مقاله تأثیر دانه بندی بر سینتیک فرآوری سنگ معدن باریت

بخشی از مقاله

تأثیر دانه بندی بر سینتیک فرآوری سنگ معدن باریت
چکیده
واکنش باریت با کک بعنوان نمونه ای از واکنش های جامد ـ جامد با حد واسط گازی CO یک گام بـسیار مهـم در فرآوری این ماده معدنی ارزشمند است به طوریکه با این روش می توان انواع ترکیبات بـاریم دار کـه کاربردهـای متنوعی در صنایع مختلف از جمله صنایع شیمیایی ، شیشه ، سرامیک و صنایع نفت و گاز ، تصفیه آب ، رنگسازی ، داروسازی و ... دارند را در مقیاس صنعتی تولید کرد. مهمترین فرآیند در مقیاس صنعتی و تجاری برای فرآوری این ماده معدنی فرآیند خاکستر سیاه است. در این تحقیق اثر دانه بندی باریت بر سـینتیک واکـنش تبـدیل باریـت بـه سولفید باریم مطالعه شده تا بتوان آن را از لحاظ پارامترهای دما ، زمان واکنش و انرﮊی اکتیواسیون بررسی نمود .

کلمات کلیدی: باریت ، دانه بندی، انرﮊی اکتیواسیون ، تبدیل جزئی ، ثابت سرعت

مقدمه
اولین گزارش مشهور ترکیبات باریم مربوط به اوایل قرن ١٧ است و از قرن ١٨ اهمیت ترکیبات باریم از هر دو نظر صنعتی و تجاری رشد پیدا کرده است. منبع اصلی برای تولید ترکیبات باریم سنگ معدن باریت یا همان سولفات باریم طبیعی می باشد که گاهی آنرا Heavy spar یا Tiff نیز می نامند. این ترکیبات معروفترین و فراوانترین کانی باریم هستند. البته در طبیعت ترکیبات دیگری از باریم بنام ویتریت یا کربنات باریم طبیعی نیز وجود دارد که ذخایر معدنی آن بسیار کم است . سیلیکات باریم یا سان برنیت نیز بصورت ترکیبات معدنی یافت می شود که مقادیر آن در مقایسه با ویتریت بسیار ناچیز است .[1]
باریت از ریشه یونانی Baros به معنی سنگین مشتق شده و در حالت خالص دارای وزن مخصوص ٥/٤ ـ ٣/٤ می باشد . و از نظر مینرالوﮊی بصورت کریستال های رومبیک و سفید رنگ است. این ترکیب بلورین نسبتاﹰ نرم بوده که درجه سختی آن در مقیاس Mohs ٥/٣ ـ ٣ است.
همچنین این مینرالها دارای رنگهای گوناگون از جمله سفید ، خاکستری و سیاه بوده و حتی گاهی اوقات بسته به نوع ناخالصی های موجود به رنگهای قرمز ، زرد ، سبز نیز در می آید ]. ٣و٢[

از آنجائیکه باریت یک ماده بسیار نا محلول در آب است و حلال اکثر واکنش هـا آب مـی باشـد بنابراین نقطه شروع برای فرآوری ترکیبات باریم از این سنگ معدن ، احیای آن بـه وسـیله فرآینـد خاکستر سیاه است که در این فرآیند سولفات باریم به سولفید باریم قابـل حـل در آب تبـدیل مـی شود. روشهای مختلفی برای احیای باریت وجود دارد از جمله اسـتفاده از Fluidzed bed Reactor

که احیا با استفاده از گاز متان صورت می گیرد . ]٣[ ولی در این تحقیق احیا به وسیله زغال کـک در یک کوره الکتریکی انجام شده است. مطالعات سینتیکی احیای باریت به وسیله کـک نـشان داده است که احیای اولیه باریت در تماس با کک به صورت زیر اتفاق می افتد.
(١) BaSO4  4C → BaS  4CO

CO تولید شده باعث احیای باریتی که در تماس با کک نیست می شود که بصورت واکنش زیر بیان می گردد.

(٢) BaSO4 4CO → BaS 4CO2

که این واکنش CO2 تولید شده مطابق واکنش Boudouard برای تولید بیشتر CO با کربن واکنش می دهد.

(٣) C CO2 → 2CO

مطالعات سینتیکی نشان داده اسـت کـه واکـنشBoudouard از سـرعت پـایین برخـوردار اسـت و کنترل کننده سرعت احیای باریت است. و نیز چنانچه مشاهده می شود واکنش احیای باریت با حد واسط گازی CO انجام می شود. فعالیت کک عموماﹰ مربوط به واکنش با CO2 برای تولید CO بـوده که در نتیجه استفاده از کربن با واکنش پذیری بالا ، دمای احیا پایین آمده و در نتیجه در مـصرف انرﮊی صرفه جویی می شود . ] ٤ و٥ [

واکنش پذیری کربن با ترکیب کردن آن با انواع نمکهای معدنی افزایش می یابد. یعنی هدف اصلی از افزایش کاتالیزورها این است که سرعت واکنش Boudouard بالا برده و در نهایت باعث افزایش سرعت فرآیند احیای باریت می شود . ] ٤ [ در این تحقیق سعی شده است تأثیر دانه بندی باریت بر سرعت واکنش بررسی شود. تا واکنش اصلی احیای باریت از لحاظ پارامترهای موثر بر آن مانند زمان و دمای واکنش و انرﮊی اکتیواسیون بررسی شود.مطالعات سینتیکی نشان می دهد احیای باریت به وسیله کک از مکانیسم هستهﺀ کوچک شونده پیروی می کند و مدل سینتیکی پیشنهاد شده برای واکنش احیای باریت بصورت زیر است.] ٦و٤[

(٤) ( x 1−exp( − kt m

که در این رابطه k ثابت سرعت t زمان واکنش و m درجه واکنش و در نهایت x تبدیل جزئی سولفات باریم به سولفید باریم است. لازم به ذکر است طبق واکنشهای زیر می توان در نهایت سولفید باریم حاصل از فرایند خاکستر سیاه را به انواع ترکیبات مختلف زیر تبدیل کرد. ] ٢و١[

(٥) BaS  Na2CO3 → BaCO3  Na2 S
(٦) BaS CO2  H 2O → BaCO3  H 2 S
(٧) BaS  2HCl → BaCl2  H 2 S
(٨) BaCO3  2HCl → BaCl2 CO2  H 2O

روشها و مواد

در این تحقیق ابتدا سنگ معدن باریت با استفاده از سنگ شکن فکی و چکشی خرد شده و در نهایت به کمک آسیای گلوله ای به صورت پودر میکرونیزه با دانه بندی Mesh ٢٣٠+، ١٤٠‐ و Mesh٤٠٠+، ٢٣٠‐ و Mesh ٤٠٠‐ در آمده است. لازم بذکر است منبع کربن استفاده شده در این آزمایش کک می باشد..

در انجام آزمایشات باریت با کک مخلوط و به کمک بوته چینی در کوره الکتریکی در دماهای مختلف تکلیس شده است. لازم به ذکر است نسبتهای استوکیومتری واکنش بطور متناوب برای دماها و زمان های ذکر شده در این تحقیق تکرار شده است. در نهایت نمونهﺀ سرد شده را وزن و بعد به خوبی خرد کرده و سپس در آب حل و با استفاده از روش اسیدی متری مقدار آنرا اندازه گرفته تا مقادیر تبدیل جزئی سولفات باریم به سولفید باریم در هر مورد محاسبه شود.

نتایج و بحث
نمودار های تبدیل جزئی ـ زمان باریت به سولفید باریم در زمانها و دماهای مختلف برای سه دانه بندی مذکور در شکل های ١، ٢ و ٣ نشان داده شده است .