Çeşitli minerallerin topaklanma ve yüzey morfolojilerinin flotasyon verimlerine etkisi
The effect ofagglomeration and surface morphology of various minerals on their flotation recoveries
Yazar: BERİVAN TUNÇ
Danışman: PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Cevher Hazırlama Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Oksit, silikat ve tuz tipi minerallerin flotasyon verimleri, kollektör konsantrasyonuna bağlı olarak çizildiğinde, belirli bir eşik konsantrasyonunda flotasyon verimlerinin keskin bir yükseliş gösterdiği bilinmektedir. S harfine benzeyen bu eğrinin eğimi mineralin cinsine göre değişmektedir. Bazı minerallerin çok düşük kollektör konsantrasyonlarda flotasyon verimi aniden artar iken bazı mineraller içinde tam tersidir. Önerilen bu büküm noktasının, hemimisel konsantrasyonu (Hemimicelle Concentration; HMC) olarak adlandırılan iki boyutlu sürfaktan yığışmalarından kaynaklandığı kabul edilmektedir. Öne sürülen diğer bir hipoteze göre de bu eşik noktası, kollektörün mineral yüzeyinde çökeldiği (surface precipitation) nokta olarak adlandırılmıştır. Bu tanım ve tespitler, flotasyon çalışmalarında zaman zaman tartışmalara da neden olmuştur. Zira hemimisel oluşumu sergilemeyen sülfürlü cevherlerde de flotasyon verimlerinin kollektör konsantrasyonuna göre nispeten yükselen bir eğri sergilediği bilinmektedir. 
Bu tez kapsamında, literatürde göz ardı edilen daha önemli bir özelliğin varlığına da dikkat çekilmektedir. Buna göre aslında tanelerin, DLVO (Derjaguin, Landau, Vervey, and Overbeek) teorisinde sözü edilen kollektör varlığında kritik topaklanma konsantrasyonu (KTK), (Literatürde, tuz ortamında bilinen adıyla Kritik Koagülasyon konsantrasyonu, CCC) ile örtüştüğü, bu noktadan itibaren hemimisel konsantrasyonu ve muhtemelen yüzey çökelmesi ile birlikte sinerji kazandığı ve tanelerin topaklanmaya uğrayarak hidrofobik kuvvetlerin baskısı altında hızla yüzmeye başladığı öngörülmektedir.
Öğütme esnasında, şekil ve pürüzlülük bakımından morfolojik olarak avantajlı olan tanelerin tercihli üretimi ile kritik koagülasyon konsantrasyonu noktasının daha düşük kollektör konsantrasyonlarında ötelenerek, flotasyonun daha verimli hale getirilmesinin hem teknik hem de ekonomik açıdan olumlu sonuçlar sunması beklenmektedir.
Tüm bu hipotezlerin ışığında yapılan çalışmanın çerçevesi dört temel konu üzerinde şekillenmiştir. Bunlardan ilki KTK (kritik topaklanma konsantrasyonu) ile HMC (hemimisel konsantrasyonu ) arasındaki ilişkinin çözülmesi üzerinedir. İkincisi yüzey morfolojisinin flotasyon verimine etkisi, üçüncüsü yüzey morfolojisinin kollektör konsantrasyonuna bağlı topaklanma verimine etkisi ve son olarak da flotasyon mekanizmasınde tane kabarcık ilişkisini açıklayabilmektir.
Tez çalışması boyunca CCC noktasından koagülant ve flokülant gibi kimyasallar kullanılmadığı için kritik topaklanma konsantrasyonu (KTK) olarak söz edilmektedir.
Mineral türüne bağlı oluşabilecek farklı sonuçları yorumlamak adına farklı mineraller seçilmiştir. Bunlar mika, kolemanit ve barittir. Aynı zamanda aynı standartlarda yapılan deneylerinde birbiri arasında korelasyonu ile deney sonuçlarının güvenirliği test edilmiştir. 
Mevcut çalışmada flotasyon ve topaklanma deneylerine odaklanılmıştır. Bunun yanı sıra şekil faktörü analizi, pürüzlülük ve görüntü analizi gibi testler yapılmıştır.
İlk aşamada kolemanit ve barit çeneli, konili ve merdaneli kırıcadan sırasıyla geçirilmiştir. Ardından merdaneli kırıcı çıkışı numuneler -2 +1 mm boyutuna sınıflandırılmıştır. Seramik bilyalı değirmende hacimce aynı koşullarda ve farklı sürelerde numuneler öğütülmüştür. Farklı sürelerde öğütme de amaç kontrollü şekilde flotasyonda istenilen morfolojik değerlere ulaşmaktır. Her bir öğütme süresinin sonunda 74 ve 38 µm' dan kuru olarak elenmişlerdir. Flotasyon deneylerine hazır hale gelen -74 +38 µm boyutlu numunelerin şekil faktörü Image J programı ile pürüzlülüğü ise profilometre cihazı ile belirlenmiştir. Aynı şartlar altında üretilen barit ve kolemanit numunulerin pürüzlülük ve şekil faktörü analizi sonuçlarıda yaklaşık aynı paterni izlemiştir. 
Analizleri tamamlanan numuneler içinde farklı şekil faktörüne sahip olanların kollektör konsantrasyonuna bağlı deneyleri yapılmıştır. Deney sonuçlarına göre flotasyonu etkileyen tek parametrenin şekil faktörü olmadığı pürüzlülüğünde etkili bir parametre olduğu gözlemlenmiştir. Bilyalı değirmende öğünen malzemelerin hem şekil faktörü hemde pürüzlülük değerlerinin değiştiği yapılan analizler sonucunda görülmüştür. Literatürde de pürüzlülüğün ve şekil faktörünün flotasyona etkisi sıkça geçmektedir. Fakat flotasyon verimlerinde morfolojinin kollektör konsantrasyonuna bağlı etkisi henüz yeterince detaylandırılmamıştır. Bu tez kapsamında kollektör konsantrasyonuna bağlı yapılan flotasyon deneyleri neticesinde kenarlı ve pürüzlü minerallerin flotasyon veriminin yuvarlak ve düz yüzeye sahip olan minerallere göre yüksek olduğu ortaya konulmuştur. Diğer bir yandan flotasyon verimini düşük konsantrasyonda pürüzlülüğün yüksek konsantrasyonlarda ise şekil faktörününün etkilediği , baritten elde edilen flotasyon sonuçlarında görülmektedir.
Şekil faktörünün etkisini isole etmek için aynı şekil faktörüne sahip olan barit ve kolemanit numuneleri SiC ile farklı sürelerde pürüzlendirilmiştir. Fakat kolemanit pürüzlenir iken barit yeterince pürüzlenmemiştir. Dolayısıyla kolemanit ile flotasyon çalışmalarına devam edilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda pürüzlülük arttıkça flotasyon veriminin arttığı gözlemlenmiştir. 
İkinci aşamada mika, kolemanit ve baritin kabarcıksız ortamda topaklanma davranışları incelenmiştir. Bu kapsamda çökme hızı , türbidite ve süreye bağlı çökme testleri yapılmıştır. Tüm deneyler arasında korele edilmiş ve daha güvenilir sonuç verdiği düşünülen türbidite testleri ile deneylere devam edilmiştir.
Flotasyon ve türbidete sonuçları ilişkilendirildiğinde ise topaklanmanın artmasıyla flotasyon verimlerinde de artışın gerçekleştiği her mineral için ayrı ayrı tespit edilmiştir. Bunun yanı sıra pürüzlüğe bağlı türbidite testleri gerçekleştirilmiş ve pürüzlülüğün topaklanmaya olan olumlu katkısı ispatlanmıştır.
Mika tabakalı yapısından dolayı çökme testlerine en uygun mineral olmakla birlikte pürüzlülük ve şekil faktörü gibi morfolojik değerlerin oluşturulmasında zor bir mineraldir.Dolayısıyla morfoloji üzerine çalışmalar daha çok barit ve kolemanit üzerinde yoğunlaştırılmıştır.
Mika, barit ve kolemanit ile yapılan deneyler sonucunda flotasyon öncesinde minerallerin kendi aralarında bir araya gelerek kabarcığa yapıştıkları öngörüsü elde edilen deney sonuçları ile kuvvetlenmiştir. Ek olarak kabarcıksız ortamda alınan görüntüler ile de hemimisel konsantrasyonunda topaklanmaların artışı görsel olarak somutlaştırılmıştır. 
Sonuçlar bir araya getirildiğinde minerallerin morfolojik unsurularının flotasyonlarında oldukça etkin olduğu ve bunu etkileyen mekanizmalardan birinin ise flotasyon öncesinde topaklanmaları olduğu kanısına varılmıştır.

Abstract:
Flotation recoveries of oxide, silicate, and salt type minerals when plotted against collector concentration exhibits a break point followed by a sharp increase in the flotation recoveries. The slope of this curve, which resembles the letter S, varies according to the type of mineral. While flotation recoveries suddenly increase at very low collector concentrations of some minerals, it is the opposite for some minerals. This threshold point is called hemimicelle concentration (HMC) which is characterized by the formation of two dimensional surfactant patches on the solid surface. Conversely, in another hypothesis, this threshold is ascribed to surface precipitation of collector species on the mineral surface. Despite these controversies, a clear understanding on this issue has not been agreed upon. Because systems like sulfide minerals which employ short chain sulfohydro collectors to some extent also exhibit a threshold point and a rising curve upon plotting flotation recoveries as a function of collector concentration. 
This thesis is proposing a more logical phenomenon that has been well documented but disregarded in flotation literature. In fact, this threshold point is proposed to correspond to the critical coagulation (aggregation) concentration (CCC) which is the heart of DLVO (Derjaguin, Landau, Vervey, and Overbeek) theory. Aggregation of particles from this critical point onward accelerates due to the formation of both hemimicelles and surface precipitates, and particles undergo more intensive aggregation leading to higher flotation kinetics. 
The effect of particle morphology involving shape and roughness of particles is hoped to throw light into the mechanism of threshold. Preferential production of morphologically advantageous particles is expected to shift the CCC to the left, and in turn enhance flotation recoveries now at lower collector concentration resulting in more efficient and economical solution. hus, it is aimed to save economically the amount of reagent, especially in industrial studies 
In the light of all these hypotheses, the framework of the study is based on four main issues. The first one is about the resolution of the relationship between KTK (critical agglomeration concentration) and HMC (hemimisel concentration). The second is to explain the effect of surface morphology on flotation recovery, the third is to explain the effect of surface morphology on aggregation efficiency depend on collector concentration, and finally to explain the particle-bubble relationship in flotation mechanism.
The CCC point is referred to as critical aggregation concentration (KTK) because of no chemicals such as coagulant and flocculant are used.
Different minerals have been selected in order to interpret different results depending on the type of mineral. These are mica, colemanite and barite. At the same time, the reliability of the test results was tested by correlation between each other.
The present study focused on flotation and agglomeration experiments. In addition, tests such as shape factor analysis, roughness and image analysis were performed.
In the first stage, colemanite and barite were passed through jaw, cone and roller crusher respectively. The roller crusher output samples were then classified to a size of -2 +1 mm. Samples were milled from the ceramic ball mill under the same conditions and at different times in volume. The purpose of grinding at different times is to achieve the desired morphological values in flotation in a controlled manner. At the end of each grinding period, the samples were dry sieved from 74 and 38 µm sieves. The shape factor of the -74 +38 micron samples was determined by the Image J programme and the roughness was determined by the profilometer device. The roughness and shape factor analysis results of the barite and colemanite samples produced under the same conditions followed about the same pattern.
Samples with different shape factors in the were selected to flotation experiments based on collector concentration. According to the results of the experiment, it is observed that the only parameter affecting the flotation is not a shape factor and is a very effective parameter in roughness. It was observed that both the shape factor and roughness values of the materials milled in the ball mill changed. In the literature, the effect of roughness and shape factor on flotation is frequently mentioned. However, the effect of morphology on collector concentration in flotation recovery has not been elaborated yet. In this thesis, flotation recovery of edged and rough minerals were found to be higher than round and flat surface minerals. On the other hand, it is understood from the results of the experiment with barite that the roughness at low concentration and the shape factor at high concentration are effective in flotation recoveries.
In order to isolate the effect of the shape factor, samples of barite and colemanite having the same shape factor were roughened with SiC at different times. However, while colemanite is rough, barite is not rough enough. Therefore, flotation studies continued with colemanite. As a result of the experiments, it was observed that the flotation efficiency increased with increasing roughness.
In the second stage, agglomeration behavior of mica, colemanite and barite without bubble in medium was investigated. In this context, sedimentation rate, turbidity and sedimentation tests depend on amount of samples were performed. It was correlated between all experiments and tested with turbidity tests which were thought to give more reliable results. When flotation and turbidity results are correlated, it is determined for each mineral that flotation recoveries increase with increasing agglomeration. In addition, turbidity tests based on roughness have been performed and the positive contribution of roughness to agglomeration has been proved.Because of its mica layered structure, it is the most suitable mineral for the sedimentation tests, but it is a difficult mineral in forming morphological values such as roughness and shape factor.
When flotation and turbidity results are correlated, it is determined separately for each mineral that flotation yields increase with increasing agglomeration. In addition, turbidity tests based on roughness have been performed and the positive contribution of roughness to agglomeration has been proved. As a result of the experiments carried out with mica, barite and colemanite, it was strengthened with the results of the experiments that the minerals gathered together and adhered to the bubble before flotation. In addition, the increase in agglomeration in hemimicel concentration was visualized by images obtained without bubble in medium.
When the results are combined, it is concluded that the morphological characters of the minerals are highly effective in flotations and one of the mechanisms affecting this is the agglomeration before flotation.