Doç. Dr. Ergin Gülcan
ergingulcan@hacettepe.edu.tr
Neden şimdi?
Günümüzde endüstri, ham madde talebi artarken çevresel baskının da büyüdüğü bir süreçten geçiyor. Döngüsel ekonomi hedefleri konuşulurken çoğu zaman “toplama-ayırma-geri kazanım” zincirinin en kırılgan halkası gözden kaçırılmakta: ayırma kalitesi. Çünkü geri dönüşümün gerçek çıktısı “atık” değil; kimyasal bileşimi, yoğunluğu ve saflığı tanımlanmış ikincil ham maddedir. Bu tanımlı fraksiyonları yeterli saflık ve süreklilikte üretemediğimizde yeniden değerlendirme ölçek ve kalite duvarına çarpar. Üstelik bu yalnızca bir “verim” meselesi değildir. Kaynak çıkarımı ve işlenmesi, küresel sera gazı emisyonlarının yaklaşık %50’siyle ilişkilendirilirken; biyoçeşitlilik kaybı ve su stresi gibi göstergelerde katkının %90’ın üzerinde olabildiği bilinmektedir. Buna karşın Avrupa Birliği’nde ikincil ham maddelerin toplam malzeme kullanımındaki payı hâlen %12,7 düzeyinde raporlanmaktadır. Çimento sektörü özelinde bu tablo, özellikle “ikame” hedeflerinin sahada gerçek karşılığını bulması için kalite-süreklilik denkleminin (yani doğru yeniden kazanımın) kritik olduğunu açıkça göstermektedir.
Bu noktada sensör temelli ayırıcılar (sensor-based sorting, SBS) devreye giriyor. SBS’ler yığın malzemeyi sensörlerle ölçüp milisaniyeler içinde sınıflandıran ve pnömatik ejeksiyon (hava jetleri) ile bileşenler bazında ayıran kuru proses ekipmanlarıdır. Bugün SBS; görsel (RGB), yakın kızılötesi (NIR), X-ışını transmisyonu (XRT), X-ışını floresansı (XRF) ve elektromanyetik (EM) gibi sensörlerin tekil ya da hibrit kullanımlarıyla hem madencilikte hem geri dönüşümde yaygınlaşmış durumdadır. XRT/DE-XRT sensörlerinin başat olduğu ayırıcılar uygulama potansiyelleri ve ayrım verimleri açısından ayrı bir öneme sahiptir. Çünkü mineral içerikli akışlarda, geri dönüşümde ve metal hurdasında yüzeyden bağımsız biçimde yoğunluk/bileşim kontrastını okuyarak kaliteyi belirleme bu sensörlerle çoğu uygulamada mümkün olabilmektedir. SBS’ler ham madde, geri dönüşüm ve atık yönetimi gibi alanlarda iki hedefin aynı anda yakalamasında güçlü bir araç olabilmektedir. Bunlar:
- Saflık (kalite): Kirleticileri düşürmek, ürün standardını tutturmak
- Geri kazanım (verim): Hedef malzemeyi mümkün olan en yüksek oranda geri kazanmak
Sensör temelli ayırıcılar (SBS) nedir?
Mantık olarak SBS’ler, 1556’da Georgius Agricola’nın gözle yaptığı el ayırmanın modern, otomatik ve yüksek kapasiteli devamı olarak değerlendirilebilir. Rickard’ın 1905’te “ayırmanın maden ekonomisi için yaşamsal” olduğunu vurgulaması, bugün geri dönüşüm ekonomisi için de aynı ölçüde geçerlidir.
XRT / DE-XRT çalışma prensibi
XRT’nin fiziksel temeli basit ama güçlüdür: X-ışını bir malzemeden geçerken şiddeti azalır ve bu zayıflama Beer–Lambert yaklaşımıyla ifade edilir (I = I0·e−µx). Burada µ, malzemenin soğurma katsayısı; x ise ışının kat ettiği kalınlıktır. Pratikte µ; yoğunluk ve atomik numara ile ilişkilidir. Bu nedenle XRT, “atomik yoğunluk” farkı olan karışımlarda (ör. gang–cevher, Al-Mg, inert-organik karışımlar) güçlü bir ayrım sinyali üretir.
Tek enerji ölçümde kalınlık etkisi sınıflandırmayı zorlaştırabilir. Çift enerjili XRT (DE-XRT) yaklaşımında iki enerji bandında sinyaller toplanır, sinyallerin oranı/ilişkisiyle kalınlık etkisi büyük ölçüde bastırılır ve daha stabil bir ayrım yapılır. Özellikle heterojen akışlarda (maden atığı, C&DW, karışık hurda, vb.), bu stabilite “aynı ekipmanla daha geniş besleme dalgalanmasına dayanma” anlamına gelir
Bant tipi bir XRT ayırıcıda tipik akış (i) malzemenin bant üzerinde tek katmanlı sunumu, (ii) geçen X-ışınının algılanması, (iii) görüntünün işlenip sınıflandırılması, (iv) pnömatik ejection ile ayırma şeklinde gerçekleşir (Figür 1). Örneğin, 1,2 m bant genişliğinde 3 m/s bant hızında çalışan tek ayırıcılı bir sistem için ortalama 40-50 mm tane boyunda kapasite yaklaşık 65 t/saat olarak verilebilir ve ekipman iki enerji kanalında görüntü alıp yaklaşık 0,8×0,8 mm/piksel çözünürlükte sınıflandırma gerçekleştirilebilir (kapasite, uygulama türü ve tane boyuna göre değişim gösterecektir).
Burada kritik nokta kalibrasyondur. Referans malzeme XRT ile taranır; pikseller soğurma sınıflarına ayrılır (ör. yüksek/orta/düşük) ve “kesme” kriteri tanımlanır (Figür 2). Yani XRT, doğru kalibrasyonla sadece “görüntü” değil, prosesin içine gömülü bir kalite kontrol/karar mekanizması üretir. Tesislerde XRT uygulamasına ilişkin fizibilite çalışmaları, sadece uzman kişiler tarafından gerçekleştirilmelidir.
Figür 1: XRT Genel Bileşenleri
Figür 2: Farklı malzemelerin XRT altındaki imajları
Endüstriyel Vaka Örnekleri: XRT Temelli SBS’nin Sahada Yarattığı Etki
1. Madencilikte Bazı Uygulamalar
Madencilikte SBS’nin en güçlü kullanımı, erken aşamada ön zenginleştirme ile değersiz fraksiyonu daha kırma-öğütme-flotasyon aşamalarına girmeden ayırmaktır. Böylece:
- Öğütülecek tonaj düşer: enerji ve aşınma azalır
- Zenginleştirme devrelerinde besleme yükü azalır, su/reaktif tüketimi ve atık su yükü düşer
Ham maddelerde XRT uygulamasının dünyada pek çok başarılı örneği mevcuttur. Fas’taki Ben Guerir fosfat sahasında ocak atığı yığınlarında kalan fosfatın geri kazanımı için >30 mm fraksiyonda DE-XRT uygulanmış; P2O5 içeriği %13,5’ten %18,5’e yükselirken P2O5 geri kazanımı %70 olarak raporlanmıştır. Bir diğer uygulamada, Suudi Arabistan’da Ma’aden Umm Wu’al fosfat projesinde 1.800 t/saat besleme, 13,5 Mt/yıl üretim ölçeği ve 2,4 m bant genişliğinde ayırıcılarla çalışıldığı; ROM’un %70+’ının XRT ile ayrılabildiği, nihai konsantrede silikanın %1-2 seviyesine indirilebildiği ve yılda ~700.000 ton yüksek tenörlü konsantre üretildiği bildirilmektedir. Bu uygulama, endüstride “kanıtlanmış” bir örnek olarak sıklıkla referans gösterilmektedir.
İspanya’daki Barruecopardo tungsten işletmesinde, zenginleştirme aşamasına yerleştirilen XRT ayırıcının, prosese “daha yüksek başlangıç tenörü” beslenmesini sağlayarak maliyetleri düşürdüğü bilinmektedir.
XRT tabanlı sistemlerle “Zorba/Twitch” gibi karışık fraksiyonlardan magnezyumun ayrılarak “düşük Mg’li Twitch” üretilebildiği; saha testlerinde %99 saflık seviyelerine ulaşıldığı üreticiler tarafında raporlanmaktadır.
2. Geri Dönüşüm (Evsel/Ambalaj/Hurda) Hatlarında: Yüksek Saflık, Yüksek Verim
XRT teknolojisi, geri dönüşüm sektöründe özellikle yüksek yoğunluk ve atomik bileşim farkı içeren akışlarda SBS sistemlerinin bir bileşeni olarak sanayi ölçeğinde kullanılmaktadır. En olgun uygulamalar metal geri dönüşümünde görülmekte; karışık metal hurdası (ör. Zorba fraksiyonu) ve belediye atığı yakma külü (MSWI bottom ash) içindeki alüminyum ve demir dışı metaller, XRT ile mineral matristen ayrıştırılmaktadır. Benzer şekilde ahşap geri dönüşümünde XRT, düşük atomik yoğunluklu ahşap fraksiyonlarını metal ve mineral kirleticilerden ayırarak geri kazanılmış ürün kalitesini yükseltmektedir.
Evsel ve ambalaj atıklarının geri dönüşümünde ise XRT genellikle NIR, RGB ve elektromanyetik sensörlerle entegre hibrit ayırma hatları içinde konumlanmaktadır. Bu hatlarda plastik türleri NIR ile tanımlanırken, XRT mineral, cam ve metal kökenli kirleticilerin uzaklaştırılmasında veya yoğunluk temelli fraksiyonlamada tamamlayıcı rol üstlenmektedir. Böylece downstream proseslere giren malzemenin saflığı artırılmakta; ergitme, ekstrüzyon veya ikame ham madde kullanımında enerji ve kaynak tüketimi dolaylı olarak azaltılmaktadır.
Geri dönüşüm hatlarında temel zorluk “hız + değişken besleme + saflık” üçlüsünü yönetmektir. Endüstriyel tesisler; kırma, elekler, balistik ayırıcılar, hava sınıflandırıcılar ve SBS ünitelerinin kombinasyonundan oluşur. SBS’de akış; tanımlama-karar-ayırma döngüsüyle ilerler; parçacıklar hava jetiyle fırlatılarak veya düşürülerek ürün/atık olarak ayrılır. Giriş malzemesinin sürekli dalgalandığı bu malzemelerde performans kayıplarını önlemek için “dijital ikiz” gibi yaklaşımlar; gerçek zamanlı makine ve malzeme akış verisiyle hatların simüle edilmesini ve parametrelerin dinamik optimize edilmesini hedeflemektedir.
3. İnşaat/Yıkıntı Atıkları (C&D): Çimento Sektörü için Kritik Fırsat
Çimento ve agrega tarafında geri kazanımın önündeki engel çoğu zaman kirleticilerdir (alçı/anhidrit kaynaklı sülfat, tuğla-beton karışımı, ahşap-plastik, metaller, ince fraksiyonlar). SBS’lerin katkısı iki katmanlıdır:
- Kalite: XRT’nin yoğunluk/atomik yoğunluk duyarlılığı, mineral kökenli fraksiyonların hafif-organik fraksiyonlardan ve bazı kirleticilerden ayrımında güçlü bir araçtır.
- Katma değer: Saflık artınca geri kazanılmış agrega/ham madde, düşük değerli dolgu yerine daha yüksek değerli kullanım alanlarına kayabilir; “down-cycling” yerine kaliteli ikame ham madde yaratılır.
Daha özel uygulamalarda inşaat-yıkım ve ahşap atıklarında inert/metal kontaminasyonunu ayıklamak amacıyla ahşap hattına optimize edilmiş bir XRT ayırıcıyla, inert ve metallerin %98+ doğrulukla ayrılabildiği ortaya konulmuştur.
Konvansiyonel Yöntemlere Göre Teknik Üstünlükler
1. Enerji: Ayırma ne kadar erken yapılırsa (özellikle madencilikte), öğütme ve zenginleştirme tonajı o kadar düşer. Bu, enerji tüketimi ve ekipman aşınması üzerinde doğrudan etkidir.
2. Su: XRT tabanlı ayırma “kuru” bir prosestir; ıslak devrelere girecek tonajı azaltarak dolaylı su azaltımı sağlar. Kaynak çıkarımının su ayak izi düşünüldüğünde bu, güçlü bir sürdürülebilirlik argümanıdır.
3. Kimyasal/Reaktif: Flotasyonlu sistemlerde besleme yükünün düşmesi, reaktif tüketimi ve atık su yükünü azaltır; endüstriyel fosfat örneklerinde bu fayda açık biçimde görülmektedir.
4. Emisyonlar ve Lojistik: Daha az tonajın taşınması/öğütülmesi, yakıt ve elektrik kaynaklı emisyonları düşürür. Ayrıca ayrılan litolojilerin bir kısmı sivil mühendislik uygulamalarına yönlendirilerek ek değer üretilebilir.
5. LCA (Yaşam Döngüsü Analizi) Etkisi: Literatür, birincil ham maddelerin ikincil kaynaklarla ikamesinin çevresel etkileri belirgin biçimde azaltabileceğini vurgular. XRT, bu ikameyi kaliteyi koruyarak mümkün kılan “ön” teknolojilerden biridir; çünkü prosesin en maliyetli/yoğun kısımlarına girecek gereksiz kütleyi azaltır.
Sonuç
Sonuç olarak XRT/DE-XRT tabanlı sensör temelli ayırma teknolojileri, geri dönüşümden madenciliğe ve çimento sektörüne uzanan geniş bir uygulama alanında, “atığı” yalnızca ayrıştırılan bir malzeme olmaktan çıkarıp tanımlı, izlenebilir ve endüstriyel olarak kullanılabilir ikincil ham maddeye dönüştüren kritik bir ara yüz görevi üstlenmektedir. Ancak bu dönüşüm, ekipmanın tek başına sahaya yerleştirilmesiyle değil; malzemenin mineralojik, fiziksel ve kimyasal özelliklerinin disiplinler arası uzmanlıkla analiz edilmesi, uygun sensör–proses eşleşmesinin bilimsel olarak kurgulanması ve performansın veri temelli olarak doğrulanmasıyla mümkündür. Aksi hâlde sensör temelli ayırma, potansiyelinin çok altında kalan bir mekanik eleman düzeyinde kalır. Bu nedenle geri dönüşüm ve ham madde hedeflerinin gerçek anlamda sürdürülebilirliğe katkı sunabilmesi için, XRT gibi ileri ayırma teknolojilerinin alanında yetkin uzmanlar tarafından araştırılan, uygulanabilirliği sahada kanıtlanan ve yaşam döngüsü performansı net biçimde ortaya konmuş çözümler olarak ele alınması artık bir tercih değil, zorunluluktur.
