Одержання сульфату алюмінію з породних відвалів вуглевидобутку

    В процесі видобутку кам’яного вугілля з’являються відходи виробництва, кількість яких часто перевищує обсяг одержаного вугілля. Такі відходи зараз майже не знаходять практичного вжитку, а складуються у терикони, які займають величезні площі земель, придатних для сільського господарства або інших цілей. Так, наприклад, у Донбасі за два століття, впродовж яких добувають кам’яне вугілля та антрацити, з’явилось 1257 териконів, що вміщують 1,057 · 10⁹ м³ гірських порід на площі 5526 га. Такі терикони схильні до самозаймання і являють собою постійне джерело пилу та токсичних сполук, що значно погіршують стан навколишнього середовища. Між тим, ці породи є високоякісною техногенною мінеральною сировиною, яку можна ефективно використовувати як з екологічної, так і з економічної точки зору.

    Однією з основних складових частин видобутих порід є глинисті мінерали з високим вмістом оксиду алюмінію, який коливається для шахт Донецько-Макіївського регіону у межах 20 - 27%. Це є свідченням того, що породи териконів можна використовувати для одержання сполук алюмінію, зокрема сульфату алюмінію та глинозему, а також металічного алюмінію.

    Для одержання сульфату алюмінію з глинистих мінералів останні обробляють сірчаною кислотою. Якщо алюмінійвміщуючим мінералом є каолін, то вилучення алюмінію за допомогою сірчаної кислоти може здійснюватися двома способами: обробкою розчином сірчаної кислоти при кип’ятінні або спіканням з сірчаною кислотою. За першим способом спочатку проводять обпалювання сировини при температурі 750 - 850°С для переводу каолініту Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O в метакаолініт Al₂O₃ · 2SiO₂, з якого вилучають Al₂O₃ за допомогою 40 - 60%-ного розчину сірчаної кислоти впродовж декількох годин. Після фільтрації розчин сульфату алюмінію випаровують для підвищення концентрації солі і при охолодженні кристалізують Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O. Стадія обпалювання каолініту необхідна тому, що тільки з метакаолініту оксид алюмінію може бути переведений у розчинну форму за допомогою розчину сірчаної кислоти.

    Спосіб спікання передбачає перемішування подрібненої сировини з сірчаною кислотою і прогрівання одержаної суміші при температурі 300 - 450°С впродовж 1 - 2 годин. При цьому одержують спік, що містить 15 - 20% Al₂O₃ у вигляді сульфату алюмінію. Цей спік можна використовувати як неочищений коагулянт для підготовки води або вилучати з нього Al₂(SO₄)₃ у розчин, який після концентрування використовують для одержання кристалічного Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O. На нашу думку спосіб спікання має певні переваги перед першим способом, оскільки зменшується тривалість та температура нагріву, а також об’єм апаратури, продукт відразу після спікання можна використовувати як цільовий.

    Основною метою даної роботи було доведення можливості використання породних відвалів вугільних шахт для одержання сульфату алюмінію способом спікання з сірчаною кислотою.

    Експериментальним шляхом було встановлено, що порода перегорілих териконів малопридатна як сировина для одержання сульфату алюмінію внаслідок дуже низького виходу продукту. Це можна пояснити тим, що при горінні породних відвалів в результаті дії високих температур оксид алюмінію переходить в альфа-Al₂O₃ і муліт, які дуже повільно реагують з сірчаною кислотою.

    Спікання негорілої подрібненої териконної породи з концентрованою сірчаною кислотою (80 - 95%), взятою у кількості 85% від теоретично необхідної при температурі 400 - 420°С впродовж 1 - 1,5 годин дає можливість перевести у розчинну форму біля 80% наявного оксиду алюмінію. Процес супроводжується невеликою кількістю викидів в атмосферу, якщо застосовують концентровану сірчану кислоту. Спік, що одержують при цьому, легко подрібнюється. Його можна використовувати як неочищений коагулянт для очищення води. Після обробки спіка гарячою водою з масовим співвідношенням 1 : 3 при температурі 80 - 90°С і фільтрування одержують розчин, з якого після концентрування кристалізують Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O. В одержаному кристалічному сульфаті алюмінію вміст заліза складає 0,86 - 0,90% (в перерахунку на Fe₂O₃ - 1,23 - 1,29%), що задовольняє вимогам до сульфату алюмінію сорту С.

    Для одержання сульфату алюмінію більш високих сортів треба очищувати його від заліза. З цією метою нами були випробувані лужні мила жирних кислот, які з іонами заліза дають нерозчинні солі. Обробка розчину сульфату алюмінію лужними милами призводить до утворення осаду, який легко може бути відділений від шламу. Експеримент засвідчує, що таким шляхом можна досягти високого ступеня очистки кристалічного Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O від домішок сполук заліза. Залізні мила жирних кислот потім можуть бути переведені дією сірчаної кислоти у вільні жирні кислоти, з яких за допомогою лугів знов одержують лужні мила, тобто відбувається регенерація реагента. При цьому вдається одержати кристалічний Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O, з якого шляхом термічної обробки при температурі 900 - 1000°С можна виготовити глинозем навіть для отримання металічного алюмінію. Цей же глинозем можна використовувати для одержання якісних вогнетривів.

    На базі проведених досліджень запропонована технологічна схема переробки породних відвалів у сульфат алюмінію шляхом спікання з сірчаною кислотою, що передбачає подрібнення породної маси, змішування її з концентрованою сірчаною кислотою, спікання одержаної суміші при температурі 400 - 450°С впродовж 60 - 90 хвилин з нейтралізацією газових викидів, обробці одержаного спіка гарячою водою, яка містить лужне мило, для вилучення сульфату алюмінію у розчин з одночасним переводом іонів заліза у нерозчинний стан, фільтрування або центрифугування суспензії , концентрування розчину та кристалізацію сульфату алюмінію. Залізні солі жирних кислот, що утворюються в процесі, сприяють ефективному розділенню твердої та рідкої фази і після відділення їх від сіштофа обробляються сірчаною кислотою з наступним переводом жирних кислот у лужні мила.

    Запропонований спосіб одержання сульфату алюмінію з породних відвалів вуглевидобутку є перспективним для України, а особливо для Донбасу, оскільки він дозволяє поряд з вирішенням екологічних проблем одержати цінний продукт, що може бути використаний для очищення води, виготовлення паперу, деревно-цементних та деревно-волоконних плит, виробництва глинозему, галунів тощо.