دانلود امکان سنجی فرآوری کانه سخت منگنز جیرفت

دانشکده مهندسی گروه مهندسی معدن

پایان نامه  جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی معدن – فرآوری مواد معدنی       

عنوان: امکان سنجی فرآوری کانه سخت منگنز جیرفت

Manganese ore processing feasibility of Jiroft

چکیده

منگنز به دلایل اقتصادی و داشتن خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاص به عنوان یکی از فلزات کاربردی و مهم در صنایع متالورژی و آلیاژهای غیر آهنی استفاده می‏شود. استحصال این فلز به لحاظ اهمیت آن از کانه‏های با عیار پایین دارای توجیه اقتصادی می‏باشد. در تحقیق حاضر امکانسنجی پرعیارسازی کانسنگ منگنز معدن محمدآباد جیرفت مورد بررسی قرار گرفته است.  بر اساس آنالیزهای شیمیایی، عیار منگنز در نمونه 21 درصد، اکسید آهن­ 66/19 درصد و اکسید سیلیس  07/32 درصد به دست آمده است. مطالعات کانی­شناسی نمونه نشان از حضور بلورهای ریز کانی­های منگنزدار و هم­چنین درگیری با کانی­های گانگ نمونه دارد، در نتایج آزمایش پراش پرتو ایکس کانی­های منگنز به دلیل آمورف بودن و پایین بودن کریستالینیتی بلورها تشخیص داده نشد. آزمایش‏های ثقلی ابتدا با استفاده از جداکننده جیگ بر روی محدوده‏ی دانه بندی1000+3000- میکرون انجام شد. عیار منگنز در کنسانتره جیگ به 61/23 درصد منگنز  رسید. دربازه‏­های 1000- 300+ ، 300- و 100- میکرون با استفاده از میزلرزان آزمایش­­های پرعیارسازی انجام شد، بهترین نتیجه­ی کنسانتره منگنز در این مرحله، عیار 14/31 درصد و بازیابی 43/30 درصد به دست آمد. به منظور افزایش بازیابی منگنز، از جداکننده‏های مغناطیسی خشک و تر برای پرعیارسازی محصول میانی میزلرزان در محدوده ابعادی 300- میکرون استفاده شد. در مرحله­ی بعد، آزمایش‏های فلوتاسیون بر روی محدوده­ی ابعاد 100- میکرون انجام پذیرفت که در بهترین حالت عیار منگنز 59/27 درصد شد. به دلیل دست نیافتن به نتیجه­ی مطلوب از روش­های رایج پرعیارسازی فیزیکی و فلوتاسیون می­توان این­طور نتیجه گرفت که این نوع کانسنگ در گروه کانی­های سخت منگنز قرار داد و باید روش­های شیمیایی مانند لیچینگ احیایی را برای پرعیارسازی کانسنگ منگنز معدن محمدآباد جیرفت انتخاب کرد. در بخش نهایی این تحقیق، مراحل روش لیچینگ احیایی بررسی و نتایج آن تحلیل شد. در روش لیچینگ احیایی بیش­ترین بازیابی منگنز نسبت به سایر روش‏ها به دست آمد. کاهنده­ی موثر در این روش اسیداکسالیک انتخاب شد، هم­چنین عامل کنترل لیچینگ تعیین شد. با استفاده از نرم­افزار طراحی آزمایش روش CCD با انجام 30 آزمایش لیچینگ،در آزمایش­های اعتبارسنجی با 4/14 درصد جامد، 60 گرم بر لیتر اسیدسولفوریک، 93/49 گرم بر لیتر اسید اکسالیک در دمای 70 درجه سانتی­گراد، بازیابی منگنز به 4/88 درصد، بازیابی آهن 57/6 درصد و بازیابی سیلیس به 66/0 درصد  رسید.

 

کلمات کلیدی: پرعیارسازی کانسنگ منگنز، معدن محمدآباد جیرفت، لیچینگ احیایی، روش CCD

مقدمه

هدف از فرآوری کانه منگنز تولید محصول با مشخصات موردنیاز در صنایع مصرف‌کننده است. به دلیل پایین بودن عیار منگنز در اکثر کانسارهای شناسایی ‌شده در ایران و نیاز به محصول با عیارهای بسیار بالا در اغلب صنایع مصرف‌کننده منگنز، به ‌کارگیری روش‌های مختلف پرعیارسازی برای تغلیظ سنگ استخراج‌ شده لازم و ضروری است. با توجه به کاهش ذخایر معدنی پرعیار فلزی، بالا بودن هزینه‌های معدنکاری و مقرون ‌به ‌صرفه نبودن معدنکاری در معادن فلزی با عیار پایین، استفاده از روش­هایی که بتوانند فلزات ارزشمند را از منابعی با عیار کم و یا کانسنگ‌های سخت (که پرعیارسازی آن‌ها دارای پیچیدگی هست) تغلیظ کند، لازم و مفید خواهد بود.

کانسنگ منگنز استخراجی از معدن محمدآباد جیرفت، با عیار تقریبی 21 درصد، می‌تواند از منابع مهم قابل‌استفاده‌ی ذخایر سنگ منگنز در ایران باشد. در حال حاضر به دلیل پایین بودن عیار، ترکیب خاص کانی‌های منگنزدار و نوع درگیری آن‌ها با سایر کانی‌های باطله، سنگ معدن استخراجی از این معدن در صنایع مصرف‌کننده قابل‌استفاده نیست.

هدف از این تحقیق معرفی روش­هایی کارآمد برای پرعیارسازی کانسنگ منگنز معدن محمدآباد جیرفت، امکان‌سنجی استفاده از روش لیچینگ در استحصال منگنز از کانه و دست­یابی به مشخصات مورد نیاز در صنایع مصرف‌کننده است.

پرعیارسازی کانسنگ منگنز معمولاً با ترکیبی از روش‌ها شامل میز لرزان، جیگ، جدایش مغناطیسی شدت بالای خشک و تر، فلوتاسیون و تشویه کاهشی با استفاده از داروهای ویژه انجام می‌شود.

نمونه­ی معرف تهیه ‌شده، جهت انجام مطالعات شناسایی نمونه به­‌طور کامل مورد تجزیه قرار گرفته و خصوصیات آن به طور دقیق بررسی شد. در مرحله بعد از شناسایی نمونه، بررسی پرعیارسازی کانسنگ منگنز معدن جیرفت به روش‌های ثقلی شامل: جیگ، میز لرزان،  روش‌های مغناطیسی و سایر روش‌های فرآوری مواد معدنی مانند فلوتاسیون و لیچینگ انتخابی انجام می­گیرد. در روش‌های مذکور، پارامترهای عملیاتی مؤثر در بازیابی منگنز مورد ارزیابی و بهینه‌سازی قرار می­گیرند.

این تحقیق به‌منظور امکان‌سنجی پرعیارسازی و با نتیجه­ی حاصل که قابل ‌استفاده کردن سنگ استخراجی معدن منگنز محمدآباد جیرفت است، در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است. در فصل اول به کلیاتی در مورد منگنز و کانی­های منگنز پرداخته شده است. در فصل دوم ، با اشاره به مطالعات انجام شده توسط دیگر محققین، انواع روش­های فرآوری استحصال منگنز از کانسنگ منگنز معرفی شده است. فصل سوم این تحقیق شامل معرفی نمونه مورد آزمایش و مواد و تجهیزات به کار برده شده هم­چنین تشریح روش انجام تحقیق است. در فصل چهارم نتایج آزمایش­ها به همراه بحث در مورد نتایج آورده شده است. و در نهایت در فصل آخر نتیجه گیری و پیشنهادات موردنظر مطرح شده است.

1-1 آشنایی

نام منگنز[1] از واژه لاتین  Magnes (Magnet)گرفته شده است که به خواص مغناطیسی پیرولوزیت (کانه اصلی منگنز) اشاره می­کند. با نماد Mn، عدد اتمی 25، وزن اتمی94/54، وزن مخصوص 43/7 گرم بر سانتی­متر مکعب، سختی6 در مقیاس موس، جلای فلزی، شکننده و غیر قابل انعطاف، نقطه جوش 1962 درجه سانتی­گراد و نقطه ذوب 1244 درجه سانتی­گراد. منگنز در گروه 7 جدول تناوبی به عنوان فلز [2]بوده و در دوره 4 قرار دارد. محتوای ایزوتوپی منگنز معمولاً با محتوای ایزوتوپی کروم تلفیق شده و در زمین شناسی ایزوتوپی به کار می­رود. نسبت­های ایزوتوپی Mn-Cr شواهدی را از Al26 وPd107  به عنوان تاریخ آغاز بیستم خورشیدی تقویت می­کند. تغییرات در نسبت های Cr53/Cr52 و Mn/Cr  از انواع متئوریت­ها، نسبت اولیه Mn53/Mn55  را نشان می­دهد که سیستم ایزوتوپی Mn-Cr را پیشنهاد می­کند چند ظرفیتی بودن منگنز به دلیل به اشتراک گذاردن 7 الکترون در دو لایه خارجی، با توجه به توزیع 25 الکترونی منگنز، می­باشد. شش ایزوتوپ پایدار منگنز Mn51، Mn52 ،Mn53،Mn54،Mn55   و Mn56 می­باشند[1].

1-2خواص

• خواص فیزیکی

منگنز فلزی به رنگ سفید، خاکستری – نقره ای با هاله مایل به صورتی است، که با فلز کروم در گروه ششم و با فلز آهن در گروه هشتم هم­جوار بوده و از نقطه نظر شیمیایی شباهت­های زیادی به آن دارد. با این وجود، از نظر خواص متالورژیکی منگنز تفاوت­هایی با آهن و فلزات نزدیک به آن دارد. چرا که آهن، کبالت و نیکل خواص مفید فیزیکی خود را به عنوان یک فلز حفظ کرده و در اکثر آلیاژها به عنوان عنصر پایه عمل می­کنند، درحالی که منگنزچنین نیست. علت عملکرد منگنز در این حالت این است که در شرایط عادی ترتیب قرارگیری اتم­های منگنز در ساختمان بلورین آن به گونه­ای است که منگنز معمولاً فلزی شکننده و غیرقابل انعطاف و شکل گیری می‌باشد. اما وقتی که منگنز با آهن (و فولاد)، آلومینیوم و سایر فلزات غیر آهنی تشکیل آلیاژ می­دهد­، باعث بهبود خواص فیزیکی آلیاژ می‌شود.

 

 

• خواص شیمیایی

این فلز با اسید واکنش پذیری بالا و با آب به آهستگی تجزیه می­شود. در ارتباط با دما منگنز به شکل‌های آلفا ، بتا و گاما دیده می‌شود. شکل‌های آلفا و بتا شکننده هستند. شکل گاما نرم و پایداراست و در صورتی که درجه حرارت پایین نگهداری نشود، سریعاً به شکل آلفا تبدیل می‌شود. دمای تغییر شکل الفا به بتا، بتا به گاما و گاما به الفا به ترتیب 720، 1100، 1236 و 1244 درجه سانتی­گراد است.

1-3 کانی شناسی

منگنز در بسیاری از کانی­های موجود در پوسته زمین وجود دارد. علارغم این که بیش از 300 کانی حاوی منگنز شناسایی شده­اند، اما تعداد کانی­های منگنزدار دارای ارزش اقتصادی کمتر از 12 می­باشد. مهم­ترین کانی­های اقتصادی منگنز عبارتند از: اکسیدها شامل کانی­های پیرولوزیت، پسیلوملان، هوسمانیت، براونیت، واد، فرانکلینیت، هیدروکسیدها (منگانیت)، کربنات­ها (رودوکروزیت)، سیلیکات­ها (ردونیت) و سولفورها (آلاباندیت)[2].

1-4 ژئوشیمی

منگنز از نظر فراوانی، دوازدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. کلارک منگنز در ترکیب پوسته جامد زمین 1/0% و در سنگ­های مافیک و اولترامافیک تا 5/1% می­رسد. کانی­های منگنز به صورت گسترده پراکنده شده­اند. این عنصر در طبیعت به صورت خالص تشکیل نمی­شود و بیشتر به صورت اکسید، کربنات و سیلیکات وجود دارد. منگنز از لحاظ ژئو شیمیایی یک عنصر لیتوفیل قوی با اندکی خصوصیات کالکوفیل است.

منگنز در شرایط pH و Eh پائین (احیا) به دلیل پتانسیل یونی نسبتاً پائین، حلالیت بیش­تری نسبت به آهن دارد و آسان­تر از آهن از سنگ منشأ لیچ می­شود، اما در pH  و Eh بالا به دلیل تحرک بالا، ته نشینی آهن در ابتدا انجام می­شود و سپس منگنز ته نشین می­شود. چنان­چه وقتی فعالیت­های آتش­فشانی زیر دریایی به محیط آب وارد می­شوند، در ابتدا آهن در فاصله نزدیک منشأ فعالیت آتش فشانی برجای گذاشته می­شود و سپس منگنز به دلیل حلالیت (تحرک پذیری) بیشتر با فاصله زیادتری رسوب می­کند. به عنوان مثال در بخش بالایی کانسارهای ماسیوسولفید (تیپ کوروکو)، آهن در بالای کانسار قرار می­گیرد در حالی که منگنز در حاشیه آن تشکیل می­شود. شکل1-1 محدوده پایداری یون­های منگنز را نشان می­دهد که طبق آن پایداری Mn²⁺ در آب­های سطحی و دریاها به نسبت زیاد است.

شکل1-1-دیاگرام پوربه منگنز- دما 25 درجه سانتیگراد[3]

در شرایط عادی PH و Eh، ترکیبات کربناته و سیلیکاته منگنز رسوب می­کنند. در شرایط اکسیدان قوی از پایداری منگنز کاسته می­شود و Mn²⁺ به Mn⁴⁺ تبدیل شده و در نتیجه اکسید منگنز (پیرولوزیت) یا اشکال دیگر MnO₂ رسوب می­کنند. در شرایط احیا کننده، یونMn⁺²  به صورت محلول باقی می­ماند مگر این که این یون با مقدار کافی کربنات حل شده و یا با سیلیس ترکیب شود که در نتیجه رودوکروزیت (MnCO₃) یا کانی­های سیلیکاته منگنزدار را تشکیل دهد. در محیط احیاکننده قوی نیز کانی­های آلاباندیت (MnS) یا منگانوزیت (MnO) شکل می­گیرند. البته به نظر نمی­رسد که محیط رسوب­گذاری مناسبی برای آلاباندیت یا منگانوزیت (احیا کننده قوی) وجود داشته باشد. شرایط و محدوده تشکیل سولفید منگنز MnS بسیار محدود است. برخلاف آهن که در محیط احیایی بیشتر به صورت سولفید دیده می­شود، منگنز به صورت اکسید و کربنات یافت می­شود.

1-5 زمین شناسی اقتصادی

منگنز به صورت اکسید و کربنات در دنیا گسترش وسیعی دارد و کربنات آن غالباً با عناصر دیگری از قبیل کلسیم، منیزیم و آهن همراه است. ذخایر اکسید منگنز تقریباً خالص بوده و گروهی نیز حاوی مقادیر جزئی کبالت، نیکل، تنگستن، مس و باریم یا موادی نظیر رس، آهک، چرت و توف می­باشند.

هیچ کانی مستقلی از منگنز در مراحل اصلی تبلور ماگمایی یافت نمی­شود، لیکن تشکیل برخی از کانی­های منگنز در پگماتیت­ها و ذخایر پنوماتولیتی و هیدروترمال بعد از مرحله ماگمائی مشاهده شده ­است.

[1] Manganese

[2] Transition Metals

 

فهرست مطالب

عنوان…………………………………………………………………………..صفحه

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..1

فصل اول ………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………….3

1-1آشنایی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………4

1-2خواص…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….4

1-3کانی شناسی………………………………………………………………………………………………………………………………………………….5

1-4ژئوشیمی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ..5

1-5زمین شناسی اقتصادی………………………………………………………………………………………………………………………………….6

• تقسیم بندی کانسارهای منگنز (پارک و مک دیارمید 1975) …………………………………………………8

1-5-2تقسیم بندی کانسارهای منگنز (گیلبرت و پارک 1977) ……………………………………………………………..8

1-6 اکتشاف و ارزیابی ذخایر منگنز…………………………………………………………………………………………………………………..14

1-7روش های عمده استخراج منگنز…………………………………………………………………………………………………………………14

1-8کاربردهای منگنز…………………………………………………………………………………………………………………………………………15

1-9توزیع منگنز در دنیا……………………………………………………………………………………………………………………………………..16

1-9-1تولید منگنز در ایران………………………………………………………………………………………………………………………17

1-9-2 تولید منگنز در دنیا و توسعه های اخیر……………………………………………………………………………………….18

فصل دوم……………………………………………………………………………………………………………………………………………..21

روش های فرآوری منگنز

2-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………22

2-2 سنگ جوری………………………………………………………………………………………………………………………………………………22

2-3 پرعیارسازی به روش ثقلی………………………………………………………………………………………………………………………..22

2-4 پرعیارسازی به روش مغناطیسی……………………………………………………………………………………………………………….24

2-5 پرعیارسازی به روش فلوتاسیون………………………………………………………………………………………………………………..24

2-6 روش تشویه……………………………………………………………………………………………………………………………………………….24

2-7 پرعیارسازی به روش لیچینگ…………………………………………………………………………………………………………………..25

2-7-1 لیچینگ کاهشی با محلول یون آهن……………………………………………………………………………………………..28

2-7-2 لیچینگ کاهشی توسط سولفور دی­اکسید یا محلول­های سولفیت……………………………………………….30

2-7-3 لیچینگ کاهشی با استفاده از کاهنده­های ارگانیک…………………………………………………………………………31

2-7-4 لیچینگ الکترو-کاهشی…………………………………………………………………………………………………………………….39

2-7-5 لیچینگ همزمان منگنز (IV) و کانی­های سولفیدی……………………………………………………………………….39

2-7-6 لیچینگ با هیدروژن پراکسید…………………………………………………………………………………………………………….40

2-7-7 لیچینگ در محلول اسید هیدروکلریک……………………………………………………………………………………………..42

2-7-8 لیچینگ با نیتروژن دی­اکسید و محلول نیتریک اسید……………………………………………………………………….43

2-8 استحصال منگنز از محلول های لیچینگ…………………………………………………………………………………………………..45

2-8-1 بازیابی منگنز به روش استخراج حلالی……………………….. …………………………………………………………………46

2-8-2 بازیابی منگنز به روش  رسوب شیمیایی…………………………………………………………………………………………..46

2-8-3  بازیابی منگنز به روش تبادل یونی………………………………………………………………………………………………….. 47

2-8-4 مطالعه انجام شده برای بازیابی منگنز……………………………………………………………………………………………….47

2-8-4-1 ترسیب منگنز و آهن…………………………………………………………………………………………………………………..48

2-9  تولید منگنز الکترولیتی…………………………………………………………………………………………………………………………….49

2-10 تولید منگنزدی اکسید  الکترولیتی ……………………………………………………………………………………………………….50

2-11 تولید منگنز دی اکسید  شیمیایی…………………………………………………………………………………………………………..50

فصل سوم…………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………..51

معرفی مواد،روش ها و تجهیزات

3-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………52

3-2 تهیه نمونه………………………………………………………………………………………………………… …………………………….. …….. 52

3-3 شناسایی نمونه………………………………………………………………………………………………………… ……………………………… 52

3-3-1 تجزیه شیمیایی نمونه…………………………… …………………………… ………………………….. ………………………….. 52

3-3-2 مطالعات پراش پرتو ایکس(XRD) ……………………………………………………………………………………………..53

3-3-3 مطالعات میکروسکوپی………………………………………………………………………………………………………………….53

3-3-4 تجزیه سرندی و تعیین دانه بندی و عیار کانسنگ منگنز…………………………………………………………….55

3-3-5 مطالعات درجه آزادی…………………………………………………………………………………………………………………………57

3-4 پرعیارسازی منگنز……………………………………………………………………………………………………………………………………..58

3-4-1 آزمایش پرعیارسازی با جیگ………………………………………………………………………………………………………….58

3-4-2 آزمایش های پرعیارسازی با میزلرزان……………………………………………………………………………………………..59

3-4-3 آزمایش های پرعیارسازی به روش مغناطیسی………………………………………………………………………………59

3-4-4 انجام آزمایش های پرعیارسازی به روش فلوتاسیون………………………………………………………………………60

3-4-5  روش آزمایش های پرعیارسازی به روش لیچینگ…………………………………………………………………………60

3-4-5-1 تئوری سینتیک لیچینگ……………………………………………………………………………………………………..61

الف- نفوذ از لایه مایع…………………………………………………………………………………………………………………….63

ب-نفوذ از میان خاکستر………………………………………………………………………………………………………………..64

ج- واکنش شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………….64

3-4-6 روش انجام آزمایش های سینتیک………………………………………………………………………………………………………66

3-4-7 نرم افزار طراحی آزمایش……………………………………………………………………………………………………………………. 66

3-4-8 روش انجام آزمایش­ها ……………………………………………………………………………………………………………………….69

فصل چهارم……………………………………………………………………………………………………………………………………………………70

بحث و نتایج

4-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..71

4-2 آزمایش های جیگ……………………………………………………………………………………………………………………………………..71

4-3 نتایج آزمایش های میزلرزان………………………………………………………………………………………………………………………72

4-4 نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش مغناطیسی……………………………………………………………………………….77

4-5 نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش فلوتاسیون………………………………………………………………………………..80

4-6  نتایج آزمایش های پرعیار سازی به روش لیچینگ………………………………………………………………………………….82

الف) تعیین ماده کاهنده………………………………………………………………………………………………………………………………..82

ب) تعیین عامل کنترل لیچینگ…………………………………………………………………………………………………………………..83

4-6-1 طراحی آزمایش………………………………………………………………………… …………………………………………………..86

4-6-1-1 آنالیز واریانس مدل­ها………………………………………………………………………………………………………………88

4-7 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی…………………………………………………………………………………………………………….91

4-7-1 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی منگنز…………………………………………………………………………….91

4-7-2 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی آهن…………………………………………………………………………………96

4-7-3 بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر بازیابی سیلیس………………………………………………………………………….99

4-8 بهینه سازی……………………………………………………………………………………………………………………………………………….99

فصل پنجم………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………..102

نتایح و پیشنهادات

5-1 مقدمه………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………….103

5-2 نتایج و پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………103

مراجع………………………………………………………………………………………………………………….106

 

فرمت فایل: Word (قابل ویرایش)

تعداد صفحات: 144

حجم: 3.26 مگابایت

300,000 ریال – خرید نهایی کردن خرید مورد به سبد خرید اضافه شد