CC BY
2
УДК 546.82; 549.64
Любушкин Т.Г., Носова Т.И., Григорьев Е.А., Кузин Е.Н.
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ СОВМЕСТНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КВАРЦ -ЛЕЙКОКСЕНОВОГО КОНЦЕНТРАТА И КРАСНОГО ШЛАМА
Любушкин Тимофей Геннадьевич - магистрант 1-го года обучения кафедры промышленной экологии, e-mail: timlub2000@gmail.com
Носова Татьяна Игоревна - магистрант 2-го года обучения кафедры промышленной экологии; Григорьев Евгений Александрович - студент 4-го года обучения кафедры промышленной экологии; Кузин Евгений Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В рамках проделанной работы проведена оценка возможности получения структуры псевдобрукита (Fe2TiO5) при спекании кварц-лейкоксенового концентрата с железосодержащим отходом производства алюминия и его соединений - красным шламом. Доказано, что пирометаллургическая обработка приводит к образованию фазы псевдобрукита. Получены данные по эффективности извлечения соединений титана в процессе гидрометаллургической обработки синтетического псевдобрукита серной кислотой Ключевые слова: кварц-лейкоксен, красный шлам, пиро- и гидрометаллургия
ASSESSMENT OF THE POSSIBILITY OF JOINT PROCESSING OF QUARTZ-LEUCOXENE
CONCENTRATE AND RED SLUDGE
Lyubushkin T.G., Nosova T.I., Grigorev E.A., Kuzin E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
As part of the work done, an assessment was made of the possibility of obtaining the structure of pseudobrookite (Fe2TiO5) during sintering of quartz-leukoxene concentrate with iron-containing waste from the production of aluminum and its compounds - red mud. It has been proven that pyrometallurgical treatment leads to the formation of a pseudobrookite phase. Data on the efficiency of extracting titanium compounds in the process of hydrometallurgical treatment of synthetic pseudobrookite with sulfuric acid have been obtained. Keywords: quartz-leucoxene, red sludge, pyro- and hydrometallurgical
Введение
В современном мире наблюдается значительная потребность в титане и его соединениях. Данная тенденция обусловлена в первую очередь уникальными свойствами этих продуктов. Среди основных титановых продуктов можно выделить сплавы, металлический титан и диоксид титана (ТЮ2). Сплавы титана характеризуются жаростойкостью, легкостью, механической прочностью и устойчивостью к коррозии [1, 2]. Диоксид титана применяется в химической технологии, пищевой промышленности, для изготовления фотоэлементов солнечных панелей, фотокатализаторов, пигментов (более 90% всего мирового производства) и многих других крупнотоннажных продуктов [3].
В России сконцентрировано около 15% мировых запасов титанового сырья [4]. Не смотря на столь значительный потенциал, отрасль добычи титанового сырья и производства титановых концентратов практически не развита и нужды соответствующей промышленности обеспечиваются импортным сырьем. Причинами данной проблемы являются преобладание коренных месторождений (97%) над россыпными и несоответствие Российских титансодержащих минералов со стороны типовых процессов их переработки.
Крупнейшее в России месторождение титана -Ярегское в республике Коми (48% запасов страны) [4]. Основным титансодержащим минералом данного
месторождения является кварц-лейкоксен, состоящий преимущественно из оксида титана (в модификации рутила) и оксида кремния. Данные оксида в минерале находятся в состоянии взаимного прорастания. Структура и природа кварц-лейкоксена становится причиной, по которой он не может быть переработан по традиционной сернокислотной технологии. Применение процесса селективного хлорировании позволяет с высокой эффективностью извлекать соединения титана, однако перерасход газообразного хлора на пустую кремниевую составляющую дает существенный вклад в себестоимость титанового продукта, делая его не конкурентоспособным на рынке.
Кварц-лейкоксеновый концентрат считается перспективным сырьевым источником титана и вопрос разработки экономически целесообразной технологии его переработки становится темой множества научных работ, а значит данная тема является актуальной.
В более ранних исследованиях [5] авторами предлагалась концепт-технология комплексной пиро- и гидрометаллургической переработки кварц-лейкоксена, суть которой заключалась в предварительном спекании кварц-лейкоксена с оксидами железа с образованием химически активной фазы синтетического псевдобрукита (Ре2ТЮ5) и его последующим сернокислотным выщелачиванием.
Целью данной работы являлась оценка возможности применения в качестве железосодержащей добавки крупнотоннажного отхода производства алюминия по методу Байера -красного шлама.
Материалы и методы исследования В рамках предыдущих исследований [5] было доказано, что спекание кварц-лейкоксенового концентрата с оксидами железа (II) и (III) в стехиометрическом соотношении на протяжении 4 часов при 1450 °С (FeO и Fe2O3 соответственно) приводит к образованию фазы псевдобрукита по реакциям (1) и (2) [5]. Степень последующего сернокислотного извлечения титана достигла =90%.
Полученный продукт пирометаллургической переработки кварц-лейкоксена подвергали гидрометаллургической обработке, суть которой заключалась в извлечении титана из продукта спекания в раствор выщелачиванием серной кислотой. Процесс проводился при соотношении твердой и жидкой фаз Т:Ж=1:12 и концентрации серной кислоты 70% масс. Химизм сернокислотного выщелачивания описывается реакцией 3.
Fe2TЮ5+4H2SO4^Fe2(SO4)з+TЮSO4+4H2O (3)
Измерение концентрации титана в жидкой фазе осуществляли фотометрическим методом с применением пероксида водорода (ГОСТ 25702.1483).
Результаты и их обсуждение
На первом этапе исследования была проведена пирометаллургическая обработка кварц-
лейкоксенового концентрата путем его спекания с красным шламом. Спекание проводилось по методу, использованному для синтеза псевдобрукита (температура 1450 °С, время процесса 4 часа, стехиометрическое соотношение компонентов по
FeO+TЮ2+1/2O2^Fe2TЮ5 (1) Fe2Oз+TЮ2^Fe2TЮ5 (2)
В качестве железосодержащей добавки для пирометаллургической активации кварц-лейкоксена был использован красный шлам, образующийся в результате переработки бокситовых руд Североуральского месторождения «Красная шапочка». Данный отход подлежит размещению на временное хранение на шлакоотвале предприятия ввиду отсутствия комплексной технологии его переработки. Состав используемого в экспериментах красного шлама приведен в таблице 1.
Таблица 1. Состав красного шлама
реакции (2)). Данные о фазовом составе продуктов пирометаллургической переработки представлены на дифрактограмме рис. 1.
Из приведенной на рис.1 рентгенограммы видно, что, при замене железосодержащего агента на красный шлам, основным продуктом пирометаллургической переработки по-прежнему является синтетический псевдобрукит.
Наличие множества менее ярких пиков (не охарактеризованных на дифрактограмме) обусловлено преобразованиями диоксида кремния ^Ю2), а также образованием титанатов примесных металлов, содержащихся в красном шламе (AhTЮ5, MgTiOз, CaTiOз и др.).
Для оценки возможности применения красного шлама в процессе переработки кварц-лейкоксена были проведены эксперименты по оценке эффективности выщелачивания соединений титана при определённых для псевдобрукита, полученного из кварц-лейкоксена и чистых оксидов железа условиях: Т:Ж=1:12, концентрация серной кислоты 70%, при температуре кипения растворов.
Рис.1. Фазовый состав продукта спекания кварц-лейкоксенового концентрата и красного шлама
Компонент Fe2Ü3 AI2O3 SiÜ2 CaO TiÜ2 MgO MnÜ Na2Ü P2Ü5 S Sc
Содержание, % 36,9 11,8 8,71 23,8 3,54 1,01 0,95 0,27 0,42 0,14 0,008
44 4M
3W ЭЮ
но
!*Н ibej IM
w
о
При указанных условиях сернокислотное выщелачивание синтетического псевдобрукита происходило с степенью извлечения титана более 90%, а процесс характеризовался стабильностью и высокой скоростью выхода на максимальную концентрацию титана в выщелачивающем растворе. Полученные в результате эксперимента данные представлены на графике рис. 2.
90
О IM Э0О Joe 4fH)
LS]\'MÜ ВЬШйТЛЧНМШИ. MUH Рис. 2 Степень извлечения титана из продукта спекания в раствор в ходе сернокислотного выщелачивания
Анализируя данные рис. 2, можно сделать вывод, что образцы синтетического псевдобрукита, полученные при спекании кварц-лейкоксенового концентрата с красным шламом, характеризуются меньшей стабильностью и степенью перехода титана в раствор, чем для более ранних образцов псевдобрукита, для синтеза которых применялись чистые оксиды железа. Снижение выхода титана при гидрометаллургической переработке и меньшая стабильность полученных образцов могут быть объяснены наличием множества субпродуктов в составе красного шлама, которые вступают во взаимодействие с диоксидом титана с образованием титанатов (AhTiOs, MgTiÜ3 и др.).
Вероятно, данные титанаты обладают меньшим сродством к серной кислоте, чем псевдобрукит, что негативно сказывается на эффективности и стабильности процесса гидрометаллургической переработки. Снижение эффективности
гидрометаллургической обработки после
прохождения пика вызвано протеканием процессов термогидролиза, с образованием орто- и метатитановых кислот, выпадающих в осадок.
Заключение
Меньшие эффективность и стабильность образцов спекания кварц-лейкоксена и красного
шлама делают его менее предпочтительным в вопросе переработки кварц-лейкоксена. Тем не менее предлагаемая технология потенциально позволит перерабатывать совместно два отхода, накопление которых является серьезной экологической проблемой. Также стоит отметить, что получаемый псевдобрукит может быть использован для производства комплексных титансодержащих коагулянтов, характеризующихся высокой эффективностью [6]. Одновременное присутствие в жидкой фазе соединений железа, алюминия и титана позволяет выдвинуть предположение о большей коагулирующей способности получаемых растворов. Эффективность использования растворов в качестве коагулянтов будет рассмотрена в рамках последующих исследований.
Список литературы
1. Полькин И. С., Егорова Ю. Б., Давыденко Л. В. Статистическая оценка свойств титановых сплавов // Технология легких сплавов. - 2015. - №. 1.
- С. 27-36.
2. Илларионов, А. Г. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов: учебное пособие / А. Г. Илларионов, А. А. Попов. -Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та. - 2014 - 137 с.
3. Wu X. Applications of Titanium Dioxide Materials: [Электронный ресурс] // Официальный сайт издательства IntechOpen. URL: https://www.intechopen.com/chapters/77676 (Дата обращения: 16.05.2022).
4. Государственный доклад «О Состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2019 г.» // Министерство природных ресурсов и экологии РФ. - М. - 2020 г. -494 с.
5. Кузин, Е. Н. Комплексная пиро- и гидрометаллургическая технология переработки кварц-лейкоксенового концентрата / Е. Н. Кузин, Т. И. Носова, Т. Г. Любушкин // Успехи в химии и химической технологии. - 2021. - Т. 35. - № 14(249).
- С. 50-52.
6. Кузин Е.Н., Кручинина Н. Е. Оценка эффективности использования комплексных титансодержащих коагулянтов в процессах очистки сточных вод машиностроительного производства // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2019. - Т. 62.
- Вып. 10 - С. 140-146.
