Untersuchung der freien Oberflächenenergie von verschiedenen Mineralen und Korrelation mit deren Flotierbarkeit Verteidigung der Masterarbeit von Robert Hartmann FlotationiGC [1]

2 Inhalt 1) Motivation 2) Grundlagen zur Flotation und iGC 3) Behandlung der Proben 4) Ergebnisse und Auswertung 5) Zusammenfassung

3 Motivation [2] [3] Zunehmender Konsum von technologischen Gütern Aufbereitung der Materialien sehr oft durch technisch aufwendige Verfahren Rohstoffe müssen vorhanden sein oder aufbereitet und recycelt werden

4 Motivation Einführung eines Flotationsprozesses zur Aufbereitung eines Minerals sehr zeitaufwendig Physikalische Eigenschaften der festen Oberfläche in Bezug auf deren Benetzungseigenschaften noch nicht verstanden [4] Flotation ein mögliches Verfahren zur Aufbereitung von Mineralen Aber:

5 Motivation Die freie Oberflächenenergie ist die fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft zur Beschreibung der Benetzungseigenschaften von Mineraloberflächen Aber: Durchführung der Flotation in Wasser und Messung der freien Oberflächenenergie durch iGC im trockenen Zustand Untersuchung des Einflusses der Vorbehandlung der Minerale auf die freie Oberflächenenergie Einfluss der unterschiedlichen Messbedingungen auf Oberflächeneigenschaften

6 Grundlagen zur Flotation Zu trennende Minerale in Wasser Zugabe von Luft und Sammler- Molekülen Na +

7 Grundlagen zur Flotation Selektive Adsorption der Sammler- Moleküle an der Partikeloberfläche Angepasste Oberflächeneigenschaften führen zur Ausbildung von Partikel- Luftblasen-Aggregaten hydrophob hydrophil Wie bestimmt man „hydrophil“ oder „hydrophob“?

8 Grundlagen zur iGC Injektion einer Molekül- Art in die Kolonne Moleküle ad- und desorbieren auf und von der Oberfläche Moleküle verlassen Kolonne und werden detektiert Die Retentionszeit (Zeitverzögerung) auf Grund von Wechselwirkungen ist Hauptinformation der Messung Alkane Monopolare Moleküle

9 Grundlagen zur iGC Disperse Oberflächenenergie mit Hilfe einer homologen Reihe von unpolaren Alkanen Signalstärke Zeit HeptanOktan Nonan Dekan Zusätzliche CH 2 -Gruppe führt zur Zunahme der attraktiven Kräfte zwischen injizierten Molekül und Feststoffoberfläche Hexan

10 Grundlagen zur iGC Hexan Heptan Oktan Nonan Dekan Aus dem Anstieg der Geraden der homologen Reihe der Alkane kann die disperse Oberflächenenergie des Feststoffes berechnet werden Zur Ermittlung der polare Oberflächenenergie werden monopolare Moleküle in die Kolonne Dichlormethan Ethylacetat Aus dem vertikalen Abstand der monopolaren Moleküle zur Geraden der homologen Alkanreihe wird die polare Oberflächenenergie des Feststoffes ermittelt

11 Behandlung der Proben Konditionierung IKonditionierung IIKonditionierung IIIKonditionierung IV optionale Ultraschall- Behandlung Reine Proben: Apatit Magnetit Quarz Dispergieren in Sammler- Lösung Waschen mit Salz- Lösung Waschen mit Aceton Hydrophobierung der Feststoffoberfläche durch Sammler Abwaschen der adsorbierten Sammler- Moleküle zur Bildung einer Monoschicht auf der festen Oberfläche und zur Untersuchung der Adsorptionsmechanismen (Physi- oder Chemisorption)

12 Ergebnisse und Auswertung- Flotation I II_NaOL III_NaOL IV_NaOL US Ultraschall-Behandlung ist mit Entschlämmung verbunden ApatitQuarz US I II_DDAA III_DDAA IV_DDAA Feine Partikel entfernt ?

13 Ergebnisse und Auswertung- iGC Was wäre das zu erwartende Ergebnis? Unregelmäßige Festkörperoberfläche mit Poren, Ecken und Kanten, die höhere Oberflächenenergie als ebene Flächen besitzen Sammlermoleküle adsorbieren an hochenergetischen Bereichen Freie Oberflächenenergie der Minerale wird durch adsorbierte Sammlermoleküle herabgesetzt

14 Ergebnisse und Auswertung- disperse Oberflächenenergie (APA mit und ohne NaOL) Sowohl Sammlermolekül als auch Ultraschall vermindert disperse Oberflächenenergie

15 Ergebnisse und Auswertung- polare Oberflächenenergie Sammlermoleküle und Ultraschall-Behandlung vermindern polare Oberflächenenergie Sind Minerale mit niedriger polarer Oberflächenenergie hydrophob?

16 Ergebnisse und Auswertung- Flotation ↔ freie Oberflächenenergie Flotation: Mineralgewinnung Apatit höher als Quarz Ultraschall-Behandlung wirkt sich stark auf Austrag bei Apatit aus, aber nicht bei Quarz NaOL stärkere Bindung auf Grund Chemisorption Ultraschall entfernt feine Partikel im Falle von Apatit Freie Oberflächenenergie: Disperse Oberflächenenergie wird durch Sammlermoleküle reduziert Polare Oberflächenenergie nimmt durch adsorbierte Sammlermoleküle stark ab Unterschied in der Flotierbarkeit trotz ähnlicher Oberflächeneigenschaften!!!

17 Ergebnisse und Auswertung- Flotation ↔ freie Oberflächenenergie NaOL ist ein C 18 -Molekül DDAA ein C 12 -Molekül Attraktive Wechselwirkungen von NaOL und Luftblasen sind stärker als DDAA und Luftblasen DDAA hydrophobiert die Mineraloberfläche ABER: die Kohlenwasserstoffkette von DDAA ist zu kurz, um hinreichend starke Wechselwirkungen mit der Luftblase zu ermöglichen NaOL DDAA

18 Ergebnisse und Auswertung- Flotierbarkeit über Hydrophobizität Korrelation zwischen Flotierbarkeit und freier Wechselwirkungsenergie hydrophob hydrophil

19 Ergebnisse und Auswertung- Flotierbarkeit über Hydrophobizität Korrelation Flotierbarkeit ↔ freie Wechselwirkungsenergie nicht mehr gegeben Proben mit höheren Mineralausbringen besitzen negative freie WW-Energie Temperatur!!!

20 Zusammenfassung Flotation:iGC: NaOL führt zu höheren Mineralausbringen als DDAA Ultraschall-Behandlung erhöht Mineralausbringen a.Gr. Entschlämmung Waschung mit Wasser für NaOL- Proben (US) ohne Auswirkung, Mineralausbringen von DDAA-Proben sinkt Aceton löst Sammlermoleküle von der Mineraloberfläche → geringes Mineralausbringen Disperse Oberflächenenergie wird durch adsorbierte Sammler verkleinert Starke Reduzierung der positiven Oberflächenenergie durch Sammleradsorption Wechselwirkung zwischen injizierten Ethylacetat und Mineraloberfläche hat vorrangige Bedeutung bei der Analyse der Oberflächeneigenschaften

21 Zusammenfassung Ist die Flotierbarkeit von Mineralen mit Hilfe der freien Oberflächenenergie bestimmbar? NEIN Chemische Struktur der Kohlenwasserstoffkette hat maßgeblichen Einfluss auf die WW zwischen adsorbierten Sammlermolekül und Luftblase! WW zwischen injizierten Molekül und Mineraloberflächen wird durch Sammlermolekül vermindert, die an hochenergetischen Stellen adsorbieren Oberflächenenergien mit Hilfe iGC bestimmbar, ABER allgemeingültige Rückschlüsse auf Flotierbarkeit nicht möglich

22 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Na +

23 Quellen [4] halbjahresgewinn-der-unternehmensgeschichte am [2] [3] [1]

24 Mineralx 10 in µmx 50 in µmx 90 in µm Apatite Magnetite Quartz

25 ApatiteMagnetiteQuartz BET in m²/kg BET in m²/kg after US Calculated A S in m²/kg Einfluss von Ultraschallbad auf die spezifische Oberfläche

26

27 Mantel zur Temperatureinstellung Wasserstand einer gefüllten Hallimond- Röhre gesammelte hydrophobe Partikel Lufteinlass

28 ParameterEinstellung Kolonnendurchmesser3 mm Kolonnenlänge30 cm Verdichtungszeit10 min Konditionierung300 min, 100°C Totale Probenoberfläche0,5 m² Gasfluss10 cm³/min Messtemperatur90°C Relative Luftfeuchte0%

29 APA mit NaOLAPA mit DDAA

30 MAG mit NaOL

31 QRZ mit DDAA

32 APA mit NaOL APA mit NaOL und US Disperse Oberflächenenergie

33 Disperse Oberflächenenergie APA mit DDAA APA mit DDAA und US

34 Disperse Oberflächenenergie MAG mit NaOLMAG mit NaOL und US

35 QRZ mit DDAA Disperse Oberflächenenergie QRZ mit DDAA und US

36 Adorptionsisotherme der Alkane FID-Signal einer Ethylacetatmessung Starke WW Schwache WW

37 Adsorptionsisotherme Ethylacetat und Dichlormethan Starke WW mit Ethylacetat Schwache WW mit Ethylacetat

38 Polare Oberflächenenergien negative und positive Oberflächenenergie der Ausgangsmaterialien

39 Polare Oberflächenenergien Positive Oberflächenenergie der Proben mit guter Flotierbarkeit Positive Oberflächenenergie von Quarz- Proben