CC BY
38
УДК 542.61:546.633
Бояринцев А.В., Степанов С.И., Хтет Йе Аунг, Маунг Маунг Аунг
ГИДРОЛИТИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И СКАНДИЯ ИЗ ЩЕЛОЧНО-КАРБОНАТНЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ КРАСНЫХ ШЛАМОВ
Бояринцев Александр Валентинович, доцент кафедры технологии редких элементов и наноматериалов на их основе
e-mail: boyarin_sanya@mail.ru;
Степанов Сергей Илларионович, заведующий кафедрой технологии редких элементов и наноматериалов на их основе
e-mail: chao_step@mail.ru;
Хтет Йе Аунг, аспирант кафедры технологии редких элементов и наноматериалов на их основе, e-mail: htetyeaung61058@gmail.com;
Маунг Маунг Аунг, аспирант кафедры технологии редких элементов и наноматериалов на их основе, e-mail: polluxaung@gmail.com.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Представлены результаты совместного гидролитического осаждения алюминия и скандия из щелочно— карбонатных растворов выщелачивания красного шлама.
Ключевые слова: красные шламы, скандий, алюминий, карбонат натрия, гидроксид натрия, гидролитическое осаждение, углекислый газ.
HYDROLYTIC SEDIMENTATION OF ALUMINIUM AND SCANDIUM FROM ALKALINE-CARBONATE SOLUTIONS AFTER LEACHING OF RED MUD
Boyarintsev A.V., Stepanov S.I., Htet Ye Aung, Maung Maung Aung D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The results of collective hydrolytic sedimentation of aluminum and scandium from alkaline—carbonate solutions of leaching of red mud are presented.
Key words: red mud, scandium, aluminium, sodium carbonate, sodium hydroxide, hydrolytic sedimentation, carbon dioxide gas.
Красные шламы (КШ) представляют собой отходы переработки бокситов по способу Байера, содержащие такие макрокомпоненты, как оксиды железа, алюминия, кальция, кремния, и ряд ценных микрокомпонентов, представленных в основном редкими элементами: скандий, галлий, германий, титан, цирконий, редкоземельные элементы (РЗЭ). Наиболее дорогостоящим компонентом КШ является скандий, содержание которого может достигать 130 г/т, что позволяет рассматривать этот отход как техногенное сырье для производства оксида скандия требуемой степени чистоты.
Значительные количества накопленных КШ и поступающие на шламохранилища новые потоки этого отхода необходимо перерабатывать, получать из КШ ликвидные продукты, в том числе и ценных микрокомпонентов. Важную роль в решении проблемы ликвидации КШ как токсичных отходов играют исследования по комплексной переработке КШ. В рамках этого направления предложен вариант комплексной переработки КШ, включающий последовательное извлечение из них остатков алюминия щелочным выщелачиванием, извлечение скандия карбонатным выщелачиванием, отделением обогащенного по железу остатка,
восстановительную плавку с получением железа и
переработкой шлаков, образующихся при восстановительной плавке железосодержащего остатка с доизвлечением из них скандия, РЗЭ, титана, циркония и др. кислотными методами [1].
Одним из вариантов выделения Al и Sc из щелочно-карбонатных растворов, образующихся при выщелачивании КШ, является гидролитическое осаждение нерастворимых соединений Al и Sc в присутствии газообразного СО2. В результате сатурации и появления избытка протонов угольной кислоты происходит образование нерастворимого гидроалюмокарбоната натрия - NаАlС0з(0H)2 [2]. При выщелачивании Sc из КШ водными растворами Na2COз происходит образование его растворимых карбонатных соединений, состав которых может быть выражен общей формулой Nа(2n-з)[Sc(СОз)n]. В присутствии газообразного СО2 степень извлечения Sc в раствор из КШ при карбонатном выщелачивании повышается, в тоже время в таких системах также протекают процессы вторичного осадкообразования. В настоящее время высказано предположение о возможности образования в таких системах как индивидуальных, так и смешанных гидролитических полимерных соединений Al и Sc, катализируемое протонами угольной кислоты [3].
Целью настоящей работы явилось изучение процесса гидролитического осаждение алюминия из щелочных и скандия из смешанных щелочно-карбонатных растворов при проведении сатурации в ходе выщелачивания этих элементов из КШ.
В качестве исходных КШ использовали шламы «Богословского алюминиевого завода» филиала ОАО «Сибирско-Уральской алюминиевой компании» («БАЗ» филиал ОАО «СУАЛ») следующего состава, в % масс.: АЬОз - 14,21, Fе2Оз - 41,5, СаО - 12,14, МgО - 1,6, SiО2 - 9,75, Nа2O -4,52, ^ - 0,19, ТЮ2 - 3,78, Р2О5 - 0,76, S - 1,45 СО2 - 11,1, Sc - 0,012, £Ьп - 0,122. Фракционный состав КШ следующий, в % масс.: >180 мкм - 36,6; 125-180 мкм - 29,2; 90-125 мкм - 17,0; 63-90 мкм -14,5; 45-63 мкм - 2,6; <45 мкм - 0,2. В работе использовали Sc(NOз)з•4H2O, ^2СОз и ШОН и баллонный углекислый газ квалификации «ч».
Выщелачивание А1 из КШ водным 4М раствором №ОН проводили в реакторе из нержавеющей стали снабженным перемешивающим устройством и обратным холодильником. Заданную температуру поддерживали при помощи глицериновой бани. После выщелачивания пульпу центрифугировали в пластикой пробирке, отделяли водную фазу и проводили исследования по
выделению алюминия из растворов. Смешанный алюминий-скандиевый щелочно-карбонатных
раствор готовили смешением щелочного раствора алюминия с карбонатным раствором скандия. Последний получали растворением
свежеосажденного из водного раствора Sc(NOз)з гидроксида скандия в 0,5М Na2CO3. Смешанный щелочно-карбонатный раствор содержащий 0,55 г/л Al и 0,71 г/л Sc, использовали для изучения гидролитического осаждения.
Как было показано ранее, при сатурации газообразного СО2 через щелочной раствор Al происходит образование нерастворимого NаАlС0з(0H)2. При расходе СО2 1,5 л/мин уже через 10 мин алюминий в равновесном водном растворе не обнаружен. На всех представленных на рис. 1 кинетических зависимостях выделяется начальный участок, на котором в течение 10 мин не наблюдается никакого изменения концентрации А1 в растворе. Этот период связан с нейтрализацией избытка щелочи угольной кислотой.
В тоже время при сатурации CO2 в течении 120 мин 1,43 г/л раствора Sc в 0,5М Na2COз в отсутствии Al образование осадков скандия не наблюдается. Конечный рН раствора после прекращения подачи СО2 составил 10,0.
Рис. 1. Кинетика осадкообразования А1 при барботаже СО2 через раствор выщелачивания КШ 4,0М водным раствором КаОН, содержащим 0,61 г/л А1, при расходе СО2, л/мин: 0,5 - 4 ед.; 1,0 - 8 ед.; 1,5 - 12 ед.
Рис. 2. Кинетика осадкообразования А1 (А) и (Б) при сатурации газообращным СО2 модельного щелочно-карбонатного раствора, содержащего 0,55 г/л А1 и 0,71 г/л при расходе газообразного СО2, л/мин:
0,125 - 1 ед.; 0,25 - 2 ед.; 0,5 - 4 ед.
При барботаже газообразного СО2 через смешанный щелочно-карбонатный раствор, содержащий 0,55 г/л Al и 0,71 г/л Sc, так же как и в случае щелочного раствора Al, происходит образование вторичных осадков белого цвета. Установлено, что скорость выделения Al и Sc в осадок повышается с увеличением расхода CO2, особенно это выражено для начальных участков кинетических кривых, рис. 2. В тоже время полноты выделения этих металлов в осадок не достигается даже за 60 мин сатурации. Остаточная концентрация А1 после 60 мин сатураци смешанного раствора составила 0,22 г/л при барботаже 0,125 л/мин СО2 и 0,09 г/л - при 0,25 и 0,5 л/мин СО2. Остаточная концентрация Sc при тех же условиях составила 0,10-0,11 г/л. В смешанный осадок было переведено 83,6% А1 и 85,9% Sc из присутствовавших в исходном щелочно-карбонатном растворе.
Таким образом, скандий соосаждается из карбонатных растворов только в присутствии алюминия в рассмотренной области концентраций, что подтверждает предположения об образовании смешанных гидролитических полимеров скандия и алюминия.
Для определения состава осаждаемых соединений алюминия и скандия был получен спектр РФА, выделенного и высушенного на воздухе 4000
смешанного осадка, представленный на рис. 3. Анализ полученного спектра РФА по кристаллографической базе JCPDS позволил выявить следующие кристаллические фазы: АЮ(ОН) (карта № 83-1505), ScOOH (карта № 720360), Al5(COз)з(OH)lз•xH2O (карта № 42-0588) и NaAlCOз(OH)2 (карта 45-1359). Кроме того, остались неидентифицированными фазы при величине угла 20=23°.
Отсутствие в базе JCPDS данных по смешанным полимерным гидроксо-карбонатным соединениям Al и Sc, а также сильное уширение всех сигналов в спектре РФА, соответствующее рентгеноаморфной структуре осадка, не позволили однозначно провести интерпретацию полученного спектра РФА. Тем не менее, наличие в идентифицированных в составе осадка фазах гидроксидных групп, которые обычно принимают участие в полимеризационных процессах, позволяет предположить протекание таких превращений во времени. Очевидно, что химия смешанных гидролитических полимеров Al и Sc, а также других поливалентных редких элементов, требует более подробного и пристального исследования различными
современными физико-химическими методами с целью более точного определения состава образующихся соединений.
3000
§ 2000
1000
о
S3—1505 JCPDS - AlO(OH)
a - 72-0360 JCPDS-ScOOH
• - 42-0588 JCPDS - А1;(СОт,)з(ОН)13 хН-)0
+ •7 \ ♦ 19-1175 JCPDS-NaALCÖ3(OH> »ji*
*| i л f V* . Г
/ VW
1 1 1 1 1 1 1
15
25
55
65
75
35 45
2е.гр.
Рис. 3. РФА спектр смешанного осадка Al и Sc, полученного при барботаже 0,5 л/мин СО2 в течение 60 мин через щелочно-карбонатный раствор, содержащий 0,55 г/л А1 и 0,71 г/л Sc
Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают высказанные ранее предположения о протекании гидролитической полимеризации в щелочно-карбонатных растворах, содержащих алюминий и скандий. В отсутствие алюминия в растворе в изученном интервале концентраций образования гидролитических полимеров скандия не происходит. Эти выводы имеют прямое отношение к извлечению скандия из КШ в карбонатные растворы: для повышения извлечения скандия из КШ необходимо предварительно удалить из них остатки алюминия, чтобы избежать вторичного осадкообразования и выделения во вторичные осадки скандия.
Список литературы
1. Степанов С.И., Маунг Маунг Аунг, Бояринцев А.В., Гозиян А.В., Чекмарев А.М. О комплексной переработке красных шламов // Актуальные вопросы получения и применения РЗМ и РМ-2017: Сборник материалов международной научно-практической конференции 21-22 июня 2017 г. М.: ОАО «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ». 2017. С. 278-281.
2. Бояринцев А.В., Маунг Аунг Маунг, Йе Аунг Хтет, Степанов С.И. Извлечение алюминия при комплексной переработке красных шламов // Вестник ВГУИТ. 2018. Т. 80. № 3. С. 317-322.
3. Степанов С.И., Аунг Маунг Маунг, Аунг Хтет Йе, Бояринцев А.В. Химические аспекты карбонатного выщелачивания скандия из красных шламов // Вестник ВГУИТ. 2018. Т. 80. № 4. С. 349355.
