CC BY
52
УДК 541.124.001.5:54-145.15:66.092:661.63
Е.Ю. Окрушко, И.А.Почиталкина*, И.А. Петропавловский
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. Адрес: 125047 г. Москва, Миусская пл., д.9, кафедра ТНВ.
*e-mail:geka.pokr@mail.ru; pochitalkina@list.ru; ipetropavlovskiy@gmail.ru
КИНЕТИКА АЗОТНОФОСФОРНОКИСЛОТНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ
ПОЛПИНСКОГО ФОСФОРИТА**
Исследована кинетика кислотного разложения фосфорита Полпинского месторождения ионометрическим методом в диапазоне температур 20 - 50 0С, регистрация экспериментальных данных осуществлялась на компьютере в режиме реального времени. По результатам изменения концентрации иона Н+ при азотнофосфорнокислотном разложении фосфоритной муки рассчитаны кинетические параметры процесса.
Ключевые слова: фосфатное сырье, фосфориты полпинского месторождения, процесс азотнофосфорнокислотного разложения фосфорита, кинетика разложения, кинетические параметры процесса.
В настоящее время модернизации действующих производств удобрений и адаптации их к новым видам сырья придается важное значение. При этом акцент делается на расширении фосфатной сырьевой базы, поиске эффективных способов переработки природных фосфатов и аппаратурного оформления процесса, для чего необходимо изучение кинетики кислотного разложения минерального сырья.
В качестве объектов исследования использовали азотную и фосфорную кислоты квалификации х.ч. и фосфоритную муку Полпинского месторождения (ФМПМ) со средним размером частиц (0,5-17)10-6м (рис 1.).
Анализ экспериментальных образцов выполнен с помощью растрового электронного микроскопа ШОЬ 1БМ-6510 ЦУ (Япония). Напряжение на ускоряющем электроде - 1-20 кВ, разрешающая способность микроскопа 5 нм.
элементный состав образцов, усредненные данные (по трем измерениям) приведены в табл.1.
Массовая доля, % 100
80
60
40
20
0
0,5-11-1,51,5-2 2-3 3-5 5-17 0ч 10-6 ,м
Рис. 2. Распределение частиц ФМПМ по размерам
Таблица 1. Элементный состав ФМПМ
Образец Содержание, %
Fe Al Ca Mg Na K O
Среднее значение 0,97 0.99 9.47 0.42 0.40 0.32 64.91
Образец Si F P S C N H
Среднее значение 7.38 5.47 5.42 0.22 3.15 0.08 0.80
Рис. 1. Микрофотография образца ФМПМ
С помощью энергодисперсионного рентгеновского анализатора INCA ENERGY+ («Oxford Instruments», Великобритания), установленном на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6510 LV исследован
Кинетический эксперимент выполняли в условиях, обеспечивающих воспроизводимость данных, для чего навеску минерального сырья вносили в измерительную ячейку, содержащую рассчитанное количество смеси азотной и фосфорной кислот с суммарной концентрацией 0,1 М, термостатировали до заданной температуры и создавали требуемый гидродинамический режим перемешивания Яе=12500. Разложение проводили в 10 % избытке смеси кислот от стехиометрии: 2Са5(РО4)зР + 10НШз + 7Н3РО4 = = ЗН3РО4 + 5Са(Шз)2 +5Са(Н2РО4)2 +2НБ
Отношение НЫ03:Н3Р04 в смеси выбрано таким образом, чтобы за счет НЫОз обеспечить коэффициент разложения ФМПМ (Кр) 70 %.
Контроль кинетики процесса кислотного разложения минерального сырья с использованием ПЭВМ осуществляли
ионометрическим методом [1-4], позволяющим выполнять эксперимент по заданной программе с регистрацией ионных форм продуктов реакции, начиная с концентрации 5 10-5 кмоль/м-3.
Экспериментальные данные определения концентрации иона Н+ при температурах 20, 30, 40 и 50 °С (рис.3) получены по трем параллельным опытам в условиях постоянной ионной силы исследуемого раствора, при этом концентрация Н+ прямо пропорциональна его активности, время опыта 600 с. Расчет ионной силы в реакционной смеси и среднеионных коэффициентов активности у± проводили по известному уравнению Дебая-Хюккеля, относительная ошибка определения не превышала 1,5 %.
Сн+, моль/л 0,1
0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
0
100 200 300 400
Рис. 3. Изменение концентрации иона Н+ во времени при температурах 20 (1), 30 (2), 40 (3) и 50 °С (4).
Кр, % 100
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0 т, с
0 100 200 300 400
Рис. 4. Изменение коэффициента разложения ФМПМ во времени при температурах 20 (1), 30 (2), 40 (3) и 50° С (4).
Коэффициент разложения ФМПМ рассчитан с учетом константы диссоциации фосфорной и фтористоводородной кислот (рис. 4). Из полученных данных (рис. 3 и 4) видно, что с повышением температуры наблюдается сокращение времени разложения и увеличение коэффициента разложения минерального сырья. Кинетические параметры исследуемого процесса получены расчетным и экспериментальным путем (рис.5).
-3 И I I I I I
-7--у - -5 207,7005х + 11,1391
_8__Р - 0,9997_
-9--1 1.1 I
-10--
0,003 0,0031 0,0032 0,0033 0,0034 0,0035
Рис. 5 Зависимость 1п(ко) от 1/Т
Кинетические параметры процесса: п = 0, ту2=9 сек.,
ко = 0,0013 - 0,0068 моль/(л-с) (в температурном диапазоне 20-50°С), Еа = 43296,82 Дж/моль, Ао = 70482 моль/л-с
Полученные в условиях развитого гидродинамического режима данные позволяют сделать предположение о том, что диффузионное торможение минимально и разложение ФМПМ смесью кислот протекает во внешнекинетической области.
**Измерения размера частиц и элементный анализ Полпинского фосфорита выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования имени Д.И. Менделеева.
с
Окрушко Евгений Юрьевич студент кафедры технологии неорганических веществ РХТУ
им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Почиталкина Ирина Александровна к.т.н., доцент кафедры технологии неорганических веществ РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Петропавловский Игорь Александрович д.т.н., профессор кафедры технологии неорганических веществ РХТУ
им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Киселев В.Г., Розвезев К.Г., Почиталкина И.А. и др. / Исследование кинетики кислотного разложения бедного фосфатного сырья // Успехи в химии и хим. технологии: сб. науч. тр. / РХТУ; [под ред. П. Д. Саркисова и В.Б. Сажина]. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. Т. XXII, № 9, С. 76-78.
2. Петропавловский И.А., Почиталкина И.А., Киселев В.Г., Кондаков Д. Ф., Свешникова Л. Б. Оценка возможности обогащения и химической переработки некондиционного фосфатного сырья на основе исследования химического и минералогического состава / Химическая промышленность сегодня. 2012, №4, с. 5-8.
3. Федотов П.С., Ряшко А.И., Киселев В.Г., Почиталкина И.А., Петропавловский И.А., Петропавловская Н.Н. / Исследование кинетики солянокислотного разложения фосфоритной муки Полпинского месторождения ионометрическим методом // Успехи в химии и хим. технологии: сб. науч. тр. / РХТУ. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. Т. XXV, №8, с. 63-66.
4. Петропавловский И.А., Почиталкина И.А., Киселев В.Г., Мырзахметова Б.Б., Бестереков У.Б. / Кинетические закономерности разложения низкосортных фосфоритов жидкофазным методом в условиях рецикла маточного раствора // Химическая промышленность сегодня. 2012, № 5, с. 6-9.
Okrushko Evgeny Yurievich, Pochitalkina Irina Aleksandrovna*, PetropavlovskyIgor Aleksandrovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: geka.pokr@mail.ru; pochitalkina@list.ru; ipetropavlovskiy@gmail.ru
KINETIC OF POLPIN PHOSPHATE DECOMPOSITION WITH NITROGEN-PHOSPHORIC ACID
The kinetics of acid decomposition of phosphorite deposits Polpino ionometric method in the temperature range of 20 - 500C, the registration of the experimental data was carried out on a computer in real time. Changes in the concentration of H+ ion in nitrogen-phosphoric acid decomposition of phosphate fertilizer calculated kinetic parameters of the process.
Key words: low-grade phosphate raw, nitrogen-phosphoric acid decomposition, the kinetics of decomposition, activation energy, reaction order.
