Derin Okuma — Yığın Liçi

Çölde yükselen yapay dağlar

Atacama Çölü’nün kızıl toprağında, ufuk çizgisini geometrik bir karanlık silüet keser. Burası bir maden sahası değil, devasa bir beton pedin üzerine serilmiş, kırılmış kayaçtan bir yapay dağdır. Yüksekliği on metreyi bulur, taban alanı yirmi futbol sahasına eşdeğerdir. Üzerinde yürüyen bir mühendis, ayaklarının altında dakikada on binlerce litre asidik çözeltinin usulca süzüldüğünü bilir. Dağ sessizdir. Patlama sesi duyulmaz, kamyon gürültüsü yoktur.

Ama bu sessizlik aldatıcıdır. Dağın derinlerinde, gözle görülmeyen kılcal kanallarda bir zenginleşme savaşı yaşanır. Metalin katı kayadan sıvı faza geçişi, bir kum saatindeki kumun akışından daha ağır bir tempoda gerçekleşir. Yapay dağlar, modern madenciliğin en büyük kumarıdır.

Çünkü burada işlenen cevher, geleneksel bir izabe tesisinin kapısından içeri alınmayacak kadar fakirdir. Peki tonu sadece birkaç gram altın barındıran bir kaya yığınını nasıl bir maden ocağına dönüştürürsünüz?

Fransız presinden metal kazanımına

Cevap, kahve yapma biçiminizde gizlidir. Mutfak tezgahında duran bir Fransız presini düşünün. Kalın öğütülmüş kahveyi hazneye koyar, üzerine sıcak su eklersiniz. Su, kahve parçacıklarının arasından süzülerek aromayı ve kafeini çözer. Pistonu aşağı ittiğinizde, sıvıyı telveden ayırırsınız. Yığın liçi işte bu presin kilometrelerce büyütülmüş, rafine edilmiş ve tersine çevrilmiş halidir.

Kırılmış cevheri geçirimsiz bir zemin üzerine istiflersiniz (kahve telvesi). Üstten bir çözücü püskürtürsünüz (sıcak su). Çözücü, yığının içinde yerçekimiyle aşağı doğru ilerlerken hedef metali çözer (aroma). En alttaki toplama kanalından süzülen zengin çözeltiyi alırsınız (filtrelenmiş kahve).

Ancak mutfakta işlem üç dakika sürer. Burada çözücünün yığını baştan sona kat etmesi, doğanın kalbinde bir ritimle, aylarca sürebilir. Zengin çözeltiye ulaşmak için kaya kütlesini kazıp patlatmak yerine, çözücünün kimyasal sabrına güvenirsiniz. Süreç, mekanik parçalamanın aksine, enerjiyi değil zamanı ve kimyayı birincil maliyet kalemi yapar.

Kimyasal çözücünün damarlarda dansı

Yığının derinliklerinde neler olduğunu anlamak, süreci kontrol etmenin ilk adımıdır. Kırılmış kaya, sıkıca istiflendiğinde bile gözle görülmeyen bir boşluk ağıyla doludur. Püskürtülen çözücü, bu boşluklarda yerçekimine kapılmış küçük nehirler gibi akar. Altın için bu çözücü, genellikle sodyum siyanürün binde birlerle ifade edilen seyreltik bir çözeltisidir. Bakır oksit cevherleri içinse sülfürik asit kullanılır. Sıvı, kaya parçacığının dış yüzeyiyle temas ettiğinde kimyasal reaksiyon başlar.

Noktada asıl mesele, çözücünün sadece parçacığın dışını yalaması değil, içindeki mikro çatlaklara nüfuz edebilmesidir. Kırma işlemi bu yüzden kritiktir. Cevheri çok ince öğütürseniz, su birikintisi oluşur ve sıvı aşağı süzülemez, kanal oluşumuna yol açar. Çok iri bırakırsanız, hedef metal içeride kilitli kalır. Optimum boyut, bir mühendislik uzlaşısıdır.

Örneğin altın liçinde, cevher tipik olarak 10 milimetre ile 25 milimetre arası bir boyuta kırılır. Sıvının yığın içinde homojen dağılıp dağılmadığı, üst yüzeydeki damlatıcıların debisi ve aralıklarıyla belirlenir. Her bir damlatıcı, saatte 5 ila 20 litre arası bir çözeltiyi yığının üstüne bırakır. Çözeltinin aşağı inerken herhangi bir kaya parçasının etrafından dolaşıp gitmesine "tercihli akış" denir ve liç verimini düşüren baş belasıdır. Tercihli akışı önlemek için yığın, katmanlar halinde serilir ve sıkıştırılır. Peki bu kadar hassas bir akış dinamiğini, bir dağ büyüklüğünde nasıl yönetirsiniz?

Cevap, yığının inşasından önce başlayan bir dizi mühendislik kararında saklıdır. İlk adım, cevherin bir aglomerasyon tamburundan geçirilmesidir. Tamburda, ince tozların iri parçalara yapışmasını sağlamak için çimento veya konsantre sülfürik asit gibi bir bağlayıcı eklenir. Aglomerasyon, yığın içindeki geçirgenliği homojenleştirir ve ince tanelerin sıvı akışını tıkamasını engeller. Tamburdan çıkan malzeme, bir istifleyici konveyörle liç pedine serilir. Her bir katmanın yüksekliği genellikle 6 ila 10 metre arasındadır.

Bir katman tamamlandıktan sonra, yüzeyi tırmıklanır ve bir sonraki katman serilir. Toplam yığın yüksekliği, altın operasyonlarında 15 metreyi bulabilirken, bakır liçinde 200 metreyi aşan devasa yapılar inşa edilir.

Liç pedinin kendisi, bir mühendislik harikasıdır. Ped, doğal zeminden en az yüzde 3 eğimle yükselir. Eğim, sıvının kendi ağırlığıyla toplama kanallarına akmasını sağlar. Pedin en altında sıkıştırılmış kil veya jeotekstil bir tabaka bulunur. 5 milimetre kalınlığında yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) geomembran serilir. HDPE levhalar, sahada ekstrüzyon kaynağıyla birleştirilir ve her bir kaynak dikişi vakum testiyle kontrol edilir.

En ufak bir sızıntı, yeraltı suyuna siyanür veya asit karışması anlamına gelir. Pedin üstünde, sıvıyı toplayan delikli borulardan oluşan bir drenaj ağı uzanır. Drenaj boruları, yığının ağırlığı altında ezilmeyecek şekilde tasarlanır ve topladıkları zengin çözeltiyi PLS havuzuna taşır.

Çözeltiden metale, çözünmüş değerlerin avı

Yığının tabanına ulaşan sıvı, artık berrak su değildir. Rengi koyulaşmıştır, içinde çözünmüş metal iyonları taşır. Zengin çözelti, "pregnant leach solution" (PLS) olarak adlandırılır ve bir havuzda toplanır. PLS havuzu, liç pediyle aynı sızdırmazlık standartlarında inşa edilir ve genellikle yığının en düşük kotunda konumlanır. Toplanan PLS, bir sonraki aşamanın, yani metal kazanımının hammaddesidir. Altın için bu aşama, aktif karbonun sihirli bir sünger gibi davrandığı bir adsorpsiyon devresidir. PLS, içi hindistancevizi kabuğundan üretilmiş özel gözenekli karbonla dolu tanklardan geçirilir.

Karbonun seçimi, operasyonun kalbidir. Hindistancevizi kabuğu karbonu, yüksek sertliği ve aşınma direnci nedeniyle tercih edilir. Karbonun altın adsorplama kapasitesi, iyot numarasıyla ölçülür ve tipik olarak 900 ila 1050 mg/g aralığında olması istenir. PLS, seri bağlı 5 ila 7 tanktan oluşan bir karbon devresinde ilerler. Her tankta, karbon parçacıkları mekanik karıştırıcılarla askıda tutulur. Altın-siyanür kompleksi, karbonun yüzeyindeki gözeneklere difüze olur ve orada adsorbe edilir.

Karbon doygunluğa ulaştığında, üzerindeki altın daha konsantre bir çözeltiyle sıyrılır. Elüsyon adı verilen bu işlem, genellikle 150°C sıcaklık ve 500 kPa basınç altında, sodyum hidroksit ve sodyum siyanür içeren bir çözeltiyle gerçekleştirilir. Elüsyon süresi, basınçlı Zadra yöntemiyle 8 ila 12 saat arasındadır. Elüattan çıkan zengin çözelti, elektroliz hücrelerine gönderilir. Çelik yünü katotlar üzerinde toplanan altın, daha sonra ergitilerek dore külçelere dönüştürülür.

Bakır liçinde ise PLS, bir solvent ekstraksiyon (SX) tesisine gönderilir. SX tesisi, birbiri ardına dizilmiş büyük karıştırıcı-çöktürücü ünitelerinden oluşur. PLS, içinde bakır iyonlarını seçici olarak bağlayan bir organik çözücü (seyreltici içinde çözünmüş oksim bazlı bir ekstraktant) ile şiddetle karıştırılır. Organik faz, bakırı sudan çeker. Karışım daha sonra çöktürücüye geçer ve burada organik faz ile sulu faz, yoğunluk farkıyla ayrılır. Bakırını kaybeden sulu faza rafinat denir.

Bakır yüklü organik faz, sıyırma devresine ilerler. Sıyırma devresinde, yüksek asitli (tipik olarak 180-200 g/L sülfürik asit) bir elektrolit çözeltisiyle temas ettirilir. Yüksek asit konsantrasyonu, bakırın organik fazdan elektrolite geri geçmesini sağlar. Elde edilen zengin bakır sülfat elektroliti, elektro-kazanım (EW) tanklarına pompalanır. EW tanklarında, kurşun alaşımlı anotlar ve paslanmaz çelik katotlar arasından doğru akım geçirilir. 99 saflıkta metalik bakır levhalar halinde toplanır.

Rafinat, eksilen kimyasalı ve suyu tamamlanarak yeniden yığının tepesine pompalanır. Süreç, neredeyse tamamen kapalı bir çevrimdir. Yığın, bir kimyasal reaktörden çok, dev bir sirkülasyon pompasına bağlı bir damar sistemidir.

Bakteriler işbaşında, düşük tenörün yeni müttefikleri

Bazı yığınlar, çözücü olarak yalnızca aside değil, canlı organizmalara da bel bağlar. Biyoliç olarak bilinen bu yöntem, özellikle sülfürlü bakır cevherlerinde devreye girer. Kalkopirit gibi inatçı mineraller, sadece asit kullanılarak ekonomik hızlarda çözünmez. Burada devreye Acidithiobacillus ferrooxidans gibi ekstremofil bakteriler girer. Bakteriler, enerji kaynağı olarak demir ve kükürdü oksitler. Yığının içine asit ve hava ile birlikte verilen bu mikroskobik maden işçileri, mineral yüzeyinde bir biyofilm oluşturur.

Demiri oksitleyerek ortamın redoks potansiyelini yükseltirler ve bakırın çözünmesi için gerekli kimyasal ortamı yaratırlar. Redoks potansiyeli, bir referans elektroda karşı ölçülür ve biyoliç operasyonlarında 450 ila 500 milivolt (Ag/AgCl referans) aralığında tutulması hedeflenir. Potansiyel bu aralığın altına düşerse, demir oksidasyonu yavaşlar ve bakır çözünmesi durur. Üstüne çıkarsa, jarosit gibi istenmeyen çökeltiler oluşarak cevher yüzeyini pasifleştirir. Bakteriyel liç, kimyasal liçten çok daha yavaştır. Bir yığının biyolojik olarak tüketilmesi 18 aydan 36 aya kadar uzayabilir.

Ancak maliyeti, kavurma veya yüksek basınçlı liç gibi alternatif teknolojilere kıyasla önemli ölçüde düşüktür. Yığın içindeki sıcaklık, bakteri aktivitesi için en kritik parametredir. Bakteriler en verimli olarak 30°C ile 45°C arasında çalışır. Yığının içinde, sülfür minerallerinin oksidasyonu sırasında açığa çıkan ekzotermik ısı nedeniyle sıcaklık doğal olarak 60°C'ye kadar yükselebilir. Sıcaklık, bakterileri öldürmekle kalmaz, yığının içinde kontrolsüz buharlaşmaya da yol açar.

O nedenle, büyük biyoliç operasyonlarında yığın havalandırma ve soğutma sistemleri hayati önem taşır. Yığının tabanına döşenen düşük basınçlı hava üfleme boruları, hem bakterilere oksijen sağlar hem de fazla ısıyı taşır. 3 metreküp aralığında ayarlanır.

Piyasa Hafızası

St. Patrick Günü’nde gelen haber, 1990’ların sonuydu. Altın piyasası yirmi yıllık bir düşüş trendinin sonlarına yaklaşıyor, ons fiyatı 300 doların altında seyrediyordu. Geleneksel madenler para kaybediyor, projeler rafa kalkıyordu. 17 Mart 1998’de, bir endüstri konferansında, Nevada’daki bir grup maden mühendisi, yeni bir liç pad’inde (liç yastığı) ulaştıkları operasyonel maliyet rakamlarını paylaştı. 5 gram altın içeren kaya yığınlarından kar elde edebildiklerini kanıtladılar.

Sunum salonunda bir sessizlik oldu. O güne kadar "atık" kabul edilen milyonlarca ton malzeme, bir anda devasa bir rezerv haline gelmişti. Olay, yığın liçinin sadece bir proses teknolojisi olmadığını, aynı zamanda piyasa yapıcı bir jeo-ekonomik araç olduğunu bir kez daha gösterdi. Ders netti, Tenörü değil, maliyeti yöneten asıl piyasayı belirler.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Orta ölçekli bir bakır oksit liçi operasyonunun basitleştirilmiş yıllık maliyet ve gelir dengesi aşağıdaki gibidir.

Küçük bir duyarlılık dokunuşu yapalım. Eğer asit tüketimi, cevherdeki karbonat minerali artışı nedeniyle sadece yüzde 10 yükselirse, pound başına nakit maliyet 0.64 dolardan 0.72 dolara fırlar. Bu, brüt kar marjınızı neredeyse yüzde 3 daraltır. Yığın liçinde karlılık, genellikle cevherin tenöründen değil, cevherin kimyasal tüketim iştahından okunur. Kaya ne kadar çok asit yerse, o kadar çok karınızı yer.

Çıplak gözle görülmeyen bir mimari

Yığın liçi, madencilik tarihindeki en büyük algısal sıçramalardan birini temsil eder. Binlerce yıl boyunca insanlar metali, katı kayayı ateşle eriterek veya cıva ile amalgamlayarak kazandı. Yığın liçi ise, bir dağı aylarca süren bir kimyasal yıkama sürecine tabi tutarak moleküler düzeyde bir ayıklama yapar. Yöntem, düşük tenörlü dev yatakları ekonomik rezerve dönüştürerek dünya maden rezervlerinin haritasını kökünden değiştirdi. Yığın liçini anlamak, üç katmanlı bir okuma gerektirir. İlk katmanda, bir sıvı akışı ve yığın dinamiği problemi görürsünüz.

İkinci katmanda, termodinamik ve kinetikle örülü bir kimyasal reaktör tasarımı yatar. Üçüncü ve en derin katmanda ise, bir maden şirketinin bilançosundaki en büyük kalem olan maliyet eşiğini paramparça eden bir finans mühendisliği enstrümanı bulunur. Yığın liçi, kayayı cevhere dönüştüren şeyin sadece jeoloji değil, aynı zamanda kimya ve sabır olduğunun en büyük kanıtıdır. Çölde yükselen o sessiz dağlar, aslında birer kimyasal saat gibi, damla damla değer biriktirir.