کاربرد فناوری نانو در فرآوری مواد معدنی
کاربرد فناوری نانو در فرآوری مواد معدنی فناورى نانو به سه زیر شاخه بالا به پایین، پایین به بالا (روش هاى ساخت) و نانو محاسبات (روش هاى مدل سازى و شبیه سازى) تقسیم بندى مى شوند که هر کدام از این روش ها نیز به شاخه هاى گوناگون تقسیم مى شوند. کاهش اندازه میکرو ساختارى مواد موجود مى تواند تاثیرات بزرگى را به وجود آورد. مثلاً همان طور که اندازه دانه یا کریستال در یک فلز به سمت نانو مقیاس حرکت مى کند، نسبت اتم هاى موجود بر روى مرزهاى دانه هاى این جسم جامد افزایش پیدا مى کند و آنها رفتارى کاملاً متفاوت از اتم هایى که روى مرز نیستند بروز مى دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثیر قرار دادن رفتار ماده مى کنند و در نتیجه در فلزات، افزایش استحکام، سختى، مقاومت الکتریکى، ظرفیت حرارتى ویژه، بهبود انبساط حرارتى و خواص مغناطیسى و کاهش رسانایى حرارتى دیده مى شود.
در اختلاط شدید از انواع همزن هاى دور بالا، همگن سازها، آسیاب هاى کلوییدى و غیره مى توان براى تهیه قطرات ریز یک مایع در مایع دیگر (نانو کپسول ها) سود جست. البته عوامل فعال سطحى (خودآرایى) نقش کلیدى در ایجاد و پایدارى این نانو امولسیون ها دارد. در روش استفاده از آسیاب گلوله اى با آسیا و یا پودر کردن مى توان براى ایجاد نانو ذرات استفاده کرد. خواص نانو ذرات حاصل تحت تاثیر نوع ماده آسیاکننده، زمان آسیا و محیط اتمسفرى آن قرار مى گیرد. از این روش مى توان براى تولید نان ذراتى از مواد استفاده کرد که با روش هاى دیگر به آسانى تولید نمى شوند. البته آلودگى حاصل از مواد محیط آسیاب کننده هم مى تواند مشکل ساز باشد. نانو ذرات در حال حاضر از طیف وسیعى از مواد ساخته مى شوند. معمول ترین آنها نانو ذرات سرامیکى بوده که به بخش سرامیک هاى اکسید فلزى (نظیر اکسیدهاى تیتانیوم، روى، آلومینیوم و آهن و نانو ذرات سیلیکاتى (عموماً به شکل ذرات نانو مقیاسى رس) تقسیم مى شود. طبق تعریف حداقل باید یکى از ابعاد آنها کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. نانو ذرات سرامیکى فلزى یا اکسید فلزى معمولاً اندازه یکسانى از دو یا سه نانو متر تا ۱۰۰ نانو متر – در هر سه بعد دارند شاید شما انتظار دارید که چنین ذرات کوچکى در هوا معلق بمانند اما در واقع آنها به وسیله نیروهاى الکترواستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزى رسوب مى کنند. کاربردهاى بازارپسند این نانو مواد بسیار زیاد است. خردایش یک فرآیند منحصر به فردى است که در محدوده وسیعى از کابردهاى صنعتى جهت تولید ذرات ریز کاربرد دارد اما بسیار مشکل است که توسط خردایش، ذرات را به سایز بسیار ریز تبدیل کنیم و علاوه بر این، خردایش بسیار ریز به علت ظرفیت پایین آسیا و مصرف انرژى بالا، بسیار گران است. بنابراین افزایش در کارآیى خردایش، تاثیر مفید اساسى بر روى مصرف انرژى خردایش و هزینه خواهد داشت. براى رسیدن به این هدف، انتخاب آسیاى مناسب و عملیات در شرایط بهینه آسیا کردن لازم و ضرورى به نظر میرسد. در این جهت از آسیاى سانتریفیوژ استفاده مى شود که، یک آسیاى با قدرت بالا بوده و میتواند جهت خردایش بسیار ریز مواد مورد استفاده قرار گیرد. این آسیا با به کارگیرى نیروهاى سانتریفیوژ تولید شده توسط دوران محور لوله آسیا در یک چرخه فعالیت میکند. همچنین در فناورى نانو میتوان توسط فرآیند شیمى مکانیکى ترکیبات اکسى فلوراید لانتانیوم (Loaf) را در حد سایز بسیار ریز نانو به دست آورد. اکسى فلوراید لانتانیوم مى تواند یک فعال کننده، ماده میزبان فسفر، کاتالیزور براى جفت شدن اکسایشى متان و یا اکسایش هیدروژن زدایى متان باشد. این ماده توسط دو روش مهم ترکیب مى شود. اولین شیوه، فرآیند ترکیبى حالت جامد تحت فشار و حرارت بالا بوده و فعل و انفعالات مستقیمى را در بین مواد موجب مى شود و دیگرى فرآیند electro_winning است که جهت آماده سازى به یک محلول آبدار و یا یک نمک گداخته نیاز دارد. در این روش هاى ترکیبى، از فلوراید لانتانیوم یا آمونیوم فلوراید به عنوان یک منبع فلوراید مورد استفاده قرار مى گیرد که طبعاً داراى هزینه بالایى نیز است. روش جایگزین دیگر جهت ترکیب مواد کاربردى بدون استفاده از گرما مى باشد. در این روش تنها از یک دستگاه خردایش با قدرت بالا نظیر آسیاى Planetary استفاده مى شود، به طورى که در این روش مسائل آلودگى هاى زیست محیطى به حداقل رسیده و دلیل آن عدم وجود مواد مضرى چون فلوئورین در گازهاى خروجى آن است. جهت جلوگیرى از وجود ناخالصى هاى ناشى از پوشش گلوله هاى مورد استفاده در آسیا در زمان خردایش، از گلوله هاى از جنس زیر کونیوم استفاده مى شود که در مقابل سائیدگى مقاوم است
پاسخ : کاربرد فناوری نانو در فرآوری مواد معدنی
مقدمه
مواد معدني استخراج شده از معادن براي اينکه قابل استفاده در صنعت باشند بايد فرآوري شوند. بخش فرآوري در معدن با هدف حذف مواد ناخواسته (باطله) و افزايش عيار ماده معدني (توليد کنسانتره) نقش واسطه بخش معدن و صنايع مختلف را ايفا مي‌نمايد. اهميت فلزات يا کاربردهاي متعدد بويژه در مصارف جديد بر هيچ کس پوشيده نيست و بخش فرآوري معدن فراهم کننده خوراک اوليه تمام کارخانجات ذوب و تغليظ فلزات در صنعت متالورژي مي‌باشد.
در مورد مواد غير فلزي يا همان کانيهاي صنعتي نيز تقريباً تمامي صنايع مهم اقتصادي کشورها مانند صنايع شيميايي، کشاورزي، ساختمان، سراميک، ذوب فلزات و حتي پزشکي، تماماً به گونه‌اي مصرف کننده مواد معدني هستند و اولين مرحله از خالص‌سازي اين مواد در بخش فرآوري معدن صورت مي‌گيرد.
اهداف و زمينه‌هاي فعاليت مرکز فرآوري مواد معدني
هدف از تأسيس مرکز فرآوري مواد معدني در دراز مدت پايه‌گذاري اصولي صنايع معدني و شتاب‌دهي به توسعه کمي و کيفي اين صنعت با استفاده از فن‌آوري نوين در استحصال مواد معدني و تأمين مواد اوليه مورد نياز صنايع مختلف در کشور و در نتيجه کاهش وابستگي به واردات در اين زمينه مي‌باشد. در راستاي اين اهداف، موارد زير نيز بعنوان هدفهاي کوتاه مدت مطرح شده‌اند:
§ استقرار مرکز تحقيقات فرآوري مواد معدني با قابليتهاي زير، به عنوان رکن اساسي در امر تحقيق و توسعه و ارائه خدمات ضروري در زمينه اهداف دراز مدت:
-گسترش و بهينه‌سازي فرآيندهاي فرآوري مواد معدني يا انجام تحقيقات و مطالعات آزمايشگاهي و نيمه صنعتي و تهيه طرحهاي فرآوري در مقياس صنعتي
- انجام آزمايشهاي مختلف کاني‌شناسي و شيميايي بر روي نمونه‌هاي زمين‌شناسي، معدني و مربوط به فرآيندهاي فرآوري
- آموزش فارغ‌التحصيلان دانشگاهها و شاغلين بخش معدن و تأمين نيروهاي متخصص در زمينه فرآوري مواد معدني
- تدوين و تهيه استانداردها در زمينه فرآوري مواد معدني
-کمک به توسعه و تکميل مراکز تحقيقاتي موجود در کشور
زمينه‌هاي فعاليت مرکز
از لحاظ نوع مواد معدني، دامنه فعاليتهاي مرکز در زمينه فرآوري تمام مواد معدني، فلزي؛ غيرفلزي، کانيهاي با ارزش و زغال‌سنگ مي‌باشد.
در واحدهاي آزمايشگاهي و نيمه صنعتي عمليات زير انجام مي‌گيرد:
§ سنگ شکني و آسيا
§ دانه‌بندي: سرند، هيدروسيکلون، کلاسيفاير
§ روشهاي جداسازي فيزيکي: ثقلي، مغناطيسي و الکتروستاتيکي
§ فلوتاسيون
§ هيدرومتالورژي
§ پيرومتالورژي
§ جدايش جامد – مايع
§ مطالعات زيست محيطي
§ بيوتکنولوژي و نانوتکنولوژي
§ پردازش داده‌ها
آزمايشگاهها و امکانات تحقيقات آزمايشگاهي
واحد آزمايشگاه مرکز قابليت انجام آزمايشهاي مختلف فرآوري انواع مختلف کانسنگهاي فلزي، غير فلزي و مواد معدني گرانبها را دارا است. اين بخش با بهره‌گيري از جديدترين تجهيزات و روشهاي فني اهداف زير را دنبال مي‌نمايد:
1- شناخت ترکيب مواد معدني مختلف و بررسي مشکلات فرآوري آنها
2- توسعه مدارهاي مورد نياز براي فرآوري مواد معدني
3- توليد نمونه و داده‌هاي مربوط به محصولات فرآوري براي انجام مطالعات امکان‌پذيري
4- شناسايي اثرات محتمل زيست محيطي در فرآوري مواد معدني مختلف در مقياس نيمه صنعتي
5- ارايه راهکارهايي براي کارخانه‌هاي فرآوري مواد معدني در کاهش هزينه‌ها وافزايش کيفيت محصول با رعايت بهترين شرايط زيست محيطي
لازم به ذکر است که بررسي فرآوري مواد معدني در آزمايشگاه مي‌تواند مستقلاً و يا مرتبط با آزمايشهاي واحد نيمه صنعتي صورت گيرد. زماني که اين واحد (نيمه صنعتي) فعال مي‌باشد، امکانات آزمايشگاهي بعنوان پشتيبان عمليات نيمه صنعتي در زمينه آناليز نمونه‌ها و محصولات فرآوري و راهگشايي براي مشکلات فني احتمالي در فرآيند پيوسته در واحد نيمه صنعتي (پايلوت پلنت) مي‌باشد.
به طور کلي چهار واحد اصلي آزمايشگاهي در مرکز وجود دارد:
1- آزمايشگاه کاني‌شناسي
2- آزمايشگاه شيمي تجزيه و محيط زيست
3- آزمايشگاه کانه آرايي
4- آزمايشگاه بيوتکنولوژي و نانوتکنولوژي
آزمايشگاه کاني‌شناسي
در اين آزمايشگاه در مرحله اول با استفاده از تجهيزات پيشرفته، مطالعات کاني‌شناسي انجام گرفته و نتايج آن مبناي مطالعات فرآوري قرار مي‌گيرد. در واقع پس از انجام بررسيهاي دقيق شناسايي ترکيب و بافت ماده معدني و پس از تعيين ناخالصي‌هاي همراه و همچنين وضعيت درگيري کاني يا کانه با ارزش با مواد باطله، روشهاي مناسب فرآوري انتخاب و بهينه‌سازي مي‌گردند. در اين آزمايشگاه تجهيزات زير براي انجام مطالعات کاني‌شناسي فراهم است:
- دستگاههاي تهيه مقاطع صيقلي ونازک از نمونه‌هاي معدني، شامل: دستگاههاي قالب‌گيري، پرس و صيقل
- ابزار شناسايي خواص ظاهري کانيها شامل جعبه مقياس سختي موس، ماوراء بنفش و ميکروسکوپهاي دو چشمي
- ميکروسکوپ پلاريزان براي مطالعه مقاطع نازک و صيقلي و بررسيهاي کاني شناسي نوري
- دستگاه الکترون ميکرو آناليزور (EPMA) براي تجزيه شيميايي (عنصري) نمونه‌هاي معدني
دستگاه پراش اشعه ايکس (XRD) براي بررسي کاني‌شناسي نمونه‌هاي مختلف
ميکروسکوپ الکتروني با قابليت آناليز (تصويري – عنصري)، مجهز به نرم افزار نوين (QemS CAN
دستگاههاي تجزيه حرارتي و وزني (DTA/TGA)
- امکانات مطالعات تکميلي کاني‌شناسي شامل مايع سنگين، فلوتاسيون، انحلال و مغناطيسي
- دستگاههاي تهيه نمونه براي آناليز فلئورسانس و پراش اشعه ايکس
- دستگاههاي اندازه‌گيري گرانروي
- تعيين مشخصات کانيهاي صنعتي (سفيدي، مدول شکست، انقباض ، ......)
آزمايشگاه شيمي تجزيه و محيط زيست
در اين بخش تجزيه شيميايي و عنصري مواد معدني توسط دستگاههاي مجهز انجام مي‌گيرد. البته اين مطالعات بجز در مراحل فرآوري و شناسايي نمونه‌هاي بخشهاي مختلف مدار پرعيارسازي، در مرحله اکتشافات نيز به کار مي‌رود و لذا نمونه‌هاي برداشت شده از مناطق تحت اکتشاف نيز در اين آزمايشگاه مورد آزمايش تجزيه شيميايي قرار مي‌گيرند. دستگاههاي موجود در اين بخش شامل موارد ذيل است:
- تجهيزات خردايش، نمونه‌گيري و آماده‌سازي نمونه
- فلورسانس اشعه ايکس (XRF)
- پلاسماي زوج القايي (ICP) و همچنين طيف سنجي نشر اتمي (AES)
- طيف سنجي جذب اتمي (AAS) با تجهيزات کوره گرافيتي و هيدراسيون
- دستگاه کروماتوگرافي گاز
- کوره انحلال امواج کوتاه
- دستگاه اندازه‌گيري کربن و گوگرد (لکو)
- امکانات آناليز و شناسايي فلزات گرانبها
- دستگاه کروماتوگرافي يوني
- روش طيف سنجي نوري
- ظروف و لوازم مختلف حجم سنجي مانند ارلن، بورت، کندانسور، بالن و غيره
- ابزار و وسايل حرارتي نظير کوره‌ها، حمامها، گرم‌کن و خشک‌کنها
آزمايشگاه كانه آرايي
اين آزمايشگاه شامل تجهيزات مرتبط با بخشهاي پذيرش و انبار نمونه‌هاي معدني، آماده‌سازي، تعيين انديسهاي خردايش، سنگ شکني، آسيا، دانه‌بندي، فلوتاسيون، جدايش فيزيکي (ثقلي، مغناطيسي و الکترواستاتيکي) هيدرومتالورژي و بخش جدايش جامد – مايع مي‌باشد.
آزمايشگاه نانو - بايو تکنولوژي
امروزه در دنيا از نانوتکنولوژي بعنوان روند کليدي و تأثيرگذار در علم، فناوري و صنعت ياد مي‌شود، بويژه با همگرايي علوم در مقياس نانو و تأثير اين فناوري در رشته‌هاي مختلف از جمله فرآوري مواد معدني، زمينه ايجاد حوزه‌هاي بين رشته‌اي جديد در عرصه آموزش، تحقيقات و صنعت ايجاد شده است.
اکسيداسيون و انحلال ميکروبي سنگهاي معدني بويژه سنگهاي سولفيدي از جديدترين جنبه‌هاي کاربرد ميکروارگانيسمها به منظور افزايش بازيابي فروشويي و اکسيداسيون کانسنگهاي کم عيار مي‌باشد و در مورد کانسنگهاي مس، طلا و اورانيوم از پيشرفت چشمگيري برخوردار بوده است. به طور کلي از روشهاي ميکروبي در فرآوري مواد معدني در بخشهايي فلوتاسيون، فروشويي (ليچينگ)، پيرومتالورژي و تصفيه پسابها بيشترين بهره گرفته مي‌شود. در همين راستا در مرکز تحقيقات فرآوري مواد معدني تجهيزات و امکانات لازم براي تحقيقات مختلف در زمينه نانو و بيوتکنولوژي فراهم گرديده است، که برخي از آنها به قرار زير است:
- محيط‌هاي کشت باکتريها و مواد لازم براي آن
- امکانات انجام فروشويي ميکروبي به روشهاي مختلف از جمله ستوني و همزني
- انکوباتور
- سانتريفوژ
- تجهيزات خردايش و طبقه‌بندي مواد معدني
- وسايل آماده سازي نمونه
علاقمندان جهت كسب اطلاعات بيشتر به وب سايت مركز فرآوري به نشاني WWW.IMPRC.COM مراجعه نمايند. این مرکز در بخش شمال شرقی شهرک کاوش و در 60 کیلومتری غرب شهر تهران واقع شده است. همچنین این مرکز عضو شبکه آزمایشگاهی فناوری نانوی ایران می باشد.
