Дрюпіна Ірина Олегівна

Факультет: Екології та хімічної технології
Спеціальність: Екологія хімічних виробництв

Тема випускної роботи:

Дослідження можливості отримання сульфату алюмінію з промислових відходів Донбасу кислотними методами

Керівники: Білогуров Юрій Миколайович, Матвієнко Віктор Григорович

Реферат за темою: "Дослідження можливості отримання сульфату алюмінію з промислових відходів Донбасу кислотними методами "

План

    1.Актуальність одержання сульфату алюмінію з промислових відходів
    2. Характеристика відходів.
        2.1 Відвали нефелінових порід.
        2.2 Породні відвали вугільних шахт і шлами вуглезбагачення
        2.3 Шамотно-коаліновий пил
        2.4 Інші види відходів
    3. Методи виділення алюмінію з висококремністої сировини
    4. Результати експериментальних досліджень.
    5 Основні методики аналізу
        5.1 Методика визначення заліза
        5. 2 Методика визначення алюмінію
        5.3 Визначення сульфатів
     Висновки

1. 1 Актуальність отримання сульфату алюмінію з промислових відходів

      У Донецькій області накопичилося близько 3 млрд. т. промислових відходів різних підприємств. Це породні відвали вугільних шахт і збагачувальних фабрик, високо зольні шлами вуглезбагачення, золошлаки електростанцій, глинисті розкривні породи, відходи шамотного виробництва і т.і.;. У цих відходах міститься велика кількість цінних компонентів, які можуть бути вилучені шляхом переробки. Зокрема, перераховані висококремністі промислові відходи містять значну кількість сполук алюмінію і можуть розглядатися як потенційна сировина, яка містить алюміній.

2. Характеристика сировини, яка може бути використана для одержання сульфату алюмінію

2.1 Відвали нефелінових порід..

     Відвали нефелінових порід. Нефеліновими породами називають гірські породи, в яких одним з основних породоутворюючих мінералів є нефелін, що входить до складу лужних вивержених гірських порід. Нефелін порівняно нестійкий мінерал, тому в нефелінових породах поряд з нефеліном присутні продукти його заміщення. При збагаченні апатито-нефелінових порід отримують нефелінові концентрати, сумарний вміст корисних компонентів (Al₂O₃, Na₂O,  K₂O) в яких становить 50%, що наближається до процентному змісту глинозему у високоякісних бокситів. [1].

2.2 Породний відвали вугільних шахт і шлами вуглезбагачення

     Мінеральна частина вугілля (золи вугілля, відходи вуглезбагачення) є суттєвим джерелом отримання глинозему, Німеччина, галію та інших цінних продуктів. Так, в даний час, тільки з мінеральною частиною видаються на поверхню і викидаються в відвали близько 6 млн.т глинозему. У глиноземних золах вміст окису алюмінію становить 30-40% і рідко більше 40%, двоокису кремнію 40-55%, окису заліза до 20%, окису кальцію до 20%. У відходах вуглезбагачення оксиди алюмінію і кремнію входять в основному до складу каолініта, а в золах до складу мулліта. Оксид кремнію, крім того, входить до складу скла, а також присутній у вигляді кварцу. Можлива переробка таких відходів кислотним і лужним способом.
     Великий інтерес для кислотної переробки представляють золи від спалювання кам'яного вугілля. Споживання вугілля тепловими електростанціями складає понад 83 млн. т. Зольність палива складає в середньому близько 43%. Від спалювання вугілля щорічно буде виходити близько 36 млн. т золи, яка містить приблизно 10 млн. т оксиду алюмінію. [2].

2.3 Шамотно-коаліновий пил

     Для виготовлення шамотних вогнетрив вихідна сировина - каолін піддається випалюванню. У процесі випалу з відхідних газами викидається велика кількість пилу, який вловлюються в циклонах і електрофільтрах. Кількість шамотно-каолінового пилу, який утворюється велика - до 10-20% від маси каоліну, що випалюється, становить понад 10 000 тонн на рік на одну випалювальну піч. Спроби використати цей пил у вогнетривкому виробництві не дали позитивних результатів. В даний час шамотно-каоліновий пил не знаходить кваліфікованого застосування і підлягає захороненню, для чого потрібні значні земельні площі (до 0,5 м на 1 т). Внаслідок вітрової ерозії він поширюється навколо місць поховання, що призводить до забруднення ґрунту, повітряного та водного басейну. Тому проблема утилізації шамотно-каолінового пилу є дуже актуальною.
      Між тим, даний відхід є високоякісною техногенною мінеральною сировиною, яку можна використовувати для отримання різних з'єднань алюмінію, оскільки він містить до 40% оксиду алюмінію.

2.4 Інші види відходів

     Джерелом алюмінієвої сировини можуть служити алюмінієві шлаки, одержувані при плавці вторинних кольорових металів. При гідрометалургійній переробці відвальних алюмінієвих шлаків шляхом водного вилуговуванням в нерозчинному залишку отримують дрібнодисперсні корольки металевого алюмінію і його сплавів, оксид алюмінію і домішки оксидів інших металів. Зазвичай грохоченням відділяють більш великі корольки металу 1-2 мм. Зміст металевого алюмінію в окісній частини фракції 1 мм коливається від 6,6 до 19.1% .

                     Характеристика відходів [3].

3. Методи виділення алюмінію з висококремнистої сировиния

     Відомі методи виділення алюмінію з висококремнистої сировини можна розділити на дві великі групи: лужні і кислотні. При використанні лужних методів алюміній переводять у водорозчинну форму у вигляді алюмінатів. У випадку переробки промислових висококремністих відходів більш привабливими виявляються кислотні методи, зокрема, сірчанокислотний метод. Інтерес до сірчанокислотного методу пов'язаний зі зниженням цін на сірчану кислоту [4].
     Існує два різновиди сірчанокислотного методу. У відповідності з першим попередньо обпалену при температурі 650-800°С глинисту сировину подрібнюють і при температурі 100-105°С обробляють протягом кількох годин концентрованим водним розчином сірчаної кислоти. При цьому отримують розчин сульфату алюмінію, який випарюють і отримують кристалічний сульфат алюмінію. За другим методом подрібнену сировину спікають з сірчаної кислотою при температурі 350-400°С. При цьому отримують спек, який можна використовувати в якості неочищеного коагулянта в процесах водопідготовки або отримати з нього кристалічний сульфат алюмінію шляхом вилуговування гарячою водою і наступного випаровування розчину.
     Зі способів комплексної переробки деяких видів сировини, яка містить алюміній тільки лужні способи знайшли застосування в промисловості. Однак, лужні способи у порівнянні з кислотними, поряд з відомими позитивними якостями, мають і негативні моменти. Так лужний спосіб спікання сировини, що містить алюміній, характеризується значним матеріальним потоком на тонну глинозему, відносно низьким витяганням глинозему у розчин, високими питомими капітальними витратами і витратою палива, що обумовлено застосуванням високотемпературного спікання. Для ефективного проведення процесу спікання необхідно мати сировину доброї якості, у противному випадку його доводиться піддавати збагаченню. Для здійснення процесу потрібно також високоякісний вапняк. Тому організація виробництва глинозему способом спікання значною мірою утруднена, якщо в даному районі відсутній вапняк або він низькосортний. Ефективність способу може бути забезпечена за умови використання всієї кількості шламів, що отримують для виробництва цементу, але споживання їх на місці обмежене, а далекі перевезення є не раціональними.       Крім лужних способів, проведені численні дослідження з переробки сировини, яка містить алюміній, кислотними способами. Кислотні способи не знайшли поки промислового використання для одержання солей алюмінію, що пов'язано з певними труднощами, з якими доводиться стикатися при їх реалізації. Це насамперед очищення розчинів від сполук заліза, які при кислотному вилуговуванні переходять разом з алюмінієм в розчин. Через великі подібності у властивостях сполук алюмінію і заліза їх глибокий поділ є досить складним. Крім заліза, при вилуговуванні в розчин переходять солі кальцію, магнію, натрію, титану. При кислотних способaх спостерігається підвищена зношуваність апаратури, виникають ускладнення при відділенні і промиванні кремнізьомного залишку, регенерації кислот. [7].
     На нашу думку, другий метод має певні переваги перед першим, так як характеризується меншими енерговитратами, меншими обсягами матеріальних потоків у виробництві та більшою технологічною гнучкістю. Основними показниками якості сульфату алюмінію, на які потрібно орієнтуватися при переробці, є масова частка оксиду алюмінію, яка повинна становити не менш 15%, масова частка заліза в перерахунку на оксид заліза (III), не більше-0,3% [10].

4. Результати експериментальних досліджень

      Для спікання з кислотою була взята порода підприємства «Донкерампромсырье», яке займається отриманням нерудних корисних копалин. Проводиться переробка Торецького родовища вогнетривких і тугоплавких глин. Балансові запаси родовища 16,9 млн. тонн, в рік добувається 500-600 тис. тонн. У різних шарах даного родовища міститься Al₂O₃ від 15 до 33%, Fe₂O₃ від 0,9 до 2.3%.
     Для обробки використовується порода Торецького родовища, вміст Al₂O₃ та Fe₂O₃ в якій відповідно дорівнює 24% і 0,9%. Перед спіканням порода подрібнювалась і змішувалась з 86% сірчаною кислотою. Спікания породи проходило протягом 30 хвилин при температурі близько 350°С, при цьому спостерігалося незначне виділення газів. В результаті процесу вийшов спек, який легко подрібнюється. Отриманий спек можна використовувати як неочищений коагулянт для водопідготовки, або виділити сіль Al₂(SO₄)₃•12H₂O [5]. Для цього спек, що утворився вилуговується гарячою водою у співвідношенні 1:4, отримана дрібнодисперсна суспензія фільтрується, а після отриманий розчин випарюють до утворення кристалічної солі.

     Проведений хімічний аналіз отриманих солей на вмст заліза і алюміню,вміст сульфат-іонів. Використовувався фотоколориметричний метод визначення заліза і комплексонометричний метод визначення алюмінію, а також гравіметричний метод визначення сульфат іонів.

5 Основні методики аналізу

5.1 Методика визначення заліза

     Пропонувалося багато методів визначення заліза, але всі вони мають обмежене застосування. Найбільш перспективним методом слід вважати колоріметрічний. Колориметричним називають метод визначення малих кількостей речовини в пофарбованому розчині по інтенсивності його забарвлення. Визначення проводять шляхом порівняння забарвлення випробуваного розчину із забарвленням еталону, тобто зразкового розчину з відомою концентрацією розчину, що визначається, з відомою концентрацією речовини, що визначається, яка вимірюється десятими, сотими або тисячним частками мг. Порівняння окрасок базується на вимірюванні інтенсивності світла, що пройшло через пофарбований розчин або поглинене ним [6]. Колориметричні визначення можуть бути виконані:
      Колориметричні визначення можуть бути виконані:
      1. Методом колориметричної шкали;
      2. Методом колориметрічного титрування;
      3. Методом зрівнювання (оптичного врівноважування).
     Колориметричний метод передбачає утворення комплексного з'єднання заліза з ортофенантроліном, що має червоний колір. Вміст заліза визначається по інтенсивності забарвлення. Цей метод не має, мабуть, обмежень щодо концентрацій заліза. Однак ряд елементів, особливо молібден, впливають на забарвлення розчину. Метод знаходить практичне застосування і є точним при вмісті заліза більше 0,01%.

5. 2 Методика визначення алюмінію

      Комплексонометричні методи визначення засновані на використанні в якості титрантів розчинів нових органічних реактивів - комплексонів, які здатні утворювати з іонами металів міцні внутрікомплексні з'єднання. Комплексонометричний метод визначення алюмінію заснований на першочерговому відділенні алюмінію від цирконію, титану та заліза обробкою аналізованого розчину лугою і переведенням алюмінію в алюмінат. Алюміній визначають методом зворотного комплексонометричного титрування в середовищі ацетатного буфера при рН 4.8-5.0 з використанням індикатора ПАН, як титрант використовують розчин сульфату цинку [8].

5.3 Визначення сульфатів

     Гравіметричний аналіз заснований на визначенні маси речовини. В ході гравіметричного аналізу речовина, яка визначається, або відганяється у вигляді якого-небудь летючого з'єднання (метод відгонки), або осаджується з розчину у вигляді малорозчинних з'єднаннь (метод осадження). Метод визначення сульфатів заснований на осадженні сульфат-іонів з проби розчином хлориду барію та гравіметричному визначенні маси осаду після його прокалювання.

           Висновки

     З попередніх даних, наведених у таблиці видно, що концентрація оксиду заліза у продукті перевищує допустиму. Це означає, що потрібно додаткове очищення від з'єднань заліза. Однак, навіть такий продукт може бути використаний в якості ефективного коагулянту для очищення води, так як сульфат заліза також володіє високими коагулюючими властивостями. В подальшому планується проведення спікання з сірчаної кислотою проб з пластів глини іншого складу та інших промислових відходів.

Література

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