بخشی از مقاله
چکیده:
هدف از این تحقیق انجام مطالعات فرآوری بر روی نمونه کانسنگ ایلمنیت قره آغاج در استان آذربایجان غربی میباشد، که بتوان با بهینه کردن پارامترهای موثر بر انحلال آهن، توسط اسید هیدروکلریک به روتیل با عیار بالا دست یافت. نمونه ایلمنیت اولیه دارای عیار %11 اکسید تیتانیم و %34/9 اکسید آهن بود. این نمونه پس از مراحل مختلف خردایش وجدا کننده مغناطیسی و ثقلی به کنسانتره ای با مشخصات %42/4 اکسید آهن و %45/2 اکسید تیتانیوم رسید.
با توجه به تاثیر مثبت فعالسازی مکانیکی در افزایش سرعت انحلال آهن، نمونه به مدت 4 ساعت در آسیای گلولهای با نسبت گلوله به کانی معادل 25 به 1 مورد فعالسازی مکانیکی قرار گرفت. طراحی آزمایش توسط نرم افزار DX7 و به روش طراحی نقطه مرکزی - - CCD انجام شد. نتایج نشان داد، غلظت اسید، دما، زمان و نسبت مایع به جامد رابطه مستقیمی با انحلال آهن داشته، و همچنین غلظت اسید و نسبت مایع به جامد رابطه مستقیم و دما و زمان رابطه عکس با انحلال تیتانیوم دارند.
در شرایط بهینه نرمافزار، شامل غلظت اسید هیدروکلریک %30، دما 90 درجه سانتیگراد، مایع زمان 4 ساعت و نسبت جامد 10، میزان انحلال آهن %69/3 و میزان انحلال تیتانیوم برابر % 12/4 بدست آمد. با توجه به اینکه افزایش دما و زمان باعث کاهش انحلال تیتانیوم میشود، آزمایشهایی در دمای 105 درجه سانتیگراد و زمان 6 ساعت انجام شد که بهترین نتایج در شرایط غلظت اسید هیدروکلریک %35، دما 105 درجه سانتیگراد، زمان 4 ساعت و نسبت جامد 10 بدست آمد.
مقدمه
توده نفوذی قرهآغاج در فاصله 36 کیلومتری شمالغرب ارومیه قرار دارد. توده قرهآغاج از دو واحد سنگی مشخص شامل سنگهای اولترامافیک و مافیک تشکیل یافته است. سنگهای بخش اولترامافیک توده قرهآغاج بهطور غیرعادی غنی از فسفر - آپاتیت - ، آهن و تیتانیم - ایلمینت و مگنتیت - بوده، به همین دلیل به اختصار سنگهای FTP خوانده میشوند. اینگونه سنگها به رغم داشتن حجم و گسترش کم، به دلیل میزبانی کانسارهای اکسید آهن و تیتانیوم و فسفات و همچنین ترکیب شیمیایی و کانیشناسی غیرعادی در مقایسه با سنگهای آذرین متعارف، اهمیت و جذابیت علمی و اقتصادی قابل توجهی دارند
کنسانترههای روتیل دارای %95 یا بیشتر TiO2 است و به همین جهت محصولات به دست آمده از آن کیفیت بالاتری دارد، اما این کانی در همه جای جهان گسترده نیست و مقدار آن نیز کم است؛ به همین علت قیمت جهانی آن در حال افزایش است. از طرف دیگر، ایلمنیت تقریبا در سرتاسر جهان گستردگی دارد، بنابراین قیمت آن در بازار جهانی پائینتر از روتیل است.
به همین علت، پژوهش در زمینه پرعیارسازی ایلمنیت و به عبارت دیگر، تولید روتیل مصنوعی از ایلمنیت در کشورهای پیشرفته صنعتی در حال انجام است. پرعیارسازی ایلمنیت به منظور تولید روتیل مصنوعی در دو مرحله قابل اجراست. در مرحله اول به طریق فیزیکی مکانیکی میتوان ایلمنیت را از سایر کانیهای همراه جدا کرد، که در این صورت تجهیزاتی مانند جیگ، میز، مارپیچ، واسطه سنگین، فلوتاسیون، الکترواستاتیک، الکترومغناطیس و غیره مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
از آنجا که فرمول ایلمنیت FeTiO3 یا FeO.TiO2 است، در صورتیکه بتوان آنرا به طور کامل از سایر کانیها جدا کرد، دارای عیار52/7 درصد TiO2 خواهد بود. اما عملا رسیدن به این عیار غیر ممکن است و برای ایلمنیت قره آغاج حداکثر عیار مورد انتظار حدود %45 میباشد. هر چند کنسانتره اولیه ایلمنیت با ارزش خواهد بود، به منظور دسترسی به مادهای معدنی که بتواند در صنایع تیتانیوم و رنگدانه TiO2 استفاده شود، باید عیاری بالاتر از 85 درصدداشته باشد .[2] به همین منظور بایستی روشهای دیگری مانند روشهای شیمیایی بکار گرفته شوند.
بخش تجربی
روشهای شناسایی نمونه
نمونه ایلمنیت مورد بررسی به میزان 50 کیلوگرم از معدن تیتانیوم قرهآغاج تهیه شد. نمونه معرف با استفاده از تقسیمکن برای شناسائی کانیها و ترکیبات تشکیل دهنده، با استفاده از روش XRD و XRF تهیه شد.
طراحی آزمایش پس از مطالعات اولیه مشخص شد که پنج فاکتور شاخص، اندازه ذرات، غلظت اسید، نسبت جامد به مایع، دما و زمان تاثیر مهمی بر انحلال آهن و تیتانیوم دارند، با توجه به اینکه فعال-سازی مکانیکی باعث افزایش سرعت انحلال آهن میشود، پس از فعالسازی نمونه، تمامی اندازه ذرات به زیر 20 میکرون رسانده شد.
همچنین در مطالعات پیشین مشخص شد که سرعت همزن تاثیری در انحلال آهن و تیتانیوم ندارد .[3] در تمامی آزمایشهای انجام شده، سرعت همزن بین 540 تا 560 تنظیم شد. با توجه به پیشینه تحقیق، شناسائی عوامل و فاکتورهای تعیین شده در آزمایش ها، از روش فاکتوریل استفاده نشد. پس از تعیین 4 فاکتور اصلی موثر - غلظت اسید، نسبت جامد به مایع، دما و زمان - و سطوح آنها در آزمایشها، طراحی آزمایش با استفاده از نرم افزار طراحی آزمایش DX7 و با روش طراحی نقطه مرکزی - CCD - انجام شد. سطوح و فاکتورهای تعیین شده در Error> Reference source not found. نشان داده شدهاند. پس از طراحی آزمایش و با توجه به فاکتورهای موجود و سطوح مشخص شده، نرم افزار تعداد 30 آزمایش مشخص نمود، که در جدول 1 نشان داده شده است.
روش آزمایش ها
آزمایشها مطابق طرح پیشنهادی نرمافزار Dx7 انجام شدند. در ابتدا اسید با درصد وزنی مشخص شده تهیه شد. - اسید کلریدریک استفاده شده از شرکت مجللی تهیه شد، که اسید کلریدریک %37 - USP - میباشد. - آزمایشها در حمام آب گرم سر بسته و یک تانک لیچینگ 1 لیتری درپوشدار انجام شدند. در ابتدا اسید را با غلظت معین درون تانک ریخته و درون حمام آب قرار داده تا به دمای مورد نظر برسد و در نهایت نمونه فعالسازی شده به درون تانک اضافه شده در حالیکه سرعت همزن 540 تا 560 دور در دقیقه تنظیم گردید. پس از مدت زمان تعیین شده، نمونه را از حمام آب خارج و پس از سرد شدن، فیلتر و پسماند جامد خشک و میزان محلول بدست آمده اندازه گیری شد. میزان آهن موجود در نمونهها با UV-Visible و میزان Ti موجود در محلولها با جذب اتمی اندازهگیری شدند.
نتایج و بحث
آنالیز شیمیایی و کانی شناسی نمونه
آنالیز کمی شیمیایی و آنالیز XRD جهت شناسایی عناصر و تعیین فازهای موجود در نمونه به ترتیب انجام شد. نمونه معرف جهت آنالیز XRD و XRF تهیه شد، نتایج XRF در جدول 2 نشان داده شده است.
انحلال آهن
پس از انجام آزمایشهای پیشنهادی توسط نرمافزار درصد انحلال آهن محاسبه گردید، نتایج بدست آمده در جدول 1 آورده شده است. همانطور که از نتایج جدول 1 بدست میآید، بیشترین میزان انحلال آهن %78 با اسید %35 در آزمایش شماره 29 و پس از آن %70/9 همراه با اسید %30 در آزمایش شماره 7 میباشد.
جدول :1 نتایج آنالیز انحلال آهن
جدول :2 نتایج XRF نمونه کنسانتره ایلمنیت قره آغاج
معادله انحلال تیتانیوم ارائه شده توسط نرمافزار که در آن پارامترها به صورت کد بیان شدهاند، در ذیل نشان داده شده است:
= 6/12 + 6/19 * A - 2/80 * B - 0/63 * C + انحلال تیتانیوم
1/50 * D -2/58 * A * C - 0/47 A* C + 1/01 * A * D +2/99 A2 + 0/75 B2
معادله انحلال تیتانیوم شامل پارامترهای A
- غلظت - ، - Bدما - ، - Cزمان - ، - Dنسبتجامدمایع - و اثرات متقابلشان می-باشد. همانطور که از معادله بالا مشخص است، غلظت اسید اثر خیلی قوی بر روی انحلال تیتانیوم داشته است و پس از آن
فاکتورهای موثر به ترتیب دما، نسبتجامدمایع و زمان میباشد، که در ادامه توضیح داده شدهاند. برای آنالیزها به بررسی نمودار Normal Plot Residuals میپردازیم، که به تعیین نرمالیته دادهها و ارزیابی اینکه توزیع دادهها بطور نرمال بوده است یا خیر، میپردازد. با مشاهده نرمال پلات مشخص میشود که دادهها از توزیع نرمالی برخوردار هستند.
تعیین شرایط بهینه
با بررسی شرایط موجود و با توجه به طراحی، بهترین شرایط توسط نرمافزار برای انحلال حداکثری آهن و حداقلی تیتانیوم محاسبه و پیشنهاد گردید
