Об авторе

Библиотека  

Ссылки    

Отчет о поиске

Индивидуальный раздел

Дрюпина Ирина Олеговна

Факультет Экологии и химической технологии
Специальность: Экология химических производств

Тема выпускной работы:

Исследование возможности получения сульфата алюминия из промышленных отходов Донбасса кислотными методами

Научные руководители: Белогуров Юрий Николаевич, Матвиенко Виктор Григорьевич

Реферат по теме: "Исследование возможности получения сульфата алюминия из промышленных отходов Донбасса кислотными методами"

План

    1. Актуальность получения сульфата алюминия из промышленных отходов
    2. Характеристика отходов
        2.1 Отвалы нефелиновых пород.
        2.2 Породные отвалы угольных шахт и шламы углеобогащения
        2.3 Шамотно-коалиновая пыль
        2.4 Другие виды отходов
    3. Методы выделения алюминия из высококремнистого сырья
    4. Результаты экспериментальных исследований
    5 Основные методики анализа
        5.1 Методика определения железа
        5. 2 Методика определения алюминия
        5.3 Определение сульфатов
     Выводы

1. Актуальность получения сульфата алюминия из промышленных отходов

      В Донецкой области в настоящее время накопилось около 3 млрд. т. промышленных отходов различных предприятий. Это породные отвалы угольных шахт и обогатительных фабрик, высокозольные шламы углеобагащения, золошлаки электростанций, глинистые вскрышные породы, отходы шамотного производства и т.д. В этих отходах содержится большое количество ценных компонентов, которые могут быть извлечены путем переработки. В частности, перечисленные высококремнистые промышленные отходы содержат значительное количество соединений алюминия и могут рассматриваться как потенциальное алюминийсодержащее сырье.

2. Характеристика сырья, которое может быть использовано для получения сульфата алюминия

2.1 Отвалы нефелиновых пород.

     Нефелиновыми породами называют горные породы, в которых одним из основных породообразующих минералов является нефелин, входящий в состав щелочных изверженных горных пород. Нефелин сравнительно нестойкий минерал, поэтому в нефелиновых породах наряду с нефелином присутствуют продукты его замещения. При обогащении апатито-нефелиновых пород получают нефелиновые концентраты, суммарное содержание полезных компонентов (Al₂O₃, Na₂O,  K₂O) в которых составляет 50%, что приближается к процентному содержанию глинозема в высококачественных бокситах [1].

2.2 Породные отвалы угольных шахт и шламы углеобогащения

      Минеральная часть углей (золы углей, отходы угле обагащения) являются существенным источником получения глинозема, германия, галлия и других ценных продуктов. Так, в настоящее время только с минеральной частью выдаются на поверхность и выбрасываются в отвалы около 6 млн.т глинозема. В глиноземных золах содержание окиси алюминия составляет 30-40% и редко более 40%, двуокиси кремния 40-55%, окиси железа до 20%, окиси кальция до 20%. В отходах углеобогащения оксиды алюминия и кремния входят в основном в состав каолинита, а в золах в состав муллита. Оксид кремния, кроме того, входит в состав стекла, а также присутствует в виде кварца. Возможна переработка таких отходов кислотным и щелочным способом.
     Большой интерес для кислотной переработки представляют золы от сжигания каменных углей. Потребление угля тепловыми электростанциями составляет более 83 млн. т. Зольность топлива составляет в среднем около 43%. От сжигания угля ежегодно будет получаться около 36 млн. т золы, содержащей приблизительно 10 млн. т оксида алюминия [2].

2.3 Шамотно-коалиновая пыль

     Для изготовления шамотных огнеупоров исходное сырье - каолин подвергают обжигу. В процессе обжига с отходящими газами уносится большое количество пыли, которая улавливается в циклонах и электрофильтрах. Количество образующейся шамотно-каолиновой пыли велико - до 10-20% от массы обжигаемого каолина, что составляет более 10 000 тонн в год на одну обжиговую печь. Предпринимавшиеся попытки использования этой пыли в огнеупорном производстве не дали положительных результатов. В настоящее время шамотно-каолиновая пыль не находит квалифицированного применения и подлежит захоронению, для чего требуются значительные земельные площади (до 0,5 м на 1 т). Вследствие ветровой эрозии она распространяется вокруг мест захоронения, что приводит к загрязнению почв, воздушного и водного бассейна. Поэтому проблема утилизации шамотно-каолиновой пыли является очень актуальной.
      Между тем, данный отход является высококачественным техногенным минеральным сырьем, который можно использовать для получения различных соединений алюминия, поскольку он содержит до 40% оксида алюминия.

2.4 Другие виды отходов

     Источником алюминий содержащего сырья могут служить алюминиевые шлаки, получаемые при плавке вторичных цветных металлов. При гидрометаллургической переработке отвальных алюминиевых шлаков путем водного выщелачивания в нерастворимом остатке получают мелкодисперсные корольки металлического алюминия и его сплавов, оксид алюминия и примеси оксидов других металлов. Обычно грохочением отделяют более крупные корольки металла 1—2 мм. Содержание металлического алюминия в окисной части фракции 1 мм колеблется от 6,6 до 19.1 %.

                     Характеристика отходов [3].

3. Методы выделения алюминия из высококремнистого сырья

     Известные методы выделения алюминия из высококремнистого сырья можно разделить на две большие группы: щелочные и кислотные. При использовании щелочных методов алюминий переводят в водорастворимую форму в виде алюминатов. В случае переработки промышленных высококремнистых отходов более предпочтительными оказываются кислотные методы, в частности, сернокислотный метод. Интерес к сернокислотному методу связан со снижением цен на серную кислоту [4].
      Существует две разновидности сернокислотного метода. В соответствии с первым предварительно обожженное при температуре 650-800°С глинистое сырье измельчают и, при температуре 100-105°С, обрабатывают в течение нескольких часов концентрированным водным раствором серной кислоты. При этом получают раствор сульфата алюминия, который выпаривают и получают кристаллический сульфат алюминия. По второму методу измельченное алюминийсодержащее сырье измельчают и спекают с серной кислотой при температуре 350-400°С. При этом получают спек, который можно использовать в качестве неочищенного коагулянта в процессах водоподготовки или получить из него кристаллический сульфат алюминия путем выщелачивания горячей водой и последующего выпаривания раствора.
     Из способов комплексной переработки некоторых видов алюминийсодержащего сырья только щелочные способы нашли применение в промышленности. Однако, щелочные способы по сравнению с кислотными, наряду с известными положительными качествами, имеют и отрицательные моменты. Так, щелочной способ спекания алюминий содержащего сырья характерезуется значительным материальным потоком на тонну глинозема, относительно низким извлечением глинозема в раствор, высокими удельными капитальными затратами и расходом топлива, что обусловлено применением высокотемпературного спекания. Для эффективного проведения процесса спекания необходимо иметь алюминийсодержащее сырье хорошего качества, в противном случае его приходится подвергать обогащению. Для осуществления процесса требуется также высококачественный известняк. Поэтому организация производства глинозема способом спекания в значительной степени затруднена, если в данном районе отсутствует известняк или он низкосортный. Эффективность способа может быть обеспечена при условии использовании всего количества получающихся шламов для производства цементов, но потребление их на месте ограничено, а дальние перевозки являются не рациональными.
      Помимо щелочных способов, проведены многочисленные исследования по переработке алюминий содержащего сырья кислотными способами. Кислотные способы не нашли пока промышленного использования для получения солей алюминия, что связано с определенными трудностями, с которыми приходится сталкиваться при их реализации. Это прежде всего очистка растворов от соединеий железа, которые при кислотном выщелачивании переходят вместе с алюминием в раствор. Из-за большого сходства в свойствах соединений алюминия и железа их глубокое разделение является весьма сложным. Помимо железа, при выщелачивании в раствор переходят соли кальция, магния натрия, титана. При кислотных способах наблюдается повышенная изнашиваемость аппаратуры, возникают осложнения при отделении и промывке кремнеземистого остатка, регенерации кислот [7].
     По нашему мнению, второй метод имеет определенные преимущества перед первым, так как характеризуется меньшими энергозатратами, меньшими объемами материальных потоков в производстве и большей технологической гибкостью. Основными показателями качества сульфата алюминия, на которые нужно ориентироваться при переработке являются массовая доля оксида алюминия, которая должна составлять, не менее 15%, массовая доля железа в пересчете на оксид железа (III), не более- 0,3% [10].

4. Результаты экспериментальных исследований

      Для спекания с кислотой была взята порода предприятия «Донкерампромсырье», которое занимается получением нерудных полезных ископаемых. Ведется переработка Торецкого месторождения беложгущихся огнеупорных глин и тугоплавких глин. Балансовые запасы месторождения 16,9 млн. тонн, в год добывается 500-600 тыс. тонн. В различных пластах данного месторождения содержится Al₂O₃ от 15 до 33%, Fe₂O₃ от 0,9 до 2.3%.
      Для обработки используется порода Торецкого месторождения, содержание Al₂O₃ и Fe₂O₃ в которой соответственно равно 24% и 0,9%. Перед спеканием порода измельчалась и смешивалась с 86% серной кислотой. Спекание породы проходило в течении 30 минут при температуре около 350°С, при этом наблюдалось незначительное выделение газов. В результате процесса получился спек, который легко дробился. Полученный спек можно использовать как неочищенный коагулянт для водоподготовки, или выделить соль Al₂(SO₄)₃•12H₂O [5]. Для этого образовавшийся спек выщелачивается горячей водой в соотношении 1:4, полученная мелкодисперсная суспензия фильтруется, а после полученный раствор выпаривается до образования кристаллической соли.

Стадии процесса

Анимация: число кадров - 56; число повторений -10.

     Проведен химический анализ полученных солей на содержание железа и алюминия и содержание сульфат ионов. Использовался фотоколориметрический метод определения железа и комплексонометрический метод определения алюминия, а также гравиметрический метод определения сульфат ионов.

5 Основные методики анализа

5.1 Методика определения железа

     Предлагалось много методов определения железа, но все они имеют ограниченное применение. Наиболее перспективным методом следует считать колориметрический. Колориметрией называют метод определения малых количеств вещества в окрашенном растворе по интенсивности его окраски. Определение проводят путем сравнения окраски испытуемого раствора с окраской эталона, т.е. образцового раствора с известной концентрацией определяемого раствора с известной концентрацией определяемого вещества, измеряемой десятыми, сотыми или тысячными долями мг. Сравнение окрасок основано на измерении интенсивности света, прошедшего через окрашенный раствор или поглощенный им [6].
      Колориметрические определения могут быть выполнены:
      1. методом колориметрической шкалы (стандартной серии);
      2. методом колориметрического титрования (дублирования);
      3. методом уравнивания (оптического уравновешивания).
     Колориметрический метод предполагает образование комплексного соединения железа с ортофенантролином, имеющего красный цвет. Содержание железа определяется по интенсивности окраски. Этот метод не имеет, видимо, ограничений в отношении концентраций железа. Однако ряд элементов, особенно молибден, оказывают влияние на окраску раствора. Метод находит практическое применение и является точным при содержании железа более 0,01% [9].

5. 2 Методика определения алюминия

      Комплексонометрические методы определения основаны на использовании в качестве титрованных растворов новых органических реактивов - комплексонов, способных образовывать с ионами металлов прочные внутрикомплексные соединения. Комплексонометрический метод определения алюминия основан на первоначальном отделении алюминия от циркония, титана и железа обработкой анализируемого раствора щелочью и переводом алюминия в алюминат. Алюминий определяют методом обратного комплексонометрического титрования в среде ацетатного буфера при рН 4.8-5.0 с использованием индикатора ПАН, в качестве титранта используют раствор сульфата цинка [8].

5.3 Определение сульфатов

     Гравиметрический анализ основан на определении массы вещества.В ходе гравиметрического анализа определяемое вещество или отгоняется в виде какого-либо летучего соединения (метод отгонки), или осаждается из раствора в виде малорастворимого соединения (метод осаждения). Метод определения сульфатов основан на осаждении сульфат-ионов из пробы раствором хлорида бария и гравиметрическом определении массы осадка после его озоления.

           Выводы

     Из предварительных данных приведенных в таблице видно, что концентрация оксида железа в продукте превышает допустимую. Это означает, что требуется дополнительная очистка от соединений железа. Однако даже такой продукт может быть использован в качестве эффективного коагулянта для очистки воды, так как сульфат железа также обладает высокими коагулирующим действием. В дальнейшем планируется проведение спекания с серной кислотой проб из пластов глины другого состава и других промышленных отходов.

Литература

1. Китлер И.Н., Лайнер Ю.А. Нефелины комплексное сырье алюминиевой промышленности.-М.: Металургиздат, 1962- 236 с.
2. Лайнер Ю.А. Комплексная переработка алюминийсодержащего сырья кислотными способами.-М.:Наука,1982.-208с.
3. Краснянский М.Е. Производство металлургического глинозёма из многотоннажных промышленных отходов Донбасса и/или Кузбасса (бизнесс-предложение).
4. Запольский А.К. Сернокислая переробка высококремнистого алюминиевого сырья.- До.: Наукова думка,1981.-208 с.
5. Запольский А.К., Баран А.А Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды.- Л.: Химия,1987.-208с
6. Лурье Ю.Ю. Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод -М:Химия, 1966-280с.
7. Позин М.Е. Технология минеральных солей.-Л.: Химия, 1971.- Т.1-659 с.
8. ГОСТ 13997.7-84 Материалы и изделия огнеупорные цирконийсодержащие. Методы определения окиси алюминия
9. ГОСТ 10555-75 Реактивы и особо чистые вещества. Колориметрические методы определения содержания примеси железа
10. ГОСТ 12966-85 Алюминия сульфат технический очищенный. Технические условия