CC BY
5УДК 546.05
Н.Ф. Тарчигина, А.А. Красичкова, К.И. Шаймурзина
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА ОСНОВНОГО ОТХОДА ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ
Утилизация крупнотоннажных отходов промышленности и уменьшение экологического воздействия на окружающую среду - одна из наиболее актуальных экологических проблем, требующая незамедлительных решений.
Ключевые слова: отходы, фосфогипс, экстракционная фосфорная кислота, вяжущие вещества, атомно - абсорбционный метод.
Современный научно-технический прогресс непосредственным образом связан с использованием природных ресурсов и как следствие накоплением техногенных отходов. Одним из направлений химической отрасли является производство минеральных удобрений, которое сопровождается образованием крупнотоннажных отходов, объем которых достигает десятков миллионов тонн. Твердые промышленные отходы являются одним из главных загрязнений почв, водоемов. В то же время, отходы, содержащие соединения металлов, являются ценными ресурсами. В последние годы во всех странах мира всё большее количество концентрированных и сложных удобрений, содержащих оксид фосфора Р2О5 в сложной форме, производится на базе экстракционной фосфорной кислоты, получаемой серно - кислотным разложением фосфорного сырья. Соответствующая принципиальная схема представлена на рисунке 1. Организация производства экстракционной фосфорной кислоты связана с удалением в отвал значительного количества фосфогипса.
Рис. 1. Технологическая схема типового производства экстракционной фосфорной кислоты в дигидратном процессе из апатитового концентрата:
1 - бункер для фосфатного сырья; 2 - ленточный весовой дозатор; 3 двухбаковый экстрактор; 4 - хранилище серной кислоты; 5 - погружной насос; 6 - расходомер серной кислоты; 7 - циркуляционный погружной насос; 8 - испаритель; 9 - брызгоуловитель; 10 - барботажный нейтрализатор; 11 - конденсатор; 12 - лотки карусельного вакуум-фильтра; 13 - сепараторы; 14 - промежуточный сборник суспензии; 15, 16, 17 - барометрические сборники
© Тарчигина Н.Ф., Красичкова А.А., Шаймурзина К.И., 2015.
По мере развития промышленности фосфорсодержащих удобрений вопросы использования фос-фогипса становятся все более актуальными по многим причинам. Транспортирование в отвалы, хранение связано с большими капитальными вложениями и эксплуатационными затратами. Для создания отвалов фосфогипса приходится отчуждать большие площади, иногда даже обрабатываемых земель; хранение его в отвалах даже при нейтрализации растворимых примесей и правильной эксплуатации, наносит вред окружающей среде. Назрела необходимость создания совершенных технологий по извлечению примесей из фосфогипса с последующим применением его в отраслях промышленности. Организация производства экстракционной фосфорной кислоты обуславливает необходимость применения полной переработки отходов, которую следует рассматривать, как завершающую стадию.
Процесс получения экстракционной фосфорной кислоты может быть описан реакцией разложения фосфатов серной кислотой, в раствор переходит фосфорная кислота и образуется труднорастворимый сульфат кальция и газообразные соединения фтора.
Ca5F(PO4)з + 5H2SO4 = 5CaSO4 + 3HзPO4 + ОТ
На примере завода ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» рассмотрим вопросы и проблемы вторичного использования промышленных отходов - фосфогипса, хранящегося на специально оборудованных полигонах. Решение этой проблемы заставляет изыскивать рациональные пути их применения. Препятствием для широкого использования в качестве сырья для производства гипсовых вяжущих является наличие в нем примесей.
Содержание сульфата кальция сопоставимо с количеством сульфата кальция в природном гипсе, поэтому более рациональным представляется использование отходов в самой материалоёмкой отрасли -строительной индустрии, в цементной промышленности. Одним из основных направлений утилизации является получение гипсовых вяжущих веществ.
Часть фосфорного ангидрита находится в свободном состоянии, другая часть связана в труднорастворимые фосфаты. В малых количествах в фосфогипсе содержатся оксиды алюминия, железа, кальция и натрия, а также неразложившийся апатит, СаР2 и Н2SiF6. Примеси оказывают решающее влияние на свойства гипсовых вяжущих.
Данная работа заключается в исследовании состава отходов технологии производства фосфорной кислоты атомно - абсорбционным методом, для дальнейшего определения областей его применения. Из разных точек полигона ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» был произведен отбор образцов.
Для реализации метода атомно-абсорбционного анализа необходимо иметь селективный источник света изучаемого элемента (СИС), атомизатор (АТ) для перевода данного элемента из реальной пробы в атомарную форму. Спектральный прибор (СП) для выделения аналитической линии, электронную систему (ЭС) для детектирования, усиления и обработки аналитического сигнала поглощения (рис. 2). Определение содержания элемента в пробе проводят с использованием градуировочного графика [1].
Рис. 2. Принципиальная блок-схема атомно-абсорбционного спектрометра
У метода атомно-абсорбционной (АА) спектрометрии имеются как достоинства так и недостатки (трудоемкость, длительность анализа). Минимизировать недостатки могут оптимизированные системы AAnalyst 700 обладающие рядом особенностей и преимуществ. Простое пользование, широкий диапазон измеряемых концентраций элементов на одном инструменте, высокая стабильность и точность, автоматическая подготовка инструмента, исчерпывающая обработка и хранение данных, и многое другое.
Таблица 1
Сводная таблица содержания компонентов в фосфогипсе, %.
Проанализировав пробы можно сделать следующие выводы: фосфогипс по всем своим показателям подходит к применению в цементной промышленности (табл. 1). Для того чтобы повысить коэффициент эффективности его использования надо извлечь из пробы редкоземельные элементы. В современных условиях приемлемо только комплексное использование высокоценного сырья, как на стадии его обогащения, так и при последующей химико-металлургической переработке получаемых концентратов, на принципах экономической и экологической эффективности использования недр. Принципиальной новизной и преимуществом технологии является выщелачивание лантаноидов из фосфополугидрата растворами серной кислоты средних концентраций, что позволило разработать новый способ выделения лантаноидов из раствора выщелачивания в виде сульфатного концентрата, не требующий использования дорогих экстрагентов или поверхностно активных веществ. Сульфатный концентрат позволяет легко получить концентрированный нерадиоактивный азотнокислый раствор лантаноидов, годных для использования в производстве катализаторов, а также получения групповых концентратов и индивидуальных лантаноидов.
Рис. 3. Технологическая схема производства автоклавных (высокопрочных) гипсовых вяжущих:
1 -репульпатор; 2 - насосы; 3 - сборник пульпы вяжущего; 4 - барабанный вакуум-фильтр; 5 - вакуум - приемник; 6 - репульпатор промытого фосфогипса; 7 - автоклав; 8 - ленточный вакуум -фильтр для вяжущего; 9 - 11 - емкости; 12 - забрасывающее устройство; 13 - топка; 14 - труба - сушилка; 15 - циклон; 16 - бункер; 17 - ленточный дозатор; 18 - электрофильтр; 19 - шаровая мельница; 20 - пневмонасос; 21 - вентиляторы; 22 - разгрузитель и фильтр; 23 - накопительная камера
Процесс производства автоклавных (высокопрочных) гипсовых вяжущих включает следующие стадии: подача фосфогипса к месту переработки; промывка; приготовление рабочей пульпы и ее переработка в автоклаве; фильтрация продукта; сушка и помол (рис. 3).
Фосфогипс подают в первичный репульпатор 1, где его разбавляют водой и перекачивают насосом 2 в сборник 3. Из сборника 3 насосом пульпу непрерывно подают на барабанный вакуум-фильтр 4, где твёрдую фазу (фосфогипс) отделяют и направляют в основной репульпатор 6, обогреваемый паром, а жидкую фазу через вакуумную систему и ёмкость 5 выводят из процесса и нейтрализуют. Для защиты оборудования от коррозии вводят азотную кислоту. Рабочую пульпу насосом под давлением непрерывно подают в верхнюю часть автоклава 7. Для модификации роста кристаллов полугидрата вводят карбокси-метилцеллюлозу, а для поддержания необходимого значения рН - серную кислоту. В автоклаве 7 пульпу нагревают паром, фосфогипс дегидратируется и под давлением пульпы из автоклава непрерывно поступает на ленточный вакуум-фильтр 8. Полугидрат отделяют, промывают, а затем подают в трубу-сушилку 14. Основной фильтрат из емкости 9 подают в репульпатор 1, а вторичный фильтрат из ёмкости 10 направляют на вакуум-фильтр 4 для промывки. В качестве сушильного агента используются дымовые газы,
получаемые при сжигании топлива в топке 13. Унесённый газами продукт улавливают в циклонах 15 и электрофильтре 18 и собирают в бункере 16. Высушенный продукт ленточным дозатором 17 подают в шаровую мельницу 19, где его измельчают. Воздух очищают в фильтре 22.
Таким образом, опытные данные по исследованию состава отходов производства фосфорной кислоты - фосфогипса атомно - абсорбционным методом доказывают техническую возможность и целесообразность его использования в различных отраслях промышленности в зависимости от состава. К реализации задачи по переработке отходов может быть предложена технология получения гипсовых вяжущих веществ. Данное направление позволяет производить многотоннажную утилизацию промышленных отходов и получать строительные материалы и изделия. При экологической обработке фосфогипс представляет собой ценный материал.
Библиографический список
1. Тарчигина Н.Ф., Котенок В.В. Экологические аспекты атомно-абсорбционной спектрометрии и основы безопасности. Сборник материалов VIII региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов, ученых и специалистов «Наука, экономика, общество».- Воскресенск: ГУП МО «КТ» «Воскресенская типография», 2014. С. 287-289.
3. Химическая технология неорганических веществ: В 2 кн. Х 46 Кн. 2. Учебное пособие/ Т.Г. Ахметов, Р.Т. Порфирьева, Л.Г. Гайсин и др.; Под редакцией Т.Г. Ахметова. М.: Высшая школа, 2002. 533с.
3. Немцова В.Г.,Тарчигина Н.Ф. Технология минеральных удобрений с применением диаграмм растворимости. Учебное пособие. - М.:МГОУ, 2009. 84 с.
ТАРЧИГИНА Наиля Фахрлисламовна - кандидат технических наук, профессор Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ).
КРАСИЧКОВА Анна Альбертовна - студент Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ).
ШАЙМУРЗИНА Камилла Игоревна - студент Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».
