30260

مطالعه تجربي عوامل مؤثر بر انحلال بيولوژيكي فسفات از سنگ‌آهن

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1399

1402/6/8

پريسا حجازي

مهندسي شيمي نفت وگاز

وجود فسفات در سنگ‌آهن مي‌تواند در كيفيت نهايي محصولات آهن و فولاد توليدشده تأثيرگذار باشد. اگر ميزان فسفات سنگ‌آهن بالا باشد، ممكن است نياز به برخي از فرآيندهاي تصفيه داشته باشد تا كيفيت آهن به حد مطلوبي ارتقاء يابد. اين مسئله در توليد آهن و فولاد بسيار مهم است زيرا مقادير زياد فسفات مي‌تواند خواص مكانيكي، خوردگي و اكسيداسيوني محصول را تحت تأثير قرار دهد. سنگ‌آهن با فسفر بالا به‌طور سنتي از طريق فرآيند شيميايي با استفاده از اسيدهاي غيرآلي فسفرزدايي مي‌شود. بااين‌حال، اين فرآيند امروزه به دليل هزينه بالا و آلودگي زيست‌محيطي پيشنهاد نمي‌شود و با توجه به روند كنوني براي توسعه فرآيندهايي با هزينه كم و دوستدار محيط‌زيست، كاهش فسفر از سنگ‌آهن با فسفر بالا از طريق فرآيند ميكروبي قابل انجام است. در اين تحقيق عوامل مؤثر بر انحلال بيولوژيكي فسفات از سنگ‌آهن بررسي شد. ابتدا ليچينگ اسيدي سنگ‌آهن با اسيدهاي آلي در غلظت‌هاي پايين كه توسط ميكروارگانيسم قابل ‌توليد است صورت گرفت، اسيدسيتريك و اسيدلاكتيك قابليت انحلال فسفات سنگ‌آهن را داشتند. سپس انحلال نمك فسفات نامحلول توسط ميكروارگانيسم‌هاي انتخابي بررسي شد و ميكروارگانيسم آسپرژيلوس نايجر براي ادامه‌ي آزمايش‌ها انتخاب شد. در مرحله‌ي بعدي در ارلن 100 ميلي¬ليتري عوامل مؤثر بر انحلال فسفات از سنگ‌آهن مانند نسبت جرمي به حجمي سنگ‌آهن به محيط كشت (مقادير 15/0 ،1/0 ، g/ml 05/0)، نوع تلقيح (اسپور و هيف آسپرژيلوس نايجر) با درصد تلقيح (5 و 10%)، دما (30 و 35 درجه سانتي‌گراد) و فسفات اوليه ( ppm25 و 50 ) در قالب آزمايش يك عامل در هر زمان به مدت 8 روز بررسي شدند. پس از انتخاب و مشخص شدن سطوح مناسب متغيرها، آزمايش¬هايي در قالب طرح فاكتوريل كامل انجام شد و مقادير بهينه‌ي توسط نرم‌افزار Design expert نسخه 13 تعيين شد. بيشترين درصد فسفات حذف‌شده از سنگ‌آهن در مقياس ارلن 90 % در نسبت سنگ‌آهن به محيط كشت (g/ml)05/0، دماي 30 درجه‌ي سانتي‌گراد و فسفات اوليه‌ي ppm50 بود. در مرحله بعد فرآيند در ظرف كوچك همزن دار با استفاده از همزن مكانيكي در شرايط عملياتي بهينه‌ي به‌دست‌آمده از آزمايش‌ها در مقياس ارلن انجام شد كه موجب افزايش سرعت انحلال فسفات از سنگ آهن طي روزهاي اوليه شد. همچنين به منظور بررسي روند انحلال فسفات از سنگ آهن طي زمان مدل‌هاي سينتيكي بر نتايج بدست آمده از انحلال فسفات در نقطه بهينه در ارلن و مخزن همزن¬دار انطباق داده شد، مدل سينتيكي لجستيك براي داده هاي حاصل از آزمايشات ارلن و مدل سينتيكي باكس لوكاس براي داده هاي حاصل از آزمايش هاي مخزن همزن دار استفاده شد؛ تفاوت اين دو مدل ناشي از تفاوت سرعت انحلال فسفات از سنگ آهن در روز هاي آغازين آزمايش است. درمجموع حذف فسفات از سنگ‌آهن به‌وسيله‌ي ميكروارگانيسم‌ها يك روش اميدبخش در جهت افزايش بازده حذف فسفات و دوستدار محيط‌زيست است.

1402/10/05

Experimental study on iron ore biodephosphorization process variables

8/29/2024 12:00:00 AM

The presence of phosphorus in iron ore can significantly impact the final quality of iron and steel products. If the phosphorus content in iron ore is high, it may necessitate certain purification processes to enhance the iron quality to a desirable level. This issue is crucial in iron and steel production as elevated phosphorus levels can affect the mechanical, corrosion, and oxidation properties of the product. Traditionally, iron ore with high phosphorus is chemically treated using inorganic acids for phosphorus removal. However, this process is not currently recommended due to high costs and environmental pollution concerns. Given the current trend towards developing cost-effective and environmentally friendly processes, reducing phosphorus from high-phosphorus iron ore through microbial processes is feasible. In this study, factors influencing the biological dissolution of phosphates from iron ore were investigated. Initially, acidic leaching of iron ore with organic acids at low concentrations, producible by microorganisms, was performed. Citric acid and lactic acid demonstrated the capability to dissolve phosphates in iron ore. Subsequently, the dissolution of insoluble phosphate salts by selective microorganisms was examined, and Aspergillus niger was chosen for further experiments. In the next stage, the effects of various factors on phosphate dissolution from iron ore, such as the mass/volume ratio of iron ore to the culture medium (0.05, 0.1 g/ml), inoculation type (spore and hyphal forms of Aspergillus niger) with inoculation percentages (5 and 10%), temperature (30 and 35°C), and initial phosphate concentration (25 and 50ppm), were investigated in a one-factor-at-a-time approach for 8 days. After determining suitable levels of the variables, factorial experiments were conducted, and optimal values were determined using Design Expert software version 13. The highest percentage of removed phosphates from iron ore on a 90% scale was achieved at a mass/volume ratio of 0.05 g/ml, a temperature of 30°C, and an initial phosphate concentration of 50 ppm. In the next step, the process was scaled up in a stirred-tank reactor using a mechanical stirrer under optimal operational conditions obtained from the small-scale experiments in the 90% scale Erlenmeyer flask. This led to an increase in the rate of phosphate dissolution from iron ore during the initial days. Additionally, kinetic models, including the logistic model for Erlenmeyer flask data and the Box-Lucas model for stirred-tank reactor data, were applied to the results to investigate the trend of phosphate dissolution over time. The difference between these two models was attributed to variations in the rate of phosphate dissolution from iron ore in the initial days of the experiment. In conclusion, the removal of phosphates from iron ore through microorganisms presents a promising method for improving the efficiency of phosphate removal while being environmentally friendly.

سنگ‌آهن , انحلال فسفات , ميكروارگانيسم , اسيد آلي

Iron ore , phosphate dissolution , microorganism , organic acid , kinetic model

mahsa liaghat

Parisa Hejazi