کاربرد جنبه های کانی شناسی در طراحی مقدماتی فرایند پرعیارسازی تالک سفید آقبلاق منطقه سربند اراک

- مقدمه

تالک یا سنگ صابون در قدیم توسط سرخ پوستان در جزایر سانتاکاتالینا در امریکا به منظور مصارف زینتى و ظروف مورد استفاده قرار مى‌گرفته است. این ماده در اواسط سالهاى ۱۸۰۰ به وسیله مهاجرین سفیدپوست در صنایع ساختمانى،سنگ هاى زینتى و روکش کوره ها مورد استفاده قرار مى گرفت. اکتشاف و استخراج کانسارهاى تالک درایران قدمت چندانى ندارد و به سال ۱۳۴۵ شمسى بر میگردد. نخستین معدن تالکى که شناسایى شده و براى آن گواهى کشف صادر گردیده، معدن تالک ده موسى لرستان بوده است. متعاقب آن اکتشافات دیگرى در زمینه شناسایى تالک و بهره‌بردارى از آنها صورت گرفت.

تالک از نظر نحوه تشکیل یک کانى ثانویه بوده که از دگرسانى سنگهاى اولترامافیک و یا دگرگونى سنگهاى رسوبى غنى از منیزیم نظیر دولومیتها، مارنها، آهکهاى دولومیتى وشیلهاى غنى از منیزیم بدست می آید. تالک بعنوان یک کانى سیلیکات منیزیم آبدار، کمتر در طبیعت بصورت خالص یافت شده و غالباً داراى ناخالصیهاى آهن، Al۲O۳،CaO ، کربن، کوارتز و اکسید منگنز مى‌باشد. تالک به دنبال داشتن خصوصیات فیزیکى و شیمیایى منحصر به فرد خود کاربرد بسیار زیادى در صنایع دارد. ویژگیهاى فیزیکى تالک عبارتند از: بالا بودن حرارت ویژه ( دیرگدازی)، رنگ سفید، نرمى (پخش‌شدگى همگن)، جلاى خوب (افزایش درخشندگى)، خواص هیدروفوبیسیته سطح (آبران بودن)، لمس چرب (خاصیت لغزندگى و روانى) قدرت هدایت الکتریکى پایین و قدرت عایق پذیرى بالا، شکل صفحه‌اى ذرات، کوچکى بسیار زیاد ذرات، قدرت جذب کنندگى روغن و خاصیت ضد چسبندگی.  تالکى که در صنعت بکار مى‌رود از نظر کانى شناسى شامل طیف وسیعى از کانیها نظیر پیروفیلیت، سرپانتین، آنتوفیلیت، کلریت، ترمولیت و آکتینولیت مى‌باشد. کلیه خصوصیات بالا باعث ‌شده تا  مصارف تالک در ایران بسمت صنایع کاشى سازى، چینى بهداشتى و چینى ظروف، لعاب سازى، کاغذ سازى، لاستیک سازى، صنایع عایق‌هاى نسوز و عایق‌هاى الکتریکى، صنایع بهداشتى و دارویى، پلاستیک سازى و رنگ سازى معطوف گردد. از نظر ایمنى در محیط کار، حد آستانه ذرات تالک در حدود ۲۲ میلى گرم در هر متر مکعب هوا مى باشد. تقاضا براى تالک در کشور در حال افزایش بوده و در صورت امکان تولید در داخل، بخشى از نیاز این صنایع بر طرف خواهد شد. در این راستا نمونه تالک سفید آقبلاق بعنوان یک معدن فعال مورد بررسیهای اولیه کانی شناسی قرار گرفت. نتایج حاصل از این مطالعات نقش اساسی دیدگاه کانه آرایى میباشد.

۲- مطالعات کانى شناسى

تالک از نظر کانى شناسى، یک سیلیکات منیزیم آبدار با فرمول Mg۳(Si۴O۱۰)(OH)۲ در سیستم منوکلینیک مى‌باشد. این کانى در طبیعت  اکثراً  بصورت ناخالص در سنگهاى دگرگونى (رده سیلیکاتهاى ورقه اى) وجود دارد.  ترکیب خالص این کانى داراى ۳۶/۶۳ % سیلیس، ۹۸/۳۱ %  اکسید منیزیم و ۷۵/۴ درصد آب مى‌باشد. تالک معمولاً به رنگهاى سفید، سفید نقره اى، سبز کمرنگ، خاکسترى متمایل به سبز و سبز تیره دیده شده است ( بسته به نوع ناخالصى ودرجه خلوص آن). تالک داراى جلاى مرواریدى، نیمه شفاف و لمس چرب میباشد. خاصیت لغزش لایه هاى شبکه اى در تالک بعلت وجود نیروى ضعیف واندروالسى بین آنها است. وزن مخصوص نوع خالص آن بین ۷/۲ تا ۸/۲ متغیر است. در صورت خالص بودن، تالک داراى سختى یک مى‌باشد. اغلب، تالک بصورت توده‌اى با ساختمان داخلى ورقه‌اى، همچنین توده‌اى دانه‌اى، فشرده و مخفى بلورین (کریپتوکریستالین) پیدا شده است. این کانى داراى  کلیواژکامل و صفحات نازک آن قابل انحناء ولى بدون خاصیت ارتجاعى مى‌ باشد. تالک داراى ضریب شکست کمى بوده و مقطع آن در نور پلاریزه با بیرفرنژانس  بسیار قوى و رنگهاى پلاریزاسیون زنده سرى دوم و سوم مشخص میگردد.

۲-۱- شناسایى  منطقه و فازهاى کانى سازى آن

تالک منطقه سربند اراک در حوالی شهرستان شازند (تقریباً ۷۰ کیلومتری اراک) بصورت یک معدن فعال با ۲-۳ کارگاه معدنی در زمره معادن فعال استان مرکزی معرفی شده است. در اشکال-۱ و۲ مسیر دسترسی و بخشی از رخنمون رگه تالک تیپ دولومیتی معدن آقبلاق این ناحیه نشان داده شده است.

تالک این منطقه از نظر نحوه تشکیل یک کانى ثانویه حاصل از دگرسانى سنگهاى اولترامافیک و یا دگرگونى سنگهاى رسوبى غنى از منیزیم نظیر دولومیتها، مارنها، آهکهاى دولومیتى و شیلهاى غنى از منیزیم حاصل شده است. بطور کلى از نظر ژنز و شیوه پیدایش، ذخایر تالک شامل سه تیپ دولومیتى، سرپانتینى و تیپ کلریتى (تالک شیستى) میباشد. ذخایر تالک مورد مطالعه نیز از تیپ تالک دولومیتی می باشد. این تالک بر اثر دگرگونی همبری و نفوذ سیلیس مذاب در سیستم بسته سنگی اولیه و غنی از منیزیم همانند دولومیت تشکیل میگردد. اکثر کانیهای همراه تالک این تیپ ذخایر کلریت، دولومیت، کلسیت و کوارتز بوده است. علت احتمالی تشکیل کلریت این ناحیه، وجود رس و شیل در سنگ اولیه حدس زده میشود. تالک مصرفی صنعت از نظر کانى شناسى، شامل طیف وسیعى از کانیها دیگر نیز مى‌شود. برخی از این کانیها عبارتند از: پیروفیلیت، سرپانتین، آنتوفیلیت، کلریت، ترمولیت و آکتینولیت.

از طرف دیگر خود کانى تالک با توجه به ترکیب کانى شناسى، شکل ظاهرى، درجه خلوص و کاربرد آن در صنعت، انواع متفاوتى دارد مانند: استئاتیت، سنگ صابون، پات استون، رنسلائریت، گچ خیاطى، لاوا، تالک مخلوط، تالک رشته‌اى و تالک نرم- ورقه‌ای. با توجه به تنوع وسیع کانیهاى همراه و کاربردهاى متنوع آن در صنعت شناسایى فاز تشکیل کانیها و نحوه ارتباط آنها جهت خردایش و فرآورى بسیار مهم و ضرورى تلقى میگردد. در اشکال- ۳ و ۴ بر اساس ابعاد بدست آمده از روى سرند، مقاطع پلاریزان تالک بهمراه دیگر کانیها نشان داده شده است. با توجه به این اشکال مشخص است که درگیرى شدیدى  بر اساس نوع تشکیل و ژنز بوجود آمده است. شناخت نوع کانیها، نحوه ارتباط، ابعاد و خواص آنها،  از پارامترهاى مؤثر جدایش تالک از بقیه کانیها در طراحى مقدماتى محسوب میگردد. جهت شناسایی کانیها، نمونه مورد نظر در محدوده­های ابعادی D۱:(-۱۰, +۳۰ Mesh) ، D۲:(-۳۰, +۱۲۰ Mesh)، D۳:(-۱۲۰,+۴۰۰Mesh)، D۴:(-۴۰۰ Mesh) تجزیه سرندی گردید. در ادامه برخى از اطلاعات مربوطه آورده شده است.

۲-۲- بررسى دانه بندى

یکى از مهمترین هدفهاى خردایش در فرآورى مواد معدنى، آزادسازى کانى‌هاى باارزش از مواد گانگ همراه در درشت ترین ابعاد ممکن است. با دستیابى به چنین هدفى، علاوه بر کاهش میزان خردایش،  مصرف انرژى نیز کاهش یافته و هزینه جدایش در مراحل بعدى نیز کمتر و فرآیند جدایش ساده‌تر خواهد شد. بنابراین قبل از عملیات جدایش کانیهاى مورد نظر با روشهاى مختلف، لازم است تا کانى‌هاى باارزش موجود در کانسنگ از باطله جدا شوند. براى جدا کردن کانى مورد نظر از سایر کانى‌ها بایستى آنها را تا حدى خرد کرد که هر یک از ذرات تنها از یک کانى تشکیل شده باشند. به این عمل آزاد کردن کانى‌ها گفته مى‌شود. براى آزاد کردن کانى‌ها، مطالعه و بررسى دانه بندى ذرات قبل از درجه آزادى ضرورى است.

در نمودار شکل-۵ نمودار توزیع دانه بندى نمونه A-۱ ناحیه مورد نظر )بار اولیه (بدست آمده از نمونه بردارى نشان داده شده است. با توجه به شکل مشخص است که در این بخش از نمونه درشت­ترین ابعاد تولیدى در  حدود بیش از ۷۰ سانتیمتر مى باشد. D۸۰ این نمونه در حدود ۴۰ سانتیمتر مى باشد. در حدود ۶۰% وزنى این نمونه در محدوده ابعادى (۴۰-۳/۰) سانتیمتر قرار دارد و در حدود ۱۰% وزنى نمونه در محدوده ابعادى زیر ۱۰۰ میکرون قرار دارد. آگاهى از شناخت این مطالب در تهیه میزان خردایش نمونه بکمک تجهیزات خردایش بسیار باارزش و مهم در طراحى فلوشیت خردایش تلقى میگردد.

۲-۲-۱- توزیع وزنى کانیها

یکى از اهدافى که در خردایش کانیها جهت فرآورى آنها مطالعه مى شود بررسى چگونگى توزیع کانیها در ابعاد مختلف می­باشد. با شناسایى کانیها در ابعاد مختلف و تعیین میزان تمرکز آنها در آن محدوده کمک شایانى در انتخاب محدوده دانه بندى مناسبى که بیشترین تمرکز کانى مورد نظر در آن بخش وجود دارد بسیار با اهمیت مى باشد. در اکثر مواقع با آنالیز نمونه­هاى هر محدوده ابعادى می­توان این موضوع را مورد بررسى قرار داد. کانى تالک از جمله کانیهایى است که MgO و SiO۲ نماینده و معرف آن مى باشد. ترکیبا ت دیگرى که در این مورد اهمیت دارد عیار Al۲O۳،  CaOو Fe۲O۳ مى باشد. در شکل-۶ تغییرات توزیع تجمعى وزنى عبورى ترکیبات مختلف در محدوده هاى ابعادى مختلف نشان داده شده است. همانطور که مشخص شده است در محدوده ابعادى بزرگتر از۱۰ مش) >D۱) کانیهاى حاوى  CaOاز درصد عبورى بالاترى نسبت به بقیه ترکیبات دارا بوده است. البته این کانیها در همه محدوده ابعادى از درصد تجمعى عبورى بالاترى نسبت به بقیه کانیها برخوردار بوده است. با استفاده از این شناخت، مى توان با انتخاب سرندی به ابعاد در حدود ۵/۰ تا ۱ اینچ بخشی از کانیهاى کربناته مزاحم را حذف نمود. دیگر ترکیبات تقریباً با هم خرد شده­­اند و در همه محدوده ها با هم همراهى داشته اند. کانیهاى حاوى Fe۲O۳ که احتمالاً مربوط به اکسیدهای آهن است از تجمع بیشترى بدلیل عبور از دهانه سرند در زیر سرند برخوردار شده است.

۲-۲-۲- درجه آزادى

براى تعیین درجه آزادى کانى‌هاى موجود در یک کانسنگ لازم است، ابتدا نمونه مورد نظر به بخشهاى مختلفى از نظر ابعادى طبقه بندى گردد. به این عمل توزیع دانه بندى گفته مى‌شود. معمولاً توزیع ابعادى ذرات بالاتر از ۴۰ میکرون توسط سرندهاى آزمایشگاهى و کوچکتر از این ابعاد به روشهاى مختلف ته­نشینى به‌صورت تر انجام مى‌گیرد. با توزیع ابعادى نمونه مورد نظر، بخشهاى طبقه بندى شده  آن مطالعه درجه آزادى ‌گردید. جهت تعیین درجه آزادى کانیها روشهاى مختلفى وجود دارد. بر اساس نوع کانیهاى تشکیل دهنده فاز کانى شناختى و نحوه جدایش آنها از دیگر کانیها، مى توان هر یک از روشها را بکار گرفت. برخى از این روشها بسیار کم هزینه ولى با دقت کمتر و برخى دیگر از روشها، دارا دقت بالاتر و هزینه هاى بالاترى مى باشند. برخى روشهاى معمول عبارتند از: روش‌هاى اندازه‌گیرى در تحلیل تصویرى،تعیین درجه آزادى کانى‌ها به روش مایعات سنگین، تعیین درجه آزادى کانى‌ها به روش مغناطیسى، تحلیل رهاسازى (فلوتاسیون) ]۱، ۲، ۳ و۴[.

 در این تحقیق با توجه به اینکه مطالعه کانیها در زیر میکروسکوپ بسیار مهم و ضرورى است از روش دانه شمارى (تحلیل تصویر) جهت تعیین درجه آزادى تالک و کانیهاى پاراژنز آن استفاده شده است. این روش نسبت به دیگر روشها از دقت نسبتاً خوبى برخوردار است و رفتار کانى شناسى نمونه مورد نظر را از نظر سرعت آزاد شدن کانیها با کاهش ابعاد نشان مى دهد. با توجه به اینکه رفتار آزاد شدن کانیها به درک درستى از کانیها رهنمود مى شود، موضوعاتى نظیر رفتار خردایش کانیها، ساختار بافت کانیها و فازهاى متشکله، ابعاد کانیها، سختى کانیها و غیره را نیز در خود مستتر دارد. شناخت  و شناسایى این رفتارها کمک بسیار شایانى به تحلیل رفتار کانى مورد نظر در طراحى فلوشیت جدایش تالک بازى میکند.  در نمودار شکل-۷  نمودار درجه آزادى کانیهاى متشکله نمونه A-۱ نشان داده شده است.

با توجه به نمودار  شکل-۷، کانیهاى آهندار شامل هماتیت و کربناته شامل کلسیت و دولومیت از درجه آزادى بالاترى نسبت به بقیه دارا مى باشند. این کانیها در محدوده ابعادى بالاتر از ۱۲۰ مش (D۲) داراى درجه آزادى بیش از۸۰% میباشند. آگاهى از این موضوع قادر است شناخت خوبى از فرآیند جدایش کانیهاى کربناته نسبت به دیگر کانیها داشته باشد.  با توجه  به شیب نمودار آزاد شدگى کانیهاى تالک و کلریت که در اکثر مواقع همراه هم مى باشند بیانگر این مطلب است که کانیهاى کلریت از درجه آزادى بالاترى در ابعاد درشت دارا هستند. در عین حال بیانگر انست که احتمالاً ابعاد ساختارى تشکیل تالک از ابعاد درشترى برخوردار بوده ولى درگیری شدید آن با دیگر کانیها مانند کلریت نیز بر آن مؤثر بوده است که بکمک بررسى هاى میکروسکوپى این ادعا ثابت شده است. وجود کانیهاى آهندار نظیر هماتیت و منیتیت در سطح دیگر کانیها و پراکنده بودن آن در نمونه باعث شده که از نظر درجه آزادى از نرخ بالاتری نسبت به بقیه کانیها دارا باشد با کاهش ابعاد ذرات رشد یکنواختی از خود نشان بدهد. اکثر کانیها در محدوده ابعادى درشت­تر از ۴۰۰ مش (D۳) بیش از۹۰% و آزاد شده است. این موضوع مى تواند تایید کننده این بیان باشد که براى جدایش کانیهاى آهندار و غیره می توان انتظار داشت که در این ابعاد می توان انتظار جدایش تالک از مجموعه را داشت. در عین حال هرچه خردایش بیشتر، هزینه­هاى آن بالاتر و جدایش در فرآیند مشکلتر خواهد شد.

۲-۲-۳- نحوه درگیرى کانیها

بررسی مطالعات کانی شناسی یکی از شاخصهای مهم در شناخت نوع کانی، در نمونه معرفی می شود. ولی فقط شناخت کانیها از دیدگاه کانه آرایى کافی نبوده و بایستی عوامل دیگری نظیر بررسی و مطالعه نحوه ارتباط کانیها و درگیری نیز بررسی گردد. همانطور که در شکل های ۳و۴ مشاهده می شود کانی تالک بعد از خردایش در محدوده ابعادی d۱,d۲ همچنان با کانی های دیگر مثل کلریت، دولومیت و اکسیدهای آهن درگیر می باشد. تعیین نوع درگیری می تواند به عنوان پارامتری تعیین کننده در طراحی فرایند خردایش مطرح باشد. در شکل-۸ درصد نحوه درگیری کانی تالک و کلریت با دیگر کانیها در محدوده ابعادی d۱,d۲ مشاهده میشود. با مقایسه درگیری کانیهای تالک و کلریت در دو محدوده مورد نظر ساده و رگه ای مشخص شده است که خردایش بیشتر باعث شده تا درگیری کانیها از حالت رگه ای به ساده افزوده شود.

۳- جنبه هاى کانى شناسى در طراحى فلوشیت فرآورى تالک

یکى از پارامترهاى تعیین کننده در امر طراحى فلوشیت فرآورى، مطالعه و بررسى وضعیت ماده معدنى از نظر کانى شناسى و میکروسکوپى میباشد. بنابراین مهندسین کانه آرا بایستى کاملاً در جریان نوع ماده معدنى چه از دیدگاه مخلوط سازى و چه در طراحى نوع فرآیند باشند. در بسیارى از موارد دانستن عیار فلز به تنهایى کافى نیست و باید نوع ترکیب شیمیایى فلز مورد نظر و نیز باطله همراه آن مشخص گردد. بنابراین با مطالعه میکروسکوپى مقاطع صیقلى و نازک مى توان مشخصات نمونه را از لحاظ درصد حجمى کانى و یا کانیهاى موجود و دیگر پارامترهاى مهم مشخص نمود. لازم به یادآورى است که یکى از مهمترین پارامترهاى لازم در چگونگى بازیابى عناصر و کانیهاى مفید از باطله ها و یا کنترل تلفات آنها، افزایش بازیابى، تصحیح خط و کنترل کارآیى دستگاههاى فرآورى و بطور کلى طراحى و تغییر فلوشیت در مراحل مختلف کارخانه، مطالعات کانى شناسى و میکروسکوپى نمونه ها مى باشد]۶[. با نتایج حاصل از مطالعات کانی­شناسى و با در نظر داشتن اطلاعات مربوط به آن در طراحى فلوشیت پرعیار سازى، تجزیه و تحلیلهاى مورد نظر انجام پذیرفت. در انتها عملکرد نتایج کانى شناسى در مراحل مختلف پروسه پرعیار سازى تالک بصورت شکل-۷ نشان داده شده است.

شکل۹: زمینه های بررسی کانی شناسی در مراحل پرعیارسازى تالک سفید آقبلاق

۴- نتیجه گیرى

با بررسیهاى میکروسکوپى، آنالیز نمونه هاى مختلف، نمودارها و جدول ها نتایج ذیل بدسا آمده است:

۱- کانیهاى آهندار در محدوده ابعادى بزرگتر ازD۱ بمیزان کمى سریعتر از بقیه خرد مى شوند. بقیه کانیهاى مورد نظر در این نمونه از رفتار خردایشى مشابهى برخوردار هستند.

۲- کانیهاى حاوى CaO در حین استخراج نسبت به دیگر کانیها از درجه خرد شوندگى بالاترى در محدوده های ابعادی مختلف برخوردار میباشند.

۳- با افزایش نرخ خردایش، کانیهاى کربناته (دولومیت و کلسیت) در رده دوم سرعت خرد شوندگى بعد از کانیهاى آهندار وجود دارند. پس از ایندو، کوارتز و سپس کلریت و تالک مشاهده شده است.

۴- در مقاطع بار اولیه نمونهA-۱، درگیرى نزدیک تالک و کلریت مشاهده شده است. در بخشهاى درگیر کلریت بصورت پوششى، پراکنده و ساده درگیرى داشته است. در برخى بخشها درگیرى درهم و الیافى تالک سفید و کلریت نیز مشاهده شده است.و بخش اعظم آن بصورت درگیرى ساده بوده است.

۵- تالک سفید بعنوان مرغوبترین نوع خود دارای مصارف بیشتر و مهمتری می باشد. با بررسی مقدماتی کانی شناسی پیشنهد می شود که پروسه فرآورى تالک سفید آقبلاق قابل توجیه بوده و ادامه مراحل اکتشافى دقیق تر و معدنکاری فنی تر و تکمیل فرآیند پرعیارسازى آن انجام گردد.

۵- منابع و مراجع

۱) Jones.M.P, Applied mineralogy : a quantitative approach, Alden press , ۱۹۸۷

۲) Weixing.W,Validation of solid particle measurement parameters by image analysis

۳) N.L.Weiss, Mineral processing handbook. Vol II 

۴) حاجتی.ع  و همکاران، تعیین درجه آزادى کانى‌هاى اکسیده روى و آهن در معدن روى گوشفیل، کنفرانس مهندسى معدن ایران، ۱۳۸۳

۵) سام.ع ، حاجتی.ع ، کیایی.م، بررسى درجه آزادى کانى‌ها به‌ روش نمودار سه بعدى مطالعه موردى : کانسار اورانیم آنومالى ۵ ساغند ، ، همایش علوم زمین۱۳۸۲

۶) رضایی. ب، تکنولوژى فرآورى مواد معدنى (خردایش و طبقه بندى)، ۱۳۷۶

کلید واژه ها: کانیشناسی پرعیارسازی ثقلی مغناطیسی تالک کانه آرایی مرکزى