Научная статья на тему 'Исследование способов утилизации гексафторосиликата аммония'

Исследование способов утилизации гексафторосиликата аммония Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
519
99
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Андреев В. А., Буйновский А. С., Дьяченко А. Н., Крайденко Р. И.

Предложены и изучены способы утилизации гексафторосиликата аммония. Приведены термодинамические расчеты равновесных составов газовой фазы реакции фторирования топазового концентрата и реакции поглощения (NH4)2SiF6 гидроксидом аммония. Проведены экспериментальные исследования по изучению состава газовой фазы. Изучен процесс сублимации гексафторосиликата аммония, а также процесс его растворения в аммиачной воде с получением диоксида кремния.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Андреев В. А., Буйновский А. С., Дьяченко А. Н., Крайденко Р. И.

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

Studying the utilization techniques of ammonium hexafluorosilicate

The utilization techniques of ammonium hexafluorosilicate have been proposed and studied. Thermodynamic calculations of equilibrium gas phase compositions of topaz concentrate fluoridation reaction and reaction of (NH4)2SiF6 absorption by ammonium hydroxide were given. Experimental investigations in studying gas phase composition were carried out. The sublimation process of ammonium hexafluorosilicate as well as the process of its dissolving in ammonia water with silicon dioxide obtaining was studied.

Текст научной работы на тему «Исследование способов утилизации гексафторосиликата аммония»

Выводы

1. Подобран фторирующий агент (бифторид аммония) для процесса обескремнивания топазового концентрата.

2. Оценены термодинамические потенциалы топаза. Показано, что топаз может взаимодействовать с бифторидом аммония.

3. Изучены процессы обескремнивания топазового концентрата. Показано, что при фторировании концентрата стехиометрическим количеством 1ЧН4РНР в первую очередь происходит взаимодействие кварцевой составляющей, а

топазовая составляющая начинает реагировать лишь при значительном (100 %) избытке бифторида аммония. Оптимальными условиями проведения процесса обескремнивания являются: температура проведения процесса 423...473 К, время процесса 30...40 мин.

4. Для фторирования топазового концентрата необходим 15...30 % избыток бифторида аммония. При таком его количестве удается удалить весь избыточный кварц из концентрата и получить в результате муллитизации топазового остатка игольчатый муллит с длиной кристаллов около 100 мкм и толщиной 1 мкм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стрелов К.К., Кащеев И.Д., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. - М.: Металлургия, 1988. - 528 с.

2. Морозов И.Х., Валеев Х.С. Изучение структурнофазовых изменений, происходящих при обжиге каолинита // Журнал прикладной химии. - 1976. - Т. 25. - № 2. - С. 284-289.

3. Долгих С.Г., КарклитА.К., Кахмуров A.B., Суворов С.А. Топаз как огнеупорное сырье // Огнеупоры. - 1990. - № 7. -С. 14-19.

4. Андреев В.А., Хорасьев К.А. Термодинамика процессов обескремнивания кварц-топазового концентрата бифторидом аммония // Инновации в атомной отрасли: проблемы и решения:

Матер, научно-практ. конф. аспирантов и молодых ученых. -Северск, 2006. - С. 7.

5. Синтез минералов / Под ред. В.Е. Хаджи. - М.: Недра, 1987. -253 с.

6. Справочник по термическим константам веществ / Под ред. В.П. Глушко. - М.: ВИНИТИ, 1968. - Вып. IV. - 487 с.

7. Мельниченко Е.И, Эпов Д.Г., Крысенко Г.Ф, ОвсянниковаА.А. Процессы обескремнивания при переработке и обогащении минерального сырья гидрофторидом аммония // Журнал прикладной химии. - 1996. - Т. 69. - Вып. 8. - С. 1248-1251.

Поступила 14.12.2006 г.

УДК 661.488

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УТИЛИЗАЦИИ ГЕКСАФТОРОСИЛИКАТА АММОНИЯ

В.А. Андреев, A.C. Буйновский, А.Н. Дьяченко*, Р.И. Крайденко*

Северская государственная технологическая академия Томский политехнический университет*

E-mail: [email protected]

Предложены и изучены способы утилизации гексафторосиликата аммония. Приведены термодинамические расчеты равновесных составов газовой фазы реакции фторирования топазового концентрата и реакции поглощения (NH^SiF^ гидроксидом аммония. Проведены экспериментальные исследования по изучению состава газовой фазы. Изучен процесс сублимации гексафторосиликата аммония, а также процесс его растворения в аммиачной воде с получением диоксида кремния.

Утилизация фторсодержащих газов всегда являлась актуальной проблемой в современной промышленности. Традиционные методы их утилизации имеют ряд недостатков, главный из которых - это образование и накопление твердых отходов, не подлежащих дальнейшей переработке [1].

В разрабатываемой технологии получения муллита из топазового концентрата его обескремнива-ние осуществляется бифторидом аммония:

8Ю2+3]ЧГН4Р-НР=(]ЧГН4)281Р6+2Н20+]ЧГН, (1)

Избыточное количество кварца, содержащееся в концентрате, удаляется в виде газообразного гексафторосиликата аммония (ГФСА) при температурах выше 592 К. Наряду с ГФСА в газовой фазе со-

держатся пары воды, аммиак и ряд фторсодержащих газов. Для установления состава газовой фазы, выделяющейся при фторировании топазового концентрата, был проведен расчет равновесного состава газовой фазы с помощью программного комплекса «ТЕШ^А», предназначенного для расчета термодинамических параметров и равновесия в различных системах. Программа сопряжена с базой данных термодинамических свойств индивидуальных веществ и комплексом подпрограмм для термодинамического моделирования [2]. Расчет был проведен на 1 кг кварца в температурном интервале

273...623 К и при давлении 0,1 МПа. Результаты расчетов представлены графически на рис. 1.

С, моль

Рис. 1. Равновесный состав газовой фазы

Действительно, основными компонентами газовой фазы должны быть вода, аммиак и гексафторо-силикат аммония. С увеличением температуры содержание воды в газовой фазе увеличивается и достигает максимума при 373 К. ГФСА образуется в результате реакции (1) первоначально в конденсированном состоянии, и лишь при температурах свыше 573 К, вследствие сублимации, его содержание в газовой фазе становится практически неизменным. Количество аммиака в системе с увеличением температуры возрастает и имеет максимум при 473 К, затем его содержание уменьшается. Присутствие в системе тетрафторида кремния не превышает 10~6 моль, поэтому его концентрации на графике не приведены. Фгороводород появляется в системе в количествах 0,1 моль лишь при температуре 473 К, однако его содержание остается незначительным.

Для подтверждения этих результатов были проведены исследования по фторированию топазового концентрата с анализом газовой фазы на приборе масс-спектрометре МЕ-1201. Результаты этих исследований приведены в табл. 1.

Таблица 1. Состав газовой фазы при 573 К

Компонент Объемное содержание, об.%

N43 33,0033

Н20 33,0033

33,9924

5^4 9,9'10~4

Итого 100,0

Основными компонентами газовой фазы, выделяющейся при взаимодействии топазового концентрата с бифторидом аммония при 573 К, являются аммиак, вода и гексафторосиликат аммония. Содержание в системе тетрафторида кремния с концентрацией больше, чем рассчитано теоретически, и отсутствие фтороводорода, по всей видимости, объясняется взаимодействием выделяющегося НБ с кварцем. Экспериментально установленные содержания компонентов газовой фазы отличаются от теоретически рассчитанных. Вероятно, это связано с десублимацией гексафторосиликата аммония в не обо-

греваемых газоходах прибора-анализатора. Тем не менее, удалось установить наличие в газовой фазе таких компонентов, как аммиак, вода и ГФСА.

Таким образом, основными фторсодержащими газами, которые необходимо утилизировать, являются тетрафторид кремния и гексафторосиликат аммония. Способы утилизации 81Р4 изучены и внедрены в промышленность [1]. Некоторые способы утилизации ГФСА описаны в литературе [3, 4], однако, в силу ряда причин, они не нашли практического применения.

В этой связи в данной работе исследовались способы утилизации смеси газов (ТЧИ,, Н20, (1ЧН4)281Р6, 81Р4), получающихся в процессе обес-кремнивания топазового концентрата. Принципиальная схема утилизации этих газов, приведенная на рис. 2, включает в себя:

• десублимацию (1ЧН4)281Р6;

• растворение (1ЧН4)281Р6 в аммиачной воде с получением диоксида кремния и фторида аммония;

• поглощение 81Р4 раствором 1ЧН4ОН и возвращение фторида аммония на стадию фторирования топазового концентрата.

Газы после обескремнивания топазового концентрата МН3, Н20, (МН4)281Р6, Э1Р4

фторирования N4^ вЮ2

топазового концентрата | | Потребителю

Рис. 2. Принципиальная схема утилизации фторсодержащих газов

Исследование процесса сублимации-десублимации (МН^^б

Исследования проводились на установке, рис. 3, по следующей методике: навеска (1ЧН4)281Р6 массой 10 г помещалась в сублиматор, установка герметизировалась и помещалась в печь, предварительно нагретую до определенной температуры, и выдерживалась заданное время. После извлечения из печи стаканчик с оставшимся продуктом взвешивался, по массе остатка определялась степень сублимации. Десублимат из охлаждаемой части реактора также извлекался и взвешивался. По массе десублимата определялась степень десублимации. Результаты представлены графически на рис. 4.

Рис. 3. Установка для исследования сублимации-десублимации гексафторосиликата аммония: 1) десублиматор, 2) печь, 3) регулятор мощности печи, 4) прибор для регистрации температуры, 5) термопара, 6) стакан с исходной навеской ГФСА, 7) водяное охлаждение десублиматора

Эксперименты показывают, что степень сублимации ГФСА достигает 95 % при температуре

823...873 К и продолжительности процесса 80 мин. При данных условиях скорость испарения гексафторосиликата аммония достигает 7 г/м2-с. а, доли

Рис. 4. Зависимость степени сублимации а ГФСА от температуры и продолжительности процесса

Исследования процесса десублимации показывают, что весь испарившийся продукт конденсируется в охлаждаемой зоне аппарата.

Исследование взаимодействия (МН/^^б с 1\1Н4ОН

Несмотря на то, что ГФСА является товарным продуктом, используется в шпалопропиточном производстве и в травлении стекла, он не пользуется повышенным спросом на рынке. Поэтому, помимо сублимации, предлагается утилизировать его поглощением в аммиачной воде

(Ш4)281Р^Ш40Н=8Ю2+6Ш4Р+2Н20 (2)

Образующийся в результате 8Ю2, иначе называемый «белая сажа», широко применяется в качестве

усиливающего наполнителя полимерных материалов в шинной, резинотехнической и химической промышленности, а так же строительной индустрии для получения высококачественного бетона.

Для установления равновесного состава и выходов продуктов взаимодействия гексафторосиликата аммония и аммиачной воды для реакции (2) в температурном интервале 298...373 К и при давлении Р=0,1 МПа был проведен термодинамический расчет равновесного состава на 1 кг исходного ГФСА. Как показали расчеты, концентрация основных продуктов реакции (8Ю2,1ЧН4Р и Н20) в указанном интервале температур остаются постоянными. Содержание НР в системе с возрастанием температуры увеличивается, однако его концентрация очень мала по сравнению с остальными продуктами реакции.

Исследования по взаимодействию ГФСА с раствором аммиака показали, что степень превращения (1ЧН4)281Р6 в 8Ю2 достигает 95 % уже при концентрации аммиака 5 % и продолжительности процесса 120 с. При увеличении концентрации аммиака скорость процесса возрастает и при концентрации 1ЧН4ОН 20 % и выше реакция протекает практически мгновенно и гексафторосиликат аммония полностью превращается в диоксид кремния за несколько секунд.

Изучение кинетики взаимодействия гексафторосиликата аммония и гидроксида аммония проводилось по следующей методике: навеску твердого гексафторосиликата аммония растворяли в избытке гидроксида аммония с концентрацией 3 % в течение заданного времени и при заданной температуре, постоянно перемешивая. Затем в систему добавляли концентрированную соляную кислоту для нейтрализации оставшегося аммиака. Выпавший осадок, состоящий из оксида кремния и не растворившегося ГФСА, отфильтровывали и высушивали до постоянной массы, после чего к осадку добавляли концентрированную фтороводородную кислоту для удаления оксида кремния. По разнице масс осадка до и после удаления 8Ю2 находили степень превращения ГФСА. Результаты исследования графически изображены на рис. 5.

Математическую обработку полученных данных проводили с помощью модельных уравнений. Наиболее корректно, с коэффициентом корреляции

0,95...0,98, экспериментальные данные описываются уравнением сокращающейся сферы (рис. 6). На основании расчетов получено значение энергии активации Еа и выведено кинетическое уравнение процесса.

Е= 0,92 кДж/моль, 1-(1-а)1/3=0,003414-е<-И0/вд-т.

Полученное уравнение достоверно (с коэффициентами корреляции 0,95...0,97) описывает кинетику данного процесса в интервале температур

293...323 К при а=0...75. Энергия активации составляет 0,92 кДж/моль, что говорит о том, что он протекает в диффузионной области реагирования.

Полученные по данной методике экспериментальные партии диоксида кремния были проанали-

зированы спектральным анализом по методике ОСТ 95 555-2002 на наличие примесей. Результаты исследований приведены в табл. 3. а, доли

Рис. 5. Кинетика взаимодействия 3 % раствора ЫНАОН и ГЛ/Н4Л5/Г6

1-(1-а )1/3

Рис. 6. Обработка кинетических кривых по уравнению сокращающейся сферы

Таблица 3. Содержание примесей в экспериментальных партиях диоксида кремния

Элемент Содержание, мае. %

Л 0,050

Ре 0,015

Со 0,008

РЬ 0,005

\Л/ 0,005

Сг 0,003

N1 0,003

Мп 0,001

Исследования показали, что полученный по данной реакции оксид кремния отличается химической чистотой: содержание 8Ю2 составляет 99,9 %. Удельную поверхность полученных образцов определяли методом БЭТ [5] по тепловой десорбции аргона с внутренним эталоном. Исследова-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Наркевич И.П., Печковский В.В. Утилизация и ликвидация отходов в технологии неорганических веществ. - М.: Химия, 1984. - 240 с.

2. Компания НеоТэк [Электронный ресурс] / Исследование и оптимизация технологических процессов. - Режим доступа: http://termodin.spb.ru/, свободный. - Загл. с экрана.

3. Раков Э.Г. Химия и технология неорганических фторидов. -М.: Изд-во МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1990. - 162 с.

ния проводились в Институте твердого тела и механохимии СО РАН. Перед измерением образец 8Ю2 был прогрет в токе газов Аг + Не при 393 К в течение 0,5 ч. Согласно полученным данным, удельная поверхность диоксида кремния достигает 92 м2/г, что соответствует сорту «белая сажа».

Регенерация фторирующего агента

Полученный в результате аммиачного гидролиза фторид аммония может быть возвращен на стадию фторирования кварцсодержащих руд. Содержащиеся в газовой фазе аммиак и вода используются для получения аммиачной воды по существующим в современной промышленности методам [1].

Таким образом, предложенная схема позволяет избежать образования не перерабатываемых отходов фторидного производства, а также позволяет регенерировать фторирующий агент с последующим повторным его использованием в процессе.

Выводы

1. Исследованы способы утилизации ГФСА сублимацией-десублимацией и растворением в аммиачной воде. Предложена принципиальная схема утилизации фторсодержащих газов фтороаммонийной технологии переработки топазового концентрата.

2. Термодинамическим расчетом и экспериментально при 573 К установлен равновесный состав газовой фазы процесса фторирования топазового концентрата, основными составляющими которой являются аммиак, вода и гексафторосиликат аммония.

3. Изучен процесс сублимации-десублимации гек-сафторосиликата аммония. Показано, что скорость процесса сублимации составляет 7 г/м2-с при температуре 823...873 К, при этом степень десублимации ГФСА достигала 98. ..99 %.

4. Изучен процесс аммиачного гидролиза гексаф-торосиликата аммония. Установлено, что (1ЧН4)281Р6 полностью превращается в диоксид кремния при концентрации аммиака 5 % и продолжительности процесса 120 с. Энергия активации составила 0,92 кДж, что говорит о диффузионной области протекания данного процесса.

5. Диоксид кремния, полученный аммиачным гидролизом ГФСА, имеет удельную поверхность 92 м2/г и чистоту 99,9 мае. %, что соответствует сорту «белая сажа».

4. Мельниченко Е.И., Крысенко Г.Ф., Эпов Д.Г. Химические свойства (МН4)281Р6 // Журнал неорганической химии. - 2005. -Т. 50,-№2.-С. 192-196.

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

5. Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. - Новосибирск: Наука, 1999. - 470 с.

Поступила 14.12.2006 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.