NMR studier av bentonit i komplexa blandade system

Forskningsområde: Partikelteknologi i LKAB:s processer

Principal Investigator: Prof. Oleg N. Antzutkin (Division of Chemistry)
PhD student: Mr. Alexander S. Goryan (Division of Chemistry)

Produktion av LKAB:s järnmalmspellets med reglerad fosforhalt (<0.025%) är en komplex process som (t.ex. i Kiruna) involverar flotation av fluorapatit från magnetit koncentrat. Den färdiga fuktiga sligen blandas med olika tillsatsmedel (olivin, dolomit, etc.) och med bindemedlet (vanligen bentonit) och råkulor (pellets) formeras sedan i rullkretsarna. Järnmalmspellets hållfasthet är en mycket viktig kvalitetsparameter hos denna huvudprodukt hos LKAB.

Det är troligt att restflotationsreagens, t.ex. Atrac, som kan vara adsorberat på magnetit i den fuktiga sligen försvårar agglomereringen av råkullor när bentonit tillförs i blandningen. Även olika kemiska föreningar och joner som samlades i återvinnande processvatten kan adsorberas på bentonit och kan försämra svällande egenskaper av detta mineral. Bentonit (består av ca 80-90 % montmorillonit) är en typ av lera, ett aluminium-silikatskiktmineral med välutvecklade svällande egenskaper i vatten. Det är därför som detta mineral används som huvudbindemedel vid agglomerering av järnmalmspellets. Bentonitens negativt laddade silikatskikt är balanserade av ett mellanskikt med Na+ och/eller Ca+2 katjoner. Vattenmolekyler kan tränga in dit och därför sväller mineralet. Natrium bentonit sväller bättre än kalcium bentonit därför man brukar jon byta kalcium mot natrium i de flesta typer av industriell bentonit bl. a i ”Milos” bentonit som används i LKAB kullrullnings processer. En del av vårt projekt ska syssla med kvantitativa mätningar av Ca/Na halter i olika typer av bentonit och hur snabbt Na+ byts ut mot Ca2+ när bentonit kommer i kontakt med processvatten innan den fuktiga sligen kommer i rullkretsarna. 23Na NMR i fast fas ska användas i kvantitativa kinetiska studier av Na-halter i bentonit när mineralet kommer i kontakt med Ca2+ och Na+ vatten lösningar med samma koncentrationer som i LKABs processvatten. Vi ska också studera vatten diffusion i samma fuktiga bentonit prover m h a 1H NMR med magnet fält gradient tillbehör. Därför bentonitets svällande och rheologiska egenskaper kan korreleras med vattendiffusions koefficienter och Na halter i mineralet. Om Na/Ca utbyte sker snabbt (inom 5-15 minuter) och om detta påverkar starkt vattendiffusion i mineralet och på bentonitets rheologi och viskositet, dä kan vi komma fram med konkreta förslag hur mycket måste man förbättra processvattens kvalitet att kontrolera bättre kullrullningsprocessen och järnmalmspellets hållfasthet.

I visa typer av järnmalmspellets sänker man kisel halter m h a användning av organiska polymerer istället för bentonit som bindemedel. Tyvärr kan man inte byta ut 100 % bentonit mot organiska polymerer. Orsaken för varför järnmalmspellets hållfasthet är sämre för sådana typer av ”green” pellets är inte klar än. Även hur organiska polymerer växelverkar med bentonit och påverkar på bentonitens svällande egenskaper är också inte väll studerade. Organiska polymerer och deras struktur ska studeras m h a 13C NMR i fast fas. Växelverkan mellan bentonit och polymerer ska studeras med både 13C och 29Si NMR i fast fas.         

Projektet kommer att utföras i samarbete med HLRC doktorander från Kemi (Jolsterå), Kemisk teknologi (Potapova), Kemi (Roonasi, Xiafang) och Tillämpad geologi (Westerstrand).  Nyligen fick vi en finansiering (14.6 Mkr) från VINNOVA och gruvindustrier (LKAB, New Boliden AB och Lundin Mining) för att under 2008-2011 bygga ut vidare Agricola Research Center vid LTU (ARC-MMS, Multicomponent Mineral Systems). Det nya programmet består av tre stora projekt som har även anknytning till HLRC verksamhet. OA är koordinator för det hela ARC-MMS programmet.

Prof. Oleg Antzutkin