CC BY
84
международный научный журнал «инновационная наука» №6/2015 issn 2410-6070
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 66.088
Т.Ю. Еранская
К.т.н., с.н.с.
Старший научный сотрудник Институт геологии и природопользования ДВО РАН г. Благовещенск, Российская Федерация
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД ПЕРЕРАБОТКИ КАОЛИНОВ1
Аннотация
Разрабатывается метод разложения каолина на алюминатную и силикатную составляющие под действием электроискрового разряда в щелочном растворе. Выход гидроксида алюминия из каолина марки КМ-1 Чалганского месторождения составляет до 37,2% от расчетного.
Ключевые слова
Каолин, каолинит, электроискровой метод, алюминатный раствор, сгущение, декомпозиция,
гидроксид алюминия.
Щелочной метод является одним из методов переработки каолинов на глинозем. В традиционных технологиях каолин со щелочью в смеси с водой длительное время перемешивается в специальных устройствах барабанного типа. При этом происходит разложение молекулы каолина на алюминатную и силикатную составляющие с последующим химическим взаимодействием с ионами щелочного раствора. Длительная обработка сопровождается постоянным нагревом.
Нами поставлена задача ускорить данный процесс до нескольких минут - предложен метод электроискрового или электрогидравлического воздействия.
Сущность этого метода (по Юткину Л.А.) [1, с. 11] состоит в том, что под действием высокого напряжения между двумя электродами в жидкости формируется импульсный электрический разряд, вокруг которого возникают сверхвысокие гидравлические давления, вызывающие перемещения жидкости со скоростью в несколько сотен метров в секунду. В зоне разряда импульсно возникают мощные кавитационные процессы, инфра- и ультразвуковые излучения, резонансные явления, другие физические и физико-химические процессы, происходит многократная ионизация самой жидкости и частиц вещества. Вблизи зоны разряда происходят разрушение и диспергация частиц, интенсификация химических процессов за счет обрыва сорбционных и химических связей. Такое комплексное воздействие на вещество является основой для предложенного метода.
Возникающие при электроискровом разряде условия во много раз превосходят условия обычной химической реакции, поэтому можно ожидать, что и результат взаимодействия при химической реакции в условиях электроискрового разряда будет значительно превосходить результат обычной реакции. Условия, создаваемые электроискровым разрядом, являются катализатором химической реакции.
Процесс переработки каолина на глинозем должен состоять из двух стадий. Результатом первой стадии является получение гидроокиси алюминия. Вторая часть процесса - получение оксида из гидроокиси на данном этапе не выполнялась. В свою очередь, процесс получения гидроокиси алюминия проходит в два этапа: перевод алюминатной части в раствор по реакции (1) и выделение А1(ОН)з в осадок по реакции (2). Это два самостоятельных этапа.
Al2O3-2SiO2- 2H2O + 6NaOH + H2O = 2NaAlO2 + 2Na2SiO3 + 6H2O (1)
Al(OH)3
NaAlO2 + 2H2O ^ Al(OH)3j + NaOH (2)
затравка
В процессе реакции (1) в раствор одновременно переходят алюминатная и силикатная части каолинита в виде алюмината и силиката натрия. Далее отфильтрованный раствор подвергается сгущению (выпариванию) до получения концентрированного раствора. Второй этап - декомпозиция по реакции (2). При переработке бокситов по Байеру этот процесс представляет собой самопроизвольное разложение
1 Работа выполнялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 11-05-98507).
международный научный журнал «инновационная наука» №6/2015 issn 2410-6070
алюминатного раствора на кристаллы А1(ОН)з в виде осадка и раствора NaOH при длительном до нескольких суток перемешивании при вращении декомпозера. Чтобы неустойчивый процесс шел в сторону разложения, в раствор добавляют большое количество затравки в виде свежеприготовленного А1(ОН)з из предыдущего цикла производства. Затравка играет роль катализатора процесса разложения, а кристаллы затравки -центрами кристаллизации.
Из литературных источников известно, что в 1%-ном растворе NaOH при комнатной температуре разлагается до 2-х процентов каолинита, в 10%-ном - 5%, а при температуре водяной бани 6% и 20%, соответственно [2, с. 114].
При разработке новой технологии разложения каолина ставилась задача попробовать разрушить его молекулярные связи при помощи совместного действия химических растворов и электроискровой технологии, добиться большего, чем 20%, разложения каолинита за счет, описанного выше эффекта.
Для эксперимента были использованы каолиновые концентраты марки КМ-1 Чалганского месторождения (Амурская область). Состав каолина по данным Аналитического центра минералого-геохимических исследований Института геологии и природопользования ДВО РАН (АЦ МГИ ИГиП ДВО РАН) [3, с. 292]: AI2O3 - 37,00%, SiO2 - 46,83%, Fe2O3 - 0,96%, TiO2 - 0,60%, N2O - 0,11%, K2O - 1,33%, кристаллизационная вода 12,83%, MgO, CaO и P2O5 - не обнаружены.
Для проведения эксперимента была создана установка, принципиальная электрическая схема которой представлена на рис. 1. Для подачи короткоимпульсного разряда на рабочем промежутке 8 в электрическую схему введен формирующий воздушный искровой промежуток 7. Что позволяет накапливать количество энергии, значительно большее напряжения пробоя рабочего промежутка в жидкости, и импульсно подавать ее на основной промежуток. Для принудительного разряда конденсаторов 3 через равные промежутки времени в состав установки введен вращающийся блок с двумя парами разрядников. Скорость вращения блока (70 об/мин) обеспечивает полный разряд конденсаторов при каждом замыкании электродов.
7 2 3 4
Рисунок 1 - Электрическая схема установки: 1 - трансформатор; 2 - выпрямитель; 3 - блок конденсаторов; 4 - измеритель напряжения; 5 - кнопочный выключатель; 6 - зарядное сопротивление; 7 -воздушный формирующий искровой промежуток; 8 - рабочий искровой промежуток; 9 - рабочая емкость.
Стример при движении от одного электрода к другому в массе образца прокладывает себе дорогу по траектории наименьшего сопротивления. Все последующие разряды проходят по проложенному пути. Таким образом, в область воздействия разряда попадает незначительная часть пульпы с образцом. А, исходя из свойств самого каолина, остальная масса образца собирается вдоль стенок сосуда и уплотняется.
Для устойчивого перемешивания пульпы установка оборудована узлом для придания емкости с образцом вращательного или качательного движения.
Химическая реакция каолина и щелочного раствора начинается уже при смешивании компонентов в емкости. Поэтому механическое и электрохимическое воздействие от электроискрового разряда должны ускорять процесс разрыва связей, ионизации алюминатной и силикатной частей молекулы каолинита и образование раствора алюмосиликата натрия.
Эксперимент проводился при различных соотношениях каолина, химиката, воды, при разных мощностях установки и за разные промежутки времени. Время обработки от 15 до 70 мин. Температура пульпы в процессе эксперимента составляет 85 °С.
международный научный журнал «инновационная наука»
№6/2015
issn 2410-6070
Большая часть осадка по окончании электроискрового воздействия оседает быстро, а мелкие частички длительное время находится во взвешенном состоянии. Это подобно тому, как ведет себя вещество после кавитационной обработки, когда частички вещества длительное время находятся в заряженном состоянии. Затем раствор фильтруется, сгущается (выпаривается) на 70-90%. Отфильтрованный осадок несколько раз промывается. Промывная вода также идет на сгущение и последующее использование в процессе.
Сгущенный алюмосиликатный раствор далее подвергается декомпозиции, в процессе которой алюминат натрия разлагается по (2) с образованием гидроксида алюминия, который выпадает в осадок. Ионы натрия с водой образовывают раствор едкого натра. Силикат натрия не разлагается, не выпадает в осадок и остается в растворе. Это подтверждено результатами рентгенофазового (рис. 2) и микрозондового (рис. 3) анализов. Съемка образцов проводилась в АЦ МГИ ИГиП ДВО РАН на дифрактометре Maxima XRD-7000 (Сика излучение ^=1,54060А), аналитик Ревенюк Я.Н. и растровом электронном микроскопе JSM-6390LV, аналитик-исследователь Мудровская Н.В. Процесс декомпозиции выполнялся на водяной бане при температуре 80-95°С.
Рисунок 2 - Дифрактограмма осадка после декомпозиции алюмосиликатного раствора
Определяющее значение на выход готового продукта имеет процент сгущения раствора и промывочной воды. Причем в зависимости от массы исходной навески и щелочности раствора эти значения сильно разнятся. При сгущении до 25 % первичного раствора, полученного после электроискровой обработки каолина в 10%-ном растворе за 70 мин, в среднем получено 24,8 % А1(ОН)з, обработанного в 20%-ном растворе - около 37,2%. Температура водяной бани при этом составляла 90-92 °С. При декомпозиции выкручиванием (за 30-35 ч) при тех же соотношениях компонентов выход А1(ОН)з составлял 1,3-1,5%.
Рисунок 3 - Фотография и спектр осадка после декомпозиции алюмосиликатного раствора
По нашим оценкам еще до 5% осадка могут составлять потери на лабораторной посуде, фильтре. В отдельных опытах довольно существенная часть мелких частиц осадка не задерживается фильтром и уходит с фильтратом.
Декомпозиция проводилась без затравки и с применением затравки. В качестве затравки использовался А1(ОН)3 марки чда. Теоретически затравка должна являться катализатором процесса разложения раствора, способствовать увеличению выхода осадка. Во всех случаях затравка не давала увеличения выхода гидроксида алюминия из раствора. Наоборот, масса полученного осадка была даже ниже массы затравки из-за большого количества потерь. С другой стороны, на фото со стереомикроскопа ЛабоСтеми-4 зум (рис. 4 б) хорошо видно, что частички затравки все-таки выполняют функцию центров кристаллизации.
международный научный журнал «инновационная наука» №6/2015 issn 2410-6070
Рисунок 4 - Частицы А1(ОН)з: а) - затравка; б) - осадок после декомпозиции
Методика проведения экспериментов требует совершенствования. Но уже на данном этапе можно говорить о целесообразности дальнейшего проведения исследований. Полученные результаты свидетельствует о перспективности работ в этом направлении. Список использованной литературы:
1. Л.А. Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение. 1986. 253 с.
2. Н.Ф. Солодкий, А.С. Шамриков, В.М. Погребенков. Минерально-сырьевая база Урала для керамической, огнеупорной и стекольной промышленности. Справочное пособие. Под редакцией проф. Г.Н. Масленниковой. - Томск: Изд-во ТПУ. 2009. 332 с.
3. Еранская Т.Ю., Римкевич В.С. Влияние кавитации на обогащение каолинов // «Химическая технология». 2012. №5. С. 291-296.
© Т.Ю. Еранская, 2015
