Flotasyonda Köpürtücüler
Giriş
Flotasyon, 1905 yılında patenti alınan, minerallerin hidrofilik ve hidrofobik özelliklerine dayalı olarak birbirinden ayrılmasını sağlayan madencilikte yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.
Bu yöntemde belirli bir oranda karıştırılan su ve minerallerden oluşan pülp fazının
bulunduğu sistem içerisine hava verilerek hava kabarcıkları oluşturulmaktadır. Katı fazı oluşturan mineraller yüzey özelliklerine göre hava kabarcıklarına yapışarak köpük fazına taşınır. Flotasyon sisteminin basitleştirilmiş şematik görünümü Şekil 1‘de gösterilmektedir.
Köpürtücüler ise flotasyonda stabil köpük üretmek ve kabarcık boyutunu azaltmak için kullanılmaktadırlar. Köpürtücüler, havanın ince kabarcıklar halinde dağılmasını kolaylaştırmaktadır (Gupta ve diğerleri, 2007).
Köpürtücülerin yapısı ve stabilitesi doğrudan köpük karakteristiğini ve yüzmesi istenmeyen minerallerin sürüklenmesi ile ilgili değişkenleri etkilediğinden, uygun köpürtücü seçimi flotasyon verimi için oldukça önemlidir.
Köpürtücünün tipi ve miktarı, partikül boyutu, proses suyunun kalitesi, gaz dağılımı ve partikül temas açısı köpük stabilitesini etkileyen parametrelerdir (Farrokhpay, 2011; Schwarz ve Grano, 2005). Köpürtücü reaktifler polar ve polar olmayan iki kısımdan
oluşan iyonik olmayan organik bileşiklerdir.
Köpürtücülerin hidrofilik/polar grupları su fazına; hidrofobik/ nonpolar grupları ise hava fazına yönlenir. Köpürtücülerin yapısı Şekil 2’de, kabarcık yüzeylerindeki köpürtücü moleküllerinin görünüşü Şekil 3’te verilmiştir.
Köpürtücü, su ve hava kabarcıklarının ara yüzeyinde yoğunlaşarak kabarcıkların etrafında çarpışmalarını önleyen bir zar oluşturur. Böylece, köpürtücü varlığında hava kabarcığı çevresinde oluşan kuvvetler, kabarcıkların çökmesini ve patlamasını engellemektedir.
Köpürtücüler suya eklendiğinde heteropolar yapısından dolayı çözeltinin yüzey geriliminin azaldığı bilinmektedir. Çözeltinin yüzey gerilimi düştükçe daha kararlı köpükler oluşur ve pülp fazında kabarcıkların birleşmesi engellenir.
Köpürtücülerin Sınıflandırılması
Literatürde, köpürtücüler için pülpteki özelliklerine ve davranışlarına göre birkaç farklı sınıflandırma yapılmıştır. Yaygın olarak kullanılan 4 tane sınıflandırma yöntemi ise;
1. pH hassasiyeti,
2. Çözünebilirlik,
3. Köpürtücü/toplayıcı yeteneği,
4. Seçicilik/köpürtücü gücü ilişkisidir.
Bunların arasından da yaygın olarak kullanılan köpürtücü sınıflandırması pH hassasiyetidir. Dudenkov ve Galikov (1969) köpürtücüleri davranışları ve farklı pH değerlerine göre sınıflandırmıştır. Bu sınıflandırma Tablo 1’de gösterilmektedir (Khoshdast ve Sam, 2011).
Asidik ve Bazik Köpürtücüler
Asidik köpürtücüler 1960‘lardan beri kullanılmakta olup asidik pH’larda iyi aktivite gösterirler. Çevresel faktörler nedeniyle kullanımları giderek azalmaktadır. Fenoller ve alkil sülfanotlar bu gruba girmektedir (Bulatovic, 2007).
Fenoller, kömür katranının gazlaştırılması ve/veya ham petrolün damıtılması sırasında yan ürün olarak elde edilmektedir. Bir köpürtücü olarak fenol kullanımı ile ilgili ana problem, köpürtücünün türetildiği kaynağa bağlı olarak bileşiminin değişiklik göstermesidir.
Alkil sülfonat, aromatik bir hidrokarbon ve alifatik radikalden oluşan yapıya sahip anyonik bir köpürtücüdür. Bu köpürtücüler, iyi köpürme özelliğine sahip olmalarına rağmen eser miktarda kükürt ihtiva etmesi nedeniyle kullanımları oldukça sınırlıdır.
Bazik köpürtücüler ise çoğunlukla baz metal cevherlerinin flotasyonunda kullanılmakta olup kömür katranının damıtılmasından yan ürünler olarak geri kazanılan piridin ve homologlarla temsil edilir (Bulatovic, 2007).
Nötr Köpürtücüler
Nötr köpürtücüler, hem asidik hem de bazik ortamda baz metal cevherlerinin, oksitli minerallerin ve endüstriyel minerallerin flotasyonunda yaygın olarak kullanılan en önemli köpürtücü grubudur.
Bu köpürtücü grubunda flotasyonda en çok tercih edilen köpürtücü grupları alifatik alkoller, halkalı alkoller ve poliglikol eterlerdir.
Alifatik Alkoller
Alifatik alkol tipi köpürtücüler 6-8 karbon atomu içeren alkollerin karışımlarıdır. Bu grupta en çok bilinen köpürtücü türü ise metil izobütil karbinol (MIBC) olup kimyasal yapısı Şekil 4’teki gibidir.
Organik bir kimyasal bileşik olan metil izobütil karbinol (MIBC), keskin bir alkol kokusuna sahip sıvı bir aseton türevidir. Suda sınırlı çözünürlüğe sahiptir, ancak çoğu organik çözücü ile çözünebilir (Phan ve diğ., 2012).
MIBC flotasyonda üstün performans gösteren bir köpürtücü türüdür, bu yüzden sıklıkla kullanılır. Kullanım alanındaki diğer pek çok köpürtücüye göre ucuzdur (Tan ve diğ., 2005).
Çok farklı cevher türleri ile etkin performans sağlayabilen bir köpürtücüdür. Alifatik alkol
çeşitleri arasında en etkilisidir. MIBC kullanıldığında oluşan köpükler genellikle büyük kabarcıklardır (Sam ve diğ., 2011).
Halkalı Alkoller
Kimyasal bakımdan, çam yağı esas olarak α-terpineol ve diğer halkalı terpen alkollerden oluşur. Terpen hidrokarbonlar, eterler ve esterler de içerebilir. Kesin bileşim, üretildiği
çam çeşidi ve kullanılan ağacın parçaları gibi çeşitli faktörlere bağlıdır.
Terpen hidrokarbonları, köpürtücü özellikleri olmadığı halde, meydana gelen köpüğün kalitesini düzeltir.
Çam yağı birbirine sık olarak bağlanmış küçük kabarcıklı, makinadan çıkartıldığında kolayca patlayan köpük meydana getirir. Bu köpük yapısı mineral parçalarının kolayca çökmesini engellemektedir.
Bu sebeple diğer köpürtücülerle elde edildiği kadar, yüksek içerikli konsantre çamyağı ile elde edilemez, fakat metal randımanı çok yüksek olur. Ayrıca çamyağının fazla miktarda kullanılması köpük hacmini azaltır (Atak, 2017).
Flotasyonun ilk günlerinde okaliptüs yağı popüler bir köpürtücüydü ancak daha sonra batıda daha fazla kullanılabilir olduğundan çam yağı popüler olarak doğal yağ köpürtücü olarak kullanılmıştır.
ABD, Çin ve Finlandiya gibi çam yetiştiren ülkelerde farklı derecelerde çamyağı elde edildiği için flotasyonda bir çok zorlukla karşılaşılmıştır. Bu sebeple MIBC’nin yanında daha az popüler hale gelmiştir. (Crozier, 1992).
Poliglikol Eterler
Bu tip köpürtücüler, metoksi polipropilen glikol veya polipropilen glikol metil eterlerdir. Poliglikol eter tipi köpürtücüler, Dowfroth adı ile Dow Kimyasal Şirketi ve Aerofroth adı ile Solvay gibi farklı üreticiler tarafından üretilmektedirler.
Metalik cevherlerin flotasyonunda köpürtücü kullanımının %90’ını MIBC ve poliglikol eterler
oluşturmaktadır. Dowfroth 250 en çok kullanılan ve tercih edilen Dowfroth tipi köpürtücülerden olup kimyasal yapısı Şekil 5’te gösterilmiştir (Croizer, 1992).
Molekül ağırlığı ve poliglikol eter karbon uzunluğu güç ve performansını etkiler. Daha yüksek molekül ağırlıklarında daha dayanıklı köpükler oluştuğu görülürken daha düşük molekül ağırlıklarında daha az seçici olduğu gözlemlenmiştir.
Flotasyonda nötr köpürtücü grubunda en çok kullanılan köpürtücüler olan MIBC, çam yağı ve Dowfroth 250’nin fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 2’de verilmiştir.
Kaynaklar
• Atak, S. 2017. Flotasyon Cevher Hazırlamada 100 Yıl. İstanbul: İTÜ Vakfı Yayınları.
• Bulatovic, S. M., 2007. Handbook of Flotation Reagents (Chemistry, Theory and Practice: Flotation of Sulfide Ores), vol.1. Amsterdam: Elsevier Science & Technology Books.
• Crozier, R.D., 1992. Chemical Properties of Frothers: Flotation—Theory, Reagent and Ore Testing; Pergamon: New York, NY, USA.
• Dudenkov, S.V., A.A. Galikov, 1969.Theory and Practice of Application of Flotation Reagents. Nedra: Russia.
• Farrokhpay, S., 2011. The significance of froth stability in mineral flotation — A review. Advances in Colloid and Interface Science, 166, 1-7.
• Gupta, A. K., Banerjee, P. K., Mishra, A., Satish, P., Pradip, 2007. Effect of alcohol and polyglycol ether frothers on foam stability, bubble size and coal flotation. International Journal of Mineral Processing, 82, 126-137.
• Phan, C., M., Nakahara H., Shibata, O., Moroi, Y., Le, T., N., and Ang, H., M., 2012. Surface Potential of Methyl Isobutyl Carbinol Adsorption Layer at the Air/Water Interface. The Journal of Physical Chemistry B, 980-986.
• Sam, A., Khoshdast, H., 2011. Flotation Frothers: Review of Their Classifications, Properties and Preparation. The open mineral processing journal, 4, 25-44.
• Schwarz, S., Grano, S., 2005. Effect of particle hydrophobicity on particle and water transport across a flotation froth. Colloids and Surfaces A, 256, 157-164.
• Tan, S. N., Pugh, R. J., Fornasiero, D., Sedev, R., Ralston, J., 2005. Foaming of polypropylene glycols and glycol/ MIBC mixtures. Mineral Engineering, 18(2), 179-188.
Dr. Ş. Beste Aydın
Cevher Hazırlama Mühendisliği Bölümü
İstanbul Teknik Üniversitesi
Prof. Dr. Gülay Bulut
Cevher Hazırlama Mühendisliği Bölümü
İstanbul Teknik Üniversitesi
