تاثیر پارامترهای انحلال تیتانیوم از کنستانتره ایلمنیت فعال شده به تهیه دی اکسید تیتانیوم

تاثیر پارامترهای انحلال تیتانیوم از کنستانتره ایلمنیت فعال شده به تهیه دی اکسید تیتانیوم

اسلاید 1: چهارمین همایش ملی فناوری نانو: از تئوری تا کاربرد بررسی تاثیر پارامترهای انحلال تیتانیم از کنسانتره ایلمنیت فعال شده به منظور تهیه دی اکسید تیتانیم ریزساختار الهام حسینی1*، فرشته رشچی2، ابوالقاسم عطائی3، پیمان شیرخوانی 4 دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکده‏های فنی، دانشگاه تهران 1- دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی متالورژی و مواد 2- دانشیار، مهندسی متالورژی و مواد 3- استاد، مهندسی متالورژی و مواد 4- کارشناس ارشد، مهندسی متالورژی و مواد پست الکترونیک نویسندگان: E.Hosseini88@gmail.com مقدمهدی اکسید تیتانیم (TiO2) پودری سفید رنگ و کدر با خاصیت پوشش دهی قوی و مقاوم در برابر تغییر رنگ می­باشد. خواص یاد شده، TiO2 را به ماده ای ارزشمند به عنوان رنگدانه و مات کننده در گستره وسیعی از کاربردها در صنایع رنگسازی، کاغذ، فیبرها، مواد آرایشی، صنایع غذایی، پوششهای اپتیکی، پراکنده سازی اشعه و پوشش های ضد انعکاس تبدیل کرده است. این ماده همچنین به عنوان کاتالیست مکمل و حسگر رطوبت مورد استفاده قرار می گیرد. استحصال دی اکسید تیتانیم از ایلمنیت بطور صنعتی توسط دو روش اصلی سولفات و کلرید انجام می شود. روش سولفات زمان بر بوده و با مصرف زیاد سولفوریک اسید و تولید آب آلوده به اسید، همراه می باشد که سبب بروز مشکلات زیست محیطی جدی می شود. امروزه حدود 60% TiO2 تولیدی در دنیا به روش کلرید به دست می آید. ماده اولیه مورد استفاده در این روش روتایل طبیعی یا مصنوعی می باشد.چکیدهدراین پژوهش به بررسی تاثیر فعال سازی مکانیکی و انرژی آسیاکاری بر راندمان انحلال تیتانیم موجود در کنسانتره ایلمنیت پرداخته شده است. در این راستا فرآیند فعال سازی با استفاده از آسیاب سیاره­ای در سه سطح انرژی کم، متوسط و زیاد انجام شد. در مرحله بعدی با استفاده از روش تاگوچی به طراحی آزمایش برای فرآیند لیچینگ اسیدی پرداخته شد. هدف از این طراحی آزمایش بهینه سازی هریک از پارامترهای موثر بر لیچینگ و تعیین شرایط بهینه برای دستیابی به بیشترین میزان انحلال پذیری تیتانیم بود. روش تحقیقهدف اصلی از این پژوهش افزایش راندمان انحلال پذیری تیتانیم موجود درکنسانتره ایلمنیت به منظور تولید نانوذرات دی اکسید تیتانیم می­باشد. در این راستا به بررسی اثر فعال سازی مکانیکی کنسانتره ایلمنیت بر راندمان لیچینگ و همچنین بررسی اثر پارامترهای موثر بر این فرایند از جمله: انرژی آسیاکاری، شرایط لیچینگ و غیره پرداخته خواهد شد.کنسانتره ایلمنیت کهنوج با اندازه ذرات 125-75 میکرومتر و پودر آهن به عنوان مواد اولیه در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفته اند. فعال سازی مکانیکی: فرآیند آسیاکاری دردمای محیط و تحت فشار 1 اتمسفر در آسیاب سیاره­ای انجام گرفت. به منظور تهیه کنسانتره ایلمنیت فعال شده، 3/8 گرم کنسانتره ایلمنیت و 7/2 گرم پودر آهن به عنوان عامل کاهنده با یکدیگر مخلوط گردید و در داخل کاپ آسیا ریخته شد. فعال سازی کنسانتره در سه سطح انرژی کم، متوسط و بالا صورت گرفت.پودر به گلولهزمان(ساعت)دور بردقیقه 102200سطح کم205250سطح متوسط3010300سطح زیادفرایند لیچینگ: کنسانتره فعال شده از مرحله آسیاکاری مکانیکی با استفاده از اسید کلریدریک لیچ شد. به منظور کاهش تعداد آزمایش ها و همچنین بهینه سازی پارامترهای موثر بر فرآیند از طراحی آزمایش به روش تاگوچی با استفاده از نرم افزار DX7 استفاده شد.جهت انجام آزمایش ها از راکتور سه دهانه استفاده شد. در یک دهانه کندانسور و در دهانه دیگر دماسنج قرار داده شد تا تغییرات دما کنترل شود. از دهانه دیگر می توان برای اندازه گیری pH و یا اضافه کردن مواد استفاده کرد. راکتور در داخل حمام شن قرار داده شد و سپس بر روی گرمکن مغناطیسی قرار گرفت.نتایج و بحثاز طرفی پیک آهن نیز قابل تشخیص است اما به دلیل درصد وزنی کمتر آن، پیک به نسبت کوتاه تری دارد. همچنین الگوی ب مربوط به نمونه آسیا شده در سطح انرژی متوسط است که می توان گفت به دلیل زمان آسیاکاری بیشتر و انرژی بالاتر، کریستالهای کنسانتره شدیدا شکسته شده اند و حالت نانوکریستالی به خود گرفتند لذا پیک مربوط به آن پهن تر و کوتاه تر شده است. در مورد مکانیزم آن می توان به خرد شدن ذرات سرامیکی کنسانتره به دلیل تردی اشاره کرد، اما ذرات آهن به دلیل چقرمگی و انعطاف پذیری بالاتر به اندازه ذرات سرامیکی شکسته نشده اند و احتمالا از حالت ذره ای کروی به حالت ورقه ای تبدیل شده اند اما حالت کریستالی خود را حفظ کرده اند و این موضوع در الگوی XRD آن به خوبی قابل مشاهده می باشد. الگوی پ مربوط به نمونه آسیاکاری شده با انرژی بالا می باشد. با دقت در آن مشاهده می شود که پیک های کنسانتره سرامیکی نسبت به حالت میانی کوتاه تر و پهن تر شده و اغتشاشات زمینه افزایش یافته است. به علاوه پیک مربوط به آهن نیز نسبت به حالت میانی کوتاهتر و پهن تر شده که بیانگر ریز دانه تر شدن ساختار آهن است. در نتیجه پیک های تیز الگو به حالت منحنی های پهن تغییر کرده است و حکایت از ریز دانه شدن و حرکت به سمت حالت آمورف دارد. فرض بر این است که این ریزدانگی و بی نظمی اتمی منجر به افزایش انرژی داخلی ذرات کنسانتره شده و سرعت لیچینگ و پیوستن اتمها از فاز کنسانتره به فاز محلول افزایش می یابد. نتیجه گیریدر نهایت پس از انجام 18 آزمایش و آنالیز محلول حاصل از هر آزمایش بیشترین میزان راندمان انحلال مقدار 82% مربوط به آزمایشی با دمای 90 درجه سانتیگراد، زمان 6 ساعت، نسبت جامد به محلول 1/20، با استفاده از HCl 15% حجمی و کنسانتره­ی فعال شده در سطح انرژی متوسط گزارش شد که شرایط مذکور به عنوان شرایط بهینه برای دستیابی به بیشترین میزان انحلال پذیری تیتانیم انتخاب گردید.شماره آزمایشانرژی آسیاکاریغلظت اسیدمحلول/جامدزمان (ساعت)دما (◦C)1متوسط151/103702کم101/104/5903متوسط51/156904کم51/203705کم151/153806کم51/106807زیاد51/204/5708کم151/204/5909زیاد101/1039010متوسط51/104/58011زیاد51/1539012کم101/1567013متوسط101/2038014زیاد151/154/58015زیاد151/1067016متوسط101/154/57017زیاد101/2068018متوسط151/20690الگوی پراش اشعه ایکس (XRD) در زیر آورده شده است. الگوی پایینی مربوط به نمونه آسیاکاری شده در سطح انرژی کم می­باشد که با توجه به آن می توان گفت که پیک های کنسانتره FeTiO3)) به صورت کاملا واضح قابل تشخیص است. بررسی اثر پارامترهااثر دمابا افزایش دما از 70 تا 80 درجه سانتیگراد درصد انحلال تیتانیم تقریبا ثابت باقی می­ماند. اما با افزایش دما از 80 به 90 درجه سانتی گراد درصد انحلال تیتانیم کاهش قابل توجهی را نشان می­دهد. در نتیجه می­توان گفت دمای بهینه برای لیچینگ 70 درجه سانتیگراد می­باشد.اثر زمانافزایش زمان لیچینگ از 3 تا 6 ساعت درصد انحلال تیتانیم به طور نسبی افزایش می­یابد. بنابراین زمان 6 ساعت به عنوان زمان بهینه برای فرآیند انتخاب شد.اثر نسبت جامد به محلولبا افزایش نسبت جامد به محلول در ابتدا درصد انحلال کاهش و سپس با افزایش این نسبت از 15/1 به 20/1 انحلال پذیری تیتانیم افزایش یافته است. در نتیجه نسبت 10/1 به عنوان مقدار بهینه برای نسبت جامد به محلول انتخاب شد.افزایش درصد حجمی اسیدبا افزایش درصد حجمی اسید میزان انحلال تیتانیم به طور قابل ملاحظه­ای افزایش یافته است. در نتیجه غلظت اسید با درصد حجمی 15% به عنوان مقدار بهینه انتخاب شد.افزایش سطح انرژی آسیاکاریبا افزایش سطح انرژی آسیاکاری از میزان کم به متوسط میزان انحلال پذیری تیتانیم به میزان قابل توجهی افزایش یافته و پس از آن با افزایش سطح انرژی درصد انحلال کاهش یافته است. بنابراین می­توان میزان بهینه برای سطح انرژی را سطح متوسط در نظر گرفت.در پایان پس از بررسی نتایج حاصل از آنالیز ICP و محاسبه­ی راندمان، آزمایش شماره 18، با دمای 90 درجه سانتیگراد، زمان 6 ساعت، نسبت جامد به محلول 1/20، با استفاده از هیدروکلریک اسید (HCl) 15% حجمی و کنسانتره­ی فعال شده در سطح انرژی متوسط به عنوان شرایط بهینه انتخاب شد که در این شرایط بالاترین راندمان انحلال تیتانیم مشاهده می شود. 181716151413121110987654321شماره آزمایش8275476670581304139352542870762راندمان انحلال(درصد)[1] N. El-HAZEK, T.A. LASHEEN, R. El-SHEIKH, A. SALAH, Hydrometallurgical criteria for TiO2 leaching from rosetta ilmenite by hydrochloric acid, Hydrometallurgy, 2007, 45–50.[2] R. RAZAVI, M. HOSSEINI, M. RANJBAR, Production of nanosized synthetic rutile from ilmenite concentrate by sonochemical HCl and H2SO4 leaching, Chemistry and Chemical Engineering, 2014, 33(2), 29-36.[3] MACKEY T S. Acid leaching of ilmenite into synthetic rutile. Ind Eng Chem, 1974, 13(1): 9−18.[4] CHEMET T. Applied mineralogical studies on Australian sand ilmenite concentrate with special reference to its behavior in the sulphate process. Mineral Engineering, 1999, 12(5): 485−495.منابع