Получение квасцов из шамотно-каолиновой пыли

    Алюминиевые квасцы - двойные соли сульфата алюминия и щелочных металлов или аммония, образующие кристаллогидраты формулы Al₂(SO₄)₃ · MeSO₄ · 12H₂O (или AlK(SO₄)₂ · 12Н₂О). Название «квасцы» произошло от славянского «кысати» - киснуть, поскольку квасцы имеют вяжущий и кислый вкус. Квасцы - алюминийсодержащие соединения, известные с древнейших времен. В основном они использовались при крашении тканей и выделке сафьяновых кож. Наибольшее распространение получили алюмокалиевые квасцы, которые применяются в медицине в виде разбавленных водных растворов для полосканий, промываний и примочек при воспалительных заболеваниях слизистых оболочек и кожи и в виде карандашей для прижиганий при трахоме и как кровоостанавливающее средство при порезах. И хотя в настоящее время в медицинской практике квасцы используют не часто, наблюдается большой интерес к применению их для лечения самых различных заболеваний. Квасцы также в больших количествах используют для дубления кож, проклеивания бумаги, приготовления кислых фиксажей в фотографии.

    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 использовать эту пыль в огнеупорном производстве не дали положительных результатов. К сожалению, в настоящее время шамотно-каолиновая пыль не находит квалифицированного применения и подлежит захоронению, для чего требуются значительные земельные площади (до 0,5 м на I т). Вследствие ветровой эрозии она распространяется вокруг мест захоронения, что приводит к загрязнению почвы, воздушного и водного бассейна. Поэтому проблема утилизации шамотно-каолиновой пыли является очень актуальной.

    Шамотно-каолиновая пыль, представляющая собой порошок с размерами частиц от 15 до 180 мкм, содержит от 28 до 42% Аl₂О₃ и может рассматриваться как сырье для получения соединений алюминия (сульфата алюминия, глинозема) и даже металлического алюминия. Сульфат алюминия находит широкое применение в бумажной промышленности, в качестве протравы при крашении тканей, дублении кож, для консервирования древесины, в производстве квасцов. Огромные количества этой соли используются в качестве коагулянта в процессах очистки воды. В настоящее время в Украине сульфат алюминия для очистки воды производят из дефицитного гидроксида алюминия, который вырабатывается из импортного сырья, и серной кислоты.

    Ранее с участием одного из авторов была разработана технология получения неочищенного и очищенного сульфата алюминия из шамотно-каолиновой пыли, практически не содержащего свободной серной кислоты. Процесс осуществляется путем спекания этой пыли с концентрированной серной кислотой (концентрация 84 - 96%), взятой в количестве 80 - 97% от необходимого стехиометрического количества. Спекание проводится в течение 1-2 часов при температуре 350 - 500°С. При этом спек, который получается в виде легко разрушающейся массы, почти не содержит свободной серной кислоты. Полученный спек можно использовать как неочищенный коагулянт, поскольку он содержит около 17% водорастворимого Al₂O₃ (для примера, содержание оксида алюминия в кристаллическом сульфате алюминия 15,3%). При обработке спека горячей водой Аl₂(SО₄)₃ переходит в раствор, после упаривания которого получается кристаллический Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O.

    Однако, как показывает практика, стадия упаривания раствора сульфата алюминия для его кристаллизации является самой трудоемкой и длительной. Поскольку растворимость сульфата алюминия в воде велика и очень слабо зависит от температуры при температурах ниже 70°С, вызвать кристаллизацию Al₂(SO₄)₃ из разбавленного раствора путем его охлаждения невозможно. В связи с этим возникает необходимость в упаривании разбавленных растворов, которые получаются при выщелачивании, в 2 - 3 раза. Это ведет к огромному расходу тепла. Можно, однако, перевести растворенный сульфат алюминия в твердую фазу из разбавленного раствора без его упаривания в виде квасцов – алюмокалиевых либо алюмоаммонийных. Такая возможность обусловлена тем, что растворимость этих квасцов намного ниже растворимости сульфата алюминия. Например, при 20°С растворимость AlK(SO₄)₂ и AlNH₄(SO₄)₂ составляет соответственно 5,9 и 7,7 г в 100 г воды, a Al₂(SO₄)₃ - 38 г в 100 г воды.

    Нами была экспериментально проверена возможность выделения сульфата алюминия из раствора путем перевода его в квасцы при добавлении сульфата калия. Эксперимент проводили следующим образом. В химический стакан с раствором сульфата алюминия присыпали кристаллический сульфат калия. Стакан помещали на стол магнитной мешалки. При работающей мешалке происходило растворение сульфата калия и выпадение кристаллов AlK(SO₄)₂ · 12Н₂О. Алюмокалиевые квасцы получаются в виде достаточно крупных кристаллов и легко могут быть отделены от маточного раствора декантацией и/или фильтрованием. Аналогичным образом получаются алюмоаммонийные квасцы.

    Получение квасцов целесообразно не только с экологической точки зрения, но и с экономической, поскольку стоимость получаемых таким образом квасцов намного выше стоимости исходного сырья. Так, например, цена сульфата алюминия составляет 400–500 грн/т и сульфата калия – 600–700 грн/т, необходимых для получения квасцов, а цена алюмокалиевых квасцов – порядка 2800 – 3300 грн/т.

    Выделение сульфата алюминия из его водных растворов невысокой концентрации в виде квасцов позволяет упростить технологическую схему переработки шамотно-каолиновой пыли, значительно уменьшить расход топлива на упаривание растворов и получить ликвидный продукт (алюмокалиевые квасцы), который находит широкое применение в медицине, текстильной, кожевенной и бумажной промышленности, а также может быть использован в качестве коагулянта для очистки воды. Алюмоаммонийные квасцы могут служить исходным сырьем для получения оксида алюминия. Сульфат аммония, который необходим для их получения, является дешевым многотоннажным продуктом коксохимического производства.