Tane Morfolojisinin Flotasyona Etkisi

Abstract

Cevherlerin mineral serbestleşmesi günümüzde giderek azaldığından dolayı ince boyutlarda mineralleri ayırabilen yöntemler önem kazanmaktadır. İnce boyutlarda ayırma yapabilen flotasyon, tanelerin ıslanabilirlik farklarından faydalandığı için özellikle minerallerinin gravite farkı düşük olan cevher gruplarına daha fazla uygulanmaktadır. Reaktif türü ve pH gibi parametrelerin flotasyon sonuçlarına etkileri literatürde ayrıntılı olarak yer almaktadır. Buna mukabili, tane morfolojisinin flotasyon işlemlerindeki etkileriyle ilgili yayımlanan güncel makaleler haricinde, tane morfolojisini oluşturan şekil ve pürüzlülük gibi faktörlerin flotasyon verimlerine olan etkilerini inceleyen makaleler henüz az sayıda olup önerilen mekanizmalar tam olarak teyid edilememiştir. Bu doktora tez çalışmasında tane morfolojisindeki değişimlerin flotasyon üzerine olan etkileri gerek deneysel gerekse teorik modeller kullanılarak araştırılmıştır. Tezin deneysel kısmında, tanelerin özellikle pürüzlülük değerlerini değiştirmek amacıyla asitle muamele, farklı ortamlarda öğütme (bilyalı değirmende, ince boyutlu aşındırıcı tozlarla) ve kumlama işlemleri uygulanmıştır. Bu yöntemler içinde en çarpıcı olan kumlama yöntemi endüstride genellikle yüzeylerin temizlenmesi, pürüzlendirilmesi yahut aşındırılmasıyla amacıyla belirli şartlar altında tanelerin yüzeylere gönderilmesi prensibine dayalı olarak işletilmektedir. Yapılan bu işlemler neticesinde yüzeylerde meydana gelen değişimler çok ayrıntılı olarak incelenmiş olsa da, yüzeylere gönderilen tanelerin özellikleri hakkında bir çalışma literatürde yer almamaktadır. Dolayısıyla bu çalışmada kumlama işlemleri sonrasında tane yüzeylerinde meydana gelen değişimler tane-yüzey arasındaki mesafenin ve nozül basıncının değişiminin bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Deneylerde öğütme şartları ve kumlama sonrasında elde edilen ürünler için tanelerin boyut dağılımları, şekil faktörleri ve pürüzlülük dereceleri ayrı ayrı yapılmıştır. Literatüre yapılan bu katkının haricinde farklı öğütme şartlarında üretilen tanelerin şekil faktörü ve pürüzlülük değerleri öğütme sürelerinin bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Tanelerin şekil faktörleri binoküler mikroskopla alınan görüntülerin uygun yazılımlarla değerlendirilerek elde edilebilirken, pürüzlülük parametreleri ise B.E.T., optik profilometre ölçümleri ve atomik kuvvet mikroskobu ve taramalı elektron mikroskobu gibi yöntemlerle belirlenmiştir.. Yapılan bu çalışmalarla, tane üretim yönteminin tanelerin morfolojik özellikleri açısından son derece önemli olduğu gösterilmiş olup, istenilen pürüzlülük ve şekil faktörlerinin elde edilmesinde yöntemle birlikte yöntemin uygulanmasında geçerli parametrelerden örneğin nozül basıncı, öğütücü ortam türü, miktarı ve süresi ve tane boyutu gibi parametrelerin de ayrıca değerlendirilmesi gerektiği gösterilmiştir. Deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar ışığında, orijinalde yuvarlak olan cam küreleriyle gerçekleştirilen çalışmalarda belirli bir öğütme süresine kadar köşelilik parametresinin yükseldiği ancak bu süreden sonraki süre aralıklarında önemli değişimler elde edilemediği gösterilmiştir. Öğütme işlemleri neticesinde belirli bir pürüzlülük değerine getirilen tanelerin pürüzlülük derecelerinin ayarlanmasında belirli sürelerde aşındırıcı ortamla muamele işlemleri uygulanmış olup, şekil faktörlerinde nispi değişimlerle birlikte pürüzlülük derecelerinde önemli farklar elde edilmiştir. Farklı pürüzlülük ve şekil faktörlerine sahip tanelerle yürütülen mikro-flotasyon çalışmalarında daha köşeli tanelerin yuvarlak tanelere nazaran daha yüksek verimle kazanıldığı gösterilmiştir. Bu durum flotasyon işlemlerinde şekil faktörlerinin rolünü göstermekte olup, bir diğer deney serisinde ise aynı şekil faktörüne sahip yuvarlak tanelerde flotasyon verimlerinin değerlendirilmesinde pürüzlülüğün belirleyici bir parametre olduğu gösterilmiştir. Ayrıca literatürde ilk defa yer alacak olan tane morfolojisinin hidrofobisiteyle ilişkisinin incelendiği çalışmalarda, düşük kollektör konsantrasyonlarında flotasyon verimlerinde tane pürüzlülüğü daha etkin bir parametre olurken, yüksek konsantrasyonlarda şekil faktörünün daha etkin rol oynadığı gösterilmiştir. Cam küreleri ile yapılan bu çalışmalara ek olarak endüstriyel bir hammadde olan alüminayla gerçekleştirilen çalışmalarda ise, orijinal hali köşeli olan alümina tanelerinin yine belirli bir öğütme süresine kadar daha köşeli hale geldiği bir değerden sonra ise düşüşler gerçekleştiği gösterilmiştir. Cam kürelere uygulanan benzer akım şeması sonucunda, en yüksek köşelilik değerine ulaşılan öğütme devresinden alınan ürün, aşındırıcı malzemeyle belirli sürelerde muamele edilerek pürüzlülük derecesi değiştirilmiştir. Ancak alüminanın sertlik derecesi ve köşeli yapısı gereğince, gerek şekil faktörlerinde gerekse pürüzlülük derecelerinde elde edilen değişimler cam kürelerinde olduğu gibi geniş bir aralıkda olmamıştır. Zira bu durum flotasyon verimleri açısından da benzer bir eğilim göstermiş olup, flotasyon verimleri arasında nıspi değişimler elde edildiği görülmüştür. Farklı kollektör konsantrasyonlarında yapılan deneylerde düşük konsantrasyonlarda gerek öğütülmüş gerekse pürüzlü hale getirilmiş tanelerin daha yüksek değerler verdiği ancak bir karşılaştırma yapılması durumunda işlem görmemiş taneler ve pürüzlü tanelerle yapılan flotasyon verimleri arasındaki farkın, benzer şekilde daha köşeli tanelerle yapılan flotasyon verimleri arasındaki farktan daha yüksek olduğunu belirlenmiştir. Yüksek konsantrasyonlarda ise cam kürelerinde de olduğu üzere şekil faktörünün daha belirleyici bir parametre olduğu gösterilmiştir. Elde edilen bu sonuçlar ışığında yüksek reaktif konsantrasyonlarında şekil faktörünün etkisinin hakim olduğu ancak hidrofobisitenin zayıf olduğu düşük reaktif konsantrasyonlarında flotasyon verimlerinde pürüzlülüğün esas itici güç olduğu bulunmuştur. Bu kapsamda, uygulamalarda tane morfolojisine ince ayar verilerek önemli kazanımlar sağlanılacağı önerilmektedir. Bu tez kapsamında yer alan teorik çalışmalarda, DLVO teorisinin bir türevi olan bir model literatürden adapte edilerek kullanılmış ve bu çalışmada elde edilen flotasyon sonuçları, tane-kabarcık etkileşimleri ile açıklanmıştır. Model kapsamında değerlendirilen kuvvetler başlıca van der Waals ve elektriksel çift tabaka kuvetleri olup, bu kuvvetlerin hesabında Hamaker sabiti , tane-kabarcık arası mesafe, tane çapı, debye tabakası kalınlığı gibi parametreler kullanılmaktadır. Hesaplamalar öncelikle pürüzsüz yüzeyler için yapılmış olup, sonrasında pürüzlülük parametresinin eklenmesiyle birlikte pürüzlü yüzeyler arasındaki enerji bariyeri hesaplanmıştır. Ayrıca flotasyon şartlarının doğru olarak analiz edilebilmesi amacıyla DLVO harici bir bileşen olan hidrofobik kuvvetlerde eklenmiştir. Hidrofobik kuvvetlerin hesabında literatürde temelde Washburn denklemleri olarak gösterilen ve van Oss teorisinin esas alındığı formüllerin türevi alınarak deneysel çalışmalarda kullanılan şartlara adapte edilmiştir. Dolayısıyla model bünyesinde enerji bariyerinin hesabında bu üç kuvvetin toplamı kullanılmış olup, elde edilen enerji bariyeri değerleriyle flotasyon kinetiği sonuçları arasında bir korelasyon kurulmaya çalışılmıştır. Sonuç olarak yuvarlarak tanelerde pürüzlülük derecesinin artmasına mukabil yükselen flotasyon verimlerinin yanı sıra flotasyon kinetiği de artmakta, tane-kabarcık arasındaki enerji bariyeri beklenildiği üzere düşme eğilimi göstermektedir. Bu durum deneysel çalışmalardan elde edilen verilerin teorik bulgularla da uyumlu olduğunu teyid etmektedir.

Today, due to the finer liberation sizes of minerals, mineral processing methods utilizing the wettability differences of particles like flotation has become more preferable than other methods. Although many individual parameters in flotation process like pH, surfactant type have been explained in detail in many papers, the effect of morphology on flotation recoveries has not been dwelled much. Particularly, the mechanism responsible for the effect of shape and roughness on flotation grade and recoveries requires a thorough systematic studies in order to reveal the extent of bubble particle interactions upon changes in morphology. It is therefore the aim of this PhD thesis study, to investigate these still questionable and yet still misunderstood phenomenon of particle morphology on flotation recoveries from the persepective of both experimental and theoretical issues and extend the findings to practical industrial roadmaps. In the experimental part of the thesis, the surface roughness of the particles was monitored with different methods such as acid etching in the presence of HF, grinding in different media (ball and autogenously grinding with very fine sized abrasive) and sand blasting. Among them, sand blasting is probably the most unique. In the literature, sand blasting is generally used for surface etching by blasting of sand sized particles to the surfaces. However, in this study, the morphological changes of particles was investigated by changing the distance between plate–gun and the nozzle pressure. The size distributions of particles, shape factor and roughness of these particles was determined by image analysis method for each fraction upon grinding and sand-blasting processes. The roughness parameter was determined by different methods as B.E.T., optical profilometer, atomic force microscopy (A.F.M.) and scanning electron microscopy (SEM). After morphological characterization of particles, certain fractions (150-106 µm) was subjected to systematic micro-flotation tests. In addition, contact angle measurements were also performed for materials produced under different conditions. The results of these various tests showed that the selection of particle production method is most critical to assess the particle morphology in terms of roughness and shape factor. It is clearly shown that angular particles always float better than round particles using both flotation and bubble-particle attachment tests. On the other hand, comparison of smooth-spherical and rough-spherical particles identified that roughness is the major parameter determining the flotation rates. In this context, increasing the roughness degree resulted in higher flotation rates, which well correlated with the theoretical models. The results of flotation studies showed that the influence of morphology in terms of shape factor and roughness varied with the hydrophobicity of particles. In other words, at high reagent concentrations, while the shape factor became dominant, at lower hydrophobicities, particle roughness became the major driving force in the evaluation of flotation recoveries. From this point of view, it is proposes that tuning the particle morphology is of significant importance for industrial applications. In the theoretical part of the study, a derivative of DLVO theory was adapted from the literature and in order to explain the flotation results through the interactions between bubbles and particles with only roughness values taken into consideration. As a result, it was shown that the distance of separation increased with increasing the roughness which concamitantly increased the level of particle hydrophobicity.