Обескремнивание и карбонизация алюминатного раствора, полученного из минерала мусковита
Одинаев Хайдар,
доктор химических наук, профессор,
Мирзоев Бодур,
кандидат химических наук,
Мирзоев Парвиз Бодурович,
аспирант.
Институт химии им. В.И. Никитина АН Республики Таджикистан.
В работе изучены процессы обескремнивания и карбонизации алюминатного раствора, полученного из минерала мусковита. Результаты исследований показали, что при повышении концентрации извести от 2 до 10 г/л степень обескремнивания возрастает от 7,6% до 93,8%. Установлено, что наиболее благоприятным режимом осуществления процесса является: температура 80оС и продолжительность процесса 50 минут, при этом степень обескремнивания достигает 91,3 – 93,9 %. В процессе карбонизации при повышении температуры до 30оС, степень осаждения криолит-гидроксида алюминия увеличивается и достигает 92,6%. Оптимальным значением продолжительности процесса при этом является период в 30 мин.
Ключевые слова: минерал мусковит, обескремнивание, карбонизация, криолит-гидроксид алюминия.
Как известно, разделение оксида алюминия и кремнезема является основным вопросом [1, 2] для щелочных способов получения глинозема, на которых в настоящее время базируется все мировое производство оксида алюминия. Поэтому поведению кремнезема в алюминатных растворах всегда уделялось и уделяется большое внимание. После выщелачивания алюминатный раствор значительно загрязняется кремнеземом (SiO2).
Вслед за получением нами алюминатно-фторидного спека из шихты с добавками различных компонентов методом спекания были проведены и найдены оптимальные условия выщелачивания. Процесс проводили в термостатированном реакторе при интенсивном перемешивании пульпы.
Твердую фазу отделяли от жидкой в вакуумной воронке через двойной бумажный фильтр. Содержание кремнезема в глиноземном концентрате негативно влияет на качество получаемого алюминия, поэтому необходимой предварительной стадией перед карбонизацией является обескремнивание алюминатного раствора. При этом, возможно, протекание ионообменной реакции :
Na2O· Al2O3· n SiO2· mH2O +Ca ( OH)2 = CaO· Al2O3· n SiO2 · m H2O +2 NaOH
Как видно из этой реакции, обескремнивание алюминатных растворов cводится только к реакции обмена ионов Na+ и Ca2+. Для подтверждения этой реакции были поставлены опыты по исследованию влияния концентрации извести, температуры и продолжительности процесса. Обескремнивание в политермических условиях проводилось следующим образом: В термостатированный реактор с мешалкой добавляли при разных концентрациях известь и фиксировали продолжительность процесса. С целью обескремнивания в алюминатный раствор добавляли Ca(OH)2, при этом концентрация извести составляла 5 – 10 г/л. Раствор нагревали до температуры 80- 90О С и выдерживали в течение 1 - 1,5 часов. После этого раствор охлаждали до температуры 25 – 30оС. Выпавший в осадок гидроалюмосиликат натрия отделяли фильтрованием пульпы, а алюминатный раствор направляли на процесс карбонизации.
Для определения оптимальных условий осаждения гидроксида алюминия Al(OH)3 нами были исследованы следующие параметры процесса карбонизации:
1) влияние температуры;
2) продолжительность процесса;
3) расход углекислого газа.
Были найдены оптимальные условия процесса извлечения глинозема. Нами также были исследованы степень осаждения гидроксида алюминия при различных температурах, продолжительность процесса и расход углекислого газа. Результаты исследований показали, что при повышении концентрации извести (рис. 1) от 2 до 10 г/л степень обескремнивания возрастает от 7,6 % до 93,8 %. При дельнейшем повышении концентрации извести степень обескремнивания изменяется незначительно. Кроме концентрации извести, на процесс обескремнивания алюминатного раствора сильно влияют температура и продолжительность процесса (рис. 2). Как видно из рис. 2, с повышением температуры и увеличением продолжительности процесс обескремнивания алюминатных растворов протекает глубоко.
Рис. 1. Зависимость степени обескремнивания при различных концентрациях извести.
Рис. 2. Зависимость процесса обескремнивания от: а – температуры и б – продолжительности процесса.
Проведенные нами исследования показали, что наиболее благоприятным режимом осуществления процесса является: температура 80оС и продолжительность процесса – 50 минут. При этом степень обескремнивания достигает 91,3 – 93,9 %. Затем нами была проведена карбонизация алюминатного раствора, что является одним из основных методов, применяемых в производстве глинозема, осуществляемых барботированием через раствор смеси газов, содержащих CO2 для выделения в осадок гидроксида алюминия.
Карбонизация является сложным гетерофазным процессом [3]. Сущность процесса состоит в нейтрализации едкой щелочи по реакции:
2NaOH +CO2 =Na2 СO3 +H2О (1)
В результате уменьшения содержания Na2O снижается стойкость алюминатных растворов и происходит их разложение по реакции:
NaAlO2 + H2O ↔ Al(OH)3 + NaOH (2)
В растворе, полученном после выщелачивания спека, кроме NaAl(OH)4 имеется и NaF, т.е., при карбонизации алюминатно-фторидных растворов наряду с реакциями (1) и (2) протекает следующая реакция
3NaAl(OH)4+ 6NaF +3CO2 = Na3 Al F6 + 2Al(OH)3+ 3Na2CO3 +3H2O (3)
Согласно реакции (3) для определения оптимальных условий осаждения криолита и гидроксида алюминия нами было исследовано влияние температуры, продолжительности процесса и расход углекислого газа. Полученные данные по результатам изучения степени осаждения криолит - гидроксида алюминия при различных температурах, продолжительности процесса и расходе газа при карбонизации алюминатно -фторидного раствора приведены в таблице 1.
Как следует из данных табл. 1, при повышении температуры до 30 оС, степень осаждения увеличивается и достигает 92,6 %. При дальнейшем повышении температуры степень осаждения криолит–гидроксида алюминия остается постоянной, что объясняется уменьшением растворимости CO2 и повышением растворимости гидроксида алюминия.
Таблица 1.
Величины степени осаждения криолита и гидроксида алюминия при различных температурах, продолжительности процесса и расхода газа CO2 при карбонизации.
№ опыта |
t,оC |
τ, мин |
расход газа CO2, л /мин |
степень осаждения криолит – гидроксида алюминия, % |
1 |
15 |
30 |
15 |
28,9 |
2 |
20 |
30 |
15 |
52,7 |
3 |
25 |
30 |
15 |
79,8 |
4 |
30 |
30 |
15 |
93,5 |
5 |
35 |
30 |
15 |
90,8 |
6 |
40 |
30 |
15 |
88,7 |
7 |
30 |
35 |
15 |
92,9 |
8 |
30 |
40 |
15 |
93,4 |
9 |
30 |
25 |
15 |
83,5 |
10 |
30 |
20 |
15 |
78,4 |
11 |
30 |
30 |
20 |
93,7 |
12 |
30 |
30 |
25 |
91 ,9 |
13 |
30 |
30 |
10 |
85,3 |
14 |
30 |
30 |
5 |
48,7 |
При проведении исследований по продолжительности процесса и расхода газа выяснилось, что максимальная степень извлечения достигается (табл. 1) в течение 30 мин. Расход газа составляет 10-15л/мин., затем изменяется незначительно. Результаты проведенных анализов показали, что путем карбонизации алюминатно-фторидного раствора можно получить смесь криолит-гидроксида алюминия.
Литература
1. Пономарев В.Д., Сажин В.С., Ни Л.П. Гидрохимический щелочной способ переработки алюмосиликатов. – М.: Металлургия, 1964, - 112 с.
2. А.С. 1633748 СССР. Способ переработки алюминийсодержащего сырья. Б.Мирзоев., Сафиев Х., Запольский А.К. Мирсаидов У.- 1983 г.
3. Лайнер А.И. Производство глинозема / Металлургиздат ,1961. – 619с.
Поступила в редакцию 12.08.2014 г.