Magnezit ve Dolomit Minerallerinin Elektrokinetik Potansiyeli ile ph Arasındaki İstatistiksel İlişki

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi Science and Eng. J of Fırat Univ. 18 (3), , (3), , 2006 Magnezit ve Dolomit Minerallerinin Elektrokinetik Potansiyeli ile ph Arasındaki İstatistiksel İlişki Nermin GENCE, Nurgül ÖZBAY ve Süheyla YEREL Anadolu Üniversitesi Bozüyük Meslek Yüksekokulu, Bozüyük, Bilecik. ngence@anadolu.edu.tr (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) Özet:Bu çalışmada; magnezit ve dolomit in elektrokinetik potansiyelleri ile ph ları arasındaki, regresyon modeli belirlenmiş ve belirlilik katsayısı (r 2 ) hesaplanmıştır. Elektrokinetik potansiyel ölçümü çalışmalarında, Konya- Argıthanı yöresinden elle toplanan, olabildiğince temiz magnezit ve dolomit mineralleri kullanılmıştır. Deneylerde; öncelikle magnezit ve dolomitin değişik ph larda elektrokinetik potansiyeli ölçülmüştür. Magnezitin sıfır yük noktası ph=6,8 de, dolomitin ise ph=6,7 de oluşmaktadır. Daha sonra dolomit ve magnezitin elektrokinetik potansiyeli ile ph arasındaki istatistiksel ilişkinin belirlenmesi amacıyla regresyon modeli uygulanmış ve belirlilik katsayısı magnezit için 0,9955 dolomit için 0,9201 olarak hesaplanmıştır. Anahtar kelimeler: Belirlilik katsayısı, dolomit, elektrokinetik potansiyel, magnezit Statistical Relationship Between Electrokinetic Potential and ph of Magnesite and Dolomite Minerals Abstract: In this study, by the calculation of coefficient between electrokinetic potential and ph of magnesite and dolomite, estimated regression line was determined. In the measurement of electrokinetic potential, magnesite and dolomite minerals, which were collected from Konya-Argithani region, are used. In the experiments, firstly, magnesite and dolomite s electrokinetic potential was measured at different ph. Zero point of charge of magnesite occurs at ph=6.8 while dolomite occurs at ph=6.7. After that, regression model was applied in order to specify the statistical relation between ph of dolomite, magnesite and electrokinetic potential, and coefficient of determination was calculated for magnesite , for dolomite Keywords: Coefficient of determination, dolomite, electrokinetic potential, magnesite 1. Giriş Magnezit in (MgCO 3 ), kimyasal bileşimi % 47,8 MgO ve % 52,2 CO 2 dir. Karbonatlar, oksitler, silikatlar gibi safsızlıklar bulunduran bir mineraldir. İlaç sanayinden ağır sanayiye kadar çeşitli kullanım alanlarına sahip magnezyum genellikle deniz suyundan elde edilir. Dolomit in [Ca Mg (CO 3 ) 2 ] kimyasal bileşimi % 21,7 MgO, % 47,9 CO 2 ve % 30,4 CaO olan bir kalsiyummagnezyum karbonattır [1-4]. Doğal yatakların işletilmesi sonucu üretilen magnezit cevheri içerdiği safsızlıklar nedeniyle zenginleştirme süreçlerine tabi tutulmak durumundadır. Magnezitin sanayiye kazandırılmasında yaygın olarak kullanılan yöntemler; elle ayıklama, ağır-ortam ayırması, manyetik ayırma ve flotasyondur. Magnezit ve dolomitin benzer fiziksel, kimyasal ve fizikokimyasal özelliklere sahip olması seçimli ayırmayı zorlaştırmakta, fiziksel ve kimyasal özelliklere dayanan ayırma yöntemleri magnezitdolomit ayrımında fazla etkin olamamaktadır. Bu nedenle magnezit ve/veya dolomitin fiziksel veya fiziko-kimyasal özelliklerinin değiştirilmesi gerekmektedir [5-9]. Bu çalışmada; magnezit ve dolomit in elektrokinetik potansiyeli ölçülmüş ve elektrokinetik potansiyel ile ph arasındaki regresyon denklemi belirlenerek belirlilik katsayısı (r 2 ) hesaplanmıştır. Bu çalışmanın amacı, magnezit ve dolomit minerallerinin elektrokinetik potansiyelleri ile ph ları arasındaki istatistiksel ilişkiyi regresyon denklemi yardımı ile belirlemektir.

2 N. Gence, N. Özbay ve S. Yerel 2. Eğrisel Regresyon Analizi ve Belirlilik Katsayısı Bağımlı ve bağımsız değişken arasındaki ilişki her zaman basit bir doğru fonksiyonu ile açıklanamaz. Bu gibi durumlarda doğrusal bir fonksiyon yerine eğrisel bir fonksiyon kullanılması zorunlu hale gelmektedir. İki değişken arasındaki ilişkinin doğrusal olmadığı durumlarda, serpme diyagramının yolunu en iyi şekilde belirten eğri tipi regresyon eğrisi olarak seçilir [10]. Bu şekilde modelin belirleme gücü arttırılır. Modelin belirleme gücünü arttırmak için modele bağımsız değişkenin 1., 2., vd üslerinin katılması ile oluşan modele polinomiyal regresyon adı verilir ve aşağıdaki gibi gösterilir [11-12]. Ŷ i =b 0 + b 1 X + b 2 X 2 + b k X k k=1,2,,n Burada, X : Değişken Ŷ i : X değişkeninin belli bir değerine karşın Y değişkeninin tahmin edilen değeri b 0 : X in değeri sıfır olduğunda Y nin aldığı değer (sabit sayı) b 1,,b k : X deki bir birimlik değişmenin Y de yaptığı değişikliği gösterir Eğrisel regresyon eşitliği ile grafik çizildiğinde eğrisel bir fonksiyon elde edilir. Bu eğrinin, birden fazla eğimi söz konusu olduğundan, eğrisel regresyonda, regresyon denkleminin gözlem değerlerini açıklayıp açıklamadığı belirlilik katsayısı (r 2 ) ile saptanabilir [12]. Belirlilik katsayısının (r 2 ) 0,5 olması regresyon denkleminin gözlenen değerlerin %50 sine uyduğunu açıklar. r 2 nin değeri 1,0 e yaklaştıkça belirlilik artar ve değişkenler arası ilişki güçlenir, 0 a yaklaştıkça ise belirsizlik artar ve değişkenler arası ilişki zayıflar [11]. 3. Deneysel Çalışmalar 3.1 Malzeme ve Yöntem Elektrokinetik potansiyel ölçümü çalışmalarında, Konya-Argıt yöresinden elle 398 toplanan ve olabildiğince temiz magnezit ve dolomit kullanılmıştır. Çalışmalarda kullanılan magnezit, % 46,87 MgO, % 1,15 CaO, % 1,47 SiO 2, % 0,26 Fe 2 O 3 ve % 49,83 CO 2 içerirken dolomit ise % 21,23 MgO, % 30,04 CaO, % 0,78 SiO 2, % 1,05 Fe 2 O 3 ve % 46,07 CO 2 içermektedir. Deneysel çalışmalarda kullanılan magnezit ve dolomit numunelerinin kimyasal analizleri gravimetrik ve volumetrik yöntemlerle yapılmıştır [13]. Çalışmalarda kullanılan magnezit ve dolomit minerallerinin kimyasal analizleri; araziden toplanan olabildiğince saf yaklaşık 5 er kg.lık magnezit ve dolomit numunelerinin Bozüyük Meslek Yüksekokulu kırma öğütme laboratuarlarında boyut küçültme işleminden sonra gerçekleştirilmiş ve Bozüyük Meslek Yüksekokulu Kimya laboratuarında 3 paralel örnek üzerinde yapılan analiz sonuçlarının ortalama değeri alınmıştır. MgO ve CaO miktarları volumetrik analiz, Fe 2 O 3 ve SiO 2 ise gravimetrik analiz yöntemleri ile bulunmuştur. Ölçümlerde kullanılan magnezit ve dolomit numuneleri -0,038 mm e (400 mesh) öğütüldükten sonra 15 gram magnezit ve 15 gram dolomit ayrı ayrı birkaç kez damıtık su ile yıkanmış, içinde damıtık su bulunan 1 litrelik dereceli silindir bir kaba konularak birkaç dakika karıştırılmış ve 0,010 mm nin üzerindeki boyuta sahip tanelerin Stokes yasasına [14-15] göre çökmesi sağlanmış, 0,010 mm ve daha küçük boyuttaki taneler ise elektrokinetik potansiyel ölçümlerinde kullanılmak üzere başka bir kapta stok numune olarak saklanmıştır. Magnezit ve dolomitin elektrokinetik potansiyeli Rank-Brothers Mikro-Elektroforez cihazı ile değişik ph larda mikro elektroforez yöntemi ile bulunmuştur. Her ph değeri için, stok numuneden 10 ml çözelti alınmış ve bu çözeltilerin ph ları ayrı ayrı HCl ve NaOH kullanılarak istenilen değere ayarlanmıştır. ph ölçümlerinde EDT Instruments GP353 ATC ph Meter Series3 model ph metre kullanılmıştır. Çözeltilerin ph ı ph metrenin 4, 7 ve 9 luk tampon çözeltiler ile kalibrasyonu yapıldıktan sonra ölçülmüştür. Çalışılan her ph değerinde 20 adet tanenin hareket hızı bulunmuş ve bunların ortalama değerleri alınarak elektrokinetik potansiyel hesabı yapılmıştır.

3 Magnezit ve Dolomit Minerallerinin Elektrokinetik Potansiyeli ile ph Arasındaki İstatistiksel İlişki Elektrokinetik potansiyeli hesaplamak için Helmholtz-Smoluchawski eşitliğinden yaralanılmıştır: ζ=12,83 U Burada; ζ= elektrokinetik potansiyel (mv) U= Tanenin hareketliliği (µ.sn -1.cm.volt -1 ) 12,83 katsayısı mikro elektroforez cihazında kullanılan suyun 25ºC olduğu durumlarda geçerlidir. Suyun sıcaklığı 20ºC olursa katsayı 14,2 olur [16-21]. 4. Deney Sonuçları ve Tartışma 8,9799pH 2 +50,328pH-61,563 ve belirlilik katsayısı (r 2 ) da 0,9955 olarak elde edilmiştir. Dolomit in ph ı ile elektrokinetik potansiyeli arasındaki tahmin edilen ikinci dereceden regresyon denklemi mv=0,1651ph 2-9,3276pH+53,415 ve belirlilik katsayısı (r 2 ) da 0,8941 iken üçüncü dereceden regresyon denklemi mv=0,4562ph 3-11,962pH 2 +95,296pH-238,98 ve belirlilik katsayısı (r 2 ) da 0,9201 olarak bulunmuştur (Şekil 2a ve 2b). 4.1 Elektrokinetik potansiyel ölçümü Magnezit ve dolomit numunelerinin elektrokinetik potansiyelinin ph a göre değişimi Şekil 1 ve Şekil 2 de verilmiştir. Magnezit için sıfır yük noktası ph=6,8, dolomit için ph=6,7 olarak belirlenmiştir. Sıfır yük noktasının altındaki ph larda her iki mineral içinde yüzey elektrik yükü pozitif işaretli, daha yüksek ph larda ise negatif işaretlidir (Şekil 1 ve Şekil 2). Çözeltiye OH iyonları ilave edildiği zaman OH iyonlarının adsorpsiyonu nedeniyle magnezit ve dolomitin yüzey elektrik yükü negatif, H + iyonları ilave edildiği zaman ise pozitif işaretli olmaktadır. H + ve OH iyonlarının konsantrasyonlarının değişimi sadece elektrokinetik potansiyelin mutlak değerini değil aynı zamanda işaretini de değiştirmektedir. Bu nedenle H + ve OH iyonları magnezit ve dolomit için potansiyel belirleyen iyonlardır. Literatürde de magnezit ve dolomit için potansiyel belirleyen iyonların H + ve OH iyonları olduğu saptanmıştır [16, 18]. Şekil 1. (a) Magnezit in ph ı İle Elektrokinetik Potansiyeli Arasındaki İkinci Dereceden Regresyon Denklemi ve Belirlilik Katsayısı. (b) Magnezit in ph ı İle Elektrokinetik Potansiyeli Arasındaki Üçüncü Dereceden Regresyon Denklemi ve Belirlilik Katsayısı ph ile elektrokinetik potansiyeli arasındaki istatistiksel ilişki Şekil 1a ve 1b den de görüldüğü gibi, magnezit in ph ı ile elektrokinetik potansiyeli arasındaki tahmin edilen ikinci dereceden regresyon denklemi mv=1,8304ph 2-38,516pH+173,39 ve belirlilik katsayısı (r 2 ) da 0,9758 olarak elde edilirken, üçüncü dereceden regresyon denklemi ile mv=0,4245ph 3-399

4 N. Gence, N. Özbay ve S. Yerel Şekil 2. (a) Dolomit in ph ı İle Elektrokinetik Potansiyeli Arasındaki İkinci Dereceden Regresyon Denklemi ve Belirlilik Katsayısı. (b) Dolomit in ph ı İle Elektrokinetik Potansiyeli Arasındaki Üçüncü Dereceden Regresyon Denklemi ve Belirlilik Katsayısı. 5. Sonuçlar Magnezit için sıfır yük noktası ph=6,8, dolomit için ph=6,7 olarak belirlenmiştir. H + ve OH iyonları magnezit ve dolomit için potansiyel belirleyen iyonlardır. Magnezit ve dolomitin benzer yüzey özelliklerine sahip olması flotasyon ile zenginleştirme yönteminde seçimli ayırmayı zorlaştırmaktadır. Bu nedenle magnezit ve/veya dolomitin yüzey özelliklerinin değiştirilmesi gerekmektedir. Flotasyon pülpündeki bütün mineraller kollektörlerle kaplanarak flotasyona uygun yüzey özellikleri kazanırsa, bu minerallerin flotasyon yöntemi ile birbirinden ayrılması mümkün olmaz. Mineralleri birbirinden ayırabilmek için, bazı minerallerin kollektörle kaplanarak köpüğe yapışabilir bir özellik kazanması, diğerlerinin ise kollektörün etkisinde kalmayarak, ıslanabilme özelliklerini korumaları istenir. Flotasyon çalışmalarında: flotasyon ile zenginleştirilmesi istenilen minerallerin ph zpc değerlerini ve değişik ph lardaki elektrokinetik potansiyellerini bilmek flotasyon yönteminin hangi ph larda uygulanabileceğini ve ne tür flotasyon reaktiflerinin kullanılabileceğini belirlemek açısından önemlidir. Bu çalışmada da kullanılan magnezit ve dolomit numuneleri aynı fizikokimyasal özelliklere sahiptir. Bu mineralleri flotasyon yöntemi ile seçimli olarak birbirinden ayırmak istenildiğinde, magnezite hidrofobik dolomite ise hidrofilik özellik kazandıracak flotasyon reaktiflerinin kullanılması gerekecektir. Magnezit ve dolomitin belirlilik katsayısı ikinci ve üçüncü dereceden regresyon modeli kullanılarak belirlenmiştir. Üçüncü derece regresyon modeli ile elde edilen sonuçlar magnezit ve dolomitin elektrokinetik potansiyeli ile ph arasındaki ilişkiyi daha iyi açıklamaktadır. Bu nedenle çalışmalarımızda üçüncü dereceden regresyon modeli seçilmiştir (Şekil 1-2). Magnezitin elektrokinetik potansiyelinde (mv) meydana gelen değişmenin %99,55 i ph değişkeni tarafından belirlenirken dolomitin elektrokinetik potansiyelinde (mv) meydana gelen değişmenin ise %92,01 i ph değişkeni tarafından belirlenmektedir. Magnezit ve dolomitin belirlilik katsayısının 1 e yaklaşması elektrokinetik potansiyel ile ph arasındaki ilişkinin kuvvetli olduğu şeklinde yorumlanabilir. Magnezitin belirlilik katsayısı 1 e dolomitinkinden daha fazla yakındır. Dolomitin belirlilik katsayısının magnezite göre 1 den uzak olmasının nedeni dolomitin içerisindeki Ca miktarının magnezite göre daha fazla olmasıyla açıklanabilir. Şekil 1 ve 2 den de görüldüğü gibi magnezit ve dolomit minerallerinin elektrokinetik potansiyelleri ile ph arasında bir ilişki vardır. ph değişimi ile magnezit ve dolomit minerallerinin yüzey elektrik yükü hem işaret (pozitif/negatif) olarak hem de mutlak değer olarak değişiklik göstermektedir. Bu çalışma ile de magnezit ve dolomit minerallerinin elektrokinetik potansiyelleri ile ph arasında bu ilişkinin varlığı istatistiksel olarak da açıklanmıştır. 400

5 Magnezit ve Dolomit Minerallerinin Elektrokinetik Potansiyeli ile ph Arasındaki İstatistiksel İlişki 6. Kaynakça 1. Duncan, L. R., McCracken, W. H. (1994). Magnesite and Magnesia, Industrial Minerals and Rocks, 6 th Edition, (Donald D.Carr, Senior Editor), Society for Mining, Metallurgy and Exploration, Inc., Littleton, Colorado, Carr, D.D., Rooney, L. F., Freas, R. C. (1994). Limestone and Dolomite, Industrial Minerals and Rocks, 6 th Edition, (Donald D.Carr, Senior Editor), Society for Mining, Metallurgy and Exploration, Inc. Littleton, Colorado, Garcis, H. (1998). The Turkish Magnesite Industry, Industrial Minerals Supplement, March, Kužvart, M. (1984). Industrial Minerals and Rocks, Elsevier Science Publishing Comp. Inc., New York, 454p. 5. Hanna, H. S., Somasundaran, P. (1976). Flotation of Salt-Type Minerals, Flotation, A.M. Gaudin Memorial Vol. I, New York, Brandao, P. R. G., Poling, G. W. (1988). Flotation of Magnesite with Sodium Oleate as Collector, an Infrared Spectrophotometric Study, 16 th International Mineral Processing Congress, Matis, K. A., Gallios, G. P. (1989). Anionic Flotation of Magnesium Carbonates by Modifiers, International Journal of Mineral Processing, Volume 25, Issues 3-4, Sengupta, D. K., Sastri, S. R. S., Narasimhan, K. S., Jena, P. K. (1974). Some Aspects of Magnesite and Dolomite Beneficiation, Journal of Mines, Metals and Fuels, 22(8), Sengupta, D. K., Sastri, S. R. S., Narasimhan, K. S. (1978). Beneficiation of Low-Grade Magnesite, Symp. on Metallurgical Wastes, Regional Research Lab. Bhubaneswar, Serper, Ö. (2000) Uygulamalı İstatistik II, Ezgi Kitabevi, Bursa, Türkiye, Konuk, A., Önder, S. (1999). Maden İstatistiği, Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü, Eskişehir, Türkiye, 91-92, Özdamar, K. (2004). Paket Programlar İle İstatistiksel Veri Analizi 1, Kaan Kitabevi, Eskişehir, Türkiye, Gündüz, T. (1990). Kantitatif Analiz Laboratuar Kitabı, Bilge Yayıncılık Tercüme ve Dağıtım, 312 s. 14. Poslu, K. (1987). Parça Mekaniği Ders Notları, Anadolu Üniversitesi. (Yayınlanmamış) 15. Özdağ, H. (1992). Cevher Hazırlama I, Anadolu Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Yayınları No:107, 151 s. 16. Atalay, M. Ü. (1986). Surface Properties of Chromite and Concentration of Chromite Gravity Tailing, Doktora Tezi, O.D.T.Ü., Ankara, Türkiye. 17. Atak, S. (1974). Flotasyon İlkeleri ve Uygulaması, İ.T.Ü., Maden Fakültesi, İstanbul, Türkiye, 30-34, Castellan, W. G. (1971). Physical Chemistry, University of Maryland, Addison - Wesley Publishing Company. 19. Fuerstenau, M. C., Miller, J. D., Khun, M. C. (1984). Chemistry of Flotation, American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers, Mari, S., Okomoto, H., Hara, T., Asa, K. (1980). An Improved Method of Determining the Zeta Potential of Mineral Particles Processing, Vol. 1. Proceeding, Las Vegas, Nevada, Prédali, J. J., Cases, J. M. (1973). Zeta Potential of Magnesian Carbonates in Inorganic Electrolytes, J. Colloid Interface Sci., 45(3):