CC BY
30Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова_2009, №2
Свергузова С.В., д-р техн. наук, проф. Чернышева Н.В., канд. техн. наук, доц.
Мтибаа М., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ФОСФОГИПСА ТУНИССКИХ ХИМИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ
В работе показаны возможности переработки фосфогипса химических заводов Туниса, где ежегодно образуется более 10 миллионов тонн фосфогипса. Данный фосфогипс в настоящее время не используется. Авторами предложен безобжиговый энергосберегающий способ переработки фосфогипса в гипсовое вяжущее с использованием концентрированной серной кислоты в качестве химического водоотнимающего средства. Продукт переработки фосфогипса предлагаемым способом содержит до 80% СаБ04 0,5 Н2О и обладает свойствами вяжущего.
Одной из важнейших задач промышленности строительных материалов, - сказано в работе [1] выдающейся исследовательницы, доктора технологических наук, известного ученого в области изучения гипса Анны Викторовны Ферро-нской, - является развитие производства эффективных строительных материалов на основе гармоничной и сбалансированной деятельности по отношению к окружающей природной среде. В этой связи особое значение приобретают процессы изготовления экологически чистых природных материалов по малозатратным энергосберегающим технологиям с использованием местного сырья и техногенных отходов [1].
Тунис относится к числу молодых государств Северной Африки с бурно развивающейся перерабатывающей промышленностью. Сырьем для переработки являются фосфориты, добываемые в области Гасфа, районах Рдайфа и Матлави. На химических заводах городов Габес и Сфакс при производстве фосфорных удобрений ежегодно образуется свыше 10 млн. тонн фосфогипса, являющегося отходом данного производства. Фосфорные удобрения используются для собственных агротехнических нужд Туниса и широко экспортируются в страны западной Европы. Учитывая растущие потребности мирового сельского хозяйства в фосфорных удобрениях, ожидается увеличение мощности действующих производств и, соответственно, увеличение количества образующегося фосфо-гипса.
В настоящее время фосфогипс в Тунисе не утилизируется. Значительная часть его сбрасы-
вается в отвалы, другая часть скачивается в море, чем наносится непоправимый ущерб окружающей среде.
Между тем в Тунисе происходит бурное развитие государственного и частного строительства, что связано с потребностью в больших количествах недорогих, эффективных строительных материалов.
Одним из направлений успешного решения этой задачи является налаживание производства и применения в строительстве эффективных строительных материалов из гипсовых вяжущих [2]. Это обусловлено запасом гипсосодержащих отходов - фосфогипса - в стране, которое по содержанию двуводного сульфата кальция относится к первосортному гипсовому сырью. Гипсовые материалы отличаются высокой эффективностью их переработки в вяжущие вещества и простотой изготовления изделий из них. На изготовление 1 тонны гипсового вяжущего требуется в 4 раза меньше топлива, чем на производство тонны цемента; удельные капитоловложения в их производство вдвое меньше, чем в цементной промышленности, металлоемкость оборудования гипсовых предприятий в 3 раза меньше цементных [1]. По теплозащитным, звукоизолирующим свойствам и огнестойкости гипсовые материалы превосходят материалы на основе цемента, а по декоративным, комфортным и экологическим показателям они не имеют равных в строительстве. Гипсовые материалы создают благоприятный микроклимат в помещениях за счет - повышенной воздухопроницаемости, способности поглощать избыточную влагу и постепенно
отдавать ее, когда в помещении «сухо» [1].
В настоящее время в мировой литературе описано множество попыток переработки фос-фогипса в гипсовое вяжущее автоклавным или обжиговым способом. Однако оба эти способа энергозатратны, поскольку их реализация связана с расходом больших количеств тепла, поэтому они до сих пор не нашли широкого применения, и миллионы тонн фосфогипса по-прежнему сбрасываются в отвалы.
Нами предложен безобжиговый энергосберегающий способ переработки фосфогипса в гипсовое вяжущее с использованием химического водоотнимающего средства - концентрированной серной кислоты.
Поскольку образующийся в производстве удобрений фосфогипс имеет влажность до 40%, при добавлении к нему концентрированной серной кислоты происходит реакция ее гидратации с выделением значительных количеств тепла, что вызывает саморазогрев смеси. Для нейтрализации введенной серной кислоты и остатков фосфорной кислоты, изначально содержащейся в фосфогипсе, в систему вводится сверхэквивалентное количество СаОакт, что приводит к нейтрализации среды, протеканию экзотермической реакции и еще большему повышению тем-
пературы реакционной смеси. Создаются благоприятные условия для протекания реакции дегидратации двуводного гипса и превращения его в полуводный гипс. Протекающие при этом реакции можно описать следующими схемами: И2804(к) + ПН20 ^ ^04 . ПН20 + о 1
Са 804 ■ 2Н20 ^ Са 804. 0,5^О + 1,5^0 СаО + ^804 ^ Са 804 + Н20 СаО + Н2О ^Са(ОН)2
Поскольку в фосфогипсе присутствуют также такие вещества, как Н3Р04, СаНРО4, Са(Н2Р04)2, Н281Бб и НБ, то СаО и Са(ОН)2 являются нейтрализаторами данных вредных примесей и образуют с ними стабильные соединения Са5(Р04)зБ, Са5(Р04)з0Н, Саз(Р04)2, Са81Бб, СаБ2 [3].
Такой метод нейтрализации не требует дополнительных технологических переделов и экологически безопасен.
Объектом исследований является фосфогипс химического завода Габес (Тунис), рентге-нофазовый и химический состав которого представлены на рис. 1 и в табл. 1.
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
Рис.1. Рентгенограмма исходного фосфогипса: Д - Са804-2Н20
Таблица 1
Химический состав фосфогипса
Месторождение фосфоритового концентрата Содержание, % по массе
СаО 8Ю2 8Оз Н2О Р2О5 Я20з Я20 Б Са8О4-Н20
Гасфа 31,1 0,92 44,5 19,8 1,14 1,78 - 0,19 97,62
Исследования показали, что исходный фосфо-гипс представляет собой серовато-белую массу влажностью до 40% с размером частиц от 10 до 120 мкм.; рН фосфогипса 2,8, содержание Са804*2НО до 95 - 98 %.
чество СаО и снова перемешивали смесь 2-3 минуты. Полученный продукт обработки подвергали рентгенофазовому и физико-химическому анализу, в результате которого определяли влажность продукта и содержание Са8О4 . 2НО и Са8ОФ
Рис.2. ДТА исходного фосфогипса
Из результатов ДТА (рис.2) следует, что исходный фосфогипс теряет воду при нагревании легче, чем фосфогипс, хранившийся некоторое время после его образования. Так, из рис.2 видно, что максимум энергоэффекта дегидратации дву-водного гипса с отщеплением полутора молекул воды в исходном фосфогипсе, взятом сразу после его образования приходится на температуру 144,7оС, в то время как фосфогипс, хранившийся 20 и 40 дней дегидратируется при температуре 150,3оС и 150,7 оС соответственно (рис.3.а,б). Поэтому переработке желательно подвергать свежий фос-фогипс, в этом случае его дегидратация будет протекать более полно при меньших энергозатратах.
Исходный фосфогипс, образующийся в условиях производства, имеет температуру 80°С, этому перед обработкой его серной кислотой фогипс нагревали до указанной температуры. Для удобства перемешивания фосфогипс перед подачей серной кислоты увлажняли до состояния сти 60%. Реакцию обработки фосфогипса кислотой осуществляли в термостатированной емкости. После добавления кислоты смесь перемешивали в течение 2-3 минут, затем добавляли расчетное коли-
Рис.3. ДТА фосфогипса: а - через 20 дней после получения; б - через 40 дней
На рентгенограмме (рис. 4) видно, что в результате обработки фосфогипса двуводный сульфат кальция подвергся дегидратации и превратился в полуводный сульфат кальция с небольшими примесями Са8О4-2Н2О. Химический ана-
лиз продукта переработки фосфогипса показал, что содержание в нем Са8О4 составляет 67,3%, Са8О4-2Н2О - 17,3%, влажность - 15,4%. В пересчете на сухое вещество содержание Са8О4 составляет 79,6%.
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
Рис.4. Рентгенограмма фосфогипса после обработки: Д - CaSO4-2H2O; О - CaSO4; □ - Ca(OH)2
Таким образом, в ходе исследований была доказана принципиальная возможность получения из фосфогипса безобжиговым способом строительного гипса и ангидрита.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ферронская, А.В. Гипс: эколого-экономические аспекты его применения в строительстве / А.В. Ферронская // Строительные материалы. - 1999. - № 4. - С. 13-15.
2. Ферронская, А.В. Эффективные гипсовые материалы и изделия./ А.В. Ферронская, И.М. Баранов, В.А. Коровяков // Строительные материалы. - 1998. - № 8. - С. 20-21.
3. Хайдаров, Ю. Пазогребневые перегородки из отходов призводства / Ю. Хайдаров, А. Мамараимов, А. С. Абдукаримов [и др.] // Сб. тр. Науч.-инж. центр строит. материаловед. - М. : Госстрой СССР, 1990. - № 2. - С. 79 -83.
