Научная статья на тему 'Основные экологические аспекты комплексной переработки природного фосфатного сырья утеплителей в строительстве'

Основные экологические аспекты комплексной переработки природного фосфатного сырья утеплителей в строительстве Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
690
92
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БЕЗОТХОДНОЕ ПРОИЗВОДСТВО / ФОСФОГИПС / ФТОР / ФОСФОР / НАНОТЕХНОЛОГИЯ / ПЕРЕРАБОТКА / ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО / WASTE-FREE PRODUCTION / PHOSPHOGYPSUM / FLUORINE / PHOSPHORUS / NANOTECHNOLOGY / RECYCLING / ECOLOGICAL PRODUCTION

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Сергей Павлович Кочетков, Сергей Валерьевич Брыль

В Российской Федерации уникальным явлением природы как по запасам фосфорсодержащего сырья, так и по запасам сопутствующих компонентов являются апатит-нефелиновые руды Хибинского месторождения, находящегося в центральной части Кольского полуострова. Основным потребителем этого сырья являются заводы основной химии, перерабатывающие апатит в экстракционную фосфорную кислоту сернокислотным разложением (города Череповец, Балаково, Воскресенск и др.). При этом получается дигидратная или полугидратная экстракционная фосфорная кислота, а сдельный выход сухого фосфогипса составляет от 4 до 6 т на 1 т апатита в зависимости от соотношения в нем CaO/P2O5 и метода получения. Проблемы утилизации отходов химического производства иллюстрируются различными примерами. Дается заключение о целесообразности переработки на удобрения фосфоритного сырья, а дефицитных апатитов на получение строительных материалов. Впервые разработана принципиально новая, экологически безопасная технология получения фосфорных и комплексных удобрений на основе мокрой механохимической активации фосфатов. Способы прошли опытно-промышленную апробацию в опытном цехе на подмосковном Производственном объединении «Фосфаты» (г. Воскресенск) с использованием установки (0.3 т/ч) и промышленную на Чилисайском фосфоруднике (г. Аксай) (1.0 т/ч) на базе вибромельниц. В результате осуществления способов получены новые виды удобрений: суспендированные и гранулированные механически активированные фосфаты и аммофосфаты. Делается заключение, что с точки зрения экологической безопасности и экономической целесообразности на удобрения следует перерабатывать фосфоритное сырье, а дефицитные апатиты следует направлять на получение строительных материалов тонкоочищеных фосфатов с одновременным извлечением и утилизацией редкоземельных элементов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Сергей Павлович Кочетков, Сергей Валерьевич Брыль

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

The main ecological aspects of the complex processing of natural phosphate raw material The main ecological aspects of the complex processing of natural phosphate raw material

In the Russian Federation a unique phenomenon of nature as the reserves of phosphate raw materials and reserves of associated components are Apatite-nepheline ores of the Khibiny Deposit, located in the Central part of the Kola Peninsula. The main consumer of this raw material are the plants basic chemistry, processing of Apatite in a wet-process phosphoric acid sulfuric acid decomposition (the city of Cherepovets, Balakovo, the resurrection, etc.). This gives a dihydrate or hemihydrate wet-process phosphoric acid, and piecework output of dry phosphogypsum is 4 to 6 t per 1 t Apatite, depending on the ratio therein of CaO/P2O5 and the method of obtaining. The problem of disposing of chemical wastes are illustrated by various examples. Provides a conclusion on the feasibility of processing into fertilizer of phosphate raw materials, and scarce Apatite to obtain construction materials. First developed a fundamentally new, environmentally friendly technology to produce phosphoric and complex fertilizers on the basis of wet mechanical activation of the phosphate. Methods have been pilot tested in the experimental shop at Moscow Production Association «Phosphate» (Voskresensk) using (0.3 t/h) and industry to Estimate povorotniki (Aksai) (1.0 t/h) on the basis of vibrating mills. The implementation of methods obtained new types of fertilizers: granular and suspended mechanically activated phosphates and ammophosphate. It is concluded that from the point of view of environmental safety and economic feasibility of fertilizer phosphate should be recycled raw materials, and scarce Apatite should be directed to the production of construction materials oncooking phosphate with the simultaneous extraction and recovery of rare earth elements

Текст научной работы на тему «Основные экологические аспекты комплексной переработки природного фосфатного сырья утеплителей в строительстве»

УДК 502/504 : 661.632

ОСНОВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ФОСФАТНОГО СЫРЬЯ

Поступила 01.06.2016 г.

© Сергей Павлович Кочетков, Сергей Валерьевич Брыль

Коломенский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», г. Коломна

THE MAIN ECOLOGICAL ASPECTS

OF THE COMPLEX PROCESSING OF NATURAL PHOSPHATE RAW MATERIAL

Received June 1, 2016

© Sergei Pavlovich Kochetkov, Sergei Valerevich Bryl

Kolomna Institute of Moscow State Technical University «MAMI», Kolomna, Russia

В Российской Федерации уникальным явлением природы как по запасам фосфорсодержащего сырья, так и по запасам сопутствующих компонентов являются апатит-нефелиновые руды Хибинского месторождения, находящегося в центральной части Кольского полуострова. Основным потребителем этого сырья являются заводы основной химии, перерабатывающие апатит в экстракционную фосфорную кислоту сернокислотным разложением (города Череповец, Балаково, Воскресенск и др.). При этом получается дигидратная или полугидратная экстракционная фосфорная кислота, а сдельный выход сухого фосфогипса составляет от 4 до 6 т на 1 т апатита в зависимости от соотношения в нем Са0/Р205 и метода получения. Проблемы утилизации отходов химического производства иллюстрируются различными примерами. Дается заключение о целесообразности переработки на удобрения фосфоритного сырья, а дефицитных апатитов - на получение строительных материалов. Впервые разработана принципиально новая, экологически безопасная технология получения фосфорных и комплексных удобрений на основе мокрой механохимиче-ской активации фосфатов. Способы прошли опытно-промышленную апробацию в опытном цехе на подмосковном Производственном объединении «Фосфаты» (г. Воскресенск) с использованием установки (0.3 т/ч) и промышленную - на Чилисайском фосфоруднике (г. Аксай) (1.0 т/ч) на базе вибромельниц. В результате осуществления способов получены новые виды удобрений: суспендированные и гранулированные механически активированные фосфаты и ам-мофосфаты. Делается заключение, что с точки зрения экологической безопасности и экономической целесообразности на удобрения следует перерабатывать фосфоритное сырье, а дефицитные апатиты следует направлять на получение строительных материалов тонкоочище-ных фосфатов с одновременным извлечением и утилизацией редкоземельных элементов.

Ключевые слова: безотходное производство, фосфогипс, фтор, фосфор, нанотехнология, переработка, экологическое производство.

In the Russian Federation a unique phenomenon of nature as the reserves of phosphate raw materials and reserves of associated components are Apatite-nepheline ores of the Khibiny Deposit, located in the Central part of the Kola Peninsula. The main consumer of this raw material are the plants basic chemistry, processing of Apatite in a wet-process phosphoric acid sulfuric acid decomposition (the city of Cherepovets, Balakovo, the resurrection, etc.). This gives a dihydrate or hemihydrate wet-process phosphoric acid, and piecework output of dry phosphogypsum is 4 to 6 t per 1 t Apatite, depending on the ratio therein of CaO/P2O and the method of obtaining. The problem of disposing of chemical wastes are illustrated by various examples. Provides a conclusion on the feasibility of processing into fertilizer of phosphate raw materials, and scarce Apatite -to obtain construction materials. First developed a fundamentally new, environmentally friendly technology to produce phosphoric and complex fertilizers on the basis of wet mechanical activation of the phosphate. Methods have been pilot tested in the experimental shop at Moscow Production Association «Phosphate» (Voskresensk) using (0.3 t/h) and industry - to Estimate povorotniki (Aksai) (1.0 t/h) on the basis of vibrating mills. The implementation of methods obtained new types of fertilizers: granular and suspended mechanically activated phosphates and ammophosphate. It is concluded that from the point of view of environmental safety and economic feasibility of fertilizer phosphate should be recycled raw materials, and scarce Apatite should be directed to the production of construction materials oncooking phosphate with the simultaneous extraction and recovery of rare earth elements.

Keywords: phosphogypsum, nanotechnology, production.

waste-free fluorine, recycling,

production, phosphorus, ecological

Введение. В связи со стремлением человеческой цивилизации переходить к устойчивому развитию, обусловленным де-

фицитом иисчерпываемостьюэнергетических и минеральных ресурсов, с начала XXI столетия главными направлениями в раз-

витии химическои технологии и техники стали такие, которые реализуют прежде всего экологический фактор в экономике:

снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты химических реакций;

уменьшение числа стадий производства и переход к замкнутым (циклическим) системам;

создание безотходных (малоотходных) производств, основанных на комплексном использовании сырья.

Из 55 млн тонн Р205 потребляемого в мире фосфатного сырья более 70 % в настоящее время перерабатывается сернокислотным способом в экстракционную фосфорную кислоту (ЭФК), попутным продуктом которой является техногенный сульфат кальция (фосфогипс, фос-фополугидрат), который содержит до 5 % примесей, переходящих из фосфатного сырья. Основной продукт этой переработки, - ЭФК, также содержит примерно 7...10 % примесей из сырья (не считая воды) и используется в основном для получения концентрированных комплексных удобрений. При указанных объемах кислотной переработки фосфатного сырья с получением ЭФК в мире примерно 35...37млн т/год Р2О5 образуется 180 млн т фосфогипса (ФГ).

В Российской Федерации уникальным явлением природы как по запасам фосфорсодержащего сырья, так и по запасам сопутствующих компонентов являются апатит-нефелиновые руды Хибинского месторождения, находящегося в центральной части Кольского полуострова.

Задача комплексного использования всего многообразия Хибинсских апатит-нефелиновых руд, содержащих в своем составе более половины химических элементов таблицы Менделеева, сводится к двум направлениям:

полнота и комплексность извлечения при добыче и обогащении с получением минеральных концентратов;

комплексное использование минеральных концентратов при их химической переработке (апатит-источник Р2О5 > СаО, Г2, РЗЭ; нефелин-источник А12О3, ^2О, К2О, Ga, Rb, Cs).

Апатитовый концентрат (АК) имеет

SiО2

Г

2

тю„

следующий химический состав (%):

Р2О5 39,0...40,3

СаО 50,0...51,6

2,0...2,6 0,5...1,5

TR2О3(P33) 0,8...1,0

2,9...3,4

,2 0,2...0,5

Основным потребителем этого сырья являются заводы основной химии, перерабатывающие апатит в ЭФК сернокислотным разложением (города Череповец, Балаково, Воскресенск и др.). При этом получается дигидратная или полугидрат-ная ЭФК, а сдельный выход сухого фосфо-гипса составляет от 4 до 6 т на 1 т апатита в зависимости от соотношения в нем СаО/ Р2О5 и метода получения.

Комплексная переработка указанного фосфатного сырья предполагает не только использование фосфогипса как крупнотоннажного вторичного сырья, но также и обязательную утилизацию попутных фтористых соединений и редкоземельных металлов.

Общемировое производство ЭФК, по данным на 2010 год достигало 182,1 млн т, а на долю России приходилось 10,84 млн т [1]. Производство ЭФК потребляет до 90 % добываемых природных фосфатов.

Процесс сернокислотного разложения фторапатита в общем случае описывается следующим уравнением реакции: Саб(РО4)^ + 5Н2Я04 + пН3Р04 + тН20 = = (п + 3) Н Р0 + 5СаБО *тН„О + ОТ.

' 3 4 4 2

Технологический процесс получения ЭФК принято называть через модификацию образующихся кристаллов сульфата кальция.

В зависимости от необходимого качества конечных продуктов, дальнейшей переработки фосфорной кислоты получают очищенную фосфорную кислоту, улучшенной квалификации, согласно ГОСТУ или ТУ. Для этого используют специальные методы отчистки, которые часто совмещают с процессом концентрирования [2]. В настоящее время помимо доминирующего использования фосфорной кислоты для производства удобрений (свыше 80 %) на кормовые фосфаты идет около 6 % кислоты и свыше 8 % - на технические и пищевые фосфаты [8].

Получение фосфорной кислоты нуж-

ного качества должно осуществляться с учетом трех аспектов: ресурсно-энергетического, экологического и комплексности переработки. В тоже время все три указанных аспекта неразрывно связаны между собой и технологические решения проблем одного из них обязательно влечет за собой и решение проблем в рамках остальных аспектов.

При реализации мероприятий, направленных на рациональное использование природных ресурсов и уменьшение загрязнения окружающей среды, активным подходом является изменение технологических процессов для комплексной переработки исходных материалов, с сокращением объемов отходов всех видов или перевода их в формы, легко поддающиеся вторичной переработке или специальному хранению.

Фосфогипс. Ввиду крупнотоннаж-ности производства фосфорной кислоты, фосфогипс является наиболее объемным отходом. Например, в 2012 г. только в России образовалось около 12 млн т фос-фогипса (в пересчете на сухой дигидрит, дигидрат сульфата кальция). В зависимости от качества исходного сырья на 1 т Р2О5 в ЭФК образуется примерно 4,2...6,8 т фос-фогипса [3].

Хотя в настоящее время имеются рекомендации по использованию фосфогипса в сельском хозяйстве в качестве мелиоранта, а также для производства строительных метериалов (ТУ 2141-677-00209438-2004 марки А и Б), для строительства автомобильных дорог (ТУ5744-144-05015182-2010; ГОСТ Р52398-2005), реализация их сдерживается наличием ряда проблем.

Во первых, фосфогипс выходящий с производства ЭФК имеет кислую реакцию за счет присутствия оставшейся кислоты (до 10 %) и представляет коррозионную угрозу для оборудования и дальнейшего использования (например печей обжига цементного клинкера).

Во вторых проблема связана с необходимостью утилизации РЗЭ, входящих в состав фосфогипса. Известно, что общего количества РЗЭ в фосфатном сырье около 1...75 % переходят в фосфогипсе при кислотном разложении, а остальное остается в ЭФК [4].

Отсутствие реальных (экономически

обоснованных) технологий переработки фосфогипса в целевые продукты обуславливает его преимущественное складирование, которое оказывает негативное воздействие на окружающую среду, а внедрение различных природоохранных мероприятий по устранению этого негатива в свою очередь требуют дополнительных затрат на реализацию.

Фтор. Вторым в количественном отношении компонентом в фосфатном сырье, требующим утилизации (в том числе и по экологическим соображениям) является фтор. К технологиям, которые могут рассматриваться относительно технико-экономической целесообразности выделения промежуточного продукта фторводорода или кремнефтористоводородной кислоты (КФВК), относятся только предусматривающие концентрирование фосфорной кислоты до содержания Р2О5 более 41 %. Используемое фосфатное сырье в производстве комплексных удобрений содержит до 3,0...3,2 % фтора. В получаемой неу-паренной ЭФК содержание в ней фтора составляет 0,6...0,9 % при условиях использования для упаковки вакуумных выпарных установок (ВВУ) [5]

Согласно международной экологической классификации (ISO), фтористые соединения относятся к категории канцерогенных (по токсичности), что предопределяет отнесение их (а также ЭФК, в состав которой они входят) ко второму классу опасности ПДК в воздухе до 2 мг/ м3. Исходя из этого, экологический аспект переработки природных фосфатов определяет равитие двух проблемных направлений:

максимального извлечения фтора с целью получения экологически безопасных продуктов;

максимальной утилизации фтора с целью недопущения загрязнения отходящими фтористыми соединениями атмосферы, гидросферы и литосферы.

В связи с этим очистка ЭФК от фтора, при получении высокочистых сортов кислоты, должна использовать технологии, 'реализующие одновременно улавливание выделившихся в газовую фазу фтористых соединений, что актуально с точки зрения комплексности переработки сырья с извлечением РЗЭ.

Хибинский апатитный концентрат (АК) содержит около 1 % суммы оксидов редкоземельных элементов, доминирующую часть которых составляют РЗЭ легкой группы (лантан, церий, празеодим, неодим).

В РФ до 85 % АК в настоящее время подвергается сернокислотному вскрытию (до 4...5 млн т ежегодно) с получением ЭФК. При этом основная часть РЗЭ (0,5...0,7 %) осаждается в виде отходов в сульфате кальция (дигидрата или полугидрата). Остальная часть РЗЭ остается в растворах ЭФК в виде суспензий или малорастворимых солей. При получении удобрений путем аммонизации ЭФК эта часть РЗЭ безвозвратно теряется при внесении удобрений в почву [4, 6].

Учитывая масштабы производства ЭФК, выделение РЗЭ из ее растворов является наиболее доступным и привлекательным, а выделение из фосфогипса - процесс трудоемкий, затратный, требующий переработки больших объемов ЭФК.

Результаты и обсуждение. Анализ накопленных экспериментальных данных в масштабе НИР по комплексной переработке АК формулирует основные требования к технологическим процессам попутного извлечения Sr, Ln, F.

Таким образом, основными принципами создания технологий переработки природных фосфатов являются: ресурсосбережение, энергосбережение, экологическая безопасность и комплексность переработки сырья, выражающиеся в расходных коэффициентах, а также в изменениях физико-химических и эксплуатационных характеристиках получаемых продуктов. Особую перспективу с этой точки зрения будут иметь системы, реализующие нанотехнологии с использованием механохимической активации (МХА) и механохимического синтеза (МХС) [7, 8].

Применение МХА позволяет достигать наноразмерного уровня с частичным разрывом молекулярных связей в процессе в целом, что связано с эксэргетическим подходом, к которому можно приближаться, и согласно которому мы будем иметь дело с термической эксэргией Е из-за различия составов реагентов системе и на выходе (в окружающей среде) и соответственно температур и давления.

ЕТ = Ех + Еф.

В меньшей степени указанный аспект относится к стадии сернокислотного разложения апатитового концентрата, протекающего с участием трех фаз: твердой, жидкой и газовой.

В то же время, решение энергетической проблемы механохимической технологии тесно связано с вопросом возможности и оптимизации участия жидкой или газовой фазы на промежуточных стадиях синтеза.

В [10] было показано, что за счет превращения механической энергии разрушения и разрыва связи на молекулярном уровне (10-9 м) происходит увеличение избыточной свободной энергии АО.

Эта величина применяется для описания неравновесных состояний в термодинамике и выражает сродство активированного вещества в процессе перехода его в стабильное состояния. В результате значительно улучшаются физико-химические свойства продукта и прежде всего его растворимость. Другим эффектом МХС-фосфоритов является их дефторирование (на 30...40 %) в основном за счет нагревания обрабатываемой системы на 85... 90 оС. [9]

Для определения роли газовой и жидкой фаз при МХ активации предложено использовать относительную степень насыщения многокомпонентной газовой смеси [10]:

Ф = Гп

т /—4=0

X.

Л

Л (Т, Р)

у

где 2. - состав подаваемой в реактор исходной газовой смеси; п - число компонентов; Л.(Т,Р) - константа фазового равновесия; i = С02, Н20, 02, N .

Высокая энергетическая эффективность МХ синтеза в газожидкостных средах связана не столько с измельчением твердых тел в жидкости, сколько с выделением высокодисперсной твердой фазы из жидкой среды. По существу МХ синтез в газожидкостных средах является комбинацией процессов диспергирования измельчаемого компонента и конденсации образующегося продукта химической реакции в слое жидкости на активированной поверхности высокодисперсных частиц [10].

Использование же ЭФК, полученной кислотным разложением АК для полу-

чения удобрений является примером нерационального и сверхрасточительного потребления природных ресурсов. Учитывая многотонажность и высокую концентрацию фосфора в продукте это выгодно производителю с точки зрения получения прибыли и снижения затрат на транспортировку. В то же время эффект применения таких удобрений, находящихся в водорастворимой форме, в сельском хозяйстве недостаточен. По первому году после внесения в почву используется лишь 15...20 % фосфора, находящегося в туках, остальное количество вымывается осадками с полей в водоемы и далее в мировой океан, выбывая из биологического круговорота в большой геологический, становясь «недоступным» в течение многих тысяч лет, при нынешнем дефиците и исчерпаемости фосфорного сырья (11). Побочными негативными экологическими явлениями, сопровождающими описанный процесс представляет эвтрофи-кация водоемов, связанная с поступлением избытка азота и фосфора, а так же продвижение концерогенных соединений фтора из удобрений, полученных из инеочищен-ной ЭФК, по трофическим цепям питания в организм человека, и аккумуляция его там со всеми вытекающими последствиями.

Перспектива переработки природных фосфатов механохимической (МХ) активацией определила развитие нескольких проблемных направлений:

извлечение соединений фтора с целью получения экологически чистых продуктов;

утилизация соединений фтора и снижение загрязнения отходящими фтористыми соединениями атмосферы, гидросферы и литосферы;

расширение ассортимента выпускаемой продукции;

эффективное использование минерального сырья.

Данные технологические решения разработаны и апробированы и опытно-промышленных и промышленных условиях совместно рядом организаций: ОАО «Воскресенский НИУиФ», ФГБОУ ВП0 «ИГХТУ», филиал Университета машиностроения в г. Воскресенске и г. Коломне. При теоретическом обосновании и технологических операциях переработ-

ки различных фосфоритов и апатитов с использованием МХ активации в газожидкостных средах было обнаружено протекание следующих процессов: частичное обесфторивание фосфатов; увеличение их растворимости в слабых кислотах; частичное растворение примесей в жидкой фазе при активации.

Установлены протекающие при МХ активации реакции обесфторивания и разложения. Примеси в составе фоссырья могут непосредственно участвовать в МХ реакциях. Среди примесей отмечена инициирующая роль Si4+, Fe 3+ А13+ и ингибиру-ющее действие Мд2+ [9].

В результате обобщения исследований физико-химических свойств, кинетических и энергетических характеристик МХ активации фосфатов различных месторождений и нахождения корреляций этих данных с параметрами элементарных ячеек, а также содержанием примесей предложена классификация по эффективности переработки фосфатов методом МХ активации. На основе этого рекомендована схема механохимической переработки фосфоритов напрямую в удобрения, а активация апатитов рассматривается как вспомогательная операция, облегчающая кислотную переработку [12,13].

Впервые разработана принципиально новая, экологически безопасная технология получения фосфорных и комплексных удобрений на основе мокрой МХ акива-ции фосфатов [6-8]. Способы прошли опытно-промышленную апробацию в опытном цехе ГИГХС на подмосковном ПО «Фосфаты» (г. Воскресенск) с использованием установки (0,3 т/ч) и промышленную - на Чилисайском фосфоруднике (г. Аксай) (1,0 т/ч) на базе вибромельниц. В результате осуществления способов получены новые виды удобрений: суспендированные и гранулированные механически активированные фосфаты и аммофосфаты. Многолетние агрохимические испытания активированных образцов свидетельствуют об их эффективности, а также значительном превосходстве по сравнению с фосфоритной мукой стандартного и тонкого помола. Наилучшие результаты получены при использовании удобрений из чили-сайского и егорьевского фосфоритов. Комплексные суспендированные удобрения из

него по своему действию приближаются к уровню двойного суперфосфата, а приготовленные с использованием базовых растворов ПФА в качестве жидкой фазы, равноценны аммофосу.

В качестве преимущества механически активированных удобрений перед стандартными водорастворимыми туками отмечается значительно меньшее использование Р2О5 по первому году испытаний. На основании этого факта такие удобрения могут считаться медленнодействующими с повышенным коэффициентом использования питательных элементов [11, 14]. Фосфор в них находится в растворимой лимонной кислотой форме.

Нанотехнологии при механохимии жидкости в объеме равновесного флюида («жидкость - газ») разработаны для процессов дегидратации и дефторирования ЭФК с использованием интенсивного тепломассо-обменного аппарата тарельчатого типа [12, 13]. В этом случае единственным видом деформации является всестороннее сжатие, а локальное механохимическое состояние характеризуется заданием давления Р.

Принадлежность таких систем к «нано» иллюстрируется для процессов дегидратации и дефторирования на примере испарения сферической капли в газовую фазу в зависимости от ее размера по уравнению Лапаса: Р = 2ст/г,

где ст - поверхностное натяжение; г - радиус капли, причем давление.

Рассчитанные по известным формулам [8] значения г составляют 50...80 нм.

В свою очередь, структура поверхности газожидкостного слоя играет роль энергетического барьера для испарения. Поэтому для данного механохимического нанопроцесса, чем выше межфазовая поверхность слоя и, соответственно, больше перепад давления, тем при более низкой температуре может быть осуществлен процесс [12,15].

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

Разработанный в ОАО «Воскресенский НИУиФ» тарельчатый аппарат испытан в опытно-промышленных и промышленных условиях и является универсальным, так как может быть использован в качестве концентратора, дефторатора и абсорбера.

Для установления основных энерге-

тических закономерностей концентрирования и дефторирования в тарельчатом аппарате и оптимизации процесса была разработана теплофизическая модель, в которой область наиболее эффективных параметров (температурных, расходных) определялась путем совместного решения ряда уравнений относительно искомых ингредиентов в диапазоне концентрации фосфорной кислоты 52...65 % Р205 [15].

Процесс очистки с извлечением нужных компонентов будет протекать тем легче, чем более разупорядочена (деструк-турирована) будет данная система. Мерой разупорядоченности, удаления от равновесия согласно второму закону термодинамики, является величина энтропии. Использование МХ активации при получении ОФК для разрушения указанной структуры, может быть лишь элементом (стадией) в общей технологической схеме путем отдувки фтора в тарельчатом деф-тораторе.

Решение же задачи комплексной очистки ЭФК с успехом может осуществляться адсорбционными методами, которые позволяют удалить в той или иной степени практически все вышеуказанные компоненты.

Введение в растворы ЭФК серной, азотной кислот, а также гидроксида аммония либо их солей в небольших количествах, эквивалентных содержанию в системе высаливаемых примесей Fe3+, S042-, SiF62-активирует процесс.

С использованием данных положений разработана технология получения очищенной фосфорной кислоты технического (ОФК), пищевого, медицинского качества с одновременным извлечением и утилизацией соединений фтора, кремния, кальция, железа, алюминия и РЗЭ. Технология основана на совмещении процессов концентрирования ЭФК, отдувки фтористых соединений горячими топочными газами (или паром) и сорбции всех примесных ингредиентов на активных углях в едином циркуляционном контуре. Основными аппаратами такого контура являются тарельчатый дефторатор колонного типа, работающий в пенном режиме, и адсорбционная колонна [6, 10, 16].

Исходным углеродным материалом, который используется в качестве сорбента

для очистки экстракционной фосфорной кислоты, либо как сырье для химического модифицирования является активный уголь марки БАУ-А ГОСТ 6217-74.

При такой комплексной обработке большая часть фтористых соединений переходит в газовую фазу и утилизируется в виде кремнефтористой кислоты системе адсорбции, а ионы железа и РЗЭ адсорбируются на углях, концентрируются при циркуляции продукционного раствора и далее десорбируются при регенерации адсорбентов. Интенсифицирующее действие серной и азотной кислот может быть также использовано при модифицировании стандартных углей и регулировании содержания их селективных активных центров механохимическим синтезом [8]. Что касается извлечения РЗЭ из фосфогипса, то специалистами репульпации последнего рекомендуются все те же серная и азотная кислоты с последующим сорбционным извлечением ингредиентов из пульпы.

Реализация описанной здесь схемы получения очищенной фосфорной кислоты с одновременным извлечением РЗЭ в крупных масштабах позволит отнести данную схему к разряду энерготехнологических, сочетающих максимальное использование сырья и энергии с учетом энергетических принципов, указанных выше.

Использование адсорбентов дало возможность повысить не только глубину очистки от соединений железа, алюминия, кремния, серы, РЗЭ, но и увеличить скорость отдувки фтористых соединений. Подробности очистки ЭФК от фтора и других элементов, а также извлечения РЗЭ с помощью древесных углей типа БАУ и модифицированных различными добавками, приведены в публикации [6].

Предложен новый подход для извлечения РЗЭ из ЭФК, представляющей сорб-ционное разделение концентрированных электролитов на ионитах с использованием эффекта «удерживания кислоты» [17-18].

Заключение

Таким образом, подводя итог настоящей публикации, следует констатировать, что с точки зрения экологической безопасности и экономической целесообразности на удобрения следует перерабатывать фосфоритное сырье, а дефицитные апатиты следует направлять на получение

строительных материалов тонкоочищеных фосфатов с одновременным извлечением и утилизацией РЗЭ.

Библиографический список

1. Левин Б. В. Фосфатное сырье как ресурс для экономическицелесообразного производства фторпродуктов: Потенциал и реальность //Труды НИУИФ. - М.: НИ-УИФ, 2014. - С. 283-304.

2. Кочетков С. Л.,Баринов А. Л., Малявин А. С. Сорбционные процессы и нано-технологии при комплексной переработке апатитов // Jbid. - С. 355-359.

3. Кочетков С. П., Наймоген С. В., Смирнов Н. Н, Ильин А. П. Современные тенденции в производстве и квалифициро-вании фосфорной кислоты: Современные тенденции в производстве и применении фосфорсодержащих удобрений и неорганических кислот: мат. междун. науч.-практ. конф. - М.: НИУИФ, 2015. - С. 98-108.

4. Бушуев Н. Н.,Левин Б. В. Основы новой технологии выделения редкоземельных элементов из ЭФК // Труды НИУИФ.

- М.: НИУИФ, 2014. - С. 455-461.

5. Кочетков С. П., Баринов А. Н. Экологический аспект использования нано-технологий в производстве минеральных удобрений: Переработка и утилизация попутных фтористых соединений и извлечение редкоземельных металлов: мат. ме-ждун. науч.-практ. сем. - М., 2011. - С. 49-53.

6. Смирнов Н. Н.,Ильин А. П.,Смирнова Д. Н, Кочетков С. П. Очистка ЭФК и попутное извлечение РЗЭ с использованием адсорбентов // Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология. - 2014. - Т. 57. - Вып. 12.

- С. 3-10.

7. Кочетков С. П., Баринов А. Н.,Иль-ин А. П., Смирнов Н. Н. Нанотехнологии в промышленности удобрений, катализаторов и сорбентов // Нанотехнологиии. Наука и производство. - 2011. - № 4(13).

- С. 40-53.

8. Кочетков С. П.,Смирнов Н. Н.,Ильин А. П. Перспективы использования нанотех-нологий в фосфорной промышленности и в производстве катализаторов и сорбентов // Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология.

- 2012. - Т. 55. - № 2. - С. 131-144.

9. Кочетков С. П., Лембриков М. В. О

перспективах использования механических методов для переработки апатитов // Изв. СО АН СССР, сер. хим. наук. - 1979.

- № 7. - Вып. 3. - С. 29-34.

10. Кочетков С. П.,Смирнов Н. Н.,Иль-ин А. П. Комплексная механохимическая переработка фосфатов: Фосфатное сырье: производство и переработка: сб. мат. ме-ждун. науч.-практ. конф. - М.: НИУИФ.

- 2012.- С. 98-102.

11. Кочетков С. П. Научные основы новых высокоэффективных процессов комплексной переработки фосфатосодер-жащего сырья: дис. ... д-ра. техн. наук.

- Иваново: ИГХТУ. - 2004.

12. Кочетков С. П. Использование меха-нохимических методов для комплексной переработки твердых и жидких фосфатов на целевые продукты // Тр. НИУИФ, юб. выпуск, 85-лет. - Москва, 2004. - С. 142157.

13. Кочетков С. П.,Хромов С. В.,Ильин А. П. Физико-химический аспект влияния примесей и интенсивного тепломассообмена на дегидратацию и дефторирование ЭФК //Хим. технология. - 2005. - № 12.

- С. 26-32.

14. Кочетков С. П., Баринов А. А. О влиянии примесей различного фосфатного сырья и его структуры на переработку различными методами и физико-химические свойства продуктов: Фосфатное сырье: производство и переработка сб. мат. междун. науч.-практ. конф. - М.: НИУИФ. - 2012. - С. 157-163.

15. Кочетков С. П.,Смирнов Н. Н.,Иль-ин А. П. Концентрирование и очистка экстракционной фосфорной кислоты: монография. - Иваново: ИГХТУ. - 2007. -304 с.

16. Смирнов Н. Н,Ильин А. П.,Кочетков С. П. Очистка ЭФК на угольных адсорбентах // Катализ в промышленности.

- 2009. - № 5. - С. 22-27.

17. Хамизов Р. Х. Сорбционное концентрирование и выделение РЗЭ из ЭФК / Хамизов Р. Х., Крачак А. Н. [и др.]: Переработка и утилизация попутных фтористых соединений и извлечение РЗМ в производстве минеральных удобрений: мат. межд. науч.-практ. сем. - М.: НИУИФ, 2011. - С. 180-198.

18. Локшин Э. П., Калинников В. Т. Извлечение РЗЭ из отходов и промпродуктов

сернокислотной переработки хибинского апатитового концентрата // Jbid. - С. 125-142.

Сведения об авторах

Кочетков Сергей Павлович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры строительного производства; Коломенский институт (филиал) Университета машиностроения; 140402, Московская обл., г. Коломна, ул. Октябрьской революции, д. 408.

Брыль Сергей Валерьевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой строительного производства; Коломенский институт (филиал) Университета машиностроения; 140402, Московская обл.,

г. Коломна, ул. Октябрьской революции,

д. 408; e-mail: Bryl_SV@mail.ru.

References

1. Levin B. V. Fosfatnoe syr'e kak resurs dlja jekonomicheskicelesoobraznogo proizvodstva ftorproduktov: Potencial i real'nost' //Trudy NIUIF. - M.: NIUIF, 2014. - S. 283-304.

2. Kochetkov S. L.,Barinov A. L.,Maljavin A. S. Sorbcionnye processy i nanotehnologii pri kompleksnoj pererabotke apatitov // Jbid. - S. 355-359.

3. Kochetkov S. P.Najmogen S. V.,Smirnov N. N, Win A. P. Sovremennye tendencii v proizvodstve i kvalificirovanii fosfornoj kisloty: Sovremennyetendencii v proizvodstve i primenenii fosforsoderzhashhih udobrenij i neorganicheskih kislot: mat. mezhdun. nauch.-prakt. konf. - M.: NIUIF, 2015. -S. 98-108.

4. Bushuev N. N., Levin B. V. Osnovy novoj tehnologii vydelenija redkozemel'nyh jelementov iz JeFK // Trudy NIUIF. - M.: NIUIF,2014. - S. 455-461.

5. Kochetkov S. P., Barinov A. N. Jekologicheskij aspekt ispol'zovanija nanotehnologij v proizvodstve mineral'nyh udobrenij: Pererabotka i utilizacija poputnyh ftoristyh soedinenij i izvlechenie redkozemel'nyh metallov: mat. mezhdun. nauch.-prakt. sem. - M., 2011. - S. 49-53.

6. Smirnov N. N, Il'in A. P, Smirnova D. N, Kochetkov S. P. Ochistka JeFK i poputnoe izvlechenie RZJe s ispol'zovaniem adsorbentov // Izv. VUZov. Himija i him.

tehnologija. - 2014. - T. 57. - Vyp. 12. -S. 3-10.

7. Kochetkov S. P., Barinov A. N, Il'in A. P., Smirnov N. N. Nanotehnologii v promyshlennosti udobrenij, katalizatorov i sorbentov // Nanotehnologiii. Nauka i proizvodstvo. - 2011. - № 4(13). - S. 4053.

8. Kochetkov S. P.,Smirnov N. N.Jl'in A. P. Perspektivy ispol'zovanija nanotehnologij v fosfornoj promyshlennosti i v proizvodstve katalizatorov i sorbentov // Izv. VUZov. Himija i him. tehnologija. - 2012. - T. 55.

- № 2. - S. 131-144.

9. Kochetkov S. P., Lembrikov M. V. O perspektivah ispol'zovanija mehanicheskih metodov dlja pererabotki apatitov //Izv. SO AN SSSR, ser. him. nauk. - 1979. - № 7. -Vyp. 3. - S. 29-34.

10. Kochetkov S. P., Smirnov N. N, Il'in A. P. Kompleksnaja mehanohimicheskaja pererabotka fosfatov: Fosfatnoe syr'e: proizvodstvo i pererabotka: sb. mat. mezhdun. nauch.-prakt. konf. - M.: NIUIF.

- 2012. - S. 98-102.

11. Kochetkov S. P. Nauchnye osnovy novyh vysokojeffektivnyh processov kompleksnoj pererabotki fosfatosoderzhashhego syr'ja: dis. ... d-ra. tehn. nauk. - Ivanovo: IGHTU.

- 2004.

12. Kochetkov S. P. Ispol'zovanie mehanohimicheskih metodov dlja kompleksnoj pererabotki tverdyh i zhidkih fosfatov na celevye produkty // Tr. NIUIF, jub. vypusk, 85-let. - Moskva, 2004. - S. 142-157.

13. Kochetkov S. P., Hromov S. V., Il'in A. P. Fiziko-himicheskij aspekt vlijanija primesej i intensivnogo teplomassoobmena na degidrataciju i deftorirovanie JeFK // Him. tehnologija. - 2005. - № 12. - S. 2632.

14. Kochetkov S. P.Barinov A. A. O vlijanii primesej razlichnogo fosfatnogo syr'ja i ego struktury na pererabotku razlichnymi metodami i fiziko-himicheskie svojstva produktov: Fosfatnoe syr'e: proizvodstvo i pererabotka sb. mat. mezhdun. nauch.-prakt. konf. - M.: NIUIF. - 2012. - S. 157-163.

15. Kochetkov S. P.Smirnov N. N.Jl'in A. P. Koncentrirovanie i ochistka jekstrakcionnoj fosfornoj kisloty: monografija. - Ivanovo: IGHTU. - 2007. - 304 s.

16. Smirnov N. N.Jl'in A. P.,Kochetkov S. P. Ochistka JeFK na ugol'nyh adsorbentah // Kataliz v promyshlennosti. - 2009. - № 5. - S. 22-27.

17. Hamizov R. H. Sorbcionnoe koncentrirovanie i vydelenie RZJe iz JeFK / Hamizov R. H., Krachak A. N. [i dr.]: Pererabotka i utilizacija poputnyh ftoristyh soedinenij i izvlechenie RZM v proizvodstve mineral'nyh udobrenij: mat. mezhd. nauch.-prakt. sem. - M.: NIUIF, 2011. - S. 180198.

18. Lokshin Je. P., Kalinnikov V. T. Izvlechenie RZJe iz othodov i promproduktov sernokislotnoj pererabotki hibinskogo apatitovogo koncentrata // Jbid. - S. 125142.

Information about the authors

Kochetkov Sergei Pavlovich, doctor of technical sciences, senior researcher, professor of construction production; The Kolomna institute (branch) of the University of machine building; 140402, Moscow region, town Kolomna, ul. Oktyabrjskoy revolutsii, 408.

Bryl Sergey Valerjevich, candidate of technical sciences, head of the chair of construction production; The Kolomna institute (branch) of the University of machine building; 140402, Moscow region, town Kolomna, ul. Oktyabrjskoy revolutsii, 408; e-mail: Bryl_SV@mail.ru.

Для цитирования: Кочетков С. П.,Брыль С. В. Основные экологические аспекты комплексной переработки природного фосфатного сырья // Экология и строительство. - 2016. - № 2. - С. 9-17.

For citations: Kochetkov S. P. Bryl S. V. The main ecological aspects of the complex processing of natural phosphate raw material // Ekologiya & Stroitelstvo. - 2016. - № 2. - С. 9-17.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.