Bakırın çoğu hala bin derecelik fırınlarda eritiliyor. Oysa bir tank, birkaç volt ve doğru kimyayla aynı metali oda sıcaklığında toplayabiliyor. Üstelik cüruf üretmeden.
Bir bakır izabe tesisine girdiğinde ilk fark ettiğin şey sıcaklık olur. Anot fırınının ağzından yükselen hava, çelik halatları bile ılıtır. Cüruf kanalından akan eriyik turuncuya çalar. Tesisin yarısı, bu eriyiği soğutmadan taşımak için kurulmuş gibi görünür.
Aynı sahada, duvardan duvara dizilmiş plastik tankların olduğu bir hol vardır. İçlerinde mavi-yeşil bir çözelti durur. Kimse oraya fırın eldiveniyle girmez. Oysa o holde, fırının yaptığı işin bir kısmı. Metali çözeltiden toplamak. Neredeyse sessizce yapılır.
Elektro-kazanım hücresi budur. Bir elektrik akımının, çözünmüş metal iyonlarını katotta saf metal halinde biriktirdiği kap. Fırın ısıyla zorlar, hücre ise voltajla ikna eder. Aradaki fark, birinin bin derecede çalışması, diğerinin kırk derecede durmasıdır.
Mekanizmanın özü tek bir cümleye sığar. Çözeltide serbest dolaşan bakır iyonu, katoda dokunduğu anda iki elektron alır ve nötr metal olur. Anotta ise tersi olur. Metal çözünür, elektronlarını bırakır.
Bunu bir havaalanı güvenlik kapısı gibi düşün. İyon, kapıdan geçmek için iki bilet (elektron) ödemek zorundadır. Bileti olmayan geçemez, fazla bileti olan da beklemeden geçer. Akım, bu bilet dağıtım hızıdır. Voltaj ise kapının ne kadar zorlayıcı olduğudur.
Bakır için gereken voltaj şaşırtıcı derecede düşüktür. Teorik ayrışma gerilimi oda sıcaklığında yaklaşık 0,34 volt civarındadır. Pratikte hücre 1,8 ile 2,5 volt arasında çalıştırılır. Aradaki fark, çözeltinin direncini yenmek ve yan tepkimeleri bastırmak için ödenen bedeldir.
Farkın adı aşırı gerilimdir. Suyun hidrojen ve oksijene ayrılması için gereken gerilim, bakırınkinden çok yüksektir. Hücreyi 2 voltun altında tutmak, suyu parçalamak yerine bakırı indirgemeyi tercih etmek demektir. Gerilim yükselirse elektronlar önce suya gider, bakır beklemede kalır.
Peki neden herkes hala fırın kullanıyor? Çünkü hücre, çözeltiye giren metalin saflığına ve kimyasına karşı son derece hassastır. Fırın kirli cevheri de yutar. Hücre yutmaz. Fırının girdisi kaya, hücrenin girdisi ise çözeltidir. Aradaki fark, tüm ekonomiyi belirler.
Elektro-kazanımın verimi, büyük ölçüde elektrolitin bileşimine bağlıdır. Bakır sülfat çözeltisi tipik olarak 35-55 gram/litre bakır ve 150-200 gram/litre sülfürik asit içerir. Asit, çözeltinin iletkenliğini artırır ve katotta yan ürün oluşumunu baskılar.
Asidin ikinci işi daha az bilinir. Yüksek asit derişimi, çözeltideki hidrojen iyonu fazlalığı yaratır ve bu fazlalık, katotta bakırın indirgenmesini termodinamik olarak kolaylaştırır. Asit düşerse iletkenlik düşer, hücre gerilimi yükselir, enerji faturası şişer. Asit fazla kaçarsa buharlaşma kaybı ve korozyon artar.
Sıcaklık da kritik bir koldur. Elektrolit genellikle 40-60 santigrat derece bandında tutulur. Daha soğuk çözelti direnci yükseltir, daha sıcak çözelti buharlaşmayı ve asit kaybını artırır. Bant, onlarca yıllık işletme deneyiminin sıkıştırdığı bir aralıktır.
Sıcaklığın bir de difüzyon etkisi vardır. İyonlar katoda ne kadar hızlı taşınırsa, sınır akım yoğunluğu o kadar yükselir. Eşiğin altında çalıştığın sürece katot düzgün büyür. Eşiğe yaklaşırsan yüzey pürüzlenir, toz bakır oluşur ve akım verimliliği düşer.
Katot akım yoğunluğu ise tesisin nabzıdır. Endüstriyel hücrelerde 250-350 amper/metrekare yaygın bir banttır. Değerin üstüne çıkarsan katot yüzeyi pürüzlü ve gözenekli büyür. Altına inersen aynı tanktan daha az metal alırsın, yani sermaye boşa çalışır.
Katot malzemesi de seçim meselesidir. Paslanmaz çelik levhalar yaygın başlangıçtır. Ancak kalıcı katot sistemlerinde titanyum veya kurşun alaşımları kullanılır. Levhalar, biriken bakırın soyulup alınmasına izin verir ve tekrar tekrar kullanılır. Soyma işlemi haftada bir kez yapılır ve katot levhası başına 40-60 kilogram bakır çıkar.
Hücrenin ekonomisini belirleyen gizli değişken, elektrotlar arası açıklıktır. Mesafe tipik olarak 5-10 santimetre arasındadır. Açıklık büyürse çözeltinin direnci artar ve daha fazla voltaj harcarsın. Açıklık küçülürse kısa devre riski doğar.
Açıklığın bir de ikinci yüzü vardır. Elektrotlar arasındaki çözelti hacmi, iyonların katoda ulaşma yoludur. Yol ne kadar kısaysa, ohmik kayıp o kadar azdır. Ancak kısa yol, anottan kopan partiküllerin katoda sıçramasını da kolaylaştırır. Sıçrayan partikül, katot saflığını bozar.
Enerji tüketimi bu yüzden doğrudan voltajla ölçülür. Modern bir bakır elektro-kazanım hücresi, ton bakır başına 1.800-2.500 kilovatsaat enerji harcar. Sayı, elektro-rafinasyon hücrelerinde 300-400 kilovatsaate kadar düşer. Aradaki fark, kazanımda çözeltiden sıfırdan metal toplamanın bedelidir.
Farkın kökü, kazanımda anodun çözünmez olmasıdır. Rafinasyonda anot zaten saf bakırdır ve çözünerek katoda taşınır. Kazanımda anot kurşun alaşımıdır, çözünmez, sadece elektron verir. O yüzden kazanımda tüm bakır çözeltiden gelir ve daha fazla enerji ister.
Sıcaklık, asit derişimi ve akım yoğunluğu birbirine bağlıdır. Birini değiştirdiğinde diğer ikisini yeniden ayarlaman gerekir. O yüzden tesis operatörleri parametreleri tek tek değil, reçete halinde yönetir.
Akım verimliliği de ayrı bir kalemdir. Katoda giden elektronların ne kadarı gerçekten bakır indirgemeye harcanıyor? İyi işletilen bir hücrede bu oran yüzde 90-95 arasındadır. Kalan kısım, demir indirgemesi veya hidrojen çıkışı gibi yan tepkimelere gider.
Demirin etkisi burada belirginleşir. Çözeltide demir varsa, demir iyonları katotta bakırla birlikte indirgenir. Demir daha sonra çözeltiye geri döner ve sürekli bir elektron sirkülasyonu yaratır. Sirkülasyon, akım verimliliğini sessizce yer. Klorür de benzer bir tuzak kurar. Anotta klor gazı çıkışını tetikler ve anot korozyonunu hızlandırır.
Katot levhası hücreye asıldığında yüzeyi henüz çıplaktır. İlk saatlerde bakır, levhanın mikroskobik çukurlarına yerleşir ve ince bir tohum tabakası kurar. Tabakanın kalitesi, sonraki üç günün büyümesini belirler. Tohum pürüzlüyse büyüme dallanır, düzgünse yüzey ayna gibi kalır.
Büyüme hızı doğrudan akım yoğunluğuna bağlıdır. 300 amper/metrekarede bir katot levhası günde kabaca 1,5-2 milimetre kalınlık kazanır. Bu, 40-60 kilogramlık bir bakır yaprağa karşılık gelir. Hız iki katına çıkarılırsa kalınlık da iki katına çıkar, ancak yüzey kalitesi bedel öder.
Soyma anı tesisin en gergin dakikalarıdır. Operatör levhayı hücreden çıkarır, yıkar ve bakır yaprağı kenardan kaldırır. Yaprak tek parça halinde ayrılmazsa, ya kalınlık dengesizdir ya da çözeltide organik kirlilik vardır. Yırtılan bir yaprak, o levhanın bir haftalık emeğini hurdaya çevirir.
Katot döngüsü tipik olarak 5-7 gündür. Sürenin sonunda levha artık çok ağırdır ve büyüme yüzeyi bozulmaya başlar. Erken soyma sermayeyi boşa harcar, geç soyma kaliteyi düşürür. Döngü uzunluğu, tesisin en çok tartışılan operasyonel kararıdır.
Soyulan bakır yapraklar yıkanır, kurutulur ve tartılır. Tartım, hücre verimliliğinin gerçek ölçüsüdür. Ampermetrenin gösterdiği akım ile tartıya çıkan metal arasındaki fark, doğrudan akım verimliliğidir. Operatör bu farkı her gün takip eder.
Hücreye uyguladığın voltajın tamamı bakıra gitmez. Toplam gerilim dört kaleme bölünür. Birincisi bakırın indirgenmesi için gereken teorik gerilim, yani 0,34 volt. İkincisi anot ile katot arasındaki ohmik kayıp. Üçüncüsü katotta oluşan aşırı gerilim. Dördüncüsü anottaki aşırı gerilim.
Ohmik kayıp en büyük kalemdir. Çözeltinin direnci, elektrot aralığı ve akım yoğunluğuyla çarpılır. 8 santimetrelik bir aralıkta, 300 amper/metrekarede, tipik bir bakır sülfat çözeltisi metre kare başına yaklaşık 0,4-0,6 volt kaybettirir. Tek kalem, teorik gerilimin iki katına yakındır.
Aşırı gerilim ise elektrot yüzeyinde biriken yüklere bağlıdır. Katotta bakır ne kadar hızlı birikirse, yüzeydeki iyon konsantrasyonu o kadar düşer ve gerilim o kadar yükselir. Anotta ise oksijen kabarcıkları yüzeyi kaplar ve gerilimi şişirir. Kabarcık ne kadar kolay koparsa, kayıp o kadar az olur.
Sıcaklık bu denklemin en kolay kaldıracıdır. Çözeltiyi 25 dereceden 55 dereceye ısıtmak, direnci kabaca yarıya indirir. Aynı akımı yarı voltajla sürersin. Ancak ısıtmanın kendi maliyeti vardır ve buhar kaybı asit tüketimini artırır.
Akım yoğunluğunu düşürmek de kaybı azaltır. Ancak aynı tanktan daha az metal alırsın. Tesisin sermaye maliyeti tank sayısına bağlıdır. Yoğunluğu düşürmek, aynı üretim için daha fazla tank kurmak demektir. Enerji tasarrufu ile sermaye harcaması arasında sürekli bir denge kurulur.
2010 yılının sonbaharında, Kıbrıs'taki Skouriotissa bakır işletmesinde bir elektro-kazanım hattı devreye alındı. Tesis, dünyanın en eski bakır maden sahalarından birinde kuruluydu ve cevher artık yüksek tenörlü değildi. Yığın liçiyle çözeltiye alınan bakır, klasik izabe yerine doğrudan hücrelerde toplanacaktı.
Proje, düşük tenörlü cevherin ekonomik olarak işlenebileceğini göstermek için tasarlanmıştı. Ancak işletme, çözelti kimyasındaki dalgalanmalarla boğuştu. Demir ve mangan gibi safsızlıklar katot kalitesini düşürdü, akım verimliliği hedeflenen bandın altına indi. Tesis yine de üretimini sürdürdü ve bölgedeki liç-kazanım modelinin öncülerinden biri oldu.
Ders şudur. Elektro-kazanım hücresi, cevherin tenörüne değil çözeltinin saflığına bakar. Liç aşamasında çözeltiye karışan her safsızlık, hücrede bir bedele dönüşür. Kazanımın sınırı, elektrik değil kimyadır.
Temsili bir yığın liçi-elektro-kazanım tesisi düşünelim. Günlük 5 ton katot bakır üretimi hedefleyen bir hat için temel kalemler şöyle kabaca çıkar.
| Kalem | Değer |
|---|---|
| Günlük katot üretimi | 5 ton |
| Ton başına enerji tüketimi | 2.200 kWh |
| Günlük enerji ihtiyacı | 11.000 kWh |
| Elektrik birim fiyatı | 0,09 USD/kWh |
| Günlük enerji maliyeti | 990 USD |
| Ton başına enerji maliyeti | 198 USD |
| Bakır fiyatı (temsili) | 9.000 USD/ton |
| Enerji maliyetinin ciroya oranı | yaklaşık yüzde 2,2 |
Sayılar temsili, mantık gerçek. Enerji, bakır elektro-kazanımında cironun küçük bir parçası gibi görünür. Ancak duyarlılık burada saklıdır. Elektrik fiyatı iki katına çıkarsa enerji maliyeti ton başına 396 dolara, ciro oranı yüzde 4,4'e yükselir.
Asıl kırılma akım verimliliğinde olur. Verim yüzde 95'ten yüzde 85'e düşerse, aynı 5 tonu üretmek için yaklaşık yüzde 12 daha fazla enerji harcarsın. Üstelik katot kalitesi düşer ve yeniden işleme gerekebilir. Enerji faturası değil, verim kaybı tesisi vurur.
Birincisi, elektro-kazanım hücresini bir enerji hikayesi sanmak kolaydır. Oysa hücrenin sınırı elektrikte değil, çözelti kimyasındadır. Liç aşamasında çözeltiye karışan demir, mangan veya klorür, hücrede akım verimliliğini yer.
İkincisi, parametreler tek başına değil reçete halinde yönetilir. Sıcaklık, asit derişimi, akım yoğunluğu ve elektrot açıklığı birbirine kenetlidir. Birini oynatmak, diğerlerini yeniden ayarlamayı gerektirir.
Üçüncüsü, düşük tenörlü cevherin ekonomisi bu hücreye bağlıdır. Fırın yüksek tenör ister, hücre sabırlıdır. Sabrın bedeli, çözeltiyi temiz tutmaktır.
Fırın metali ısıyla zorlar. Hücre, iki elektronluk bir biletle ikna eder. Ve ikna, zorlamadan her zaman daha sessiz çalışır.