Karadeniz bölgesi sahil kumlarının titanyum açısından değerlendirilmesi
Evaluation of beach sands from Black Sea region for their titanium content
Yazar: İLGİN KURŞUN
Danışman: DOÇ. DR. ŞAFAK G. ÖZKAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Karadeniz bölgesi = Black Sea region ; Kum = Sand ; Titanyum = Titanium ; İlmenit = Ilmenite

Özet:
Titanyum doğada dokuzuncu yaygın element olarak ilmenit (%95) ve rutil (%5) mineralleri halinde bulunmaktadır. Ekonomik bir titanyum minerali olan ilmenit, magmatik ve metamorfik kayaçlar içinde bulanabildiği gibi sedimanter kayaçlarda da oluşum göstermektedir. Dünyada en önemli titanyum yatakları başta Avustralya olmak üzere, Güney Afrika, Hindistan ve Sierra Leone'de bulunmaktadır. Dünya ilmenit üretimi 2002 yılı itibariyle 3.600.000 ton iken, bu değer rutil için 450.000 tondur. Titanyum minerallerinin en yaygın kullanım alanını titanyum dioksit pigment üretimi oluşturmaktadır. Pigment endüstrisinin kullandığı üç tip ana hammadde bulunmaktadır: 1. İlmenit ve lökoksen, 2. Doğal veya sentetik rutil, 3. Cüruflar. Bu çalışma kapsamında Sakarya-Karasu Bölgesi sahil kumlarından Sentetik Rutil ve Titanyum Dioksit Pigmenti Eldesi olanakları araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar, cevher hazırlama ve zenginleştirme deneyleri, numune karakteristiğinin belirlenmesi, sentetik rutil eldesi deneyleri ve titanyum dioksit pigmenti üretimi deneyleri ana başlıkları altında gruplandırılmıştır. Deneysel çalışmalar Sakarya-Karasu bölgesinden alınan 500 kg ağırlığındaki tüvenan cevherden temsili örnek alınmasıyla yürütülmüştür. Sarsıntılı masa ile zenginleştirme deneyleri sonrasında elde edilen konsantreler titanyum tenörü açısından oldukça zayıf olduğundan bundan sonraki deneysel çalışmalarda dikkate alınmamıştır. M.G.S. (multi gravity separator) deneyleri sonucunda, koşulların optimize edilmesi ile %25,60 TİO2 içerikli konsantre elde edilmiştir. Manyetik ayırma ile zenginleştirme deneyleri sonrasında (-0,106+0,074) mm tane boyutunda, %36,33 Ti02 içerikli ilmenit konsantresi, %99,25 verim ile kazanılırken, -0,074 mm tane boyutunda ise %41 TİO2 içerikli ilmenit konsantresi %99,87 verim ile kazanılmıştır. Elektrostatik ayırma ile zenginleştirme deneyleri sonucu iletken olarak %46,6 TİO2 içerikli ilmenit konsantresi %96,21 verim ile elde edilmiştir. XIIILiç deneylerinden amaçlanan, Sakarya-Karasu ilmenit konsantresinin sentetik rutil ve pigment üretimi için TİO2 içeriğinin arttırılarak, bünyesinden Fe, Mg, Ca ve silikatlı empüritelerin uzaklaştırılmasıdır. Bu amaçla HC1 liçi, H2SO4 liçi ve NaOH liçi deneyleri yapılmıştır. Optimum koşullarda yapılan HC1 liç deneylerinde elde edilen sentetik rutil konsantresi %85 TİO2 içeriğindedir. Konsantre üzerinde yapılan XRD ve XRF analizleri sonucunda, sentetik rutil konsantresinin silikatlı gang mineralleri içerdiği belirlenmiştir. Konsantrenin TİO2 içeriğinin yükseltilmesi için HC1 liçi sonrasında elde edilmiş sentetik rutil konsantresine NaOH liçi uygulanmıştır. Bu uygulama sonucunda sentetik rutil konsantresinin TİO2 içeriği %97'ye yükselmiş, silikat ve alümina oranı oldukça düşmüştür. Sakarya-Karasu sentetik rutil konsantresi kimyasal içerik açısından diğer sentetik rutil konsantrelerine uygun spesifıkasyonlara sahiptir. Yüksek TİO2 ve düşük demir içeriği ile pek çok endüstriyel kullanıma hazır durumdadır. Sakarya-Karasu ilmenitleri, yüksek demir ve magnezyum, düşük ağır mineral içeriğiyle sülfat prosesine uygun özellik taşımaktadır. Liç deneyleri sonrasında, H2SO4 asit konsantrasyonunun artışıyla çözeltiye geçen TİO2 yüzdesi artmış, ancak bu artış çok fazla bir oranda gerçekleşmemiştir. Fazla asit sarfiyatının getirdiği ekonomik ve çevresel faktörler de göz önüne alınarak optimum asit konsantrasyonu %25 olarak belirlenmiştir. Çözünmeyen katı kısmın XRD analizlerinden katı faz olarak albit, muskovit, hematit ve az miktarda kuvarsın çözeltiye geçmediği belirlenmiştir. Sakarya- Karasu pigmentlerinin IFESEM fotoğraflarına göre, pigment kristal dilinimi açısından uygun özellikler göstermektedir. Ortalama tane boyutu 24 mikron, homojen, kristallenme düzenlidir. Ancak renk açısından istenilen beyazlık tam olarak sağlanamamıştır. Bu çalışma sonrasında, ülkemiz sahil kumlarından ekonomik olarak ilk kez bir ilmenit konsantresi ve ardından satılabilir nitelikte sentetik rutil konsantresi üretimi mümkün olmuştur.

Abstract:
Titanium; the ninth most abundant element, occurs in nature mainly as ilmenite (95%) and rutile (5%). Ilmenite, an economically important titanium mineral forms as a primary mineral in mafic igneous rocks. Ilmenite also occurs in pegmatites and some metamorphic rocks as well as in the sedimentary rocks. Deposits of titanium are widely scattered throughout the world. The major active sources of rutile are Australia, Sierra Leone, South Africa and India. The world production of rutile is currently estimated to be over 450.000 tons annually, while the world production of ilmenite is about 3.600.000 tons annually. Titanium minerals are generally exploited for production of titanium dioxide pigments which are structured around three raw material types; 1. Ilmenite and its weathered derivative leucoxene, 2. Natural and synthetic rutile, 3. Beneficiated slag. Within this study, production possibility of synthetic rutile and titanium dioxide pigment from Sakarya Karasu beach sand samples is investigated. Experimental studies include mineral processing experiments, characterization studies and leaching experiments for production synthetic rutile and titanium dioxide pigment. In order to concentrate the Sakarya-Karasu beach sand, a representative sample weighing about 500 kg was obtained and this amount was reduced to relevant amounts by coning-quartering and other sampling techniques. The sample was separately prepared for chemical and mineralogical analysis, particle size distribution and concentration tests. According to the shaking table experiments, heavy mineral concentrate was obtained with very low titanium content. According to the results of the M.G.S. optimization tests, heavy mineral concentrate was obtained with 25.60% Ti02. XVAfter magnetic separation tests, a concentrate containing 36.33 %Ti02 with a Ti02 recovery of 99.25 % was obtained at particle size fraction of minus 0.106 plus 0.074 mm, whereas another concentrate containing 41 % Ti02 was achieved with a Ti02 recovery of 99.87 % at minus 0.074 mm. These non-magnetic concentrates were then put together and concentrated with an electrostatic separator in order to achieve a conductor concentrate of ilmenite containing 46.6%Ti02 with a Ti02 recovery of 96.21 %. The aim of leaching experiments was to increase the titanium content of the ilmenite concentrates for production of synthetic rutile and titanium dioxide pigment and reduce the amount of Fe, Mg, Ca and some silicates as impurities from the Sakarya Karasu ilmenite concentrates. For this reason, leaching tests with HC1, H2S04 and NaOH separately were carried out on the concentrates. Under optimal leaching conditions with HC1, a synthetic rutile concentrate contains 85% Ti02. XRD and XRF analyses results showed that synthetic rutile concentrate still contains silicate gangue minerals. NaOH leaching experiments were performed on the concentrate in order to increase the final titanium content of the synthetic rutile. By carrying out these tests, the content of the synthetic rutile increased to %97 Ti02 whereas silicate and alumina content of the concentrate decreased. Sakarya-Karasu synthetic rutile concentrate has suitable chemical specifications for industry like other types of the rutile concentrates because of their low iron and high titanium. Sakarya-Karasu ilmenite concentrates with their high iron and magnesium content, and low heavy minerals content are suitable for sulphate process. Leaching experiments resulted with increased Ti02 with increasing amounts of H2SÛ4 acid concentrations. Optimal acid concentration was determined as 25 % by considering economical and environmental factors. According to XRD analyses, undissolved particles and solid phases include albite, muscovite, hematite and small amount of quartz. IFESEM photos of Sakarya-Karasu pigments showed us with a pigment which is suitable crystal structure. It is homogenous and has got good cleavage with a 24 micron mean particle size. Unfortunately, the pigment has not got enough whiteness. As a result of this study, it is possible to recover the beach sands from the Black sea region for their titanium content and also to obtain synthetic rutile concentrate which has suitable properties and is easily marketable.