دانلود پایان نامه با عنوان بررسی روش میکروامولسیون در فرایند استخراج با حلال؛ مطالعه­ی موردی: بازیابی گالیم از محلول آلومینات سدیم

بررسی روش میکروامولسیون در فرایند استخراج با حلال؛ مطالعه­ی موردی: بازیابی گالیم از محلول آلومینات سدیم

دانشگاه یزد

دانشکده­ی معدن و متالورژی

گروه استخراج معدن

پایان نامه

جهت دریافت درجه­ی کارشناسی ارشد

فراوری مواد معدنی

بررسی روش میکروامولسیون در فرایند استخراج با حلال؛ مطالعه­ی موردی: بازیابی گالیم از محلول آلومینات سدیم

 

چکیده

میکروامولسیون به صورت سیستمی شامل پراکندگی میکروقطرات دو مایع غیر قابل انحلال که توسط یک غشای سطحی شامل سطح ساز و کمک سطح ساز، پایدار شده­اند تعریف می­شود. میکروامولسیون­ها از لحاظ ترمودینامیکی پایدار، همگن و از نظر نوری ایزوتروپیک هستند. در این تحقیق از میکروامولسیون­ها برای استخراج گالیم از محلول بایر استفاده شد. به منظور بررسی تاثیر نوع کمک سطح ساز و نسبت کمک سطح ساز به سطح ساز بر روی استخراج گالیم و آلومینیوم از کمک سطح سازهای مختلف و نسبت کمک سطح ساز به سطح ساز متفاوت استفاده شد. در این راستا از کمک سطح سازهای بوتانول و دکانول برای ایجاد محیط میکروامولسیون استفاده شد. نتایج نشان داد که با استفاده از سیستم حاوی بوتانول و نسبت C/S برابر ۲، ۱۰۰ درصد گالیم در مدت زمان ۱۵ دقیقه استخراج می­شود. همچنین برای آلومینیوم نیز ۵۴/۹۶ درصد استخراج صورت می­گیرد. همچنین با استفاده از دکانول و نسبت C/S برابر ۲، ۱۰۰ درصد گالیم به همراه ۵۸/۶۶ درصد آلومینیوم استخراج می­شوند. با توجه به نتایج بدست آمده بهترین سیستم برای استخراج گالیم و جدایش مناسب آن از آلومینیوم سیستمی شامل دکانول و نسبت C/S برابر ۲ است که ترکیب سیستم شامل ۴۵٪ فاز C/S، ۱۰٪ فاز آلی و ۴۵٪ فاز آبی است که استخراج گالیم و آلومینیوم به ترتیب برابر ۲۰/۹۶٪ و ۲۱/۲۹ می­باشد. مطالعه­ی فرایند اسکراب و استریپ با اسید کلریدریک نشان داد که در مرحله­ی اسکراب و با استفاده از اسید کلریدریک ۶ مولار ۳۶/۰ درصد گالیم و ۶۵/۹ درصد آلومینیوم استخراج می­شوند. در مرحله­ی استریپ نیز با استفاده از اسید کلریدریک ۵/۱ مولار ۵۰/۹۱ درصد گالیم به همراه ۰۸/۰ درصد آلومینیوم استخراج می­شوند.

کلمات کلیدی: میکروامولسیون، گالیم، جاجرم، سطح ساز

 

فهرست مطالب

 

پیشگفتار. ۱

 

فصل اول: گالیم

۱-۱- مقدمه. ۴

۱-۲- خواص فیزیکی و شیمیایی. ۴

۱-۳- منابع گالیم. ۶

۱-۴- اقتصاد گالیم. ۸

۱-۵- روش­های تولید گالیم.. ۱۱

۱-۵-۱- استخراج گالیم از فرایند بایر. ۱۱

۱-۵-۱-۱- ترسیب جزء به جزء. ۱۲

۱-۵-۱-۲- روش الکترولیز. ۱۴

۱-۵-۱-۳- فرایند سمنتاسیون. ۱۶

۱-۵-۱-۴- فرایندهای استخراج با حلال. ۱۷

 

فصل دوم: مبانی استخراج با حلال گالیم

۲-۱- مقدمه. ۲۰

۲-۲- فرآیند استخراج. ۲۰

۲-۳- فرآیند استریپ. ۲۲

۲-۴- استخراج با حلال گالیم. ۲۵

۲-۴-۱- سیستم هیدروکسید. ۲۶

۲-۴-۱-۱- مشتقات هیدروکسی کوینولین. ۲۶

۲-۴-۱-۱-۱-  تاثیر سطح سازها. ۳۰

۲-۴-۲- سیستم­های کلریدی.. ۳۴

۲-۴-۲-۱- اترها. ۳۴

۲-۴-۲-۲- ترکیبات ارگانوفسفر (تری بوتیل فسفات (TBP)، تری اکتیل فسفین اکسید (TOPO)).. 35

۲-۴-۲-۳- دی دو اتیل فسفریک اسید، ۲ اتیل هگزیل، ۲ اتیل هگزیل فسفریک اسید. ۳۷

۲-۴-۲-۴- اکتیل فنیل اسید فسفات (OPAP).. 38

۲-۴-۲-۵- الکیل آمین­ها و نمک­های آمونیوم.. ۳۹

۲-۴-۲-۶- اسیدهای کربوکسیلیک. ۴۱

 

فصل سوم: مبانی میکروامولسیون

۳-۱- مقدمه. ۴۴

۳-۲- تشکیل میکروامولسیون­ها.. ۴۷

۳-۳- میسل و میسل معکوس. ۴۷

۳-۴- غلظت میسلی بحرانی. ۴۹

۳-۵- تقسیم بندی وینسور. ۵۰

۳-۶- تعادل هیدروفیلیک-لیپوفیلیک. ۵۳

۳-۷- دمای وارونگی فاز. ۵۵

۳-۸- رفتار فازی. ۵۶

۳-۹- سطح سازها و کمک سطح سازها. ۵۷

۳-۱۰- میکروامولسیون­های آب در روغن (W/O).. 58

۳-۱۱- میکروامولسیون­های روغن در آب (O/W).. 59

۳-۱۲- میکروامولسیون­های دو پیوسته.. ۶۰

۳-۱۳- مکانیسم استخراج با میکروامولسیون­ها.. ۶۱

۳-۱۳-۱- استخراج میکروامولسیون با واکنش شیمیایی: استخراج یون فلزی  ۶۲

۳-۱۴- سینتیک استخراج با سیستم میسلی. ۶۵

۳-۱۵- استفاده از میکروامولسیون­ها در بازیابی فلزات.. ۶۶

۳-۱۵-۱- استخراج گالیم توسط میکروامولسیون. ۷۱

 

فصل چهارم: کارخانه­ی آلومینا جاجرم

۴-۱- مقدمه. ۷۶

۴-۲- شرح فرآیند. ۷۷

 

فصل پنجم: مواد، تجهیزات و روش­ها

۵-۱- مقدمه. ۸۶

۵-۲- محلول آلومینات سدیم. ۸۶

۵-۳- مواد شیمیایی. ۸۶

۵-۴- تجهیزات. ۸۷

۵-۵- روش انجام آزمایش­ها.. ۸۸

۵-۵-۱- رسم دیاگرام سه فازی. ۸۸

۵-۵-۲- استخراج حلالی گالیم. ۸۹

۵-۵-۳- روش آنالیز. ۸۹

۵-۶- روش محاسبات. ۹۰

 

فصل ششم: نتایج و بحث

۶-۱- مشخصات محلول آلومینا. ۹۴

۶-۲- رسم دیاگرام سه فازی. ۹۴

۶-۳- آزمایش­های اولیه­ی استخراج.. ۱۰۰

۶-۴- آزمایش­های استخراج با بوتانل.. ۱۰۵

۶-۴-۱- بوتانول با نسبت ۲=  C/S. 105

۶-۴-۱-۱- تاثیر درصد وزنی C/S بر روی استخراج.. ۱۰۷

۶-۴-۱-۲- تاثیر درصد وزنی OF بر روی استخراج.. ۱۰۸

۶-۴-۱-۳- مدل سازی استخراج گالیم و آلومینیوم با کمک سطح ساز بوتانل در ۲ = C/S. 110

۶-۴-۱-۴- رسم منحنی­های هم تراز برای استخراج گالیم و آلومینیم  ۱۱۱

۶-۴-۱-۵- بررسی فاکتور جدایش گالیم و آلومینیوم. ۱۱۳

۶-۴-۲- بوتانول با نسبت ۴ = C/S. 115

۶-۴-۲-۱- تاثیر درصد وزنی C/S بر روی استخراج.. ۱۱۷

۶-۴-۲-۲- تاثیر درصد وزنی OF بر روی استخراج.. ۱۱۸

۶-۴-۲-۳- مدل سازی استخراج گالیم و آلومینیوم با کمک سطح ساز بوتانل در ۴ = C/S. 120

۶-۴-۲-۴- رسم منحنی­های هم تراز برای گالیم و آلومینیم.. ۱۲۱

۶-۴-۲-۵- بررسی فاکتور جدایش گالیم و آلومینیوم. ۱۲۲

۶-۵- آزمایش­های استخراج با دکانول، نسبت ۲ = C/S. 124

۶-۵-۱- تاثیر درصد وزنی C/S بر روی استخراج.. ۱۲۶

۶-۵-۲- تاثیر درصد وزنی OF بر روی استخراج.. ۱۲۷

۶-۵-۳- مدل سازی استخراج گالیم و آلومینیوم با کمک سطح ساز دکانول در ۲ = C/S. 128

۶-۵-۴- رسم منحنی­های هم تراز برای گالیم و آلومینیوم.. ۱۲۹

۶-۵-۵- بررسی فاکتور جدایش گالیم و آلومینیوم. ۱۳۱

۶-۶- بررسی رگرسیون و پارامترهای مرتبط. ۱۳۴

۶-۶-۱- بررسی ضرایب مدل­های بدست آمده توسط رگرسیون.. ۱۳۵

۶-۷- فرایند اسکراب و استریپ. ۱۳۵

۶-۸- مقایسه­ی نتایج حاصل از سیستم میکروامولسیون با استخراج حلالی مرسوم   ۱۳۶

فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهادات

۷-۱- نتیجه گیری. ۱۴۲

۷-۲- پیشنهادات. ۱۴۳

 

مراجع. ۱۴۵

 

 

 

فهرست جدول­ها

 

جدول ۱-۱: کشورها و شرکت­های تولید کننده­ی گالیم.. ۱۰

جدول ۳-۱: طبقه بندی کاربرد سطح ساز توسط استفاده از عدد HLB سطح ساز   ۵۴

جدول ۳-۲: عدد HLB برای گروه­های شیمیایی مختلف.. ۵۵

جدول ۳-۳: مطالعات انجام شده بر روی استخراج فلزات توسط سیستم میکروامولسیون  ۷۳

جدول ۵-۱: مشخصات مواد شیمیایی استفاده شده در تحقیق. ۸۷

جدول ۵-۲: مشخصات تجهیزات مورد استفاده در تحقیق. ۸۷

جدول ۶-۱: آنالیز شیمیایی محلول آلومینات سدیم جاجرم. ۹۴

جدول ۶-۲: مشخصات نقاط آزمایش شده برای رسم دیاگرام سه فازی با بوتانل و نسبت ۲ = C/S. 95

جدول ۶-۳: مشخصات نقاط آزمایش شده برای رسم دیاگرام سه فازی با دکانول و نسبت ۴ = C/S. 96

جدول ۶-۴: مشخصات نقاط آزمایش شده برای رسم دیاگرام سه فازی با دکانول و نسبت ۲ = C/S. 96

جدول ۶-۵: ترکیب نقاط انتخاب شده روی دیاگرام سه فازی. ۱۰۱

جدول ۶-۶: ترکیب نقاط انتخاب شده و درصد استخراج گالیم و آلومینیوم  ۱۰۶

جدول ۶-۷: آزمون انحراف مدل رگرسیونی برای استخراج گالیم و آلومینیوم  ۱۱۱

جدول ۶-۸: داده­های فاکتور جدایش برای سیستم حاوی بوتانول، با نسبت ۲ = C/S  ۱۱۴

جدول ۶-۹: ترکیب نقاط انتخاب شده و درصد استخراج گالیم و آلومینیوم  ۱۱۶

جدول ۶-۱۰: آزمون انحراف مدل رگرسیونی برای درصد استخراج گالیم و آلومینیوم  ۱۲۰

جدول ۶-۱۱: داده­های فاکتور جدایش برای سیستم حاوی بوتانول، با نسبت ۲ = C/S  ۱۲۳

جدول ۶-۱۲: ترکیب نقاط انتخاب شده و درصد استخراج گالیم و آلومینیوم  ۱۲۴

جدول ۶-۱۳: آزمون انحراف مدل رگرسیونی برای درصد استخراج گالیم و آلومینیوم  ۱۲۹

جدول ۶-۱۴: داده­های فاکتور جدایش برای سیستم حاوی دکانول، با نسبت ۲ = C/S  ۱۳۲

جدول ۶-۱۵: مقادیر ضریب همبستگی برای روش­های مختلف رگرسیون.. ۱۳۵

جدول ۶-۱۶: ضرایب مدل­های بدست آمده برای گالیم.. ۱۳۵

جدول ۶-۱۷: غلظت گالیم و آلومینیوم در فاز آبی و آلی قبل و بعد از استخراج  ۱۳۸

جدول ۶-۱۸: غلظت گالیم و آلومینیوم در فاز آبی و آلی قبل و بعد از اسکراب  ۱۳۸

جدول ۶-۱۹: غلظت گالیم و آلومینیوم در فاز آبی و آلی قبل و بعد از استریپ  ۱۳۸

 

 

فهرست شکل­ها

 

شکل ۱-۱: فرآیند ترسیب بیجا برای بازیابی گالیم از محلول حاصل از فرآیند بایر  ۱۴

شکل۱-۲: فرآیند الکترولیز برای بازیابی گالیم از مایعات فرآیند بایر  ۱۶

شکل ۲-۱: طرح شماتیک از آزمایش استخراج با حلال. ۲۱

شکل ۲-۲: دیاگرام مک کیب – تیل.. ۲۳

شکل ۲-۳: فرمول عمومی هیدروکسی کوینولین جانشین شده. ۲۶

شکل ۲-۴: ساختار اجزاء اصلی تشکیل دهنده­ی ۱۰۰ kelex .. 27

شکل ۲-۵: ساختمان مونو و دی- اکتیل فنیل فسفریک اسید. ۳۹

شکل ۳-۱: دیاگرام سه فازی شماتیک از سیستم میکروامولسیون روغن-آب-سطح ساز  ۴۹

شکل ۳-۲: انواع میکروامولسیون­های وینسور.. ۵۰

شکل ۳-۳: طبقه بندی وینسور و توالی فاز میکروامولسیون­ها بر اساس دما یا درجه­ی شوری به ترتیب برای سطح سازهای غیر یونی و یونی. ۵۱

شکل ۳-۴: دیاگرام سه فازی انواع مختلف سیستم­های میکروامولسیون که توسط وینسور طبقه بندی شده­اند.. ۵۲

شکل ۳-۵: دیاگرام سه فازی که ناحیه­ی میکروامولسیون روغن در آب، L1 و ناحیه­ی میکروامولسیون آب در روغن، L2 را نشان می­دهد.. ۵۷

شکل ۳-۶: میکروامولسیون آب در روغن. ۵۹

شکل ۳-۷: میکروامولسیون روغن در آب. ۶۰

شکل ۳-۸: موقعیت­های ممکن قابلیت حل شدن در یک میسل.. ۶۲

شکل ۳-۹: دیاگرام سه فازی استخراج تنگستن و نقاط انتخاب شده بر روی آن  ۶۷

شکل ۳-۱۰: منحنی هم تراز استخراج تنگستن. ۶۸

شکل ۳-۱۱: منحنی هم تراز استریپینگ تنگستن. ۶۸

شکل ۴-۱: نمایی از واحد دریافت و خردایش سنگ بوکسیت. ۷۷

شکل ۴-۲: واحد انحلال لوله­ای.. ۷۸

شکل ۴-۳: واحد تجزیه­ی محلول و ترسیب.. ۷۹

شکل ۴-۴: واحد تکلیس هیدرات و تولید آلومینا. ۸۰

شکل ۴-۵: واحد ته نشینی گل قرمز. ۸۱

شکل ۴-۶: واحد تبخیر و تغلیظ و بازیابی سود سوز آور. ۸۲

شکل ۴-۷: فرایند تولید آلومینا از بوکسیت. ۸۳

شکل ۵-۱: محیط نرم افزار Origin Pro 8.6. 91

شکل ۵-۲: محیط نرم افزار IBM SPSS Statistice 22. 91

شکل ۶-۱: دیاگرام سه فازی مربوط به کمک سطح سازهای بوتانل و دکانول  ۹۷

شکل ۶-۲: دیاگرام سه فازی برای سیستم شامل آب/کروزین/SCO+الکل   ۹۸

شکل ۶-۳: تاثیر نسبت C/S بر روی منطقه­ی میکروامولسیون برای سیستم شامل آب/کروزین/SCO+بوتانول.. ۹۹

شکل ۶-۴: دیاگرام سه فازی؛ سیستم I: شامل SCO/بوتانول/کروزین/محلول بایر؛ سیستم II: شامل Kelex-100/بوتانول/کروزین/محلول بایر.. ۱۰۰

شکل ۶-۵: نقاط انتخاب شده روی دیاگرام سه فازی برای آزمایش­های اولیه   ۱۰۲

شکل ۶-۶: تغییرات استخراج نسبت به زمان برای نقطه­ی A از شکل ۶-۵   ۱۰۳

شکل ۶-۷: تغییرات استخراج نسبت به زمان برای نقطه­ی F از شکل ۶-۵   ۱۰۳

شکل ۶-۸: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم بر حسب نوع کمک سطح ساز  ۱۰۴

شکل ۶-۹: مولکول بوتانول. ۱۰۵

شکل ۶-۱۰: مشخصات نقاط انتخاب شده بر روی دیاگرام سه فازی بوتانول با نسبت ۲ = C/S برای استخراج گالیم.. ۱۰۶

شکل ۶-۱۱: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم به صورت تابعی از درصد وزنی C/S در درصد وزنی فاز آبی ثابت. ۱۰۷

شکل ۶-۱۲: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به تغییرات درصد وزنی C/S، OF = 10%.. 108

شکل ۶-۱۳: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم به صورت تابعی از درصد وزنی OF، AF = 20%.. 109

شکل ۶-۱۴: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم به صورت تابعی از درصد وزنی OF، C/S = 20%.. 109

شکل ۶-۱۵: منحنی هم تراز استخراج گالیم برای سیستم حاوی بوتانول با نسبت ۲ = C/S. 112

شکل ۶-۱۶: منحنی هم تراز استخراج آلومینیوم برای سیستم حاوی بوتانول با نسبت ۲ = C/S. 112

شکل ۶-۱۷: منحنی هم تراز فاکتور جدایش گالیم و آلومینیوم برای سیستم حاوی بوتانول با نسبت ۲ = C/S. 115

شکل ۶-۱۸: مشخصات نقاط انتخاب شده بر روی دیاگرام سه فازی بوتانول با نسبت ۴ = C/S برای استخراج گالیم.. ۱۱۶

شکل ۶-۱۹: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به تغییرات درصد وزنی C/S، AF = 20%.. 117

شکل ۶-۲۰: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به تغییرات درصد وزنی C/S، OF = 10%.. 118

شکل ۶-۲۱: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به تغییرات درصد وزنی OF، AF = 20%.. 119

شکل ۶-۲۲: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به تغییرات درصد وزنی OF، C/S = 20%.. 119

شکل ۶-۲۳: منحنی هم تراز استخراج گالیم برای سیستم حاوی بوتانول با نسبت ۴ = C/S. 121

شکل ۶-۲۴: منحنی هم تراز استخراج آلومینیوم برای سیستم حاوی بوتانول با نسبت ۴ = C/S. 122

شکل ۶-۲۵: منحنی هم تراز فاکتور جدایش گالیم و آلومینیوم برای سیستم حاوی بوتانول با نسبت ۴ = C/S. 123

شکل ۶-۲۶: مولکول دکانول. ۱۲۵

شکل ۶-۲۷: مشخصات نقاط انتخاب شده بر روی دیاگرام سه فازی دکانول با نسبت ۲ = C/S. 125

شکل ۶-۲۸: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به درصد وزنی C/S، AF = 20%   ۱۲۶

شکل ۶-۲۹: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به درصد وزنی C/S، OF = 10%   ۱۲۷

شکل ۶-۳۰: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به درصد وزنی OF، AF = 20%   ۱۲۸

شکل ۶-۳۱: تغییرات استخراج گالیم و آلومینیوم نسبت به درصد وزنی OF، C/S = 20%   ۱۲۸

شکل ۶-۳۲: منحنی هم تراز استخراج گالیم برای سیستم حاوی دکانول با نسبت ۲ = C/S. 130

شکل ۶-۳۳: منحنی هم تراز استخراج آلومینیوم برای سیستم حاوی دکانول با نسبت ۲ = C/S. 131

شکل ۶-۳۴: منحنی هم تراز فاکتور جدایش گالیم و آلومینیوم برای سیستم حاوی دکانول با نسبت ۲ = C/S. 132