CC BY
16
УДК 628.345
Жильцова Е.Е., Костылева Е.В., Кузин Е.Н., Зиновеев Д.В.
ПЕРЕРАБОТКА ОТXОДА ПРОИЗВОДСТВА ГЛИНОЗЕМА МЕТОДОМ КИСЛОТНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
Жильцова Екатерина Евгеньевна - студентка 1 курса магистратуры кафедры промышленной экологии, email: ekaterinazhiltsowa@yandex.ru;
Костылева Елена Валерьевна — кандидат химических наук., доцент кафедры промышленной экологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
Кузин Евгений Николаевич - кандидат технических наук., доцент кафедры промышленной экологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
Зиновеев Дмитрий Викторович - младший научный сотрудник лаборатории физикохимии и технологии переработки железорудного сырья; Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Россия, Москва,
119334, Ленинский проспект, д.49.
В работе исследована возможность гидрометаллургической переработки отхода производства глинозема по методу Байера - красного шлама. Исследованы процесс извлечения железа растворами кислот различной концентрации. Установлено, что растворы серной кислоты с концентрацией 25 - 75 % позволяет на 95 - 97 % извлекать соединения железа. Растворы соляной и азотной кислоты обладают менее выраженной выщелачивающей способностью, а с учетом их высокой стоимости еще и экономически нецелесообразным. Ключевые слова: красный шлам, отход производства глинозема, кислотное выщелачивание.
PROCESSING OF ALUMINA PRODUCTION WASTE BY ACID LEACHING
Zhiltsova E.E.1, Kostyleva E.V.1, Kuzin E.N.1, Zinoveev D.V.2
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
2 A.Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science (IMET), Russian Academy of Sciences (RAS), Moscow, Russian Federation
The paper investigates the possibility of hydrometallurgical processing of alumina production waste by the Bayer-red mud method. The process of iron extraction with solutions of acid concentration has been investigated. It has been established that solutions of sulfuric acid with a concentration of25 - 75% make it possible to extract iron compounds by 91 - 95%. Solutions of hydrochloric and nitric acid have a less pronounced leaching capacity, and given their high cost, they are also economically inexpedient. Keywords: red mud, alumina production waste, acid leaching.
Красный шлам - потенциально опасный отход, которого в мире накоплено уже около 4 млрд. тонн. С учетом постоянно возрастающего спроса на алюминий, производимый преимущественно по методу Байера, запасы данного отхода будут ежегодно увеличиваться. Существуют
множественные исследования, посвященные переработке красного шлама, однако в настоящее время не существует эффективной и рентабельной схемы его переработки, а большая его часть размещается на постоянное хранение в специализированных шламохранилищах [1,2], при этом оказывается существенное негативное влияние на окружающую среду, а в случае аварии возникают техногенные катастрофы [3].
Предложено множество лабораторных методов использования, переработки и обезвреживания красного шлама [4], включающие традиционные
гидрометаллургические [5] и пирометаллургические методы переработки [6,7]. Такое разделение является условным, поскольку в большинстве случаев предложенные технологии включают в себя одновременно оба процесса.
Для исследования процесса выщелачивания необходимо знать фазовый и элементный состав сырья. В рамках проведенной работы был изучен химический и фазовый состав образца красного шлама Богословского алюминиевого завода (Краснотурьинск, Россия). Химический состав (таблица 1) анализировали методом рентгенофлуоресцентной спектроскопиии с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра PANalytical AXIOSmax Advanced (Нидерланды). Рентгеновские дифракционные картины (рисунок 1) были получены на рентгеновском дифрактометре ARL X'TRA (Швейцария) с источником излучения Cu-Ka.
Таблица 1. Химический состав образца красного шлама
Компонент Fe2O3 SiO2 AbO3 TiO2 CaO MgO MnO Na2O P2O5 S Sc
Содержание, % 49,81 8,71 12,77 4,67 9,26 0,65 0,26 3,30 0,85 0,48 0,014
Рисунок 1. Рентгенограмма красного шлама Богословского алюминиевого завода
Данные рентгенограммы показывают, что изучаемый образец красного шлама содержит трудно извлекаемые оксиды и гидроксиды железа (гематит), недоизвлеченные соединения алюминия,
преимущественно в форме щелочных гидроалюмосиликатов (катоит и др.), минералы включающие редкие и рассеянные металлы такие как титан, цирконий, скандий, а также соединения кремния, кальция, магния, остаточную свободную щелочь и ряд других примесных компонентов (фосфор, сера).
Таким образом, высокое содержание железа в красном шламе, а также значительное количество других ценных элементов (легирующие компоненты) делает перспективным его переработку с получением металлургического сырья [8,9] или иных крупнотоннажных продуктов (например,
коагулянтов).
Для разработки эффективной технологии извлечения из красного шлама железа было проведено выщелачивание растворами кислот различной концентрации. Высокое содержание гематита теоретически должно обеспечивать относительно легкую вскрываемость красного шлама минеральными кислотами. Для данного исследования использовались 25% H2SO4, 50% H2SO4, 75% H2SO4, 19% HCl и 50% HNO3.
Эксперимент проводили следующим образом: навеску красного шлама и выщелачивающего агента брали в соотношении 1:100. Раствор доводили до кипения и спустя 2 часа от начала кипения и каждые 15 минут обирали пробу на анализ. Определение содержания железа проводили фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой. Полученные
в ходе эксперимента данные представлены в таблице 2.
Таблица 2. Максимальная степень извлечения железа при выщелачивании
Выщелачивающий агент Концентрация железа в растворе, мг/дм3 Степень извлечение железа, %
25% H2SO4 3,77 96,29
50% H2SO4 3,71 95,01
75% H2SO4 3,80 97,06
19% HCl 3,59 91,93
50% HNO3 1,86 47,50
Из данных таблицы видно, что вне зависимости от концентрации серной кислоты степень извлечения соединений железа из красного шлама близка к 100 %. Соляная кислота была чуть менее эффективна, однако степень извлечения составила 91 % что хорошо сочетается с известными данными [10,11]. Эффективность вскрытия красного шлама азотной кислотой не превысила 50 %. Помимо относительно невысокой эффективности НЫ03 имеет достаточно высокую стоимость, а кроме того, за счет высокой растворимости многих нитратов возникает сложность с очисткой от них сточных вод [10]. Также азотная и соляная кислоты являются высоко коррозионными веществами, в результате чего к материалам оборудования предъявляются требования по
повышенной химической стойкости, что в свою очередь приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат [13].
Использование Ш304 в данном случае позволяет перерабатывать практически любой красный шлам с высокой степенью извлечения железа в раствор, что облегчает его дальнейшую переработку. Полученный после отделения раствора осадок, теоретически, может быть использован в металлургической промышленности. В рамках эксперимента подтверждена перспективность применения серной кислоты в широком диапазоне исходных концентраций и соляной кислоты в процессах переработки красного шлама [14].
Список литературы
1. Корнеев В.И. Красные шламы / В.И.Корнеев, А.Г.Сусс, А.И.Цеховой. М., 1991.
2. Лайнер А.И., Производство глинозёма. Лайнер А.И., Еремин Н.И., и др.; 2-е изд. Перераб. И доп. - М: Металлургия. - 1978. -344 с.
3. Корнеев В.И., Сусе А.Г., Цеховой А.И. Красные шламы, свойства, складирование, применение. М.: Металлургия, 1991. 144 с.
4. И.И.Ребрик, В.А.Утков,В.М.Сизяков и др. Критерии возможности переработки красных шламов как техногенного сырья // Экология и промышленность России, ноябрь, 1998.
5. Архипов О.А. Полупромышленные испытания технологической схемы комплексной переработки красных шламов // Комплексная переработка полиметаллического сырья: Сб. тр. - М.: Металлургия, 1965.
6. Л.И. Леонтьев, И.А. Ватолин, С.В. Шаврин, И.С. Шумаков Пирометаллургическая переработка комплексных руд /. - М.: Металлургия, 1997. - 432 с.
7. Голубев А.А. и Гудим Ю.А. Способ пирометаллургической переработки красных шламов // Патент WO 2013070121 A1. - 2013.
8. Кузнецов С. И. Физическая химия процесса производства глинозема по способу Байера / С. И. Кузнецов, В. А. Деревянкин. - Москва: Металлургиздат, 1964.
9. Проблемы развития безотходных производств / Б. Н. Ласкорин, Б. В. Громов, А. П. Цыганков, В. Н. Сенин. М.: Стройиздат, 2000. 566 с.
10. Г.А. Вардан, А.С. Аверюшкин, М.М, Калугин, Г.Г. Карамян, Г.А. Мартоян. Современные подходы к решению проблем, связанных с утилизацией красного шлама // Российская академия наук, Москва 2017.
11. Еремин Н.И. Способы комплексной переработки красных шламов с получением металлического железа: В кн. «Комплексное использование бокситов». Матер. совещания специалистов ВАМИ-ФКИ 25 - 27 сентября 1970 г. -Будапешт, 1972.
12. В.А. Утков, В.М. Сизяков. Современные вопросы металлургической переработки красных шламов // ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.202 // Санкт-Петербург, 2013.
13. Трушко В.Л. Актуальность и возможности полной переработки красных шламов глиноземного производства / В.Л.Трушко, В.А.Утков, В.Ю.Бажин // Записки Горного института. 2017. Т.227. С.547-553. DOI: 10.25515/PMI.2017.5.547.
14. Сватова Е. Ю. Гидрометаллургическая переработка красных шламов / Е. Ю. Сватова, К. Г. Земляной, А. В. Доронин // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (Екатеринбург, 15-18 декабря 2015 г.). — Екатеринбург : УрФУ, 2015. — С. 326-328.
