Reolojik Uygulamalar İçin Hidrosiklonla Saf Sepiyolit Eldesi

XIII. Ulusal Kil Sempzyumu, - Eylül 27, Isparta-Turkey, 4-152 Reolojik Uygulamalar İçin Hidrosiklonla Saf Sepiyolit Eldesi Mustafa ÇINAR 1, Eyüp SABAH 2 ve Mehmet Sabri ÇELİK 3 1 Dumlupınar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü KÜTAHYA (mcinar@dumlupinar.edu.tr) 2 Afyon Kocatepe Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü AFYON (esabah@aku.edu.tr) 3 İstanbul Teknik Üniversitesi Maden Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü İSTANBUL (mcelik@itu.edu.tr) ÖZET: Bu çalışmada kahverengi sepiyolit içerisindeki safsızlıkların (dolomit, kuvars, kalsit, feldspat) uzaklaştırılması ve reolojik özellikleri yüksek sepiyolit eldesi amaçlanmıştır. Bunun için hidrosiklonda zenginleştirme deneyleri yapılmıştır. Deneyler -11 mm vorteks çaplı siklonlarla yürütülmüş ve değişken parametreler olarak besleme basıncı ile siklon alt çıkış çapı alınmıştır. Siklon alt ve üst çıkış ürünleri viskozite testlerinden geçirilerek, ürün kalitesindeki değişimler incelenmiştir. ABSTRACT; In this study, sepiolite production with high rheological properties are investigated by removing impurities such as dolomite quarts, calcite and feldspar in brown-colored sepiolite samples. To remove the impurities in the structure of sepiolite, beneficiation tests are carried out by hydrocyclone methods. The tests are performed with a cyclone at a vortex diameter of -11 mm and the feed pressure underflow diameter of the cyclone are taken as operating parameters as variables. The variation in the yields are investigated by making viscosity tests with underflow and overflow of cyclone. 1. GİRİŞ Fiziksel, fiziko-kimyasal, reolojik vs. birçok özelliklerinden dolayı sayısız kullanım alanına (Sabah, 199; Kara, 1999) sahip stratejik bir kil minerali konumunda olan sepiyolitin, özellikle reolojik özelliğine dayalı kullanım alanları son yıllarda hızla artmaktadır. Sepiyolit yapıda bulunan iğne şekilli lif kümeleri (fiberler), yüzey özellikleri ile birlikte, sepiyolitin reolojik özelliklerini belirleyen en önemli unsurlardır (Santaren, 1993; Simonton vd. 19); lifsi yapısı nedeniyle, düşük konsantrasyonlarda yüksek viskoziteli stabil süspansiyonlar vermesi, bu alanda kullanılan diğer killere karşı üstünlük sağlamaktadır (Mart vd. 23). Killer geçmişten günümüze birçok endüstriyel alanda yaygın olarak kullanılmış, çeşitli araştırmacı ve endüstriyel kuruluşlar killerin daha fazla saflaştırılması yani içerdiği empüritelerin uzaklaştırılması için çeşitli çalışmalar gerçekleştirmişlerdir. Killerin zenginleştirilmesi için (Pickering ve Murray, 1994; Prasad vd., 1991) genellikle havalı sınıflandırma, kalsinasyon, manyetik ayırma, hidrosiklon, flotasyon vb. yöntemlerin uygulandığı, literatürden bilinmektedir. Yaş zenginleştirme yöntemlerinden biri olan 4

hidrosiklon, genelde susuzlaştırma amaçlı kullanımının yanı sıra zenginleştirme amaçlı olarak da kullanılmaktadır. Zenginleştirme amaçlı olarak Mısır ve Çankırı bentonitinden daha saf bentonit eldesi için çalışmalar yapılmış ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir (Hassan ve Abdal-Khalek, 199; Avcı vd., 25). Bu çalışma kapsamında, yaygın bir kullanım alanına sahip olan sepiyolitin hidroksiklonda zenginleştirilebilirliği araştırılmış, reolojik amaçlı uygulamalar için daha saf ve kaliteli ürün eldesi amaçlanmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Malzeme ve Yöntem Deneylerde kullanılan kahverengi sepiyolit, Eskişehir de faaliyet gösteren MAYAŞ firmasından temin edilmiştir. Sözkonusu kahverengi sepiyolite ait kimyasal analiz sonuçları Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Kahverengi sepiyolitin kimyasal analizi. SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO CaO Na 2 O K 2 O Top. % % % % % % % % 5.4 1.39.5 21.4.4.9.2 99.9 çapı, siklon alt çıkış (apeks) çapı ve besleme basıncı değişken parametreler olarak alınmıştır. İlk önce malzeme mm vorteks ve farklı apeks çaplarında (sırasıyla 2.2, 3.2, 4.5 ve.4 mm) ve farklı besleme basınçlarında (sırasıyla.5, 1 ve 2 psi) siklona beslenmiştir. Daha sonraki deneyler, aynı şartlarda ve bu kez 11.1 mm vorteks çaplı hidrosiklonda gerçekleştirilmiştir. Her iki vorteks çapında yapılan hidrosiklon deneylerinde, bir üst akım ve adet alt akım alınmıştır. Elde edilen ürünlerin boyut dağılımları FRITSCH Analysette 22 Compact Partical Sizer cihazı ile belirlenmiş, BET yüzey alanı ölçümlerinde ise Quanto Chrome Monosorb yüzey alanı ölçüm cihazı kullanılmıştır. Reolojik özelliklerin tespiti için %3 katı oranında süspansiyonlar hazırlanmış (Çınar vd., 25), viskozite ölçümleri Brookfield RVDV-II+ model viskozimetre cihazında gerçekleştirilmiştir. 3. SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ 3.1. Boyut dağılımı Hidrosiklon alt ve üst akımlarından alınan ürünlere ait boyut analizi verilerinden elde edilen D 9, D 5, ve D 1 değerlerine, hidrosiklon vorteks çapının etkisi sırasıyla şekil 3, 4 ve 5 de sunulmuştur. Kahverengi sepiyolit numuneleri, % 4.5 katı oranında seramik bilyalı değirmende öğütülmüş ve öğütülen malzeme % 3 katı oranına düşürüldükten sonra doğrudan Mozley marka hidrosiklona beslenmiştir. Hidrosiklon deneyleri Şekil 1 ve 2 de verilen akım şemasına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Siklon deneylerinde; vorteks 5

Öğütme, % 3 katı kons. Öğütme, % 3 katı kons. D V : mm; D A : 2.2 mm; P:.5 psi Alt akım 1 % 9.11 D V : 11.1 mm; D A : 2.2 mm; P: 2 psi Alt akım 1 % 1.42 D V : mm; D A : 2.2 mm; P: 1 psi D V : mm; D A : 2.2 mm; P: 2 psi D V : mm; D A : 3.2 mm; P:.5 psi D V : mm; D A : 3.2 mm; P: 1 psi D V : mm; D A : 3.2 mm; P: 2 psi D V : mm; D A : 4.5 mm; P:.5 psi D V : mm; D A : 4.5 mm; P: 1 psi D V : 11.1 mm; D A : 4.5 mm; P: 2 psi D V : mm; D A :.4 mm; P:.5 psi Alt akım 2 % 7.55 Alt akım 3 %. Alt akım 4 % 9.32 Alt akım 5 % 7.47 Alt akım % 7.55 Alt akım 7 % 1.35 Alt akım % 7.41 Alt akım 9 % 5.7 Alt akım 1 %. D V : mm; D A :.4 mm; P: 1 psi Alt akım 11 % 5.31 Nihai üst akım % 15.41 Şekil 1. Hidrosiklon deneyi akım şeması (D V : mm; D A : 2.2, 3.2, 4.5,.4 mm). D V : 11.1 mm; D A : 2.2 mm; P: 1 psi D V : 11.1 mm; D A : 2.2 mm; P:.5 psi D V : 11.1 mm; D A : 3.2 mm; P: 2 psi D V : 11.1 mm; D A : 3.2 mm; P: 1 psi D V : 11.1 mm; D A : 3.2 mm; P:.5 psi D V : 11.1 mm; D A : 4.5 mm; P: 2 psi D V : 11.1 mm; D A : 4.5 mm; P: 1 psi D V : 11.1 mm; D A : 4.5 mm; P:.5 psi D V : 11.1 mm; D A :.4 mm; P: 2 psi D V : 11.1 mm; D A :.4 mm; P: 1 psi D V : 11.1 mm; D A :.4 mm; P:.5 psi Alt akım 2 % 5.9 Alt akım 3 % 4.4 Alt akım 4 %.21 Alt akım 5 % 5.22 Alt akım % 5.11 Alt akım 7 %.43 Alt akım % 5.79 Alt akım 9 %.13 Alt akım 1 %.1 Alt akım 11 % 5.4 Alt akım % 4. Nihai üst akım13 % 17.4 Şekil 2.Hidrosiklon deneyi akım şeması (D V : 11.1 mm; D A : 2.2, 3.2, 4.5,.4 mm).

Boyut D5, mikron Boyut D1, mikron Boyut D9, mikron 4 35 3 25 2 15 5 1 15 Siklon Ayırma Kademesi Dv= 11.1 mm Dv= mm Şekil 3. Kahverengi sepiyolitin D 9 boyutunun kademe sayısı ve vorteks çapına bağlı olarak değişimi. 1 15 13 11 1 9 7 5 1 15 Siklon Ayırma Kademesi Dv= 11.1 mm Dv= mm Şekil 4. Kahverengi sepiyolitin D 5 boyutunun kademe sayısı ve vorteks çapına bağlı olarak değişimi. Hidrosiklon alt ve üst akımı ürünlerine ait kimyasal analiz sonuçlarında kayda değer önemli herhangi bir değişim gözlenmemiş (Tablo 2), yüzey alanı ölçümleri de alt (Siklon Alt-1) ve üst akım (Siklon Alt-5) ürünleri arasında bir farklılığın (353 m 2 /g) olmadığını göstermiştir. Bu durum, hidrosiklonun zenginleştirmeden çok boyuta göre sınıflandırma yaptığını göstermektedir. Tablo 2. mm vorteks çaplı hidrosiklonda elde edilen ürünlerin kimyasal analizi ve yüzey alanı. 4.5 4.3 4.1 3.9 3.7 3.5 3.3 3.1 2.9 2.7 2.5 Siklon Alt-1 Siklon Alt-5 Yüzey alanı, m 2 /g 353 353 SiO 2, % 5. 51.9 Al 2 O 3 % 1.3 1.77 Fe 2 O 3 %.52.7 MgO, % 21.7 21.5 CaO, %.24.5 Na 2 O, %.7.35 K 2 O, %.1.3 LOI, % 23. 22.51 Top., % 1.23 99.33 5 1 15 Siklon Ayırma Kademesi Dv= 11.1 mm Dv= mm Şekil 5. Kahverengi sepiyolitin D 1 boyutunun kademe sayısı ve vorteks çapına bağlı olarak değişimi. Şekil 3, 4 ve 5 den de görüldüğü gibi, siklon ayırma kademe sayısı ve vorteks çapının ürünlerin D 9 boyutuna bir etkisi olmamış, D 5 ve D 1 boyutlarına inildikçe ayrılmaların olduğu gözlenmiştir. Bu da siklonda vorteks çapı ve besleme basıncı uygulama şeklinin önemli olduğunu göstermektedir (büyükten küçüğe veya küçükten büyüğe doğru). Burada dikkat edilmesi gereken husus, kademe sayısına göre alt akım ve üst akımdan elde edilen ürünlerin 7

Görünür Viskozite, cp aa D 5 Boyutu, mikron aa ağırlıkça yüzde miktarlarıdır. Şekil 1 ve 2 den de görüldüğü gibi, 11.1 vorteks çapında,.5 psi besleme basıncı ve 2.2 apeks çapında malzemenin %1.42 si alt akımdan gelirken, mm vorteks çaplı siklona aynı koşullarda aynı miktarda beslenen malzemenin ancak % 9.11 i alt akımdan gelmektedir. Yine, akım şemaları incelendiğinde, iri boyutlu malzemenin yüksek basınçta beslenmesi halinde, her iki durumda da bu malzemenin önemli bir kısmının alt akımdan geldiği görülmektedir. Her iki vorteks çaplı hidrosiklondan elde edilen bulgular, beslemenin büyük basınçtan küçük basınca doğru yapılmasının boyut ayırma işlemi yönünden daha etkin olduğu göstermektedir. Düşük belseme basınçlarında önemli miktarda küçük boyutlu tanenin, büyük boyutlu tanelerle birlikte gelmesi iyi bir boyut ayırımının yapılamadığını göstermektedir. Büyük besleme basınçlarından küçüğe doğru inildikçe daha iyi bir boyut ayırımı gerçekleşirken, alt akımdan birbirine daha yakın boyutlu malzemeler alınmakta ve ürünler daha homojen bir dağılım göstermektedir. 3.2. Viskozite İki farklı vorteks çapında gerçekleştirilen hidrosiklon testlerinden elde edilen ürünler o C de kurutulduktan sonra, her kademe için %3 katı oranında süspansiyonlar hazırlanmış ve reolojik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Viskozite-kayma hızı ölçümleri, viskozitenin zamana göre değiştiğini göstermiş, kayma hızı-kayma gerilimi ölçümleri sonucunda da her kademede alınan ürünlerin benzer özellikler taşıdığı tespit edilmiştir. ve 11.1 mm vorteks çaplı hidrosiklonlarla her kademede elde edilen ürünlerin görünür viskozitelerindeki değişim, D 5 boyutuyla karşılaştırılmalı olarak Şekil ve 7 de verilmiştir. 3 25 2 15 1 5 Viskozite 15. dak. D5 Boyutu 2 4 1 Kademe Sayısı Şekil. mm vorteks çaplı hidrosiklonda gerçekleştirilen zenginleştirme işlemi sonrasında, kahverengi sepiyolitin görünür viskozite ve D 5 boyutunun kademe sayısına bağlı olarak değişimi. mm vorteks çaplı hidrosiklonla yapılan boyut ayırma işlemlerinde, D 5 boyutu, kademe sayısı arttıkça doğrusal olarak azalmış, görünür viskozite boyuttaki azalmaya bağlı olarak artmıştır (Şekil ). Ancak, burada dikkati çeken husus, son kademeler hariç, süspansiyonun ayırma öncesi orijinal değerinden daha düşük viskozite vermesidir. 11.1 mm vorteks çaplı hidrosiklonla yapılan boyut ayırma işlemlerinde ise, bir dalgalanma görünmektedir (Şekil 7). Tane boyutunda gözlemlenen bu dalgalanma, apeks çapları kendi içinde değerlendirildiğinde oluşmazken, basınç düşüşüne paralel olarak lineer olarak azalmaktadır. Apeks çaplarına bağlı bu dalgalanma, her kademe için elde edilen görünür viskozite değerlerinde de görülmektedir. Elde edilen viskozite değerleri, orijinal sepiyolitin viskozite değerlerinden bile daha yüksektir (Çinar, 25). 1 4 2

Görünür Viskozite, cp aa D 5 Boyutu, mikron aa Görünür Viskozite, cp aa D5 Boyutu, mikron aa 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 2 4 1 Kademe Sayısı Viskozite 15.dak D5 Boyutu Şekil 7. 11.1 mm vorteks çaplı hidrosiklonda gerçekleştirilen zenginleştirme işlemi sonrasında, kahverengi sepiyolitin görünür viskozite ve D 5 boyutunun kademe sayısına bağlı olarak değişimi. İki ayrı vorteks çapında hidrosiklon ile yapılan zenginleştire işlemi sonrasında elde edilen veriler karşılaştırıldığında (Şekil ), hidrosiklon vortex çapının, sepiyolitin viskozitesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu görülmektedir. Siklonla yapılan zenginleştirme işleminde diğer bir önemli parametre, hidrosiklon besleme basıncının uygulanış şeklidir. İyi bir ayırma için yüksek besleme basınçlarında çalışmak gerekmektedir. Boyut dağılımının görünür viskoziteye etkisi incelendiğinde, malzemenin dar boyut gruplarına ayrılmasının viskozitesinin de paralel olarak artmasına; tersi durumda ise, viskozitenin önemli ölçüde azalmasına neden olduğu görülmektedir. 11.1 mm vorteks çaplı hidrosiklonda boyut ayırması mm vorteks çaplı hidrosiklona göre daha iyi sonuç vermekte, 11.1 mm çaplı hidrosiklondan alınan ürünlerin viskozitesi mm çaplı hidrosiklon ürününden daha yüksek çıkmaktadır. 1 1 4 2 4 35 3 25 2 15 1 5 Viskozite 15.dak 2 4 1 Kademe Sayısı Viskozite 15. dak. 11.1 mm D5 Boyutu mm D5 Boyutu Şekil. 11.1 ve mm vorteks çaplı hidrosiklonlarda gerçekleştirilen zenginleştirme işlemi sonrasında, kahverengi sepiyolitin görünür viskozite ve D 5 boyutunun kademe sayısına bağlı olarak değişimi. Yine 11.1 mm vorteks çaplı hidrosiklonla yapılan zenginleştirme işlemi sonrasında elde edilen ürünlerden, yüksek viskozite veren (değerleri elde edilen) ürünlerle (3-4-9-11-) düşük viskozite veren (değerleri elde edilen) ürünler (1-2-5--1,) kendi içerisinde katı oranı % 3 olacak şekilde, bire bir oranında karıştırıldığında, viskozite değerlerinin gözle görülür şekilde düştüğü (yüksek viskozite veren ürünlerin viskozite değerinin 24 cp e ve düşük viskozite veren ürünlerin viskozite değerinin 249 ya) gözlenmiştir. Bu durum viskozite ve dolayısıyla ağ oluşumunda boyutun ne denli önemli olduğuna işaret etmektedir. 4. SONUÇLAR Kahverengi sepiyolitin zenginleştirilmesi amacıyla hidrosiklon deneyleri yapılmış, sepiyolit ve ona eşlik eden safsızlıkların boyut dağılımlarından hareketle boyuta göre sınıflandırma ile 1 1 4 2 9

zenginleştirmenin mümkün olabileceği görülmüştür. Hidrosiklon deneyleri, boyut farkına dayalı zenginleştirmenin en verimli olduğu hidrosiklon çalışma parametresinin, besleme basıncı olduğunu ve yüksek basınçlı bir besleme ile etkin bir ayırmanın sağlanabileceğini göstermiştir. Yüksek besleme basınçlarında yapılan ayırma işlemlerinde malzeme, birbirine yakın boyutlarda sınıflandırılmakta ve böylelikle daha yüksek viskozite değerleri elde edilmektedir. Düşükten yükseğe doğru artan basınçlarda besleme yapılması durumunda siklonun ayırma hassasiyeti azalmakta, bu durum daha geniş boyut aralığında malzeme ve düşük viskoziteli ürünlerin eldesine neden olmaktadır. KAYNAKLAR Çınar, M., Sabah, E., Can, M.. F. ve Çelik, M..S., 25. Asidik ve Bazik Ortamlarda Öğütülen Sepiyolitin Reolojik Özellikleri.. Ulusal Kil Sempozyumu, Yakupoğlu, T., Açlan, M., Köse, O., (ed), 5-9 Eylül, Van, 3-13. Çınar, M., 25. Sepiyolitin Reolojik Özelliklerinin Belirlenmesi ve Su Bazlı Sepiyolit Üretimi. Doktora Tezi, İTÜ. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Avcı, S.. B., Çınar, M., Çinku, K., Kılınç, T. ve Çelik, M..S. 25. Yaş Yöntemle Zenginleştirilmiş Çankırı Bentonitinden Çeşitli Endüstriyel Ürün Geliştirilmesi.. Ulusal Kil Sempozyumu, Yakupoğlu, T., Açlan, M., Köse, O., (ed), 5-9 Eylül, Van, 4-4. Hassan, M.S. ve Abdel-Khalek, N.A., 199. Benefication and Applications of an Egyptian Bentonite, Applied Clay Science, No.13, 99-115. Pickering, S.M. Jr., ve Murray, H.H., 1994. Kaolin. In:, Industrial Minerals and Rocks. th edn. Society for Mining, Metallurgy and Exploration, Carr, D.D. (ed.), Littleton, CO, 225-277. Prasad, M.S., Reid, K.J. ve Murray, H.H., 1991. Kaolin: Processing, Properties and Applications. Applied Clay Science, No., 7-119. Kara, M., 1999. Toksik ağır metal iyonlarının sepiyolit üzerine adsorpsiyon mekanizması, Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Mart, U., Çınar, M., Ersoy, B. ve Çelik, M.S., 23. Sepiyolitin reolojik özellikleri üzerinde inorganik elektrolitlerin etkisi, XI. Ulusal Kil Sempozyumu, Yapar, S., Yılmaz, H., (ed), 3- Eylül, İzmir, 449-457 Sabah, E., 199. Çeşitli amin türleri kullanılarak sepiyolitin adsorpsiyon mekanizmasının açıklanması, Doktora Tezi, O.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir. Santaren, J., 1993. Sepiolite: a mineral thickener and rheology additive, Modern Paint and Coatings, 9-72. Simonton, T.C., Komarneni, S. ve Roy, R., 19. Gelling properties of sepiolite versus montmorillonite, Applied Clay Science, No.3, 15-17. 15