Characterization and beneficiation of Malatya / Kuluncak rare earth elements ore
Malatya/Kuluncak nadir toprak elementi cevherinin karakterizasyonu ve zenginleştirilmesi
- Tez No: 824875
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FIRAT BURAT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Cevher Hazırlama Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 184
Özet
Teknolojik gelişmenin bir sonucu olarak, Nadir Toprak Elementleri (NTE) minerallerinin zenginleştirilmesi daha fazla önem kazanmaktadır. Günümüzde NTE, eşsiz kimyasal, manyetik özellikleri ve çeşitli renkleri sebebiyle, manyetik, fosfor, metal alaşım, katalizör, seramik, cam, parlatma ve savunma sistemleri endüstrilerinin ayrılmaz bir parçasıdır. Günümüzde Çin, dünya NTE oksit üretiminin %95'ten fazlasına denk gelen bir üretimle dünyadaki en büyük NTE tedarikçisi olup, bilinen rezervlerin ise %43'ünü elinde bulundurmaktadır. Avustralya, Kanada, Rusya, Brezilya, Grönland ve A.B.D ise sırasıyla %10, %8, %10, %8, %6 ve %3'lük paylarla rezerv bakımından Çin'i takip etmektedir. Diğer taraftan, 1990'lardan bu yana Çin'in NTE pazarındaki hakimiyeti artmaktadır. Bu nedenle 2010 yılında Çin tarafından bazı değerli mineraller için (NTE mineralleri dahil) Japonya'ya karşı uygulamaya konulan ihracat kısıtlaması bir kırılma noktası olmuştur. Bu karar küresel NTE pazarında arz güvenliği endişelerinin gündeme gelmesine sebep olmuştur. Çin'in bu hakimiyetini kırmak amacıyla, NTE kaynaklarını çeşitlendirmek ve arz güvenliği sağlamak için arama projeleri hız kazanmıştır. NTE üretimi için, arama ve zenginleştirme çalışmalarına katkı veren ülkelerden biri de Türkiye'dir. NATEN' ve MTA'nın araştırmaları ve çalışmaları ile birlikte Türkiye bu değerli ve stratejik olarak önemli elementlerin ortaya çıkarılmasına katkı vermektedir. Diğer taraftan, Eskişehir/Beylikova NTE yatağı da zenginleştrime olanakları açısından çalışılmış ve bu önemli NTE yatağını zenginleştirmek için bir pilot tesis kurulmuştur. Malatya/Kuluncak yatağı ise bir diğer önemli NTE ve diğer nadir metal mineralleri yatağıdır. Sahai le ilgili zenginleştirme çalışmaları NATEN tarafından organize ve koordine edilmektedir. Bu çalışmaların bir parçası olarak İstanbul Teknik Üniversitesi Cevher Hazırlama Mühendisliği bölümü, Malatya/Kuluncak NTE sahasından alınan numuneler ile fiziksel ve fiziko-kimyasal zenginleştirme çalışmalarını gerçekleştirmektedir. Bu tez kapsamında proje alanından alınan numunelerin kimyasal analizleri ile MLA ve XRD analizleri sırasıyla ESAN, MTA ve İstanbul Teknik Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü tarafından yapılmıştır. Kimyasal analiz ile 0.33% (3,268 ppm) NTE oksit tenörü tespit edilmiş olup, XRD çalışmasında ise numune kompozisyonundaki dominant silikatlı yapı ortaya konmuştur. MLA sonuçları ise XRD sonuçlarını doğrulamış olup, cevher numunesi kompozisyonunun %70'inden fazlasını silikatlı gang minerallerinin oluşturduğu tespit edilmiştir. MLA sonuçlarına göre NTE içeren cevher mineralleri -38+32 µm fraksiyonunda dahi yeterli serbestleşme göstermemiştir. Bu nedenle, cevher minerallerinin, ultrafine fraksiyon olarak isimlendirilen, -20 µm farksiyonunda sebestleştiği sonucuna varılmıştır. Sarsıntılı masa, besleme malzemesinin oluklu tabla üzerinde akış sırasında çarpma etkisine maruz kaldığı ve ağır parçacıkların olukların arkasında biriktiği, hafif parçacıkların ise olukların üzerinden geçtiği bir gravite ayırıcısıdır. Böyle bir işlem için -1.65+0.074 mm parçacık boyutu fraksiyonu uygun olsa da daha ince boyutlara da inilebilir. Gravite yöntemleri literatürdeki birçok çalışmada yer almış olup, örneğin Jordens ve ark. (2016), Jordens ve diğerleri. (2014) ve Norgren vd. (2021), çoğunlukla manyetik ayırma ile ile birlikte çalışılmıştır. Bu nedenle bu tez kapsamında Malatya / Kuluncak NTE numuneleri üzerinde sarsıntılı masa deneyleri yapılmıştır. Manyetik ayırıcılar, minerallerin manyetik özelliklerindeki ve atom çekirdeği yörüngesi ve kendi etrafında dönerek manyetik alana sebep olan elektronların manyetik özelliklerindeki farklılıklara dayanarak çalışır. Çoğu durumda, elektronlar elektron çiftleri olarak bulunur ve her elektron çift olarak diğerinin zıt yönünde döner. Bu nedenle, bir çiftteki iki elektronun manyetik alanları birbirini nötralize eder ve birbirlerinin manyetik özelliklerini engeller. Eşlenmemiş elektron içeren elementlerin yapılarında ise eşlenmemiş elektronun yarattığı manyetik alanı engelleyecek diğer bir elektron bulunmadığından ayırma için manyetik özelliklere sahiptirler. Sc, Y, La ve Lu, Sc'nin 3d orbitalinde, Y'nin 4d orbitalinde ve La ve Lu'nun 4f orbitalinde eşlenmemiş elektron bulunduğundan bu elementler diyamanyetiktir. Diğer NTE'lerin tümü paramanyetiktir ve Gd, Tb, Dy ve Tm ferromanyetizma özelliği gösterir. NTE'lerin bu manyetik özellikleri nedeniyle, tez kapsamında manyetik ayırma deneyleri yapılmıştır.. NTE minerallerinin manyetik olarak ayrılmasına örnek olarak, Jordens ve ark. (2016)., Nguyen ve diğerleri. (2021), Faris ve diğerleri. (2019) ve diğer araştırmacılar da yerçekimi ayırma yöntemlerinin kombinasyonlarıyla deneyler gerçekleştirmiştir. Elektrostatik ayırma, elektrik yüklü parçacıklar ile elektrik alan arasındaki etkileşime dayalı bir yöntemdir. İletkenliklerine, yüzey alanlarına ve maksimum yük yoğunluklarına bağlı olarak elektrik alan uygulanan parçacıkların üzerinde bir yük birikir ve daha sonra bu parçacıklar çekilir veya itilir. NTE'ler, La dışında zayıf iletkenlerdir. MGS'nin ana mekanizması, temizleyici halka yoluyla MGS'ye beslenen cevher numunesinin santrifüj kuvvetine maruz kalması ve bunun bir sonucu olarak, sarsılmanın kesme etkisi ile birlikte, ağır parçacıkların tambur içindeki film boyunca sıyırıcı ile konsantre çıkışına doğru hareket etmesidir. Hafif parçacıklar ise uzaklaştırılmak üzere yıkama suyu boyunca tamburun arkasına doğru hareket eder. Sarsıntı etkisi, bu sistemlerde ünite tamburundaki tabakalaşmaları belirli bir seviyede bozarak hafif parçacıkların ağır parçacıklar tarafından hapsedilmesini engeller. Çok ince boyutlarda serbestleşen cevherlerin konvansiyonel gravite yöntemleriyle verimli olarak zenginleşmemesi, daha verimli bir ayırmaya yol açan ve çok ince boyutlarda çalışmaya elverişli olan santrifüjlü konsantratörlerin tasarımını gerektirmiştir. Bunlardan biri de Knelson konsentratörüdür. Knelson konsantratörü santrifüj ve akışkan yatak ayırma prensibine göre çalışır ve ana kısmı dönen şaftlı dikey konik bir hazne olup, besleme malzemesi merkezkaç kuvveti altında koninin duvarına doğru hareket eder, su ise hazne içerisinde ters yönde beslenir. Böylece konsantre yatağı oluşturulur ve son olarak ağır parçacıklar, üniteden uzaklaştırılırken, ağır parçacıklar konsantre olarak hazne üzerindeki oluklara yerleşir. Tez kapsamında çalışılan cevher 30 mikrondan daha ince boyutlara serbestleşme gösterdiği için çalışma kapsamında Knelson deneyleri de yapılmıştır. NTE'lerin zenginleştirilmesi açısından, bu metodlar flotasyon öncesi verimli bir ön konsantre üretimi için uygulana yöntemlerdir. MLA çalışmalarının henüz tamamlanmadığı ve devam ettiği süreçte cevher minerallerinin -1+0.3 mm ve -0.3+0.074 mm boyutlarındaki serbestleşme eğilimlerini ve zenginleşme davranışlarını gözlemlemek için manyetik ayırma, sarsıntılı masa ve elektrostatik ayırma deneyleri yapılmıştır. Sarsıntılı masa deneyleri sonucunda 3,626 ppm NTE oksit olan başlangıç tenörü her iki fraksiyondaki ağır üründe sırasıyla 6,437 ppm ve 8,323 ppm'e yükseltilmiştir. Manyetik ayırma deneyleri sonucunda ise 3,409 ppm NTE oksit besleme tenörü sırasıyla her iki fraksiyonun manyetik ürününde 4,963 ppm ve 5,699 ppm'e yükseltilmiştir. Bu aşamada her iki fraksiyondaki manyetik ürünlerin toplam kazanım değerleri sarsıntılı masada elde edilen kazanım değerlerinden yüksektir. Her iki yöntemdeki zenginleşmenin sınırlı olmasının nedeni olarak cevher minerallerinin yeterli düzeyde serbestleşmemiş olması gösterilebilir. Serbestleşme yeterli düzeyde olmamasına rağmen sonuçlar cevherin zenginleşme davranışları ile ilgili ipuçları vermektedir. Elektrostatik ayırma istenilen düzeylerde anlamlı sonuçlar vermemiş olup, bu durum literature göre olağandır. MLA verilerinin ve raporlarının tamamlanmasını takiben numune kompozisyonu içerisindeki cevher minerallerinin serbestleşme karakteristikleri hakkında daha kapsamlı bir değerlendirme yapılabilmiştir. MLA sonuçları daha ince serbestleşme boyutlarını işaret ettiğinden, fiziksel zenginleştirme çalışmalarının son aşaması olarak, -74 µm boyut fraksiyonunda MGS ve Knelson konsantretörü deneyleri gerçekleştirilmiştir (d80: 46 µm). Tüvenan numune ile MGS çalışmaları sınırlı bir tenör artışı sağlamış olup, besleme tenörü olan 3,480 ppm NTE oksit, ara üründe maksimum 3,987 ppm'e yükseltilebilmiştir. En yüksek kazanım yüzdesi %61.5 ile ağır üründe elde edilmiş olup, bu ürünün tenörü ara ürün tenöründen düşük kalmıştır. Sarsıntılı masa şlamı ile yapılan MGS deneyleri sonucunda ise NTE oksit tenörü 2,678 ppm'den 4,022 ppm'e yükseltilmiştir. Knelson deneyleri ise sınırlı miktarda numune ile gerçekleştirilebilmiştir. Sonuçlara göre 3,423 ppm olan besleme NTE oksit tenörü 5,983 ppm'e yükseltilmiştir. Knelson konsantretörü daha yüksek miktarda numuneler ile çalışıldığında daha verimli olduğundan, deneylerden alınan konsantre ağırlığı sınırlı kalmış olup, bu sebeple kazanım değerleri düşük çıkmıştır. Sonuç olarak, cevher minerallerinin sınırlı oranda serbestleşmiş olmalarına rağmen, sarsıntılı masanın ağır ürünleri ile REMS manyetik ayırıcısının manyetik ürünleri cevher minerallerinin bu ürün gruplarında konsantre olmaya meyilli olduklarını göstermektedir. MGS ve Knelson deneyleri daha ince boyut fraksiyonlarında gerçekleştirildiğinden sonuçları daha çok önemsenmelidir. İleri düzey çalışmalarda bu iki yöntem için farklı parametre değerlerinin denenmesi ve Knelson için daha fazla oranda besleme numunesi hazırlanması başlangıç aşamasında olan bu zenginleştirme çalışmasını tamamlayıcı nitelikte olacaktır. Ayrıca manyetik ayırma deneylerinin daha ince boyutlarda tekrarlanması tavsiye edilmektedir.
Özet (Çeviri)
As a consequence of technological development, the beneficiation of the minerals of REEs has been gaining more importance. Nowadays REEs are an indispensable parts of magnetic, phosphor, metal alloys, catalysts, ceramics, glass, polishing, and defense systems industries due to their unique chemical and magnetic properties and also diverse colors. Currently, China is the largest supplier in the world with a production of more than 95% of the world's Rare Earth Oxides and dominates 43% of global known ∑REO+Y resources, which Australia, Canada, Russia, Brazil, Greenland, and the USA follow China by 10%, 8%, 10%, 8%, 6%, and 3% respectively. On the other hand, China has had a raising dominance in the global REEs market since the 1990s. Therefore, the export restriction imposed by China in 2010 on some valuable minerals (including REEs) against Japan was a breaking point. This decision caused supply security concerns to come into fore in the global REEs market. To break this dominance of China, exploration projects speeded up to diversify REEs sources and provide supply security. Turkey is one of the countries making contributions to exploration and beneficiation studies for REEs production. With the research and studies of the National REEs Institute (NATEN) and the General Directorate of Mineral Research and Exploration (MTA), Turkey is contributing to these studies to unearth these valuable and strategically important elements. On the other hand, Eskişehir/Beylikova REEs deposit has been studied in terms of beneficiation possibilities, and a pilot scale plant was established to process this important REEs deposit. Malatya/Kuluncak deposit is another important REEs and rare metal-bearing deposit in Turkey. Relevant beneficiation studies have been carried out under the coordination and organization of the National REEs Institute (NATEN). As part of these studies, Istanbul Technical University Department of Mineral Processing Engineering is currently performing physical and physico-chemcial beneficiation tests on the samples obtained from Malatya/Kuluncak REEs deposit. Within the scope of the thesis, chemical analysis of the raw sample, MLA, and XRD were conducted by ESAN, MTA, and Istanbul Technical University Department of Geology respectively. The chemical analysis gave the result of 0.33% (3,268 ppm) total REO grade and XRD provided significant data about silicate dominance in sample composition. MLA results confirmed these outcomes and proved that more than 70% of the ore sample was consisting of silicate gangue minerals. According to MLA results, major REEs-bearing minerals in ore composition gave low liberation ratios even in -38+32 µm. Therefore, it was concluded that the ore minerals have a tendency of being liberated at -20 µm, which is an ultrafine size fraction. Shaking table is a gravity separator that feeding material subjects with bumping action during the flow on the riffled desk and heavy particles accumulate behind the riffles while light particles pass over riffles, which a particle size fraction of -1.65+0.074 mm is suitable for such a process. Gravity methods were tested on REEs samples in many studies in literature, e.g., Jordens et al. (2016), Jordens et al. (2014), and Norgren et al. (2021), which these methods were mostly combined with magnetic separation. Therefore, shaking table tests were performed on Malatya / Kuluncak REEs samples within the scope of this thesis. Magnetic separators work based on differences in minerals' magnetic properties in the orbit of the nucleus of the atom spin around and cause a magnetic field. In most cases, electrons exist as electron pairs and each electron spins in the opposite direction of the other in pair. Hence, the magnetic fields of two electrons in a pair neutralize each other and prevent magnetic properties. That's the reason why elements containing unpaired electrons have magnetic properties utilized for separation. Sc, Y, La, and Lu are diamagnetic due to not having uncoupled electrons on the 3d orbital of Sc, the 4d orbital of Y, and the 4f orbital of La and Lu. Other REEs are all paramagnetic and Gd, Tb, Dy and Tm show ferromagnetism. These magnetic properties and the most important properties of REEs, being technologically utilized magnets, led magnetic separation tests to be performed within the scope of this study. As examples of magnetic separation of REEs minerals, Jordens et al. (2016)., Nguyen et al. (2021), Faris et al. (2019) and other researchers also performed experiments with combinations of gravity separation methods Electrostatic separation is a method based on the interaction between electrically charged particles and an electric field. A charge accumulates onto the particles on which an electric field is applied depending on their conductivities, surface areas and, maximum charge density, and then, these particles are attracted or repulsed. REEs are weak conductors in the exception of La. The main mechanism of MGS is that the pulp ore sample fed into the MGS through cleaner ring subjects centrifugal force and, as a result of it together with the shearing effect of shaking, heavy particles move through slurry film inside the drum towards concentrate output by a scraper, while light particles move towards the rear of the drum through wash water to be removed. The shaking effect prevents light particles to be entrapped by heavy particles in these systems by disrupting layers in the drum at a certain level (over-shaking causes heavy particles to be removed through light particle output) Because the minerals liberating in ultrafine size fractions can't be beneficiated efficiently by conventional gravity methods, the requirement of inventing concentrates working in ultrafine sizes occurred. Knelson is one of these concentrators. Knelson concentrator works based on centrifugal and fluidized bed separation principles, and the main part of it is a vertical conical bowl with a rotating shaft, in which the feed material moves towards the wall of the cone under centrifugal force, water is fed into the bowl in the opposite direction of bowl rotation at the same time, fluidized concentrate bed is generated and finally, heavy particles settle down the riffles on the bowl as concentrate, while light particles are removed from the unit. In terms of beneficiation of REEs, these methods are performed before flotation to obtain a proper pre-concentrate for flotation. During the time when MLA tests were ongoing, shaking table, magnetic separation, and electrostatic separation were performed to observe mineral beneficiation behaviors of ore minerals and their liberation tendencies in -1+0.3 mm and -0.3+0.074 mm size fractions. ∑REO grade was improved by shaking table experiments from an initial grade of 3,626 ppm to 6,437 ppm and 8,323 ppm in heavy products of both size fractions respectively. Magnetic separation increased ∑REO grade from 3,409 ppm to 4,963 ppm and 5,699 ppm in the magnetic products of both size fractions. Recovery values were higher compared with shaking table results. Although both methods above gave limited beneficiation results, it is thought that the main reason for this situation is due to the low liberation ratios of ore minerals in these size fractions. However, results indicate valuable clues about the beneficiation behavior of the ore. The electrostatic separation didn't give meaningful results at the desired level, which this situation is normal according to the literature. Following access to MLA data and report, a more comprehensive evaluation was made about liberation characteristics of ore minerals in sample composition. Since MLA results indicate finer liberation sizes, MGS and Knelson concentrator experiments were performed as the last stage of physical beneficiation in -74 µm size fraction (d80: 46 µm). MGS experiments with the raw sample delivered a limited increase in ∑REO grade and an initial grade of 3,480 ppm increased up to 3,987 ppm maximum in the middling product. The highest recovery was obtained from the heavy product by 61.5%, but the grade was lower than the middling product. MGS experiments with the slime product of Shaking Table experiments resulted in a wider range of ∑REO grade increase and ∑REO grade increased from 2,678 ppm up to 4,022 ppm. Knelson concentrator experiments could be performed with a limited amount of samples. According to the results, the ∑REO grade increased from 3,423 ppm to 5,983 ppm. Since the Knelson concentrator works with higher amounts of sample, concentrate weight remained limited and therefore, the recovery value was low. As a consequence, although the ore minerals were liberated at low levels, the results of the heavy products of the shaking table and magnetic products of REMS magnetic separator indicate that ore minerals have a tendency of being concentrated in these product groups. The results of MGS and Knelson concentrator experiments are more important since they were performed in finer size fractions. Trying different values of parameter variables and preparing higher amounts of feeding samples for Knelson concentrator experiments in further studies would be complementary to these preliminary beneficiation experiments. Also, it is recommended that magnetic separation experiments should be repeated in finer size fractions.
Benzer Tezler
- Hematit/limonit içeren bir demir cevherinin zenginleştirme olanaklarının incelenmesi
Investigation of beneficiation possibilities of an iron ore containing hematite/limonite
BERK BUDAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZCAN
- Batı Anadolu linyitlerinin gravite bazlı kuru yöntemlerle zenginleştirilmesi
The beneficiation of Western Anatolian lignites by gravite based on dry methods
TAN ÇETİNEL
Doktora
Türkçe
2017
Maden Mühendisliği ve MadencilikDumlupınar ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CENGİZ KARAGÜZEL
DOÇ. DR. FERİDUN BOYLU
- Yellice bölgesi krom cevherinin zenginleştirme akım şemalarının geliştirilmesi
Development of beneficiation flowsheets of chrome ore from Yellice region
BÜŞRA ÖZSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İLKAY BENGÜ ÇELİK
- Isparta yöresi nadir toprak elementlerinin kazanımı için yeni proseslerin geliştirilmesi
Development of new processes for beneficiation of Isparta region rare earth elements
MERT TERZİ
Doktora
Türkçe
2017
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLGİN KURŞUN
- Düşük tenörlü altın cevherinin zenginleştirmesinde mineralojinin etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of mineralogy on the beneficiation of low grade gold ore
SENA NAZ GÖKDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKAY BENGÜ CAN