CC BY
1
Оригинальная статья
УДК 546.05:546.2:546.65, 661.1 © Ю.Р. ГиниятуллинаН, И.В. Исакова, Т.Г. Черкасова, Д.А. Баранцев, 2024
ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», 650000, г. Кемерово, Россия Н e-mail: [email protected]
Original Paper
UDC 546.05:546.2:546.65, 661.1 © Yu.R. GiniyatullinaH, I.V. Isakova, T.G.
Cherkasova, D.A. Barantsev, 2024
Institute of Chemical and Oil and Gas Technologies, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation H e-mail: [email protected]
Изучение процесса перколяционного выщелачивания ценных компонентов из отходов углеобогащения
при различных условиях
Studying the process of percolation leaching of valuable components from coal processing wastes under different conditions
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2024-9-37-41
В процессе углепереработки образуются отвалы из так называемых «хвостов». При разработке технологических процессов извлечения ценных компонентов из них проводятся эксперименты, позволяющие понять целесообразность и эффективность проводимых процессов. В данной статье приведены исследования процесса перколяционного выщелачивания с целью поиска оптимальных условий для извлечения ценных компонентов. А именно, подбирается реагент, позволяющий перевести извлекаемый ценный компонент в продуктивный раствор, с которым можно дальше эффективно работать. Для проведения эксперемента гранульный материал, полученный из отхода ЦОФ «Березовская», загружали в стеклянную колонку высотой 500 мм и внутренним диаметром 20 мм, реагент подавался при помощи капельной воронки (скорость подачи - 1 капля в ~32 с). Установлено, что наилучшее извлечение происходит путем выщелачивания ценных компонентов раствором серной кислоты с концентрацией 0,1 М.
Ключевые слова: перколяционное выщелачивание, орошение, продуктивные растворы, отходы углеобогащения, гранульный материал, редкоземельные элементы, серная кислота, лантан, железо, алюминий. Для цитирования: Изучение процесса перколяционного выщелачивания ценных компонентов из отходов углеобогащения при различных условиях / Ю.Р. Гиниятуллина, И.В. Исакова, Т.Г. Черкасова и др. // Уголь. 2024;(9):37-41. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-9-37-41.
Abstract
In the process of coal refining, dumps are formed from the so-called "tailings". When developing technological processes for extracting valuable components from them, experiments are carried out to understand the feasibility and effectiveness of the processes carried out. This article presents studies of the percolation leaching pro-
ГИНИЯТУЛЛИНА Ю.Р.
Канд. хим. наук, доцент кафедры химии, технологии неорганических веществ и наноматериалов ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
ИСАКОВА И.В.
Канд. хим. наук, доцент, доцент кафедры химии, технологии неорганических веществ и наноматериалов ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
* Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2022-1194).
ЧЕРКАСОВА Т.Г.
Доктор хим. наук, профессор, научный руководитель Института химических и нефтегазовых технологий ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
БАРАНЦЕВ Д.А.
Ассистент кафедры химии, технологии неорганических веществ и наноматериалов ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
cess in order to find optimal conditions for the extraction of valuable components. Namely, a reagent is selected that allows you to transfer the extracted valuable component into a productive solution, with which you can continue to work effectively. To conduct the experiment, the granular material obtained from the waste of the Berezovskaya Central Concentrating Plant was loaded into a glass column with a height of500 mm and an inner diameter of 20 mm, the reagent was fed using a drip funnel (feed rate of 1 drop in ~ 32 seconds). It has been established that the best extraction occurs by leaching valuable components with a solution of sulfuric acid with a concentration of 0,1 M. Keywords
Percolation leaching, irrigation, productive solutions, coal preparation waste, granular material, rare earth elements, sulfuric acid, lanthanum, iron, aluminum. For citation
Giniyatullina Yu.R., Isakova I.V., Cherkasova T.G., Barantsev D.A. Studying the process of percolation leaching of valuable components from coal processing wastes under different conditions. Ugol'. 2024;(9):37-41. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2024-9-37-41. Acknowledgements
The research was financially supported by a grant from the Russian Ministry of Education and Science (Agreement No. 075-15-2022-1194).
ВВЕДЕНИЕ
Редкоземельные элементы (РЗЭ) являются важной группой металлов, используемых в производстве высокопрочных магнитов, плазменных телевизоров, в военной промышленности, зеленой энергетики и др. В связи с быстрым развитием высокотехнологичных отраслей, а следовательно, повышением спроса на РЗЭ и истощением их рудных месторождений были предприняты попытки по изучению извлечения РЗЭ и других ценных компонентов из низкосортных руд и ресурсов вторичной переработки [1, 2, 3]. Дополнительными источниками получения РЗЭ могут также выступать уголь и побочные продукты переработки угля [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].
В связи с тем, что при добыче угля после обогатительной фабрики образуются отходы, размещенные в хвостохранилищах, извлечение ценных компонентов, в том числе из хвостов обогащения, позволит решить не только вопрос расширения ресурсной базы и получению экономической выгоды, но и экологические проблемы [12] предотвращения самопроизвольного перемещения металлов в окружающую среду под воздействием атмосферных факторов.
Для изучения процесса перколяционного выщелачивания на базе отходов углепереработки ЦОФ «Березовская» проведены лабораторные исследования с различными выщелачивающими реагентами.
ноц
КУЗБАСС
Научно-образовательный центр «Кузбасс»
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Выполнение экспериментальных исследований проводили на модельных системах. Для этого в отходы ЦОФ «Березовская» после тяжелосредной сепарации вводили 0,1% масс. оксида лантана(Ш). Полученный образец гранулировали с 92%-ой серной кислотой. Полученные гранулы диаметром 4-6 мм спустя трое суток прокаливали при 350°С в течение 1,5 ч. После этого осуществляли процесс перколяционного выщелачивания водой и 0,1 М раствором серной кислоты в течение ~ 18 ч.
Для перколяционного выщелачивания в лабораторных условиях использовали установку, состоящую из делительной воронки и стеклянной колонки диаметром 2 см. Стеклянную колонку заполняли 25 г подготовленного гранульного материала. Над гранулами размещали стеклянные шарики для предотвращения их разрушения в ходе выщелачивания. С целью поиска оптимальных условий процесса использовали в качестве выщелачивающих реагентов раствор серной кислоты с молярной концентрацией 0,1 М и воду. Эксперимент проводили при соотношении
твердой и жидкой фазы 1:10. Интервал падения капель серной кислоты составил ~32 с. Для отслеживания динамики выщелачивания гранул отбор проб продуктивных растворов производили раз в три часа. После этого продуктивные растворы подвергали выпариванию и сушили до постоянной массы при температуре до 200°С. Затем взвешивали, измельчали и определяли элементный состав на волнодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре «СПЕКТРОСКАН МАКС-GVM». В табл. 1 приведены массы образцов после перколяционного выщелачивания 0,1 М раствором серной кислоты и водой.
Согласно табл. 2 основная масса компонентов из гранул извлекается в течение первых 9 ч, что приблизительно соответствует соотношению Т:Ж = 1:4.
Концентрации компонентов в высушенных продуктивных растворах перколяционного выщелачивания гранулированных отходов раствором 0,1 М H2SO4 и водой приведены в табл. 2 и табл. 3 соответственно.
В табл. 4 представлены данные по содержанию алюминия, железа и лантана в растворах перколяционного выщелачивания и в гранулах после выщелачивания.
На рис. 1,2,3,4 представлено влияние времени на извлечение лантана и основных примесей в процессе выщелачивания 0,1 М раствором серной кислоты и водой.
Таблица 1
Массы высушенных продуктивных растворов и гранул после перколяционного выщелачивания
The masses of dried productive solutions and granules after percolation leaching
Выщелачивающий Время выщелачивания, ч Масса
реагент 3 6 9 12 15 >18 гранул, г
0,1 М н2бо4 4,257 1,555 1,733 0,319 0,196 0,262 18,732
h2o 3,607 1,628 1,6 0,18 0,097 0,143 18,882
Таблица 2
Концентрация компонентов в высушенных продуктивных растворах перколяционного выщелачивания гранулированных отходов раствором 0,1 М серной кислоты
The concentration of components in dried productive solutions of percolation leaching of granular waste with a solution of 0,1 M sulfuric acid
Время выщелачивания, ч
Элемент 3 6 9 12 15 > 18 Гранулы после выщелачивания
La, % 0,116 0,138 0,156 0,459 0,469 0,851 0
Mg, % 1,459 0,802 0,588 0,679 0,841 0,803 0,274
Al, % 7,77 8,845 10,235 4,829 3,376 2,9 6,425
Si, % - - 0,028 0,583 0,597 1,504 31,05
P, % 0,126 0,136 0,131 0,213 0,246 0,259 0,036
K, % 2,039 2,321 2,833 2,415 2,037 1,653 1,408
Ca, % 0,422 0,923 1,187 6,238 10,048 10,514 0,197
Ti, % 0,027 0,045 0,054 0,162 0,184 0,112 0,552
V, % 0 0 0 0,003 0,004 0,002 0,011
Cr, % - - 0,001 0,001 -
Mn, % 0,145 0,071 0,062 0,069 0,07 0,075 0,006
Fe, % 5,17 2,981 2,559 4,182 5,139 6,641 1,013
Ni, % 0,005 0,001 0 - 0,001 0,003 0,001
Cu, % - - 0,006 0,013 0,001 0
Zn, % 0,029 0,005 0,004 0,02 0,011 0,047 -
Sr, % 0,017 0,024 0,075 0,068 0,052 0,013
Ba, % - - - - - - 0,037
0,800 -
—t-AI
3 6 9 12 15 >18
Время выщелачивания, ч
Рис. 1. Влияние времени выщелачивания на извлечение железа и алюминия 0,1 Мраствором серной кислоты Fig. 1. The effect of leaching time on the extraction of iron and aluminum with 0,1 M sulfuric acid solution
Время выщелачивания, ч
Рис. 2. Влияние времени выщелачивания на извлечение лантана 0,1 Мраствором серной кислоты Fig. 2. The effect of leaching time on the extraction of lanthanum with 0,1 M sulfuric acid solution
Таблица 3
Концентрация компонентов в высушенных продуктивных растворах перколяционного выщелачивания гранулированных отходов водой
The concentration of components in dried productive solutions of percolation leaching of granular waste with water
Время выщелачивания, ч
Элемент 3 6 9 12 15 > 18 Гранулы после выщелачивания
La, % 0,078 0,105 0,163 0,644 0,591 0,464 0,054
Mg, % 1,46 0,742 0,529 0,428 0,172 0,221 0,409
Al, % 8,386 9,182 9,174 5,686 2,725 1,335 6,265
Si, % - - - 0,341 0,457 0,692 30,179
P, % 0,124 0,106 0,089 0,052 0,056 0,03 0,041
K, % 1,975 3,04 3,095 3,186 1,726 1,105 1,666
Ca, % 0,408 0,953 1,064 8,486 15,341 23,07 0,356
Ti, % 0,03 0,01 0,009 0,001 0,003 0,004 0,597
V, % 0 - - - 0 - 0,013
Cr, % 0 - - - - 0,002 0
Mn, % 0,141 0,081 0,058 0,049 0,041 0,033 0,01
Fe,% 5,267 2,576 1,258 0,746 0,435 0,277 1,514
Ni, % 0,004 0,002 0,002 0,002 0,002 0,003 0,001
Cu, % - - - 0,003 - - -
Zn, % 0,03 0,019 0,001 - - - -
Sr, % 0,019 0,03 0,127 0,178 0,165 0,013
Ba, % - - - - - - 0,044
Согласно полученным данным выщелачивание алюминия и железа из гранул практически заканчивается при проведении процесса в течение 9 ч, в то время как выщелачивание лантана продолжается на всем протяжении ведения процесса. Отметим, что большая его часть также вымывается из гранул в течение 9 ч. Анализ данных, приведенных в табл. 4 позволяет сделать вывод, что выщелачивание эффективнее происходит при применении раствора серной кислоты концентрацией 0,1 М, так как при этом происходит наибольшее извлечение лантана в фильтрат.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты проведенных исследований качества лабораторных образцов, полученных в результате перколяционного выщелачивания гранульного материала отходов углеобогащения посредством добавления разбавленного раствора серной кислоты и
Таблица 4
Сравнение результатов выщелачивания в различных средах
Comparison of leaching results in different media
Время выщелачивания, ч 0,1 M h2so4 H2O
Масса алюминия, г Масса железа, г Масса лантана, г Масса алюминия, г Масса железа, г Масса лантана, г
3 0,3308 0,2201 0,0050 0,3025 0,1900 0,0028
6 0,1375 0,0463 0,0022 0,1495 0,0419 0,0017
9 0,1774 0,0444 0,0027 0,1468 0,0201 0,0026
12 0,0154 0,0133 0,0015 0,0102 0,0013 0,0012
15 0,0066 0,0101 0,0009 0,0026 0,0004 0,0006
> 18 0,0076 0,0174 0,0022 0,0019 0,0004 0,0007
Гранулы 1,2035 0,1897 0,0000 1,1829 0,2859 0,0101
после выщелачивания
6 9 12 15
Время выщелачивания, ч
6 9 12 15
Время выщелачивания, ч
>18
Рис. 3. Влияние времени выщелачивания на извлечение алюминия и железа водой Fig. 3. The effect of leaching time on the extraction of aluminum and iron by water
Рис. 4. Влияние времени выщелачивания на извлечение лантана водой
Fig. 4. Effect of leaching time on lanthanum extraction by water
3
воды, показали, что лучшее извлечение ценных компонентов происходит при добавлении разбавленного раствора серной кислоты концентрацией 0,1 М.
Список литературы • References
1. Исследование перколяционного выщелачивания ценных компонентов из хвостов обогащения Дашкесанского горнообогатительного комбината / А.А. Гейдаров, Ч.М. Кашкай, А.А. Гу-лиева и др. // Kimya Problem^n. 2016. № 1. С. 17-25. Geydarov А.А., Kashkay Ch.M., Guliyeva А.А. et al. Investigation of percolation leaching of valuable components from the tailings of the Dashkesan Mining and Processing Plant. Kimya Problemleri. 2016;(1):17-25. (In Russ.).
2. Извлечение редкоземельных металлов из вторичного и техногенного сырья / Г.А. Колобов, В.В. Павлов, Ю.В. Мосейко и др. // Металурпя. 2017. № 2 (38). С. 38-45.
Kolobov G.A., Pavlov V.V., Moseyko Yu.V. et al. Extraction of rare earth metals from secondary and man-made raw materials. Metalurgiya. 2017;2(38):38-45. (In Russ.).
3. Перспективы разработки и реализации новых технологий по извлечению цветных и редких металлов из руд концентратов и шлаков / Б.Д. Халезов, Н.А. Ватолин, В.И. Жучков и др. Физическая химия и технология в металлургии. Сборник трудов, посвященный 60-летию ИМЕТ УрО РАН. Екатеринбург, 2015. С. 251-270.
4. Han K.N. Editorial for Special Issue "Leaching of Rare Earth Elements from Various Sources". Minerals. 2021 ;11 (2):164. DOI: 10.3390/ min11020164.
5. Novel approach to recover rare earth metals (REMs) from Indian coal bottom ash / A. Kumari, R. Parween, S. Chakravarty et. al. Hydrometal-lurgy. 2019;(187):1-7. DOI: 10.1016/j.hydromet.2019.04.024.
6. Wang X, Cheng W, Yang R, Zang J. Characterization and acid leaching of rare earth elements in coal gangue using pretreatment of selective grinding, tailings discarding and alkali roasting. Journal of Rare Earths. 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/jjre.2024.02.018.
7. Rare earth elements recovery and mechanisms from coal fly ash by column leaching using citric acid / L. Zhang, H. Chen, J. Pan et. al. Separation and Purification Technology. 2025;(353):Part B. DOI: https:// doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128471.
8. Efficient recovery of rare earth elements from coal based resources: a bioleaching approach / P.K. Sarswat, M. Leake, L. Allen et. al. Materials Today Chemistry. 2020;(16). DOI: https://doi.org/10.1016/j. mtchem.2020.100246.
9. Echeverry-Vargas L., Ocampo-Carmona L.M. Recovery of Rare Earth Elements from Mining Tailings: A Case Study for Generating Wealth from Waste. Minerals. 2022;12(8):948. DOI: https:// doi.org/10.3390/ min12080948.
10. Патент № 2657149 С1 Российская Федерация 08.06.2018. Способ извлечения редкоземельных металлов и скандия из золошла-ковых отходов; заявка № 2017126637 от 25.07.2017 / Кольцов В.Ю., Новиков П.Ю., Власова Т.В., Захаров А.А., Калашников А.В., Юдина Т.Б., Звонарева М.Е., Величкина Н.С.
11. Dodbiba G., Fujita T. Trends in Extraction of Rare Earth Elements from Coal Ashes: A Review. Recycling. 2023;8(1 ):17. DOI: https://doi. org/10.3390/recycling8010017.
12. Извлечение редкоземельных элементов и скандия из отходов угледобычи с использованием метода гранульной сульфатиза-ции / Д.И. Смирнов, А.В. Калашников, А.А. Захаров и др. // Уголь. 2023. № S12. С. 84-89. DOI: 10.18796/0041-5790-2023-S12-84-89. Smirnov D.I. Kalashnikov A.V., Zakharov A.A., Zvonareva M.E., Cher-kasova T.G., Barantsev D.A. . Extraction of rare earth elements and scandium from coal mining waste using granular sulphatisation method. Ugol'. 2023;(S12):84-89. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041 -5790-2023-S12-84-89.
Authors Information
Giniyatullina Yu.R. - PhD (Chemistry), Associate Professor of the Department of Chemistry, Technology of Inorganic Substances and Nanomaterials, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Isakova I.V. - PhD (Chemistry), Associate Professor, associate Professor of the Department of Chemistry, Technology of Inorganic Substances and Nanomaterials, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation, e-mail:[email protected]
Cherkasova T.G. - Doctor of Chemistry Sciences, Professor, Scientific Supervisor of Institute of Chemical and Oil and Gas Technologies, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Barantsev D.A. - Assistant of the Department of Chemistry, Technology of Inorganic Substances and Nanomaterials, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Информация о статье
Поступила в редакцию: 18.07.2024 Поступила после рецензирования: 15.08.2024 Принята к публикации: 26.08.2024
Paper info
Received July 18,2024 Reviewed August 15,2024 Accepted August 26,2024
