Sivas bölgesi selestit cevherinin asit ve baz çözeltileri ile çözünme kinetiği ve SrCrO4 üretimi
Dissolution kinetics of celestite ore with acid and base solutions and the production of SrCrO4 in the Sivas region
Yazar: FERAY KOÇAN
Danışman: DOÇ. DR. ÜMRAN HİÇSÖNMEZ
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Madencilik = Mining ; Madencilik sektörü = Mining sector ; Madenler = Mines

Özet:
Bu tez, başlıca dört farklı çalışmadan oluşmaktadır. Tez kapsamında, İstanbul Barit Maden A. Ş.'den temin edilen Sivas iline ait ham selestit cevherinin, a) sodyum karbonat (Na2CO3) çözeltilerindeki, b) sodyum hidroksit (NaOH) çözeltilerindeki liçi, c) zenginleştirilmiş selestit cevherinin nitrik asit (HNO3) çözeltilerindeki liçi ve                          d) nitrik asit (HNO3) liçinden elde edilen süzüntüden stronsiyum kromatın (SrCrO4) üretimi üzerine deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir.

Sıcaklık, katı/sıvı oranı, tane boyutu, karıştırma hızı ve asit/baz derişimi liç parametreleri olarak seçilmiştir. 

Birinci aşamada, ham selestit cevherinin sodyum karbonat liçinin sonunda, sodyum karbonatın yüklü liç çözeltisinin katı fazındaki stronsiyum karbonat ve kalsiyum karbonatı ayrırmak zor olduğundan, liç işlemi tamamlanmamıştır. Kinetik modelleme yapılamamış ve aktivasyon enerjisi hesaplanmamıştır.

İkinci aşamada, ham selestit cevherinin NaOH çözeltilerindeki liçinden elde edilen süzüntüde stronsiyum hidroksit (Sr(OH)2) yapısında bulunan stronsiyum                            % 99,97 verimle, 90oC sıcaklıkta, 500 rpm karıştırma hızında, 0,5 g/100 mL katı/sıvı oranında, 63–100 µm tane boyutu aralığında ve 4 mol/L NaOH derişiminde kazanılmıştır. Ham selestit cevheri, büzülen çekirdek modeline uyumlu olarak çözünmüştür. Liç işlemi, sabit boyutlu levha parçacıklara ait kül tabaka boyunca difüzyon basamağıyla kontrol edilmiştir. Aktivasyon enerjisi 61,02 kJ/mol olarak hesaplanmıştır.

Üçüncü aşamada, zenginleştirilmiş selestit cevherine sulu HNO3 çözeltileri içerisinde liç yapılmıştır. Stronsiyumun, nitrik asit süzüntüsüne stronsiyum nitrat (Sr(NO3)2) şeklinde geçmesi sağlanmıştır. Liç boyunca, tane boyutu 125-250 μm aralığında sabit tutulmuştur. 0,5 g/100 mL katı/sıvı oranında, 500 rpm karıştırma hızında, 80oC sıcaklıkta ve 4 mol/L HNO3 derişimli deneysel şartlar altında % 91,10 liç verimi elde edilmiştir. Cevher büzülen çekirdek modeline uyumlu liç edilmiştir ve liç küresel parçacıklar için ürün tabaka boyunca difüzyonla kontrol edilmiştir. Aktivasyon enerjisi 42,22 kJ/mol olarak bulunmuştur. 

Tezin son aşamasında, nitrik asit liçinin optimize edilmiş şartları altında, işlenmiş selestitin HNO3 çözeltilerindeki liçinden elde edilen Sr(NO3)2 süzüntüsü oda sıcaklığında, sodyum klorür (NaCl) varlığında sodyum kromat dihidrat (Na2CrO7.2H2O) ile reaksiyona sokulmuştur. Ve stronsiyumun stronsiyum kromata dönüşümü gerçekleşmiştir. Çöktürme yöntemiyle koyu sarı renkli, 1,72–5,56 μm uzunluğunda ve 0,105–0,437 µm çapında nanoçubuk şekilli stronsiyum kromat (SrCrO4) kristalleri elde edilmiştir. Parametre olarak Sr+2/CrO4= oranı, NaCl derişimi ve Sr(NO3)2-Na2Cr2O7.2H2O reaksiyon sistemiyle NaCl arasındaki reaksiyon süresinin etkileri incelenmiştir. Sonuç olarak, %78 verimle, 700 rpm karıştırma hızında, 0,25 Sr+2/CrO4= oranında (0,1164 mol/L Sr2+ ve 0,4656 mol/L CrO4=),                       pH= 14 çözelti ortamında, 0,1 mol/L NaCl derişiminde, Sr(NO3)2-Na2Cr2O7.2H2O sistemiyle NaCl arasındaki reaksiyon 60 dakika ve çöktürme öncesi                                          Sr(NO3)2 -Na2Cr2O7.2H2O sisteminin karışma süresi 60 dakikada, SrCrO4 üretilmiştir. Deneyler NaCl'ün etkisini belirlemek amacıyla NaCl yokluğunda tekrar edilmiştir. Ve NaCl'ün ürün yapısını değiştirdiği görülmüştür.

Abstract:
This thesis consists of four different studies, in which experimental studies were performed on leaching of raw celestite ore from Sivas province supplied                                  by İstanbul Barit Maden A. Ş. a) in sodium carbonate (Na2CO3) solutions and b) in sodium hydroxide (NaOH) solutions; c) on the leaching of concentrated celestite in nitric acid (HNO3) solutions, and finally d) on the production of strontium chromate (SrCrO4) from the leachate obtained from nitric acid leaching.

Temperature, solid-to-liquid ratio, particle size, stirring speed, and acid or base concentration were selected as leaching parameters.

In the first stage, the leaching operation was not finished because strontium carbonate and calcium carbonate were difficult to separate in the solid phase of the pregnant leach solution of the sodium carbonate solutions at the end of the leaching of Na2CO3 with raw celestite ore. Kinetic modelling was not performed and activation energy was not calculated.

In the second stage, strontium present in form of strontium hydroxide (Sr(OH)2) in the leachate obtained from leaching of raw celestite ore in NaOH solution was recovered in NaOH solution with 99.97% efficiency at a temperature of 90°C,                     a stirring speed of 500 rpm, 0.5 g/100 mL solid/liquid ratio, a range of 63–100 µm of particle size, and 4 mol/L NaOH concentration. The raw celestite ore dissolved in accordance with shrinking core model. The leaching operation was controlled by step of diffusion through ash layer for plate particles of constant size. The activation energy was calculated as 61.02 kJ/mol.

In the third stage, leaching was applied to concentrated celestite ore in aqueous HNO3 solutions. Strontium in the shape of strontium nitrate was acquired (Sr(NO3)2) from leachate of nitric acid. The particle size was constant in a range of 125–250 µm during the leaching. A leaching efficiency of 91.10% was obtained under experimental conditions with a solid-to-liquid ratio of 0.5 g/100 mL, a stirring speed of 500 rpm, a temperature of 80°C and an acid concentration of 4 mol/L. The mineral leached in accordance with shrinking core model and leaching was controlled by diffusion through product layer for spherical particles. The activation energy was found to be 42.22 kJ/mol.
In the final stage of the thesis, leachate of Sr(NO3)2, which was supplied from the leaching of concentrated celestite in HNO3 solutions, was reacted with sodium chromate dihydrate (Na2CrO7.2H2O) in the presence of sodium chloride (NaCl) salt at room temperature under optimized conditions of nitric acid leaching. The transformation of strontium to strontium chromate took place. Nanorod shaped strontium chromate (SrCrO4) crystals, which were dark yellow in colour, 1.72–5.56 μm long and 0.105–0.437 µm in diameter were obtained by the precipitation method. The effect of parameters such as the Sr+2/CrO4= ratio, NaCl concentration and reaction time between reaction system of Sr(NO3)2-Na2Cr2O7.2H2O and NaCl were investigated. As a result of this, SrCrO4 was produced with 78% efficiency at a stirring speed of 700 rpm, 0.25 Sr+2/CrO4= ratio (0.1164 mol/L Sr2+ and 0.4656 mol/L CrO4=), in a pH = 14 solution medium, 0.1 mol/L NaCl concentration, 60 minutes of reaction between Sr(NO3)2-Na2Cr2O7.2H2O system and NaCl and in 60 minutes of mixing of Sr(NO3)2-Na2Cr2O7.2H2O system before precipitation. The experiments were repeated to determine the effect of NaCl in the absence of NaCl. It was seen that NaCl changed the form of the product.