2O3 and SiO2 in high alumina coal fly ash during alkali hydrothermal process. Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition), 25(6), 2065–2072. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(15)63816-X.
• Kömür ve Linyit Yakıtlı Termik Santraller. (t.y.). Erişim adresi: https://www.enerjiatlasi.com/komur/.
• Kursun Unver, I., Terzi, M., 2018. Distribution of trace elements in coal and coal fly ash and their recovery with mineral processing practices: A review. Department of Mining Engineeering, Faculty of Engineering, Istanbul University, Istanbul, Turkey. https://doi.org/10.22044/JME.2018.6855.1518.
• Lange, C.N., Camargo, I.M.C., Figueiredo, A.M.G. M., Castro, L., Vasconcellos, M.B.A., Ticianelli, R.B., 2017. A Brazilian coal fly ash as a potential source of rare earth elements. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 311(2), 1235–1241. https://doi.org/10.1007/s10967-016-5026-8.
• Lanzerstorfer, C., 2018. Pre-processing of coal combustion fly ash by classification for enrichment of rare earth elements. Energy Reports, 4, 660–663. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2018.10.010.
• Lin, R., Stuckman, M., Howard, B.H., Bank, T.L., Roth, E.A., Macala, M.K., Lopano, C., Soong, Y., Granite, E.J., 2018. Application of sequential extraction and hydrothermal treatment for characterization and enrichment of rare earth elements from coal fly ash. Fuel, 232, 124-133. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.05.141.
• Mardon, S.M., Hower, J.C., 2004. Impact of coal properties on coal combustion by-product quality: Examples from a Kentucky power plant. International Journal of Coal Geology, 59(3-4), 153-169. https://doi.org/10.1016/j.coal.2004.01.004.
• Mastalerz, M., Hower, J.C., Drobniak, A., Mardon, S.M., Lis, G., 2004. From in-situ coal to fly ash: A study of coal mines and power plants from Indiana. International Journal of Coal Geology, 59(3-4), 171-192. https://doi.org/10.1016/j.coal.2004.01.005.
• Mert, B.A., 2016. Taş Ocaklarında Rekültivasyon Uygulaması : Uçucu Küllerin Depolanması Örneği Reclamation of Limestone Quarry : A Case Study for the Storing of Fly Ash, 31, 103-117.
• Middleton, A., Park, D.M., Jiao, Y., Hsu-Kim, H., 2020. Major element composition controls rare earth element solubility during leaching of coal fly ash and coal by-products. International Journal of Coal Geology, 227, 103532. https://doi.org/10.1016/j.coal.2020.103532.
• Mondal, S., Ghar, A., Satpati, A. K., Sinharoy, P., Singh, D. K., Sharma, J. N., … Kain, V., 2019. Recovery of rare earth elements from coal fly ash using TEHDGA impregnated resin. Hydrometallurgy, 185, 93-101. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2019.02.005.
• MTA. Zeolit. (t.y). Erişim adresi http://www.mta.gov.tr/v3.0/bilgi-merkezi/zeolit
• Nadir Toprak Elementleri Enstitüsü, 2020. Kömür NTE ile Küllerinden Doğuyor, Erişim Adresi http://www.naten.gov.tr/uploads/galeri/575899-komur-nte-ile-kullerinden-doguyor.pdf.
• Olgun, A., Erdogan, Y., Ayhan, Y., Zeybek, B., 2005. Development of ceramic tiles from coal fly ash and tincal ore waste. Ceramics International, 31(1), 153–158. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2004.04.007.
• Önal, G., Kayabalı, İ., Gündüz, M., 1995. Nadir Toprak Elementleri Çalışma Grubu Raporu.
• Pan, J., Nie, T., Vaziri Hassas, B., Rezaee, M., Wen, Z., Zhou, C. (2020). Recovery of rare earth elements from coal fly ash by integrated physical separation and acid leaching. Chemosphere, 248, 126112. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126112.
• Pan, J., Zhou, C., Tang, M., Cao, S., Liu, C., Zhang, N., … Ji, W., 2019. Study on the modes of occurrence of rare earth elements in coal fly ash by statistics and a sequential chemical extraction procedure. Fuel, 237, 555-565. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.09.139.
• Pan, J., Zhou, C., Liu, C., Tang, M., Cao, S., Hu, T., … Zhang, N., 2018. Modes of Occurrence of Rare Earth Elements in Coal Fly Ash: A Case Study. Energy and Fuels, 32(9), 9738-9743. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b02052.
• Seredin, V. V., Dai, S., 2012. Coal deposits as potential alternative sources for lanthanides and yttrium. International Journal of Coal Geology, 94, 67-93. https://doi.org/10.1016/j.coal.2011.11.001.
• Sönmez, G., Işık, M., 2020. Kömür Yanma Atiklarinin Çevresel Etki̇leri̇ Ve Kullanim Alanlari. Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 9(1), 72-83. https://doi.org/10.28948/ngumuh.546144.
• Tamzok, N., 2019. 8.1 Dünya’da ve Türki̇ye’de kömür - 2019, 217-236.
• TEİAŞ, 2020. Kurulu Güç Raporu-Ekim 2020. Erişim adresi https://www.enerjihukuku.org.tr/storage/2020/11/teia%C5%9F-kurulu-g%C3%BC%C3%A7-raporu.pdf
• TKİ, 2019. Kömür Sektör Raporu, Linyit. Erişim adresi http://www.tki.gov.tr/depo/2019%20K%C3%96M%C3%9CR%20SEKT%C3%96R%20RAPORU%20(1).
• TKİ, 2020. Enerji ve Kömür. (t.y.). Erişim adresi http://www.tki.gov.tr/bilgi/komur/enerji-ve-komur/232.
• Türker, P., Erdoğan, B., Katnaş, F., Yeğinobalı, A., 2009. Türkiye’deki Uçucu Küllerin Sınıflandırılması Ve Özellikleri. Türkiye Genç Volkanik Alanlar Haritası. (t.y.). Erişim adresi http://cografyaharita.com/haritalarim/2bturkiye-genc-volkanik-alanlar-haritasi.png.
• Türkiye Kömür Santralleri Haritası. (t.y.). Erişim adresi http://cografyaharita.com/haritalarim/4eturkiye-komur-santraller-haritasi.png.
• Wang, Z., Dai, S., Zou, J., French, D., Graham, I.T., 2019. Rare earth elements and yttrium in coal ash from the Luzhou power plant in Sichuan, Southwest China: Concentration, characterization and optimized extraction. International Journal of Coal Geology, 203(January), 1-14. https://doi.org/10.1016/j.coal.2019.01.001.
• Yao, Z.T., Ji, X.S., Sarker, P.K., Tang, J.H., Ge, L.Q., Xia, M.S., Xi, Y.Q., 2015. A comprehensive review on the applications of coal fly ash. Earth-Science Reviews, 141, 105-121. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2014.11.016.
• Yıldız, T., 2019. Yatağan Termik Santral Uçucu Küllerindeki Bazı Kıymetli Metallerin Knelson Konsantratörü ile Kazanım Olanaklarının Araştırılması. İstanbul Üniversitesi, Bi̇ti̇rme tezi̇.
• Zhang, W., Rezaee, M., Bhagavatula, A., Li, Y., Groppo, J., Honaker, R., 2015. A review of the occurrence and promising recovery methods of rare earth elements from coal and coal by-products. International Journal of Coal Preparation and Utilization, 35(6), 295–330. https://doi.org/10.1080/19392699.2015.1033097.