Научная статья на тему 'Химические аспекты карбонатного выщелачивания скандия из  красных шламов'

Химические аспекты карбонатного выщелачивания скандия из  красных шламов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
353
56
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КРАСНЫЕ ШЛАМЫ / СКАНДИЙ / ИЗВЛЕЧЕНИЕ / КАРБОНАТНЫЕ РАСТВОРЫ / ГИДРОЛИТИЧЕСКАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ / RED MUDS / SCANDIUM / LEACHING / CARBONATE SOLUTIONS / HYDROLYTIC POLYMERIZATION

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Степанов С.И., Аунг М.М., Аунг Х. Йе., Бояринцев А.В.

Красные шламы (КШ) отходы гидрохимической переработки бокситов по способу Байера, содержат целый ряд редких элементов, таких как галлий, титан, цирконий, редкоземельные элементы и скандий, содержание которого в КШ достигает 130 г/т. В решении проблемы извлечения скандия из КШ выделяют два направления: непосредственное извлечение скандия из КШ, как наиболее ценного и дорогостоящего его компонента, и попутное извлечение при комплексной переработке этого техногенного отхода. Предложенный в Институте химии твердого тела УрО РАН способ карбонатного выщелачивания скандия из КШ в процессе карбонизации щелочного раствора, образующегося при обработке КШ водой, позволяет извлекать не более 20% скандия, что недостаточно для разработки эффективной технологической схемы переработки этого сырья. В настоящей работе рассмотрены особенности химии карбонатного выщелачивания скандия из КШ в гетерогенных системах твердое жидкость -углекислый газ для разработки условий, способствующих повышению извлечения скандия в растворы выщелачивания. Показано, что выщелачивание скандия из КШ водными растворами карбоната натрия в отсутствие углекислого газа протекает незначительно и сопровождается щелочным гидролизом скандия при высоких значениях рН в концентрированных растворах Na2CO3. При сатурации карбонатной пульпы КШ углекислым газом протекает гидролитическая полимеризация гидроксокарбонатов скандия и алюминия в присутствии протона угольной кислоты. Оба процесса: щелочного гидролиза и гидролитической полимеризации сопровождаются образованием вторичных осадков и снижением выхода скандия в карбонатный раствор. Для повышения извлечения скандия необходимо проводить карбонатное выщелачивание в условиях, исключающих или минимизирующих образование вторичных осадков, особенно при сатурации пульпы углекислым газом.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Степанов С.И., Аунг М.М., Аунг Х. Йе., Бояринцев А.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Chemical Aspects of Scandium carbonate leaching from Red Muds

Red Muds (R.M.) waste of bauxite reprocessing by the Bayer's method include many rare elements, such as Gallium, Titanium, Zirconium, Rare Earth Elements and Scandium, concentration of which in its reached 130 g/t. In the problem solving of Scandium extraction from R.M. get a two directions: immediate leaching of Scandium from R.M. and in passing Scandium recovery under complexing processing of R.M. The method of carbonate leaching of Scandium from R.M., which was work out in Institute of Solid State Chemistry Russian Academy of Sciences Urals Branch, include saturation by carbon dioxide of alkaline solutions, obtained after water process of R.M. and allow up to 20 % Scandium recovery in solutions. It is not effective for work out of technological scheme of R.M. processing. In recent paper, the chemical aspects of carbonate leaching of Scandium from R.M. in heterogeneous systems solid liquid gas carbon dioxide were investigated to determine of conditions for more Scandium recovery from R.M. It was shown, that Scandium leaching by aqueous sodium solutions without carbon dioxide gives small recovery yield and accompanied by alkaline hydrolysis under high pH in concentrated Na2CO3 solutions. Under saturation by carbon dioxide of carbonate R.M. pulp, the hydrolytic polymerization of hydroxocarbonates of Scandium and Aluminum in presence of carbonic acid proton take place. In the both process secondary precipitates are settle down and reduce of Scandium recovery yield. For increase of Scandium recovery from R.M. it is necessary to exclude the secondary precipitates under carbonate leaching with saturation by carbon dioxide.

Текст научной работы на тему «Химические аспекты карбонатного выщелачивания скандия из  красных шламов»

BecmuuKßTyiHT/Proceedings of VSUET, Т. 80, № 4, 2018-

Оригинальная статья/Original article_

УДК 669.712: 615.035.4

DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-4-349-355

Химические аспекты карбонатного выщелачивания скандия _из красных шламов_

Сергей И. Степанов 1 chao_step@mail.ru

Маунг Маунг Аунг 1 polluxaung@gmail.com

Хтет Йе Аунг 1 htetyeaung61058@gmail.com

Александр В. Бояринцев 1 boyarín sanya@mail.ru

1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия Аннотация. Красные шламы (КШ) - отходы гидрохимической переработки бокситов по способу Байера, содержат целый ряд редких элементов, таких как галлий, титан, цирконий, редкоземельные элементы и скандий, содержание которого в КШ достигает 130 г/т. В решении проблемы извлечения скандия из КШ выделяют два направления: непосредственное извлечение скандия из КШ, как наиболее ценного и дорогостоящего его компонента, и попутное извлечение при комплексной переработке этого техногенного отхода. Предложенный в Институте химии твердого тела УрО РАН способ карбонатного выщелачивания скандия из КШ в процессе карбонизации щелочного раствора, образующегося при обработке КШ водой, позволяет извлекать не более 20% скандия, что недостаточно для разработки эффективной технологической схемы переработки этого сырья. В настоящей работе рассмотрены особенности химии карбонатного выщелачивания скандия из КШ в гетерогенных системах твердое - жидкость -углекислый газ для разработки условий, способствующих повышению извлечения скандия в растворы выщелачивания. Показано, что выщелачивание скандия из КШ водными растворами карбоната натрия в отсутствие углекислого газа протекает незначительно и сопровождается щелочным гидролизом скандия при высоких значениях рН в концентрированных растворах Ыа2СОз. При сатурации карбонатной пульпы КШ углекислым газом протекает гидролитическая полимеризация гидроксокарбонатов скандия и алюминия в присутствии протона угольной кислоты. Оба процесса: щелочного гидролиза и гидролитической полимеризации сопровождаются образованием вторичных осадков и снижением выхода скандия в карбонатный раствор. Для повышения извлечения скандия необходимо проводить карбонатное выщелачивание в условиях, исключающих или минимизирующих образование вторичных осадков, особенно при сатурации пульпы углекислым газом.

Ключевые слова

краснысшламыскандийизвлсчс^

Chemical Aspects of Scandium carbonate leaching from Red Muds

Sergei I. Stepanov 1 chao_step@mail.ru

Maung Maung Aung 1 polluxaung@gmail.com

Htet Ye Aung 1 htetyeaung61058@gmail.com

Aleksander V. Boyarintsev 1 boyarin sanya@mail.ru_

1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russian, Miusskaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia__

Abstract. Red Muds (R.M.) - waste of bauxite reprocessing by the Bayer's method include many rare elements, such as Gallium, Titanium, Zirconium, Rare Earth Elements and Scandium, concentration of which in its reached 130 g/t. In the problem solving of Scandium extraction from R.M. get a two directions: immediate leaching of Scandium from R.M. and in passing Scandium recovery under complexing processing of R.M. The method of carbonate leaching of Scandium from R.M., which was work out in Institute of Solid State Chemistry Russian Academy of Sciences Urals Branch, include saturation by carbon dioxide of alkaline solutions, obtained after water process of R.M. and allow up to 20 % Scandium recovery in solutions. It is not effective for work out of technological scheme of R.M. processing. In recent paper, the chemical aspects of carbonate leaching of Scandium from R.M. in heterogeneous systems solid - liquid - gas carbon dioxide were investigated to determine of conditions for more Scandium recovery from R.M. It was shown, that Scandium leaching by aqueous sodium solutions without carbon dioxide gives small recovery yield and accompanied by alkaline hydrolysis under high pH in concentrated Na2CO3 solutions. Under saturation by carbon dioxide of carbonate R.M. pulp, the hydrolytic polymerization of hydroxocarbonates of Scandium and Aluminum in presence of carbonic acid proton take place. In the both process secondary precipitates are settle down and reduce of Scandium recovery yield. For increase of Scandium recovery from R.M. it is necessary to exclude the secondary precipitates under carbonate leaching with saturation by carbon dioxide. Keywords: red muds, Scandium, leaching, carbonate solutions, hydrolytic polymerization

Введение

Известно [1], что красные шламы (КШ) -отходы гидрохимической переработки бокситов по способу Байера, содержат целый ряд редких элементов, таких, как галлий, титан, цирконий, редкоземельные элементы (РЗЭ) и в том числе скандий, содержание которого в КШ достигает 130 г/т. Такое высокое содержание скандия позволяет рассматривать КШ как техногенное

Для цитирования 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. 349-355. doi: 10.20914/2310-1202-2018-4-349-3 5 5

сырье для производства оксида скандия требуемой степени чистоты. С учетом значительного объема накопленных к настоящему времени КШ, порядка 1 млрд 200 млн тонн [2], и ежегодного прироста в ~ 45 млн т запасы скандия в этом сырье оцениваются в значительную величину.

Проблеме извлечения скандия из КШ посвящено большое число научных работ [3-7], патентов [8-9], обсуждений на конференциях

For citation

Stepanov S.I., Aung Maung Maung, Aung Khtet Je, Boyarintsev A.V.

Chemical Aspects of Scandium carbonate leaching from Red Muds .

Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2018. vol. 80. no. 4.

pp. 349-355. (in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2018-4-349-355

ВешшкВГУУТ/Роаегб^ /Т 80, № 4, 2018-

различного уровня [10—11]. Среди значительного потока литературы по этому вопросу необходимо выделить два направления, одно из которых ограничивается непосредственным извлечением скандия из КШ как наиболее ценного и дорогостоящего его компонента. Второе направление рассматривает попутное извлечение скандия из КШ при комплексной переработке этого техногенного отхода. С экономической точки зрения извлечение скандия из КШ может быть очень привлекательным, т. к. конечный продукт -оксид скандия высокой степени чистоты, является ликвидным и дорогостоящим товаром, способным окупить значительные затраты на его производство из КШ и принести прибыль. С экологической точки зрения извлечение (как правило, гидрометаллургическими способами) 100-130 г скандия из 1 т КШ с последующим размещением полученного «нового» отхода в виде КШ, не содержащих скандия, но увеличившихся в объеме до 1,1-1,2 т (за счет перевода компонентов шлама в другие анионные формы и обводнения при переработке) нецелесообразно, т. к. потребует расширения площадей шламовых прудов под эти «новые» КШ. Поэтому комплексная переработка КШ с вовлечением всего количества этих отходов для получения разнообразных ликвидных продуктов, в том числе и оксида скандия, является насущной необходимостью при разработке методов обращения с КШ.

При комплексной переработке КШ большое значение имеет использование для извлечения ценных компонентов тех составляющих шламов, которые остаются в них от основного производства. Речь, прежде всего, идет об остаточной щелочи (№ОН, КОН), содержание которой достигает 5% от исходной массы КШ и которая может быть вовлечена в процессы его переработки. Поэтому предложенный в ИХТТ УрО РАН [8] способ карбонатного выщелачивания скандия из КШ в процессе карбонизации щелочного раствора, образующегося при обработке КШ водой, является примером эффективного ресурсосбережения при переработке техногенных отходов. Дополнительным преимуществом такого карбонатного выщелачивания скандия является использование для карбонизации отходящих топочных газов, представленных преимущественно углекислым газом.

Попутно при карбонатном выщелачивании скандия из КШ удается извлечь до 30% титана и до 50% циркония, которые могут быть выделены в отдельные концентраты и переработаны с получением своих ликвидных продуктов.

Таким образом, карбонатное выщелачивание скандия из КШ при карбонизации пульпы отходящими топочными газами представляет собой часть комплексной переработки этого отхода с получением различных товарных продуктов.

Химия карбонатного выщелачивания скандия из КШ обусловлена образованием водорастворимых карбонатных анионных комплексов общей формулы ^с(СОз)п](2п-з:-, среди которых в литературе описаны комплексы состава: ^с(СОз-2]-, ^с(СОз)з]3- и ^с(СОз)4|5- [12]. Растворимость комплексных карбонатов скандия с щелочными металлами, натрием, калием, литием в карбонатных растворах достаточно высока [12], чтобы степень извлечения скандия из КШ в этом процессе достигала более 95%.

Однако приведенные значения степени извлечения скандия из КШ в процессе, предложенном в ИХТТ УрО РАН, невысоки и не превышают 20%, что, конечно, недостаточно для разработки эффективной технологической схемы переработки этого сырья. Очевидно, что причины такого поведения скандия в карбонатных растворах при сатурации пульпы углекислым газом обусловлены особенностями протекания химических реакций в многокомпонентных карбонатных гетерогенных системах жидкость - твердое - углекислый газ.

Цель работы - изучение химических особенностей процесса карбонатного выщелачивания скандия из КШ в гетерогенных системах с углекислым газом для разработки условий, способствующих повышению извлечения скандия в растворы выщелачивания.

Материалы и методы

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, Бе2Оз - 41,5, СаО - 12,14, МеО - 1,6, SiО2 -9,75, N20 - 4,52, К2О - 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 - з6,6; 125-180 мкм - 29,2; 90-125 мкм - 17,0; 6з-90 мкм - 14,5; 45-63 мкм - 2,6; <45 мкм - 0,2. В работе использовали ^2СОз и №ОН и баллонный углекислый газ квалификации «ч». Выщелачивание скандия из КШ водными растворами ^2СОз проводили следующим образом. Навеску КШ помещали в термостатируемую ячейку, температура которой была задана условиями эксперимента.

Затем в ячейку приливали определенное количество раствора №2СОз, в зависимости от условий эксперимента помещали в ультразвуковой излучатель и барботер СО2. Для определения содержания скандия в растворе при заданном времени выщелачивания проводили отбор пульпы, ее фильтрование и анализировали методом эмиссионной спектроскопии с индукционно связанной плазмой на приборе .ТоЬшУуоп Еш1881оп-1У 38 (Франция) в аналитической лаборатории «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ». Для интенсификации процессов выщелачивания использовали ультразвуковой проточный аппарат, Булава-П модель УЗАП-З/22-ОП производства ОАО «Центр ультразвуковых технологии» г. Бийск.

Результаты и обсуждение

Данные РФА указывают на нахождение скандия в КШ в форме оксида 8с2Оз. Для его перевода в водорастворимые анионные карбонатные комплексы необходимо сначала провести реакцию образования карбоната скандия, которая может быть записана следующим образом:

8с2Оз + ЗН2СО3 = 8с2(СОз)з + 3Н2 О, (1) например, с Ка2СОз:

8с2(СОз)з + (п-з) ^СОз =

= 2Ка<2п-з)^с(СОз)п]. (2)

Результатом протекания этих двух реакций и будет образование растворимых в карбонатных растворах комплексов скандия. Прямая реакция между оксидом скандия и карбонатом натрия в карбонатно-щелочных растворах не протекает. Для проведения реакции (1) необходим небольшой избыток угольной кислоты в системе, который может быть обеспечен при сатурации пульпы СО2 или при растворении СО2 в карбо-натно-щелочном растворе под давлением. Очевидно, что в обоих случаях введения СО2 в систему будет протекать реакция нейтрализации избытка щелочи с образованием карбоната и далее бикарбоната щелочного металла. При проведении процесса с КШ, в которых избыток щелочи обусловлен в основном гидроксидом натрия, сатурация приводит к образованию карбоната и бикарбоната натрия. В такой системе образование карбоната скандия может быть записано следующим образом:

8с2Оз + бКаНСОз =

= 8с2(СОз)з+зКа2СОз+зН2О. (з)

Рассмотренные реакции указывают на отсутствие термодинамических запретов на выщелачивание скандия в карбонатные растворы при сатурации пульпы.

В таблице 1 представлены результаты по извлечению скандия из КШ в растворы карбоната натрия различной концентрации без корректировки растворов углекислым газом.

С ростом концентрации N2CO3 степень извлечения скандия в выщелачивающий раствор проходит через максимум при концентрации Ка2СОз ~ 1 моль/л. Наличие максимума может быть объяснено повышением растворимости карбонатных комплексов скандия с ростом карбонатности раствора и вторичным осадкообразованием скандия в виде его окси-карбонатов с ростом рН исходного карбонатного раствора, обусловленного повышением концентрации карбоната натрия. В то же время степень извлечения скандия в растворы карбоната натрия не превышает 6-6,5%, что обусловлено, по-видимому, низким содержанием НСОз- групп, необходимых для протекания реакций (1) или (3).

При введении углекислого газа в процесс выщелачивания путем его барботажа через пульпу степень извлечения скандия в карбонатно-бикарбонатный раствор закономерно возрастает до 17,5% за 10 мин, что почти в 3 раза выше, чем при выщелачивании без барботажа СО2 (таблица 2).

В отобранных для анализа пробах при стоянии наблюдали образование вторичного осадка, что отражено в примечании в таблице 2. Как показали дальнейшие исследования, содержание скандия в образующихся осадках не превышало 0,2%, а сам осадок по преимуществу содержал соединения алюминия.

Таблица 1.

Зависимость Psg от концентрации Ка2СОз при карбонатном выщелачивании КШ: время - 4 ч,

Т : Ж = 1:5, Т = 50±5 °С; исходная концентрация Sc в КШ - 100 г/т

Table 1.

The dependence of the Psg vs Ка2СОз concentration under carbonate leaching from the R.M.: time - 4 hour, S : L = 1:5, T = 50±5 °C, initial Sc concentration - 100 g/t

№ п/п т(КШ), г; g У(№2СО3), мл, ml С(№2СО3), М Сsс, мг/л mg/l Pso, %

1 20,05 100 0,25 0,14 0,77

2 20,07 100 0,40 0,34 2,04

3 20,02 100 0,75 0,62 3,41

4 20,03 100 1,10 0,97 6,06

5 20,0 100 1,50 0,96 6,05

6 100,0 500 2,10 0,081 0,04

Таблица 2.

Зависимость Psc от времени при выщелачивании из КШ водным 1,0 М раствором Na2C03 и барботаже СО2 1,5 л/мин: Т : Ж = 1:5, Т = 70±5 °С, Csc исх. - 100 г/т

Table 2.

The dependence of the Pai vs time under leaching from the R.M. by 1,0 M aqueous solution of ^2СОз, and СО2 bubbling 1,5 l/min: S : L = 1 : 5, T = 70±5 °C, Csc init - 100 g/t

Время, мин | Time, min Csc, мг/л | Csc, mg/l Psc, % Примечание | Comment

1 0,76 3,8 Нет осадка | No sediment

2 0,76 3,8 Мало осадка | Small sediment

3 0,76 3,8 Увеличение объема осадка | Rise of sediment's volume

4 1,10 5,5

5 1,40 7,0 Снижение объема осадка | Reduction of sediment's volume

7 1,90 9,5

10 3,50 17,5 Мало осадка | Small sediment

Условия малого времени выщелачивания скандия из КШ при одновременной сатурации пульпы СО2 были исследованы более подробно. Выщелачивание проводили в течение более длительного периода времени, а одну и ту же порцию шлама после промежуточной отмывки на фильтре от маточного раствора двумя порциями дистиллированной воды при Т : Ж = 1:1 и комнатной температуре выщелачивали

дважды. В таблице 3 представлены полученные результаты, которые, с одной стороны, подтверждают данные таблицы 2 по повышению извлечения скандия в карбонатные растворы при сатурации пульпы, а с другой стороны, показывают наличие максимумов на кинетических кривых в области 20-35 мин проведения процесса на каждой ступени.

Таблица 3.

Зависимость Psc от времени при выщелачивании из КШ водным 1,2 M раствором Na2C03 и барботаже СО2. Условия выщелачивания: Т : Ж = 1:5, расход СО2 -1,5 л/мин, Т = 70±5 °С, исходная концентрация скандия в КШ - 100 г/т

Table 3.

The dependence of the Psc vs the time under leaching from R.M. by aqueous 1,2 M solution of ^2СОз and СО2 bubbling. Conditions of leaching: S : L = 1 : 5, СО2 flow rate - 1,5 l/min, T = 70±5 °С,

initial Sc concentration in R.M. - 100 g/t

№ п/п. 1 -я ступень 2-я ступень

Время, мин Time, min Csc, мг/л Csc, mg/l Psc, % Время, мин Time, min Csc, мг/л Csc, mg/l Psc, %

1 3 0,56 2,8 3 1,20 6,0

2 5 0,74 3,7 5 0,72 3,6

3 15 2,40 12,0 10 0,92 4,6

4 20 2,70 13,5 15 1,40 7,0

5 25 3,30 16,5 20 1,30 6,5

6 30 3,40 17,0 25 1,20 6,0

7 35 3,40 17,0 30 0,90 4,5

8 50 2,00 10,0 45 1,10 5,5

9 65 0,75 3,75 60 1,40 7,0

Снижение концентрации скандия в растворе в процессе выщелачивания при сатурации пульпы обусловлено, по-видимому, вторичным осадкообразованием, которое уже не может быть причиной щелочного гидролиза, как это наблюдается в случае с концентрированными растворами карбоната натрия.

Для объяснения наблюдаемого эффекта было высказано предположение о протекании процесса гидролитической полимеризации соединений скандия в карбонатных растворах в присутствии протона угольной кислоты. Учитывая низкую концентрацию скандия в растворах при выщелачивании из КШ в описанных

выше условиях, трудно предполагать гомопо-лимеризацию только скандия.

Однако данные таблицы 2, указывающие на переход в растворы наряду со скандием алюминия в значительно больших количествах, позволяют предположить образование смешанных гидролитических полимеров между алюминием и скандием в процессе более длительного выщелачивания при сатурации пульпы КШ.

Реакцию гидролитической полимеризации скандия в карбонатных растворах в присутствии протона угольной кислоты можно представить следующей упрощенной схемой:

— [(СОз^сСОзН]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

J+ — [(СОз)А1СОзН]

—>

(5)

(6)

(7)

(8)

(9) (10)

^(СОзЫ + Н+ ^ [(СОз^сСОзН] (4) [(СОз^сСОз Н] + [НОзС8с(СОз)] ^

- [(СОз)8сСО2 - О - О2 С8с(СОз)] + Н2О

[(СОз)8сСО2 - О - О2С8с(СОз)] ^ ^ [(СОз^с - О - 8с(СОз)] + 2СО21 а реакцию образования смешанных полимеров скандия и алюминия следующим образом: ^(СОзЫ + Н+ [А1(СОз)2]- + Н+ [(СОз^сСОзН] + [НОзСА1(СОз)]

- [(СОз)8сСО2 - О - О2СА1(СОз)] + Н2О

[(СОз)8сСО2 - О - О2 СА1(СОз)] ^ ^ [(СОз^с - О - А1(СОз)] + 2СО21 Необходимо отметить, что это одна из возможных схем полимеризационных превращений, в которой в ходе поликонденсации выделяются как молекулы воды, так и молекулы углекислого газа. В пользу такой схемы свидетельствует описанное в литературе [1з, с. 80] соединение основного карбоната скандия состава 8с2О(СОз)2. Однако эта схема достаточно наглядно демонстрирует, как может осуществляться в карбонатных растворах переход от растворимого карбонатного комплекса к нерастворимому полиядерному соединению в присутствии СО2 или, если быть точнее, в присутствии протона угольной кислоты Н2СОз.

Для подтверждения высказанных предположений были проведены исследования по устойчивости щелочного раствора алюминия, полученного при выщелачивании КШ 4,0 М водным раствором №ОН, содержащим 0,61 г/л А1, при барботаже через него СО2 (рисунок 1). 0,7

■4 ед

0,6 0,5 0,4

ч

^0,з

3 0,2 0,1 0,0

8 ед 12 ед

20 40

Время, мин time, min

60

Рисунок 1. Кинетика осадкообразования Al при барботаже СО2 через раствор выщелачивания КШ 4,0 М водным раствором №ОН, содержащим 0,61 г/л A1, при расходе СО2, л/мин: 0,5 - 4 ед.; 1,0 - 8 ед.; 1,5 - 12 ед. Figure 1. Kinetic of Aluminum precipitation under СО2 bubbling through 4,0 M №ОН aqueous solution, containing 0,61 g/l Al. Flow rate СО2, l/min: 0,5 - 4 unit; 1,0 - 8 unit; 1,5 - 12 unit

При расходе СО2 1,5 л/мин уже через 10 мин алюминий в равновесном водном растворе не обнаружен. На всех представленных кинетических зависимостях выделяется начальный участок, на котором в течение 10 мин не наблюдается никакого изменения концентрации Al в растворе. Этот период связан с нейтрализацией избытка щелочи угольной кислотой. В таблице 4 представлены данные по изменению концентрации гидроксида, карбоната и бикарбоната натрия во времени для кривой 12 ед. на рисунке 1.

Таблица 4. Изменение концентрации КаОН, N2CO3 и КаНСОз при барботаже 1,5 л/мин СО2 через алюминатный раствор выщелачивания КШ

Table 4.

The variation of КаОН, ^СОз and КаНСОз concentrations under 1,5 l/min СО2 bubbling through aluminate solution of R.M. leaching

Время, мин Time, min Концентрация, М Concentration, M

NaOH Na2CO3 NaHCO3

0 2,6 0,5 0,0

1 1,4 1,1 0,0

2 1,2 1,2 0,0

5 0,8 1,2 0,4

10 0,0 1,4 0,8

15 0,0 1,2 1,2

20 0,0 1,0 1,6

После нейтрализации щелочи и появления избытка протонов угольной кислоты начинает протекать процесс гидролитической полимеризации с выделением осадка алюминия. Для определения химической формы нахождения алюминия в осадках был получен спектр РФА, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2. Спектр РФА осадка, полученного при осаждении Al из 4,0 M водного раствора №ОН при барботаже 1,5 л/мин СО2: • - Давсонит №А!СО3(ОН)2, карта JCPDS № 45-1359

Figure 2. RFA-spectra of sediment, obtaining during Al precipitation from 4,0 M aqueous solution of №ОН under 1,5 l/min СО2 bubbling: • - Dawsonite №АЮОз(ОН)2, card JCPDS № 45-1359

0

Значительное уширение всех сигналов спектра свидетельствует о высокой доле аморфных частиц осадка. Результаты РФА указывают на наличие только одной рентгено-аморфной фазы в составе осадка, соответствующей согласно данным кристаллографической базы JCPDS № 45-1359 гидроалюмокарбонату натрия - КаА1СОз(ОИ)2. В то же время фазы, относящиеся к А1(ОН)з и АЬО(СОз)2, не обнаружены. В литературе [14] приводится несколько иной механизм осаждения гидроалюмокарбоната натрия, заключающийся во взаимодействии гидроксида алюминия с бикарбонатом натрия с образованием КаА1СОз(ОН)2 при рН водной фазы ниже 10 и увеличении в ней концентрации ионов НСОз-. При гидролитическом разложении КаА1СОз(ОН)2 получается псевдобемит (А1ООН • Н2О) и аморфный А1(ОН)з.

Однако в отсутствие второго компонента соединений скандия для полимеризационных превращений, описанных уравнениями (7)-(10) не наблюдается образования смешанного полимера алюминия и скандия. В то же время наличие

ЛИТЕРАТУРА

1 Сабирзянов Н.А., Яценко С.П. Гидрохимические способы комплексной переработки боксита. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. з85 с.

2 Трушко В.Л., Утков В.А., Бажин В.Ю. Актуальность и возможности полной переработки красных шламов глиноземного производства // Записки Горного института. 2017. Т. 227. С. 547-55з.

3 Пягай И.Н., Кожевников В.Л., Пасечник Л.А., Скачков В.М. Переработка отвального шлама глиноземного производства с извлечением скандиевого концентрата // Записки горного института. 2016. Т. 218. С. 225-2з2.

4 Dee1wa1 K. Eva1uation of characteristic properties of red mud for possib1e use as a geotechnica1 materia1 in civi1 construction // Internationa1 Journa1 of Advances in Engineering & Techno1ogy. 2014. V. 7. № з. P. 105з-1059.

5 Raghavan P.K.N. Recovery of meta1 va1ues from red mud // Light meta1s. 2011. P. 2з-26.

6 Кожевников В.Л., Водопьянов АГ., Паньков ВА, Кузьмин Б.П. Совместная комплексная переработка бокситов и красных шламов // Цветные металлы. 2013. № 12. С. зб-з8.

7 Иванов А.И., Кожевников Г.Н., Ситдиков Ф.Г., Иванова Л.П. Комплексная переработка бокситов. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 180 с.

8 Пат. № 248з1з1, RU, C22B 59/00, з/04, з/20, C01F 17/00. Способ получения оксида скандия из красного шлама / Пягай И.Н., Яценко С.П., Пасечник Л.А. и др. № 2011153456/02; Заявл. 2011153456; Опубл. 27.05.201з, Бюлл. № 15.

9 Пат. № 2245з71, RU, C21B з/04, 1з/00, з4/12, 59/00. Способ переработки красного шлама глиноземного производства /Е.А. Коршунов, С.П. Буркин, Ю.Н. Логинов, и др. № 2003103262/02; Заявл. 2003103262; Опубл. 12.04.2005, Бюлл. № з2.

двух гидроксильных групп в составе КаЛ1СОз(ОИ)2 делает потенциально возможным образование смешанного сополимера со скандием.

Заключение

Выщелачивание скандия из КШ водными растворами карбоната натрия в отсутствие углекислого газа протекает незначительно и сопровождается щелочным гидролизом скандия при высоких значениях рН в концентрированных растворах N2CO3. При сатурации карбонатной пульпы КШ углекислым газом протекает гидролитическая полимеризация гидроксокарбонатов скандия и алюминия в присутствии протона угольной кислоты. Оба процесса (щелочного гидролиза и гидролитической полимеризации) сопровождаются образованием вторичных осадков и снижением выхода скандия в карбонатный раствор. Для повышения извлечения скандия необходимо проводить карбонатное выщелачивание в условиях, исключающих или минимизирующих образование вторичных осадков, особенно при сатурации пульпы углекислым газом.

10 Анашкин В.С., Фомин Э.С., Яценко С.П. Разработка технологических схем безотходной и комплексной переработки низкокачественных бокситов и красных шламов // Металлургия легких металлов, проблемы и перспективы: тезисы докладов II Международной Научно-практической Конференции, Москва, 22-23 ноября 2006 г. М., 2006. С. 41-45.

11 Степанов С.И., Маунг Маунг Аунг, Бояринцев А.В., Гозиян А.В. и др. 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.

12 Комиссарова Л.Н., Шацкий В.М., Пушкина Г.Я. и др. Соединения редкоземельных элементов. Карбонаты, оксалаты, нитраты, титанаты. М.: Наука, 1984. 235 с.

13 Комиссарова Л.Н. Неорганическая и аналитическая химия скандия. М.: Эдиториал УРСС. 2001. 512 с.

14 Томилов Н.П., Бергер А.С., Бойкова А.И. Об условиях образования гидроалюмокарбонатов при взаимодействии алюминия с растворами карбонатов щелочных металлов // Журнал неорганической химии. 1969. Т. 14. № 3. С. 674-680.

REFERENCES

1 Sabirzyanov N.A., Yatsenko S.P. Gidrohimicheskie sposoby kompleksnoj perera-botki boksita [Hydrochemical methods for bauxite complexing processing]. Yekaterinburg, Ural. Otd. Russ. Akad. Nauk, 2006. 385 p. (in Russian).

2 Trushko V.L., Utkov V.A., Bazhin V.Y. Topicality and possibilities for complete processing of red mud of aluminous production. Zapiski Gornogo Instituía. [Proceedings of Mining Institute]. 2017. vol. 227. pp. 547-553. (in Russian).

3 Pyagai I.N., Kozhevnirov V.L., Pasechnik L.A., Skachkov V.M. The Processing of red mud of aluminous production with extraction of Scandium concentrate. Zapiski Gornogo Instituía. [Proceedings of Mining Institute] 2016. vol. 218. pp. 225-232. (in Russian).

4 Deelwal K. Evaluation of characteristic properties of red mud for possible use as a geotechnical material in civil construction. International Journal of Advances in Engineering & Technology. 2014. vol. 7. no. 3. pp. 1053-1059.

5 Raghavan P.K.N. Recovery of metal values from red mud. Light metals. 2011. pp. 23-26.

6 Kozhevnikov V.L., Vodopyanov A.G., Pankov V.A., Kuzmin B.P. The joint complexing reprocessing of bauxite and red mud. Zvetnye metalli [Non-ferrous metals]. 2013. no. 12. pp. 36-38. (in Russian).

7 Ivanov A.I., Kozhevnirov V.L., Sitdikov F.G., Ivanova L.P. The compexing reprocessing of bauxite. Yekaterinburg, Ural. Otd. Russ. Akad. Nauk, 2003. 180 p. (in Russian).

8 Pyagai I.N., Yatsenko S.P., Pasechnik L.A. et al. Sposob polucheniya oksida skandiya iz krasnogo shlama [The Method of Scandium oxide production from red mud]. Patent RF, no. 2483131, 2013.

9 Korshunov E.A., Burkin S.P., Loginov Yu.N. et al. Sposob pererabotki krasnogo shlama glinozemnogo proizvodstva [The Method of red mud reprocessing]. Patent RF, no. 2245371, 2005.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Сергей И. Степанов профессор, кафедра технологии редких элементов и наноматериалов на их основе, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия, chao_step@mail. ru

Маунг Маунг Аунг аспирант, кафедра технологии редких элементов и наноматериалов на их основе, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия, polluxaung@gmail.com

Хтет Йе Аунг аспирант, кафедра технологии редких элементов и наноматериалов на их основе, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия, htetyeaung61058@gmail.com

Александр В. Бояринцев доцент, кафедра технологии редких элементов и наноматериалов на их основе, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия, boyarin_sanya@mail. ru

КРИТЕРИЙ АВТОРСТВА

Сергей И. Степанов написал рукопись, корректировал её до подачи в редакцию и несёт ответственность за плагиат Маунг Маунг Аунг обзор литературных источников по исследуемой проблеме

Хтет Йе Аунг провёл эксперимент, выполнил расчёты Александр В. Бояринцев консультация в ходе исследования

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ПОСТУПИЛА 03.10.2018 ПРИНЯТА В ПЕЧАТЬ 27.11.2018

10 Anashkin V.S., Fomin E.S. Yatsenko S.P. The Workout of technological circuitry of non-polluting and complexing reprocessing of low-quality bauxite and red muds. Metallurgiya legkih metallov, problemy i perspektivy [Metallurgy of lights metals: problems and opportunity: the abstracts of proceedings of II International scientific-practical conference]. Moscow, 2006. pp.41-45. (in Russian).

11 Stepanov S.I., Maung Maung Aung, Boyaiintsev A.V., Gosiyan A.V. et al. The complexing processing of red mud. Aktual'nye voprosy polucheniya i primeneniya RZM i RM 2017 [The Problems of Manufacture of R.E.M. and R.M-2017: proceedings of the International scientific-practical conference]. Moscow, JSC «Institute «GINTSVETMET», 2017. pp. 278-281. (in Russian).

12 Komissarova L.N., Shatskyi V.M., Pushkina G. Ya. et. al. Soedineniya redkozemel'nyh ehlementov. Karbonaty, oksalaty, nitraty, titanaty [Compounds of Rare Earth Elements. Carbonates, oxalates, nitrates, titanates]. Moscow, Nauka, 1984. 235 p. (in Russian).

13 Komissarova L.N. Neorganicheskaya i analiticheskaya himiya skandiya [Inorganic and Analytical Chemistry of Scandium]. Moscow, Editorial URSS, 2001. 512 p. (in Russian).

14 Tomilov N.P., Berger A.S., Boykova A.I. About conditions of hydroalumocarbonates formation under interaction Aluminum with solutions of alkaline metals carbonate. Zhurnalneorganicheskoi chimii [J. of Inorganic Chemistry]. 1969. vol. 14. no. 3. pp. 674-680. (in Russian).

INFORMATION ABOUT AUTHORS Sergei I. Stepanov professor, technology of rare elements and nanomaterials based on them department, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Miusskaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia, chao_step@mail.ru

Maung Maung Аung graduate student, technology of rare elements and nanomaterials based on them department, D. Men-deleyev University of Chemical Technology of Russia, Miuss-kaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia, polluxaung@gmail.com

Htet Ye Аung graduate student, technology of rare elements and nanomaterials based on them department, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Miusskaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia, htetyeaung61058@gmail.com

Аleksander V. Boyarintsev associate professor, technology of rare elements and nanomaterials based on them department, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Miusskaya sq., 9, Moscow, 125047, Russia, boyarin_sanya@mail.ru

CONTRIBUTION

Sergei I. Stepanov proposed a scheme of the experiment and organized production trials

Maung Maung Аung review of the literature on an investigated problem

Htet Ye Аung conducted an experiment, performed computations Аleksander V. Boyarintsev consultation during the study

CONFLICT OF INTEREST

The authors declare no conflict of interest.

RECEIVED 10.3.2018 ACCEPTED 11.27.2018

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.