بهینه سازی شرایط استخراج انتخابی گالیم از محلول بایر به روش تاگوچی

دسته کانه آرایی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین
نویسنده محمود عبدالهی
تاريخ برگزاری ۰۱ اسفند ۱۳۸۵

 

   مقدمه:

   گالیم یک عنصر فلزى در گروه IIIA جدول تناوبى و عنصر سى‌ویکم آن است. گالیم یکى از کمیاب­ترین فلزها در پوسته زمین بوده که عیار متوسط آن ppm۱۶ مى‌باشد. در میان کانی­هاى حاوى گالیم، بارزترین کانى گونه‌اى از ژرمانیت است که در معدن آپکس[۱] در ایالت یوتاى آمریکا یافت می­شود.  هیچ معدنى در جهان وجود ندارد که تنها گالیم را فرآورى کند بلکه گالیم بصورت محصول جانبی و در کنار بعضی فلزات دیگر تولید می شود]۱[. بیشترین تولید جهانى گالیم بصورت محصول جانبى از فرآیند تولید اکسید آلومینیم از بوکسیت­ها مى‌باشد]۱.[ گالیم از فرآیندهاى بکار رفته براى تولید آلومینیم، روى و تا اندازه‌اى مس، بدست می­آید. مقادیر بالاى گالیم از بوکسیت، دیاسپور، ژرمانیت، اسفالریت، پیریت، مگنتیت و خاکسترهاى معلق ناشى از سوختن ذغال سنگ (لیگنیت و بیتومین) بازیابى می­شود. علاوه ­بر بوکسیت گالیم در کانی­هاى آلوموسیلیکات دیگرى از قبیل کائولن و دیاسپور وجود دارد]۲[.گالیم موجود در کانسارهاى روى(اسفالریت) اهمیت اقتصادى کمترى دارد. دلیل آن تغییر روش­هاى استخراج روى به سمت روش­هاى هیدرومتالورژى است]۲[. بزرگترین ذخایر گالیم در کانسارهاى فسفاته و انواع مختلف ذغال سنگ وجود دارند. اگرچه ذخایر گالیم در ذغال­سنگ­ها و فسفات­ها بالغ بر چندین میلیون تن مى‌باشند، اما عملیات فرآورى آنها از لحاظ اقتصادى مقرون به صرفه نیست]۲[. گالیم همچنین با کالکوپیریت، کانسارهاى پلی­متال، کانسارهاى آپاتیت و نفلین که اورتوسیلیکات­هاى سدیم و آلومینیم هستند و همچنین کانسارهاى آلونیت، همراه است]۲[.

   زمانى که در سال ۱۹۷۰میلادى، کشف شد که ترکیب گالیم و عناصر گروه ۱۵، خصوصیات نیمه هادى از خود نشان مى‌دهند، تقاضا براى این فلز افزایش چشمگیرى یافت. گالیم در ساختمان نیمه‌هادی­ها بصورت آرسنیدگالیم یا فسفیدگالیم بمنظور تولید دیودهاى ساطع‌کنندهء نور (LED) بکار مى‌رود. همچنین نیتریت‌گالیم یک ترکیب باارزش بوده که در نیمه‌هادی­هاى پیشرفته براى استفاده در گیرنده‌ها و فرستنده‌هاى موج کوتاه، دى‌وى‌دى‌ها، دیودهاى لیزرى و کاربردهاى الکترونیکى دیگر بکار گرفته مى‌شود]۱،۲[.

   بطور کلی اهمیت فلز گالیم در تکنولوژی ارتباطات، باعث توسعه روشهای بازیابی و استخراج آن از منابع اولیه آن شد. در اکثر نقاط جهان آلومینیم از بوکسیت، طى فرآیند بایر استحصال مى‌شود. در فرآیند بایر بعد از ترسیب و  جدا کردن هیدروکسید آلومینیم از محلول هیدرکسید سدیم، گالیم در محلول باقی مانده و به علت برگشت محلول به ابتدای خط تولید آلومینا، گالیم در این محلول بر اثر گذشت زمان تغلیظ می شود. یکی از روشهایی که برای استحصال گالیم از این محلول توسعه یافته است، روش استخراج حلالی با استفاده از استخراج کننده آلی Kelex۱۰۰ است. در این روش محلول آلومینات با محلول Kelex۱۰۰ در کروزین تماس داده شده و گالیم از محلول آبى همراه با آلومینیم و سدیم استخراج مى‌شود. بیشتر عناصر استخراج شده همراه با گالیم، بوسیله اسید رقیق از محیط استخراج (Kelex۱۰۰) شسته مى‌شوند و در ادامه گالیم با استفاده از اسید غلیظتر از محیط استخراج، شسته مى‌شود. سرانجام فلز گالیم بوسیله الکترولیز محلول اسیدى بازیابى مى‌شود]۱[.

   در فرآیند استخراج با حلال گالیم از محلول بایر، Kelex۱۰۰ باید مقادیر کوچک (۱۰۰ تا ppm۳۰۰) گالیم را از یک مقدار بالاى آلومینیم(gr/l۴۰) جدا کند. این عناصر بصورت -۴Ga(OH) و -۴Al(OH) در تقریبا ۶/۳ مول محلول هیدروکسیدسدیم مى‌باشند. واکنش استخراج گالیم با Kelex ۱۰۰ بصورت رابطه زیر مى‌باشد]۳[:

(۱)                                                   O۲H۳ + -OH + org۳GaR ó HRorg۳ + -۴Ga(OH)

بطور مشابه آلومینیم مطابق با واکنش­ زیر استخراج مى‌شود:

(۲)                                                        O۲H۳ +-OH + org۳AlR ó HRorg۳ + -۴Al(OH)

استخراج آلومینیم همراه گالیم علاوه بر آلوده کردن Kelex۱۰۰ باعث اتلاف آلومینیم بخاطر خارج شدن آن از فرآیند تولید خود می شود. بنابراین انتخابی بودن استخراج گالیم توسط Kelex۱۰۰ یکی از نکات مهم فرآیند است و تا جایی که از نظر فنی و اقتصادی امکان پذیر باشد باید استخراج آلومینیم توسط Kelex۱۰۰، در حداقل خود باشد. فرآیند استخراج گالیم توسط Kelex۱۰۰ از محلول بایر توسط محققین زیادی مورد بررسی قرار گرفته است]۴[. در اکثر این مطالعات،  فاز آلی شامل Kelex۱۰۰ بعنوان استخراج کننده، دکانول نرمال یا ایزودکانول به عنوان تعدیل کننده و کروزین به عنوان رقیق کننده بود]۴[.

   در این مطالعه تلاش شده است شرایط استخراج انتخابی گالیم توسط Kelex۱۰۰ از محلول بایر و جدایش آن از آلومینیم موجود در محلول بایر بوسیله طرح آزمایش تاگوچی و با استفاده از آرایه L۲۵۵)، مورد بررسی قرار گیرد. متغیر هدف که در این بررسی مورد بهینه سازی با روش تاگوچی قرار گرفته، فاکتور جدایش (b(DGa/DAl)) است.

   بحث:

   آنالیز داده­ها و تهیه جدول آنالیز آمارى واریانس (ANOVA) به روش تاگوچى به منظور شناسایى سطوح بهینه پارامترهای در نظر گرفته و نیز تاثیر پارامترها بر بازیابى، با استفاده از نرم­افزار EXCEL انجام شد. در مطالعاتى که به روش تاگوچى انجام می­شود، از تجزیه و تحلیل واریانس(ANOVA) جهت شناسایى پارامترهایى که بر پاسخ اثر می­گذارند، استفاده می­شود. همچنین نمودارهاى میانگین حاشیه­اى در مورد هر یک از پارامترها به کار می­رود. روش معمول شامل بررسى نمودارها و انتخاب پارامترهاى برتر می­باشد. پارامترهاى برتر پارامترهایى هستند که داراى اثرات بزرگتر می­باشند. سطوحى از این پارامترها که بهترین نتیجه را داشته باشند، بعنوان سطوع بهینه در نظر گرفته می­شوند. و متغیر پاسخ در این سطوح محاسبه می­گردد. سه هدف عمده از تجزیه و تحلیل نتایج عبارتند از:

- تعیین اثرات اصلى هر یک از پارامترها

- تعیین شرایط بهینه

- تخمین نتایج در شرایط بهینه

   جدول(۱)، پارامترهای انتخاب شده و سطوح مربوط به آنها را نشان می دهد. همانطور که در این جدول ملاحظه می شود، پنچ پارامتر اصلی انتخاب شده برای بهینه سازی شرایط استخراج انتخابی گالیم شامل، دما، نسبت حجمی فاز آبی به فاز آلی، زمان فرآیند، درصد حجمی ایزودکانول در فار آلی و درصد حجمی استخراج کننده (Kelex۱۰۰)، هستند. بدلیل بررسی بیشتر اثر این پارامترها بر روی فرآیند، تصمیم بر بررسی آنها در پنچ سطح گرفته شد. محدوده و دامنه هر پارامتر، از بررسی کارهای مطالعاتی قبلی که توسط محققان مختلف انجام شده است، نتیجه گیری شد]۴،۵[.

 

جدول(۱)- پارامترها و سطوح آنها در طراحی آزمایش

۵

۴

۳

۲

۱

سطح

 

 

 

 

 

پارامتر

۷۵

۶۵

۵۵

۴۰

۲۷

دما(سانتیگراد) (A)

۵

۴

۳

۲

۱

نسبت حجمى فاز آبی به آلی (B)

۲۱۰

۱۵۰

۹۰

۶۰

۳۰

زمان(دقیقه) (C)

۲۵

۲۰

۱۵

۱۰

۵

ایزودکانول(%)(D)

۱۵

۱۲

۹

۷

۵

(E) KELEX۱۰۰ (%)

 

   روش تاگوچی بعد از انتخاب پارامترهای اصلی و تعیین سطوح آنها, آرایه آزمایشهایی را که باید انجام شود، ارائه می کند. تاگوچی این انتخاب را بر اساس مجموع درجه آزادی پارامترهای انتخاب شده انجام می دهد. مطابق با این روش و با توجه به اینکه درجه آزادی هر پارامتر برابر با تعداد سطوح هر پارامتر منهای عدد یک است، مجموعه درجه آزادی پارامترهای انتخاب شده در این مطالعه برابر با ۲۰ است. چون طبق روش تاگوچی باید درجه آزادی آرایه انتخاب شده بیشتر از مجموعه درجه آزادی پارامترها(۲۰) باشد، آرایه نشان داده شده در جدول(۲) با تعداد آزمایش ۲۵ و درجه آزادی ۲۴ بوسیله روش تاگوچی انتخاب شد.

   مواد اولیه و روش اجرای آزمایش

   نمونه محلول آبى بایر از کارخانه آلومیناى جاجرم و در نقطه­اى بعد از ترسیب آلومینا تهیه شد. آنالیز شیمیایى این محلول شامل gr/l۳۵ آلومینیم، gr/l ۱۲ سدیم، ppm۲۱۰ وانادیم و ppm۸۷ گالیم  می­باشد. Kelex۱۰۰ از کشور چین تهیه شد. ایزودکانول و کروزین با مارک Merk مورد استفاده قرار گرفت.

   آزمایش‌های استخراج با حلال به روش ناپیوسته و توسط هات­پلیت دیجیتالى و با استفاده از همزن مغناطیسى انجام شد. در آزمایش‌هایی که در دماى oC ۵۵ به بالا انجام شد، بمنظور حفظ پایدارى در فرآیند و جلوگیرى از تبخیر بیش از حد فاز آبى، ظرف واکنشگر توسط یک درپوش مسدود می­شد. بعد از انجام واکنش به منظور جدایش فاز آبى از آلى محتویات ظرف واکنشگر بداخل یک قیف دکانتور منتقل شد. بمنظور افزایش دقت در تجزیه و تحلیل آمارى نتایج، هر آزمایش دو بار انجام شد. و در پایان، گالیم به روش ICP و آلومینیم به روش جذب اتمى در فاز آبى اندازه­گیرى شد.

   تجزیه و تحلیل نتایج

   غلظتهای گالیم و آلومینیم در فاز آبی بعد از فرآیند استخراج، به همراه فاکتور جدایش (b(DGa/DAl)) برای هر آزمایش در جدول (۳) ارائه شده است. فاکتور جدایش از تقسیم ضریب توزیع گالیم در فاز آلی بر ضریب توزیع آلومینیم در فاز آلی بدست آمد. ضریب توزیع هر فلز نسبت غلظت فلز در فاز آلی به غلظت فلز در فاز آبی است. با استفاده از داده های جدول (۲) و نسبت حجمی بین دو فاز آبی و آلی، غلظت گالیم و آلومینیم در فاز آلی اندازه گیری شد.

   در جدول(۴)آنالیز واریانس استاندارد داده­های فاکتور جدایش (ANOVA)، ارائه شده است. مقایسه نسبت واریانس محاسبه شده در این جدول، با مقدار استاندارد عدد فیشر در سطح اطمینان ۹۵ درصد(۷۰۱/۲) نشان می­دهد که تغییرات در تمام پارامترهای بررسی شده معنی­دار می­باشد. زیرا برای تمام پارامترها مقدار نسبت واریانس از مقدار عدد فیشر بزرگتر است. در شکل(۱) درصد تاثیر هر یک از پارامترها بر تغییرات فاکتور جدایش نشان داده شده است. این شکل نشان می­دهد که درصد Kelex۱۰۰ در فاز آلی با ۳۴/۲۰ درصد و دما با ۱۸/۱۰درصد، به ترتیب بیشترین و کمترین تاثیر را بر فرآیند استخراج و جدایش گالیم از آلومینیم  دارند.

جدول(۲)- آرایه آزمایشگاهی طراحی شده توسط روش تاگوچی

E

D

1-        محمود عبدالهی، دکترای فرآوری مواد معدنی دانشگاه لیدز انگلستان، 1375، دانشیار دانشگاه تربیت مدرس[1]

2-       محمدرضا کیخائی، دانشجوی کارشناسی ارشد معدن، گرایش فرآوری مواد معدنی دانشگاه تربیت مدرس

3-        سید محمد جواد کلینی، دکترای فرآوری مواد معدنی از استرالیا، استادیار دانشگاه تربیت مدرس

 

چکیده:

     فرآیند استخراج با حلال گالیم از محلول بایر کارخانه تولید آلومینای جاجرم با استفاده از Kelex100 به عنوان استخراج کننده بررسی گردید. روش طراحی آزمایش تاگوچی به منظور بهینه سازی فاکتور جدایش گالیم و آلومینیم استفاده شد. دما برابر با oC 65، نسبت حجمی فاز آبی به آلی برابر 3، زمان فرایند برابر 60 دقیقه و ترکیب فاز آلی بهینه حاوی 15درصد حجمی Kelex100 و 5 درصد حجمی ایزودکانول در کروزین، بعنوان شرایط بهینه فرایند انتخاب شد. در این شرایط 70% گالیم و 3/0% آلومینیم استخراج شده و مقدار فاکتور جدایش (b(DGa/DAl)) برابر با 1200 بدست آمد.

لغات کلیدی: استخراج حلالی، گالیم، تاگوچی، محلول بایر

 

 

 

 

 

Optimization of gallium selective extraction conditions from Bayer solution by Taguchi method

Abstract:

Solvent extraction of gallium from  Bayer solution of Jajarm aluminia plant using Kelex100 as extractant was investigated. Taguchi experimental design method was used in order to optimization the separation factor of Ga and Al. Temperatuer:65 oC, volume ratio of aqueous phase to organic phase: 3.0:1.0, process time: 60(min) and organic phase containing 15 vol.% Kelex100, 5 vol.% isodecanol in kerosene, as optimum conditions were obtained. In this conditions, 70% gallium and 0.3% aluminium was extracted and separation factor, was obtained 1200.

Keyword: Solvent extraction, Gallium, Taguchi, Bayer solution

 



[1] تهران-  پل نصر (گیشا) - دانشگاه تربیت مدرس-  دانشکده فنی و مهندسی- بخش مهندسی معدن- گروه فراوری مواد معدنی، تلفن : 88011001 داخلی 3393، E-mail: minmabd@modares.ac.ir

کلید واژه ها: آزمایشتاگوچی جاجرم فرآوری موادمعدنی کانه آرایی خراسان شمالى